微機原理1：微型計算機系統(tǒng)概述

微型計算機原理與接口技術(shù)史衛(wèi)亞辦公室：6412Cellphonemail：swymail@126.comPulicEmail：swy_ppt@126.com

口令:swy1234561課程目標(biāo)《微機原理與接口技術(shù)》是學(xué)習(xí)和掌握微機硬件知識、匯編語言和利用他們進(jìn)行硬件設(shè)計的主干課程。包括如下三方面的內(nèi)容：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計微型計算機接口技術(shù)通過學(xué)習(xí)，建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力，達(dá)到：會看芯片說明會看時序圖會基本應(yīng)用普及硬件知識。為以后從事軟、硬件工作打好基礎(chǔ)2與計算機組成原理的區(qū)別計算機組成原理是讓你從整體上了解計算機是怎么工作的，內(nèi)容上側(cè)重于計算機的幾大組成（運算器，控制器，存儲器，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備與總線結(jié)構(gòu)，計算機的儲存體系是如何的，還有就是一是I/O接口的基本概念。3與計算機組成原理的區(qū)別計算機組成原理是關(guān)于一般意義上的單機系統(tǒng)（一個處理器）各組成部件的實現(xiàn)方法。微機原理與應(yīng)用則是關(guān)于IntelX86系列微型計算機的工作原理、指令系統(tǒng)、接口電路的構(gòu)成4與計算機組成原理的區(qū)別

“計算機組成原理”對處理器的指令系統(tǒng)并不會展開詳述，更不會講解匯編語言程序設(shè)計“微機原理”更側(cè)重在機器指令層面描述計算機的組成和運行機理。5與計算機組成原理的區(qū)別計算機組成原理主要是介紹計算機的基本硬件及原理。重在各個部分的連接。相對寬泛一些。微機原理接口技術(shù)比計算機組成原理要具體些，一般是以8086/8088為例，介紹8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)，其中最重要的就是匯編語言和芯片；掌握了匯編語言,這幾塊芯片的編程基本上就差不多了。6學(xué)習(xí)方法很重要復(fù)習(xí)并掌握先修課的有關(guān)內(nèi)容課堂：聽講與理解、適當(dāng)筆記課后：認(rèn)真讀書、完成作業(yè)實驗：充分準(zhǔn)備、勇于實踐總成績＝考試成績＋實驗成績＋平時成績60%+30%+10%學(xué)習(xí)

方法7上機時間：周一下午第1大節(jié)（2:30—4：00）第6周----第9周地點6313，6320匯編語言上機第10周----第15周6320，硬件上機8學(xué)習(xí)資源要利用教材：錢曉捷,陳濤.16/32位微型計算機原理及接口技術(shù)（第二版）.機械工業(yè)出版社，2005.戴梅萼，微型計算機技術(shù)及應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，1991其它：周明德，白中英，…學(xué)習(xí)

資源9教學(xué)內(nèi)容簡介第一部分微機概述

1、微型計算機的發(fā)展。2、微型計算機的組成和層次結(jié)構(gòu)。3、微型計算機的工作原理。

4、常用術(shù)語。

5、數(shù)制及轉(zhuǎn)換,原碼,補碼,BCD碼。（已講）10第二部分8086/8088微處理器

一、8086/8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、8086/8088的指令詳解（尋址方式與指令類型已學(xué)過）三、8086/8088的引腳及工作摸式(外部特性）四、時序與總線周期五、堆棧11第三部分匯編語言程序設(shè)計

注意：此部分內(nèi)容貫穿全書第四部分存儲器

（主要介紹CPU與存儲器的連接，即芯片級的應(yīng)用）12第五部分基本輸入輸出接口

側(cè)重講解I/O接口的結(jié)構(gòu)、尋址及CPU和I/O設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的方式。第六部分可編程接口芯片

8259、8253、8255實驗部分10個實驗(4個匯編語言實驗，6個硬件實驗)

復(fù)習(xí)2學(xué)時13第一章微型計算機系統(tǒng)概述141.1微型計算機發(fā)展世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的ENIAC

1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator），裝有18,000個電子管，總重量達(dá)30噸，運算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2

