微机原理第01章

1、机械控制用计算机机械控制用计算机第第1 1章章1.1 按逻辑部件划分的计算机发展阶段按逻辑部件划分的计算机发展阶段 （1）第一代（）第一代（1946年年1958年）：年）： 电子管计算机电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2）第二代（）第二代（1959年年1964年）：年）： 晶体管计算机晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提高，运算速度特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提高，运算速度可达每秒百万次。可达每秒百万次。（3）第三代（）第三代（1965年年1970年）：年）：中小规模集成电路计算

2、机中小规模集成电路计算机 特点：存储容量特点：存储容量14兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。和小型化发展的趋势。 （4）第四代（）第四代（1971年年-）：）： 大规模和超大规模集成电路计算机大规模和超大规模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化。大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化。Intel公司推出了微处公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、理器，诞生

3、了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微微型计算机型计算机1971年，年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代，开创了一个全新的计算机时代以以大规模、超大规模集成电路大规模、超大规模集成电路为主为主要部件要部件,以集成了计算机主要部件以集成了计算机主要部件控控制器和运算器的制器和运算器的微处理器微处理器为核心所构

4、造为核心所构造出的计算机系统出的计算机系统 1.2 1.2 微型计算机的基本概念微型计算机的基本概念1.2.11.2.1微型计算机的产生和发展微型计算机的产生和发展 19711971年，美国年，美国IntelIntel公司研究并制造了公司研究并制造了40044004微处理器芯片。该芯片能同时微处理器芯片。该芯片能同时处理处理4 4位二进制数，集成了位二进制数，集成了23002300个晶体管，每秒可进行个晶体管，每秒可进行6 6万次运算，成本约为万次运算，成本约为200200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4MCS-

5、4计算机，计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。标志了世界第一台微型计算机的诞生。微型计算机微型计算机：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入输入/ /输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。微处理器（微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）：）：将传统计算机的运算器和控制器集成将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件。在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件。划分阶段的标志划分阶段的标志：以字长和微处理器型号

6、以字长和微处理器型号。第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机400440408008第二代第二代中高档中高档8位机位机Z80、I8085、M6800，Apple-II微机微机第三代第三代16位机位机8086808880286，IBM PC系列机系列机第四代第四代32位机位机8038680486Pentium第五代第五代64位机位机64位位RISC微微处理器芯片处理器芯片（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-1992）（1993后）后）特点：特点：1、速度越来越快。、速度越来越快。2、容量越来越大。、容量越来越大。3、功能越来越强。、功能越来越强。 1.

7、2.2 1.2.2 微型计算机的分类微型计算机的分类 1按照按照CPU的字长来分类的字长来分类 有有4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位微型计算机等。位微型计算机等。2按照微处理器器件的工艺来分类按照微处理器器件的工艺来分类 可分成可分成MOS工艺、双极型工艺、双极型TTL工艺的微处理器。工艺的微处理器。3按照微型计算机的利用形态来分类按照微型计算机的利用形态来分类 有单片机、单板机、微机系统等。有单片机、单板机、微机系统等。 将将CPU以及其他主要部件（如以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的例如：

8、常用的MCS-51、MCS-96a. 单片机单片机：它将微处理器、部分存储器、输入输出接口都它将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机一块芯片就成了一台计算机。 b. 单板机单板机：将计算机的各个部分都将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板组装在一块印制电路板上上，包括微处理器，包括微处理器/ /存储器存储器/ /输入输出接口，还有简单的七段输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。可以直接在实验板上发光二极管显示器、小键盘、插座等。可以直接在实验板上操作，适用于教学。操作，适用于教学。 c. PC

9、机（机（Personal Computer ） :面向个人单独使用的面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。1.2.3 1.2.3 微型计算机的性能指标介绍微型计算机的性能指标介绍 位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。 字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。 字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由是计算机中通用的基本单元，由8 8个二进制位组成。个二进制位组成。 字：是计算机内部进行数据处理的基本单

10、位。是计算机内部进行数据处理的基本单位。 主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。 访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。 指令数：构成微型计算机的操作命令数。构成微型计算机的操作命令数。 基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。计算机执行程序所花的时间。 可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。 兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。指计算机硬件设备和软件程序可用

11、于其他多种系统的性能。 性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。是衡量计算机产品优劣的综合性指标。 微型计算机具有如下特点微型计算机具有如下特点体积小、价格低体积小、价格低工作可靠、使用方便、通用性强工作可靠、使用方便、通用性强可以分为两个主要应用方向可以分为两个主要应用方向: 1.2.4 微型计算机的特点与应用微型计算机的特点与应用用于数值计算、数据处理及信息管理方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：通用微机，例如：PC微机微机功能越强越好、使用越方便越好功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：工控机

12、、单片机专用微机，例如：工控机、单片机可靠性高、实时性强可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小程序相对简单、处理数据量小1.3 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 内存储器内存储器 总线总线 输入输出输出输入输出输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微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个概念个概念计算机的基本硬件结构计算机的基本硬件结构运算器存储器输出设备输入设备控制器程序和原始数据计算结果1.3.1 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成图图1.1 1.1 微型计算机的系统组成微型计算机

