(计算机接口技术)第1章微型计算机概述

1、( (计算机接口技术计算机接口技术) )第第1 1章章微型计算机概述微型计算机概述先修课程先修课程数字逻辑提供硬件基础提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能确立计算机部件功能掌握计算机工作原理掌握计算机工作原理高级语言程序设计熟悉熟悉DOSDOS环境程序设计的方法环境程序设计的方法掌握基本程序设计思想掌握基本程序设计思想硬件系列课程硬件系列课程计算机组成原理侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现方法和电路原理及其实现方法和电路原理侧重内部各单元的工作原

2、理和实现方法（芯片内）侧重内部各单元的工作原理和实现方法（芯片内）微机原理及接口技术突出应用，详细讲述微处理器芯片的指令系统及突出应用，详细讲述微处理器芯片的指令系统及编程、编程、CPUCPU外部特性、微机主板，与通用外设的接外部特性、微机主板，与通用外设的接口电路及应用编程技术口电路及应用编程技术侧重各模块外部的连接和应用技术（芯片外）侧重各模块外部的连接和应用技术（芯片外）返回返回第第1 1章章1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展微型计算机（微型计算机（Microcomputer）性能适中、价格低廉、体积较小的计算机性能适中、价格低廉、体积较小的计算机最常见的计算机最常见的计算机现代计

3、算机三大主要应用形式的主角现代计算机三大主要应用形式的主角 桌面个人微机（PC机） 服务器 嵌入式计算机系统采用微处理器为核心构造的计算机采用微处理器为核心构造的计算机微处理器、处理器、中央处理单元微处理器、处理器、中央处理单元CPU计算机的运算和控制核心计算机的运算和控制核心采用一块大规模集成电路芯片构成采用一块大规模集成电路芯片构成处理器的基本性能指标处理器的基本性能指标字长（字长（Word）处理器每个时间单位处理的二进制数据位数处理器每个时间单位处理的二进制数据位数（例如一次进行运算、传输的位数）（例如一次进行运算、传输的位数）指示处理器的数据处理能力指示处理器的数据处理能力时钟频率时钟

4、频率处理器的处理速度处理器的处理速度反映处理器的基本时间单位反映处理器的基本时间单位集成度集成度芯片上集成的晶体管数量芯片上集成的晶体管数量表明处理器的生产工艺水平表明处理器的生产工艺水平4、8、16、32、64、128Hz、kHz、MHz、GHz1.1.1 通用微处理器通用微处理器4位微处理器位微处理器1971年，年，Intel 4004，第一个微处理器，第一个微处理器8位微处理器位微处理器M6800、Z80和和Intel 8080/8085Apple公司苹果机公司苹果机16位微处理器位微处理器Intel 8086/8088 16位个人计算机（位个人计算机（PC：Personal Compu

5、ter）32位微处理器位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位位PC机，机，APPLE公司的公司的Macintosh机机64位微处理器位微处理器IA-64结构：结构：Itanium（安腾）（安腾）x86结构：结构：AMD的的64位处理器、位处理器、Intel 64处理器处理器采用4004的计算器Intel 4004性能指标性能指标单片机（微控制器，嵌入式控制器，单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列系列爱特梅尔（爱特梅尔（Atml）公司的）公司的AT89系列（与系列（与MCS-51兼容），兼容），

6、AT91系列（基于系列（基于ARM内核）内核）Microchip Technology公司的公司的PIC系列系列数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理专注于数字信号的高速处理美国德州仪器美国德州仪器TI公司公司TMS320各代产品各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统主要应用形式：嵌入式系统1.1.2 专用微处理器专用微处理器1.1.3 摩尔定律摩尔定律集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展摩尔定律（摩尔定律（Moores Law）集成电路上晶体管密度每年将翻倍

