微机系统导论

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1、微机系统导论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望成绩核算成绩核算总评成绩卷面成绩70平时成绩30考勤提问作业说明：考勤缺课说明：考勤缺课3次及以上者，请慎重！次及以上者，请慎重！课程的地位、性质和任务课程的地位、性质和任务微型计算机原理是计算机专业的重要专业基础课程，是一门培养学生计算机应用能力的技术基础课。通过课堂教学和实践教学，使学生掌握有关微型计算机硬件的基础知识、基本原理，掌握汇编语言的指令及编程应用，培养学生的计算机应用能力和编程能力。是后

2、续接口技术、单片机原理及技术等课程的学习的基础。前修学科前修学科数字电路模拟电路一门高级语言程序设计学习方法学习方法课前预习、课上认真听讲、课后复习多动手（汇编编程实验）多看参考书(包括利用网上资料)其它（作业）参考资料参考资料新编16/32位微型计算机原理及应用 李继灿 清华大学出版社微型计算机原理与接口技术 周荷琴 吴秀清 中国科学技术大学出版社微机原理与接口技术 周明德 人民邮电出版社IBM-PC汇编语言程序设计 沈美明 温冬婵 清华大学出版社目录目录第第1章章 微机系统导论微机系统导论第第2章章 微机运算基础微机运算基础第第3章章 8086/8088微处理器及其系统微处理器及其系统第第

3、4章章 8086/8088汇编语言程序设计汇编语言程序设计第第5章章 微机的存储器微机的存储器第第6章章 输入输出与中断输入输出与中断第第8章章 Intel系列高档微处理器的技术发展系列高档微处理器的技术发展第第1 1章章 微机系统导论微机系统导论1.1 微机系统组成1.2 微机硬件系统结构1.3 微处理器的组成部件1.4 存储器概述1.5 微机工作过程1.6 微机系统的主要性能指标作业本章教学目的、重点、难点本章教学目的、重点、难点n目的：目的：了解微机系统的组成及各部件总体结构、掌握微机执行程序的详细过程。n重点：重点：微处理器的组成、存储器读/写操作过程。n难点：难点：微处理器的组成、微

4、机工作过程。1.1 1.1 微机系统组成微机系统组成微型计算机的发展与特点n诞生：1971年，硅谷，核心为Intel 4004微处理器n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发展微型计算机的发展代年代代表产品字长特点应用范围第一代1971-1973Intel 4004，80084位或8位机器语言编程，指令系统简单、运算功能较差、价格低廉计算器、家电、二次仪表、交通灯控制第二代1973-1977Intel 8080/8085，Z80，MC 6800/6802，R 6502(APPLE )8位汇编语言、FORTRAN、BASIC编程，指令系统较完善、运算速

5、度提高一个数量级、寻址能力增强，有中断和DMA功能智能仪表、面向家电、工业控制第三代1978-1985Intel 8086 /8088，80186,80286, Z 8000， MC 68000.(IBM PC)16位指令系统丰富/采用多级中断、多种寻址方式、段式存储结构、功能强大的系统软件工业控制第四代1985-1992Intel 80386，8048632位内存达1MB以上,硬盘技术不断提高,32位总线结构,可执行多任务多用户操作办公自动化.网络环境第五代1992-至今Intel Pentium系列,Itanium64位外部数据线字长64位,地址总线32位以上.增加了多媒体功能和在网络上的

6、应用.办公自动化.网络服务器为什么要学习为什么要学习8086/80888086/8088？可以作为一类在世界上最流行的机种的代表；16位机的结构、组成原理、指令系统、编程方法、及接口技术等，在后续高档微机设计中都得到了体现；具有向上兼容性；1.1.1 1.1.1 几个基本定义几个基本定义1.1.微处理器微处理器简称P或MP (Microprocessor) ，是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算和控制功能的中央处理器部件。它本身并不等于微型计算机，而只是其中央处理器CPU(Central Processing Unit) ，是计算机的核心。在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。但在大

7、、中、小型机中，CPU微处理器2.2.微型计算机微型计算机简称C或MC，是指以微处理器为核心， 配上存储器、 输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机(又称主机或微电脑)。当把微处理器、存储器和输入输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上，则分别称之为单板机、多板机或单片微型计算机。3.3.微型计算机系统微型计算机系统简称CS或MCS，是指以微型计算机为中心, 以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件) 以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。 CS、C、P三者的关系三者的关系微型计算机系统(CS)硬件软件算术逻辑单元控制单元寄存器阵列主存储器输入输出接口电路系统总线

