(03)微型计算机基础1.12

1、第1页电气工程学院电气工程学院第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础1.1 1.1 微型计算机的组成微型计算机的组成1.2 1.2 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构1.3 1.3 微型计算机中的先进计算机技术微型计算机中的先进计算机技术 1.41.4微型计算机的主要性能指标及典型微型计算机的主要性能指标及典型微型计算机微型计算机 第2页电气工程学院电气工程学院1.1 1.1 微型计算机的组成微型计算机的组成微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成硬件硬件和和软件软件两大部分组成两大部分组成 1.1.硬件：硬件：CPUCPU、存储器、总线接口电路、存储器、总线接口电路、I/OI/O设

2、备、电源设备、电源*微型计算机系统的微型计算机系统的三个层次三个层次学习本课程必须首先了解的三个术语。学习本课程必须首先了解的三个术语。 1 1）Microprocessor(MP):ALU+CU+RegistersALUArithmeticLogicUnit；CUControlUnit中央处理功能中央处理功能(运算、控制功能运算、控制功能)：CentralProcessingFunction微处理器是中央处理单元微处理器是中央处理单元CentralProcessingUnit（从功能角度，从功能角度，MP又又叫叫CPUCPU）2 2） Microcomputer（MC）:CPU+M+I/O+

3、BusI/O：Input/OutputInterface3 3）MicrocomputerSystem（MCS）:MC+I/ODevice+Software 2.2.软件：软件：系统软件系统软件+ 应用软件应用软件第3页电气工程学院电气工程学院1.1.1 1.1.1 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成 计算机工作原理计算机工作原理万变不离其万变不离其宗宗存储程序控制存储程序控制原理原理 操作要求操作要求程序程序存放在存储器存放在存储器逐条取出执行逐条取出执行 五大组成部分五大组成部分* *所有操作都是在所有操作都是在控制器控制器发出的控制信号的发出的控制信号的控制控制下完成的。下完成的。

4、* *控制器根据控制器根据程序程序产生控制信号产生控制信号* *程序由程序由编程人员编程人员编制、存放在存储器中编制、存放在存储器中 所有程序和数据都是以二进制形式存放在存储器中，所有程序和数据都是以二进制形式存放在存储器中，存储器的地址编号也是二进制形式。存储器的地址编号也是二进制形式。 第4页电气工程学院电气工程学院1.1.存储器存储器 存储器是计算机中存储器是计算机中存储存储程序程序和和数据数据的部件。计算机的存储器分为的部件。计算机的存储器分为两大部分，一部分为内部存储器或主存储器，简称两大部分，一部分为内部存储器或主存储器，简称内存内存或或主存主存；另一；另一部分为外部存储器或辅助存

5、储器，简称部分为外部存储器或辅助存储器，简称外存外存或或辅存辅存。 存储容量存储容量 描述存储器存储二进制信息量多少的指标。存储二进制信描述存储器存储二进制信息量多少的指标。存储二进制信息的基本单位是息的基本单位是位位（bitbit，b b）。一般把）。一般把8 8个二进制位组成的个二进制位组成的通用基本单元叫作通用基本单元叫作字节字节（ByteByte，B B）。微型计算机中通常以）。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量。字节为单位表示存储容量。 1024B1024B为为1 1K KB 1024KBB 1024KB为为1 1M MB 1024MBB 1024MB为为1 1G GB 102

6、4GBB 1024GB为为1 1T TB B 千字节千字节 兆字节兆字节 吉字节吉字节 太字节太字节存储速度存储速度 描述存储器描述存储器工作快慢程度工作快慢程度的指标，它指信息存入存储器和从的指标，它指信息存入存储器和从存储器中取出所需要的时间。存储器中取出所需要的时间。 第5页电气工程学院电气工程学院 地址信号地址信号20位位地址信号（二进制）地址信号（二进制）（十六进制）（十六进制）存储单元内容存储单元内容0000000000000000000000000H0000000000000000000100001H0000000000000000001000002H11110101000000

7、000000F5000H11110101000000000001F5001H11111111111111111111FFFFFH100010101010100000101010101000101100010100010101存储器地址与内容的关系示意图存储器地址与内容的关系示意图第6页电气工程学院电气工程学院*半导体存储器（以半导体存储器（以半导体电路半导体电路为为存储媒体存储媒体的存储器）的存储器）优点：优点：体积小，可靠性高，易维护，高速，低功耗，低价；与体积小，可靠性高，易维护，高速，低功耗，低价；与CPU接口方便接口方便（都是半导体电路构成）。（都是半导体电路构成）。半导体存储器半导体

