微型計(jì)算機(jī)第一章課件資料

微型計(jì)算機(jī)第一章課件資料2023/5/24教材

微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)——杜誠(chéng)西南交通大學(xué)出版社

2002年

參考書微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用——從16位到32位第二版戴梅萼等清華大學(xué)出版社1996年從8086到PentiumIII——微型計(jì)算機(jī)及接口技術(shù)馬維華等科學(xué)出版社2000年微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用第三版上冊(cè)周明德清華大學(xué)出版社1998年2023/5/241.課程性質(zhì)及教學(xué)目的

《微型計(jì)算機(jī)原理》是工科計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。本課程幫助學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用；學(xué)會(huì)運(yùn)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；樹立起計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念；為后繼的軟、硬件課程做好鋪墊。

課程簡(jiǎn)介及要求2023/5/242.課程教學(xué)安排教學(xué)參考學(xué)時(shí)：60學(xué)時(shí)考試形式：筆試2023/5/24第一章概述2023/5/241946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）。重量30噸，占地176平方米，每小時(shí)耗電150千瓦，價(jià)值約40萬(wàn)美元。采用18000只電子管，70000個(gè)電阻，10000支電容，研制時(shí)間近三年，運(yùn)算速度為每秒5000次加減法運(yùn)算。

ENIAC的不足：運(yùn)算速度慢、存儲(chǔ)容量小、全部指令沒有存放在存儲(chǔ)器中、機(jī)器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差2023/5/242023/5/24計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入接口輸出接口存儲(chǔ)器

微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算器控制器

微處理器2023/5/24馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

Von

Neumann程序和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制數(shù)表示；計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程是由存儲(chǔ)程序控制的；計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備所組成；2023/5/24桌上型：臺(tái)式電腦 便攜型：筆記本、掌上電腦等2023/5/242023/5/242023/5/24主板ISA插槽PCI插槽AGP插槽北橋芯片組南橋芯片組內(nèi)存插槽CPU插槽IDE接口軟驅(qū)接口并口連接器串口連接器ROMBIOS鼠標(biāo)鍵盤USB接口主板電源插座2023/5/24采用875芯片組的主板Socket478插槽

AGP插槽PCI總線插槽北橋芯片南橋芯片

DDR內(nèi)存插槽鼠標(biāo)、鍵盤USB2023/5/24CPU8088CPU2023/5/24CPU2023/5/24藍(lán)寶石X1950PRO顯卡2023/5/24金士頓512MBDDR4002023/5/24希捷160GB/酷魚2023/5/24外設(shè)及輸入輸出接口2023/5/24根據(jù)電子元器件不同分類第一代(1946年至1958年)——電子管，幾千次/秒，處理信息的位數(shù)４位第二代(1958年至1964年)——晶體管，幾十萬(wàn)次/秒，處理信息的位數(shù)８位第三代(1964年至1972年)——小規(guī)模集成電路，幾百萬(wàn)次/秒，處理信息的位數(shù)16位第四代(1972年代中期以后)——大規(guī)模、超大規(guī)模集電路，上億次/秒，處理信息的位數(shù)32位2023/5/241)

多極化：微型化和巨型化。2)

網(wǎng)絡(luò)化：如銀行系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)等。3)

多媒體化：文本、圖形、聲音、圖象等信息的載體4)

智能化：具有人的某些智能處理，進(jìn)行“看”、“聽”、“說(shuō)”、“想”、“做”，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力。智能化研究領(lǐng)域很多，其中最有代表性的領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。5)

嵌入化：在汽車電腦、智能電話等移動(dòng)環(huán)境以及INTERNETTV、SET-TOPBOX等家庭環(huán)境中的應(yīng)用。2023/5/241.1.2微型計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)

微處理器的性能指標(biāo)基本上確定了由其組成的微機(jī)的功能。描述微處理器的性能，通常用到下面的一些概念。1、

CPU類型CPU類型是指微機(jī)系統(tǒng)所采用的CPU芯片型號(hào)，它決定了微機(jī)系統(tǒng)的檔次。2023/5/24各類微處理器的字長(zhǎng)不同，例如有四位的、八位的、十六位的、三十二位的等。字長(zhǎng)長(zhǎng)、位數(shù)多的機(jī)器處理的精度和速度都更高，因此，字長(zhǎng)是微處理器最重要的指標(biāo)之一。2、字長(zhǎng)微處理器的字長(zhǎng)是指它在交換、加工和存放信息時(shí)，其信息位的最基本的長(zhǎng)度，它決定一次傳送的二進(jìn)制的位數(shù)。2023/5/24

