微机原理与接口技术 第1章.ppt

第1章微型计算机系统导论 1 1引言1 2计算机的发展概况1 3微型计算机系统的组成1 4微型计算机硬件系统1 5微型计算机的工作过程 1 1引言 电子计算机能够按照设计者的意图 自动进行算术运算 逻辑控制和信息处理的电子设备 应用科学计算数据 信息 处理过程控制办公自动化 微型计算机是二十世纪70年代初期研制成功 时代背景需要 技术发展基础 大规模集成电路技术的发展 1 2计算机的发展概况包括 硬件 按照构成计算机所采用的电子器件及其电路的变革CPU 存储器 接口芯片 显示器 鼠标体系结构以CPU为核心总线结构总线标准编程语言软件 系统软件 应用软件 微处理器 MicroProcessor 由运算器和控制器组成 称为中央处理单元 简称为CPU CentralProcessingUnit 计算机的发展主要体现于微处理器的发展 微型计算机 MicroComputer 由微处理器 CPU 存储器和I O接口电路组成的计算机 1 第一代4位或低档8位微处理器典型产品Intel4004 4位 8008 8位 采用PMOS工艺 集成度约为2000只晶体管 片 指令系统比较简单 运算能力差 速度慢 平均指令执行时间为10 20 s 软件主要使用机器语言及简单的汇编语言编写 2 第二代中高档8位微处理器 三大系列微处理器 Intel公司 8080CPU 8085CPUMotorola公司 MC6800CPUZilog公司 Z80CPU 特点 均为8位微处理器 具有16位地址总线 采用NMOS工艺 指令的平均执行时间为1 2 s 指令系统相对比较完善 具有典型的计算机体系结构以及中断 DMA功能 微机系统 如Apple II等 已经配有单用户操作系统 如CP M 并可使用汇编语言及BASIC FORTRAN等高级语言编写程序 3 第三代 16位微处理器 1 Intel8086 8088 ZilogZ8000和Motorola的MC6800016位微处理器 具有20位地址总线 2 用此组成的微型计算机有丰富的指令系统 多级中断系统 多处理机系统 段式存储器管理以及硬件乘除法器等 并以8088为CPU组成了IBMPC PC XT等准16位微型计算机 由于其性能价格比高 很快占领了市场 3 Intel80286 IBMPC AT 16位 24位地址总线 具有多任务系统所必须的任务切换功能 存储器管理功能以及各种保护功能 以80286为CPU组成高档16位微型计算机 4 第四代 32位高档微处理器 1 Intel8038632位数据总线 32位地址总线有两种结构 80386SX内部结构位32位外部DB为16位FPU采用8028780386DX内部结构 外部数据总线皆为32位 FPU采用80387 2 Intel80486 其地址总线仍然为32位 相当于把80386 80387及8KBCache集成在一块芯片上 5 第五代 64位高档微处理器 Intel公司 Pentium46XXPentium4ExtremeEdition P4EE CeleronDCPU双核 多核CPU技术用于台式机 笔记本 服务器中 5 第五代 64位高档微处理器 1 Pentium 奔腾 Intel586 及IBM Apple和Motorola三家公司联合生产的PowerPC 具有 DB为64位 AB为36位 两条超标量流水线 两个并行执行单元及双Cache 工作频率有50MHz 66MHz 133MHz 和166MHz等 2 PowerPC是一种精简指令集计算机RISC 也是一种性能优异的64位微处理器 采用了先进的超标量流水线技术及双高速缓冲存储器 精简指令集计算机RISC指令规整 使指令译码电路简单 译码速度快 指令系统中只设使用频率高的指令 指令条数少 控制逻辑电路简单 执行速度快 复杂指令集计算机CISCPentium微处理器及其以前的微处理器产品都属于CISC 说明 1 3微型计算机系统的组成 冯 诺依曼体系结构的基本设计思想 以二进制形式表示指令和数据 程序和数据事先存放在存储器中 计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行 由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统 1 3 1基于总线的微型计算机硬件系统 图1 2微型计算机硬件系统结构P4 1 总线计算机中各功能部件间传送信息的公共通道 2 根据所传送信息的内容与作用不同 分为三类 地址总线AB传送地址信息 单向 数据总线DB传送指令码 数据 双向 控制总线CB控制信息由CPU通过CB送往各有关部件 状态或者从有关部件通过CB送往CPU或相关部件 CB中每根线的传送方向是一定的 1 3 2微处理器 内DB 1 运算器 ALU 用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作 2 控制器 CU 是全机的指挥控制中心 它负责把指令逐条从存储器中取出 经译码分析后向全机发出取数 执行 存数等控制命令 以保证正确完成程序所要求的功能 