第1章 微机基础

微机原理与接口技术,湖南科技大学信息与电气工程学院电子信息工程系2015年8月作者：周明辉联系电话Q：106050931,微机原理与接口技术课是工科学生学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接建立微机系统的整机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。,课程目标,本专业培养具备电子信息科学与工程技术、基础理论、受到良好的科学实验训练和科学研究初步训练，丰富的实践技能，德、智、体全面发展，能在电子信息科学与工程技术、计算机科学与技术及相关领域从事科学研究、产品开发、工程设计的高级工程技术人才。具有从事信息工程及跨学科的应用研究、设计、开发以及系统集成的基本能力。,电子信息工程专业培养目标,1、雷丽文主编，微机原理与接口技术，电子工业出版社，2002.62、戴梅萼主编，微型计算机技术及应用，清华大学出版社，19913、周明德主编，微型计算机系统原理及应用，清华大学出版社，1991,主要参考书,平时作业30%期末考试70%,考核方式,学习微机原理与接口技术应注意的问题,1、必须理论联系实际，不需要死记硬背书上的指令和名词解释。2、购买一套单片机实验开发板，8086芯片及其方案在实际使用中不会使用。3、重点了解微处理器架构、输入输出架构、时间相关的东西、中断的过程及架构、HMI及人机接口。4、要掌握电子专业的未来就业趋势和特点。,1.1微计概述,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC电子计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机大规模超大规模集成电路计算机电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机,第一章微机基础,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。,微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的，微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。-摩尔定律,1.1.1微型计算机的发展,8086开创历史、苏联间谍秘密盗版,不管你是否愿意相信，Intel性能强劲的Corei7处理器的内部“基因”三十多年来基本没有发生什么变化。如果你选择的是AMD最强大的PhenomIIX4处理器的话，情况也是一样。那么这个“基因”到底是什么呢？其实大家都知道，那就是我们经常提到的x86处理器架构，它统治了当前几乎所有的桌面电脑以及笔记本电脑市场，从其出生的那一天开始一直到现在，甚至是遥远的未来，x86的地位都会保持不变。,Intel8086（1978年）,频率只有4.77MHz，不过后来推出的产品将频率提升至了10MHz。8086只拥有29,000个晶体管，你知道前苏联曾经通过工业间谍复制生产了8086处理器，在其基础上推出了不同针脚定义的K1810BM86处理器吗？,性能翻倍的286诞生AMD加入竞争（1982年）,基于1.5微米工艺的处理器拥有将近134,000个晶体管，以及16MB内存寻址能力。首款286处理器的频率只有6MHz，不过很快就提升了一倍。如果以频率进行对比，286的性能是8086的2倍，两代处理器之间如此之大的性能差距在此后推出的处理器中再也没有出现过。在当时286几乎就是IBMPC的同名词，推出6年之后，Intel估计全球约有1500万台PC基于286处理器。,比尔.盖茨曾经称286为“死脑子芯片”，因为该处理器不能够在windows环境下运行多个MS-DOS程序。最近Intel和AMD在x86专利授权上闹得有些不愉快，关于两家公司的x86专利问题，我们需要一起回到1982年去了解情况。就是在那一年，AMD获得了允许可以生产和销售8086和8088处理器。而就在第二年，AMD推出了Am286处理器，Intel286纯粹的复制品。两款处理器针脚数都是一样的，所不同的就是Am286处理器的频率要高一些，达到了20MHz。从某个角度来看，Am286的推出可以被视作两家公司在20多年前展开的第一场竞争。,386迈入32位486晶体管突破100万（1985年）,当PC游戏开始流行的时候，Intel386处理器也应运而生。386后来被命名为386DX，为的是与后来推出的低价版386SX区分开来。最初386的频率只有16MHz，之后提升到了33MHz。相比之前的286，386晶体管数量也同样提升了将近一倍，达到了275,000个，而它也是Intel推出的首款32位处理器。386能够最高支持4GB内存。,I48625-100MHz（1989年）,在伟大的80年代快要结束的时候，Intel也为我们带来了极具历史意义的处理器486DX。486DX首度内置了数学协处理器，最初推出的时核心频率为25MHz（后来提升至50MHz)，该处理器也是首款晶体管数量突破100万的处理器，达到了120万。与386一样，486DX同样也支持4G内存寻址，并配备了板载缓存。另外486在桌面台式机以及服务器市场均寻得了用武之地。对于游戏玩家而言，486的出现也为他们带来了更好的体验。,伟大的奔腾诞生开启新命名方式（1993年）,Pentium的推出，相比之前的处理器突破了几个性能瓶颈.主要有64bit总线带宽，2个执行处理器单元以及大幅改善的浮点运算单元以及更高的核心频率。