一個(gè)16位的數(shù)，對(duì)八位微處理器，需進(jìn)行二次傳送處理，而對(duì)十六位的微處理器則需一次，這就是字長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)器在處理速度上帶來(lái)的優(yōu)越性。字長(zhǎng)由微處理器對(duì)外數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定。同時(shí)字長(zhǎng)又確定了微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代的CPU為了提高內(nèi)部運(yùn)算能力，加寬了內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，使得內(nèi)部字長(zhǎng)和對(duì)外數(shù)據(jù)總線寬度不一致。2023/5/24稱為16位的微處理器，是指數(shù)據(jù)總線條數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均為16位，而對(duì)外數(shù)據(jù)總線只有8條的16位內(nèi)部結(jié)構(gòu)又稱為準(zhǔn)16位機(jī)。時(shí)鐘頻率又稱主頻，它是指CPU內(nèi)部晶振的頻率，常用單位為兆（MHz），它反映了CPU的基本工作節(jié)拍。一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成，在機(jī)器語(yǔ)言中，使用執(zhí)行一條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)來(lái)說(shuō)明指令執(zhí)行的速度。2023/5/244、運(yùn)算速度處理器完成一件具體任務(wù)所需的指令叫做程序。執(zhí)行程序所花的時(shí)間就是完成該任務(wù)的時(shí)間指標(biāo)。時(shí)間愈短．機(jī)器速度愈高。為了衡量微處理器的速度，選用實(shí)現(xiàn)同一操作的指令寄存器的加法指令作為基本指令，它的運(yùn)行時(shí)間就作是基本指令執(zhí)行時(shí)間，基本指令執(zhí)行時(shí)間由時(shí)鐘周期及所用時(shí)鐘周期數(shù)決定。單位有MIPS（每秒百萬(wàn)條指令）、MFLOPS（秒百萬(wàn)條浮點(diǎn)指令）2023/5/24為了衡量微處理器的速度，將選用實(shí)現(xiàn)同一操作的指令寄存器加法指令作為基本指令，它的執(zhí)行時(shí)間就作為基本指令執(zhí)行時(shí)間，基本指令執(zhí)行時(shí)間由時(shí)鐘周期及所用時(shí)鐘周期數(shù)決定。基本指令執(zhí)行時(shí)間愈短，表示微處理器工作速度愈高。現(xiàn)代CPU的運(yùn)算速度以主頻的大小衡量。2023/5/24是指存儲(chǔ)器完成一次讀取或?qū)懘娌僮魉璧臅r(shí)間，稱為存儲(chǔ)器的存取時(shí)間或訪問(wèn)時(shí)間。而連續(xù)啟動(dòng)兩次寫操作所需間隔的最短時(shí)間，稱為存儲(chǔ)周期。2023/5/246

