第1章 微型计算机基础知识

1、 微处理器、微计算机系统微处理器、微计算机系统 电子实验中心电子实验中心 赵赵 建建课件密码：课件密码：stud Email:2011年全国大学生电子竞赛年全国大学生电子竞赛B题题成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology 甲车车头紧靠起点标志线甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界乙车车尾紧靠边界,甲、乙两辆小车同时起动，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑道如图所示。道如图所示。 该课程共该

2、课程共80学时学时，5学分学分。其中理论教。其中理论教学学56学时，实验教学学时，实验教学24学时。学时。 课程考核形式为课程考核形式为闭卷考试闭卷考试。考试成绩占。考试成绩占70%，平时成绩占，平时成绩占30%。 课程主要以课程主要以MCS-51单片机单片机来介绍微处来介绍微处理器的工作原理。理器的工作原理。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology课课 程程 概概 述述 课程的学习方法：课程的学习方法： 课堂教学以讲授为主，课后主要靠自己不课堂教学以讲授为主，课后主要靠自己不断地练习。记住断地练习。记住所有的程

3、序员都是练出来的，所有的程序员都是练出来的，不是看出来的。不是看出来的。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology课课 程程 概概 述述DO IT YOURSELF第一章第一章 微型计算机基础知识微型计算机基础知识 本章对微型计算机的基本概念、硬件结构、工作本章对微型计算机的基本概念、硬件结构、工作原理、系统组成、应用特点、计算机中数据的表示方原理、系统组成、应用特点、计算机中数据的表示方法等各类知识作了相应的概述。法等各类知识作了相应的概述。 本章要求掌握：本章要求掌握： 1 1、了解微型计算机的结构和系统组成；

4、、了解微型计算机的结构和系统组成； 2 2、熟练掌握各种数制之间的转换。、熟练掌握各种数制之间的转换。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology计计 算算 机机 的的 发发 展展1958-1965年年内部使用晶体管内部使用晶体管开始使用计算机开始使用计算机算法语言算法语言开始应用与工业开始应用与工业控制控制1946-1958年年体积大、运算速体积大、运算速度低、存储容量度低、存储容量小小主要用于

5、科研部主要用于科研部门门1965-1970年年以中小规模集成以中小规模集成电路为主，出现电路为主，出现了操作系统了操作系统用于自动控制、用于自动控制、管理等很多领域管理等很多领域第一代第一代第二代第二代第三代第三代成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology把信息采集、存把信息采集、存储、处理、通信储、处理、通信和人工智能结合和人工智能结合在一起在一起1970年以后年以后采用大规模集成采用大规模集成电路为主要器件电路为主要器件可以处理音频、可以处理音频、视频等多媒体信视频等多媒体信息息有待各位致力于有待各位致力于计算

6、机发展的人计算机发展的人去进一步探索和去进一步探索和推动推动第四代第四代第五代第五代第第代代计计 算算 机机 的的 发发 展展成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology1973-1978年年采用中档的采用中档的8位位微处理器微处理器1971-1973年年采用采用4位或者低位或者低档的档的8位微处理位微处理器器1978-1981年年采用采用16位微处理位微处理器器第一代第一代第二代第二代第三代第三代微微 型型 计计 算算 机机 的的 发发 展展成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University o

7、f Information Technology1993年以后年以后采用采用64位微处理位微处理器器1981-1992年年采用采用32位微处理位微处理器器2005年年双核微双核微处理器诞生处理器诞生2006年年四核微四核微处理器诞生处理器诞生第四代第四代第五代第五代第第代代微微 型型 计计 算算 机机 的的 发发 展展成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology字长字长运算速度运算速度存储容量存储容量软件配置软件配置外设扩展能力外设扩展能力微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标主要由以下几部分来表示主要由以下几部分

8、来表示成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 1、字长、字长 计算机在同一时间内处理的一组二进计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的制数称为一个计算机的“字字”，而这组二，而这组二进制数的位数就是进制数的位数就是“字长字长”。在其他指标。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。就越快。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型

