微型计算机概述2.pptVIP

1 中北 大 学 信息与通信工程学院 电气工程系 张艳兵 微机原理及汇编语言 2 本课程的重要性 知识就是力量。电子计算机 是这种力量的放大器。而把 人类知识予以扩大的机器也 会把一切方面的力量予以扩 大。 费根鲍姆（美 ） 3 使用教材 IBM-PC汇编语言程序设计第版 沈美明、温冬婵 清华大学出版社 微型计算机技术及应用（） 戴梅萼 史嘉权 清华出版社 4 本课程主要内容：（微机原理、汇编语言、接口技术） 微机基础知识 16位和32位微处理器及指令系统 汇编语言程序设计 存储器 串行、并行接口 汇编语言程序设计和微机原理是本学期的重点 ，接口技术与单片机原理是下学期的重点内 容。 微机原理及汇编语言 5 学时安排 共72学时 其中讲课64学时，实验8学时。 6 学习方法 1、认真听讲，独立完成作业 2、积极主动，多思考，勤动手 3、参与讨论，具有合作精神 4、查阅资料，了解前沿技术 学习目的 1、学会学习的方法，掌握学习的技巧 2、打好基础，为后续课程做准备 3、 掌握计算机系统的工作原理，学会简单 电路和控制程序的设计。 7 第一章第一章 微型计算机系统概论微型计算机系统概论 1.1 微型计算机概述 1.1.1 微型计算机的发展史 1.1.2 微型计算机系统的三个层次 1.1.3 微型计算机的常用术语 1.2 微型计算机的组成和结构 1.2.1微型计算机的组成 1.2.2 微型计算机的硬件系统结构 1.3 微型计算机的工作原理 1.3.1 冯 诺依曼存储程序工作原理 1.3.2 微型计算机的工作过程 1.4 微型计算机的内信息的表示 1.4.1 进位计数制及其相互转换 1.4.2 数值数据的表示 1.4.3 非数值数据的表示 8 1.1 微型计算机概述 1.1.1 微型计算机的发展史 9 (1)前传 巴贝奇分析机采用了三个具有现代 意义的装置： 保存数据的寄存器（齿轮式装置 ）； 从寄存器取出数据进行运算的装 置，并且机器的乘法以累次加法 来实现； 控制操作顺序、选择所需处理的 数据以及输出结果的装置。 10 1939年，阿塔纳索夫提出计算机三原则： 采用二进制进行运算； 采用电子技术来实现控制和运算； 采用把计算功能和存储功能相分离的结 构。 1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电 子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。 11 1940年，美国科学家维纳阐述了自己 对现代计算机的五点设计原则 数字式而不是模拟式； 以电子元件构成并尽量减少机械装置； 采用二进制而不是十进制； 内部存放计算表； 内部存储数据。 12 冯诺依曼 计算机体系 1. 电子计算机应该以二进制为运算基础， 2. 是电子计算机应采用“存储程序”方式工作， 3. 整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控 制器、存储器、输入装置和输出装置。 13 (2)第一代计算机 埃克特为ENIAC换电子管 ENIAC 1946：ENIAC永载史册 14 长30.48米，宽1米，占地面积170平方米 ，30个操作台，约相当于10件普通房间的 大小，重达30吨，它使用18000个电子管 ，70000个电阻，10000个电容，1500个 继电器，6000多个开关，耗电量150千瓦 。 每秒执行5000次加法或400次乘法，是继 电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍 。 (而人最快的运算速度每秒仅5次加法运 算)，还能进行平方和立方运算，计算正弦 和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂 的运算。这样的速度在当时已经是人类智 慧的最高水平。 15 1959-1964：晶体管造就第二代计 算机 晶体管 肖克莱（左）、巴丁（中） 、布拉顿（右）于1956年共 同获得诺贝尔物理学奖。 16 第二代计算机TRADIC 1. 美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的 第二代计算机TRADIC。 2. 装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺 。 3. 相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增 加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。 17 IBM 7090 晶体管电脑 第二代电子计算机的典型代表 18 1964-1970：集成电路使第三代计 算机脱胎换骨 1958年，美国物理学家 基尔比和诺伊斯同时发明 集成电路。 1969年，法庭判决基尔比( 左)和诺伊斯（右）为集成 电路的共同发明人 ，他们 都因此成为微电子学创始 人并获得巴伦坦奖章。 19 IBM S/360 S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有 “360度”全方位的特点，并因此得名。开发S/360被称 为“世纪豪赌”，IBM为此投入了50亿美元的研发费用， 远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。 20 1970：第四代计算机 从1970年至今的计算机基本上都属于第四代 计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电 路。随着技术的进展，计算机开始分化成通用 大型机、巨型机、小型机和微型机。 格鲁夫、诺依斯和摩尔 Intel公司成立于1968年， Intel这个字 是由“集成/电子(Integrated Electronics)“两个英文单词组合成的， 象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾 达 21 1971：微处理器时代的开端 1971年1月，Intel公司的霍 夫研制成功世界上第一块4 位微处理器芯片Intel 4004 ，标志着第一代微处理器问 世，微处理器和微机时代从 此开始。因发明微处理器， 霍夫被英国经济学家杂 志列为“二战以来最有影响 力的7位科学家”之一。 22 4004的样子很像小虫子 4004的集成度只有2300个晶体管，功能其实比较弱， 且计算速度较慢，不能进行复杂的数学计算了。不过 比起第一台电子计算机ENIAC来说，它已经轻巧太多 太多了。而且最大的历史意义是，它是第一个通用型 处理器 23 1972年4月，霍夫等人开发出第一 个8位微处理器Intel 8008。 