第2章硬件基础.ppt

2 1 计算机系统概述2 2 微机发展概况2 3 8086 88CPU的编程结构2 4 内存地址组织及存放次序2 5 接口 端口 端口地址 第二章微机硬件基础 计算机系统由硬件系统和软件系统构成 硬件是我们可以看得见摸得着的物理电子设备 软件是运行于计算机硬件基础上的程序和数据的集合 它们之间的关系是 硬件是基础 软件是发展 硬件和软件相辅相成缺一不可 硬件和软件互相促进发展 2 1计算机系统概述 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 微处理器 微处理器 P MP microprocessor 由一片或几片大规模集成电路组成的 具有运算和控制功能的中央处理器 也称为微处理机 主要包括 运算器ALU ArithmeticLogicUnit 实现算术逻辑运算 由加法器和一些辅助逻辑电路组成控制器CU ControlUnit 指令流控制时序控制 产生节拍定时信号指令译码和操作控制寄存器组Registers存放临时数据 运算中间结果 运算特征 操作数地址 大 中 小型中央处理器 CPU CentralProcessingUnit 微处理器 MPU MicroprocessingUnit 微型计算机 以微处理器为核心 配上存储器 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 microcomputer 总线结构 系统中各部件均挂在总线上 可使微机系统的结构比较简单 易于维护 并有更大的灵活性和更好的可扩展性 总线结构 数据总线 地址总线 控制总线 微型计算机的组成 由CPU 存储器 I O接口电路 总线组成 微型计算机的概念结构 各部件通过总线连接总线 连接多个功能部件的一组公共信号线 冯 诺依曼计算机的工作原理的核心是 存储程序 程序控制 要点 1 以二进制表示数据和指令 程序 2 先将程序存入存储器中 再由控制器自动读取并执行 微型机工作原理 9 微型计算机系统 microcomputersystem 简称 CS或MCS 指以微型计算机为中心 配上相应的外围设备 电源和辅助电路 通称硬件 以及指挥微型机算机工作的系统软件所构成的系统 微型计算机系统 10 微型计算机如果不配有软件 通常称为裸机计算机软件通常分为两大类 系统软件和用户软件 系统软件是指不需要用户干预的能生成 准备和执行其他程序所需的一组程序 用户软件是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序 它也称为应用软件 软件的分级结构 微型计算机系统组成 一 12 微型计算机系统组成 二 计算机发展史上有四个重要的年份 1946年 第一台电子计算机ENIAC诞生 1969年 Internet的雏形APARNET诞生 1971年 第一块微处理器芯片Intel4004诞生 1981年 第一台IBMPC微机诞生 以半导体集成电路为核心的微电子技术的进步 使计算机向着巨型化 性能上 微型化 体积上 多媒体化 网络化 智能化 低成本化的方向迅猛发展 自1946年第一台电子计算机问世以来 计算机的发展经历了电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路和超大规模集成电路共五代 通常按其体积 性能和价格可分为巨型机 大型机 中型机 小型机和微型机一类 由于微机具有体积小 重量轻 功耗低 价格便宜 结构灵活 软件丰富等特点 从而得到了广泛的普及和应用 2 2微机发展概况 1 位和字节位 bit 是计算机所能表示的最小最基本的数据单位 它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位 位作为单位时记作b字节 byte 由8个位二进制位组成 通常用作计算存储容量的单位 字节作为单位时记作BK是kelo的缩写 1K 1024 210 M是mega的缩写 1M 1024K 220 G是Giga的缩写 1G 1024M 230 T是tera的缩写 1T 1024G 240 2 2 1微型计算机的常用术语与性能指标 2 字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度 微处理器的字长有4位 8位 16位和32位等等 8088称为准16位微处理器 而80386SX称为准32位微处理器 3 主频主频也叫做时钟频率 用来表示微处理器的运行速度 主频越高表明微处理器运行越快 