8、存储器配上配上CPU，珠联璧合。，珠联璧合。（磁芯：（磁芯：64K字节字节524288颗）颗）半导体存储器分类半导体存储器分类1）RAM（RandomAccessMemory）读读/写写*静态静态RAMSRAM触发器方式触发器方式存储信息。集程度低，功耗大；存储信息。集程度低，功耗大；不断电不丢失信息，不需要动态刷新，速度快不断电不丢失信息，不需要动态刷新，速度快高速缓存用高速缓存用SRAM*动态动态RAMDRAM靠靠结电容结电容存储信息，需要动态刷新（否则，存储信息，需要动态刷新（否则，在不断电的情况下，也将丢失信息），必须配合刷新电路。在不断电的情况下，也将丢失信息），必须配合刷新电路。集

9、程度高，功耗小，低价。集程度高，功耗小，低价。目前已把刷新电路集成在动态目前已把刷新电路集成在动态RAM中了。中了。内存条通常用动态内存条通常用动态RAM存储的类型：存储的类型： 半导体存储器半导体存储器 磁记录存储器磁记录存储器 光盘存储器光盘存储器 第7页电气工程学院电气工程学院2）ROM（ReadOnlyMemory）*掩模式掩模式ROM（MaskedROM）由厂家在生产存储器芯片时就把程序等写入，用户无法改动。由厂家在生产存储器芯片时就把程序等写入，用户无法改动。*可编程可编程ROM（ProgrammableROMPROM）可由用户写入一次。可由用户写入一次。紫外光紫外光*可擦除可擦除

10、PROM（ErasablePROMEPROM）可擦可擦/写多次写多次写：写：EPROM写入器，写入卡写入器，写入卡*电可擦电可擦PROM（ElectricallyErasablePROMEEPROM）可以在计算机运行过程中擦、写。但擦除时间较长可以在计算机运行过程中擦、写。但擦除时间较长ms级级第8页电气工程学院电气工程学院2.2.微处理器微处理器 微处理器是微型计算机的微处理器是微型计算机的运算运算和和控制控制指挥中心。不同的微处理器，指挥中心。不同的微处理器，其性能有所不同，但基本组成是相同的：。其性能有所不同，但基本组成是相同的：。 *计算机的计算机的心脏心脏，其重要性不言而喻。，其重要

11、性不言而喻。注意：注意：在学习在学习CPU时时主要精力主要精力应放在寄存器上：通用寄存器，应放在寄存器上：通用寄存器，PC，Acc，FR。而不是放在而不是放在ALU、CU等部件上。等部件上。前者前者简单简单得多，正好是我们需要得多，正好是我们需要掌握掌握的；的；后者非常非常后者非常非常复杂复杂，正好是我们可以，正好是我们可以忽略忽略的。的。 由运算器、控制器和寄存器阵列三个主要部件组成由运算器、控制器和寄存器阵列三个主要部件组成学学CPU其实就是学习寄存器的使用方法！其实就是学习寄存器的使用方法！第9页电气工程学院电气工程学院初级初级CPU的结构框图的结构框图控制器控制器运算器运算器寄存器阵列

12、寄存器阵列第10页电气工程学院电气工程学院 运算器运算器 围绕围绕ALUALU介绍运算器介绍运算器 执行算术运算和逻辑运算的部件，由执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器累加器（AccumulatorAccumulator，A A）、）、暂暂存器存器（TemporaryTemporary，TMPTMP）、）、算术逻辑单元算术逻辑单元（Arithmatic Logic UnitArithmatic Logic Unit，ALUALU）、）、标志寄存器标志寄存器（Flag RegistersFlag Registers，F F）和一些逻辑电路组成。）和一些逻辑电路组成。 注意：注意：ALU 完成算

13、术逻辑运算后实际上有完成算术逻辑运算后实际上有两个输出结果：数值两个输出结果：数值和和特征特征（图）（图） 累加器累加器算术逻辑单元算术逻辑单元标志寄存器标志寄存器CFCF进位标志进位标志 CF=CF=1 1 运算时产生了进运算时产生了进/ /借位借位 0 0 运算时无进运算时无进/ /借位借位 ZFZF零标志零标志 ZF=ZF=1 1 运算结果为运算结果为0 0 0 0 运算结果非零运算结果非零 SFSF符号标志符号标志 SF=SF=1 1 运算结果为负运算结果为负 0 0 运算结果为正运算结果为正 AFAF辅助进位标志辅助进位标志 AF=AF=1 1 运算时有辅助进运算时有辅助进/ /借位

