东南大学微机期末考试复习提纲.ppt

微机系统与接口 东南大学信息科学与工程学院余旭涛 前言 教学内容和目标教材与参考书教学安排 教学内容和目标 教学内容以微型计算机的基本概念为基础 掌握微处理器的结构 工作原理 掌握基本接口以及接口芯片的结构和工作原理 掌握汇编语言编程 教学目标能力培养资料阅读能力 分析软 硬件能力 接口设计 系统扩充能力 教材与参考资料 教材 李继灿 新编16 32位微型计算机原理及应用 第三版 清华大学出版社参考书 郁慧娣 微机系统及其接口技术 东南大学出版社杨素行 微型计算机系统原理及应用 清华大学出版社戴梅蕚 微型计算机技术及应用 清华大学出版社The8086FamilyUser sManualTomShanleyetc PentiumProcessorSystemArchitecture 微机系统与接口课程网站 教学安排 你对计算机了解多少 CPU 内存 硬盘 揭开计算机内部原理 第一章微机系统导论 1 1微型计算机系统1 2基于X86构架的微机工作过程1 3微机系统主要性能指标 1 1微型计算机系统 1 1 1三个基本概念 微处理器 微型计算机 微型计算机系统1 1 2微处理器的组成1 1 3微型计算机的组成1 1 4微型计算机系统的组成1 1 5存储器 1 1 1三个基本概念 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 1 1微型计算机系统 1 1 1三个基本概念 微处理器 微型计算机 微型计算机系统1 1 2微处理器的组成1 1 3微型计算机的组成1 1 4微型计算机系统的组成1 1 5存储器 微处理器 微处理器简称 P或MP Microprocessor 定义 是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算和控制器功能的中央处理器部件 又称为微处理机 它本身并不等于微型计算机 而只是其中央处理器CPU CentralProcessingUnit 有时为区别大 中 小型计算机与微型计算机的中央处理器 而称后者为MPU MicroprocessingUnit 通常在微型计算机中直接用CPU表示微处理器 IntelDesktopCPURoadmap 1 1 2微处理器的组成 1 1 2微处理器的组成 微处理器算术逻辑单元 ALU 执行算术运算和逻辑操作 控制部件 产生一定的时序 控制指令所规定的操作的执行 内部寄存器 用于存放指令 操作数和中间结果等 1 1 2微处理器的组成 算术逻辑部件 ALU 执行算术和逻辑操作以及循环移位等 参加运算的两个操作数 一般来自累加器A Accumulator 和内部数据总线 可以是数据寄存器DR DataRegister 中的内容 也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容 运算结果送回累加器A暂存 控制部件 产生一定的时序 控制指令所规定的操作的执行 1 指令寄存器IR InstructionRegister 存放从存储器取出的将要执行的指令 2 指令译码器ID InstructionDecoder 对指令寄存器IR中的指令进行译码 确定该指令应执行什么操作 3 可编程逻辑阵列PLA ProgrammableLogicArray 产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号 1 1 2微处理器的组成 内部寄存器累加器A 累加器是用得最频繁的一个寄存器 在进行算术逻辑运算时 具有双重功能 运算前 用来保存一个操作数 运算后 用来保存结果 数据寄存器DR 数据寄存器DR用来暂存数据或指令 从存储器读出时 若读出的是指令 经DR暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR 若读出的是数据 则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器 向存储器写入数据时 数据是经数据寄存器DR 再经数据总线DB写入存储器的 程序计数器PC ProgramCounter 程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址 根据PC中的指令地址 准备从存储器中取出将要执行的指令 通常 程序按顺序逐条执行 任何时刻 PC都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令 对单字节指令而言 所在的地址 因此 PC具有自动加1的功能 1 1 2微处理器的组成 内部寄存器地址寄存器AR AddressRegister 地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址 在取指令时 将PC中存放的指令地址送到AR 根据此地址从存储器中取出指令 在取操作数时 将操作数地址通过内部数据总线送到AR 再根据此地址从存储器中取出操作数 在向存储器存入数据时 也要先将待写入数据的地址送到AR 再根据此地址向存储器写入数据标志寄存器F FlagRegister 标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号 关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异 