9、计算机的性能指标微型计算机的性能指标 2、运算速度、运算速度 运算速度是衡量计算机性能的一项重要运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。一般有两种表示方法。指标。一般有两种表示方法。 A. MIPS（Millions of Instruction Per Second） 百万条指令百万条指令/秒秒 B. 使用使用CPU主频来描述运算速度主频来描述运算速度 一般来说，主频越高，运算速度就越快。一般来说，主频越高，运算速度就越快。比如：比如：Pentium 4 1.5G 的主频就为的主频就为1.5GHz。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Informat

10、ion Technology微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 3、存储容量、存储容量 存储容量是衡量微型计算机中存储能力的存储容量是衡量微型计算机中存储能力的一个指标，它包括内存容量和外存容量，微型一个指标，它包括内存容量和外存容量，微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量。计算机中通常以字节为单位表示存储容量。 内存储器是内存储器是CPU可以直接访问的存储器，需可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。内存储器容量的大小反映了计算机即时存中的。内存储器容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力。储信息的能力。 外存

11、储器容量通常是指硬盘容量。外存储器容量通常是指硬盘容量。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 4、软件配置、软件配置 软件配置情况直接影响微型计算机系软件配置情况直接影响微型计算机系统的使用和性能的发挥，软件的配置应该统的使用和性能的发挥，软件的配置应该包括功能强、操作简单、又能满足应用要包括功能强、操作简单、又能满足应用要求的操作系统和丰富的应用软件。求的操作系统和丰富的应用软件。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Infor

12、mation Technology微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 5、外设扩展能力、外设扩展能力 外部设备的配置及扩展能力主要指计外部设备的配置及扩展能力主要指计算机系统连接各种外部设备的可能性、灵算机系统连接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。活性和适应性。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机系统模型微型计算机系统模型硬件系统硬件系统包括中央处理机包括中央处理机、存储器和外部、存储器和外部设备等设备等计算机系统计算机系统软件系统软件系统是计算机的运行是计算机的运行程序和相应的文程序和相

13、应的文档。档。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统输入输入设备设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器输出输出设备设备计算机硬件系统计算机硬件系统冯冯诺依曼结构诺依曼结构成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机系统硬件结构微型计算机系统硬件结构微型计算机硬件组成及其结构图一微型计算机硬件组成及其结构图一成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of In

14、formation Technology微型计算机系统硬件结构微型计算机系统硬件结构微型计算机硬件组成及其结构图二微型计算机硬件组成及其结构图二成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微机系统硬件主要组成部分微机系统硬件主要组成部分微处理器微处理器 微处理器是微型计算机的核心，又称为微处理器是微型计算机的核心，又称为CPU（Central Processing Unit）。包括运算逻辑部件、）。包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。这三个部件相互协调，对命寄存器部件和控制部件。这三个部件相互协调，对命令和数据进

15、行分析、判断、运算并控制计算机各部分令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。协调工作。微微处处理理器器基基本本结结构构成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析 1、算术逻辑部件、算术逻辑部件ALU ALU（Arithmetic Logic Unit）是运算）是运算器的核心部件。它在控制器的控制下能对两个器的核心部件。它在控制器的控制下能对两个二进制数进行算术运算和逻辑运算。二进制数进行算术运算和逻辑运算。 2、累加器、累加器A（Accumulator） 简单

16、地说，简单地说，A用来保存被加数及两个数的用来保存被加数及两个数的和。加数存放在另外一个数据寄存器中。和。加数存放在另外一个数据寄存器中。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析 3、标志寄存器、标志寄存器FR（Flag Register） 标志寄存器是用来存放标志寄存器是用来存放ALU运算结果的状态信运算结果的状态信息。通常是根据有关指令的运行结果由息。通常是根据有关指令的运行结果由CPU自动设自动设置的。置的。CCarry Flag进位（借位）进位（借位）标志标志AFA

17、uxiliary Carry Flag辅助进位标志辅助进位标志（半进位）标（半进位）标志志OFOverflow Flag溢出标志溢出标志PFParity Flag奇偶标志奇偶标志成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析 4、寄存器组、寄存器组RS（Registers） 寄存器是寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，是汇编内部重要的数据存储资源，是汇编程序员能直接使用的硬件资源之一。程序员能直接使用的硬件资源之一。寄存器寄存器通用寄存器通用寄存器专用寄存器专用寄存器用来存储数