14、借位 0 0 运算时无辅助进运算时无辅助进/ /借位借位 PFPF奇偶标志奇偶标志 PF=PF=1 1 运算结果中运算结果中“1”1”的个数为偶数的个数为偶数 0 0 运算结果中运算结果中“1”1”的个数为奇数的个数为奇数 OFOF符号标志符号标志 OF=OF=1 1 有溢出有溢出0 0 无溢出无溢出第11页电气工程学院电气工程学院 寄存器阵列寄存器阵列 寄存器阵列主要包含两类寄存器，一是寄存器阵列主要包含两类寄存器，一是通用寄存器通用寄存器，供用户使用；，供用户使用；二是一些用途固定的二是一些用途固定的专用寄存器专用寄存器，如程序计数器、堆栈指示器。，如程序计数器、堆栈指示器。用于用于存放存

15、放下一条要执行的指令在存储器中存放的下一条要执行的指令在存储器中存放的地址地址。 程序计数器程序计数器PC 控制器控制器 控制器是指令执行部件，包括控制器是指令执行部件，包括取指令取指令、分析指令（指令、分析指令（指令译码译码）和）和执行执行指令，由指令寄存器（指令，由指令寄存器（Instruction RegisterInstruction Register，IRIR）、指令译码）、指令译码器（器（Instruction DecoderInstruction Decoder，IDID）和定时控制电路（）和定时控制电路（Timing and Timing and ControlControl）

16、等组成。）等组成。IR:存放指令存放指令ID:指令译码指令译码TC:根据译码结果根据译码结果,产生控制信号产生控制信号第12页电气工程学院电气工程学院*关于寄存器组关于寄存器组RS（RegisterSet）实际上是实际上是CPU内部的内部的RAM，用以存放操作数或中间结果，用以存放操作数或中间结果，避免频繁访问避免频繁访问CPU外的存储器（外存速度慢），以加快运行速度。外的存储器（外存速度慢），以加快运行速度。按照用途，可分为：按照用途，可分为：专用专用寄存器：作用寄存器：作用单一单一，如，如，FR，程序计数器，程序计数器PC。通用通用寄存器：可以用寄存器：可以用多种多种用途，由编程人员规定其

17、用途。用途，由编程人员规定其用途。在在8086中，有中，有8个个16位位的通用寄存器，它们的名称是：的通用寄存器，它们的名称是：AX，BX，CX，DX，BP，SP，SI，DI（脱口而出，如数家珍）（脱口而出，如数家珍）在在80486中，有中，有8个个32位位通用寄存器，它们的名称是：通用寄存器，它们的名称是：EAX，EBX，ECX，EDX，EBP，ESP，ESI，EDI 注：计算机的位由此决定第13页电气工程学院电气工程学院*关于关于堆栈（堆栈（Stack）和和堆栈指针堆栈指针SP（StackPointer）堆栈：堆栈：是计算机应用中的一项非常重要的技术。是计算机应用中的一项非常重要的技术。组

18、成：堆栈区组成：堆栈区+SP与与堆栈堆栈有关的基本概念：有关的基本概念：1）堆栈区？）堆栈区？按按“后进先出后进先出”（LIFO）或或“先进后出先进后出”（FILO）原则原则存取数据的存储缓冲区存取数据的存储缓冲区*常常是常常是RAM区中的一部分；区中的一部分；*对于对于RAM而言，可以而言，可以随意随意操作某一单元；操作某一单元；而一旦被设置成为了而一旦被设置成为了堆栈堆栈，则，则必须必须按按“后进先出后进先出”（“先进后出先进后出”）的原则）的原则操作堆栈，即遵循操作堆栈，即遵循“后进先出后进先出”原则存取数原则存取数据。据。第14页电气工程学院电气工程学院2）堆栈指针？）堆栈指针？*堆栈

19、操作的特点：堆栈操作的特点：只能对堆栈的只能对堆栈的顶部顶部进行操作进行操作。即：即：把数据把数据写入写入堆栈时，只能写入堆栈时，只能写入当前栈顶当前栈顶；从堆栈从堆栈读取读取数据时，也只能从数据时，也只能从当前栈顶当前栈顶读出读出。显然，要进行堆栈操作，就必须知道显然，要进行堆栈操作，就必须知道当前栈顶当前栈顶在什么地方，在什么地方，SP就是用来就是用来指示当前栈顶指示当前栈顶的位置。的位置。（准确地说：提供栈顶地址的（准确地说：提供栈顶地址的偏移量偏移量）。）。3）增长、生成、生长：）增长、生成、生长：堆栈是一个堆栈是一个动态的动态的存储缓冲区，随着数据的写入，堆栈区域变大；存储缓冲区，随

