微型計算機原理及應用

微型計算機原理及應用

主講教師物理學及電子信息工程系王玉平

電子郵件flwyp@yznu.edu.cn

sixslxslz

聯(lián)系電話XTXXIX?Tx?Tx?TxXjSXT%

微型計算機原理及應用

第1章概述

§1.180x86系列結(jié)構(gòu)的概要歷史

§1.2計算機基礎

§1.3計算機的硬件和軟件

§1.4微型計算機的結(jié)構(gòu)

§1.5多媒體計算機

第1章概述2

微型計算機原理及應用

§1.180x86系列結(jié)構(gòu)的概要歷史

1.1.18086

1.1.280386

1.1.380486

1.1.4奔騰(Pentium)

1.1.5P6系列處理器

1.1.6奔騰II

1.1.7奔騰III

1.1.8IntelPentium4處理器

1.1.9Intel超線程處理器

1.1.10Intel雙核技術(shù)處理器

第1章概述3

微型計算機原理及應用

1971年：Intel4004

70年代中期:Intel8080、8085

80年代初:Intel8086、8088

從8086(8088)到80286、80386、80486、奔

騰(也稱為80586)、奔騰MMX、奔騰PRO(也稱為

80686)、奔騰H、奔騰HL直至最新的奔騰4,

形成了IA(IntelArchitecture)-32結(jié)構(gòu)。

第1章概述4

80x86系列結(jié)構(gòu)的最新版本的發(fā)展能追溯到Intel8086o

在80x86系列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)引進32位處理器之前，是16位的處理

器，包括8086處理器和隨后很快開發(fā)的80186與80286。從

歷史的觀點來看，80x86系列結(jié)構(gòu)同時包括了16位處理器和

32位處理器。在現(xiàn)在，32位80x86系列結(jié)構(gòu)對于許多操作系

統(tǒng)和十分廣泛的應用程序來說是最流行的計算機結(jié)構(gòu)。

80x86系列結(jié)構(gòu)的最重要的成就之一是，從1978開始的

那些處理器上建立的目標程序仍能在80x86系列結(jié)構(gòu)系列的

最新的處理器上執(zhí)行。

8086有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地

址總線，可尋址1M字節(jié)地址空間。

第1章概述5

Intel386處理器是80x86系列結(jié)構(gòu)系列中的第一個32

位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32寄存器，用于容納操作數(shù)

和地址。每個32位寄存器的后一半保留兩個早期處理器版

本(8086和80286)的16位寄存器的特性，以提供完全的向

后兼容。Intel386還提供了一種新的虛擬8086方式，以在

新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086處理器建立的程序。

Intel386處理器有32位地址總線，能支持多至4G字

節(jié)的物理存儲器。32位結(jié)構(gòu)為每個軟件進程提供邏輯地址

空間。32位結(jié)構(gòu)同時支持分段的存儲模式和“平面

(flat)”存儲模式。在“平面”存儲模式中，段寄存器

指向相同地址，且每個段中的所有4G字節(jié)可尋址空間對于

軟件程序員是可訪問的。

第1章概述6

微型計算機原理及應用

原始的16位指令用新的32位操作數(shù)和新的尋址方式得

到增強，并提供了一些新的指令，包括那些位操作指令。

Intel386處理器把分頁引進了80x86系列結(jié)構(gòu)，用4K

字節(jié)固定尺寸的頁提供一種虛擬存儲管理方法，它比分段

更為優(yōu)越。分頁對于操作系統(tǒng)更為有效，且對應用程序完

全透明，對執(zhí)行速度沒有明顯影響。4G字節(jié)虛擬地址空間

的支持能力、存儲保護與分頁支持一起，使80x86系列結(jié)構(gòu)

成為高級操作系統(tǒng)和廣泛的應用程序的最流行的選擇。

第1章概述7

380486

Intel486處理器把Intel386處理器的指令譯碼和執(zhí)行

單元擴展為五個流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，

其中每個段(當需要時)與其它的并行操作最多可在不同

段上同時執(zhí)行五條指令。每個段以能在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)

行一條指令的方式工作，所以，Intel486處理器能在每個

時鐘周期執(zhí)行一條指令。

80486的一個重大改進是在80x86系列處理器的芯片中

引入了緩存。在芯片上增加了一8K字節(jié)的一級緩存

(cache),大大增加了每個時鐘周期執(zhí)行一條指令的百分

比，包括操作數(shù)在一級cache中的存儲器訪問指令。

第1章概述8

微型計算機原理及應用

Intel486處理器也是第一次把80x87FPU（浮點處理單

元）集成到處理器上并增加了新的引腳、位和指令，以支

持更復雜和更強有力的系統(tǒng)（二級cache支持和多處理器支

持）。

直至Intel486處理器這一代，Intel把設計以支持電源

保存和別的系統(tǒng)功能加入至X86系列主流結(jié)構(gòu)和Intel486

SL增強的處理器中。這些特性是在Intel386SL和Intel486

SL處理器中開發(fā)的，是特別為快速增長的用電池操作的筆

記本PC市場提供的。這些特性包括新的用專用的中斷腳觸

發(fā)的系統(tǒng)管理模式，允許復雜的系統(tǒng)管理特性（例如在PC

內(nèi)的各種子系統(tǒng)的電源管理），透明地加至主操作系統(tǒng)和

所有的應用程序中。停止時鐘（StopClock）和自動暫停

電源下降（AutoHaltPowerdown）特性允許處理器在減慢

的時鐘速率下執(zhí)行，以節(jié)省電源或關閉（保留狀態(tài)），以

進一步節(jié)省電源。

第1章概述9

Intel奔騰（Pentium）處理器增加了第二個執(zhí)行流水

線以達到超標量性能，能實現(xiàn)每個時鐘執(zhí)行兩條指令。

芯片上的一級cache也加倍了，8K字節(jié)用于代碼，另8K

字節(jié)用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)cache使用MESI協(xié)議，以支持更有效的