主频的单位是MHz 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同 从80486DX2开始 主频 外部总线频率 倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频 它的单位也是MHz 外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快 因而微型计算机的运行速度也越快 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数 通过提高外频或倍频系数 可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上 这就是所谓的超频 4 MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写 用来表示微处理器的性能 意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同 所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS 主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS 5 iCOMP指数iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标 它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的 iCOMP指数包含的指标有整数数学计算 浮点数学计算 图形处理以及视频处理等 这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关 所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能 6 微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度 一般以 m为单位 数值越小 生产工艺越先进 微处理器的功耗和发热量越小 目前微处理器的生产工艺已经达到45nm 7 微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度 最早Intel4004的集成度为2250个晶体管 PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上 集成度提高了3000多倍 以IntelCPU为例 2 2 2微机的发展史 1971 1973 代表产品为Intel4004及4040 字长4位 集成度2300管 片 时钟频率1MHZ 1973 1977 代表产品有Intel8080 8085 ZilogZ80 Motorola6800 Rockwell6502 字长8位 地址线16根 集成度1万管 片 时钟频率2 4MHZ 主要微机有APPLEII TRS 80等 1978 1980 代表产品有Intel8086 8088 Motorola68000 字长16位 地址线20根 集成度2 6万管 片 时钟频率4 8MHZ 主要微机有IBMPC IBMPC XT 我国的0520系列等 1981 1984 代表产品有Intel80286 Motorola68010 字长16位 地址线24根 集成度约13万管 片 时钟频率6 20MHZ 主要微机有IBMPC AT 我国的0530系列等 1985 1989 代表产品有Intel80386 Motorola68020 字长32位 地址线32根 集成度15 50万管 片 时钟频率16 40MHZ 主要微机有AST386 COMPAQ386 我国的长城386等 从80386CPU开始集成高速缓存Cache 以字长和微处理器型号为标准 1989 1992 代表产品有Intel及AMD Cyrix的80486 IBMPowerPC601 字长32位 地址线32根 集成度120万管 片 时钟频率33 100MHZ 主要微机有AST486 COMPAQ486 我国的金长城 联想486等 从80486CPU开始集成数学协处理器NPU 1993 1994 代表产品有Intel的Pentium 奔腾 及AMD Cyrix的5x86及K5 M系列 IBMPowerPC604 DECAlpha21064 集成度350万管 片 时钟频率50 