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1、微机原理与汇编语言程序设计(微机原理篇)1第一章第一章 微型计算机概论微型计算机概论本章主要介绍微型计算机系统的基本概念、组成、功能、工作原理、特点及计算机内 的信息表示和运算,包括微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义、微处理器的发展 历程、微型计算机的分类、计算机的运算基础等。1.11.1微型计算机简介微型计算机简介微型计算机是计算机设备的一种，相对于其他类型的计算机而言有着体积小、重量轻、 价格低、使用灵活、用途广泛等特点，是人们使用最为广泛的一种计算机设备。1.1.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统很多人对于“计算机”这个概念比较模糊，常常
2、把微处理器、微型计算机和微型计算 机系统混为一谈，其实它们有着明确界限的，如图 1.1 所示。运运算算器器控控制制器器寄寄存存器器微微处处理理器器存存贮贮器器I/O接接口口微微型型计计算算机机系系统统硬硬件件软软件件系系统统软软件件应应用用软软件件微微型型计计算算机机I/O设设备备，电电源源机机箱箱等等图 1.1 微型计算机系统、微型计算机与微处理器微处理器微处理器是指由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理部件,包括运算器、控制器 和一定数量的寄存器。它具有数学运算、逻辑判断、地址计算等功能，是微型计算机的核 心。 微型计算机微型计算机是指以微处理器为基础，配以内存储器和输入输出接口电路和辅
3、助电路构 成的一个相对独立的电路系统。这个电路系统可以是一个独立的集成电路，称为单片机； 也可以是一块电路板，称为单板机；还可以是多块以一定方式连接在一起的电路板，常称 为“个人计算机” （Personal Computer） 。 微型计算机系统微型计算机系统则是指微型计算机在配以相应的外围设备（如键盘、鼠标、显示器、 光驱、硬盘等） ，以及电源、机箱等硬件基础上，安装必要的软件构成的系统，这个系统应 具有数据处理、数据存取、数据传输等基本功能。 人们理解的计算机往往只注重硬件，较少注意软件的存在，实际上离开了软件计算机微机原理与汇编语言程序设计(微机原理篇)2什么事都做不了。 需要注意的是,
4、不要把这里的微处理器与单片机混为一谈,这里所说的微处理器是我们 常见的通用 CPU(如 Interl X86 系列)，仅仅包括运算器、控制器和寄存器构成的集成电路， 它无法直接与输入输出设备交换程序和数据而工作。单片机虽然也是集成电路形式，但是 由于单片机内集成了接口电路、内存储器甚至 A/D、D/A 转换器等功能部件，使得单片机 可以直接与外部存储器、输入输出设备等进行程序和数据交换，可以独立工作，因此单片 机不是简单的微处理器，它被看作是一种微型计算机。单片机中集成接口和功能部件的不 同常常使其具有一定的专用性。1.1.2 微型计算机的发展微型计算机的发展由于微处理器是微型计算机的核心，它
5、决定了微型计算机的处理能力，因此人们往往 以微处理器的发展状况来衡量微型计算机的发展水平。世界上第一个微处理器是 1971 年 Interl 公司推出的 Inter4004 微处理器，它集成了 2300 个晶体管，能实现 4 位运算，工作频 率最高为 740kHz。微处理器在经过了 30 多年的发展后，现在已经实现了集成度高达数亿 晶体管，具备 64 位数据处理能力，工作频率高达几 GHz 的多内核微处理器。 微处理器发展过程中，根据微处理器位宽的不同，可以将其划分为 5 代。 第一代（19711973 年）是 4 位微处理器和低档 8 位微处理器时期。典型产品包括： 1971 年 10 月的
