微机原理与接口课件-第1章__微型计算机的结构及工作原理.ppt

第1章微型计算机的结构及工作原理,微型计算机的发展概述微型计算机组成原理CPU内部结构及微机的工作过程微型计算机的主要性能指标及典型配置微型计算机的运算基础,1.1微型计算机的发展概述,1.1.1计算机的发展简史,1946年，电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国（宾夕法尼亚大学）诞生。,它装有18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦。,计算机发展经历四代,第一代计算机：电子管计算机1946年以电子管为逻辑元件第二代计算机：晶体管计算机1954年以晶体管为逻辑元件第三代计算机：集成电路计算机1964年以中、小规模集成电路为逻辑元件第四代计算机：大规模集成电路计算机1970年以超大规模集成电路为逻辑元件第五代计算机：智能计算机（非冯.罗依曼机）,1.1.2微型计算机的发展,微型计算机的发展经历了五代,第一代微型计算机：1971年（4位和低档8位CPU）第二代微型计算机：1973年（中高档8位CPU）第三代微型计算机：1978年（16位CPU）第四代微型计算机：1985年（32位高档CPU）第五代微型计算机：1993年（64位高档CPU）,第一代微型计算机：1971年（4位和低档8位CPU）,典型产品：Intel4004（1971年，4位CPU），Intel8008（1972年，8位CPU）,工艺：PMOS集成度：2000个晶体管/片时钟频率：小于1MHz平均指令执行时间：1015s采用机器语言编程。,特点：,第二代微型计算机：1973年（高档8位CPU）,典型产品：Intel8080（1973年），MotorolaMC6800（1974年），ZilogZ80（1975年），Intel8085（1976年）,工艺：NMOS集成度：9000个晶体管/片时钟频率：24MHz平均指令执行时间：12s除汇编语言外，也可使用高级语言（BASIC、FORTRAN、PASCAL）等。,特点：,第三代微型计算机：1978年（16位CPU）,典型产品：Intel8086/8088，ZilogZ8000，MotorolaMC68000，Intel80286,工艺：HMOS集成度：2万7万个晶体管/片时钟频率：425MHz平均指令执行时间：0.5s具有丰富的指令系统，多级中断系统，还有功能较强的系统软件。,特点：,第四代微型计算机：1985年（32位高档CPU）,典型产品：Intel80386，Intel80486,工艺：CHMOS集成度：15万50万个晶体管/片时钟频率：16100MHz平均指令执行时间：0.1s其中，80386CPU数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高达4G字节，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。有快速局部总线，有一套支持的配件。,特点：,第五代微型计算机：1993年（64位高档CPU）,典型产品：PowerPC、IntelPentium、Itanium,第五代微处理器使人们对图形图象，实时视频处理，语音识别，CAD/CAM，大规模财务分析，大流量客户机服务器应用等成为可能。,Intel2004年2月1日发布基于Prescott核心的第三代Pentium4处理器。采用0.09微米的制造工艺，拥有一亿两千五百万个晶体管，管线也增加到了31级。配备1MB二级缓存，16KB的数据缓存。,2005/02/21：P46XX发布起跳频率为3.2GHz，L2Cache2MB，售价为215欧元,1.1.3微型计算机发展趋势,CPU速率将继续提升，个人计算机将具有原来的高性能服务器所具有的处理能力。高性能计算机采用分布式共享存储结构。计算机将采用更先进的数据存储技术。外设将走向高性能、网络化和集成化并且更易于携带。输入/输出技术将更加智能化、人性化，人与计算机的交流将更加便捷。,1.2微型计算机组成原理,一个计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统包括五个基本组成部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。软件系统包括计算机运行所需要的系统软件和用户为解决各种实际问题编制的各种应用软件。,程序,数据,处理,结果,1.2.1微型计算机系统组成,一、微型计算机硬件系统,输入设备,输入接口,运算器ALU,控制器,寄存器阵列,CPU芯片,输出接口,输出设备,存储器,1.