，造價100萬美元。

采用十進(jìn)制計數(shù)方式，編程采用接插線進(jìn)行。不過它還沒有引入CPU的概念。最初的目的是為軍隊編制各種武器的彈道表。1516后來，馮·諾依曼（VonNeumann）提出了采用二進(jìn)制計算、儲存程序并在程序控制下自動執(zhí)行一個任務(wù)的思想；還提出新機器應(yīng)由運算部件、控制部件、存儲部件、輸入部件和輸出部件五大部件（部分）組成?！榜T·諾依曼”機1949年，劍橋大學(xué)的M.V.Wilkes等人在EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)機上實現(xiàn)。17一、電子計算機的發(fā)展與分類電子計算機的發(fā)展（四代）：電子管計算機（1946-1956）晶體管計算機（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）大、超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）微型計算機是第四代計算機的典型代表18近年來涌現(xiàn)出功能越來越強大的通用微處理器(如單片機）、專用微處理器（如DSP）、片上系統(tǒng)（SoC：SystemonChip）、ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）、FPGA/CPLD（Field-ProgrammableGateArray/ComplexProgrammableLogicDevice）、ARM（AdvancedRISCMachines）等，使計算機的應(yīng)用深度和廣度越來越高。(reducedinstructionsetcomputer，精簡指令集計算機)19MCS-51單片機模塊圖在一片集成電路芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分。20電子計算機按其性能分類：大型計算機中型計算機小型計算機微型計算機21微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的微處理器的集成度每隔18-24個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍

------摩爾定律GordonE.Moore，Intel公司的創(chuàng)始人之一二、微型計算機的發(fā)展芯片上集成的晶體管的密度叫作集成度22微型計算機

以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件、以微處理器為核心所構(gòu)造的計算機系統(tǒng)。微處理器

嚴(yán)格講，微處理器≠CPUCPU（CentralProcessingUnit）由算術(shù)邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要部分組成，實現(xiàn)運算功能和控制功能微處理器除算術(shù)邏輯部件和控制部件以外，還包含一組寄存器（Registers）以及高速緩沖存儲器（Cache）等特殊的存儲器。將這些部件集成在一片大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路封裝之中，被稱為微處理器23四位機和低檔八位機1971年：Intel4004，是世界上第一片單片微處理器4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié),指令系統(tǒng)包括45條指令I(lǐng)ntel

4004微型計算機發(fā)展史：第一代241972年：Intel8008，第一片8位微處理器。

采用了10m生產(chǎn)工藝，集成度為3500個晶體管，工作頻率為500KHz，基本指令48條。Intel8008251974年：Intel8080采用了6m生產(chǎn)工藝，集成度為6000個晶體管，主頻為2MHz。1975年4月，MITS（三菱）公司推出了以8080為CPU的世界上第一臺個人計算機Altair8800。Altair8800的BASIC語言解釋器是BillGates編寫的1976年：Intel8085——Intel公司生產(chǎn)的最后一種8位通用微處理器，8085的工作頻率提高到5MHz，指令系統(tǒng)的指令數(shù)上升到246條。1977年：Z80，Zilog公司，8位機，優(yōu)于8080，8085第二代：中高檔8位微機8085268086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工藝，集成了29,000個晶體管，工作頻率為4.77MHz。它的寄存器和數(shù)據(jù)總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空間達(dá)1MB。同時，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大的改進(jìn)，采用了流水線結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了6字節(jié)的指令預(yù)取隊列第三代：16位微處理器芯片271979年—8088

除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位數(shù)據(jù)總線是為了利用當(dāng)時的8位設(shè)備控制芯片。由于8088內(nèi)部支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位，故8088稱為準(zhǔn)16位微處理器。1981年8月，IBM公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微型計算機IBM5150PersonalComputer，即著名的IBMPC機。1982，IBM推出PC/XT（ExtendedTechnology）機80882880286（1982年-1984年）采用1.5m工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達(dá)到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機IBMPC/AT（AdvancedTechnology），并制定了一個新的開放系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)ISA—16位、高性能的I/O擴展總線。2980年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。3080386（1985年-1988年）第一個實用的32位微處理器，采用了1.5m工藝，集成了27.5萬個晶體管，工作頻率達(dá)到16MHz。通過32位的地址總線，80386的可尋址空間達(dá)到4GB，每秒可執(zhí)行500萬條指令。第四代：32位微處理器芯片3180486（1989年-1992年）采用1m工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為25MHz。80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內(nèi)完成，而不是原來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。32Pentium:奔騰（1993年-1997年）Pentium處理器的發(fā)展分成三代第一代Pentium處理器（以P5代稱，1993年）采用0.8m工藝技術(shù)，集成了310萬個晶體管，工作頻率為60MHz/66MHz。第二代Pentium處理器（1994年）采用0.6m工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。33第三代PentiumMMX（多能奔騰，1997年）增加了57條多媒體指令（多媒體擴展指令系統(tǒng)）在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC（reducedinstructionsetcomputer）技術(shù)。34接著有PentiumPro(高能奔騰）、PentiumII、PentiumIII、PentiumIV