166MHZ 主要微机的厂家有COMPAQ DELL 联想 长城等 1995年之后 Intel公司不断推出新品PentiumPro 550万管 片 PentiumMMX PentiumII 750万管 片 Celeron 赛扬 CeleronA PentiumIII CeleronII Pentium4 0 13 0 18um 微米 的光刻技术 1 3GHZ 2 2GHZ P4Celeron Xeon 至强 内外均为64位 主要用于服务器 AMD公司也相继推出了K6 K6 2 K6III Duron毒龙 Athlon速龙 AthlonXP等 字长大都还是32位 数据通道64位 地址线32根 集成度更高 速度更快 近年来 Intel和AMD的CPU竞争越来越激烈 性能 价格比不断提高 主要微机的厂家有DELL HP 联想 北大方正 清华同方等 第1代 4位和低档8位微机4004 4040 8008第2代 中高档8位微机ZilogZ80 Intel8080 8085 M6800 Apple II微机第3代 16位微机8086 8088 80286 IBMPC系列机 微型计算机的发展 Intel8008 Motorola6800 Intel8086 Intel80286 微型计算机的发展 续 第4代 32位微机80386 80486 Pentium PentiumII PentiumIII Pentium432位PC机 Macintosh机 PS 2机第5代 64位微机Itanium 64位RISC微处理器芯片微机服务器 工程工作站 图形工作站 Intel80386 Intel80486 IntelPentiumIV Pentium 数据总线宽度从4位上升到64位 集成度不断提高 线宽已缩小到45纳米 主频不断上升 最高已达3 4GHZ 2005年4月 高度集成 将CPU NPU及CACHE等集成在一块芯片内 采用超标量结构的多路执行流水线技术 分支预测技术 数据和代码二级高速缓存技术 指令动态执行技术等新技术 性能越来越高 价位越来越低 体积越来越小 笔记本电脑 掌上电脑越来越流行 网络化 多媒体化及智能化 配置电源管理功能 趋于绿色电脑 2 2 3微机的发展特点 人们可以从不同的角度对微机进行分类 典型的主要有以下几种分类方法 按微处理器的字长分为4 8 16 32 64位机 按CPU型号分为186 286 386 486 P PII PIII P4 CE CEA CEII P4Ce MII MIII K6 K6 2 K6 23D Now Duron Athlon等 按结构分为单片机 单板机 PC机 按体积和性能分为台式机 笔记本电脑 掌上电脑 按共享特性分为单用户单任务型 单用户多任务型 多用户型 2 2 4微机的分类 1 单片机 又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 概括的讲 它主要是将微处理器 部分存储器 输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上 一块芯片就成了一台计算机 2 单板机 将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上 包括微处理器 存储器 输入输出接口 还有简单的七段发光二极管显示器 小键盘 插座等 功能比单片机强 适于进行生产过程的控制 可以直接在实验板上操作 适用于教学 3 PC机 PersonalComputer 面向个人单独使用的一类微机 实现各种计算 数据处理及信息管理等 2 2 5微机的应用领域 计算机应用通常分成如下各个领域科学计算 数据处理 实时控制计算机辅助设计 人工智能 由于微型计算机具有如下特点体积小 价格低工作可靠 使用方便 通用性强 所以 可以分为两个主要应用方向 微型计算机的应用 用于数值计算 数据处理及信息管理方向通用微机 例如 PC微机功能越强越好 使用越方便越好用于过程控制及嵌入应用方向专用微机 例如 工控机 单片机 数字信号处理器可靠性高 实时性强程序相对简单 处理数据量小 2 38088 86CPU的编程结构 2 3 18086 88CPU的内部结构编程结构从程序员或使用者角度看到的结构与CPU内部物理结构不同 8086编程结构从功能上分为两部分 总线接口单元 BusInterfaceUnit BIU 执行单元 ExecuteUnit EU 指令流水 是一种实现多条指令重叠执行的重要技术 1990年以后出现的处理器 无论是RISC 精简指令集计算机 