微处理器MPU（MicroprocessorUnit）,微处理器只是一个中央处理器(CPU)，由三部分组成：运算器，控制器，内部寄存器阵列。,运算器：即算数逻辑部件（ALU）。控制器：整个CPU的指挥控制中心。包括指令寄存器、指令译码器和定时控制电路。内部寄存器阵列：用以存放参加处理和运算的操作数，存放数据处理的中间结果和最终结果等。由多个功能不同的寄存器构成。,2.存储器（Memory）,存储器是微机的存储和记忆装置。用来存储数据、程序、中间结果和最终结果等数字信息。,(1)内部存储器和外部存储器,内部存储器通常采用半导体存储器，与CPU一起放在系统的主板上。又称为主存储器。用于存放当前正在运行的程序和正待处理数据。(CPU内部cache，造价高，速度快，存储容量小)外部存储器是设置在计算机主机外部的存储器。存放暂不运行的程序和输入处理的数据。(造价低，容量大，可长期保存，但速度慢),(2)内存单元的地址和内容,计算机的内存用来存放数据和程序。内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放一组二进制数。微机中规定每个内存单元可存放8位二进制数，即一个字节（Byte，简写为B）的二进制信息。一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容。,内存容量就是它所能包含的内存单元的数量，也就是存储器存储信息量的大小。存储容量用字节作为单位来衡量。,1KB=210B=1024B1MB=1024KB=220B称为1兆字节1GB=1024MB=230B称为1吉字节1TB=1024GB=240B称为1特字节,为了区分各个不同的内存单元，就给每个存储单元编上不同的号码，即内存地址。内存单元的内容与内存单元的地址在表现形式上都是二进制数，但本质上它们是两个完全不同的概念。,地址,存放内容二进制表示,十六进制表示,00000H,11000010,11000010,00001H,C2H,18H,00010010,00008H,12H,00110100,00009H,34H,01110000,FFFFFH,70H,在机器里，地址用二进制数表示，书写格式为十六进制数。,内存单元的地址是00008H，而对应的内存单元的内容是12H，可表示为（00008H）=12H。,(3)内存的基本操作,3.输入设备和输出设备,输入设备是把程序、数据、命令转换成计算机所能识别接收的信息，输入给计算机，常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。输出设备把CPU计算和处理的结果转换成人们易于接受和阅读的形式，输出到外部，常用的输出设备有CRT显示器、打印机和绘图仪等。,？,磁盘、光盘属于输入设备还是输出设备？,4.输入/输出接口,二、微型计算机硬件系统连接结构,微处理器MPU包含运算器和控制器，是微机系统的核心部件。称为中央处理单元(CPU),存储器用来存放数据和程序；分为只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)和随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory),输入输出接口又称为I/O接口(Input/Outputinterface)，是微机系统与外部设备交换信息的电路和通道。,总线(BUS)就是把多个装置或功能部件连接起来，用于各功能部件之间信息传送和数据交换的一组公共通信线路。在CPU、存储器、I/O接口之间传输信息的公共通信线路称为系统总线。,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),1.地址总线（AddressBus）,传送地址信息、CPU在地址总线（AB）上输出将要访问的内存单元或I/O端口输出地址信息，与数据总线相结合，用以确定数据的来源和数据的目的。该总线为单向，其位数决定了外接存储器最大的存储容量。例如Z80CPU共有16条地址线A15A0，可寻址范围为216=64KB，对应的地址范围为0000HFFFFH。8086CPU共有20条地址线A19A0，其寻址范围为220=1MB（1024KB），对应的地址范围为00000HFFFFFH。,2.数据总线（DataBus）,用于在CPU与存储器和I/O接口之间传输数据信息，CPU可以通过数据总线DB从内存或者输入设备读入数据，又可通过DB把数据送到内存和输出设备，因此是双向的。,3.控制总线（ControlBus）,用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。,三、微型计算机软件系统,微机的软件是为运行、管理、测试和维护计算机而编制的各种程序的总和以及应用程序编写的各种文件。