上交大 胡春香 微机原理与应用 2013版 第1章 微机系统导论

1、Shanghai Jiao Tong University 1 u 微机系统组成微机系统组成 u 微机硬件系统结构微机硬件系统结构 u 微处理器组成微处理器组成 u 存储器概述存储器概述 u 微机工作过程微机工作过程 u 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 第一章第一章 微机系统导论微机系统导论 Shanghai Jiao Tong University 2 第一台计算机（一）第一台计算机（一） Shanghai Jiao Tong University 3 第一台计算机（二）第一台计算机（二） Shanghai Jiao Tong University 4 计算机发展经历计算机发展

2、经历4代（一）代（一） Shanghai Jiao Tong University 5 计算机发展经历计算机发展经历4代（二）代（二） 第1代电子计算机代表机型IBM709大型机 第2代电子计算机代表机型IBM7094控制台外观 第3代电子计算机代表机型IBM360计算机系统 第4代计算机（自1971年开始） Shanghai Jiao Tong University 6 计算机发展经历计算机发展经历4代（三）代（三） Shanghai Jiao Tong University 7 计算机发展经历计算机发展经历4代（四）代（四） Shanghai Jiao Tong University 8

3、微处理器发展经历微处理器发展经历6代（一）代（一） Shanghai Jiao Tong University 9 微处理器发展经历微处理器发展经历6代（二）代（二） Shanghai Jiao Tong University 10 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， 也称为微处理机。 大、中、小型中央处理器(CPU-Central Processing Unit)， 微处理器 (MPU-Microprocessing Unit) 微处理器定义微处理器定义 Shanghai Jiao Tong University 11 简称C或MC，以微处理 器为核心，

4、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，又称为主机或微电脑。 把微处理器、存储器、输入输 出接口电路组装在一块或多块 电路板上或集成在单片芯片上, 分别称为单板机、多板机或单单板机、多板机或单 片微型计算机片微型计算机。 微型计算机定义微型计算机定义 Shanghai Jiao Tong University 12 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。 微型计算机系统定义微型计算机系统定义 Shanghai Jiao Tong University 13 硬件硬件 软件软件

5、微型计算机微型计算机 (C) 外围设备外围设备 电源电源 系统软件系统软件 用户用户(应用应用)软件软件 外部设备外部设备 过程控制过程控制I/O通道通道 A/D，D/A转换器 开关量，信号指示I/O器 键盘/显示器，光电图形 输入器，语音识别与合成器 行打印机，绘图仪，CRT终端 外存储器：磁带，磁盘，光盘 微处理器微处理器 (P) 内存储器内存储器 输入输出输入输出(I/O)接口电路 系统总线系统总线 地址总线(AB) 数据总线(DB) 控制总线(CB) 并行 串行 ROM，PROM，EPROM，EEPROM RAM 算术逻辑单元(ALU) 控制单元(CU) 寄存器阵列(RA) 微型计算机

6、系统组成微型计算机系统组成 Shanghai Jiao Tong University 14 微机硬件系统组成微机硬件系统组成 Shanghai Jiao Tong University 15 软件的分级结构软件的分级结构 Shanghai Jiao Tong University 16 微机系统的组成微机系统的组成 Shanghai Jiao Tong University 17 ROMRAMI/O接口 输入设备 输出设备 定时电路 微微 处处 理理 器器 CPU 数据总线DB 控制总线CB 地址总线AB 典型的微机硬件系统结构典型的微机硬件系统结构 Shanghai Jiao Tong U

7、niversity 18 微机总线结构（一）微机总线结构（一） Shanghai Jiao Tong University 19 微机总线结构（二）微机总线结构（二） Shanghai Jiao Tong University 20 微机总线结构（三）微机总线结构（三） Shanghai Jiao Tong University 21 MI/O接口接口 CPU 外设外设 单总线结构单总线结构 Shanghai Jiao Tong University 22 MI/O接口接口 CPU 外设外设 存储器总线 I/O总线 双总线结构双总线结构 Shanghai Jiao Tong Universit

8、y 23 缓冲器缓冲器 CPU局部局部I/O 局 部 总 线 总线总线 控制逻辑控制逻辑 局部局部M DMA控制器控制器 全全 局局 M 全全 局局 I/O 全局总线 双重总线结构双重总线结构 Shanghai Jiao Tong University 24 ABDB ALU I1 O A F RA IR DR RAM AR PC I2 ID PLA 取指 控制 执指 控制 CPU 内部内部DB 微处理器结构微处理器结构 Shanghai Jiao Tong University 25 运算器运算器 Shanghai Jiao Tong University 26 控制器控制器 Shangha