根据检测有关的标志位是0或1 可以按不同条件决定程序的流向 1 1微型计算机系统 1 1 1三个基本概念 微处理器 微型计算机 微型计算机系统1 1 2微处理器的组成1 1 3微型计算机的组成1 1 4微型计算机系统的组成1 1 5存储器 1 1 3微型计算机的组成 微型计算机 是指以微处理器为核心 配上存储器 输入 输出接口电路及系统总线所组成的计算机 又称主机或微电脑 当把微处理器 存储器和输入 输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上 则分别称之为单板机 多板机或单片微型计算机 1 1 3微型计算机的组成 微处理器 微计算机执行指令的核心部件 主存储器 存储器是存储信息的部件 用来存储当前正在使用的程序和数据 I O接口 微计算机和外部设备之间的联系是通过I O接口实现的 如显示器的接口 外存储器的接口等 系统总线 系统总线是连接微处理器和其他部件的链路 分为地址总线 数据总线和控制总线 分别用于传输地址 数据和控制信息 系统中各部件均挂在总线上 所以 有时也将这种系统结构称为面向系统的总线结构 1 1 3微型计算机的组成 单总线结构系统存储器M和I O接口均使用同一组信息通路 因此 CPU对M的读 写和对I O接口的输入 输出操作只能分时进行 双总线结构M和I O接口各具有一组连通CPU的总线 CPU可以分别在两组总线上同时与M和I O交换信息 因而拓宽了总线带宽 提高了总线的数据传输效率 根据总线结构组织方式的不同 可以将总线结构分为 单总线结构 双总线结构 双重总线结构 1 1 3微型计算机的组成 双重总线结构局部总线与全局总线 CPU通过局部总线访问局部M和局部I O时 工作方式与单总线相同 当系统中某微处理器需要对全局M和全局I O访问时 则必须由总线控制逻辑统一安排才能进行 这时该微处理器就是系统的主控设备 这样 整个系统便可在双重总线上实现并行操作 从而提高了系统数据处理和数据传输的效率 1 1微型计算机系统 1 1 1三个基本概念 微处理器 微型计算机 微型计算机系统1 1 2微处理器的组成1 1 3微型计算机的组成1 1 4微型计算机系统的组成1 1 5存储器 微型计算机系统 是指以微型计算机为中心 以相应的外围设备 电源和辅助电路 统称硬件 以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统 1 1 4微型计算机系统的组成 1 1 4微型计算机系统的组成 硬件系统软件系统 1 1 4微型计算机系统的组成 硬件系统微型计算机 微处理器主存储器I O接口总线外设 硬盘 打印机 鼠标 键盘 电源 微机系统硬件组成 1 1 4微型计算机系统的组成 软件系统系统软件 为计算机所配置的基础性软件 如操作系统 语言编译器 I O驱动程序 文件管理程序等用户软件 用户根据自己需要编制的应用程序 小结 三者之间的关系 1 1微型计算机系统 1 1 1三个基本定义1 1 2微处理器的组成1 1 3微型计算机的组成1 1 4微型计算机系统的组成1 1 5存储器 1 1 5存储器 定义存储器 是微机中的存储和记忆部件 用来存放用二进制代码形式表示的数据和程序 字节 byte 通常将8位二进制码作为一个字节 字 word 通常将两个字节也就是16位称为一个字 字长 表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数即位长 并由此而定义是多少位的计算机 如1位机 4位机 8位机 16位机 32位机等 1 1 5存储器 存储器的组成 存储体 地址译码器和控制电路组成 存储体存储数据和程序地址译码器接收从地址总线AB送来的地址码 经译码器译码选中相应的某个存储单元 以便从中读出 取出 信息或写入 存入 信息控制电路接收来自cpu的信号 控制存储器的读 写操作过程 第一章微机系统导论 1 1微型计算机系统1 2基于X86构架的微机工作过程1 3微机系统主要性能指标 1 2基于X86构架的微机工作过程 1 2 1微机的工作原理1 2 2程序执行过程 1 2 1微机的工作原理 遵循冯 诺依曼型数字计算机工作原理计算机系统由运算器 控制器 存储器 输入和输出设备组成 在计算机内采用二进制形式表示计算机中的指令和数据 程序和原始数据预先存入计算机主存储器中保存 执行程序时 控制器可以连续 自动 高速的从存储器中逐一取出指令并执行 1 2基于X86构架的微机工作过程 1 2 1微机的工作原理1 2 2程序执行过程 1 2 2程序执行过程 指令组成 操作码 操作数操作码 表示计算机执行什么具体操作 操作数 表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址 也称之为地址码 注意 在8位机中 由于1个存储单元只能存放1个字节 而指令根据其所含内容不同而有单字节 双字节 3字节乃至最多4字节之分 因此在执行1条指令时 就可能要处理1 4个不等字节数目的代码信息 包括操作码 操作数或操作数的地址 1 2 2程序执行过程 续 取指执行 1 假定程序已由输入设备存放到内存中 当计算机从停机状态进入运行状态时 首先把第1条指令所在的地址赋给程序计数器PC 然后机器进入取指阶段 2 在取指阶段 CPU从内存中读出的内容必为指令 于是 数据寄存器DR便把它送至指令寄存器IR 