回寫方式，以及由Intel486處理器使用的寫通方式。加入

的分支預測和芯片上的分支表增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的性能。

加入了擴展以使虛擬8086方式更有效，并像允許4K字

節(jié)頁一樣允許4M字節(jié)頁。主要的寄存器仍是32位，但內(nèi)部

數(shù)據(jù)通路是128和256位以加速內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送，且猝發(fā)的外

部數(shù)據(jù)總線已經(jīng)增加至64位。增加了高級的可編程中斷控

制器（AdvancedProgrammableInterruptController

（APIC））以支持多奔騰處理器系統(tǒng)，新的引腳和特殊的

方式（雙處理）設計以支持無連接的兩個處理器系統(tǒng)。

第1章概述10

微型計算機原理及應用

奔騰系列的最后一個處理器(具有MMX技術(shù)的奔騰處理

器)把IntelMMX技術(shù)引入IA-32結(jié)構(gòu)。IntelMMX技術(shù)用單

指令多數(shù)據(jù)(SIMD)執(zhí)行方式在包含64位MMX寄存器中的包

裝的整型數(shù)據(jù)上執(zhí)行并行計算。此技術(shù)在高級媒體、影像

處理和數(shù)據(jù)壓縮應用程序上極大地增強了IA-32處理器的性

能。

第1章概述11

在1995年，Intel引入了P6系列處理器。此處理器系列

是基于新的超標量微結(jié)構(gòu)上的，它建立了新的性能標準。

P6系列微結(jié)構(gòu)設計的主要目的之一是在仍使用相同的0.6微

米、四層金屬BICMOS制造過程的情況下使處理器的性能明

顯地超過奔騰處理器，用與奔騰處理器同樣的制造過程要

提高性能只能在微結(jié)構(gòu)上有實質(zhì)上的改進。

IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個處

理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumII、

IntelPentiumIIXeon（至強）、IntelCeleron（賽

揚）、IntelPentiumHI和IntelPentiumIIIXeon（至

強）處理器。

第1章概述12

IntelPentiumH處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器,

并具有新的包裝和若干硬件增強。處理器核心包裝在了

SECC上，這使其更具有了靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級數(shù)據(jù)和

指令caches每個擴展至16K字節(jié)，支持二級cache的尺寸為

256K字節(jié)、512K字節(jié)和1M字節(jié)。

PentiumIIXeon（至強）處理器組合Intel處理器前

一代的若干額外特性，例如4way、8way（最高）可伸縮性

和運行在“全時鐘速度”后沿總線上的2M字節(jié)二級cache,

以滿足中等和高性能服務器與工作站的要求。

第1章概述13

PentiumHI處理器引進流SIMD擴展(SSE)至X86系列

結(jié)構(gòu)。SSE擴展把由IntelMMX引進的SIMD執(zhí)行模式擴展為

新的128位寄存器和能在包裝的單精度浮點數(shù)上執(zhí)行SIMD操

作。

PentiumIIIXeon處理器用Intel的0.18Nm處理技術(shù)的

全速高級傳送緩存(AdvancedTransferCache)擴展了

IA-32處理器的性能級。

第1章概述14

微型計算機原理及應用

.8IntelPentium4處理器

IntelPentium4處理器是2000年推出的ia-32處理器，

并是第一個基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。Intel

NetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32bit微結(jié)構(gòu)，它允許處理器能在比

