计算机原理及接口技术第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： 微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计方法 微型计算机接口技术 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,教材： 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 联系方式 公用邮箱： 密码： 姓名：胡欣,4,第1章 微型计算机基础概论,主要内容： 微型计算机系统 计算机中的数制及编码 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算 有符号数的表示及补码运算,5,1.1、微型计算机系统,6,主要内容,微型计算机的发展 微型计算机的工作过程 微机系统的构成,7,1.1.1. 微型计算机

2、的发展,时代背景：第二次世界大战期间 军事用途：弹道计算 诞生时间：1946年2月14日 诞生地点：美国宾夕法尼亚大学 第一台计算机：ENIAC 电子数字积分计算机,8,1.1.1. 微型计算机的发展,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。 ENIAC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,9,1.1.1. 微型计算机的发展,10,1.1.1. 微型计算机的发展,虽然EN

3、IAC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。,11,1.1.1. 微型计算机的发展,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。,12,1.1.1. 微型计算机的发展,电子计算机发展的四代： 第一代：

4、电子管计算机（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）,13,1.1.1. 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,14,1.1.1. 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,15,1.1.1.

5、微型计算机的发展,第一代（19711973）： 4位和低档8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,16,1.1.1. 微型计算机的发展,第二代（1973 1978）：中高档8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，具有

6、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,17,1.1.1. 微型计算机的发展,第三代（19781981）： 16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,18,1.1.1. 微型计算机的发展,第四代（19851992）： 32位微处理器时期 代表产品：1985年Intel公司推出能进行多任 务处理的32位微处理器8

7、0386； 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,19,1.1.1. 微型计算机的发展,第五代（19931996）： 32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,20,1.1.1. 微型计算机的发展,今天的微处

8、理器（1996至今）： 64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,21,1.1.1. 微型计算机的发展,intel 4004，intel 的发展史就是从这块cpu起步的,22,1.1.1. 微型计算机的发展,8008 8085,23,1.1.1. 微型计算机的发展,8086 8088,24,1.1.1. 微型计算机的发展,80286,25,1.1.1. 微型计算机的发展,80386，intel第一

9、代32位cpu,486，这是intel最后一代以数字编号的cpu,26,1.1.1. 微型计算机的发展,Pentium Pentium Pro,27,1.1.1. 微型计算机的发展,Pentium 4 Itanium 2,28,1.1.2. 微型计算机的工作过程,冯 诺依曼计算机的工作原理 存储程序工作原理,29,冯 诺依曼计算机的特点：,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; 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； 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； 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执

10、行； 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,控制器,输入设备,输出设备,存储器,31,2、微型计算机的工作原理,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。 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。,指令格式 （地址码）,32,程序执行过程示意图,程序,开始,结束,指令1,指令2,指令n,. . .,操作码 操作数,存储器中的

11、 指令序列,取出指令,指令译码,读出操作数,（地址码）,执行操作,取指,执行指令,33,2、微型计算机的工作原理,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。,34,2、微型计算机的工作原理,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，

12、结果 00000010 存放到AL中 HLT 11110100 停机,35,2、微型计算机的工作原理,1、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。,36,2、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

13、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。,37,38,2、微型计算机的工作原理,2、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。,39,2、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）由控制器计算机已知道读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄

14、存器DR通过内部总线将01H送入累加器A中。,01H,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,操作控制器,01H,1,01H,2,00 B0H,01 01H,02 04H,03 02H,04 F4H,3,4,读命令,01H,5,6,7,控制信号,（执行第一条指令操作示意图）,DR,41,1.1.3微机系统的构成,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. 硬件系统：构成计算机物理结构的电气、电子和机械设备. 软件系统：控制计算机运行的程序.,42,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

15、制器 运算器,43,微型机系统,运算器,控制器,CPU,存储器,I/O接口,总线,主机,输入设备,输出设备,微型机,软件,微机系统,44,总线,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，包括地址总线、数据总线、控制总线 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。,45,总线,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 数据总线DB：用于传送数据信息，双向并行 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,46,总线,微型计算机的系统结构框图:,47,1.硬件系统-微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心。 主要包括： 运算器 控制器 寄存器组,48,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运算,49,控制器,控制器用于计算机硬件系统中，指挥、协调各部件的有序工作，是整个计