微型计算机基础知识.ppt

1 1 3微型计算机的结构和工作原理 2 主要内容 微型计算机常用的术语微型计算机的基本结构计算机的工作原理 3 1 3 1微型计算机常用的术语 bit1Mb 1024 1024bit 220bit1Gb 230bit 1024Mb1Tb 240bit 1024GbByte1Byte 8bit 1KB 1024ByteWord 表示字长 有1bit 4bit 8bit 16bit等一般情况下为2Byte 16bit 指令 规定计算机进行某种操作的命令程序 指令的有序集合指令系统 全部指令 4 1 3 2微型计算机的基本结构 掌握 微机系统的基本组成微型机的结构 5 一 微型计算机系统组成 微型计算机系统的三个层次微处理器 Microprocessor 微型计算机 Microcomputer 微型计算机系统 MicrocomputerSystem 6 微型计算机系统的三个层次 7 核心级 微处理器 微处理器简称CPU 是计算机的核心 主要包括 运算器ALU控制器CU寄存器组Registers实现运算功能和控制功能 8 硬件系统级 微型计算机 以微处理器为核心 配上只读存储器 ROM 读写存储器 RAM 输入 输出 I O 接口电路及系统总线等部件 就构成了微型计算机 将CPU 存储器 I O接口 总线等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 9 系统级 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 10 二 微型计算机的基本结构1 微型计算机的硬件系统 微处理器 CPU 存储器输入 输出接口总线 11 微型计算机的概念结构 存储器 I O接口 输入设备 I O接口 地址总线AB 输出设备 CPU 数据总线DB 控制总线CB I O接口 12 主机硬件系统 CPU 计算机的控制中心 提供运算 判断能力构成 ALU CU Registers p29 例 Intel8088 PIII P4AMDK7CPU的位数 4位 8位 16位 32位是指一次能处理的数据的位数 13 主机硬件系统 存储器 存放程序和数据的记忆装置用途 存放程序和要操作的各类信息 数据 文字 图像 内存 ROM RAM特点 随机存取 速度快 容量小外存 磁盘 光盘 半导体盘 特点 顺序存取 块存取 速度慢 容量大 14 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类 15 内存单元的地址和内容 内存包含有很多存储单元 每个内存单元包含8bit 为区分不同的内存单元 计算机对每个内存单元进行编号 内存单元的编号就称为内存单元的地址 10110110 38F04H 内存单元地址 内存单元内容 76543210 16 内存容量 内存单元的个数 以字节为单位 注意 内存空间与内存容量的区别内存容量 某微机配置2条128MB的SDRAM内存条 其内存容量为256MB内存空间 又称为存储空间 寻址范围 是指微机的寻址能力 与CPU的地址总线宽度有关 17 内存操作 读 将内存单元的内容取入CPU 原单元内容不改变 写 CPU将信息放入内存单元 单元中原内容被覆盖 刷新 对CPU透明 仅动态存储器有此操作内存的读写的步骤为 CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上若是写操作 CPU紧接着把要写入的数据放到DB上CPU发出读写命令数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB若是读操作 CPU紧接着从DB上取回数据 18 内存储器的分类 读写存储器 RAM 可读可写易失性 临时存放程序和数据只读存储器 ROM 工作时只能读非易失性 永久或半永久性存放信息 19 主机硬件系统 输入 输出接口 简写为I O接口 是CPU与外部设备间的桥梁 CPU I O接口 外设 20 接口的功能 提供驱动外设的电压或电流 匹配计算机与外设之间的信号电平 速度 信号类型 数据格式等 缓存发给外设的数据 控制命令和外设提供的运行状态信息 DMA 直接存储器存取 控制和中断控制 21 主机硬件系统 总线BUS 连接多个功能部件的一组公共信号线地址总线AB 用来传送CPU输出的地址信号 确定被访问的存储单元 I O端口 地址线的根数决定了CPU的寻址范围 CPU的寻址范围 2n n 地址线根数数据总线DB 在CPU与存储器 I O接口之间数据传送的公共通路 数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度 控制总线CB 用来传送各种控制信号 22 2 微型计算机的软件系统 软件 为运行 管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料 系统软件 应用软件 操作系统编译系统网络系统工具软件 软件 23 3 微型计算机的物理结构 24 