以前的IA-32處理器更高的時鐘速度和性能等級上進行操作。

IntelPentium4處理器有以下高級特性：

(1)IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的第一個實現(xiàn)。

快速的執(zhí)行引擎；

Hyper流水線技術(shù)；

高級的動態(tài)執(zhí)行；

創(chuàng)新的新cache子系統(tǒng)。

第1章概述15

微型計算機原理及應用

(2)流SIMD擴展2(SSE2)：

用144條新指令擴展IntelMMX技術(shù)和SSE擴展，它包括

支持：128位SIMD整數(shù)算術(shù)操作；128位SIMD雙精度浮點操

作；Cache和存儲管理操作。

進一步增強和加速了視頻、語音、加密、影像和照片

處理。

(3)400MHzIntelNetBurst微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。

提供每秒3.2G字節(jié)的吞吐率(比PentiumHI處理器

快三倍)。

四倍100MHz可伸縮總線時鐘，以達到400MHz有效速度。

分開的交易，深度流水線。

128字節(jié)線具有64字節(jié)訪問。

(4)與在IntelX86系列結(jié)構(gòu)處理器上所寫和運行的

已存在的應用程序和操作系統(tǒng)兼容。

第1章概述16

微型計算機原理及應用

.9Intel超線程處理器

Intel公司于2002年推出了具有超線程技術(shù)的IA-32列處

理器。超線程（Hyper-ThreadingHT）技術(shù)允許單個物理處

理器用共享的執(zhí)行資源并發(fā)地執(zhí)行兩個或多個分別的代碼流

（線程）。以提高X86系列處理器執(zhí)行多線程操作系統(tǒng)與應

用程序代碼的性能。

從體系結(jié)構(gòu)上說，支持HT技術(shù)的IA-32處理器，在一個

物理處理器核中由兩個或多個邏輯處理器構(gòu)成，每個邏輯處

理器有它自己擁有的IA-32體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每個邏輯處理器

由全部的IA-32數(shù)據(jù)寄存器、段寄存器、控制寄存器與大部

分的MSR構(gòu)成。

圖-1顯示支持HT技術(shù)（用兩個邏輯處理器實現(xiàn)的）的

IA-32處理器與傳統(tǒng)的雙處理器系統(tǒng)的比較。

第1章概述17

微型計算機原理及應用

第1章概述18

微型計算機原理及應用

不像用兩個或多個分別的IA-32物理處理器的傳統(tǒng)的MP

系統(tǒng)配置，在支持HT技術(shù)的IA-32處理器中的邏輯處理器共

享物理處理器的核心資源。這包括執(zhí)行引擎和系統(tǒng)總線接口。

在上電和初始化以后，每個邏輯處理器能獨立地直接執(zhí)行規(guī)

定的線程、中斷或暫停。

HT技術(shù)由在單個芯片上提供兩個或多個邏輯處理器支持

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)和高性能應用程序中找到的進程與線程級并

行。以在每個時鐘周期期間最大地使用執(zhí)行單元。而提高了

處理器的性能。

第1章概述19

微型計算機原理及應用

.10Intel雙核技術(shù)處理器

雙核技術(shù)是在IA-32處理器系列中硬件多線程能力的另

一種形式。雙核技術(shù)由用在單個物理包中有兩個分別的執(zhí)行

核心提供硬件多線程能力。因此，IntelPentium處理器極

品版在一個物理包中提供四個邏輯處理器（每個處理器核有

兩個邏輯處理器）。

IntelPentiumD處理器也以雙核技術(shù)為特色。此處理

器用雙核技術(shù)提供硬件多線程支持，但它不提供超線程技術(shù)。

因此，IntelPentiumD處理器在一個物理包中提供兩個邏

輯處理器，每個邏輯處理器擁有處理器核的執(zhí)行資源，如圖

1-2所示。

第1章概述20

微型計算機原理及應用

PentiumD處理譽Pentium處理翻端版

林輔懿體系第魅

現(xiàn)行強執(zhí)行強

本地APIC本地APIC

蛾接口,總轆口

4-------------*-------------?

系統(tǒng)蟋

第1章概述21

微型計算機原理及應用

Intel奔騰處理器極品版中引入了Intel擴展的存儲器技

術(shù)（IntelEM64T）對于軟件增加線性地址空間至64位與支

持物理地址空間至40位。此技術(shù)也引進了稱為IA-32e模式的

新的操作模式。

AMD公司是x86系列處理器的另一重要供應商。它于1969

年成立。于1991年推出了AM386系列，1993年推出了AM486,

1997年推出了AMD-K6（相當于具有MMX技術(shù)的奔騰處理器），

2001年推出了AMDAthlon（速龍）MP雙處理器，2003年推出

AMD速龍N64FX處理器，具有64位的x86-64內(nèi)核。直至最

近推出了雙核的64位處理器。

第1章概述22

微型計算機原理及應用

§1.2計算機基礎

1.2.1計算機的基本結(jié)構(gòu)

1.2.2常用的名詞術(shù)語和二進制編碼

1.2.3指令、程序和指令系統(tǒng)

1.2.4初級計算機

1.2.5簡單程序舉例

1.1.6尋址方式

1.1.7分支

第1章概述23

微型計算機原理及應用

L2.1計算機的基本結(jié)構(gòu)

上述的CPU、主板、內(nèi)存條、硬盤、軟盤、顯示卡、顯

示器、鍵盤、鼠標等。這些都是計算機的部件，雖然這些部

件的功能與性能都有了巨大的發(fā)展，但是計算機的基本結(jié)構(gòu)

未變，如圖-7所示。

第1章概述24

微型計算機原理及應用

第1章概述25

微型計算機原理及應用

計算機最早是作為運算工具出現(xiàn)的。顯然，它首先要有

能進行運算的部件，稱為運算器；其次要有能記憶原始題目、

原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果以及為了使機器能自動進行運算而編制

的各種命令的器件，這種器件就稱為存儲器；再次，要有能

代替人的控制作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出

各種控制信息，使整個計算過程能一步步地自動進行。

但是光有運算器、控制器和存儲器還不夠，原始的數(shù)據(jù)

與命令要輸入，所以需要有輸入設備；而計算的結(jié)果（或中

間過程）需要輸出，就要有輸出設備。這樣就構(gòu)成了一個基

本的計算機系統(tǒng)。

在計算機中，基本上有兩種信息在流動。一種信息為數(shù)