13、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系系统统总总线线形形成成处处理理器器子子系系统统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BUS1. 微处理器微处理器2. 存储器存储器3. I/O设备和设备和I/O接口接口4. 系统总线系统总线微型计算机的组成微型计算机的组成ABDBCBCPU 存储器存储器I/O接口接口外外设设（微型计算机组成框图）（微型计算机组成框图）一、中央处理器一、中央处理器 中央处理器（中央处理器（CPU）是大规模集成电路技）是大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成有术做成的芯片，芯片内集成有运算器运算器、控制器控制器和和寄存器寄

14、存器等相关部件，完成对计算机系统内各等相关部件，完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制的工作。部件进行统一协调和控制的工作。1、运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。、运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。功能功能：（：（1）、对数据进行加工处理，主要包括算术和）、对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。 （2）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。ALU数据寄存器1#数据寄存器2#存存储储器器外外设设2、控制器、控制器控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机控

15、制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。程序功能。由程序计数器（由程序计数器（IP）、指令寄存器（）、指令寄存器（IR）、指令译码）、指令译码器（器（ID）和时序信号发生器组成。）和时序信号发生器组成。（1）、）、程序计数器（程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。：程序指令所在单元地址。（2）、）、指令寄存器（指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条：保存当前正在执行的一条指令。指令。（3）、）、指令译码器（指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。器能识别的命令信号。（4）、）、时序信号发生器时序信号发生器：根据指令译码器（：

16、根据指令译码器（ID）产生）产生的命令信号产生具体的控制信号。的命令信号产生具体的控制信号。 3.3.寄存器陈列寄存器陈列 包括一组通用寄存器通用寄存器和专用寄存器专用寄存器。 通用寄存器通用寄存器用于在运算中存储数据与地址。 专用寄存器专用寄存器保存系统运行必需的重要数据,如标志寄存器（Flag Register）、变址寄存器、段地址寄存器等。 二、存储器二、存储器功能：存放程序和数据。功能：存放程序和数据。存储器存储器内存（主存）内存（主存）外存（辅存）外存（辅存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM软盘软盘硬盘硬盘光盘光盘与与CPU相连的记忆单元内存相连的记忆单元内存

17、(1) 内存地址和内容内存地址和内容(2) 内存的操作内存的操作 读读(read) 写写(write)(3) 内存的分类内存的分类 RAM ROM 地址地址 内容内容00001H 11000011B00002H 00000000BF0000H 00000011BFFFFFH 10100101B内存单元的内存单元的地址地址和和内容内容在微机中规定，每个内存单元可存放在微机中规定，每个内存单元可存放8位二进制数。位二进制数。内存单元的总数称为内存容量。内存单元的总数称为内存容量。6 地址地址 内容内容00001H 11000011B00002H 00000000BF0000H 00000011BF

18、FFFFH 10100101B例如：例如：一台微机拥有一台微机拥有1X10 个内存单元，就称该个内存单元，就称该微机的内存容量为微机的内存容量为1MB。内存读操作过程内存读操作过程CPUCPU要读取地址为要读取地址为04H04H内内存单元的内容：存单元的内容：1、CPU首先将地址信息04H放到地址总线上（AB）。经地址译码器选中相应的内存单元（04H）；2、然后，CPU再发出读控制信号；3、此时，相应存储单元的内容出现在数据总线上（DB）。内存写操作过程内存写操作过程CPU将数据将数据00100110B（26H)写入地址为写入地址为08H的内存单元：的内存单元：1、CPU首先将地址信息08H放

19、到地址总线上（AB）。经地址译码器选中相应的内存单元（08H）；2、然后，CPU再把要写入的内容26H放到数据总线上（DB）；3、CPU再发出写控制信号，在此控制信号控制之下，将数据送入相应存储单元。三、三、I/O设备和设备和I/O接口接口1、I/O设备设备：微机配备的输入：微机配备的输入/输出设备（外设）。输出设备（外设）。标准输入标准输入/输出设备：键盘和显示器（输出设备：键盘和显示器（CRT）。）。I/O设备设备输入设备输入设备输出设备输出设备键盘键盘鼠标鼠标扫描仪、数码相机扫描仪、数码相机显示器显示器打印机打印机绘图仪绘图仪2、I/O接口接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、：连接

20、外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作的部件。进行信号联络等工作的部件。显示器卡：完成显示器与总线的连接。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入声卡：完成声音的输入/输出。输出。网卡：完成网络数据的转换。网卡：完成网络数据的转换。扫描卡：连接扫描仪到计算机。扫描卡：连接扫描仪到计算机。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。键盘接口、打印机接口等。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。接口：串行数据接口。USB接口：通用串行接口。接口：通用串行接口。四、系统总线四、系统总线微机系统

21、采用总线结构连接系统功能部件微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组总线信号可分成三组地址总线地址总线AB：传送地址信息，单向：传送地址信息，单向数据总线数据总线DB ：传送数据信息，双向：传送数据信息，双向控制总线控制总线CB ：传送控制信息：传送控制信息总线还有电源、地线等其他辅助信号线总线还有电源、地线等其他辅助信号线地址总线地址总线AB输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址端口的地址地址线的多少地址线的多少决定了系统直接决定了系统直接寻址存储器的范围寻址存储器的范围数据总线数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往读操作时，外部数据通过