I 24 1973年8月，霍夫等人研制出8 位微处理器Intel 8080 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取 64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处 理速度为0.64MIPS。 25 8086 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志 着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据 总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。 26 8088：IBM PC的御用之选 1979年，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088。它 在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的8位 设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问 1MB内存地址，速度为0.33MIPS。 27 第一台IBM PC 早在1980年7月，一个负责 “跳棋计划”的13人小组秘 密来到佛罗里达州波克罗顿 镇的IBM研究发展中心，开 始开发后来被称为IBM PC 的产品。一年后的8月12日 ，IBM公司在纽约宣布第一 台IBM PC诞生 第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088，操作 系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电 脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写 “PC”成为所有个人电脑的代名词。 28 PC之父 IBM微电脑技术总设计师 埃斯特利奇（Don Estridge）负责整个跳棋 计划的执行，他的天才和 辛勤工作直接导致了IBM PC的成功，并被后人尊 称为“PC之父”。不幸的 是，4年后“PC之父”因乘 坐的班机遭台风袭击而英 年早逝，没能够亲眼目睹 他所开创的巨大辉煌。 29 Intel 80286 1983年,Intel推出6MHz的Intel 80286微处理器， 采用16位数据总线。它提供了保护模式操作功能 ，最初的批发价为360美元。 30 80386进入了32位元的世代 1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微处理器 31 Intel 486（1988） 32 Pentium（586） Intel于1993年3月推出奔腾（Pentium）处理 器 33 Pentium MMX，支持多媒体技术 的奔腾 Pentium MMX是英特尔在Pentium内核基础上改进，最大 的特点是增加了57条MMX指令。这些指令专门用来处理音视 频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。 34 Pentium Pro，面向工作站的处理 器 11月1日，Intel推出Pentium Pro微处理器，采用了一 种新的总线接口Socket 8。新的处理器对多媒体功能 提供了很好的支持。 35 Pentium II，芯片封装有着巨大的 改变 Pentium II首次引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板 上。 36 1999年1月，Intel推出奔腾III处理器 ，其身份代码可通过Internet读取。 37 2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户使用基于 Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片 ，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像 通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连 接因特网时运行多个多媒体软件。这是目前空前强大的个 人电脑处理器产品，仍然在继续销售中。 38 微处理器主要特点 39 摩尔定律 摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是 著名的摩尔定律。这 个 趋 势 一 直 延 续 至 今 。 在 26 年 的 时 间 里 ， 芯 片 上 的 晶 体 管 数 量 增 加 了 3200 多 倍 ， 从 1971 年 推 出 的 第 一 款 4004 的 2300 个 增 加 到 奔 腾 II 处 理 器 的 750 万 个 。 40 小结： 世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾 夕法尼亚大学设计制造的ENIAC 电子计算机的发展： 电子管计算机 晶体管计算机 中小规模集成电路计算机 规模超大规模集成电路计算机 电子计算机按其性能分类： 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机 41 1.1.2 微型计算机系统的三个层次 微处理器 严格讲，微处理器 CPU CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算 术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成 把CPU和一组称为寄存器（Registers）的特殊存储器集 成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中， 这个器件才被称为微处理器 42 微型计算机系统的三个层次 微型计算机 以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读 存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接 口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。 将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上， 称为单片微型计算机，简称单片机。 43 微型计算机系统的三个层次 微型计算机系统 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型 计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机 软件分为系统软件和应用软件两大类。 