第一章微机原理

1、第一章第一章 计算机基础计算机基础一一. .计算机基本结构计算机基本结构二、指令系统二、指令系统三、三、CPUCPU执行过程执行过程五五、微型计算机系统、微型计算机系统四、四、CPUCPU的主要性能指标的主要性能指标六、原码、反码、补码原码、反码、补码七七、字符编码字符编码一一. .计算机基本结构计算机基本结构外部设备外部设备微处理器微处理器 (CPU)存储器存储器输入输入/输出输出接口电路接口电路数据总线数据总线控制总线控制总线地址总线地址总线1.微处理器微处理器(CPU) 程序计数器程序计数器 PC指令寄存器指令寄存器 IR处理器状态字处理器状态字PSW堆栈指示器堆栈指示器 SP指令译码器

2、指令译码器 IDI/O控制逻辑控制逻辑工作寄存器工作寄存器地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器 ALU 控制器控制器 微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分,一般被集一般被集成在一个大规模集成芯片上成在一个大规模集成芯片上,如如8088、80 x86等等等等,它是计算机的核它是计算机的核心部件心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能它直接决定了计算机的主要性能. ALU 运算器的核心部件是算逻单元运算器的核心部件是算逻单元ALU，所有的算术运算

3、，所有的算术运算, 逻辑运算和移位操作都是由逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的完成的. 控制器控制器 CPU的指挥机关的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。完成指令的读入、寄存、译码和执行。 程序计数器程序计数器 PC 用于保存下一条要执行的指令的地址。用于保存下一条要执行的指令的地址。 指令寄存器指令寄存器 IR 保存从存储器中读入的当前要执行的指令。保存从存储器中读入的当前要执行的指令。 指令译码器指令译码器 ID 对指令寄存器对指令寄存器 IR中保存的指令进行译码分析。中保存的指令进行译码分析。 堆栈指示器堆栈指示器 SP 对堆栈进行操作时提供地址。对堆栈进行操作时提供地址。

4、处理器状态字处理器状态字PSW 暂存处理器当前的状态。暂存处理器当前的状态。 工作寄存器组工作寄存器组 暂存寻址和计算过程的信息暂存寻址和计算过程的信息. . 地址寄存器地址寄存器 地址寄存器用于操作数的寻址。地址寄存器用于操作数的寻址。 数据寄存器数据寄存器 数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。 I/O I/O控制逻辑控制逻辑 包括包括CPUCPU中输入中输入/ /输出操作有关的逻辑，其作输出操作有关的逻辑，其作 用是处理输入用是处理输入/ /输出的操作。输出的操作。2.存储器存储器 用于存放程序代码及有关数据用于存放程序代码及有关数据. 地地 址址

5、 译译 码码 器器地址地址 内容内容00 01 02 03 04 FF00单元单元01单元单元02单元单元03单元单元FF单元单元11010011101000100010011010011101 : :11100001ABDB控制控制CB存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。 存储单元：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放存储单元：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放 8 位二进制信息位二进制信息 （通常也用两位十六进制数表示）。（通常也用两位十六进制数表示）。 存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这

6、些编号即它存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它 们的地址。们的地址。 存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址， 经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据 控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读写操控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读写操 作。作。3. .输入输出接口电路输入输出接口电路 由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印

7、机等，在数据格式、运行速度等方面与运行速度等方面与 CPU CPU 不匹配，故在连接时，需通过不匹配，故在连接时，需通过 输入输出接口电路输入输出接口电路使使外部设备与之相连。外部设备与之相连。4.4.总线总线 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。采用总线结构便于部件和设备的扩充。 对微机而言，总线可以分为以下四类：对微机而言，总线可以分为以下四类： 片内总线片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内

8、用来连接ALUALU、CUCU和和 寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂 家自己确定。家自己确定。 片间总线片间总线微处理器、存储器芯片、微处理器、存储器芯片、I/OI/O接口芯片等之间的连接总线。片间总接口芯片等之间的连接总线。片间总 线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。 内总线内总线 内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。 （系统总线）（系统总线） 内总线有不同的总线标准，如内总线有不同的总线标准，如 S-100S-1

9、00总线总线(IEEE-696(IEEE-696标标),STD),STD总总 线线,IBM-PC,IBM-PC总线，总线，ISAISA总线、总线、PCIPCI总线标准等，采用不同总线标准的功总线标准等，采用不同总线标准的功 能板无法连接在一起。能板无法连接在一起。 外总线外总线 用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通 信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。 如并行总线如并行总线IEEE-488IEEE-488标准，串行总线标准，串行总线RS-232RS-2