依据功能的不同，软件可分为系统软件和应用软件两大类。为了使用和管理计算机的编制的各种软件统称为系统软件。应用软件是由用户利用计算机及其系统软件编制的为解决各种工程实际应用问题的程序。,1.2.2微型计算机分类,以CPU为核心，通过总线（BUS）把I/O接口电路、CPU和半导体存储器（ROM、RAM）有机地结合在一起，即构成一台计算机的物理装置，称为微型计算机，简称为MC（或C）。,按处理器同时处理数据的位数或字长分：,4位机、8位机、16位机、32位机、64位机,按结构类型分：,一、微型计算机（MicroComputer）,把微处器芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入/输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。特点：结构紧凑、使用简单、成本低。应用：过程控制。,1.单板机（Single-BordMicroComputer）,2.单片机（Single-ChipMicroComputer或MicroControllerUnit）,将CPU、ROM、RAM（数量有限）和I/O接口电路以及内部系统总线等全部集中在一块大规模集成电路芯片上，这样一个集成块就构成一个具备基本功能的计算机，它具有完整的微型计算机的功能，称为单片机。特点：超小型、高可靠性、价格低廉。应用：家用电器、智能化仪表、工业测量。,3.多板机,4.个人计算机(PC),PC是一种将一块主机母板（含有CPU、内存、I/O接口芯片）、若干I/O接口卡、外部存储器、电源等部件组装在一个机箱内，并配置显示器、键盘、打印机等基本外设所组成的计算机。,微型计算机配上外设和各种丰富的系统软件就构成一个微机系统。,二、微型计算机系统（MicroComputerSystem）,1.3CPU内部结构及微机的工作过程,1.3.1典型的CPU内部结构,一、运算器,二、控制器,三、内部寄存器,以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算,存放运算操作数和结果,根据指令发出控制信号,临时存放单元：暂时存放数据和地址,指示栈项地址,存放下一条要执行的指令的地址,寄存ALU操作结果的状态,1.3.2微型计算机工作过程,一、指令与程序,指令是规定计算机执行特定操作的命令。通常条指令包括两部分：操作码和地址码。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；地址码指明参加上述规定操作的数据存放地址或操作数。,微型计算机每执行一条指令都是分成三个阶段进行：取指令（Fetch）、分析指令（Decode）和执行指令（Execute）。,取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自动加1指向下一条指令地址。分析指令阶段的任务是将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令阶段的任务是取出操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。微型机程序的执行过程实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个机器的运行。,二、指令举例,ORG1000HMOVA，5CHB0H5CHADDA，2EH04H2EHJO100AHCAH0AH10HMOV0200H，AA2H00H02HHLTF4H,汇编语言源程序,对应机器码,指令执行过程图,CB,AB,DB,地址译码,读控制,MOVAL，5CHADDAL，2EH,1,1.4微型计算机的主要性能指标及典型配置,1.4.1微型计算机的主要性能指标,计算机内部一次可处理的二进制数的位数。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。字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快。,1.字长,常用平均运算速度MIPS(MillionsofInstructionPerSecond)和CPU的主频表示。主频：微处理器运行的时钟频率。,2.运算速率,3.内存储器容量,微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量(内存条容量)。,6.总线的性能,5.外部配置,4.