6、 Iterl 4004（4 位微处理器） ；1972 年 3 月的 Interl 8008（8 位微处理器）集 成 3500 个晶体管。 第二代（19731978 年）是 8 位微处理器时期。典型产品包括：1973 年的 Iterl8080， 集成 600 个晶体管；1974 年 3 月的 MC6800；1975 年的 Zilog 的 Z80；1976 年的 Iterl 8085，集成 9000 个晶体管。 第三代（19781983 年）是 16 位微处理器时期。典型产品包括：1978 年的 Iterl 8086，首枚具有 X86 架构的 CPU，集成 2.9 万个晶体管；1979 年的 Zl
7、og Z8000；Motorola 的 MC68000；1982 年的 Interl 80286。 第四代（19832001 年）是 32 位微处理器时期。典型产品包括：1983 年 Zlog 的 Z80000；1984 年 7 月 Motorola 的 MC6820；1985 年的 Iterl 80386，集成 27.5 万个晶体管， 时钟最高 40MHz；Interl 公司以后生产的 80486，Pentium（数据线宽度开始成为 64 位） ， Pentium Pro，Pentium MMX，Pentium II，Pentium III，Pentium 4；AMD 公司 1995 年以后
8、 开始生产的 K5，K6，Athron，Duron 等。 第五代（2001 年以后）是 64 位微处理器时期。典型产品包括：2001 年的 Interl64 位 安腾微处理器，2002 年安腾 2 微处理器（IA-64 架构，用于服务器） ；2003 年 9 月，AMD 公司推出用于桌面平台的 Athron 64 系列微处理器；2004 年 8 月，Interl 公司推出 Pentium 4F 系列微处理器；2005 年 5 月，AMD 公司推出双核 64 位微处理器 Athron 64 X2；2005 年 7 月 Iterl 公司推出 64 位微处理器 Pentium D；2007 年 1
9、月，Iterl 公司推出 64 位 4 核微 处理器 Core 2(酷睿 2)；2007 年 10 月 AMD 公司推出 64 位四核微处理器 Phennom X4(羿龙)。微处理器的发展正如摩尔定律所描述的那样，每 18 个月单片集成电路上的晶体管数 量就会增加一倍，而且性能提高一倍。但是随着微处理器集成度的进一步增加，人们已经 深入到原子量级进行集成电路设计了，再按照摩尔定律的规律发展会越来越困难，这促使 人们去寻找新的思路和途径，去进一步提高微处理器的性能，比如设计多核微处理器，通 过加大并行数据处理的能力提高总体运算能力。微机原理与汇编语言程序设计(微机原理篇)3需要注意的是，不要把摩
10、尔定律看作是一个客观规律，它只是对半导体技术发展的一 种预测，可以看作是人们在半导体设计和研究领域为自己设定的一个目标。这个目标是否 能够实现并不完全取决于客观事物本身，更多是需要通过科研工作者不懈的努力才能达到。 从目前来看，随着半导体技术的快速发展，一些工艺水平已经接近物理极限，摩尔定律所 给出的目标已经越来越难以达到了，可能在不久的将来摩尔定律所预测的指标会成为一个 理想，而不再能够真正被实现了！1.1.3 微型计算机的分类微型计算机的主要分类方式有两种：一种是按照 CPU 的字长进行分类，所谓字长就是 CPU 在单位时间内（同一时钟）能一次处理的二进制数的能力，字长用“位”来表示，一
11、位表示一个二进制 bit(比特)，有字长多少位就表示该 CPU 能够一次处理多少 bit 信息；另 一种是按微型计算机的组装形式和系统规模分类。1按按 CPU 字长分类字长分类根据处理数据字长的不同微型计算机一般可以分为以下 5 类。 4 位微型计算机：CPUCPU 字长为 4 位，单次数据处理能力为 4 位（由于功能太弱已经 逐渐被淘汰） 。 8 位微型计算机：CPUCPU 字长为 8 位，单次数据处理能力为 8 位， 在一些简单控制 领域（如电梯、家用电器等）使用。 16 位微型计算机：CPUCPU 字长为 16 位，单次数据处理能力为 16 位，由于生产成本 的不断下降，正在逐渐取代 8