據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、程序等。這些數(shù)據(jù)要由輸

入設備輸入，存于存儲器中。在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存

儲器讀入運算器進行運算，運算的中間結(jié)果要存入存儲器中,

或最后由運算器經(jīng)輸出設備輸出。

第1章概述26

微型計算機原理及應用

人們給計算機的各種命令(即程序)，也以數(shù)據(jù)的形式由

輸入設備存至存儲器中。在運行時從存儲器中取出送入控制

器，由控制器經(jīng)過譯碼后變?yōu)楦鞣N控制信號。這就是計算機

中的另一種信息流即控制命令，由控制器控制輸入裝置的啟

動或停止?？刂七\算器按規(guī)定一步步地進行各種運算和處理,

控制存儲器的讀和寫，控制輸出設備輸出結(jié)果等等。

圖1-7中的各個部分構(gòu)成了計算機的硬件(Hardware)。

在上述的計算機硬件中，往往把運算器、控制器和存儲器合

在一起稱為計算機的主機；而把各種輸入輸出設備統(tǒng)稱為計

算機的外圍設備或外部設備(Peripheral)。

在主機部分中，又把運算器和控制器合在一起稱為中央

處理單元CPU(CentralProcessingUnit)o隨著半導體集成

電路技術(shù)的發(fā)展，可以把整個CPU集成在一個集成電路芯片

上，就把它稱為微處理器(Microprocessor)。

第1章概述27

I

微型計算機原理及應用

人們把以微處理器為核心構(gòu)成的計算機，稱為微型計算

機，最典型的就是上述的PC機。若內(nèi)存的容量較小，輸入輸

出設備少，整個計算機可以只安裝在一塊印刷電路板上，這

樣的計算機就稱為單板計算機。若能把整個計算機集成在一

個芯片上，就稱為單片機。

但不論計算機的規(guī)模大小，CPU只是計算機的一個部件。

必須同時具有CPU、存儲器和輸入輸出設備，才能構(gòu)成一臺

計算機。

第1章概述28

微型計算機原理及應用

L2.2常用的名詞術(shù)語和二進制編碼

1.位、字節(jié)、字及字長

(1)位(Bit)

“位”是指一個二進制位。它是計算機中信息存儲的

最小單位，一般用b表示。

(2)字節(jié)(Byte)

“字節(jié)”是指相鄰的8個二進制位。

(3)字(Word)和字長

“字”是計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)傳遞、處理的基本單位。

通常它與計算機內(nèi)部的寄存器、運算裝置、總線寬度相一致。

一個字所包含的二進制位數(shù)稱為字長。常見的微型計算

機的字長有8位、16位、32位和64位。

第1章概述29

微型計算機原理及應用

2.數(shù)字編碼

計算機中的數(shù)用二進制表示。計算機中的十進制數(shù)的每

一位用若干位二進制表示，這就是二進制編碼。即十進制數(shù)

的二進制編碼，簡稱二-十進制編碼（BCD）。

3.字符編碼

同樣，字母、數(shù)字、符號等各種字符也必須按照特定的

規(guī)則用二進制編碼才能在計算機中表示。字符編碼的方式很

多，世界上最普遍采用的一種字符編碼是ASCII碼（美國信

息交換標準碼）。

ASCH碼用7位二進制編碼，它有128種組合，可以表示128種

字符。包括0?9,十個阿拉伯數(shù)字字符，大、小寫英文字母

（72個），常用標點符號和各種控制字符。

在計算機中用一個字節(jié)表示一個ASCH碼字符，即在7位

ASCH前最高位置為0。詳見ASCH字符表。

第1章概述30

微型計算機原理及應用

4.漢字編碼

用計算機處理漢字，每個漢字必須用代碼表示。鍵盤輸

入漢字是輸入漢字的外部碼。外部碼必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部碼才

能在計算機內(nèi)進行存儲和處理。為了將漢字以點陣的形式輸

出，還要將內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換為字形碼。不同的漢字處理系統(tǒng)之間