还是CISC 复杂指令集计算机 无一不采用 指令流水 技术 CPU执行指令的过程 可具体分为如下六个步骤 1 取指 fetch 2 译码 decoding 3 计算有效地址 EA EffectiveAddress 4 取操作数 5 执行6 存储运算结果概括的说 可分为 取指令 和 执行指令 两个步骤 早期的计算机将这两步采用先后轮流动作 串行 CPU效率较低 在流水线方式下 BIU与EU同时动作 并行 完成指令周期 CPU效率高 取指1 取指2 取指3 执行1 执行2 执行3 取指1 执行1 取指2 取指3 执行2 执行3 取指4 BIU EU 为了使取指和分析执行可并行处理 提高CPU的执行效率 8088 86CPU由总线接口单元BIU BusInterfaceUnit 和执行单元EU ExecutionUnit 两大模块组成 图2 38086 88CPU的内部结构图 8088的内部结构 1234 内部暂存器 IP ES SS DS CS 总线控制电路 外部总线 EU控制电路 ALU 标志寄存器 AHAL BHBL CHCL DHDL SP BP SI DI 通用寄存器 地址加法器 指令队列 执行单元 EU 总线接口单元 BIU 16位 20位 8位 8位 返回 8086的内部结构图 总线接口单元BIU BusInterfaceUnit CPU与外部 存储器 I O 的接口负责完成CPU与存储器或I O设备之间的数据传送功能 地址形成 逻辑地址物理地址 总线控制取指令 CS IP 指令排队读写操作数 指令执行单元EU ExecutionUnit 负责全部指令的译码和执行向BIU提供数据和地址 EA 管理寄存器及标志 4个16位段地址寄存器 SR 16位指令指针寄存器IP InstructionPointer 指令队列缓冲器20位地址加法器总线控制逻辑 总线接口单元组成 执行单元组成 EU控制电路 包括ID指令译码器 16位算术逻辑单元 ALU 16位标志寄存器FR PSW 通用寄存器组 UR 8086内部寄存器结构共有13个16位寄存器和1个只用了9位的16位标志寄存器 共14个16位寄存器 2 3 28088 86CPU内部的寄存器 其中 四个通用数据寄存器AX BX CX DX可分别一分为二 分为4个高8位寄存器AH BH CH DH和4个低8位寄存器AL BL CL DL 这样也就有8个8位的通用数据寄存器 数据 通用地址寄存器 PSW 专用寄存器 数据寄存器4个16位 AX BX CX DX8个8位 AH AL BH BL CH CL DH DL 多数情况下 用于算术运算或逻辑运算指令中 有些指令中 有特定的用途 通用寄存器 一 数据寄存器的隐含使用 指针寄存器 16位 存放偏移地址 堆栈指针寄存器SP和基址指针寄存器BP 当前堆栈段中数据所在的地址 SP StackPointer 给出栈顶的偏移地址 入栈和出栈指令时 BP BasePointer 存放位于堆栈段中的数据区基地址的偏移地址 通用寄存器 二 源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI 存放当前数据段的偏移地址 SI SourceIndex 源操作数的偏移地址 DI DestinationIndex 目的操作数的偏移地址 变址寄存器 16位 存放偏移地址 通用寄存器 三 常用于串操作指令中 比如 串拷贝 串比较等 4个16位段寄存器 8086指令可直接访问 CS CodeSegment 代码段寄存器 代码段 用于存放正在或正待执行的程序段的起始地址的高16位二进制数据 即程序段的段地址 SS StackSegment 堆栈数据段寄存器 堆栈段 用于存放正在或正待处理的堆栈数据段的起始地址的高16位二进制数据 即堆栈数据段的段地址 DS DataSegment 数据段寄存器 数据段 用于存放正在或正待处理的一般数据段的起始地址的高16位二进制数据 即一般数据段的段地址 ES ExtraSegment 附加数据段寄存器 附加段 用于存放正在或正待处理的附加数据段的起始地址的高16位二进制数据 即附加数据段的段地址 段寄存器是为实现 段加偏移 分段寻址而设置的 段寄存器 指令指针寄存器IP和标志寄存器FRIP Instructionpointer 指令指针 也就是程序计数器 PC 它的内容始终是下一条待执行指令的起始偏移地址 与CS一起形成下一条待执行指令的起始物理地址 CS IP的作用是控制程序的执行流程 IP一般会自动加1 逻辑加1 实际随指令长度变化 