18、据，用用来存储数据，用途广泛，可由用户途广泛，可由用户自己定义自己定义有专门的用途，不有专门的用途，不可以随意更改其值可以随意更改其值成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析 5、控制器、控制器CU（Control Unit） 控制器是整个控制器是整个CPU的指挥控制中心。是计算机系的指挥控制中心。是计算机系统发布操作命令的部件，是计算机的指挥中心。所有统发布操作命令的部件，是计算机的指挥中心。所有的操作都是在控制器的控制下实现的。的操作都是在控制器的控制下实现的。 主要由

19、以下三个部分组成：主要由以下三个部分组成： 1、程序计数器、程序计数器PC（Program Counter） 2、指令寄存器、指令寄存器IR（Instruction Register） 3、指令译码器、指令译码器ID（Instruction Decoder）成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析v程序计数器程序计数器PC（Program Counter） 又叫程序指针，用来存放下一条要执行的指令的又叫程序指针，用来存放下一条要执行的指令的地址。为了保证程序（在操作系统中理

20、解为进程）能地址。为了保证程序（在操作系统中理解为进程）能够连续地执行下去，够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。执行转移指令时，就是所以通常又称为指令计数器。执行转移指令时，就是修改修改PC的值，使程序跳转到其他的程序空间里运行的值，使程序跳转到其他的程序空间里运行。其值一般不可以随意更改，如果其值出现异常，那。其值一般不可以随意更改，如果其值出现异常，那么程序就会么程序就会“跑飞跑飞”。 成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu U

21、niversity of Information Technology微处理器内部结构解析微处理器内部结构解析v指令寄存器指令寄存器IR（Instruction Register） 它接收从存贮器取来的指令操作码，并保存当前它接收从存贮器取来的指令操作码，并保存当前正在执行的一条指令。指令操作码就是用来指明这条正在执行的一条指令。指令操作码就是用来指明这条指令完成何种操作。指令完成何种操作。v指令译码器指令译码器IR（Instruction Decoder） 它对指令的操作码进行译码，以便确定所要求的操它对指令的操作码进行译码，以便确定所要求的操作。比如在作。比如在MCS-51单片机中，操作码

22、单片机中，操作码0 x04，经过指，经过指令译码器译码后，单片机执行对令译码器译码后，单片机执行对A寄存器加寄存器加1的操作，的操作，即即INC A。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology存存 储储 器器 解解 析析 存储器（存储器（Memory）是计算机系统中的记）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中间运行结果和最终运行结果都保

23、存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。不管是指令码还是地址，或者是数据，在存。不管是指令码还是地址，或者是数据，在存储器中都是按照二进制的形式表示。储器中都是按照二进制的形式表示。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology存存 储储 器器 解解 析析 存储器的最小单位为位（存储器的最小单位为位（bit）。）。8个位（个位（bit）组成一个字节（组成一个字节（byte）。）。由于他们的简写都是由于他们的简写都是b，所，所以要特别注意区分以要特别注意区分。DATA7

24、 DATA6 DATA5 DATA4 DATA3 DATA2 DATA1 DATA01个字节个字节高位高位低位低位比如：比如：二进制数二进制数01010110是一个字节，对于字节通常用是一个字节，对于字节通常用16进制数来表示，因此对于二进制数进制数来表示，因此对于二进制数01010110用字节表示为用字节表示为0 x56（C语言），或者语言），或者56H（汇编语言）（汇编语言）成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology存存 储储 器器 解解 析析 存储器的容量通常是以字节为单位，常用的单存储器的容量通常是以字节为

25、单位，常用的单位有位有KB、MB、GB等，具体的单位换算如下表。等，具体的单位换算如下表。常用单位常用单位换换 算算K1KB=1,024byte=210字节M1MB=1,048,576byte=220字节G1GB=1,073,741,824byte=230字节T1TB=1,099,511,62,776byte=240字节P1PB=1,125,899,906,842,624byte=250字节成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology输输 入入 输输 出出 设设 备备 解解 析析 输入输出设备，又称输入输出设备，又称

26、I/O设备，是计算机外部设设备，是计算机外部设备之一。备之一。 输入设备（输入设备（Input Device）是向计算机输入数据）是向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。梁。 输出设备（输出设备（Output Device）是人与计算机交互）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果或的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Infor

