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第一章 微型计算机基础 任课教师：杨利平 E-mail: * 计算机由哪些部分组成？ 第一章 微型计算机基础 教学目标 掌握微机的组成和各部分的主要功能 掌握微机的总线结构以及简单工作过程 了解现代先进计算机技术和微机的主要性能指标 主要教学内容 微机系统概述 微机的组成 微机的硬件结构 微机的运算基础 微机的简单工作过程 微机中的先进计算机技术 1.1 微机系统概述 1. 微机系统的三个层次 微机系统中从局部到全局存在三个层次，包括： 微 处理器，微机和微机系统。 微处理器 是微机的核心部件 包括算术逻辑部件ALU、控制部件CU和寄存器组三个基本部分 微机 以微处理器为核心，加上大规模集成电路制作的存储器、输入/ 输出接口和系统总线组成 微机系统 以微机为核心，配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制 微机工作的软件构成的完整的计算系统 1.1 微机系统概述 2. 微机系统的主要性能指标 字长 是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数 计算机字长决定于其通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数 据总线的宽度 存储容量 是衡量计算机存储二进制信息量大小的重要指标 运算速度 每秒钟所能执行的指令条数 外设的扩展能力 软件配置情况 1.2 微型计算机的组成 微型计算机由软件和硬件两大部分组成 硬件构成微机的物理实体或物理装置 微处理器 存储器 总线接口电路 外部设备 软件微机所使用的各种程序的集合 系统软件（操作系统、语言处理程序） 应用软件（用户为解决某一实际问题而编写的程序） 1.2 微型计算机的组成 1. 微机的硬件组成 微型计算机的工作原理为存储程序控制原理 各部分的主要功能 存储器：存储程序和数据； 控制器：读取、解释并执行指令 运算器：完成算术和逻辑运算； 输入输出设备：完成程序和数据的输入输出任务 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 合称为中央处理单元 （微处理器） 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 (1)存储器 计算机中存储程序和数据的部件 存储器由一个个内存单元组成 每个内存单元存放一个字节的二进制信息 微机给每个单元规定不同的地址来管理内存 内存单元的地址和存储内容是两个不同的概念 内存操作 读操作将内存单元内容读入CPU 写操作将CPU内部信息送到内容单元保存 内存分类 随机存取存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 地址内容 00000H10110010 00001H11000111 00101010 F0000H00010101 FFFFFH11000101 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 (2)微处理器 微处理器是微机的运算和控制指挥中心。不同的微处理器， 其性能、内部结构、硬件配置和指令系统不同，但基本组成是相 同的，由运算器、控制器和寄存器阵列三个主要部件组层。 地址缓冲器 数据缓冲器 指令寄存器(IR) 指令译码器(ID) 操作控制器(OC) 通用寄存器组 堆栈指针(SP) 程序计数器(PC) 寄存 器组 累加器(ACC) 累加锁存器 暂存器 标志寄存器(FR) 算术逻辑单元(ALU) 控制总线(CB) 控制器 运 算 器 内部总线 地址总线(AB) 数据总线(DB) 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 微处理器(运算器) 运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器(ACC)、 暂存器、算术逻辑单元(ALU)、标志寄存器(FR)和一些逻辑电路组 成。 