Pentium最初推出的核心频率为60MHz，后来最高频率达到了233MHz。在其生命周期内，Pentium处理器的生产工艺也由0.8微米提升至0.35微米，晶体管的数量由310万个提升至了450万个。,IntelPentiumPro（1995年）,晶体管数量达到了550万个。配备二级缓存（Mac：以往二级缓存均由主板提供），256K-1MB。二级缓存还没有直接集成入处理器核心内部（Mac：虽然就整个处理器而言是封装在一起，但二级缓存部分实际与处理器核心是分离的，也被叫做“双腔封装”）从150MHz-200MHz。,K5源于超人家乡？AMD收购NexGen推K6（1996年）,Pentium系列处理器上并没有再留下让AMD可以许可生产的机会，这也就催生出了K5处理器，这款AMD首款自主研发的新一代处理器。由于设计方面的问题，K5处理器的推出日期一再延迟。最后在1996年AMD终于推出了K5处理器，并且在技术上跑在了Pentium的前面，K5处理器拥有450万个晶体管，5个整数单元以及更大的分枝预测单元以及16KB的缓存。不过遗憾的是K5的核心频率最高只有133MHz，对于Pentium没有造成太大危胁，销售情况不佳。,Kryptonite星,IntelCeleron（1998年）核心频率:266MHz-3.2GHz,MendocinoCeleron，代号300A，由于其可以稳定超频至450MHz在广大超频玩家中奉为经典。,AMDK6-2和K6-2+（1998、1999年）,intelPentiumIII和PentiumIIIXeon（突破1GHz,1999年）,PentiumIIIXeon与桌面版PentiumIII处理器并无太大不同，但拥有更高容量的缓存，并支持四处理器配置。核心频率:450-1.4GHz,AMD让Athlon处理器率先突破了1GHz大关，这让Intel感到很没面子,AthlonThunderbird（速龙雷鸟）是AMD自推出Am386之后最成功的产品。Athlon在希腊语里的意思是“竞争：contest.”,NationalSemiconductorGeode（1999年）,目前最新的Geodes(GeodeNX)处理器基于的是AthlonXPThoroughbred核心，拥有256KL2缓存，核心频率为1G，使用被动式散热。,AMDDuron（钻龙，K7）2000年,赢得性能之王仅仅只是市场竞争的一部分，为了与Celeron进行竞争，AMD于2000年推出了Duron处理器。基本上来说Duron就是阉割版的AthlonThunderbird。早期的Duron前端总线频率较低只有100MHz，并且减少了缓存容量。Duron只拥有64KL2缓存，后来慢慢提升到了256K和512K。核心频率在600MHz950MHz。,P4创频率新高Barton2500+广受欢（2001年）,基于90nm工艺的处理器。不过Prescott的热量实在过高，其带来的性能提升几乎可以忽略不计，而这也使得AMD在同年推出Athlon64后，基本上大获全胜。,AMDAthlon64（2004年）,Athlon64是原生64位处理器，但是依然能够完整兼容支持32位运算。核心频率:1.0GHzto3.2GHzAthlon64总共有5种插槽，分别为754，939，940，AM2和SocketF(1207针)。,AMDAthlon64X2（2006年）,Athlon644000+是Athlon64系列处理器中最后一款单核心处理器。,Intel酷睿重返荣耀AMD推原生四核（2006年）,首款Core2Duo处理器拥有1.67亿个晶体管，基于的是65nm工艺，拥有4ML2缓存，前端总线频率为1,066MHz。虽然Core2Duo的低端型号核心频率只有1.86GHz和2.13GHz(E6300E6400),但是性能却极具吸引力。之后Core2生产工艺又提升至45nm，代表产品是Penryn。四核心Penryn的晶体管数量达到了8.2亿，核心频率也达到了3.2GHz。,AMDPhenom（羿龙2007年）,AMD四核Phenom是首款原生四核处理器,Corei7再上一层楼PhenomII全面强化（2008年）,三款Corei7处理器，分别为Corei7-920，Corei7-940和Corei7-965，三款处理器全部基于45nm生产工艺，拥有7.31亿晶体管，配备了8ML2缓存。Corei7的核心面积为263平方毫米，而Core2是143平方毫米。,IntelAtom“阿童木”抢占低端VIA借Nano回归（2008年）,这款低功耗处理器晶体管数量只有4700万，拥有512KL2缓存，最高核心频率为2.0GHz。虽然也有双核心版产品，但是面向的是桌面产品而不是移动PC。2008年基于Atom处理器的上网本出货量达到了1500万台。,VIANano（2008年）,Nano系列处理器频率在1GHz1.8GHz不等，前端总线频率为533MHz或800MHz。Nano拥有1ML2缓存，支持MMX,SSE,SSE2,SSE3和SSSE3指令。