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1、微机原理与汇编语言,授课班级：通信04级 主讲教师：王言前 信电学院 2006.8,主要内容：,本课程紧密结合电子信息专业的特点，围绕微型计算机原理和应用主题，以Intel8086CPU为主线，系统介绍了微型计算机的基本知识、基本组成、体系结构、工作模式，介绍了8086CPU的指令系统、汇编语言及程序设计方法和技巧，存储器的组成和I/O接口扩展方法，微机的中断结构、工作过程，从而使学生能较清楚的了解微机的结构与工作流程，建立起系统的概念。 本课程系统介绍了微机中的常用接口原理和应用技术，包括七大接口芯片：并行接口8255A、串行接口8251A、计数器/定时器8253、中断控制器8259A、A/
2、D（ADC0809）、D/A（DAC0832）、DMA（8237）、人机接口（键盘与显示器接口）的结构原理与应用。在此基础上，对现代微机系统中涉及的总线技术、高速缓存技术、数据传输方法、高性能计算机的体系结构和主要技术作了简要介绍。,教学要求：,1.上课注意听讲，必要时应记笔记，课前需要预习，课下及时复习，充分利用课外参考资料和答疑解决学习中的困难。 2. 按时交作业 3. 实验必须按时上课，并完成教师布置的任务。,教学参考书： 1. 教材 周荷琴 吴秀清 编著 微型计算机原理与接口技术中国科学技术大学出版社 2. 郑学坚 周 斌 编著 微型计算机原理及应用 清华大学出版社 3. 刘乐善 主编
3、 微型计算机接口技术与应用 华中理工大学出版社 4. 戴梅萼 史嘉权 编著 微型计算机技术及应用 清华大学出版社 5. 周明德 微型计算机系统原理及应用 清华大学出版社 6. 沈美明 温冬婵编著 IBM-PC汇编语言程序设计清华大学出版社（配套习题集） 7. 艾德才 主编 Pentium系列微型计算机原理与接口技术 高等教育出版社,学习微机原理与汇编语言的方法： 1. 掌握微机的基本结构与组成原理 2. 掌握微机的指令系统与编程方法 3. 掌握微机的时序，不懂时序，就无法真正掌握微机原理，难以充分利用微机。 4. 掌握微机硬件电路中的通用符号的意义。 5. 掌握微机外围接口芯片的原理与典型应用
4、。 （锁存器、缓冲器、驱动器、定时/计数器、并行接口、串行接口、DMA、A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等） 6. 掌握微机扩展的原理，注意学会主要信号的扩展方法，能够举 一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、读/写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）,第1章 微型计算机概述,1.1 微型计算机的发展概况 第一台电子计算机 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）。 重量30吨，占地150平方米，每
5、小时耗电150千瓦，价值约40万美元。 采用18800只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。 ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。,按计算机应用，计算机发展可分为以下几个阶段：,（1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年-1980年） 采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。 （2）微型计算机阶段（1981年-1990年） 微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。 （3）计算机网络阶段（1
6、991年至今） 计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共享。,微处理器的发展概况：,将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机（简称微机）是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路、外围设备等构成的。 第一代微处理器：1971年Intel公司设计了4位微处理器4004、 4040和早期的8位微处理器8008。（集成度为：2000管/片，时钟频率为：1MHz，平均指令执行时间为20s，数据总线宽度：4位。 ） 第二代微处理器：1973年12月In
7、tel公司研制成功了8080。（集成度为：5000管/片，时钟频率为：2-4MHz，平均指令执行时间为1-2s ，数据总线宽度：8位。 ）,第三代微处理器：1978年制造了8086和1979年研制了8088，1983年又制造了全16位的80286。（集成度为：2-6万管/片，时钟频率为： 4-8MHz，平均指令执行时间为0.5s ，数据总线宽度：16位。 ） 第四代微处理器：1985年Intel公司制造出32位字长的微处理器80386。 （集成度为：27.5万管/片，时钟频率为： 12.5-33MHz，平均指令执行时间为0.1s ，数据总线宽度：32位）。1989年4月又研制成功80486。
8、第五代微处理器： 1993年3月Intel公司制造出Pentium（奔腾）微处理器； 1995年11月，推出了Pentium Pro，接着又推出了含有MMX（多媒体扩展指令集）功能的Pentium处理器P55C； 1999年11月推出P微处理器； 2000年11月，Intel推出更新的微处理器芯片P4。（目前市场上P4的集成度为：4200万管/片，时钟频率为：3GHz） 见教材P4 表1-1 此外，Motorola、Zilog等公司也推出了相应的产品。,1.2 微型计算机系统,1946年6月，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Johe Von Neumman）提出了“存储程序”的计算机设计方案。 其特