7、集成电路上晶体管密度每年将翻倍每隔每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍每每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半降低一半摩尔定律不会永远持续摩尔定律不会永远持续今后，性能提高更多地今后，性能提高更多地得益于计算机系统结构的革新得益于计算机系统结构的革新现在，多核处理器使得摩尔定律延续现在，多核处理器使得摩尔定律延续1.2 微型计算机的系统组成微型计算机的系统组成运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 主存储器主存储器 总线总线 输入输出接口电路输入输出接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微

8、处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统区别区别3个概念个概念1.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构ENIAC冯诺伊曼冯冯诺伊曼计算机的基本思想诺伊曼计算机的基本思想采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成和地址码组成将程序和数据存放在存储器中，计算机在工作时将程序和数据存放在存储器中，计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是这就是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”（简称存储（简称存储程序控制）的概念程序控制）的概念指令的执行是顺序的，即

9、一般按照指令在存储器指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了输出设备五大基本部件组成，并规定了5部分的部分的基本功能基本功能1. 组成部件组成部件5大部件组成大部件组成控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备3个硬件子系统个硬件子系统处理器、存储系统和输入输出系统处理器、存储系统和输入输出系统2. 二进制编码二进制编码计算机采用二进制形式表示数据和指令计

10、算机采用二进制形式表示数据和指令现实中的一切，计算机中都是现实中的一切，计算机中都是0和和1数码数码二进制编码二进制编码按照一定规律组合的按照一定规律组合的0和和1数码数码不同的信息用不同的数码表示不同的信息用不同的数码表示同样的信息也可以用不同的编码规则用不同样的信息也可以用不同的编码规则用不同的数码表示同的数码表示程序、指令、操作码程序、指令、操作码程序用程序设计语言编写，由指令构成程序用程序设计语言编写，由指令构成指令指令(机器语言机器语言)是控制计算机操作的命令是控制计算机操作的命令指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成操作码（操作码（Opcode）表明指令的操作）表明指令的

11、操作地址码、操作数（地址码、操作数（Operand）是参与操作的数据）是参与操作的数据指令的代码格式：二进制编码规则指令的代码格式：二进制编码规则基本数据单位（二进制位）基本数据单位（二进制位）1位位 比特（比特（bit：binary digit）4位位 半字节（半字节（Nibble）8位位 字节（字节（Byte）16位位字（字（Word）32位位双字（双字（Double word）64位位4字（字（Quad word） D7D6D5D4D3D2D1D0二进制二进制B，十进制，十进制D，还是十六进制，还是十六进制H3. 存储程序和程序控制存储程序和程序控制存储程序存储程序把指令以代码的形式事先

12、输入到计算机的主存把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，这些指令按一定的规则组成程序储器中，这些指令按一定的规则组成程序程序控制程序控制启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务条执行指令，自动完成预定的信息处理任务存储单元地址存储单元地址为每个存储单元编排的一个唯一的编号为每个存储单元编排的一个唯一的编号主存储器是字节可寻址的：主存储器的每个存主存储器是字节可寻址的：主存储器的每个存储单元具有一个地址，保存一个字节的信息储单元具有一个地址，保存一个字节的信息地址编号地址编号取指译码执行周期取指译码执行周期取

13、指（取指（Fetch）处理器从主存储器读取指令处理器从主存储器读取指令译码（译码（Decode）翻译指令代码的功能翻译指令代码的功能执行执行(Execute）执行指令完成指令所规定的操作执行指令完成指令所规定的操作程序计数器程序计数器PC确定下一条指令的主存地址确定下一条指令的主存地址PC具有自动增量的能力，实现程序的顺序执行具有自动增量的能力，实现程序的顺序执行转移指令改变转移指令改变PC的数值，实现分支、循环、调用的数值，实现分支、循环、调用程序的执行过程程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n 取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行1。CPU如何知道从哪里

