第1章.-微机系统导论.ppt

第1章微机系统导论,电子计算机是20世纪最新科技成就之一。自从1946年第一台电子计算机问世以来，随着计算机逻辑元件的不断更新，它已经历了电子管、晶体管、集成电路以及大规模、超大规模集成电路四代发展时期。微型计算机(简称微机)是第四代电子计算机向微型化方向发展的一个非常重要的分支。,晶体管,分立元件电路,Intel第一个微处理器4004微处理器的应用,分类和组成,形式多样，种类繁多从用途划分通用，专用包括：运算器、控制器、输入设备、输出设备、总线,学习内容和方法,集成电路（芯片）使用方法的学习，包括微处理器及外围芯片。（8086/8088）这些芯片组成微机的原理汇编编程方法（8086/8088）接口的多样性需要一些数字电路、计算机原理的基础知识不适合自学，课前看一遍内容，实验，作业,参考书,参考书有很多，各种“微型计算机原理与接口技术”的书1、BarryB.Brey,“TheIntelMicroprocessors8086/8088PentiumProcessorsArchitecture，ProgramingandInterfacing”（有中译本）2、戴梅萼、史家权，微型计算机技术与应用从16位到32位清华大学出版社3、The8086FamillyUsersManual4、TomShanleyetc.“PentiumProcessorSystemArchitecture”5、新编16/32教学指导与习题祥解,本章首先从总体上说明微机系统组成的基本概念，并对硬件系统和软件系统两大部分的具体组成予以简要介绍；然后,重点讨论典型的单总线微机硬件系统构，微处理器组织及各部分的作用，存储器组织及其读写操作过程；在此基础上，将微处理器和存储器结合起来组成一个最简单的微机模型，通过具体例子说明微机的运行机理与工作过程；最后给出评价微机系统性能的主要性能指标。,微机系统导论,1.1微机系统组成,1.2微机硬件系统结构,1.3微处理器组成,1.4存储器概述,1.5微机工作过程,1.6微机系统的主要性能指标,1.1微机系统组成,一、几个基本定义(一)微处理器微处理器简称P或MP(Microprocessor)是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器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。有时为区别大、中、小型中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)与微处理器，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。,(二)微型计算机微型计算机简称C或MC，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。,(Microcomputer),(三)微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputersystem)简称CS或MCS，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。,二、微型计算机系统的组成微型计算机系统由硬件和软件两个主要部分组成。,(一)硬件微处理器，存储器(主存或内存)，输入输出(IO),目前，最流行的实际微机硬件系统一般都是由主机板（包括CPU、CPU外围芯片组、主存储器RAM、BIOS芯片与总线插槽）、外设接口卡(如显卡、声卡、网卡)、外部设备（如硬盘、光驱、显示器、打印机、键盘、调制解调器与鼠标）以及电源等部件所组成。,(二)软件计算机软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。,操作系统是一套复杂的系统程序,用于提供人机接口和管理、调度计算机的所有硬件与软件资源。它所包含的系统程序的具体分类尚不完全统一。其中，最为重要的核心部分是常驻监控程序。计算机开机后，常驻监控程序始终存放在内存中，它通过接收用户命令，并启动操作系统执行相应的操作。,操作系统包括IO驱动程序和文件管理程序。前者用于执行IO操作;后者用于管理存放在外存(或海量存储器)中的大量数据集合。当用户程序或其他系统程序需要使用IO设备时,通常并不是由该程序执行操作,而是由操作系统利用IO驱动程序来执行任务。文件管理程序与IO驱动程序配合使用，用于文件的存取、复制和其他处理。此外，系统软件还可以包括各种高级语言翻译程序、汇编程序、文本编辑程序以及辅助编写其他程序的程序。,应当指出，硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成微型计算机系统，缺一不可。现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上互相促进。人是通过软件系统与硬件系统发生关系的。通常，由人使用程序设计语言编制应用程序，在系统软件的干预下使用硬件系统。,1.2微机硬件系统结构微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。一种典型的微机硬件系统结构如图1.4所示。图中,用系统总线将各个部件连接起来。,系统总线是用来传送信息的公共导线,它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。通常，根据所传送信息的内容与作用不同.可将系统总线分为3类：数据总线DB(DataBus)，地址总线AB(AddressBus)，控制总线CB(ControlBus)。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。,目前采用的总线结构可分为单总线、双总线和双重总线,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，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。,双重总线结构有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。,1.3微处理器组成,微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3部分组成。,一、运算器运算器又称为算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit),用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。参加运算的两个操作数，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。,二、控制器(一)指令寄存器IR(InstructionRegister)存放从存储器取出的将要执行的指令。(二)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。(三)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。