1微型计算机系统概述.doc

第一章 微型计算机概述回顾 计算机系统的基础知识，包括计算机系统的组成(包括硬件与软件)、结构、发展历程、分类及其功能实质。本讲重点 微处理器及微机系统的发展历程，微机系统与一般意义上的计算机系统的联系与差别，强调微型计算机系统是具有独特结构的计算机系统，由此决定了微机系统所具有的功能及其特点。【讲授内容】1.1 微机发展概述计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的，能够按照人们事先的安排，快速完成所要求计算任务的ENIAC电子计算机，计算机及其相关技术经历了一个快速发展的过程。一般来说，电子计算机发展历程的各个阶段，是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类，从其工作原理上来讲，微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是由于采用了集成度较高的器件，使得其在结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统的两大核心部分运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。微处理器是微机系统的核心部分，自70年代初出现第一片微处理器芯片以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番，其发展速度大大超过了前几代计算机。微机系统及相关技术的发展，主要涉及到以下几个方面：CPU、主频、缓存、新技术。一、微机的发展微机系统的核心部件为CPU，因此我们主要以CPU的发展、演变过程为线索，来介绍微机系统的发展过程，主要以Intel公司的CPU为主线。第一代：4位及低档8位微处理器 1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出现的Intel4040，是第一片通用的4位微处理器。 1972年，Intel8008，8位，集成度约2000管/片，时钟频率1MHz。第二代：中、低档8位微处理器 1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，时钟频率24MHz。这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。第三代：高、中档8位微处理器 1975年1976年，Z-80，Intel8085，8位，时钟频率24MHz，集成度约10000管/片，还出现了一系列单片机。第四代：16及低档32位微处理器 1978年，Intel首次推出16位处理器8086（时钟频率达到48MHz），8086的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为20位，可直接访问1MB内存单元。 1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088（时钟频率达到48MHz），集成度达到2万6万管/片。它与8086不同的是外部数据总线为8位（地址线为20位）。 1982年，Intel推出了80286（时钟频率为10MHz），该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到24位，可访问16MB内存，其工作频率也较8086提高了许多。80286向后兼容8086的指令集和工作模式（实模式），并增加了部分新指令和一种新的工作模式保护模式。 1985年，Intel又推出了32位处理器80386（时钟频率为20MHZ），该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位，可访问4GB内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，80386又增加了一种“虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作。 1989年推出了80486（时钟频率为3040MHz），集成度达到15万50万管/片（168个脚），甚至上百万管/片。早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（L1）缓存，80486还支持主板上的二级（L2）缓存。后期推出的80486 DX2首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。第五代：高档32位微处理器 1993年，Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium（奔腾），Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增加到了16kB，这些改进大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快数倍。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。 1996年，Intel公司推出了Pentium Pro（高能奔腾），该芯片具有两大特色，一是片内封装了与CPU同频运行的256kB或512kB二级缓存；二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得Pentium Pro的性能又有了质的飞跃。 1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号Pentium MMX（多能奔腾），将一级缓存提高到32kB，同时增加了57条MMX（多媒体扩展）指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。 1997年推出了P。P是对Pentium Pro的改进，因为其核心结构与Pentium Pro类似，但加快了16位指令的执行速度，且支持MMX指令集。 1998年推出了赛扬（Celeron）如P3图1-1所示，其特点是去掉了P的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降了下来。 1999年又推出了开发代号为Coppermine的P，该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展）指令集，这是针对MMX的弱点和3DNow!设计的70条新指令，大大加强CPU在三维图像和浮点运算方面的能力。 2000年3月底，Intel又推出了P。CPU芯片的发展趋势：基因芯片、光电芯片。二、微型计算机的特点微型计算机本质上与其它计算机并无太多的区别，所不同的是由于广泛采用了集成度相当高的器件和部件，特别是把组成计算机系统的两大核心部件运算器和控制器集成在一起，形成了微型计算机系统的中央处理器CPU，因此带来微型计算机系统的下列一系列特点：1. 体积小，重量轻2. 价格低3. 可靠性高，结构灵活4. 应用面广5. 功能强，性能优越。习题与思考1 计算机系统的根本功能是什么？完成相应功能的实质是什么？2 试述微型计算机系统与一般计算机系统的联系和差别。3 微型计算机系统有哪些特点？具有这些特点的根本原因是什么？1.2微机系统的组成、结构与工作过程回顾 微型计算机的发展历程、特点，特别是集成电路技术与微型计算机及微机系统发展之间的相互关系。本讲重点 微型计算机及微机系统的组成，微型计算机的三总线结构，内总线和外总线的基本概念，微处理器的内部结构，微机系统的工作过程。【讲授内容】一、微机系统的组成与结构1微机的组成 如图所示，是微型计算机的典型组成结构示意图，从图中我们可以看出，微型计算机由微处理器CPU、一定容量的内部存储器（包括ROM、RAM）、输入/输出接口电路组成。各功能部件之间通过总线有机地连接在一起，其中微处理器是整个微型计算机的核心部件。 内部存贮器，按照读写方式的不同，分为ROM和RAM两种类型； 输入/输出接口电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用； 总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三种类型。