9、点是： 采用二进制数形式表示数据和计算机指令。 指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。 由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。 工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机。 冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。,冯诺依曼型计算机的结构：,一、微型计算机 微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成。计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器部分组成。运算器和控制器组成了中央处理器（CPU，也称微处理器）。软件可分为系统软件和应用软件两大类。,微
10、型计算机的硬件结构如下图所示。,中央处理单元：中央处理单元CPU（Control Processing Unit）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器ALU、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。,微型计算机的软件系统,计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作 。,二、存储器,功能：存储程序和数据。 分类：超高速缓存、内部存储器（内存或主存）、外部存储器。 存储器体系：存储器体系结构就是把速度不同、容量不同、存储技术也可能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个极有足够大的空间又能保证满足CPU存取速度而且价格适中的整体。,工作过程：为了
11、解决存储器系统的容量、存取速度及单位成本之间的矛盾，在主存和CPU之间设置高速缓冲存储器Cache，在主存和外存之间设置辅存。 把正在执行的指令代码单元附近的一部分指令代码或数据从主存装入Cache中，供CPU在一段时间内使用，在一定容量Cache的条件下，我们可以做到使CPU大部分取指令代码及进行数据读写的操作都只要通过访问Cache，而不是访问主存而实现。 其特点是整个存储器系统的容量及单位成本能够主存相当，而存取速度可以与Cache的读写速度相当，这就很好地解决了存储器系统的上述三个方面性能之间的矛盾。 主存-辅存结构解决了存储器的大容量要求和低成本之间的矛盾，从整体看，其速度接近于主存
12、的速度，其容量则接近于辅存的容量，而每位平均价格也接近于廉价的慢速的辅存平均价格。这种系统不断发展和完善，就逐步形成了现在广泛使用的虚拟存储系统。,任何程序如果想要取得CPU控制权都必须要先被装入内存，也就是说，要运行一个程序，必须先将它装入内存。 向存储单元保存信息的操作称作“写”操作，向存储单元获取信息的操作称作“读”操作，“读”、“写”时一般都以字节为单位。“读”操作不会影响存储单元中的信息，“写”操作将新的信息取代存储单元中原有的信息。 1. 内部存储器 是计算机系统的内部存储部件，用于存放被运行的程序、程序所使用的原始数据、中间结果和最终结果等各种信息，是计算机系统的存储中心。 内存
13、（ Memory ）直接和运算器、控制器交换信息。 （1）超高速缓存Cache （2）随机存取存储器（RAM）：SRAM、DRAM （3）只读存储器（ROM）：掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM。,2. 外部存储器 磁存储器： 硬磁盘、软盘。 一般1.44MB软盘的磁道为双面、每面有80个磁道，每个磁道为18个扇区，每个扇区有512个字节，存储容量为： 2面80磁道/面 18扇区/磁道 512字节/扇区= 1.44MB 硬磁盘一般为80-300GB，7200转/分。典型的硬盘接口有：IDE（PC机系统接口）、SCSI（小型计算机系统接口）、ESDI（增强型小型外设接口）、IPI（智
14、能外设接口）。 光存储器：光盘，650MB。 U盘：闪存，64MB、128MB、256MB、512MB、1GB。 3. 存储器组织 8086：16位，两个存储体，奇偶地址分开。 80386/486：四个存储体，尾地址00、01、10、11地址分开。,4.存储器的性能指标 存储容量：是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强； 存储器的存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标； 存储器的成本：也是存储器系统的重要性能指标。 为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采
15、用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。,三、 输入/输出接口电路 输入/输出接口电路也称为I/O（Input /Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。主要用于CPU与外设之间的数据格式转换、数据传输、速度匹配、电平匹配等。 只有通过输入/输出接口，外部设备才能从总线接收数据或者向总线上发送数据，才能从总线上接收控制信号或者发送控制和状态信号。举例来说，显示器连接到总线上需要显卡，音箱连接到
16、总线上需要声卡，键盘连接到总线上需要键盘接口（现在的键盘接口是固化到主板上了，因为其结构较简单）。 主要接口芯片有：锁存器（273、373），数据缓冲器（244、245），可编程中断控制器8259A，可编程定时器/计数器8253，可编程并行接口（8255、8155），可编程串行接口8251，DMA控制器8237A，数/模转换器（ADC0809、ICL7135），模数转换器（DAC0832）等。,四、总线,连接计算机系统中其他主要功能部件的桥梁，是计算机系统中信息输送的枢纽，只有通过总线，计算机系统的各部件才能实现相互通信。 总线标准： 物理特性：根数、插头、插座的形状、引脚排列； 功能特性：每根线的功能； 电器特性：每根线上信号的传送方向及电平规定； 时间特性：时序，每根线上信号何时有效。,总线的分类： （1）内部总线：微处理器内部各个器件之间传送信息的通路。 （2）元件级总线：连接计算机系统中连各主要部件的总线。可分为： 数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存