12、 位的微计算机，用于一些简单控制领域。 32 位微型计算机：CPUCPU 字长为 32 位，单次数据处理能力为 32 位，功能强大，主 要应用于通信设备、多媒体处理设备、智能仪器等方面。 64 位微型计算机：CPUCPU 字长为 64 位，单次数据处理能力为 64 位，是目前功能最强 的微型计算机系统，主要用作 PC 机、游戏机等设备。 目前微型计算机已经进入了 64 位时代，多核多线程的 64 位微型计算机系统已经成为 个人计算机的主流。2 2按微型计算机的组装形式和系统规模分类按微型计算机的组装形式和系统规模分类微型计算机根据其规模可分为三类。 单片机：将 CPU、RAM、 ROM 及 I
13、/O 接口电路集成在一块集成电路芯片上，以芯片 的形式出现的微型计算机。提供电源后可以独立工作，也可以连接一定的外围部件构成较 复杂的系统。这是目前使用量最大的一类微型计算机。常见的单片机有 Interl51 系列， Amel AVR 系列，Motorola 的 MC 系列等。 单板机：在一个电路板上集成了 CPU、存储器、I/O 接口电路和一定的输入输出设 备，以单块电路板形式出现的微计算机。提供电源后可以独立工作，也可以与外围输入输 出设备进行连接构成更加复杂的系统。常见的单板机有 X86 架构的 PC104 系统，ARM 单板 机系统等。微机原理与汇编语言程序设计(微机原理篇)4 个人计
14、算机：根据中国计算机学会主编的英汉计算机辞典的解释，所谓“个人 计算机” （Personal Computer,PC）, 是指“由微处理器芯片装成的、便于搬动而且不需要 维护的计算机系统。 ”通常我们所说的个人计算机是指台式个人计算机和笔记本个人计算机， 现在主流的是 X86 系列个人计算机和苹果公司的 MAC 系列个人计算机。 由于早期个人计算机价格十分昂贵，所以通常是单位或少数个人购买的设备。但是随 着电子技术的飞速发展和社会的不断进步，个人计算机价格不断下降，已经真正成为每个 人可以拥有的“个人计算机” 。现在个人计算机在商业、家庭生活、科学教育、工业生产、 国防军备等各个领域发挥着不可
15、替代的作用。1.21.2微型计算机组成微型计算机组成我们目前使用的计算机都是按照 1940 年冯诺依曼提出的体系结构设计实现的，微型 计算机也不例外，这种设计结构被人们称为冯诺依曼结构，其设计思想主要包括以下三 点。 以二进制形式表示指令和数据。程序和数据事先存放在存储器中，计算机工作时能高速地从存储器中取出指令并加 以执行。 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 大部件组成计算机系统。 虽然经过了 60 多年，也有不少关于非冯.诺伊曼体系结构的计算机研究成果出现,但目 前冯.诺伊曼结构仍然是计算机的主流系统结构。微型计算机由微处理器、输入/输出 （I/O）接口和存储器通过一定的公
16、共线路（总线）连接在一起组成。其基本结构如图 1.2 所示。控控制制器器控控制制器器运运算算器器运运算算器器中中央央处处理理单单元元 外外存存储储器器输输入入设设备备输输出出设设备备存存储储器器内内存存储储器器I/O接接口口图 1.2 微型计算机基本结构1.2.1 微型计算机组成部件微型计算机是由微处理器（MPU） 、输入/输出接口（I/O）和内存储器（MEM）三部分组微机原理与汇编语言程序设计(微机原理篇)5成。1 1微处理器微处理器微处理器是计算机的核心部件，由大规模/超大规模集成电路构成，在微处理器集成 了运算器、控制器和一定数量的寄存器组。其中运算器又称为基本算术逻辑单元 （Arithmetic Logic Unit,ALU）主要负责算术或逻辑运算以及移位循环等操作；控制器又 称控制单元（Control Unit,CU） ，它是微机的指挥中心，用于完成指令读取，译码发出控 制命令等操作；寄存器组（Register Set,RS）也叫寄存器阵列(Register Array,RA),是一 组 CPU 内部的存