、PentiumD……還有同級別但經(jīng)濟的Celeron（賽揚）、Xeon（至強）……AMD公司作為競爭著，也推出了各級別的產(chǎn)品，如K5、K6、K6-2、K6-3、K7、Duron、Athlon等微處理器3536Itanium（安騰），2001年5月發(fā)布采用0.18微米工藝制造，工作頻率為733MHz/800MHz，Itanium處理器的內(nèi)部/外部數(shù)據(jù)總線及地址總線都是64位第五代：64位微處理器芯片AMD的Athlon6437什么叫雙核CPU?雙核處理器即是基于單個半導(dǎo)體的一個處理器上擁有兩個一樣功能的處理器核心。雙核心處理器技術(shù)的引入是提高處理器性能的有效方法。因為處理器實際性能是處理器在每個時鐘周期內(nèi)所能處理器指令數(shù)的總量，因此增加一個內(nèi)核，處理器每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。如PentiumD，90nm工藝38Intel酷睿i5750(盒)

45nm工藝，四核，主頻2660MHzAMD羿龍IIX4965

45nm工藝，四核，主頻3400MHz3940X86系列微型計算機的發(fā)展小結(jié)代字長型號工藝集成度(萬個)主頻速度(MIPS)1168086334.77-10<1216802861.513.46-161-2332803861.527.516-336-1243280486112025-6620-40532P50.8-0.632060-133100-200632P60.18-0.6550-950133-2G>300芯片時間時鐘DBR(位)AB尋址空間K個數(shù)(每片)技術(shù)備注808678年4.771616201MB2900個引入實模式808879年4.77816201MB2900個第一用于2BMP8028681年616162416MB13萬個引入保護模式80386DX85年12.53232324096MB25萬個多任務(wù)8086模式80386SX88年1616322416MB25萬個8048689年203232324096125萬個內(nèi)含協(xié)處理器和8KB緩存奔騰93年603232324096310萬個分支預(yù)測16K緩存流水線和超標(biāo)量結(jié)構(gòu)高能95年1503232324096550萬個指令優(yōu)化調(diào)度執(zhí)行奔騰

P797年30064643240961400萬個超流指令體系結(jié)41性能功能197219741976197819801982198519891993

19954004800880808085808680286803868048680586808880186804880228049805180968098Intel公司微處理器單片機奔騰IntelX86系列微型計算機的發(fā)展42微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網(wǎng)絡(luò)化─網(wǎng)絡(luò)計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、故障分散、資源共享)IntelX86系列微型計算機的發(fā)展431.2微型計算機的組成與體系結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的三個層次：微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件微處理器存儲器I/O接口總線硬件軟件微型計算機系統(tǒng)外設(shè)ALU寄存器控制部件鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機、掃描儀微型計算機441.2.1微型計算機的硬件系統(tǒng)

通用的微型計算機硬件系統(tǒng)是由中央處理器（CPU或MPU）、存儲器、I/O（輸入/輸出）設(shè)備及其接口電路組成（如圖所示）。

微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖45中央處理器

中央處理器（機）簡稱CPU，是用來實現(xiàn)運算和控制功能的部件。由運算器、控制器和寄存器三部分組成。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與其他部件之間進(jìn)行聯(lián)系。在PC系列微機中所使用的CPU主要有Intel系列、AMD系列、CY系列。

運算器（ALU）：主要完成算術(shù)運算和邏輯運算控制器：分析命令并指揮協(xié)調(diào)各部件統(tǒng)一行動完成命令規(guī)定的各種動作或操作的部件，主要有指令指針寄存器（IP）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）和控制信號發(fā)生器組成寄存器：存放原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果以及程序的部件46存儲器存儲器是指微型計算機的內(nèi)存儲器。有隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

ROM中的信息一般只能讀不能寫，其容量一般為幾KB到幾MB。如BIOS。而RAM則既可以讀出信息，又可以寫入信息。通常作為微機系統(tǒng)的主存儲器，其容量從早期的幾十KB到現(xiàn)在的高達(dá)幾GB。47I/O設(shè)備及其接口電路

I/O設(shè)備的種類很多，有電子式、電磁式、機械式等，I/O接口電路最基本的接口電路有8255可編程并行接口電路、8253可編程定時/計數(shù)器、8251可編程串行接口電路、8237直接存儲器存取電路（DMA）、82380多功能接口電路以及8259中斷控制器電路等。48總線是指傳遞信息的一組公用導(dǎo)線總線是傳送信息的公共通道微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)功能部件