27、mation Technology总总 线线 系系 统统 解解 析析 总线（总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。总线是一种总线是一种内部结构内部结构，它是，它是cpu、内存、输入、内存、输入/输出设输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系

28、统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线。个部件之间传送信息的公共通路叫总线。微型计算机微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的是以总线结构来连接各个功能部件的。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology总总 线线 系系 统统 解解 析析 总线按功能和规范可分为三大类：总线按功能和规范可分为三大类：v片总线片总线(Chip Bus, C-Bus)：又称元件级总线，是把：又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如如CPU模块模块)的信息传输通路。的信息

29、传输通路。 v内总线内总线(Internal Bus, I-Bus)：又称系统总线或板级：又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件总线，是微机系统中各插件(模块模块)之间的信息传输通之间的信息传输通路。例如路。例如CPU模块和存储器模块或模块和存储器模块或I/O接口模块之间接口模块之间的传输通路。的传输通路。 v外总线外总线(External Bus, E-Bus)：又称通信总线，是：又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、仪器、仪表、控制装置等控制装置等)之间信息传输的通路，如之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-48

30、8等。等。 成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology总总 线线 系系 统统 解解 析析 按照计算机所传输的信息种类也可分为三类：按照计算机所传输的信息种类也可分为三类：v地址总线地址总线AB（Address Bus） 是用来传送地址信息是用来传送地址信息的信号线。由于地址只能从的信号线。由于地址只能从CPU传向外部存储器或传向外部存储器或IO端口，所以地址总线总是端口，所以地址总线总是单向三态单向三态的。地址总线的的。地址总线的位数决定了位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。可直接寻址的内存空间大小。v数据总

31、线数据总线DB（Data Bus） 是用来传送数据信息的信是用来传送数据信息的信号线。数据总线是号线。数据总线是双向三态形式双向三态形式的总线。数据总线的的总线。数据总线的位数与微处理器的字长一致。位数与微处理器的字长一致。v控制总线控制总线CB（Control Bus）是用来传送控制信号和是用来传送控制信号和时序信号的。控制总线的信号一般是双向的，具体情时序信号的。控制总线的信号一般是双向的，具体情况主要取决于况主要取决于CPU。 成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

32、 计算机采取计算机采取“存储程序与程序控制存储程序与程序控制”的工作方式，的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当启动运行即事先把程序加载到计算机的存储器中，当启动运行后，计算机便会自动按照程序的要示进行工作。其工后，计算机便会自动按照程序的要示进行工作。其工作过程简单描述为：作过程简单描述为： 取指取指译码译码执行执行v 取指。把程序计数器（PC）的内容（指令地址）装入存储器地址寄存器（MAR），送给地址总线，然后由地址总线选中该地址所在的主存单元，取出该指令的代码，经数据总线输入CPU中的指令寄存器（IR）。 v 译码。指令的操作码经指令译码器译码后，给CPU的相应的寄存器和其他

33、部件发出一系列控制信号。在指令译码的同时，程序计数器（PC）的内容加1，产生下一条指令地址。 v 执行。CPU的各个部件根据不同的控制信号序列，执行相应的操作。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology单单 片片 机机 概概 述述单片机单片机SCM（Single Chip MicroComputer） 属于微型机的一种属于微型机的一种 具有一般微机的基本组成和功能具有一般微机的基本组成和功能 又称为微控制器又称为微控制器MCU（MicroController Unit）。）。 其基本结构是将微型计算机的基本功能其基

34、本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器部件：中央处理器CPU、存储器，输入输出、存储器，输入输出接口、定时接口、定时/计数器、中断系统等全部集成在计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。一个半导体芯片上。成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology单单 片片 机机 的的 特特 点点系统扩展配置典型规范系统扩展配置典型规范控制能力强控制能力强集成度高体积小有很高的可靠性集成度高体积小有很高的可靠性优异的性能价格比优异的性能价格比成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology工业自动化工业自动化仪器仪表仪器仪表家用电器家用电器军事军事信息通信产品信息通信产品MCU单片机的应用领域单片机的应用领域成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu University of Information Technology单片机的结构框图单片机的结构框图 成于大气成于大气 信达天下信达天下Chengdu Uni