微型计算机系统的三个层次： 微处理器微型计算机 微型计算机系统 44 计算机的硬件和软件 微型 计算机系 统 硬件 软件 微型计算机 外围设备- 系统软件 程序设计语言 应用软件、软件包、数据库 微处理器 内存储器 输入/输出接口电路 系统总线 运算器 控制器 RAM ROM 数据总线 地址总线 控制总线 键盘/显示器、打印 机、磁带机、磁盘机 、D/A、A/D转换器 监控程序、操作系统 汇编程序 解释程序 编译程序 机器语言 汇编语言 高级语言 45 1.1.3 微型计算机的常用术语 1位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位， 它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单 位时记作b 字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储 容量的单位。字节作为单位时记作B K是kelo的缩写，1K=1024=210； M是mega的缩写，1M=1024K=220； G是Giga的缩写，1G=1024M=230； T是tera的缩写，1T=1024G=240。 46 1.1.3 微型计算机的常用术语 2字长 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数 ，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总 线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等 等。 8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处 理器。 47 1.1.3 微型计算机的常用术语 3主频 主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度， 主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从 80486DX2开始，主频=外部总线频率 倍频系数 外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz ，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快 ，因而微型计算机的运行速度也越快。 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数 。 通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标 称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。 48 1.1.3 微型计算机的常用术语 4MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示 微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常 是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均 值。 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS， 主频为400MHz的Pentium II的性能为832 MIPS 5iCOMP指数 iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制 的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算 机中的重要性来确定的，iCOMP指数包含的指标有整数数学 计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标 的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP 指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。 49 1.1.3 微型计算机的常用术语 6微处理器的生产工艺 指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的 宽度，一般以 m为单位，数值越小，生产工艺越先进， 微处理器的功耗和发热量越小。 目前微处理器的生产工艺已经达到0.18 m。 7微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，目前Pentium III的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了 3000多倍。 50 1.2 微型计算机的组成和结构 1.2.1 微型计算机的组成 51 微机主板 52 ISA 插 槽 PCI插槽 AGP 插 槽 北桥桥 芯片组组 南桥桥 芯片组组 内存插槽 CPU插槽 IDE接口 软驱软驱 接口 并口连连接器 串口连连接器 ROM BIOS 鼠标键标键 盘盘USB 接口 主板 电电源 插座 主板结构主板结构 53 550MHz IDE2 Pentium III 北桥桥 440BX AGP 南桥桥 PIIX4E CMOS & RTC USB 超级级I/O IDE1 COM1 COM2 LPT1 550MHz L1 Cache L2 Cache 处处理机总线总线 100MHz 100MHz PCI 总线总线 33MHz PCI 插槽 ISA 插槽 ISA总线总线 8MHz 内存条 ROM BIOS 显 示 器 硬盘盘 光驱驱 软驱软驱 键盘键盘 鼠标标 打印机 MODEM 66MHz 显显卡 54 主机内存 55 1.2.2 微型计算机的硬件系统结构 冯诺依曼结构： 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部 分组成 数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器 中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式 控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作， 并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有 判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程 