8、微处理器 (P)微型计算机 (C)外围设备外部设备过程控制I/O通道电源系统软件用户软件1.1.2 1.1.2 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.1.硬件硬件-冯.诺依曼结构微处理器: 微机的计算、控制中心，用来实现算术、 逻辑运算以及其他操作,并对全机进行控制。存储器: (主存或内存)用来存储可以供微处理器直接运行的程序或处理的数据。(现行计算机的中心。)输入输出(IO) : 接口芯片是微处理器与外部输入/输出设备之间的接口,使信息在格式、电平、速度上匹配。2.2.软件软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。 系统软件是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。

9、用户软件是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应用软件。软件的分级结构示意图1.2 1.2 微机硬件系统结构微机硬件系统结构微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。一种典型的微机硬件系统结构如图1.4所示。图中,用系统总线将各个部件连接起来。系统总线系统总线系统总线：是用来传送信息的公共导线 , 它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容与作用不同，系统总线分为3类：数据总线DB(Data Bus)，地址总线AB(Address Bus)，控制总线CB(C

10、ontrol Bus)。数据总线用来传输数据，从结构上看，是双向的，从CPU到其他部件，或其他部件到CPU。地址总线用来传送地址信息，总是从CPU送出去的，所以地址总线是单向的。控制总线用来传输控制信号，是双向的(但每一根是单向的)。面向系统的总线结构面向系统的总线结构目前采用的总线结构可分为单总线、双总线和双重总线 单总线结构单总线结构系统存储器M和I/O 接口均使用同一组信息通路，因此，CPU对M的读/写和对I/O接口的输入/输出操作只能分时进行。双总线结构双总线结构 M和I/O接口各具有一组连通CPU的总线，CPU可以分别在两组总线上同时与M和I/O交换信息,因而拓宽了总线带宽,提高了总

11、线的数据传输效率。双重总线结构双重总线结构 有局部总线与全局总线。 CPU通过局部总线访问局部M和局部I/O时, 工作方式与单总线相同； 当系统中CPU需要对全局M和全局I/O 访问时，则必须由总线控制逻辑统一安排才能进行,这时该微处理器就是系统的主控设备。 整个系统便可在双重总线上实现并行操作,从而提高了系统数据处理和数据传输的效率。1.3 1.3 微处理器组成微处理器组成微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3部分组成。 图1.6 8位微处理器的结构1.3.1 运算器运算器 运算器又称为算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit),用来进行算术或逻辑运算以及移位、循

12、环等操作。 参加运算的两个操作数，一个来自累加器A (Accumulator)，另一个来自内部数据总线,可以是数据寄存器DR(Data Register)中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。 运算结果送回累加器A暂存。1.3.2 控制器控制器1.1.指令寄存器指令寄存器IR IR 存放从存储器中取来的将要执行的指令（操作码）。 2.2.指令译码器指令译码器ID ID 对IR中的指令进行译码，以确定该指令应执行什么动作。 3.3.可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA PLA 用来产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。1.3.3 1.3.3 内部寄存器内部寄存器1.1.累加器

13、累加器A A累加器是用得最频繁的一个寄存器。在进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作；运算后，用来保存结果。2.2.数据寄存器数据寄存器DRDR数据寄存器DR用来暂存数据或指令。 从存储器读出时，若读出的是指令，经DR 暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR;若读出的是数据, 则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时,数据是经数据寄存器DR，再经数据总线DB写入存储器的。3.3.程序计数器程序计数器PCPC程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。通常, 程序按顺序逐条执行。任何时刻,

14、PC 都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令(对单字节指令而言)所在的地址。因此,PC具有自动加1的功能。4.4.地址寄存器地址寄存器ARAR地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。在取指令时，将PC中存放的指令地址送到AR，根据此地址从存储器中取出指令。在取操作数时，将操作数地址从CPU通过内部数据总线送到AR，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向存储器写入数据。5.5.标志寄存器标志寄存器F F标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异

15、。根据检测有关的标志位是0或1,可以按不同条件决定程序的流向。CPUcache主存储器辅助存储器海量存储器内存储器外存储器存储体系结构1.4 1.4 存储器概述存储器概述存储器用来存储程序和数据。分两大类：内存储器和外存储器。内存：存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，CPU可以直接访问。外存：存放不常使用的海量数据，CPU使用时要先调入内存。与外设相关。“优盘”，是什么概念？1.4.1 1.4.1 基本概念基本概念位位（Bit）：指一个二进制位，它是计算机中信息储存的最小单位。字节字节（Byte）： 指相邻的个二进制位。1B8bit；1024个字节构成一千个字节，用kB表示；1024 kB

16、1MB；1024MB1GB； Q：1吉内存1吉硬盘吗？字字（Word）：2个字节组成一个字来标识16位数据的长度。字长字长: 表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数，即位长，并由此而定义是多少位的计算机,如1位机，4位机、8位机、16位机、32位机等。 字长字的长度。存储单元存储单元：存储器中能够存储一个字节数据的单位。存储容量存储容量：存储单元的总数目，取决于地址线的根数。存储地址存储地址：人为地赋予每个单元一个编号。注意区别：各存储单元的地址地址与该地址中存放的内容内容是完全不同的意思，不可以混淆。1.4.2 1.4.2 存储器的组成存储器的组成随机存取存储器由存储体存储体、地址译码器