、訪存空間訪存空間是指由該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪問(wèn)(Access)的存儲(chǔ)單元數(shù)。此單元數(shù)是由傳送地址信息的地址總線的條數(shù)決定的。八位微處理器有16條地址總線．所能編出的地址碼有216=65536種，即由它區(qū)分的存儲(chǔ)空間就有65536個(gè)單元。2023/5/24計(jì)算機(jī)中常稱1024為1K，因此把65536簡(jiǎn)稱為64K單元；十六位微處理器有20條地址線。訪存空間為：220=1048576≈1024K，比之八位機(jī)大16倍。計(jì)算機(jī)中常用字節(jié)，頁(yè)面，KB，MB，GB，TB表示存儲(chǔ)量。2023/5/242023/5/24一、微處理器(Microprocessor簡(jiǎn)稱μP或MP)原來(lái)體積很大的中央處理器CPU的復(fù)雜電路(包括運(yùn)算器和控制器做在一片或幾片大規(guī)模集成電路的芯片上，把這種微縮的CPU大規(guī)模集成電路稱為微處理器或微處理機(jī)。其職能是執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算和控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、協(xié)調(diào)地完成操作。1.2計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2023/5/24這種微縮CPU的芯片尺寸只有十幾到幾十平方毫米大小。Intel公司于1971年首先制成了第一種微處理器4004，同年研制成由4004組成的第一臺(tái)微計(jì)算機(jī)。2023/5/24Intel4004和采用4004的計(jì)算器2023/5/24二、微計(jì)算機(jī)(Microcomputer簡(jiǎn)稱μC或MC)一塊μP片子不可能具有一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)的功能．它只是計(jì)算機(jī)中核心的運(yùn)算器和控制器。因此，必須配上其它的片子，如隨機(jī)存儲(chǔ)器，只讀存儲(chǔ)器，輸入和輸出接口電路，以及其它一些輔助電路（如發(fā)生器、各類譯碼器、緩沖器等)，這些片子通過(guò)一定的聯(lián)系圍繞μP有機(jī)地連在一起，才能構(gòu)成一臺(tái)微計(jì)算機(jī)，起到計(jì)算機(jī)的作用。2023/5/24所謂，微計(jì)算機(jī)就是以微處理器為核心，配上大規(guī)模集成電路的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入／輸出接口以及相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成的微型化的計(jì)算機(jī)裝置。三、微處理器系統(tǒng)(MicroprocessingSystem簡(jiǎn)稱μPS或MPS)微計(jì)算機(jī)有它獨(dú)自的特點(diǎn)。它不象小型和大型計(jì)算機(jī)那樣，完全是由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家組裝計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/5/24提供用戶使用的。微計(jì)算機(jī)由于是由大規(guī)模集成電路片子構(gòu)成，用戶則可以根據(jù)不同的用途。選購(gòu)某種微處理器為核心和相應(yīng)數(shù)量的系列大規(guī)模集成電路，自行設(shè)計(jì)、裝配成滿足需要的特殊微計(jì)算機(jī)裝置；用戶也可在選購(gòu)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)成一定規(guī)模的微計(jì)算機(jī)后，再自行設(shè)計(jì)特殊需要的部分以構(gòu)成某種特殊用途的系統(tǒng)。我們稱這種以微處理器為核心構(gòu)成的某種特殊用途的系統(tǒng)為微處理器系統(tǒng)μPS。微處理器系統(tǒng)和外部世界的聯(lián)系更加廣泛，在結(jié)構(gòu)上更具有靈活性2023/5/24算術(shù)邏輯部件內(nèi)部總線累加器、寄存器控制部件微處理器存儲(chǔ)器（ROM/RAM）輸入/輸出接口系統(tǒng)總線微型計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備系統(tǒng)軟件微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/5/241.2.2微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)的基本組成部分是：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個(gè)部分.系統(tǒng)總線是各部件之間傳送信息的公共通道，包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB。2023/5/242023/5/24

微機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

微處理器CPUROMRAMI/O接口輸出設(shè)備輸入設(shè)備地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB2023/5/241.2.3馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)原理電子計(jì)算機(jī)共同遵循的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)原理和程序存儲(chǔ)及程序控制的原理。1945年由馮·諾依曼提出，故稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)原理。馮·諾依曼設(shè)計(jì)思想最重要之處在于他明確地提出了“程序存儲(chǔ)”的概念。他的全部設(shè)計(jì)思想，實(shí)際上是對(duì)“程序存儲(chǔ)”要領(lǐng)的具體化。2023/5/24根據(jù)馮·諾依曼的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行程序，而執(zhí)行程序又歸結(jié)為逐條執(zhí)行指令。執(zhí)行一條指令又可分為以下4個(gè)基本操作：①取出指令②分析指令③執(zhí)行指令④為執(zhí)行下一條指令作好準(zhǔn)備，即取出下一條指令地址。2023/5/248086/8088微處理器:取指和執(zhí)行可以重迭，大大減少了等待取指所需的時(shí)間，提高CPU的利用率。重迭操作技術(shù)：一方面提高了整個(gè)執(zhí)行速率， 另一方面降低了與之相配的存儲(chǔ)器的存取速度2023/5/24補(bǔ)充：微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展

以大規(guī)模集成電路工藝和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的微處理器和微計(jì)算機(jī)的問(wèn)世是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的新的里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)步履了前三代(電子管一晶體管一中小規(guī)模集成電路)的演變，而進(jìn)入第四代。

微處理器和微計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度異乎尋常，大約每隔2～4年換代一次。這種換代通常是按CPU字長(zhǎng)位數(shù)和功能來(lái)劃分的。2023/5/24

以字長(zhǎng)和典型的微處理器芯片作為微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的標(biāo)志，那么微機(jī)從1971年至今已經(jīng)歷了六個(gè)階段。

第一階段（1971~1973），主要產(chǎn)品是4位和低檔8位微型計(jì)算機(jī)。1971年4004誕生后，改進(jìn)為4040，1972年公司研制出8位微處理器芯片8008。