3 指令译码器译码 控制器就发出相应的控制信号 CPU根据控制信号执行相应操作 4 取指阶段结束后 机器就进入执指阶段 CPU执行指令所规定的具体操作 5 当一条指令执行完毕以后 就转入了下一条指令的取指阶段 这样周而复始地循环一直进行到程序中遇到暂停指令时方才结束 1 2 2程序执行过程 例子MOVA 3MOVA 310110000 操作码 MOVA n 00000011 操作数 3 注意 计算机并不认识助记符和十进制数 只认识用二进制数表示的操作码和操作数 助记符编写的程序必须以二进制数的格式存放到存储器中 即用对应的二进制操作码代替每个助记符 用相应的二进制数代替每个十进制数 1 2 2程序执行过程 注意 该条指令共2个字节 由于微处理器和存储器采用8位字或1个字节存放与处理信息 因此 当把这段程序存入存储器时 共需要占2个存储单元 如图中从00H至01H这2个单元 1 2 2程序执行过程 操作过程 取指 把PC的内容00H送到地址寄存器AR 一旦PC的内容可靠地送入AR后 PC自动加1 即由00H变为01H 把地址寄存器AR的内容00H放在地址总线上 并送至存储器 经地址译码器译码 选中相应的00H单元 CPU发出读命令 AD 1 2 2程序执行过程 操作过程 取指 在读命令控制下 把所选中的00H单元中的内容即第1条指令的操作码B0H读到数据总线DB上 把读出的内容B0H经数据总线送到数据寄存器DR 取指阶段的最后一步是指令译码 因为取出的是指令的操作码 故数据寄存器DR把它送到指令寄存器IR 然后再送到指令译码器ID 经过译码 CPU 识别 出这个操作码B0H就是MOVA n指令 于是 它 通知 控制器发出执行这条指令的各种控制命令 这就完成了第1条指令的取指阶段 然后转入执行第1条指令的阶段 AD 1 2 2程序执行过程 操作过程 执指 对操作码B0H译码后 CPU 知道 这是一条把下一单元中的操作数取入累加器A的双字节指令 MOVA n 所以 执行第1条指令就必须把指令第2字节中的操作数03H取出来 取操作数过程 把PC的内容01H送到地址寄存器AR 当PC的内容可靠地送到AR后 PC自动加1 变为02H 地址寄存器通过地址总线把地址01H送到存储器的地址译码器 经过译码选中相应的01H单元 CPU发出读命令 1 2 2程序执行过程 在读命令控制下 将选中的01H单元的内容03H读到数据总线DB上 通过DB把读出的内容送到数据寄存器DR 因CPU根据该条指令具有的字节数已知这时读出的是操作数 且指令要求把它送到累加器A 故由数据寄存器DR取出的内容就通过内部数据总线送到累加器A 于是第1次执指阶段完毕 操作数03H被取入累加器A中 指令执行结束 AD 操作过程 执指 1 3微机系统主要性能指标 1 3 1主板的性能指标1 3 2微处理器的性能指标1 3 3硬盘的性能指标1 3 4总线的性能指标1 3 5软件 1 3 1主板的性能指标 主板集中了微机的主要部件和接口电路 如CPU 内存条和高速缓存 Cache 芯片 系统芯片组等都直接安装在主板上 硬盘 软驱和光驱都通过数据线与主板相连 鼠标 键盘和各种扩充卡等也都通过外设接口或扩充槽安装或接插在主板上 结构主要有AT主板和ATX主板两种基本类型 此外还有NLX 1 3 1主板的性能指标 主板的主要性能指标有以下几项 1 微处理器支持的能力 包括CPU插槽类型 CPU种类 外频范围 2 系统芯片组的类型 3 是否集成显卡 声卡 调制解调器 Modem 网卡 4 支持内存和高速缓存 Cache 的类型与容量 5 系统BIOS的版本 功能 是否支持即插即用 6 扩充插槽及I O接口的数量 类型 Socket370 Pentium3 Socket940 Athlon64FX 1 3 2微处理器的性能指标 微处理器是微机系统的核心部件 它的性能如何直接影响到整个系统的性能 1 字长字长是最重要的指标之一 所谓字长就是CPU内部一次能同时处理的数据的位数 字长标志着计算精度 字长越长 它能表示的数值范围越大 计算出的结果有效数的位数就越多 精度也就越高 2 内存容量通常 内存容量是以字节为单位计算的微机可寻址的内存容量变化范围较大 3 指令系统微机的核心部件微处理器都有各自的指令系统 一般来说 指令的条数愈多 其功能就愈强 1 3 2微处理器的性能指标 4 运算速度运算速度是微机性能的综合表现 它是指微处理器执行指令的速率 计算速度的问题 目前有3种方法 一是根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度 乘上不同的系数 求得统计平均值 这时所指的是平均速度 二是以执行时间最短的指令的标准来计算速度 三是直接给出每条指令的实际执行时间和机器的主频 5 iCOMPiCOMP IntelComparableMicroprocessorPerformance 是衡量Intel系列微处理器性能的综合指数 根据Intel公司设计的公式计算出该值 6 SPECmarkSPECmark是SPECint 系统性能整数数值计算法 与SPECfp 系统性能浮点数值计算法 的合称 1 3 3硬盘的性能指标 硬盘的主要指标 1 容量 2 速度 与主轴电机的转速以及硬盘缓冲区有关 目前硬盘的转速有5400 7200 10000 15000RPM 转 分 等几种 硬盘缓存是硬盘上集成的一颗内存芯片 用于充当硬盘与处理器之间的高速数