累加器(ACC)的两个功能 寄存ALU运算前数据 存放ALU运算后结果 暂存器 存放运算前数据 ALU 完成算术逻辑运算 标志寄存器(FR) 寄存运算结果的状态或特征 累加器(ACC) 累加锁存器 暂存器 标志寄存器(FR) 算术逻辑单元(ALU) 控制 信号 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 标志寄存器(FR) 标志寄存器(FR)寄存了ALU运算结果的某些重要状态或特征 。每种状态或特征用一位标志。由于ALU的运算结果存放在累加 器ACC中，因而FR也反映了累加器ACC中存放数据的特征。 主要标志位的含义： CF进位标志位AF辅助进位标志位 ZF零标志位PF奇偶标志位 SF符号标志位OF溢出标志位 TF陷阱标志位IF中断标志位 DF方向标志位 OF DF IF TF SF ZFAFPFCF 1502467891011 FLAGS 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 微处理器(控制器) 控制器是执行指令部件，包括取指令、分析指令和执行指令 ，由指令寄存器、指令译码器和定时控制电路等组成。 指令寄存器(IR) 指令译码器(ID) 操作控制器(OC) 控制总线(CB) 指令 控制信号 控制器根据用户预先编好的 程序，依次从存储器中取出各条 指令，放在指令寄存器IR中，通 过指令译码确定应该进行什么操 作，然后通过操作控制器OC， 按确定的时序，向相应的部件发 出控制信号。 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 微处理器(寄存器阵列) 寄存器阵列实际上是微处理器内部的RAM，受芯片面积和集 成度限制，数量不可能很多。主要包括通用寄存器(供用户使用)和 专用寄存器(如SP、PC等)两类。通用寄存器因微处理器的不同而 不同。 程序计数器PC 存放下一条要执行指令的地址码。 开始时，PC中的地址码为程序第一条 指令所在的地址编号，在顺序执行执行的情况下，每取出指令的 一个字节，PC的内容自动加1，从存储器中取完一条指令的所有 字节后，PC中存放的是下一条指令的首地址。 堆栈指针SP 用于存放堆栈栈顶地址。初值由程序设定。 通用寄存器组 堆栈指针(SP) 程序计数器(PC) 寄存 器组 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 堆栈 堆栈是一块设在内存中按先进后出(First In Last Out, FILO)原 则组织的存储区域，用于存放数据。数据存入栈区称为压入 (PUSH)，从栈区中取出数据称为弹出(POP)。 SP用于栈区自动管理 压入与弹出操作均在栈顶进行 栈区编制有两种方式 向下增长型 向上浮动型 SPN-K N-K+1 N-1 N 堆栈区 (K个单元) 堆栈的先进后出操作方式给子程序 调用和中断处理，特别是多重调用和中 断处理带来很大的方便。 1.2 微型计算机的组成 2. 微机各组成部分的基本结构 (3)输入输出设备 I/O设备是微机系统的重要组成部分，微机通过它与外部交换 信息，完成实际工作任务。常用输入设备有键盘、鼠标器、扫描 仪等。常用输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁带、磁盘 、光盘既是输入设备，又是输出设备。 I/O设备种类繁多，结构、原理各异。与CPU相比，I/O设备的 工作速度低，处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不可能直接 兼容。因此，微机与I/O设备间的连接与信息交换不能直接进行， 而必须设计“接口电路”作为二者之间的桥梁。 1.2 微型计算机的组成 3. 微机的软件组成 计算机的软件包含系统软件和应用软件两部分 见教材P8(自学). 1.3 微型计算机的硬件结构 从体系结构来看，目前的各种微机系统采用的 都是经典的冯诺依曼结构，即组成微机的各个部分 通过总线连在一起组成系统。该结构的特点是： 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形式不加区分地存放在存储器 中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式 控制器根据存放在存储器中的指令序列工作 采用总线结构，可使微机系统构造比较方便，并且具有更大的 灵活性和更好的可扩展性、可维护性。 