移向下一条指令实现顺序执行 若通过指令修改CS或IP的值 则可实现程序的转移执行 专用寄存器 8086标志寄存器FR为16位 PSW 用了其中9位 6个状态标志位 CF PF AF ZF SF OF3个控制标志位 DF IF TF 0 7 8 15 FL FH 2 4 6 9 10 11 溢出标志 方向标志 中断允许标志 跟踪标志 进位标志 奇偶标志 辅助进位标志 零标志 符号标志 标志寄存器 一 状态标志位 反映算术或逻辑运算后结果状态 CF CarryFlag 进位 借位标志 无符号数的溢出标志 D0位 执行结果的最高位向更高位产生了一个进位或借位 CF 1 同时也代表无符号数溢出 无进位或借位 CF 0 也代表无符号数未溢出 PF ParityFlag 奇偶校验标志 D2位 执行结果的低8位中有偶数个 1 时 PF 1 否则PF 0 机器中传递信息时 对产生的代码出错情况提供检测条件 标志寄存器 二 AF AuxiliaryFlag 辅助进位标志 D4位 执行结果的低4位向高4位有进位或借位时 AF 1 否则AF 0 一般用在BCD码运算中 ZF ZeroFlag 零标志 D6位 如运算结果为零 ZF 1 如运算结果不为零 ZF 0 标志寄存器 三 SF SignFlag 符号标志 D7位 如运算结果为负数 SF 1 如运算结果为正数 SF 0 OF OverflowFlag 有符号数的溢出标志 D11位 如带符号数在进行算术运算时产生了溢出 OF 1 如无溢出 OF 0 溢出表示运算结果已经超出有符号能够表示的数值范围 溢出时 将造成运算错误 标志寄存器 四 例如 3AH 7CH B6H就是58 124 182 已经超出 128 127范围 产生溢出 而补码B6H的真值是 74 显然运算结果不正确 判断溢出的方法 V D7C D6C V 1 表示有溢出 V 0 表示无溢出 根据参加运算的两个数符号及运算结果符号判断 利用双进位状态来判断 即符号位相加的进位状态 数值部分的最高位相加的进位状态 出现以下四种情况之一 正加正得负 正减负得负 负加负得正 负减正得正 例2 1 58H 3CH 94HSF 1 PF 0 ZF 0 OF 1 CF 0 AF 1例2 2 0039H FCE8H 0351HSF 0 PF 0 ZF 0 OF 0 CF 1 AF 0例2 3 35H CBH 00HSF 0 PF 1 ZF 1 OF 0 CF 1 AF 1 标志位填充举例 例2 4 若CPU执行5439H 476AH加法运算指令 那么 指令执行后有 SF 1 ZF 0 PF 1 AF 1 CF 0 OF 1 0101010000111001B 0100011101101010B 1001101110100011B 例2 5 若CPU执行543AH FE00H减法运算指令 那么 指令执行后有 SF 0 ZF 0 PF 1 AF 0 CF 1 OF 0 0101010000111010B 1111111000000000B 0101011000111010B 控制标志位 控制CPU的操作 由程序设置或清除 DF DirectionFlag 方向标志 D10位 控制数据串操作指令的步进方向 若用指令STD将DF 1 数据串操作过程中地址自动递减 若用指令CLD将DF 0 则地址自动递增 标志寄存器 五 IF InterruptFlag 中断允许标志 D9位 控制可屏蔽中断 若用指令STI将IF 1 允许接受外部从INTR引脚发来的可屏蔽中断请求 若用指令CLI将IF 0 禁止接受外部发来的可屏蔽中断请求 IF的状态不影响非屏蔽中断 NMI 请求 也不影响CPU响应内部的中断请求 标志寄存器 六 TF TrapFlag 跟踪 陷阱 标志 D8位 为方便调试程序而设置的 若TF 1 CPU处于单步工作方式 若TF 0 正常执行程序 标志寄存器 七 一 存储器地址空间和数据存储格式 8086 8088的存储器都是以字节 8位 为单位组织的 它们具有20条地址总线 所以可寻址的存储器地址空间容量为 约 字节 每个字节对应一个唯一的地址 地址范围为 1 用16进制表示为00000 FFFFFH 如下图所示 2 4内存地址组织及存放次序 存储器内两个连续的字节 定义为一个字 一个字中的每个字节 都有一个字节地址 字的地址指低字节的地址 每个字的低字节 低8位 存放在低地址中 高字节 高8位 存放在高地址中 各位的编号方法是最低位 LSB 为位0 一个字节中 最高位 MAS 编号为位7 一个字中最高位的编号为位15 这些约定如下图所示 