2微机系统的组成微型计算机再加上外设、电源、软件等构成微机系统。微机系统常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、编辑、汇编软件等。微处理器、微型计算机与微型计算机系统三者之间的关系如下：3微型计算机的总线结构(1).引言微型计算机是由具有不同功能的一组功能部件组成的，系统中各功能部件的类型和它们之间的相互连接关系称为微型计算机的结构。微型计算机大多采用总线结构，因为在微型计算机系统中，无论是各部件之间的信息传送，还是处理器内部信息的传送，都是通过总线进行的。(2).什么是总线所谓总线，是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。按在系统中的不同位置，总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以发展，微型机中目前主要采用的外部总线标准有：PC总线，ISA总线，VESA总线等。(3).三总线结构按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)三种类型，通常称微型计算机采用三总线结构。 地址总线(Address Bus) 地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从CPU发出的，所以地址总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。 数据总线(Data Bus)数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双向、三态）。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其它部件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。 控制总线(Control Bus)控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂，由它来实现CPU对外部功能部件（包括存储器和I/O接口）的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。4. 微处理器的内部结构与基本功能(1) 概述微处理器的内部结构受大规模集成电路制造工艺的严格约束，表现为芯片的面积不能过大，芯片引脚的数量也不能过多。因此，通用微处理器的内部结构及其同外部电路的连接方式，都有比较严格的规定。微处理器外部一般采用上述三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。 一个典型的8位微处理器的结构如图1-4所示，主要包括以下几个重要部分：累加器，算术逻辑运算单元(ALU)，状态标志寄存器，寄存器阵列，指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路。 图1-4 典型8位微处理器结构(2) 累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术和逻辑运算。ALU有2个输入端和2个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端通过数据总线接到寄存器阵列，以接收第二个操作数。参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同，累加器具有输入输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算。由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。(3) 寄存器阵列 通用寄存器组：可由用户灵活支配，用来寄存参与运算的数据或地址信息。 地址寄存器：专门用来存放地址信息的寄存器。 指令指针IP：它的作用是指明下一条指令在存储器中的地址。每取一个指令字节，IP自动加1，如果程序需要转移或分支，只要把转移地址放入IP即可。 变址寄存器SI，DI：变址寄存器的作用是用来存放要修改的地址，也可以用来暂存数据。 堆栈指示器SP：用来指示RAM中堆栈栈顶的地址。SP寄存器的内容随着堆栈操作的进行，自动发生变化。(4) 指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路 指令寄存器(Instruction Register，IR)用来存放当前正在执行的指令代码； 指令译码器ID(Instruction Delocler)用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号； 时序逻辑产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号。(5) 内部总线和总线缓冲器内部总线把CPU内各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传送。内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。二、微机系统的工作过程我们已经介绍了微型计算机的组成及系统结构，并且分析讨论了作为微型计算机核心部件的CPU的内部结构，在这一基础上，讨论微型计算机系统的工作过程，是本课程的核心内容。1程序存储及程序控制的基本概念 (1)计算机工作过程的实质计算机之所以能在没有人直接干预的情况下，自动地完成各种信息处理任务，是因为人们事先为它编制了各种工作程序，计算机的工作过程，就是执行程序的过程。(2)程序存储程序是由一条条指令组合而成的，而指令是以二进制代码的形式出现的，把执行一项信息处理任务的程序代码，以字节为单位，按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内，这就是程序存储的概念。(3)程序控制计算机工作时，CPU中的控制器部分，按照程序指定的顺序（由码段寄存器CS及指令指针寄存器IP指引），到存放程序代码的内存区域中去取指令代码，在CPU中完成对代码的分析，然后，由CPU的控制器部分依据对指令代码的分析结果，适时地向各个部件发出完成该指令功能的所有控制信号，这就是程序控制的概念。(4)冯诺依曼概念程序存储及程序控制的概念，是由美籍匈牙利人冯诺依曼提出的，因此又称为冯诺依曼概念。简单地讲，微型计算机系统的工作过程是取指令(代码)分析指令(译码)执行指令的不断循环的过程。微机系统的组成、结构和工作过程是微机原理这门课程的核心内容，是进一步深入学习相关内容的必要的基础知识，希望大家要认真对待。习题与思考1微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们各自具有什么结构？采用什么样的结构？2试说明程序存储及程序控制的概念。3请说明微型计算机系统的工作过程。4试说明微处理器字长的意义。5什么是微处理器？什么是微型计算机？什么是微机系统？它们之间的关系如何？1.3 计算机中数的表示和编码计算机中的数是以器件的物理状态来表示的，一个具有两种不同的稳定状态且能相互转换的器件即可用来表示一位二进制数。二进制数的表示是最简单且最可靠的；所以计算机中采用二进制数字系统。凡是需要由计算机处理的各种信息，无论其表现形式是文本、字符、图形，还是声音、图像都必须以二进数的形式来表示。一、计算机中的进位计数制人们最常用的数是十进制数。计算机中采用的是二进制数，为了书写和阅读的方便，还采用了八进制和十六进制数。1、进位计数制的表示法 人们习惯使用的十进制数有以下特点： 用十个符号表示数即用0、1、29共十个阿拉伯数字，即符号来表示。这些符号叫做数码。数码的个数叫基数。十进制数的基数是10。一个数，每个数码表示的值不仅取决于数码本身，还取决于它所处的位置即是个位、十位、还是百位，每一位有各自的权。例如123=1*102+2*101+3*100。其中的102、101和100即分别为百位、十位和个位的权。 遵从“逢十进一”规则。任何一个十进制数N均可表示为：式中n 是整数位，m 是小数位，ai 可