交換信息采用交換碼。

(1)外部碼

漢字主要是從鍵盤輸入，每個漢字對應一個外部碼，外

部碼是計算機輸入漢字的代碼，是代表某一個漢字的一組鍵

盤符號。外部碼也叫輸入碼。漢字的輸入方法不同，同一個

漢字的外部碼可能不一樣。

第1章概述31

微型計算機原理及應用

⑵內(nèi)部碼

漢字內(nèi)部碼也稱漢字內(nèi)碼或漢字機內(nèi)碼。在不同的漢字

輸入方案中，同一漢字的外部碼不同，但同一漢字的內(nèi)部碼

是惟一的。內(nèi)部碼通常是用其在漢字字庫中的物理位置表示,

可以用漢字在漢字字庫中的序號或者用漢字在漢字字庫中的

存儲位置表示。漢字在計算機中至少要用兩個字節(jié)表示(有

用三字節(jié)、四字節(jié)表示的)，在微型計算機中常用的是兩字

節(jié)漢字內(nèi)碼。

(3)交換碼

計算機之間或計算機與終端之間交換信息時，要求其間

傳送的漢字代碼信息要完全一致。為此，國家根據(jù)漢字的常

用程度定出了一級和二級漢字字符集，并規(guī)定了編碼，這就

是國標GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，

GB231280中漢字的編碼即國標碼。該標準編碼字符集共

收錄漢字和圖形符號7445個。

第1章概述32

微型計算機原理及應用

(4)輸出碼

漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器的編碼。眾所

周知，漢字無論字形有多少變化，也無論筆劃有多有少，都

可以寫在一個方塊中；一個方塊可以看作m行n列的矩陣，稱

為點陣。一個m行n列的點陣共有mXn個點。例如16X16點陣

的漢字，共有256個點。每個點可以是黑點或者非黑點，凡

是筆劃經(jīng)過的點用黑點，于是利用點陣描繪出了漢字字形，

漢字的點陣字形在計算機中稱為字模。如圖「8表示漢字

第1章概述33

計算機的幾個主要部件構(gòu)成了計算機的硬件的基礎。但

是，光有硬件，還只是具有了計算的可能。計算機要真正能

夠進行計算還必須要有軟件的配合,首先是各種程序

(Program)。

計算機所以能脫離人的直接干預，自動地進行計算，這

是由于人把實現(xiàn)計算的一步步操作用命令的形式——即一條

條指令(Instruction)領先輸入到存彳諸器中，在執(zhí)行時，機

器把這些指令一條條地取出來，加以翻譯和執(zhí)行。

計算機的運算是通過取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等操作實

現(xiàn)的。把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，

這就是指令。通常一條指令對應著一種基本操作。一臺計算

機能執(zhí)行什么樣的操作，能做多少種操作，是由設計計算機

時所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的。一條指令，對應著一種基本操

作；計算機所能執(zhí)行的全部指令，就是計算機的指令系統(tǒng)

(InstructionSet),這是計算機所固有的。

第1章概述34

微型計算機原理及應用

在使用計算機時，必須把要解決的問題編成一條條指令,

這些指令的集合就稱為程序。用戶為解決自己的問題所編制

的程序，稱為源程序(SourceProgram)o

指令通常分成操作碼(OpcodeBPoperationcode)和操作

數(shù)(Operand)兩大部分。操作碼表示計算機執(zhí)行什么操作；

操作數(shù)指明參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址。

因為計算機只認得二進制數(shù)碼，所以計算機的指令系統(tǒng)

中的所有指令，都必須以二進制編碼的形式來表示。

計算機發(fā)展初期，就是用指令的機器碼直接來編制用戶

的源程序，這就是機器語言階段。但是機器碼是由一連串的

0和1組成的，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出

錯。所以，編寫程序成為一種十分困難而且十分繁瑣的工作。

因而，逐漸進入了匯編語言階段。用戶用匯編語言(操作碼

用助記符代替，操作數(shù)也用一些符號來表示)編寫源程序。

第1章概述35

微型計算機原理及應用

L2.4初級計算機

為簡化，先用模型機分析計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖「9是微型計算機的結(jié)構(gòu)圖，它是由微處理器(CPU)、

存儲器、接口電路組成，通過三條總線(BUS)——地址總線

(AddressBus),控制總線(ControlBus)和雙向數(shù)據(jù)總線

(DataBus)來連接。

第1章概述36

微型計算機原理及應用

地址總線

數(shù)據(jù)總線

控制總線

第1章概述37

微型計算機原理及應用

1.CPU的結(jié)構(gòu)

模型機的CPU結(jié)構(gòu)，如圖1-10所示。

算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit)是執(zhí)行算術(shù)

和邏輯運算的裝置，它以累加器AL(Accumulator)的內(nèi)容作

為一個操作數(shù)；另一個操作數(shù)由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線供給，可以是

寄存器(Register)BL中的內(nèi)容，也可以是由數(shù)據(jù)寄存器

DR(DataRegister)供給的由內(nèi)存讀出的內(nèi)容等；操作的結(jié)

果通常放在累加器AL中。

第1章概述38

微型計算機原理及應用

第1章概述39

微型計算機原理及應用

F(Flag)是標志寄存器，由一些標志位組成。

PC程序計數(shù)器，提供要執(zhí)行的指令的地址。

AR(AddressRegister)是地址寄存器，由它把要尋址的

單元的地址(可以是指令——則地址由PC提供；也可以是數(shù)

據(jù)一一則地址要由指令中的操作數(shù)部分給定)通過地址總線，

送至存儲器。

從存儲器中取出的指令，由數(shù)據(jù)寄存器送至指令寄存器

IR(InstructionRegister),經(jīng)過指令譯碼器

ID(InstructionDecoder)譯碼,通過控制電路，發(fā)出執(zhí)行

一條指令所需要的各種控制信息。

第1章概述40

微型計算機原理及應用

2.存儲器

存儲器的結(jié)構(gòu)如圖1T1所示。它由256個存儲單元組成，

為了能區(qū)分不同的存儲單元，對這些存儲單元分別編了號，

用兩位十六進制數(shù)表示，這就是它們的地址如OOH、01H、

02H、…、FFH等；而每一個存儲單元可以存放8位二進制信

息（通常也用兩位十六進制數(shù)表示），就是它們的內(nèi)容。

第1章概述41

第1章概述42

I

微型計算機原理及應用

存儲器中的不同存儲單元，是由地址總線上送來的地址

（8位二進制數(shù)），經(jīng)過存儲器中的地址譯碼器來尋找的（每給

定一個地址號，可從256個存儲單元中找到相應于這個地址

號的某一存儲單元），然后就可以對這個存儲單元的內(nèi)容進

行讀或?qū)懙牟僮鳌?/p>

（1）讀操作

若已知在04號存儲單元中，存的內(nèi)容為10000100即84H,

若要把它讀出至數(shù)據(jù)總線上，則要求CPU的地址寄存器先給

出地址號04,然后通過地址總線送至存儲器，存儲器中的地

址譯碼器對它進行譯碼，找到04號存儲單元；再要求CPU發(fā)