,Intel新一代i7旗舰CPU：8核14nm（2015年8月）,8008808040408086808880186802868038680486奔腾（Pentium）PentiumProPentiumII赛扬（Celeron）奔腾III（PentiumIII）奔腾4（Pentium4）奔腾4至尊版（Pentium4ExtremeEdition）赛扬D（CeleronD）奔腾D（PentiumD）奔腾D至尊版（PentiumDExtermeEdition)酷睿双核IntelCoreDuo酷睿2双核IntelCore2Duo奔腾双核Intelpentiumdual-core酷睿2至尊版IntelCore2Extreme酷睿2四核IntelCore2Quad酷睿2四核至尊版IntelCore2QuadeXtreme赛扬双核IntelCeleronduo-core酷睿i7-四核心（8xx/9xx）/六核心（9xx）处理器酷睿i5-双核心（6xx）/四核心（7xx）处理器酷睿i3-双核心（5xx）处理器奔腾II至强（PentiumIIXeon）奔腾III至强（PentiumIIIXeon）奔腾III服务器（PentiumIIISever）至强（Xeon）安腾（Itanium）安腾2（Itanium2）安腾3（Itanium3）,intel主要型号,1.1.2微型计算机的特点和应用范围,1.1.2.1微型计算机的特点1.1.2.2微型机的应用范围,返回本章首页,1.1.2.1微型计算机的特点,1体积小、重量轻、价格低廉2简单灵活、可靠性高、使用环境要求不高3功耗低,返回本节,1.1.2.2微型计算机的应用,1科学计算2数据处理3办公自动化4过程控制5辅助系统6仿真,返回本节,进位计数制及其相互转换,十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位计数制，进位计数制中用少量数码按次序排列成数位，并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位十进制的两个基本要素。基数是进位计数制中所用数码的个数，基数为r的进位计数制中需要r个数码，每个数位计满r就向高位进一，即逢r进一。在进位计数制表示的数中，同一数字处在不同位置表示不同的值，它所表示的值是该数字乘以一个由它所处位置所决定的常数，这一常数就是该数位所具有的权。r进制数各位的权是以r为底的幂。,1.2计算机中数的表示和编码,进位计数制及其相互转换,任何一个r进制数N可以表示为：,若r=10，则十进制数，其各位的权是以10为底的幂；若r=2，则是二进制数，其各位的权是以2为底的幂；若r=8，则是八进制数，其各位的权是以8为底的幂，八进制中共有八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7；若r=16，则是十六进制数，其各位的权是以16为底的幂，十六进制中共有16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。为了明确表示一个数所采用的进位计数制，可以该数的后面加上下标(B)、(O)、(D)、(H)，分别表示该数为二进制、八进制、十进制和十六进制,进位计数制及其相互转换,r进制数转换为十进制数,按照公式展开求和,例1.分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示,十进制数转换为r进制数,整数部分和小数部分分别进行转换,整数部分的转换步骤：把r写成十进制数；将N除以r，记录商和余数，并用r进制表示余数，这余数便是用r进制表示的数的最低位数字；把上次的商进行中所述除以r取余的运算，用r进制表示余数；重复这种运算直到商为0，这时的余数即为十进制数N用r进制表示时的最高位数字。,十进制数转换为r进制数,例2.把十进制数103用二进制表示例3.把十进制数506用十六进制表示,小数部分的转换步骤：把r写成十进制数；将N乘以r，记录积的整数部分和小数部分，并用r进制表示整数部分，该整数即为转换后r进制小数的最高位；把上次积的小数部分进行中所述乘以r取整的运算，用r进制表示积的整数部分；重复这种运算直到积的小数部分为0，或者达到所要求的位数，这时的整数部分即为十进制数N转换成r进制小数的最低位。,十进制数转换为r进制数,例4.把十进制0.8125用八进制表示,二进制与八进制、十六进制的相互转换,从二进制转换成十六进制时，从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每四位二进制数为一组用一位十六进制的数字来表示，不足四位的用0补足，就是相应十六进制的表示。从二进制转换成八进制时，从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每三位二进制数为一组用一位八进制的数字来表示，不足三位的用0补足，就是相应八进制的表示。,例5.把二进制1011011010111.11101用十六进制表示例6.把八进制数62.31用二进制表示,数值数据的表示,符号数的表示,把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数这种在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。最高位表示符号，数值位用二进制绝对值表示的方法，称为原码表示法一个负数的原码符号位保持不变，其余位取反就是机器数的另一种表示方法，反码表示法。正数的反码与原码相同。将负数的反码加1，则得到机器数的补码表示。正数的补码与原码相同。,补码加减法的运算规则XY补=X补+Y补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。,模（module）就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以进位计数制基数为底，以位数为指数的幂。凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有，X=2n+X(mod2n)不难验证，X补=2n+X(mod2n)因此，XY补=2n+(XY)(mod2n)=(2n+X)+(2n+X)=X补+Y补,补码加减法的运算规则,例7.设X=23，Y=-42，以28为模，用补码运算求X+Y和X-Y。,当运算结果超出补码表示的数值范围时，补码运算就不正确了。这种现象称为溢出。,对于n位补码，当时应用补码运算可以得到正确的结果,无符号数的表示,无符号数的最高位不是符号位而是数值的一部分,浮点数的表示,任意一个二进制实数X都可以表示成如下一般格式：,10.010111012+5的阶码为+5，表示把尾数的小数点向右移动5位就是小数点的实际位置规格化处理：整数部分必须是1,浮点数的表示,Pentium微处理器支持的浮点格式,Pentium将阶码以一种偏置形式存放于格式之中，即将真阶码加上一个常数偏置值才是格式阶码，以保证偏置后的格式阶码恒为正数。单精度的阶码偏置值为+127，双精度的阶码偏置值为+1023，扩展精度的阶码偏置值为+16383。一个浮点数数的真阶码要通过它的格式阶码减去偏置值而得到。,浮点数的表示,例8.写出178.125以单精度浮点数形式存放的机器数。,十进制数的表示,8421BCD码,压缩BCD码的每一位用4位二进制表示，00001001表示09，一个字节表示两位十进制数。非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的00001001表示09。,非数值数据的表示,ASCII码,采用7位二进制代码对字符进行编码数字09的编码是01100000111001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码相符。英文字母AZ的ASCII码从1000001（41H）开始顺序递增，字母az的ASCII码从1100001（61H）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。,美国标准信息交换代码,ASCII码,汉字编码,汉字编码包括输入编码、内码和字模编码，分别用于输入、内部处理和输出。,汉字的输入编码是为了使用西文标准键盘把汉字输入到计算机中，其编码方法主要有数字编码、拼音码和字形编码三类。除了键盘输入以外，利用语音或图象识别技术自动将汉字输入到计算机内的方法也已经实现汉字内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码，它采用两个字节的二进制形式表示一个汉字。为了与英文字符能相互区别，汉字机内代码中两个字节的最高位均规定为l。汉字字模编码是用来描述汉字字形的代码，它是汉字的输出形式。汉字库有点阵字库、TrueType字库、矢量字库等类型,1.3微机的一般概念,1.3.1微型计算机的基本组成和基本工作原理,微型计算机的组成,微型计算机组成结构,P微型计算机典型系统主板结构图,微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,微型计算机系统的三个层次,微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。,微型计算机系统的三个层次：微处理器微型计算机微型计算机系统,微型计算机系统的三个层次,微型计算机的常用术语,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。,微型计算机的常用术语,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。,微型计算机的常用术语,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。,微型计算机的常用术语,4MIPSMIPS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,5iCOMP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。,微型计算机的常用术语,微型计算机的常用术语,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0.18m。,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，目前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。,微型计算机的硬件体系结构,冯诺依曼结构：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程,微型计算机的硬件体系结构,微型计算机的硬件体系结构,微型计算机的工作原理,冯诺依曼存储程序工作原理,存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。,微型计算机的工作过程,微型计算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，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。,微型计算机的工作过程,计算1+2=?,汇编语言程序对应的机器指令对应的操作MOVAL,110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中00000001ADDAL,200000100计算两个数的和，结果存放到AL中00000010