8008采用PMOS工藝，基本指令48條，基本指令周期為20~50us，時(shí)鐘頻500kHz，集成度每片約3500個(gè)晶體管。2023/5/24第二階段（1974~1977），主要產(chǎn)品為中、高檔8位微機(jī)。中檔機(jī)有Intel公司的8080等；高檔８位機(jī)（1975~1977）有Intel公司的8085等。以8086為例，它采用NMOS工藝，基本指令70多條，指令周期2~10us，時(shí)鐘頻率！MHz，能夠訪問(wèn)216(64KB)個(gè)存儲(chǔ)單元，集成度每片約6000個(gè)晶體管。2023/5/24第三個(gè)階段（1978~1984），各公司相繼推出一批16位的微處理器芯片，如Intel公司推出X86系列第一代產(chǎn)品8086/8088，8086采用HMOS工藝，其集成度達(dá)到每片約2.9萬(wàn)晶體管，基本指令執(zhí)行時(shí)間約0.5us.第四階段（1985~1992），1985年Intel公司首次推出32位微處理器芯片80386，它擁有32位數(shù)據(jù)線和32位地址線，集成度達(dá)到每片27.5萬(wàn)晶體管，每秒鐘可以完成600萬(wàn)條指令（MIPs）。2023/5/24同期，其他一些微處理器生產(chǎn)商業(yè)推出了80386系列的芯片。80386按工作時(shí)鐘頻率的不同可分成16MHz，20MHz，33MHz，40MHz等，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異可分成80386SX，80386DX等。80386采用總線速度不同的分級(jí)總線結(jié)構(gòu)，使微機(jī)整體性能的到進(jìn)一步提高。2023/5/24第五階段（1993~1996）主要是奔騰系列產(chǎn)品時(shí)代。1993年，Intel公司發(fā)布奔騰芯片，集成度達(dá)到每片310萬(wàn)晶體管，速度達(dá)到100MIPS。它擁有32位寄存器，64位數(shù)據(jù)總線，內(nèi)置16KB超高速緩存和高性能浮點(diǎn)處理單元。第六階段（1997年至今）1997年Intel公司將MMX多媒體技術(shù)用于PentiumPro，推出了PentiumⅡ芯片。不同廠商的微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)較大的差異。80X86系列處理器參見P3表1。2023/5/24800880852023/5/2480862023/5/2480286，intel最后一塊16位cpu2023/5/2480386，intel第一代32位cpu486，這是intel最后一代以數(shù)字編號(hào)的cpu2023/5/24pentium，傳說(shuō)中的586pentiumpropentiummmx2023/5/24pentiumⅱceleron，引發(fā)超頻熱潮2023/5/24pentiumⅲ_katmaipentiumⅲIntelpentiumⅲtualatin/coppermine2023/5/24intelpentiumⅳ_423intelpentiumⅳ_4782023/5/24系統(tǒng)軟件：DOS、Windows95/98/2000應(yīng)用軟件：Word、Photoshop微處理器

CPU

存儲(chǔ)器(RAM,ROM)

I/O接口總線硬件軟件微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)(主機(jī))外設(shè)ALU寄存器控制部件鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機(jī)、掃描儀微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成圖

2023/5/241.3微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和表示位（bit）是計(jì)算機(jī)所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值只能為0或1的一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值位。位作為單位時(shí)記作b字節(jié)（byte）字節(jié)是指相鄰的8個(gè)二進(jìn)制位。計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器單元的容量(內(nèi)容)用字節(jié)表示。

字節(jié)作為單位時(shí)記作B2023/5/24基本數(shù)據(jù)類型為字節(jié)，字，雙字，四字。

基本數(shù)據(jù)類型（長(zhǎng)度）：位（Bit）→字節(jié)（Byte）→字（Word）→雙字（Doubleword）→四字（Quardword）……2023/5/241Byte=8Bits1Word=2Bytes1Doubleword=2Words=4Bytes1Quardword=4Words=8Bytes

數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中存放的原則:低地址放低字節(jié)，高地址放高字節(jié)。31HCBH74H0BH23HA4H1FH36H06HFEH7AH00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH31H（字節(jié)）230BH（字）1FA4230BH（雙字）7AFE06361FA4230BH（四字）CB31H（字）2023/5/241．原碼符號(hào)位用數(shù)碼0表示正號(hào)，用數(shù)碼1表示負(fù)號(hào)，數(shù)值部分按一般二進(jìn)制形式表示其絕對(duì)數(shù)值，這種數(shù)的表