56 微型计算机的硬件体系结构 57 微型计算机的硬件体系结构 58 1.3 微型计算机的工作原理 1.3.1 冯 诺依曼存储程序工作原理 存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计 算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指 令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程 序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然 后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存 储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行 ，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流 的串行驱动实现程序控制 59 1.3.2 微型计算机的工作过程 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、译码和执行三个基本 步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指 令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器 的运行。 60 1.3.2 微型计算机的工作过程 计算1+2=? 汇编语言程序对应的机器指令 对应的操作 MOV AL, 110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中 00000001 ADD AL, 200000100计算两个数的和，结果存放到AL中 00000010 MOV 0008, AL10100010将AL中的数传送到地址单元0008 00001001 00000000 HLT11110100停机 61 1.3.2 微型计算机的工作过程 汇编语言指令 MOV AL, 1 ADD Al, 2 MOV 0008, AL HLT 机器码 10110000 00000001 00000100 00000010 10100010 00001001 00000000 11110100 62 1.4 微型计算机的内信息的表示 1.4.1 进位计数制及其相互转换 十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位 计数制，进位计数制中用少量数码按次序排列成数位， 并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位十 进制的两个基本要素。 基数是进位计数制中所用数码的个数，基数为r的进位 计数制中需要r个数码，每个数位计满r就向高位进一， 即逢r进一。 在进位计数制表示的数中，同一数字处在不同位置表 示不同的值，它所表示的值是该数字乘以一个由它所处 位置所决定的常数，这一常数就是该数位所具有的权。 r进制数各位的权是以r为底的幂。 63 进位计数制及其相互转换 任何一个r进制数N可以表示为： 若r=10，则十进制数，其各位的权是以10为底的幂； 若r=2，则是二进制数，其各位的权是以2为底的幂； 若r=8，则是八进制数，其各位的权是以8为底的幂，八进制中 共有八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7； 若r=16，则是十六进制数，其各位的权是以16为底的幂，十六 进制中共有16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、 B、C、D、E、F。 为了明确表示一个数所采用的进位计数制，可以该数的后面加 上下标 (B)、(O)、(D)、(H)，分别表示该数为二进制、八进制 、十进制和十六进制 64 进位计数制及其相互转换 r进制数转换为十进制数按照公式展开求和 例1. 分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示 十进制数转换为r进制数（降幂法和除法） 整数部分和小数部分分别进行转换 65 整数部分的转换步骤： 把r写成十进制数； 将N除以r，记录商和余数，并用r进制表示余数，这余数便是用r 进制表示的数的最低位数字； 把上次的商进行中所述除以r取余的运算，用r进制表示余数；重 复这种运算直到商为0，这时的余数即为十进制数N用r进制表示时的 最高位数字。 十进制数转换为r进制数 例2. 把十进制数103用二进制表示（1100111） 例3. 把十进制数506用十六进制表示（1FA） 66 小数部分的转换步骤： 把r写成十进制数； 将N乘以r，记录积的整数部分和小数部分，并用r进制表示整数部 分，该整数即为转换后r进制小数的最高位； 把上次积的小数部分进行中所述乘以r取整的运算，用r进制表示 积的整数部分；重复这种运算直到积的小数部分为0，或者达到所要 求的位数，这时的整数部分即为十进制数N转换成r进制小数的最低 位。 十进制数转换为r进制数 例4. 把十进制0.8125用二进制表示（0.1101） 67 二进制与八进制、十六进制的相互转换 从二进制转换成十六进制时，从小数点位置开始，整数部分 向左，小数部分向右，每四位二进制数为一组用一位十六进 制的数字来表示，不足四位的用0补足，就是相应十六进制的 表示。 从二进制转换成八进制时，从小数点位置开始，整数部分向 左，小数部分向右，每三位二进制数为一组用一位八进制的 数字来表示，不足三位的用0补足，就是相应八进制的表示。 例5. 把二进制1011011010111.11101用十六进制表示 （16D7.E8） 例6. 把八进制数62.31用二进制表示（110010.011001） 68 1.4.2 数值数据的表示 1、符号数的表示 把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数 ，符号位为1表示负数 这种在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了的数， 称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。对于 符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。 数X的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。 最高位表示符号，数值位用二进制绝对值表示的方法，称 为原码表示法 一个负