總線是計算機的部件與部件之間傳輸信息的公共通路，它能分時地發(fā)送和接收各部件的信息?？偩€不僅僅是一組傳輸線，它還包括與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的控制邏輯。所以，在一個計算機系統(tǒng)中，總線應(yīng)被看成一個獨立的部件?？偩€49總線按其傳輸?shù)男盘柗譃椋?．?dāng)?shù)據(jù)總線DB（DataBus）數(shù)據(jù)總線用于CPU與其他部件之間傳送信息，具有三態(tài)控制功能，且是雙向的。2．地址總線AB（AddressBus）地址總線用于傳送CPU要訪問的存儲單元或I/O接口的地址信號。單向的3．控制總線CB（ControlBus）控制總線是連接CPU的控制部件和內(nèi)存、I/O設(shè)備等，用來控制內(nèi)存和I/O設(shè)備的全部工作。雙向的50總線按其作用范圍又分為：（1）內(nèi)部總線：由CPU送出的地址、數(shù)據(jù)、控制信號稱為內(nèi)部總線。（2）系統(tǒng)總線：由于負(fù)載和控制的需要，內(nèi)部總線信號通過總線驅(qū)動器、地址鎖存器或數(shù)據(jù)緩沖器以及總線控制器后，所形成的新的信號線稱為系統(tǒng)總線。（3）外部總線：是微機系統(tǒng)相互之間或微機系統(tǒng)與其他電子系統(tǒng)之間實現(xiàn)通訊連接的總線。511.2.2

IBMPC系列機系統(tǒng)16/32位IBMPC系列機是現(xiàn)代微機發(fā)展的基礎(chǔ)8088CPUIBMPC/AT機IBMPC/XT機52GA-586主板模塊圖538088微處理器8087協(xié)處理器8288總線控制器I/O通道8259中斷控制器隨機存儲器RAM只讀存儲器ROM8253定時控制器8237DMA控制器8255并行接口控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址鎖存器數(shù)據(jù)收發(fā)器揚聲器接口8284時鐘發(fā)生器鍵盤接口系統(tǒng)配置開關(guān)主機板組成54主板構(gòu)成8088是8086的簡化版本：運算器和寄存器位數(shù)，地址位數(shù)；尋址大??；工作頻率；時鐘周期系統(tǒng)控制芯片在第8章~~~第13章介紹存儲空間分配：基本RAM區(qū)，顯示RAM區(qū)，擴展ROM取，基本ROM區(qū)IO空間分配：低16位地址線訪問，64k個端口551.3微型計算機的工作原理1.3.1馮諾依曼存儲程序工作原理數(shù)據(jù)和程序以二進(jìn)制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進(jìn)制形式控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（即程序）工作，并由一個程序計數(shù)器（PC）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰Γ軌蚋鶕?jù)計算結(jié)果選擇不同的動作流程存儲程序工作原理是指把程序存儲在計算機內(nèi)，使計算機能像快速存取數(shù)據(jù)一樣地快速存取組成程序的指令。為實現(xiàn)控制器自動連續(xù)地執(zhí)行程序，必須先把程序和數(shù)據(jù)送到具有記憶功能的存儲器中保存起來，然后給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據(jù)存儲程序中的指令順序周而復(fù)始地取指令、譯碼、執(zhí)行，直到完成全部指令操作為止?！俺绦虼鎯Γ绦蚩刂啤?/p>

——

馮.諾依曼原理561.3.2微型計算機的工作過程微型計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成，因此，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條地從存儲器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，微型計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令時才結(jié)束機器的運行。輸入設(shè)備輸出設(shè)備運算器存儲器控制器取指令，PC值加1停機?譯碼并執(zhí)行結(jié)束YN

571.4微型計算機的常用術(shù)語和指標(biāo)1．位和字節(jié)位（bit）是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值只能為0或1的一個二進(jìn)制數(shù)值位。位作為單位時記作b字節(jié)（byte）由8個位二進(jìn)制位組成，通常用作計算存儲容量的單位。字節(jié)作為單位時記作BK是kelo的縮寫，1K=1024=210；M是mega的縮寫，1M=1024K=220；G是giga的縮寫，1G=1024M=230；T是tera的縮寫，1T=1024G=240，P是Peta的縮寫，1P=1024T=250

。582．字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位和32位等等。8088稱為準(zhǔn)16位微處理器，而80386SX稱為準(zhǔn)32位微處理器。593．主頻主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻越高表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從80486DX2開始，主頻=外部總線頻率倍頻系數(shù)外部總線頻率通常簡稱為外頻，它的單位也是MHz，外頻越高說明微處理器與系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)交換的速度越快，因而微型計算機的運行速度也越快。倍頻系數(shù)是微處理器的主頻與外頻之間的相對比例系數(shù)通過提高外頻或倍