1 指令寄存器IR InstructionRegister 存放从存储器取出的将要执行的指令码 2 指令译码器ID用来对指令寄存器IR中的指令操作码字段 指令中用来说明指令功能的字段 进行译码 以确定该指令应执行什么操作 3 可编程逻辑阵列PLA用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号 并经过控制总线CB送往有关部件 从而使计算机完成相应的操作 3 内部寄存器 程序计数器PC ProgramCounter 程序计数器 指令指针IP 存放下一条要执行指令所在存储单元的地址 在程序开始执行前 指向该程序起始地址 执行时 CPU自动修改PC内容 恒指向要执行的指令的地址 地址寄存器AR存放正要取出的指令的地址或操作数的地址 由于在内存单元和CPU之间存在着操作速度上的差异 必须使用AR保持地址信息 直到内存的读 写操作完成为止 数据缓冲寄存器DR暂存指令或数据 是CPU和内存 外部设备之间信息传送的中转站 用来补偿CPU和内存 外围设备之间在操作速度上存在的差异 指令寄存器IR保存将要执行的指令码 供指令译码器对其操作码字段进行译码 产生执行该指令所需的微操作命令 累加器A累加器是使用最频繁的一个寄存器 累加器用来暂时存放ALU运算结果 CPU中至少应有一个累加器 CPU中常有多个累加器 构成通用寄存器堆结构 任何一个既可存放目的操作数 也可以放源操作数 80 x86系列CPU采用这种累加器结构 标志寄存器FLAGS 也称为程序状态字PSW 存放执行算术运算指令 逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态码内容以及对CPU操作进行控制的控制信息 标志位的具体设置及功能随微处理器型号的不同而不同 编程时 可以通过测试有关标志位的状态 0或1 来决定程序的流向 图1 4 内部寄存器阵列 RA 用以暂存数据通过内部总线进行传送数据用名字访问因CPU而异 1 3 3存储器 微型计算机的存储和记忆装置 是主机的一部分 主存 内存 存放指令 原始数据 中间结果和最终结果 微型机内 程序和数据都以二进制形式表示 存储器通常被划分为许多单元 每个存储单元存放一个字节的二进制信息 每个存储单元分别赋予一个编号 称为地址 CPU可直接用指令对内存储器进行读写 地址 指令或数据内容 00111000 图1 5内存单元的地址和内容 记作 4005H 38H 1 基本概念 1 位 Bit 二进制信息的最小单位 0或1 2 字节 Byte 由8位二进制数组成 可以存放在一个存储单元中 是字的基本组成单位 3 字 Word 机中作为一个整体来处理的一组二进制数 是字节的整数倍 计算机内部的寄存器 算术逻辑单元 数据总线宽度相一致 每个字包括的位数称为计算机的字长 是计算机重要性能指标 常把一个字定义为16位 把一个双字定义为32位 4 内存容量 内存中存储单元的总数 以字节为单位 1024 210 字节 1KB 220字 1MB 5 内存单元地址 CPU为每个单元分配一个地址 2 内存的操作 1 读操作CPU将内存单元的内容读入CPU内部 2 写操作CPU将其内部信息送到内存单元保存 物理地址 从内存单元读出信息的操作过程如图1 6 a 所示 假设将地址为90H的单元中的内容10111010B BAH 读入CPU 其操作过程如下 1 CPU经地址寄存器AR将要读取单元的地址信息10010000B 90H 送地址总线 经地址译码器选中90H单元 2 CPU发出 读 控制信号 3 在读控制信号的作用下 将90H单元中的内容10111010B BAH 放到数据总线上 然后经数据缓冲寄存器DR送入CPU中的有关部件进行处理 3 内存的分类随机存储器只读存储器 b 内存写操作过程示意图 图1 5内存读写操作过程示意图P8 1 3 4I O接口与输入 输出设备 I O接口是计算机与I O设备之间信息交换的桥梁 1 软件管理 维护计算机以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序 数据的总和 计算机的工作就是运行程序 实现某种特定功能 软件是微型计算机系统不可缺少的组成部分 软件包括系统软件和用户 应用 软件 1 4微型计算机系统 2 系统软件与用户软件 1 系统软件 作用 为应用程序的开发 调试 运行等建立一个环境 提供人机接口和管理 调度计算机的所有硬件与软件资源 主要包括操作系统OS OperatingSystem 和系统应用程序 I O操作及驱动程序 文件管理程序 核心是 监控程序 常驻内存 2 用户软件用户为解决各种实际问题而编写的各种程序 1 5微型计算机的工作过程 1 不论程序是用什么语言编写 都必须首先将其转换为计算机能直接识别和执行的机器语言程序 然后才能由CPU逐条读取并执行 微机的工作过程就是不断地从内存中取出指令并执行指令的过程 直到遇到HLT指令为止 3 指令通常由操作码和操作数两部分组成 操作码表示该指令完成的操作 操作数表示参加操作的数本身或操作数所在的地址 指令有单字节指令 双字节指