17、地址译码器、控制电路控制电路组成。现假定存储器由256个单元组成，每个单元存储8位二进制信息,即字长为8位。这种规格的存储器，通常称为2568位的读写存储器。1.4.3 1.4.3 读写操作过程读写操作过程1. 1. CPU从存储器读信息读信息:CPU把地址地址总线地址译码器选中存储单元； CPU发“读”信号给存储器；存储单元内容数据总线数据存器DR 由CPU取走该内容。2. 2. CPU向存储器写信息写信息: CPU把地址地址总线地址译码器选中存储单元； CPU的DR中数据数据总线； CPU发“写”信号，数据总线上的数据 寻址的存储单元。1.5 1.5 微机工作过程微机工作过程微机的工作过程

18、就是执行程序的过程，也即不断地取指令和执行指令的过程 。指令通常包括操作码和操作数两大部分。操作码表示计算机执行什么具体操作；操作数表示参加操作的数的本身；或操作数所在的地址, 也称之为地址码。取指令 指令译码 读取操作数 执行指令 存放结果模型机计算模型机计算3 32 2？模型机指令表(部分)32的程序可表达为: MOV A, 3 ADD A, 2 HLT3 32 2程序的二进制代码及存储程序的二进制代码及存储MOV A,3 1011 0000； 操作码(MOV A ,n) 0000 0011； 操作数( 3 ) ADD A,2 0000 0100; 操作码(ADD A ,n) 0000 0

19、010; 操作数( 2 )HLT 1111 0100； 操作码(HLT)执行第执行第1 1条指令条指令 MOV A,3MOV A,31.1.取操作码取操作码地址00H：PCAR；PC自加1(01H)，AR不变(00H)；地址00H：ARAB存储器地址译码器，选中00H单元；CPU发“读”命令；操作码B0H ：00H单元DB；操作码B0H ： DBDR；指令译码：识别B0H就是MOV A，n，通知控制器发执行此指令的控制命令。转入执行第转入执行第1 1条指令的阶段。条指令的阶段。开始执行程序时,必须先给PC赋以第1条指令的首地址00H,然后就进入第1条指令的取指阶段。2.2.取操作数取操作数地址

20、01H：PCAR；PC自加1(02H)，AR不变(01H)；地址01H：ARAB存储器地址译码器，选中01H单元；CPU发“读”命令；操作数03H ：01H单元DB；操作数03H ： DBDR；操作数03H ： DRDBA 。第第1 1条指令执行完毕。转入执行第条指令执行完毕。转入执行第2 2条指条指令的阶段。令的阶段。经对操作码B0H译码，CPU知道是把下一单元中的操作数取入A，所以,执行第1条指令就必须把指令第2字节中的操作数03H取出来。执行第执行第2 2条指令条指令 ADD A,2ADD A,21.1.取操作码取操作码: :从存储器02H单元取操作码，过程与取第1条指令操作码相同。2.

21、2.取操作数取操作数地址03H：PCAR；PC自加1(04H)，AR不变(03H)；地址03H：ARAB存储器地址译码器，选中03H单元；CPU发“读”命令；操作数02H ：03H单元DB；操作数02H ： DBDR；操作数02H ： DRDBALU的输入端I2 ；A中数03HALU的输入端I1 ，执行加法；结果05H：ALU输出端O A。第第2 2条指令执行完毕。条指令执行完毕。转入第转入第3 3条指令的取指、执指阶段，并使计算机停止全部操作。过程基本相同。条指令的取指、执指阶段，并使计算机停止全部操作。过程基本相同。1.6 1.6 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 一个实际的微

22、机系统,它所包括包括的硬件和软件数量各不相同，究竟应包括多少，要根据应用场合对系统功能方面的要求来配置。 对一般用户来说，经典配置经典配置应包括：主板CPU、硬盘、显示器、显示卡、声卡与光驱等多媒体套件、内存以及机箱等主要选项。 微机系统的性能性能则由它的主板与CPU、外设配置、总线结构以及软件配置等多种因素所决定，因此，应当用各项性能指标进行综合评价综合评价,其中,微处理器性能是一个主要的因素。 1.6.1 1.6.1 主板的结构与性能主板的结构与性能主板(Mother Board)又称为母板、主机板、系统板等，它是微机硬件系统中最最重重要要的的部部件件，其结构与性能如何将直接影响到微机各个