10、32标准等。标准等。 IEEE1394，USB（通用串行总线）。（通用串行总线）。 四类总线之间的关系如图所示。四类总线之间的关系如图所示。 CPU 片内总线片内总线MI/O片间总线片间总线I/O接口板接口板外部设备外部设备内总线内总线外总线外总线按总线传送信息的类别按总线传送信息的类别: : 可以把总线分成控制总线、地址总线和数据总线。可以把总线分成控制总线、地址总线和数据总线。 地址总线：用于传送地址总线：用于传送 CPU 要访问的存储单元的地址或要访问的存储单元的地址或 I/O 端口地址，地址总线的位数决定了端口地址，地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的可以直接寻址的地址范围。地

11、址范围。 控制总线：用来传送控制信号。控制总线：用来传送控制信号。 数据总线数据总线：用于：用于 CPU 与存储器、与存储器、 CPU 与外设之间传送信息。与外设之间传送信息。二、指令系统二、指令系统 上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。 例如： 4 + 5 这种简单运算,需要以下几个步骤: 把第一个数从它所在的存储单元中取出来把第一个数从它所在的存储单元中取出来, ,送至运算器送至运算器; ; 把第二个数从它所在的存储单元中取出来把第二个数从它所在的存储单元中取出来, ,送至运算器送至运算器; ; 相加相加; ; 把加

12、完的结果送至存储器中指定的存储单元把加完的结果送至存储器中指定的存储单元. . 所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作. . 指令指令 - - 我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来, ,就就 是指令是指令. . 指令系统指令系统 - - 一条指令对应着一种基本操作一条指令对应着一种基本操作, ,计算机所能执行的全部计算机所能执行的全部 指令指令, ,就是计算机的指令系统就是计算机的指令系统 . . 这是计算机所固有的这是计算机所固有的. . 程序程序 - - 我们在使用计算机时我们

13、在使用计算机时, ,必须把我们要解决的问题编成一条条指必须把我们要解决的问题编成一条条指 令令, ,这些指令的集合就称为程序这些指令的集合就称为程序. . ( (这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指 令令, ,也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中 具有的指令具有的指令.).)源程序源程序 - - 用户为解决自己的问题所编的程序用户为解决自己的问题所编的程序, , 称为源程序称为源程序. . 指令形式指令形式 - - 指令通常分成指令通常分成操作码操作码(Opcode(Opcode

14、) )和操作数和操作数(Operand).(Operand).操作操作 码表示计算机执行什么操作码表示计算机执行什么操作, ,操作数指明参加操作的数操作数指明参加操作的数 本身或操作数所在的内存中的位置本身或操作数所在的内存中的位置. . 因为计算机只认得二进制数码因为计算机只认得二进制数码, ,所以计算机指令系统中的所有指令所以计算机指令系统中的所有指令, ,都都必须以二进制编码的形式来表示必须以二进制编码的形式来表示. .如前面例子如前面例子. . 把第一个数从它所在的存储单元中取出来把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器; 把第二个数从它所在的存储单元中取出来把第二个

15、数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器; 相加相加; 把加完的结果送至存储器中指定的存储单元把加完的结果送至存储器中指定的存储单元. A0 00 20 MOV AL,2000H A8 1E 01 20 MOV BL,2001H 00 D8 ADD AL,BL A2 00 30 MOV 3000H,AL 机器语言机器语言 - - 计算机发展的初期计算机发展的初期, ,就是用指令的机器码直接来编制用就是用指令的机器码直接来编制用 户的源程序户的源程序, ,这就是机器语言阶段这就是机器语言阶段. .（上面程序（上面程序左）左） 汇编语言汇编语言 - - 由于机器码是由一连串的由于机器码是

16、由一连串的 0 0 和和 1 1 组成的组成的, ,不好记忆不好记忆, ,容容 易出错易出错, ,因而后来人们用一些助记符因而后来人们用一些助记符(Mnemonic)(Mnemonic)来代替来代替 操作码操作码, ,如上所示如上所示. .这样这样, ,每条指令有明显的特征每条指令有明显的特征, ,易于理易于理 解记忆解记忆, ,这便是汇编语言阶段这便是汇编语言阶段. . （上面程序（上面程序右）右） 程序的存放程序的存放 - - 要求机器能自动执行这些程序要求机器能自动执行这些程序, ,就必须把这些程序存就必须把这些程序存 放到存储器的某个区域放到存储器的某个区域. . 计算机在执行时把这些

17、指令计算机在执行时把这些指令 一条条取出来加以执行一条条取出来加以执行. .三、三、CPUCPU执行过程执行过程操作操作 ： 将两个数将两个数 7 和和 10 相加相加.指令：指令： mov al, 7 add al, 10 mov 20h, al hlt机器指令：机器指令：1011 0000 B0h ( mov al, 7 ) 0000 0111 07h 0000 0100 04h ( add al, 10 ) 0000 1010 0Ah 1010 0010 A2h ( mov 20h, al ) 0010 0000 20h 1111 0100 F4h ( hlt )四、四、CPU主要性能指

