《微型计算机原理与接口技术》(第2版)冯博琴、吴宁主编-第1章

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1、1计算机原理及接口技术大家好！2课程目标掌握：l微型计算机的基本工作原理l汇编语言程序设计方法l微型计算机接口技术l建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系 统软硬件开发的初步能力3教材及实验指导书l教材：l微机原理与接口技术（第2版）. 冯博琴，吴宁主 编. 清华大学出版社l联系方式l公用邮箱： l密码：12345678 l姓名：胡欣4第1章 微型计算机基础概论主要内容：l微型计算机系统l计算机中的数制及编码l无符号二进制数的算术运算和逻辑运算l有符号数的表示及补码运算51.1、微型计算机系统6主要内容l微型计算机的发展l微型计算机的工作过程l微机系统的构成71.1.1. 微型计算机的发展l

2、时代背景：第二次世界大战期间l军事用途：弹道计算l诞生时间：1946年2月14日l诞生地点：美国宾夕法尼亚大学l第一台计算机：ENIAC电子数字积分计算机81.1.1. 微型计算机的发展l埃尼阿克（ENIAC）：承担开发任务的“莫尔小组” 由四位科学 家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克 斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。 lENIAC描述：占地面积达170平方米，30个操作台 ，约 为10间普通房间的大小 ，重达30吨，5000次 加法/秒，500次乘法/秒 ，耗电量150千瓦， 造价48万美元91.1.1. 微型计算机的发展101.1.1. 微型计算机的发展l 虽然ENIAC体积庞

3、大，耗电惊人，运算速 度不过几千次（现在的超级计算机的速度最快 每秒运算达万亿次！），但它比当时已有的计 算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程 序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的 功能。但是ENIAC宣告了一个新时代的开始。111.1.1. 微型计算机的发展l 虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速 度不过几千次（现在的超级计算机的速度最快 每秒运算达万亿次！），但它比当时已有的计 算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程 序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的 功能。但是ENIAC宣告了一个新时代的开始。121.1.1. 微型计算机的发展电子计算机发展的四代：第一代：电

4、子管计算机（1946-1956）第二代：晶体管计算机（1957-1964）第三代：中小规模集成电路计算机（1965- 1970）第四代：超大规模集成电路计算机（1971至今 ）131.1.1. 微型计算机的发展电子计算机的发展方向：第五代：“非冯.诺依曼”计算机时代第六代：神经网络计算机时代光计算机时代生物计算机时代141.1.1. 微型计算机的发展微型计算机诞生于20世纪70年代微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、 可靠性高、价格便宜、使用方便、软件丰富微型计算机的核心是微处理器（CPU）每出现一个新的微处理器，就会产生新一代的 微型计算机151.1.1. 微型计算机的发展第一代（197

5、11973）： 4 4位和低档位和低档8 8位微处理器时代位微处理器时代代表产品：Intel 4004和MCS-4微型机Intel 8008和MCS-8微型机字长：4位或8位基本指令时间：约为10-20S指令系统比较简单，运算功能较差，速度较慢 ，价格低廉集成度：2000管/片161.1.1. 微型计算机的发展第二代（1973 1978）：中高档中高档8 8位微处理器时代位微处理器时代 代表产品：Intel 8080,Motorola公司的 M6800，Zilog公司的Z80，Intel公 司的8085，Technology的6502等 字长：8位 基本指令时间：约为1-2S 指令系统比较完善

6、，具有典型的计算机系统结 构以及中断、DMA等功能，寻址能力增强 集成度：5000 10000管/片171.1.1. 微型计算机的发展第三代（19781981）： 1616位微处理器时代位微处理器时代 代表产品：Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog 公司的Z8000 字长：16位 基本指令时间：约为0.15S 丰富的指令系统，多级中断系统，多重寻址方 式，段式存储结构 集成度：20000 60000管/片181.1.1. 微型计算机的发展第四代（19851992）： 3232位微处理器时期位微处理器时期 代表产品：1985年Intel公司推出能进行

7、多任务处理的32位微处理器80386；1989年Intel公司推出80486； 字长：32位 内存容量已达1MB以上，硬盘技术不断提高， 各种品牌机涌向市场，如COMPAQ、DELL等，可 执行多任务、多用户操作 基本指令时间：0.2s 集成度：几十万上百万管/片191.1.1. 微型计算机的发展第五代（19931996）： 3232位高档微处理器位高档微处理器代表产品： Intel Pentium字长：32位特点：CPU 内部采用超标量流水线设计， Pentium 芯片内采用双Cache 结构 ( 指令 Cache 和数据 Cache) ，外部数据线64位字长 ，32位以上地址总线201.1

8、.1. 微型计算机的发展今天的微处理器（1996至今）： 6464位高档微处理器位高档微处理器代表产品： Pentium 4、Itanium字长：64位特点：内部集成16KB的一级（L1）高速缓冲存 储器和256KB的二级（L2）高速缓冲存储器； 使用三个执行部件，可同时执行三条指令应用：办公自动化、网络服务器211.1.1. 微型计算机的发展lintel 4004，intel 的发展史就是从这块cpu起 步的221.1.1. 微型计算机的发展l8008 8085231.1.1. 微型计算机的发展l8086 8088241.1.1. 微型计算机的发展l80286251.1.1. 微型计算机的发