23、部件之间的相互配合及其整体性能。1.1.主板结构主板结构 主要有AT主板和ATX主板两种基本类型,最新结构的主板为NLX。主要区别在于各组成部件尺寸大小与排列方式 、电源接口外形与控制方式等不同。其中ATX散热好、接口布局合理、集成度高；NLX支持各类微处理器技术，可快速拆装，降低了成本。主板按按CPUCPU安装结构形式不同安装结构形式不同分socket和slot两大类。 Socket成本比slot低。系统芯片组系统芯片组控制与协调整个系统有效运行，决定了各系统部件的选型，是一个关键部件。型号有Intel的430、440系列；高端的有支持Pentium 4的i850、i845、i845D、i8

24、45E等。2.2.主板的主要性能指标主板的主要性能指标微处理器支持的能力，包括CPU插槽类型、CPU种类、外频范围、电压范围；系统芯片组的类型；是否集成显卡、声卡、调制解调器(Modem)、网卡；支持内存和高速缓存(Cache)的类型与容量；系统BIOS的版本、功能，是否支持即插即用；扩充插槽及I/O接口的数量、类型；主板的电压输出范围。1.6.2 1.6.2 微处理器的性能指标微处理器的性能指标微处理器是微机系统的核心部件，它的性能如何直接影响到整个系统的性能。1.1.字长字长 是CPU内部一次能同时处理的数据的位数，是最重要的指标之一。字长标志着计算精度，字长越长，它能表示的数值范围越大，

25、计算出的结果有效数的位数就越多，精度也就越高。 2.2.内存容量内存容量 通常是以字节为单位计算的。微机可寻址的内存容量变化范围较大。3.3.指令系统指令系统 微机的核心部件微处理器都有各自的指令系统，一般来说，指令的条数愈多，其功能就愈强。4.4.运算速度运算速度 指微处理器执行指令的速率，是微机性能的综合表现。计算速度有3种方法：一是根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度，乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的是平均速度平均速度；二是以执行时间最短的指令最短的指令的标准来计算速度；三是直接给出每条指令的实际执行时间实际执行时间和机器的主频主频。5 5iCOMPiCOMP(Intel

26、 Comparable Microprocessor Performance)是衡量Intel系列微处理器性能的综合指数。6 6SPECmark SPECmark 是SPECint(系统性能整数数值计算法)与SPECfp (系统性能浮点数值计算法)的合称。1.6.3 1.6.3 硬盘的性能指标硬盘的性能指标1.1.容量：容量：优先考虑的指标。增加容量需要提高磁头灵敏度，传统的MR(磁阻)磁头被GMR(巨磁阻)磁头替代。2.2.速度：速度：在系统中的作用仅次于CPU和内存。目前硬盘的速度有3600/4500/7200/10000RPM(转/分)等几种。提高速度有两个途径：提高主轴电机转速、增加硬

27、盘缓存容量。3.3.安全性：安全性：主要涉及到提高抗外界震动或抗瞬间冲击以及数据传输纠错两个性能。每个厂家都开发了独有的硬盘安全技术和软件。1.6.4 1.6.4 总线的性能指标总线的性能指标 是微机性能的重要指标之一。由于CPU是通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据传输，因此，在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度成为制约计算机整体性能的关键。目前常见系统总线类型有：ISA、EISA、PCI、AGP等。总线的主要性能指标包括：1 1. . 总线的带宽总线的带宽 指单位时间内总线上可传输的数据量，单位：MB/s。2 2. . 总线的位宽总线的位宽 指总线能同时传输的数据位数，

28、如通常所说的16位、32位、64位等总线宽度。在工业频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。3 3. . 总线的工作频率总线的工作频率 也称总线的时钟频率，单位：MHz。它是指用于协调总线上的各种操作的时钟频率。工作频率越高则总线带宽越宽。 三者的关系示如下：总线带宽总线带宽( (MB/s) MB/s) =(=(总线位宽总线位宽/8)/8)总线工作频率总线工作频率1.6.5 1.6.5 其它其它1.1.允许配置的外设数量允许配置的外设数量允许挂接的外设数量越多，微机的功能越强。目前有三类常用外设：人机交互设备：键盘、鼠标、显示器、打印机等；通信设备：网卡、Modem等；扫描仪2.2.软件的配置软件的配置主要指微机系统能配置何种操作系统和应用软件。20世纪70年代，只配置2KB4KB监控程序，主要用机器语言、汇编语言、Basic语言编程；20世纪80年代，配置DOS系统，可以启动远程通信软件；1992年后，Windows系统面世，促进了其他操作系统和应用软件的发展。作业作业课本P24-25共6题1.2、1.5、1.7、1.11、1.12你体会到并掌握了么？你体会到并掌握了么？n重点：重点：微处理器的组成、存储器读/写操作过程n难点：难点：微处理器的组成、微机工作过程n目的：目的：了解微机系统的组成及各部件总体结构、掌握微机执行程序的详细过程