出讀的控制命令，于是04號存儲單元的內(nèi)容84H就出現(xiàn)在數(shù)

據(jù)總線上，由它送至數(shù)據(jù)寄存器DR,如圖「12所示。

第1章概述43

微型計算機原理及應用

第1章概述44

微型計算機原理及應用

(2)寫操作

若要把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H寫入到10號存儲單元，

則要求CPU的AR地址寄存器先給出地址10,通過地址總線(AB)

送至存儲器，經(jīng)譯碼后找到10號存儲單元；然后把DR數(shù)據(jù)寄

存器中的內(nèi)容26H經(jīng)數(shù)據(jù)總線(DB)送給存儲器；且CPU發(fā)出寫

的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息26H就可以寫入到10號

存儲單元中，如圖1T3所示。

信息寫入后，在沒有新的信息寫入以前，該信息是一直

保留的，而且我們的存儲器的讀出是非破壞性的，即信息讀

出后存儲單元的內(nèi)容不變。

第1章概述45

9寸

微型計算機原理及應用

3.執(zhí)行過程

若程序已經(jīng)存放在內(nèi)存中，大部分8位機執(zhí)行過程就是

取指（取出指令）和執(zhí)行（執(zhí)行指令）這兩個階段的循環(huán)。

機器從停機狀態(tài)進入運行狀態(tài)，要把第一條指令所在的

地址賦給PC,然后就進入取指階段。在取指階段從內(nèi)存中讀

出的內(nèi)容必為指令，所以DR把它送至IR,然后由指令譯碼器

譯碼，就知道此指令要執(zhí)行什么操作，在取指階段結(jié)束后就

進入執(zhí)行階段。當一條指令執(zhí)行完以后，就進入到了下一條

指令的取指階段，這樣的循環(huán)一直進行到程序結(jié)束（遇到停

機指令）o

第1章概述47

微型計算機原理及應用

L2.5簡單程序舉例

第1章概述48

微型計算機原理及應用

2.6尋址方式

在上例中，操作數(shù)就包含在指令中，但是更一般的情況

是操作數(shù)在存儲器中的某一單元，例如操作數(shù)是前面操作的

中間結(jié)果。上例中的和是放在累加器中，但若還要進行別的

運算，則必須把和放到存儲器中暫時存放。于是就存在一個

如何尋找操作數(shù)的問題，這就是尋址方式。

第1章概述49

微型計算機原理及應用

1.立艮［J尋址(ImmediateAddressing)

上例中的操作數(shù)就包含在指令中，這種規(guī)定操作數(shù)的方

式，稱為立即尋址。指令中的操作數(shù)稱為立即數(shù)。

2.寄存器尋址(RegisterAddressing)

若操作數(shù)在某一寄存器中，這種尋址方式就稱為寄存器

尋址。

3.直接尋址(DirectAddressing)

在這種尋址方式中，指令的操作數(shù)字段不是操作數(shù)本身,

而是操作數(shù)所在的地址，它是把地址所指的存儲單元的內(nèi)容

送至累加器AL,如圖1-19所示。

由于在這種尋址方式中，指令中包含操作數(shù)的直接地址,

故稱為直接尋址。

第1章概述50

in

搟

微型計算機原理及應用

4.寄存器間接尋址(RegisterIndirectAddressing)

這種尋址方式與寄存器尋址方式不同，它不是把寄存器

BL中的內(nèi)容作為操作數(shù)送AL,而是把BL中的內(nèi)容作為操作數(shù)

吃地址，把此地址所指的內(nèi)存單元的內(nèi)容送AL,如圖1-20所

示鄙

在這種尋址方式，操作數(shù)的地址并不直接在指令中，而

是在某一個寄存器中，故稱為間接尋址。

第1章概述52

微型計算機原理及應用

M

BL

第1章概述53

微型計算機原理及應用

在程序執(zhí)行時，往往會產(chǎn)生許多條件，要按條件執(zhí)行不

同的操作。也有許多操作要重復執(zhí)行。于是程序直線執(zhí)行的

情況很少，而是要根據(jù)條件執(zhí)行分支或循環(huán)。這就需要有分

支和循環(huán)指令。

1.無條件轉(zhuǎn)移(UnconditionalJump)

無條件轉(zhuǎn)移的指令的格式為:

JMPn

這條指令的功能是把n賦給PC,于是程序就無條件地轉(zhuǎn)

移到地址n開始的程序段去。

2,條件轉(zhuǎn)移(ConditionalJump)