字数据在存储器中存放的格式如图所示 例如 10000H 12H 10001H 34H 10002H 56H 10003H 78H 按字读则 10000H 3412H 按双字读则 10000H 78563412H 8086 8088允许字从任何地址开始 字的地址是偶地址时 称字的存储是对准的 若字的地址是奇地址时 则称字的存储是未对准的 8086CPU数据总线16位 对于访问 读或写 字节的指令 需要一个总线周期 对于访问一个偶地址的字的指令 也是需要一个总线周期 而对于访问一个奇地址的字的指令 则需要两个总线周期 CPU自动完成 8088CPU数据总线8位 无论是字 还是字节数据存取操作 也无论是偶地址的字 还是奇地址的字 每一个总线周期只能完成一个字节的数据存取操作 对字数据所组成的连续两个总线周期是由CPU自动完成的 二 存储器的分段和物理地址的形成 1 为什么要分段 8086 8088CPU有20条地址线 A19 A0 能寻址存贮空间为 1MB 而在8088 8086CPU内部能向存贮器提供地址码的地址寄存器 均为16位 用16位地址寄存器给外部存贮器提供地址 只能提供 64K个地址 显然 对1MB地址寻址不完 为了使8088 8086CPU能寻址到存贮器1MB空间中任何一个单元 8088 8086巧妙地采用了地址分段方法 将1MB空间分成若干个逻辑段 从而将寻址范围扩大到了1MB 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 1MB的存贮空间中 每个存贮单元的实际地址编码称为该单元的物理地址 用PA表示 2 分段 各逻辑段的起始地址必须能被16整除 即一个段的起始地址 20位物理地址 的低4位二进制码必须是0 把1MB的存贮空间划分成若干个逻辑段 每段最多64KB 系统内用于存放段地址的寄存器只有16位 无法存放20位的段起始地址信息 既然段的起始地址低4位一定为0 所以干脆就不予保存 也就是说段寄存器中保存的段地址为该段的段的起始地址的高16位 也称为段基址 段的起始地址则为段地址 16 10H 段内的每个存贮单元 可以用相对于本段的起始地址的偏移量来表示 这个偏移量称为段内偏移地址 也称为有效地址 EA 段内偏移地址也用16位二进制编码表示 所以 在一个段内有 64K个偏移地址 即一个段最大为64KB 问题1 8086最少可以分为多少个段 2 8086最多可以分为多少个段 3 下列地址哪些可能是一个段的开始地址 134546H 23440H 67828H 1FF30H 注意 段和段之间可以连续 可以不连续 也可以重叠 把1MB的存贮空间分成若干个逻辑段以后 对一个段内的任意存贮单元 都可以用两部分地址来描述 一部分地址为段地址 段基址 另一部分为段内偏移地址 有效地址EA 段地址和段内偏移地址都是无符号的16位二进制数 常用4位十六进制数表示 这种方法表示的存贮器单元的地址称为逻辑地址 3 物理地址 PA 的形成 逻辑地址的表示格式为 段地址 偏移地址 已知某存储单元的逻辑地址 怎样求该单元的物理地址PA 物理地址 段地址10H 段内偏移地址 8086 8088CPU中的BIU单元的地址加法器 用来完成物理地址的计算 其计算方法如图所示 物理地址的形成 190 16位段基址 16位段内偏移地址 16位段基址0000 20位物理地址 190 15段寄存器0 15EA0 例1 某单元的逻辑地址为4B09H 5678H 则该存储单元的物理地址为 物理地址 PA 段地址10H EA 4B09H10H 5678H 4B090H 5678H 50708H 物理地址计算举例 注意 存储单元的物理地址唯一 但逻辑地址可以有多个 74 M 偏移量 实际地址 段地址 段地址 15H 1123H 1124H 05H 例如 如右图 物理地址为11245H的单元 可从两个部分重叠的段中得到 段地址 1123H偏移地址 15H实际地址 11230H 15H 11245H 段地址 1124H偏移地址 05H实际地址 11240H 05H 11245H 物理地址和逻辑地址 例2 物理地址为00020H单元 其逻辑地址可以有 0002H 0000H 一个存储单元 其PA是唯一的 但可用不同的逻辑地址表示 段地址有段寄存器提供 一个存储单元用逻辑地址表示后 CPU对该单元的寻址就应提供两部分地址 段地址 段内有效地址 段内偏移地址由下列地址寄存器提供 BXBPSIDI CPU对存储器进行数据读 写操作时 由这些寄存器以某种寻址方式向存储器提供段内偏移地址 三 信息的