14、取出程序的第一条指令？如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令？如何按程序控制流执行指令？程序计数器程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数？如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式地址、寻址方式例：计算例：计算5+8汇编语言程序汇编语言程序对应的机器指令对应的机器指令 对应的操作对应的操作- - -MOV AL, 5 10110000 将立即数将立即数5传送到累加寄存器传送到累加寄存器AL中中 00000101ADD AL, 8 00000100 计算两个数的和，结果存放到计算两个数的和，结果存放到AL中中 00001000MOV 0008, A

15、L 10100010 将将AL中的数传送到中的数传送到0008地址单元地址单元 00001000 00000000HLT 11110100 停机停机指令执行过程指令执行过程(取指取指/译码译码/执行执行)累加器A数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011 00000000 01010000 01000000 10001111 0100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOV A, 5ADD A, 8HLT地址总线+1地址译码器读写控制电路输出地址输出地址1011 0000锁存指令锁存指令锁存数据锁存数据置初值置初值输出指输出指令地址令地址锁存

16、地址锁存地址读写命令读写命令指令译码指令译码锁存输出地址寄存器AR1.2.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成图图1-2 1-2 微型计算机的系统组成微型计算机的系统组成控制总线控制总线CB数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB微微处处理理器器I/O设备设备I/O接口接口存储器存储器系统总线系统总线BUS 微处理器微处理器 存储器存储器 I/O设备和设备和I/O接口接口 系统总线系统总线1. 微处理器微处理器微机的核心、控制中心，中央处理器微机的核心、控制中心，中央处理器CPU大规模集成电路大规模集成电路VLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器运算器（整数运算器）运算器（整数运算器）

17、寄存器（高速存储单元）寄存器（高速存储单元）高性能微处理器内部还有高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制存储管理单元、代码保护机制高速缓冲存储器高速缓冲存储器2. 存储器存储器存储器（存储器（Memory）是存放程序和数据的部件）是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系统高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（微处理器内部的寄存器（Register）高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）主板上的主存储器主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器以外设形式出现的辅助存储器主存储器（主存、内存）主存储器（主存、内

18、存）半导体存储器芯片组成半导体存储器芯片组成RAM部分断电后信息丢失部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小相对造价高、速度快、但容量小辅助存储器（简称辅存或外存）辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢RAM和和ROM3. I/O接口和接口和I/O设备设备I/O设备设备(Peripheral）：用户与微机交互）：用户与微机交互输入（输入（Input）设备）设备 标准输入设备：键盘输出（输出（Output）设备）设备 标准输出设备：显示器I/O接口接口(Interfac

19、e)：外设和主机间的桥梁：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的较简单的I/O接口电路与主板一体接口电路与主板一体较复杂的较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口接口电路制成独立的电路板（接口卡卡Card）4. 系统总线系统总线总线（总线（Bus）传递信息的一组公用导线、信息通道传递信息的一组公用导线、信息通道系统总线（系统总线（System Bus）微机系统中信息交换的主要公共通道微机系统中信息交换的主要公共通道地址总线地址总线单向输出主存单元或单向输出主存单元或I/O端口的地址信息端口的地址信息数据总线数据总线读（读（Re

20、ad）操作数据输入微处理器）操作数据输入微处理器写（写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）操作数据输出到外界（主存或外设）控制总线控制总线有些控制信号或状态信号输出有些控制信号或状态信号输出有些请求或联络信号输入有些请求或联络信号输入存储器存储器外设外设CPURead Write举例举例举例举例1.2.3 IBM PC系列机结构系列机结构16位位IBM PC系列机是系列机是32位微机的基础位微机的基础8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机IBM PC/XT主机板结构主机板结构8088微微处处理理器器8087协协处处理理器器8288总线控制器总线控制

21、器I/O通通道道8259中断控制器中断控制器随机存储器随机存储器RAM只读存储器只读存储器ROM8253定时控制器定时控制器8237DMA控制器控制器8255并行接口并行接口控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址锁存器地址锁存器数据收发器数据收发器扬声器扬声器接口接口8284时钟发生器时钟发生器键盘键盘接口接口系统系统配置配置开关开关 处理器处理器8088CPU：16位内部结构、位内部结构、8位数据总线、位数据总线、20 位地位地址总线、址总线、4.77MHz主频主频 主存储器主存储器ROM-BIOS（基本输入输出系统）、主体为（基本输入输出系统）、主体为RAM I/O接口控制电