程序中更多的情況是：要根據(jù)上面的指令運行的結(jié)果,

判斷它是否滿足一定的條件，若滿足則轉(zhuǎn)移，不滿足則順序

繼續(xù)執(zhí)行。

第1章概述54

微型計算機原理及應用

為確定是否滿足條件，機器中為此設立了一些判斷條件

的標志。主要的標志有：

?Z(Zero)標志——零標志。若指令的運行結(jié)果為零(即8位

全為0)則Z=l；否則Z=0。

?C(Carry)標志---進位標志。若在加法運算時最高位

(bit7)向前有進位，或在減法運算時最高位向前有借位，則

C=1；否則00。

?S(Sign)標示——符號標志。若運算的結(jié)果為負(bit7=l),

則S=l；否則S=0。

第1章概述55

微型計算機原理及應用

3.算術(shù)和邏輯運算指令

邏輯運算是指兩個操作數(shù)按位進行指定的邏輯操作。

(1)“與”運算

即凡是與0進行邏輯“與”運算的位結(jié)果為0,而與1進

行“與”運算的位結(jié)果不變。所以，可用邏輯“與”屏蔽掉

一些位(即使一些位為0),保留一些位。

(2)“或”運算

凡是與0進行邏輯“或”運算的位結(jié)果維持不變，而與1

進行“或”運算的結(jié)果為1。所以，可用邏輯“或”使某些

位置“1”。

(3)“異或”運算

兩個相同的位“異或”的結(jié)果為3否則為1。故利用對

同一個數(shù)做“異或”運算，可對操作數(shù)清0；也可利用”異

或”運算來檢驗兩個操作數(shù)是否相同。

第1章概述56

微型計算機原理及應用

§1.3計算機的硬件和軟件

1.3.1系統(tǒng)軟件

1.3.2應用軟件

1.3.3支撐軟件

第1章概述57

微型計算機原理及應用

上述的計算機的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成了計算機的硬件。但是要

計算機正確地運行以解決各種問題，必須給它編制各種程序。

為了運行、管理和維修計算機所編制的各種程序的總和就稱

為軟件。軟件的種類很多，各種軟件發(fā)展的目的都是為了擴

大計算機的功能和方便用戶，使用戶編制解決用戶的各種問

題的源程序更為方便、簡單和可靠。

第1章概述58

在計算機發(fā)展的初期，人們是用機器指令碼(二進制編

碼)來編寫程序的，這就稱為機器語言。

用助記符代替操作碼，用符號來代替地址，這就是匯編

語言階段。

但用匯編語言寫的源程序在機器中還必須經(jīng)過翻譯，變

成用機器碼表示的程序(稱為目標程序一一ObjectProgram),

機器才能識別和執(zhí)行。

能執(zhí)行這樣的功能的程序就稱為匯編程序(Assembler)o

為更便于用戶編寫程序，開發(fā)了各種高級語言。高級語

言易于理解、學習和掌握；用戶用高級語言編寫程序也就方

便多了，大大減少了工作量。但是在計算機執(zhí)行時，仍必須

把用高級語言編寫的源程序翻譯成用機器指令表示的目標程

序才能執(zhí)行，這樣就需要有各種解釋程序(Interpreter)。

第1章概述59

微型計算機原理及應用

隨著計算機本身的發(fā)展（更快速，容量更大），以及計算

機應用的普及和推廣，計算機的操作也就由手工操作方式

（用戶直接通過控制臺操作運行機器），過渡到多道程序成批

地在計算機中自動運行方式，于是就出現(xiàn)了控制計算機中的

所有資源（CPU、存儲器、輸入輸出設備以及計算機中的各種

軟件），使多道程序能成批地自動運行，并且充分發(fā)揮各種

資源的最大效能的操作系統(tǒng)（OperatingSystem）o

第1章概述60

微型計算機原理及應用

這些為了使用和管理計算機由機器的設計者提供的軟件,

統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括：

(1)各種語言和它們的匯編或解釋、編譯程序；

(2)機器的監(jiān)控管理程序(Monitor)、調(diào)試程序(Debug)、

故障檢查和診斷程序；

(3)程序庫。為了擴大計算機的功能，便于用戶使用，

機器中設置了各種標準子程序，這些子程序的總和就形成了

程序庫；

(4)操作系統(tǒng)。

第1章概述61

微型計算機原理及應用

L3.2應用軟件

用戶利用計算機以及計算機所提供的各種系統(tǒng)軟件，編

制解決用戶各種實際問題的程序，這些程序就稱為應用軟件。

應用軟件也可以逐步標準化、模塊化、逐步形成了解決各種

典型問題的應用程序的組合，稱為軟件包(Package)。

第1章概述62

微型計算機原理及應用

匚撐軟件

支撐軟件又稱支持軟件，如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。

為了便于用戶根據(jù)需要建立自己的數(shù)據(jù)庫，詢問、顯示、

修改數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，輸出打印各種表格等，這就建立了數(shù)據(jù)

庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem)、報表、字處

理等支撐軟件。

上述各種形式的程序，它們存儲在各種存儲介質(zhì)中，例

如紙帶、卡片、磁盤、磁帶等，故統(tǒng)稱為計算機的軟件。

總之，計算機的硬件建立了計算機應用的物質(zhì)基礎；而

各種軟件則擴大了計算機的功能，擴大了它的應用范圍，以

及便于用戶使用。硬件與軟件的結(jié)合才形成一個完整的計算

機系統(tǒng)。

第1章概述63

微型計算機原理及應用

§1.4微型計算機的結(jié)構(gòu)