20、着数据的写入，堆栈区域变大；随着数据的读出，堆栈区域减小。随着数据的读出，堆栈区域减小。*向下生成（生长）向下生成（生长）growdown-forward：随着数据对堆栈的随着数据对堆栈的写入写入，堆栈地址编号，堆栈地址编号减少减少的堆栈生成方式，的堆栈生成方式，叫向下生成（生长、增长）。叫向下生成（生长、增长）。 两个字节数据写入两个字节数据写入SP-2 N-2SPN 第15页电气工程学院电气工程学院*为什么需要堆栈？为什么需要堆栈？在计算机应用中，有两项关键操作：在计算机应用中，有两项关键操作：子程序调用子程序调用和和中断处理中断处理。这两项操作都必须用到堆栈，由于堆栈技术的采用，使得子程

21、序这两项操作都必须用到堆栈，由于堆栈技术的采用，使得子程序（尤其是多重子程序）调用和中断处理，变得（尤其是多重子程序）调用和中断处理，变得简洁明快简洁明快、井井有条井井有条；其它计算机技术也要用到堆栈。其它计算机技术也要用到堆栈。*多余的话多余的话建立生动清晰的印象建立生动清晰的印象stackFirstoutLastinSPN-k顶部顶部SPN弹弹夹夹SPN+k设设SP指向指向N，随着数据写入堆栈，随着数据写入堆栈，SP指向新的栈顶指向新的栈顶N-k；随着数据从堆栈读出，随着数据从堆栈读出，SP指向新的栈顶指向新的栈顶N+k。（。（k k为为2 2或或4 4）后来居上后来居上Stack: St

22、ack: 名词名词 谷物堆谷物堆, ,稻草堆稻草堆第16页电气工程学院电气工程学院3.3.输入输出设备输入输出设备 P5P5P8 P8 阅读一下即可阅读一下即可输入设备输入设备输出设备输出设备1.1.2 1.1.2 微型计算机的微型计算机的软件软件组成组成计算机的软件包含计算机的软件包含系统软件系统软件和和应用软件应用软件两部分。两部分。系统软件系统软件是使用和管理计算机的软件，如操作系统、数据库管理系是使用和管理计算机的软件，如操作系统、数据库管理系统、网络管理系统以及各种语言处理程序、系统维护程序等。统、网络管理系统以及各种语言处理程序、系统维护程序等。应用软件应用软件则是用户根据自己的需

23、要，为解决某一实际问题而编制的则是用户根据自己的需要，为解决某一实际问题而编制的程序，如企业的财务管理、人事管理，设备状态监测的数据采集与处理程序，如企业的财务管理、人事管理，设备状态监测的数据采集与处理等。等。在明确了各个部分的功能后在明确了各个部分的功能后,再看一下再看一下CPU的结构图的结构图(片片10)第17页电气工程学院电气工程学院1.2 1.2 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构一、硬件结构一、硬件结构 微型计算机在硬件上普遍采用微型计算机在硬件上普遍采用总线结构总线结构，总线结构使系统构，总线结构使系统构成方便，并具有很好的成方便，并具有很好的可维护性可维护性和可和可扩展性

24、扩展性。 这是微型这是微型计算机的计算机的典型结构典型结构重点重点第18页电气工程学院电气工程学院二、总线二、总线 所谓所谓总线总线，就是一组用于信息公共传输的信号线，连在总线上的，就是一组用于信息公共传输的信号线，连在总线上的所有部件均能使用的公共线路，但使用所有部件均能使用的公共线路，但使用必须是必须是分时分时的。按传输信息方的。按传输信息方向，总线分为只能单方向传输信息的单向总线和可以双向传送信息的向，总线分为只能单方向传输信息的单向总线和可以双向传送信息的双向总线。按传输信息类别，总线分为传输数据信息的数据总线双向总线。按传输信息类别，总线分为传输数据信息的数据总线（Data Bus

25、,DBData Bus ,DB）、传输地址信息的地址总线（）、传输地址信息的地址总线（Address Bus Address Bus ，AB AB ）和传输控制信息的控制总线（和传输控制信息的控制总线（Control Bus, CBControl Bus, CB）。）。三、三、 数据总线、地址总线、控制总线数据总线、地址总线、控制总线因为数据传输是因为数据传输是双向的双向的，故，故DBDB是双向总线。是双向总线。DBDB的位数的位数越宽，一次数据传输的信息量就越大，越宽，一次数据传输的信息量就越大，8 8位位DBDB一次只能一次只能传输传输1 1个字节个字节的数据信息，而的数据信息，而6464位位DBDB则一次可以传输则一次可以传输8 8个字节个字节的数据信息。的数据信息。数据总线数据总线DBDB第19页电气工程学院电气工程学院因为地址信息总是由微处理器发出，寻址存储器或外设，因为地址信息总是由微处理器发出，寻址存储器或外设，故故ABAB为为单向总线单向