22、数据总线送往CPU CPU写操作时，写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据通过数据总线送往外部数据线的多少数据线的多少决定了决定了一次能够传送数据的位数一次能够传送数据的位数控制总线控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等控制总线决定了系统总线的特点控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等例如功能、适应性等举例举例举例举例控制总线的部件（总线主控设备）：控制总线的部件（总线主控设备）： CPU 和和 DMA 控制器。控制器。被总线控制的部件（总线控制设备）：被总线控制的部件（总线控制设备）： 存储器存储器 和和 I/

23、O设备。设备。总线的使用特点：总线的使用特点：在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。主控设备此时必须放弃对总线的控制。在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。1.4 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程在进行计算前，应做如下工作：（见书在进行计算前，应做如下工作：（见书P34图图2-7）（1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）

24、；）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；（2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；的机器语言程序；（3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。完成完成5+8=？的程序：？的程序：MOV A，05H /B0H 05H ；把；把05送入累加器送入累加器AADD A，08H /04H 08H ；08与与A中内容相加，结果存入累加器中内容相加，结果存入累加器AHLT /F4H ；停止所有操作。；停止所有操作。5+8=?怎么算？怎么算？ 5+8=? 设计指令设

25、计指令5+8=? 设计程序设计程序5+8=? 设计存储器设计存储器5+8=? 指令存放形式指令存放形式1、取指令阶段的执行过程：（设程序从、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放）开始存放）（1）、将程序计数器（）、将程序计数器（PC或或IP）的内容送地址寄存器）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器）、程序计数器PC的内容自动加的内容自动加1变为变为01H，为取下一条指，为取下一条指令作好准备。令作好准备。（3）、地址寄存器）、地址寄存器AR将将00H通过地址总线送至存储器地址译码通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中器译码，选中00H单元。单元。（4）、）、CPU发出发出“

26、读读”命令。命令。（5）、所选中的）、所选中的00单元的内容单元的内容B0H读至数据总线读至数据总线DB上。上。（6）、经数据总线）、经数据总线DB，读出的，读出的B0H送至数据寄存器送至数据寄存器DR。（7）、数据寄存器）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器将其内容送至指令寄存器IR中，经过译中，经过译码码CPU“识别识别”出这个操作码为出这个操作码为“MOV A，05H”指令，于是控指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。制器发出执行这条指令的各种控制命令。PCARALUABDRIRIDPLA00H100H200 B0H01 05H02 04H03 06H04 F4H34读命令读

27、命令B0H56B0H7控制信号控制信号（取第一条指令操作示意图）（取第一条指令操作示意图）MOV A，05H /B0H 05H ；把；把05送入累加器送入累加器A2、执行指令阶段的执行过程：、执行指令阶段的执行过程：（1）、将程序计数器（）、将程序计数器（PC或或IP）的内容送地址寄存器）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器）、程序计数器PC的内容自动加的内容自动加1变为变为02H，为取下一条指，为取下一条指令作好准备。令作好准备。（3）、地址寄存器）、地址寄存器AR将将01H通过地址总线送至存储器地址译通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中码器译码，选中01H单元。单元。（4）、）

28、、CPU发出发出“读读”命令。命令。（5）、所选中的）、所选中的01H单元的内容单元的内容05H读至数据总线读至数据总线DB上。上。（6）、经数据总线）、经数据总线DB，读出的，读出的05H送至数据寄存器送至数据寄存器DR。（7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器送入累加器A中，所以数据寄存器中，所以数据寄存器DR通过内部总线将通过内部总线将05H送入送入累加器累加器A中。中。PCARALUABDRIRIDPLA02H101H200 B0H01 05H02 04H03 06H04 F4H34读命令读命令05H567控制信

29、号控制信号05H（执行第一条指令操作示意图）（执行第一条指令操作示意图）1.5 IBM PC系列机系统系列机系统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16位位PC机机32位位PC机的基本部件相同机的基本部件相同1.5.1 主机板组成主机板组成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

30、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1. 微处理器子系统微处理器子系统8088CPU：16位内部结构、位内部结构、8位数据总线、位数据总线、20 位地址位地址总线、总线、4.77MHz主频主频2. 存储器存储器ROM-BIOS（基本输入输出系统）、（基本输入输出系统）、RAM3. I/O接口控制电路接口控制电路8259A、8253、8237A、8255等等4. I/O通道通道IBM PC总线总线1.6 计算机中的数据表示计算机中的数据表示存储容量的表达存储容量的表达比特比特b（二进制（二进制1位）位）字节字节B （二进制（二进制8位）位）1KB210B1024B1MB220B、1GB230B进制的表示进制的表示二进制数用二进制数用B或或b结尾结尾十进制数可不用结尾字母，十进制数可不用结尾字母，也可用也可用D或或d结尾结尾十六进制数用十六进制数用H或或h结尾结尾