1.3 微型计算机的硬件结构 1. 微机的三总线结构 总线： 一组用于微机中各组成部分传输信息而共同使用 的信号线。 总线的分类 按传输信息方向分 只能单方向传输信息的单向总线 可以双向传送信息的双向总线 按传输的信息类别分 数据总线（DB）传输数据信息（双向总线） 地址总线（AB）传输CPU发出的地址信息（单向总线） 控制总线（CB）传输控制信号、时序信号和状态信息等 1.3 微型计算机的硬件结构 1. 微机的三总线结构 微处理器 I/O接口外设RAMROM 存储器 AB DB CB 1.3 微型计算机的硬件结构 2. 微机的硬件结构 根据总线组织方式，微型计算机的硬件结构可分为 单总线、双总线和多层总线三种结构 微 处 理 器 存 储 器 I/O 接口 外 设 总线 单总线结构 微 处 理 器 存 储 器 I/O 接口 外 设 存储器总线 I/O总线 双总线结构 1.3 微型计算机的硬件结构 2. 微机的硬件结构 微处理器 局部I/O 局部存储器 总线控 制逻辑 缓冲器 DMA控制器 全局存储器 全局I/O 局部总线 全局总线 多层总线结构 1.4 微机的运算基础 1. 计算机中数的表示方法 (1) 机器数和真值 在计算机中，无论数值还是数的符号，都只能用0，1来表 示。通常专门用一个数的最高位作为符号位：0表示正数，1表示 负数。 在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了的数称为机器 数。机器数所表示的真实值叫真值。 举例： 机器数10110101表示的真值为-53(十进制)或-0110101(二进制) 机器数00101010表示的真值为+42(十进制)或+0101010(二进制) 1.4 微机的运算基础 1. 计算机中数的表示方法 (2) 有符号数的机器数表示方法 对于有符号数，计算机中机器数常用的表示方法有原码、反 码和补码三种。 原码：最高位表示符号位，数值位用二进制绝对值表示。 反码：正数的反码与原码相同，负数的反码由原码除符号位 后各位取反得到。 补码：正数的补码与原码相同，负数的补码由原码除符号位 后各位取反加得到。 数的原码和反码都有两种形式，但补码只有一个。 由于补码的加减法运算简单，减法运算可变为加法运算，因 此，目前的计算机以补码机居多。 1.4 微机的运算基础 1. 计算机中数的表示方法 (3) 无符号数的机器数表示 无符号数在计算机中通常有三种表示方法：(1)位数不等的 二进制码；(2)BCD码；(3)ASCII码。 无符号数的BCD码表示 压缩BCD码：每位BCD码用4位二进制表示 非压缩BCD码：每位BCD码用一个字节表示 无符号数的ASCII码表示 ASCII码表示与非压缩BCD码表示很相似，低4位完全 相同，都是用00001001表示09；差别仅在高4位，ASCII 码不是0000，而是0011。 ASCII码一般在计算机的输入、输出设备中使用，而二进制 码和BCD码则在运算、处理过程中使用。因此，在实际使用时 需要在这几种机器码之间进行转换。 1.4 微机的运算基础 2. 计算机的运算 计算机中可进行两种运算：算术运算和逻辑运算。 算术运算时，参与运算的二进制数码表示的是数值的大 小，逻辑运算时，参与运算的二进制数码表示的是逻辑 状态。 逻辑运算有与、或、非和移位等。 算术运算有加、减、乘、除、乘方、开方等。从硬 件的角度看，各种算术运算的基础是加、减运算。对于 普遍使用的补码机，减法可以转化为加法。因此，加法 运算是算术运算的基础。 1.4 微机的运算基础 2. 计算机的运算 (1) 补码运算与溢出判断 补码的加减法运算规则可表示为： XY补 = X补 + Y补 举例1： X=33， Y=45， 求X+Y、 X-Y。 举例2： X=98， Y=45， 求X+Y。 1.4 微机的运算基础 2. 计算机的运算 (1) 补码运算与溢出判断 运算结果超出补码表示的数值范围，造成运算结果出错的现象 称为溢出 微机中采用“双进位位”法进行判断运算结果是否溢出 f 数值位 累加器A C 进位位 C2 C1 1.4 微机的运算基础 2. 计算机的运算 (2) BCD码运算及其十进制调整 进行BCD码加减法运算时，每组4位二进制码表示的十进制 数应遵循“逢十进一”和“借一当十”的规则。