主板的主要硬件构成 CPU插座芯片组 南北桥 HUB 内存插槽高速缓存 现已集成到CPU内部 系统BIOS 提供最基本的硬件控制功能CMOS 存放硬件配置参数总线扩展槽 PCI ISA串行 并行接口软驱 硬盘 光驱连接插座 25 1 3 3计算机的工作过程 存储程序计算机又称为冯 诺依曼型计算机数据和程序均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程序由多条有逻辑关系的指令组成指令的长度不等 一般为1 4字节 26 存储程序计算机的工作原理 程序预先存放在计算机的存储器中 计算机按程序的流程自动地连续取出指令并执行之 为实现自动连续地执行程序 控制器设置一程序计数器PC 它可根据指令的长度自动增量 总是指向下一条指令 只要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 27 28 1 48086 8088微处理器 主要内容 8086CPU外部引线及功能 8086CPU的内部结构和特点 各内部寄存器的功能 29 一 概述 8088 8086基本类似16位CPU AB宽度20位差别 指令预取队列 8088为4字节 8086为6字节数据总线引脚 8088有8根 8086有16根8088为准16位CPU 内部DB为16位 但外部仅为8位 16位数据要分两次传送本课程主要介绍8086 30 指令预取队列 IPQ 指令的一般执行过程 取指令指令译码读取操作数执行指令存放结果 31 串行工作方式 8086以前的CPU采用串行工作方式 1 CPU执行指令时总线处于空闲状态2 CPU访问存储器 存取数据或指令 时要等待总线操作的完成缺点 CPU无法全速运行解决 总线空闲时预取指令 使CPU需要指令时能立刻得到 取指令1 执行1 取操作数2 执行2 CPU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 存结果1 取指令2 32 并行工作方式 8086CPU采用并行工作方式 取指令2 取操作数 BIU 存结果 取指令3 取操作数 取指令4 执行1 执行2 执行3 EU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 33 8088的流水线操作 8088CPU包括两大部分 EU和BIUBIU不断地从存储器取指令送入指令队列寄存器IPQ EU不断地从IPQ取出指令执行EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键 类似于工厂流水线的传送带 新型CPU将一条指令划分成更多的阶段 以便可以同时执行更多的指令例如 PIII为14个阶段 P4为20个阶段 超级流水线 34 结论 指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作 从而提高了CPU的效率 降低了对存储器存取速度的要求 35 8088 8086CPU的特点 采用并行流水线工作方式对内存空间实行分段管理 每段大小为16B 64KB用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址设置地址段寄存器指示段的首地址支持多处理器系统 片内没有浮点运算部件 浮点运算由数学协处理器8087支持 也可用软件模拟 注 80486DX以后的CPU均将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部 36 二 8086CPU的内部结构 37 8086内部由两部分组成 执行单元 EU 总线接口单元 BIU 38 执行单元EU 功能 执行指令从指令队列中取指令代码译码在ALU中完成数据的运算运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中 39 执行单元包括 算术逻辑单元 运算器 8个通用寄存器1个标志寄存器EU部分控制电路 40 总线接口单元BIU 功能 从内存中取指令送入指令预取队列负责与内存或输入 输出接口之间的数据传送在执行转移程序时 BIU使指令预取队列复位 从指定的新地址取指令 并立即传给执行单元执行 41 1 四个段地址寄存器 CS 16位代码段寄存器 DS 16位数据段寄存器 ES 16位附加段寄存器 SS 16位堆栈段寄存器 BIU的组成 42 2 IP 16位指令指针寄存器 指向下一条要取出的指令 3 20位地址加法器 16位内部寄存器提供的信息经地址加法器产生20位地址信息 例 指令的物理地址 CS 16 IP 43 4 六字节的指令队列 取指令与执行指令并行工作 即在一条指令的执行过程中 可以取出下一条或多条指令 在指令队列中排队 44 三 8086 8088的内部寄存器 含14个16位寄存器 按功能可分为三类8个通用寄存器4个段寄存器2个控制寄存器 45 1 通用寄存器 数据寄存器 AX BX CX DX 地址指针寄存器 SP BP 变址寄存器 SI DI 46 