22、路接口控制电路8259A、8253、8237A、8255等等 总线插槽总线插槽62线的线的IBM PC总线总线IBM PC/AT主机板结构主机板结构微处理器：微处理器：Intel 80286主存储器主存储器ROM-BIOS：固化基本输入输出系统：固化基本输入输出系统（Basic Input/Output System）主存主要由主存主要由RAM组成组成I/O接口接口两个中断控制器两个中断控制器8259A两个两个DMA控制器控制器8237A定时控制器定时控制器8254并行接口电路并行接口电路系统总线：系统总线：ISA总线（总线（I/O通道）通道）示意图示意图1.2.4 微型计算机的软件系统微型计

23、算机的软件系统操作系统操作系统MS-DOS汇编程序汇编程序MASM调试程序调试程序DEBUG.EXE硬件硬件BIOS应用程序应用程序*.ASM, *.OBJ*.LST, *.EXE操作系统操作系统编辑程序，汇编程序编辑程序，汇编程序连接程序，调试程序连接程序，调试程序1. DOS操作系统操作系统操作系统管理着系统的软硬件资源操作系统管理着系统的软硬件资源为用户提供使用机器的交互界面为用户提供使用机器的交互界面为程序员使用资源提供可供调用的驱动程序为程序员使用资源提供可供调用的驱动程序为其他程序构建稳定的运行平台为其他程序构建稳定的运行平台16位模拟位模拟DOS环境环境%SystemRoot%1

24、6位模拟位模拟DOS环境和环境和32位控制台环境位控制台环境两种基本功能和界面一致，但本质不同两种基本功能和界面一致，但本质不同2. 汇编程序汇编程序将汇编语言源程序转换为机器代码将汇编语言源程序转换为机器代码微软宏汇编程序微软宏汇编程序MASMMASM 6.11是最后一个独立发行的是最后一个独立发行的MASM软件包软件包 MASM 6.15来自来自Visual C+6.0，支持到，支持到Pentium 4的的SSE2指令系统指令系统为什么采用汇编语言？为什么采用汇编语言？本教材配套开发环境本教材配套开发环境MASM 6.15汇编系统汇编系统2. 微型计算机的软件系统软件：为运行、管理和维护计

25、算机系统软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。总和及其相关资料。软件分为系统软件和应用软件两大类。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件语言处理语言处理计算机语言：或称程序设计语言，是人与计算机语言：或称程序设计语言，是人与计算机交流使用的语言。计算机交流使用的语言。机器语言：机器语言：0和和1二进制代码表示，能被计算机二进制代码表示，能被计算机直接识别和直接识别和 执行的语言。执行的语言。汇编语言：用助记符表示的

26、面向机器的程序设汇编语言：用助记符表示的面向机器的程序设计语言。汇编与反汇编区别。计语言。汇编与反汇编区别。高级语言：接近自然语言和数学表达式的计算高级语言：接近自然语言和数学表达式的计算机程序设计语言。编译和解释方式实现。机程序设计语言。编译和解释方式实现。汇编语言汇编语言（1）汇编语言是一种面向机器的低级程序设计语言汇编语言是一种面向机器的低级程序设计语言汇编语言以助记符形式表示每一条计算机指令汇编语言以助记符形式表示每一条计算机指令助记符（助记符（mnemonic）是便于人们记忆、并能）是便于人们记忆、并能描述指令功能和指令操作数的符号描述指令功能和指令操作数的符号助记符一般就是表明指令