,三、内部寄存器通常，内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄存器组。(一)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，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作；运算后，用来保存结果。,(二)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。,(三)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。,(四)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。,(五)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。,1.4存储器概述,一、基本概念存储器是微机的存储和记忆部件，用来存放程序和数据（包括原始数据、中间结果与最终结果）。在计算机内部，程序和数据都是用0、1二进制代码的形式来表示的。每一个0或1就叫做1位信息。,在计算机中，一般将位二进制代码作为一个字节（Byte）,再用2个字节组成一个字（Word）来标识16位数据的长度。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。,二、存储器组成现假定存储器由256个单元组成，每个单元存储8位二进制信息,即字长为8位，其结构简图如图所示。这种规格的存储器，通常称为2568位的读写存储器。,随机存取存储器由存储体、地址译码器和控制电路组成。一个由8根地址线连接的存储体共有256个存储单元，其编号从00H(十六进制表示)到FFH，即从00000000到11111111。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。控制电路用来控制存储器的读写操作过程。,三、读写操作过程从存储器读出信息:假定CPU要读出存储器04H单元的内容10010111(1)CPU的地址寄存器AR先给出地址04H并将它放到地址总线上,经地址译码器译码选中04H单元;,(2)CPU发出“读”控制信号给存储器,指示它准备把被寻址的04H单元中的内容97H放到数据总线上;(3)在读控制信号的作用下,存储器将04H单元中的内容97H放到数据总线上,经它送至数据寄存器DR,然后由CPU取走该内容作为所需要的信息使用。,向存储器写入信息:假定CPU要把数据寄存器DR中的内容00100110即26H写入存储器08H单元,则：(1)CPU的地址寄存器AR先把地址08H放到地址总线上,经地址译码器选中08H单元；,(2)CPU把数据寄存器中的内容26H放到数据总线上;(3)CPU向存储器发送“写”控制信号,在该信号的控制下,将内容26H写入被寻址的08H单元。,1.5微机工作过程,微机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成,因此,执行程序的过程，就是执行指令序列的过程,即逐条地执行指令;由于执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段,所以,微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的过程。,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。,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;然后由指令译码器译码，控制器就发出相应的控制信号,CPU便知道该条指令要执行什么操作。在取指阶段结束后，机器就进入执指阶段,这时,CPU执行指令所规定的具体操作。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。,取指阶段都是由一系列相同的操作组成的,所以,取指阶段的时间总是相同的，它称为公操作。而执指阶段将由不同的事件顺序组成,它取决于被执行指令的类型，因此,执指阶段的时间从一条指令到下一条指令变化相当大。应当指出的是，指令通常包括操作码(OperationCode)和操作数(Operand)两大部分。操作码表示计算机执行什么具体操作,而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。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14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。,例子计算3+2=？在编写程序之前,必须首先查阅所使用的微处理器的指令表(或指令系统),它是某种微处理器所能执行的全部操作命令汇总.不同系列的微处理器各自具有不同的指令表。人们给每条指令规定了一个缩写词,或称作助记符。机器码用二进制和十六进制两种形式表示，计算机和程序员用它来表示指令。,根据指令表提供的指令，用助记符形式和十进制数表示的加法运算的程序可表达为:MOVA,3ADDA,2HLT模型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。因此，必须按二进制数的形式来写程序，即用对应的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。MOVA,3变成10110000；操作码(MOVA,n)00000011；操作数(3)ADDA,2变成00000100;操作码(ADDA,n)00000010;操作数(2)HLT变成11110100；操作码(HLT),整个程序是3条指令5个字节。由于微处理器和存储器均用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5个存储单元。假设我们把它存放在存储器的最前面5个单元里，则该程序将占有从00H至04H这5个单元。,当程序存入存储器以后,微机内部执行程序的具体操作过程。开始执行程序时,必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址00H,然后就进入第1条指令的取指阶段。操作过程:,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。注意，此时AR的内容并没有变化。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。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。,经过对操作码B0H译码后，CPU就“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。取指令第2字节的过程如图所示。,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。但这时AR中的内容01H并未变化。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。