指令系统,1.4.2微型计算机硬件系统的典型配置,一、系统主板,CPU,PC插槽,RAM,总线驱动,ROM,接口芯片,电源,键盘,CPU插槽,内存插槽,ROMBIOS,ISA插槽,AGP插槽,PCI插槽,并口连接器,串口连接器,IDE接口,软驱接口,USB接口,鼠标键盘,主板电源插座,二、I/O接口卡,声卡,显卡,三、显示器,四、硬盘,五、软盘驱动器,六、光盘存储器,1.5微型计算机的运算基础,1.5.1无符号数的表示方法,一、进位数制,二进制(Binary)八进制(Octal)十进制(Decimal)十六进制(Hexadecimal),二进制：B八进制：O或Q十进制：D或省略十六进制：H,1.十进制数,(1)有十个不同的数字符号：0,1,2,9。(2)遵循“逢十进一”原则。,一般地，任意一个十进制数ND都可以表示为：ND=Dn-110n-1+Dn-210n-2+D1101+D0100+D-110-1+D-210-2+D-m10-m=,Di10i,i=-m,n-1,整数部分,小数部分,式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i称该位的权，Di表示第i位的数码。Di的范围为09中的任意一个数。,设基数用R表示，则对于二进制，R=2，n为0或1，逢二进一。ND=对于八进制，R=8,n为07中的任意一个，逢八进一。NQ=对于十六进制，R=16,n为09、A、B、C、D、E、F共16个数码中的任意一个，逢十六进一。NH=,2.其他数制,Di2i,i=-m,n-1,Ai8i,i=-m,n-1,Hi16i,i=-m,n-1,1101.001B=(1101.001)2=123+122+021+120+02-1+02-2+12-3=(13.125)10=13.125,十进制数、二进制数、十六进制数之间的关系如下表所示：,1二、八、十六进制数十进制数,这种转换只需将二、八、十六进制数按权展开，相加求和，计算出数值，即可得到其对应的十进制数。,二、进位数制之间的转换,2.十进制数二、八、十六进制数,(1)十进制数转换成二进制数,整数部分：除2取余法。,例：将十进制数125转换成为二进制数。,125,62,2,2,31,2,15,0,2,2,2,2,7,3,1,余数,1,0,1,1,1,1,1,转换结果125=1111101B,高位MSD,低位LSD,例：将十进制数0.8125转换成二进制小数。,小数部分：乘2取整法,整个转换过程如下：0.8125整数21.6251高位0.62521.2510.2520.5000.5021.01低位转换结果为：(0.8125)10(0.1101)2,延伸：,将十进制数转换为N(二、十六、八)进制数时，整数与小数分别按“除N取余法”与“乘N取整法”进行转换。而N进制数转换为十进制数均可按权展开相加得到。,1.5.2带符号数的表示方法,一、机器数与真值,字长为8位：,在机器中，用二进制数表示有符号数，用最高位表示符号，其余的为数值位，这样一组连同符号也编码化的二进制数称为机器数，机器数所代表的数值大小成为机器数的真值。,例：当机器字长n=8时，写出X1=+42，X2=91的真值和机器数。,X1真=+101010B=+42X2真=1011011B=91X1的机器数为00101010BX2的机器数为11011011B,二、机器数的原码、反码、补码,1.原码表示法（TrueForm）,，后面n-1位是该数,的绝对值。,特点：,最高位为符号位，正数为0，负数为1。(2)8位二进制原码能表示的数值范围为：127+127。(3)“0”有+0和0之分，若字长为八位，则：(+0)原00000000，(0)原10000000。,+4原=00000100B,4原=10000100B,2.反码（OnesComplement）,正数的反码与原码相同，X反=X原，负数的反码等于原码除符号位外，其余各位按位取反。,特点：,最高位为符号位，正数为0，负数为1。(2)8位二进制反码能表示的数值范围为：127+127。(3)“0”有+0和0之分，若字长为八位，则：(+0)反00000000，(0)反11111111。(4)正数的反码与原码相同。负数的反码符号位为1，其数值部分按位取反。,+5原=+5反=00000101B,5原=10000101B,5反=11111010B,3.补码（TwosComplement）,正数的补码表示与原码相同，即X补=X反=X原，最高位为符号位，其余位为数值位；负数的补码等于它的反码加1，即在其反码的最低位加1就为该数的补码。,特点：,最高位为符号位，正数为0，负数为1。(2)“0”仅有一种表示方法，即+0补0补。(3)8位二进制补码能表示的数值范围为：128+127。(4)注意，8位二进制数10000000B，若为补码表示128补，若为原码表示0原，若为反码表示127反。,5原=10000101B,5反=11111010B,5补=111