27、功能的英语单词或其助记符一般就是表明指令功能的英语单词或其缩写缩写汇编语言汇编语言（2）用助记符表示的指令就是汇编语言中的汇用助记符表示的指令就是汇编语言中的汇编格式指令编格式指令汇编格式指令以及使用它们编写程序的规汇编格式指令以及使用它们编写程序的规则就形成汇编语言（则就形成汇编语言（Assembly Language）汇编语言程序：用汇编语言书写的程序就汇编语言程序：用汇编语言书写的程序就是汇编语言程序，或称汇编语言源程序是汇编语言程序，或称汇编语言源程序汇编程序：将汇编语言程序汇编程序：将汇编语言程序“汇编汇编”成机成机器代码目标模块器代码目标模块 汇编语言程序与汇编程序是两个概念汇编语

28、言程序与汇编程序是两个概念汇编语言汇编语言（3）汇编语言的主要特点：汇编语言的主要特点：汇编语言程序与处理器指令系统密切相关汇编语言程序与处理器指令系统密切相关程序员可直接、有效地控制系统硬件程序员可直接、有效地控制系统硬件形成的可执行文件运行速度快、占用主存形成的可执行文件运行速度快、占用主存容量少容量少汇编语言汇编语言（4）汇编语言的优点：汇编语言的优点：直接控制计算机硬件部件直接控制计算机硬件部件可以编写在可以编写在“时间时间”和和“空间空间”两方面最有效两方面最有效的程序的程序汇编语言的缺点：汇编语言的缺点：与处理器密切有关与处理器密切有关需要熟悉计算机硬件系统、考虑许多细节需要熟悉计

29、算机硬件系统、考虑许多细节编写繁琐，调试、维护、交流和移植困难编写繁琐，调试、维护、交流和移植困难汇编语言的应用场合汇编语言的应用场合程序要具有较快的执行时间，或者只能占用较小程序要具有较快的执行时间，或者只能占用较小的存储容量的存储容量程序与计算机硬件密切相关，程序要直接、有效程序与计算机硬件密切相关，程序要直接、有效地控制硬件地控制硬件大型软件需要提高性能、优化处理的部分大型软件需要提高性能、优化处理的部分没有合适的高级语言、或只能采用汇编语言的时没有合适的高级语言、或只能采用汇编语言的时候候分析具体系统尤其是该系统的低层软件、加密解分析具体系统尤其是该系统的低层软件、加密解密软件、分析和

30、防治计算机病毒等等密软件、分析和防治计算机病毒等等 汇编语言的作用实在不小汇编语言的作用实在不小 ！1.3 计算机中的数据表示计算机中的数据表示计算机只能识别计算机只能识别0和和1两个数码两个数码进入计算机的任何信息都要转进入计算机的任何信息都要转换成换成0和和1数码数码处理器支持的基本数据类型处理器支持的基本数据类型8、16、32、64位无符号整数位无符号整数8、16、32、64位有符号整数位有符号整数ASCII字符、字符串和字符、字符串和BCD码码请请大大家家复复习习掌掌握握本本小小节节内内容容1.3.1 数值的编码数值的编码计算机内部采用二进制，称为机器数计算机内部采用二进制，称为机器数

31、为便于人们交流，引入十六进制为便于人们交流，引入十六进制日常生活使用十进制，可称为真值日常生活使用十进制，可称为真值定点整数定点整数无符号整数：无符号整数：0 2N-1有符号整数，默认采用补码：有符号整数，默认采用补码：- 2N-1 2N-1-1浮点实数（浮点实数（IEEE 754标准）标准）单精度浮点数单精度浮点数双精度浮点数双精度浮点数1.3.2 字符的编码字符的编码BCD（8421码）码）压缩压缩BCD码：二进制码：二进制4位表达十进制位表达十进制1位位非压缩非压缩BCD码：二进制码：二进制8位表达十进制位表达十进制1位位ASCII控制字符，例如：回车控制字符，例如：回车0DH、换行、换行0AH可显示字符，例如：数字可显示字符，例如：数字09（30H39H）、）、大写字母（大写字母（41H）、小写字母（