9、i Jiao Tong University 27 内部寄存器（一）内部寄存器（一） Shanghai Jiao Tong University 28 内部寄存器（二）内部寄存器（二） Shanghai Jiao Tong University 29 内部寄存器（三）内部寄存器（三） Shanghai Jiao Tong University 30 存储器基本概念（一）存储器基本概念（一） Shanghai Jiao Tong University 31 存储器基本概念（二）存储器基本概念（二） Shanghai Jiao Tong University 32 00单元单元 01单元单元 02

10、单元单元 03单元单元 . . . FE单元单元 FF单元单元 地址地址 译码器译码器 控制电路控制电路 00 01 02 03 EE EF . . . 往返于CPU 8位DB 来自于CPU的地址 从CPU来的 读/写信号 8位位 随机存取存储器 8位AB 存储体存储体 存储器组成（一）存储器组成（一） Shanghai Jiao Tong University 33 存储器组成（二）存储器组成（二） Shanghai Jiao Tong University 34 读操作过程读操作过程 (非破坏非破坏性读出性读出 non destructive read out, NDRO) 1001011

11、1 . . . 地址地址 译码器译码器 控制控制 00 04 FF . . . DB 00000100 读信号 内容内容 AB . . . . . . 10010111 地址地址 CPU发出“读”信号给 M， 指示它准备把被寻址的 04H单元中的内容97H放 到DB上； 在“读”信号作用下， M将04H单元内容97H 放到DB上，经它送至 DR，然后由CPU取走 该内容。 CPU的AR先将地址04H 放到AB上，经地址译码 器译码选中04H单元； 例如：CPU要读出M的04H单元 内容10010111(97H)。 存储器读操作过程存储器读操作过程 Shanghai Jiao Tong Univ

12、ersity 35 写操作过程写操作过程 (破坏破坏单元中原来的内容单元中原来的内容) 00100110 . . . 地址地址 译码器译码器 控制控制 00 08 FF . . . DB 00001000 写信号 内容内容 AB . . . . . . 00100110 地址地址 CPU的AR先将地址08H 放到AB上,经地址译码 器译码选中08H单元； CPU发出“写”信号给 M，将内容26H写入被寻 址的08H单元。 CPU把DR中的内容26H 放到DB上； 例如：CPU要把DR中的内容00100110 (26H)，写入M的08H单元。 存储器写操作过程存储器写操作过程 Shanghai

13、Jiao Tong University 36 微机工作过程（一）微机工作过程（一） Shanghai Jiao Tong University 37 指令指令1 指令指令2 指令指令n . . . 程程 序序 取出指令取出指令 指令译码指令译码 操作数读出操作数读出 指令执行指令执行 取 指 执 指 （地址码） 指令周期 开始 存储器中存储 的一系列指令 结束 操作码操作码 操作数操作数 指令格式 （地址码） 微机工作过程（二）微机工作过程（二） Shanghai Jiao Tong University 38 微机工作过程（三）微机工作过程（三） Shanghai Jiao Tong Un

14、iversity 39 微机工作过程（四）微机工作过程（四） Shanghai Jiao Tong University 40 微机工作过程（五）微机工作过程（五） Shanghai Jiao Tong University 41 程序执行过程实例（一）程序执行过程实例（一） Shanghai Jiao Tong University 42 程序执行过程实例（二）程序执行过程实例（二） Shanghai Jiao Tong University 43 程序执行过程实例（三）程序执行过程实例（三） Shanghai Jiao Tong University 44 程序执行过程实例（四）程序执行过

15、程实例（四） Shanghai Jiao Tong University 45 1011 0000 0000 0011 0000 0100 0000 0010 1111 0100 00 01 02 03 04 读 4 I2 RA 1011 0000 1011 0000 ID PLA 取指 控制 执指 控制 DB 1011 0000 DR IR 5 6 7 0000 0000 AB00 AR 0000 0000PC +1 1 2 3 ALU I1 O A 内部DB PC内容内容 00H送 送AR PC自动自动 加加1 AR内容放在内容放在AB上，上， 并送至并送至M，经译码，经译码， 选中选中0

16、0H单元单元 CPU发出发出 读命令读命令 读命令控制下，把读命令控制下，把 00H单元内容单元内容B0H 读到读到DB上上 把读出的内容把读出的内容B0H， 经经DB送到送到DR 指令译码指令译码 MOV A,n 程序执行过程实例（五）程序执行过程实例（五） Shanghai Jiao Tong University 46 程序执行过程实例（六）程序执行过程实例（六） Shanghai Jiao Tong University 47 程序执行过程实例（七）程序执行过程实例（七） Shanghai Jiao Tong University 48 程序执行过程实例（八）程序执行过程实例（八） S