9、展80386，intel第一代32位cpu486，这是intel最后一代 以数字编号的cpu261.1.1. 微型计算机的发展lPentium Pentium Pro l 271.1.1. 微型计算机的发展lPentium 4 Itanium 2 l 281.1.2. 计算机的工作过程冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理29冯 诺依曼机的特点：l将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组 成的程序，并放入存储器保存;l程序中的指令和数据必须采用二进制编码，且 能够被执行该程序的计算机所识别；l指令按其在存储器中存放的顺序执行，存储器 的字长固定并按顺序线性编制；l由控制器控制整个程序和数据

10、的存取以及程序 的执行；l以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。30冯 诺依曼计算机体系结构运算器存储器控制器输入设备输出设备312、微型计算机的工作原理l微型计算机的工作过程就是执行程序的过程， 而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过 程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存 储器中取出指令并完成指令所指定的操作。l由于执行每一条指令，都包括取指令和执行指 令两个基本阶段，所以，微型计算机的工作过 程也就是不断地取指令和执行指令的过程，直 到遇到停机指令时才结束机器的运行。322、微型计算机的工作原理l程序执行过程（1）首先将第一条指令由内存中取出；（2）将取出的指令送指令译码器译码，以

11、确 定要进行的操作；（3）读取相应的操作数（即执行的对象）；（4）执行指令；（5）存放执行结果；（6）一条指令执行完后，转入了下一条指令 的取指令阶段。332、微型计算机的工作原理l计算1+2=?汇编语言 对应的 对应的操作程序 机器指令MOV AL, 1 10110000 将立即数1传送到00000001 累加寄存器AL ADD AL, 2 00000100 计算两个数的和，结果00000010 存放到AL中HLT 11110100 停机342、微型计算机的工作原理l1、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开 始存放）（1）将程序计数器PC的内容送地址寄存器AR。（2）程序计数器PC的内容

12、自动加1变为01H，为 取下一条指令作好准备。（3）地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储 器地址译码器译码，选中00H单元。352、微型计算机的工作原理（4）CPU发出“读”命令。（5）选中00单元的内容B0H读至数据总线DB上。（6）经数据总线DB，读B0H送至数据寄存器DR。（7）数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR 中，经过译码CPU“识别”出这个操作码为“MOV A，01H”指令，于是控制器发出执行这条指令 的各种控制命令。36PCARALUABDRIRID00H100H200 B0H 01 01H 02 04H 03 02H04 F4H34读命令B0H56B0H7控制信号（

13、取第一条指令操作示意图）操作控制器372、微型计算机的工作原理l2、执行指令阶段的执行过程：（1）将程序计数器PC的内容送地址寄存器AR。（2）程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为 取下一条指令作好准备。（3）地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储 器地址译码器译码，选中01H单元。382、微型计算机的工作原理（4）CPU发出“读”命令。（5）选中01H单元内容01H读至数据总线DB上。（6）经数据总线DB，读01H送至数据寄存器DR。（7）由控制码计算机已知到读出的是立即数， 并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器 DR通过内部总线将01H送入累加器A中。01HPCARALUAB

14、DRIRID操作控制器 01H101H200 B0H 01 01H 02 04H 03 02H04 F4H34读命令01H567控制信号（执行第一条指令操作示意图）401.1.3微机系统的构成l计算机系统组成一个完整的计算机由硬件系统和软件系统 两大部分组成.l 硬件系统：构成计算机物理结构的电气、电子和 机械设备.l 软件系统：控制计算机运行的程序.硬件系统统（设备设备 ）软软件系统统（程序)41系统组成主机硬件系统外设微机系统系统软件软件系统 应用软件I/O接口 存储器 总线 CPU寄存器组 控制器 运算器42总线l总线：就是连接多个部件的一组公共信 息传输线，它能分时地发送与接收信息 ，

15、包括地址总线、数据总线、控制总线l总线是一种内部结构，它是cpu、内存、 输入、输出设备传递信息的公用通道， 主机的各个部件通过总线相连接，外部 设备通过相应的接口电路再与总线相连 接，从而形成了计算机硬件系统。43总线l地址总线AB：用于传递存储单元或I/O端 口地址信息的一组信号线，由CPU发出， 对存储单元和I/O端口进行寻址，单向并 行l数据总线DB：用于传送数据信息，双向并 行l控制总线CB：用于传送各种控制命令，如 定时脉冲、中断请求等，双向传送44总线l微型计算机的系统结构框图:451.硬件系统-微处理器l微处理器简称CPU，是计算机的核心。l主要包括：运算器控制器寄存器组46运算器运算器是计算机进行算术逻辑运算的部件运算器的核心部件是算术逻辑单元加法器为基础，移位寄存器及相应控制逻 辑组合而成的电路，在控制信号的作用下 可完成加减乘除四则运算和各种逻辑