数据寄存器 8086含4个16位数据寄存器 它们又可分为8个8位寄存器 即 AXAH ALBXBH BLCXCH CLDXDH DL常用来存放参与运算的操作数或运算结果 47 数据寄存器特有的习惯用法 AX 累加器 多用于存放中间运算结果 所有I O指令必须都通过AX与接口传送信息 BX 基址寄存器 在间接寻址中用于存放基地址 CX 计数寄存器 用于在循环或串操作指令中存放循环次数或重复次数 DX 数据寄存器 在32位乘除法运算时 存放高16位数 在间接寻址的I O指令中存放I O端口地址 48 地址指针寄存器 SP 堆栈指针寄存器 其内容为栈顶的偏移地址 BP 基址指针寄存器 常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址 49 BX与BP在应用上的区别 作为通用寄存器 二者均可用于存放数据 作为基址寄存器 BX通常用于寻址数据段 BP则通常用于寻址堆栈段 BX一般与DS或ES搭配使用 50 变址寄存器 SI 源变址寄存器DI 目标变址寄存器变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址 特别是在串操作指令中 用SI存放源操作数的偏移地址 而用DI存放目标操作数的偏移地址 51 2 段寄存器 用于存放逻辑段的段基地址 逻辑段的概念后面将要介绍 CS 代码段寄存器代码段用于存放指令代码DS 数据段寄存器ES 附加段寄存器数据段和附加段用来存放操作数SS 堆栈段寄存器堆栈段用于存放返回地址 保存寄存器内容 传递参数 52 3 控制寄存器 IP 指令指针寄存器 其内容为下一条要执行的指令的偏移地址FLAGS 标志寄存器状态标志 存放运算结果的特征控制标志 控制某些特殊操作6个状态标志位 CF SF AF PF OF ZF 3个控制标志位 IF TF DF 53 标志寄存器FR共有16位 其中7位未用 各位的定义如下 根据功能 有两类标志 状态标志 控制标志 表8086CPU标志位情况 名称 符号 符号标志 SF 功能 与运算结果的最高位相同 当数据用补码表示时 负数的最高位为1 所以符号标志表示运算执行后的结果是正还是负 零标志 ZF 当前的运算结果为零 当前的运算结果为非零 奇偶标志 PF 运算结果所含的1的个数为偶数 进位标志 CF 当执行一个加法运算使最高位产生进位时 或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时 此外 循环指令也影响这一标志 辅助进位标志 AF 加法运算时 如果第3位往第4位有进位 减法运算时 如果第3位往第4位有借位 辅助进位标志一般在BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据 溢出标志 OF 运算过程中产生溢出时 所谓溢出 是指当字节运算的结果超出了范围 128 127 或者当字运算的结果超出了范围 32768 32767时称为溢出 方向标志 DF 控制串操作指令用的标志 DF 0 串操作过程中的地址会不断增值 DF 1 串操作过程中的地址会不断减值 中断标志 IF 控制可屏蔽中断的标志 IF 0 CPU不能对可屏蔽中断请求作出响应 IF 1 CPU可以接受可屏蔽中断请求 跟踪标志 TF CPU按跟踪方式执行指令 55 1 58086 8088的存储器结构和堆栈 主要内容 存储器编址存储器分段和物理地址生成堆栈和栈操作指令 56 一 存储器编址 存储器以8位为一个存储单元编址 每一个存储单元用唯一的一个地址码来表示 一个字的两个单元有各自的地址 处于低地址的字节的地址为这个字的地址在存储器中 任何连续存放的两个字节都可以称为一个字 将偶地址的字称为规则字 奇地址的字称为非规则字 例 字2301的地址为0000H 为规则字 字4523的地址为0001H 为非规则字 57 物理地址8086 20根地址线 可寻址220 1MB 个存储单元CPU送到AB上的20位的地址称为物理地址 二 存储器分段和物理地址的生成 58 物理地址 物理地址 60000H60001H60002H60003H60004H 12H F0H 1BH 08H 存储器的操作完全基于物理地址 问题 8086的内部总线和内部寄存器均为16位 如何生成20位地址 解决 存储器分段 59 存储器分段 高地址 低地址 段基址 段基址 段基址 段基址 最大64KB 段i 1 段i 段i 1 1 1M存储空间分成若干个逻辑段 每一段 64K 2 段与段之间可以连续排列 部分重叠 断续排列 60 逻辑地址 段基地址和段内偏移组成了逻辑地址段地址偏移地址 偏移量 格式为 段地址 偏移地址物理地址 段基地址 16 偏移地址 60002H 00H 12H 60000H 0000 段基地址 16位 段首地址 61 BIU中的地址加法器用来实现逻辑地址到物理地址的变换8088可同时访问4个段 4个段寄存器指示了每个段的基地址 段基址 段内偏移 物理地址 16位 20位 0000 62 逻辑地址和物理地址区别