17、hanghai Jiao Tong University 49 ALU I1 I2O 0000 0011 RA IR 0000 00110000 0001 ID PLA AB DB 1011 0000 0000 0011 0000 0100 0000 0010 1111 0100 00 01 02 03 04 0000 0011 DR 01 AR 0000 0001PC 读 +1 1 2 3 4 5 6 7 A 内部DB PC内容内容 01H送 送AR PC自自 动加动加1 AR内容内容01H放在放在AB上，上， 并送至并送至M，经译码，选中，经译码，选中 01H单元单元 CPU发出发出 读命

18、令读命令 读命令控制下，读命令控制下， 把把01H单元内容单元内容 03H读到读到DB上上 把读出的内容把读出的内容 03H，经，经DB送送 到到DR DRDR内容经内部内容经内部DBDB 送累加器送累加器A A 程序执行过程实例（九）程序执行过程实例（九） Shanghai Jiao Tong University 50 程序执行过程实例（十）程序执行过程实例（十） Shanghai Jiao Tong University 51 程序执行过程实例（十一）程序执行过程实例（十一） Shanghai Jiao Tong University 52 程序执行过程实例（十二）程序执行过程实例（十二

19、） Shanghai Jiao Tong University 53 ALU I1 I2O 0000 0011 RA 0000 0100 0000 0100 0000 0010 ID PLA AB DB 1011 0000 0000 0011 0000 0100 0000 0010 1111 0100 00 01 02 03 04 0000 0100 DR 02 AR 0000 0010 PC 读 +1 1 2 3 4 5 6 7 A IR 内部内部DB PC内容内容 02H送 送AR AR内容内容02H放在放在AB上，上， 并送至并送至M，经译码，选中，经译码，选中 02H单元单元 PC自自

20、 动加动加1 CPU发出发出 读命令读命令 读命令控制下，读命令控制下， 把把02H单元内容单元内容 04H读到读到DB上上 把读出的内容把读出的内容 04H04H，经，经DBDB送到送到 DRDR 指令译码指令译码 加法指令加法指令 程序执行过程实例（十三）程序执行过程实例（十三） Shanghai Jiao Tong University 54 程序执行过程实例（十四）程序执行过程实例（十四） Shanghai Jiao Tong University 55 ALU I1 I2O 0000 0101 RA IR 0000 0010 0000 0011 ID PLA AB DB 1011 0

21、000 0000 0011 0000 0100 0000 0010 1111 0100 00 01 02 03 04 0000 0010 DR 03 AR 0000 0011PC 读 +1 1 2 3 4 5 6 7 A 内部内部DB 8 9 PC内容内容 03H送 送AR PC自自 动加动加1 AR内容内容03H放在放在AB上，上， 并送至并送至M，经译码，选中，经译码，选中 03H单元单元 CPU发出发出 读命令读命令 读命令控制下，读命令控制下， 把把03H单元内容单元内容 02H读到读到DB上上 把读出的内容把读出的内容 02H，经，经DB送送 到到DR 指令译码指令译码,03H经内部

22、经内部DB 送至送至ALU中的输入端中的输入端2 A中内容送至中内容送至ALU中的输中的输 入端入端1，并执行加法操作，并执行加法操作 相加结果相加结果05H, 由由ALU输出端输出端O, 送至累加器送至累加器A 程序执行过程实例（十五）程序执行过程实例（十五） Shanghai Jiao Tong University 56 程序执行过程实例（十六）程序执行过程实例（十六） Shanghai Jiao Tong University 57 程序执行过程实例（十七）程序执行过程实例（十七） Shanghai Jiao Tong University 58 程序执行过程实例（十八）程序执行过程实

23、例（十八） Shanghai Jiao Tong University 59 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 Shanghai Jiao Tong University 60 最佳整体性能评估与最佳购买性能评估最佳整体性能评估与最佳购买性能评估 Shanghai Jiao Tong University 61 主板的结构与性能（一）主板的结构与性能（一） Shanghai Jiao Tong University 62 主板的结构与性能（二）主板的结构与性能（二） Shanghai Jiao Tong University 63 微处理器的性能指标（一）微处理器的性能指标（一） Shanghai Jiao Tong University 64 微处理器的性能指标（二）微处理器的性能指标（二） Shanghai Jiao Tong University 65 微处理器的性能指标（三）微处理器的性能指标（三） Shanghai Jiao Tong University 66 MIPS (Millio