1.4.1微型計算機的外部結(jié)構(gòu)

1.4.2微型計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第1章概述64

1微型計算機原理及應用

運算器與控制器是系統(tǒng)的核心，稱為CPUO把整個運算

器控制器即CPU集成在一個芯片上的CPU,稱之為微處理器

(MicroProcessor)oCPU本身還不是一個微型計算機，而只

是微型計算機的一部分。只有與適當容量的存儲器、輸入輸

出設備的接口電路以及必要的輸入輸出設備結(jié)合在一起，才

是一臺微型計算機(MicroComputer),或稱為微型計算機系

統(tǒng)(MicroComputerSystem),如圖1-28所示。

第1章概述65

微型計算機原理及應用

CB控制總線DB數(shù)據(jù)總線

第1章概述66

微型計算機原理及應用

L4.1微型計算機的外部結(jié)構(gòu)

在微型計算機系統(tǒng)中，外部信息的傳送是通過總線進行

的。大部分微型計算機有三組總線：地址總線(Address

Bus)＞數(shù)據(jù)總線(DataBus)和控制總線(ControlBus)o

地址總線：通常為32位，因此，可尋址的內(nèi)存單元為

232=4GB。I/O接口也是通過地址總線來尋址的，它可以尋址

64K個外設端口。

數(shù)據(jù)總線：目前常用的為32位。數(shù)據(jù)在CPU與存儲器和

CPU與I/O接口之間的傳送是雙向的，故數(shù)據(jù)總線為雙向總線。

控制總線：它傳送各種控制信號，有的是CPU到存儲器

和外設接口的控制信號，例如存儲器請求MREQ#,I/O請求

IORQ,讀信號RD#,寫信號WR#等；有的是由外設至UCPU的信

號，如8086中的READY以及INT等。

第1章概述67

微型計算機原理及應用

L4.2微型計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一個典型的8位CPU結(jié)構(gòu)如圖1-29所示。

微處理器的內(nèi)部主要由三部分組成：

(1)內(nèi)部寄存器陣列。其中，一部分是用來寄存參與運

算的數(shù)據(jù)，它們也可以連成寄存器對，用以寄存操作數(shù)的地

址；另一部分是16位的專用寄存器，如程序計數(shù)器PC和堆棧

指針(StackPointer)等。

(2)累加器和算術(shù)邏輯單元。這是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算、

邏輯運算的場所。運算結(jié)構(gòu)的一些特征由一些標志觸發(fā)器記

憶。

°(3)指令寄存器，指令譯碼器和定時及各種控制信號的

產(chǎn)生電路。它們把用戶程序中的指令一條條譯出來，然后以

一定時序發(fā)出相應的控制信號，其功能相當于控制器。

第1章概述68

微型計算機原理及應用

［口7一/雙向故據(jù)總線

故煙色線緩沖器/利打牌

內(nèi)部數(shù)據(jù)總線姑

nnTT

娟加器暫存寄存:瑞

標志觸發(fā)留一q指令由存瑞--------丁要出行專才奧什關

(8位)(X)

哥

U4療

領什瑞盟通用*存器陣列

(X)指令選

抨

汴碼曙

堆我指，”器SP(16)

程仃川效需PC(16)

卜進制調(diào)正

如1器/減I器地址鋤存淵

定時與控制地址級沖器

?I撕I/O存儲瑞

lAI-犢情求清求號苻時即V

Al>-A0

地，止由々戈

1NIIOROV1R1QWAII</>RF.SkI

第1章概述69

微型計算機原理及應用

§1.5多媒體計算機

1.5.1人機接口

1.5.2多媒體計算機的主要功能

1.5.3多媒體計算機的主要功能

第1章概述70

微型計算機原理及應用

多媒體(Multimedia)。通常所說的多媒體是指多媒體計

算技術(shù)(MultimediaComputing),簡稱多媒體技術(shù)，其涵義

是利用計算機來綜合、集成地處理文字、圖形、圖像、聲音、

視頻、動畫等媒體，而形成的一種全新的信息傳播和處理技

術(shù)。它把計算機技術(shù)、通信技術(shù)和廣播、電視技術(shù)融為一體,

綜合利用，擴展了計算機應用的領域，受到了人們極大的關

注和重視。

人類接收和傳播信息的兩種主要方式是用“眼睛看”和

用“耳朵聽”，所以可看見的媒體(如文字、圖形、圖像、

動畫等)和可聽見的媒體(如聲音等)的完善結(jié)合才能完整、

自然地表達和讓人類最大程度地接收信息。具有多媒體功能

的計算機就稱為多媒體計算機。

第1章概述71

微型計算機原理及應用

［媒體計算機的主要功能

多媒體計算機，要處理的主要信息如圖1-30所示。

多媒體信息的處理都涉及巨量的數(shù)據(jù)，所以大容量數(shù)據(jù)

存儲以及數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮技術(shù)也是多媒體技術(shù)的重要方向。

多媒體系統(tǒng)應該具有如下特性：

(1)具備高度集成性，即能高度綜合集成各種媒體信息,

使處理各種媒體的設備相互協(xié)調(diào)地工作。