但由于计算机只 能将数作为二进制数来处理，即每4位之间按“逢16进一”和“ 借一当16”来处理，所以当BCD码运算出现进位或借位时，结 果将出错。 举例： 求BCD码的8+5和12-8。 为了得到正确的BCD码运算结果，必须对二进制运算结果 进行调整，使之符合十进制运算的进位/借位规则，这种调整称 为十进制调整。 1.4 微机的运算基础 2. 计算机的运算 (2) BCD码运算及其十进制调整 十进制加法调整规则 若两个一位BCD数相加结果大于9，则作加6修正 若两个BCD数相加结果在本为不大于9，但产生了进位，也 应在本位作加6修正 十进制减法调整规则 两个BCD数相减，若出现本位差超过9，或向高位有借位， 则应在本位作减6修正 1.5 微机的简单工作过程 1. 微机的简单工作过程 微机工作的本质是执行程序的过程 所谓程序是为解决某一问题而编写在一起的指令序列 所谓指令是指规定计算机执行特定操作的命令 指令的执行包括取指令、分析指令和执行指令三个步骤 程序的执行就是周而复始地完成取指令、分析指令、执 行指令的操作，直至遇到停机指令 1.5 微机的简单工作过程 2. 工作过程举例 计算机实现5CH+2EH，如结果无溢出，将结果存放到 内存0200H单元后停机；如有溢出，则直接停机 程序如下： ORG1000H对应机器码 1：MOVA，5CH；B0H 5CH 2：ADDA，2EH；04H 2EH 3：JO100AH；70H 0AH 4：MOV(0200H),A; 10H A2H 00H 02H 5: HLT ; F4H 1.5 微机的简单工作过程 1.6 微机中的先进计算机技术 1. 中断技术 计算机暂停（或称为挂起）正在执行的程序转去处理随 机事件，随机事件处理完毕后，再恢复执行原来的程序 的过程称为中断 发出中断请求的来源称为中断源。按来源不同，中断被 分为外部中断和内部中断 外部中断（硬中断）通常是由计算机外部硬件设备引起 ，如键盘中断、打印机中断等 内部中断（软中断）是微处理器执行专门的中断指令或 指令执行过程中产生异常引起的 1.6 微机中的先进计算机技术 1. 中断技术 中断嵌套过程 主程序 STI IR3中断处理 保护现场 STI IR1中断处理 保护现场 STI NMI中断处理 保护现场 恢复现场 IRET 恢复现场 IRET 恢复现场 IRET 恢复现场 IRET 保护现场 STI IR4中断处理 1.6 微机中的先进计算机技术 2.流水线技术 流水线（Pipeline）技术是一种将一条指令的执行过 程分解为多个步骤，并让几条指令的不同步骤操作在时 间上重叠，从而实现几条指令并行处理，提高程序运行 速度的技术。每一个步骤均由一个独立的电路来完成， 若干个完成不同操作步骤的电路组成了指令流水线。 t1t0t2t3t4 取指令1分析指令1执行指令1 取指令2分析指令2执行指令2 取指令3分析指令3执行指令3 1.6 微机中的先进计算机技术 2. 流水线技术 流水线技术并没有加速单条指令的执行，每条指令的操 作步骤一步也不少，只是多条指令的不同操作步骤同时 执行，总体上加快了指令流速度，缩短了程序执行时间 16位以上的微处理器基本上都采用了流水线技术。 80486使用了6级流水线结构 流水线深度在56级以上时，称为超流水线结构 有的微处理器在片内集成了两条或多条流水线，平均一 个时钟周期可执行一条以上的指令，这种流水线技术被 称为超标量设计技术 1.6 微机中的先进计算机技术 3.乱序执行技术 乱序执行（Out of Order Execution）技术就是允 许指令按照不同于程序中指定的顺序发送给执行部件， 从而加速程序执行过程的一种最新技术。它本质上是按 数据流驱动原理工作的（传统的计算机都是按指令流驱 动原理工作的），根据操作数是否准备好来决定一条指 令是否立即执行。不能立即执行的指令先搁置一边，而 把能立即执行的后续指令提前执行。 乱序执行技术需要对指令的顺序进行动态重排。 1.6 微机中的先进计算机技术 4. 推测执行技术 推测执行技术是为了充分发挥流水线与并行执行技 术等而采用的一种先进计算机技术。其核心是微处理器 在取指阶段能预先执行并判断所取指令的下一条指令最 有可能的位置，即取指部件具有部分指令执行功能，做 取指的分支预测，决定哪一条指令是最有可能将要执行 的指令。 1.6 微机中的先进计算机技术 5. 高速缓冲存储器技术 在32位微机中，为了加快处理速度，在