,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;并进入第2条指令的取指阶段。,取第2条指令的过程如图1.13所示.它与取第1条指令的过程相同.,执行第2条指令，必须取出指令的第2字节。取第2字节及执行指令的过程如图1.14所示。,把PC的内容03H送到地址寄存器AR。当把PC的内容可靠地送到AR后，PC自动加1。AR通过地址总线把地址号03H送到地址译码器，经过译码，选中相应的03H单元。CPU发出读命令。在读命令控制下，把选中的03H单元中的内容即数02H读至数据总线上。数据通过数据总线送到数据寄存器DR。,因在对指令译码时,CPU已知读出的数据02H为操作数，且要将它与已暂存于A中的内容03H相加，故数据由DR通过内部数据总线送至ALU的另一输入端I2。A中的内容送ALU的输入端I1，且执行加法操作。把相加的结果05H由ALU的输出端O又送到累加器A中。至此,第2条指令的执行阶段结束,A中存入和数5H,而将原有内容03H冲掉。接着，就转入第3条指令的取指阶段。,程序中的最后一条指令是HLT。可用类似上面的取指过程把它取出。当把HLT指令的操作码F4H取入数据寄存器DR后,因是取指阶段,故CPU将操作码F4H送指令寄存器IR,再送指令译码器ID;经译码，CPU“已知”是暂停指令，于是,控制器停止产生各种控制命令，使计算机停止全部操作。这时,程序已完成3+2的运算，并且和数5已放在累加器中。,1.6微机系统的主要性能指标,一个实际的微机系统,它所包括的硬件和软件数量各不相同，究竟应包括多少，要根据应用场合对系统功能方面的要求来配置。对一般用户来说，最关心的是能为自己配置一套物超所值的实用微机系统。通常的经典配置应包括主板+CPU、硬盘、显示器、显示卡、声卡与光驱等多媒体套件、内存以及机箱等主要选项。微机系统的性能则由它的主板与CPU、外设配置、总线结构以及软件配置等多种因素所决定，因此，应当用各项性能指标进行综合评价,其中,微处理器性能是一个主要的因素。,一、主板的结构与性能,主板(MotherBoard)又称为母板、主机板、系统板等，它是微机硬件系统中最重要的部件，其结构与性能如何将直接影响到微机各个部件之间的相互配合及其整体性能。在主板上，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,最新结构的主板为NLX。,主板的主要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、电压范围；(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；(7)主板的电压输出范围。,二、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。,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。5iCOMPiCOMP(IntelComparableMicroprocessorPerformance)是衡量Intel系列微处理器性能的综合指数。,6SPECmarkSPECmark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。,三、硬盘的性能指标容量、速度和安全性目前硬盘的速度有3600/4500/7200/10000RPM(转/分)等几种，硬盘的缓存一般都已开始配备2MB或以上的大容量缓存.安全性主要涉及到提高抗外界震动或抗瞬间冲击以及数据传输纠错两个性能。四、允许配置的外设数量允许挂接的外设数量越多，微机的功能越强。五、总线的性能指标总线结构是微机性能的重要指标之一。由于CPU是通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据传输，因此，在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度成为制约计算机整体性能的关键,总线的主要性能指标包括：1总线的带宽总线的带宽是指单位时间内总线上可传输的数据量，以MB/s为单位。2总线的位宽总线的位宽是指总线能同时传输的数据位数，如通常所说的16位、32位、64位等总线宽度。在工业频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。3总线的工作频率总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。它是指用于协调总线上的各种操作的时钟频率。工作频率越高则总线带宽越宽。三者的关系示如下：总线带宽=(总线位宽/8)x总线工作频率(MB/s),微型计算机的发展概况,Intel系列微处理器,Intel系列微处理器,1974年第一个通用8位微处理器8080诞生。8085将8080的三片结构集成为一片，并优化。8085与其它器件接口方便且中断系统功能完善等特点，在很长时间内被广泛地应用在计算机控制系统当中。8080和8085奠定了80 x86系列的雏形。,Intel80808085,1978年，80 x86第一代16位微处理器。第一次将流水线思想引进微处理器：指令级流水。存储器分段管理机制引入处理器，扩大寻址能力。只有整数运算指令。可配套协处理器8087、I/O处理器8089，具备较强大计算能力和I/O处理能力。推出8088，8位外部数据总线，兼容丰富的8位配套器件，8088内部与8086结构基本相同。基于8088微处理器的IBMPC-XT以及兼容系统。,Intel8086,1982年，80286诞生，16位处理器，80286在性能上比8086有了很大的提高。80286将存储器的保护管理模式引入CPU的体系结构，从80286开始，处理器支持实地址模式和虚拟保护模式。基于80286的IBM个人计算机即IBMPC/AT。,Intel80286,85年，是第一个32位微处理器，内部寄存器均为32位，32根地址线，最大地址空间为4G字节。在处理器内部，80386增加了系统管理等专用寄存器，集成了规范的存储管理部件，并按照速度的不同，采用了分级的总线结构。80386也是第一个支持片外Cache的CPU。因此，基于386的微计算机系统，总体性能上有了很大提高。,Intel80386,80486将8M字节的Cache集成在处理器芯片内部，极大的提高存储器访问的速度。486采用了取指、两级译码、执行和写回五级流水，流水线上多数指令的执行仅需一个时钟就能完成。首批486的主频从386DX的20MHz仅提高到了25MHz，指令的执行速度却提高了3倍多，从386的6MIPS（每秒百万指令流）提高到20MIPS。从80486开始，数值运算协处理器被集成在主处理器内部。,Intel80486,九十年代初的Pentium微处理器：32位，外部数据总线宽度64位。内部集成了独立的8KB代码Cache和8KB数据Cache，避免取指和读写操作数时产生的Cache访问冲突。Pentium采用了超标量流水线和指令分支预测技术，集成了高性能的浮点处理单元。多数情况下，超标量流水线每个时钟周期可以执行两条整型指令和一条浮点处理指令。整数处理能力比486提高2倍，浮点处理能力比486提高510倍。相同频率（100MHz）的Pentium比