18、标主要性能指标1. 数据宽度（字长）：数据宽度（字长）： CPU的字长指的字长指CPU一次所能处理的二进制的位数，一般等于一次所能处理的二进制的位数，一般等于CPU数据数据 总线的宽度。总线的宽度。 常见的常见的CPU字长有字长有8位、位、16位、位、32位和位和64位。位。2. 寻址能力寻址能力 指指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数的地址总线的数 目决定。目决定。 8088CPU地址总线为地址总线为20根，可直接寻址的物理地址为根，可直接寻址的物理地址为220=1M. 80286CPU地址总线为地址总线为24根，可直接寻址的物

19、理地址为根，可直接寻址的物理地址为224=16M. 386/486/586CUP地址总线为地址总线为32根，可直接寻址的物理地址为根，可直接寻址的物理地址为 232=4G.3. 运算速度运算速度 CPU的运算速度通常用每秒执行基本指令的条数来表示，常用单位为的运算速度通常用每秒执行基本指令的条数来表示，常用单位为 MIPS（Million Instruction Per Second）。）。 通常情况下：通常情况下： 386CPU运算速度运算速度3.69MIPS； 586CPU运算速度运算速度100MIPS以上；以上； P4 CPU运算速度运算速度1000MIPS以上；以上； 影响影响MIPS

20、的因素：的因素： CPU的时钟频率（主频）是影响运算速度的一个重要因素，主频越高，的时钟频率（主频）是影响运算速度的一个重要因素，主频越高， 运算速度也越快；运算速度也越快； 体系结构不同（指令的执行时间缩短）。体系结构不同（指令的执行时间缩短）。 五五、微型计算机系统、微型计算机系统运算器运算器 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1、 中央处理器（中央处理器（CPU） 80 x86系列一统天下。系列一统天下。 从从8086 80286

21、80386 80486 奔腾奔腾 奔腾奔腾MMX 奔腾奔腾PRO 奔腾奔腾 奔腾奔腾 奔腾奔腾 奔腾奔腾D 酷睿酷睿1 酷睿酷睿2。赛扬赛扬-CPUK6III-CPUCore 2 Duo E6300 1.86GHz2、 存储器存储器内存（主存储器）内存（主存储器）外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）随机存储器随机存储器RAM只读存储器只读存储器ROM软盘软盘硬盘硬盘光盘光盘磁带磁带主主 存存 储储 器器只读存储器只读存储器(ROM)：关电后存储器里的信息不会消失关电后存储器里的信息不会消失ROM-BIOS随机存储器随机存储器(RAM)：在在CPU工作期间既能读又能写，工作期间既能读又能写，但断

22、电后信息就会消失。但断电后信息就会消失。外外 存存 储储 器器外存储器分为：外存储器分为：软盘、硬盘、光驱软盘、硬盘、光驱3、 输输 入入 设设 备备鼠标器鼠标器键盘键盘扫描仪扫描仪触摸屏触摸屏数码相机、摄像机（输入音像信息）数码相机、摄像机（输入音像信息） 显示器显示器 打印机打印机4、 输出设备输出设备v系统软件：系统软件：是向用户提供的一系列程序和文档资是向用户提供的一系列程序和文档资料的统称。它面向计算机的硬件，与计算机的硬件结料的统称。它面向计算机的硬件，与计算机的硬件结构、逻辑功能有密切关系。如：构、逻辑功能有密切关系。如：DOS、WINDOWS等。等。v应用软件：应用软件：是用户

23、为了解决各自的应用领域里的是用户为了解决各自的应用领域里的具体任务而编写的各种应用程序和有关文档资料的统具体任务而编写的各种应用程序和有关文档资料的统称。如：称。如：WORD、WPS等等。5、计算机的软件组成计算机的软件组成（1）操作系统操作系统 MS-DOS、 Windows 95、 Windows98 、 Windows2000、Windows NT 、XP、 UNIX、OS/2等。等。 系统软件系统软件（2）程序设计语言程序设计语言 机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 Pascal、Basic、Visual Basic、 C、C+、Visual C+、Visual Fo

24、xPro等。等。（1）字处理软件：字处理软件：如如Word 2000、WPS（2）表处理软件：表处理软件：如如Excel 2000、Lutos 123 （3）计算机辅助系统：计算机辅助系统：如如 CAD、CAI、CAM（4）数据库管理系统数据库管理系统 如：如：MS SQL Server、FOXPRO（5）多媒体制作软件多媒体制作软件 如：如：Photoshop、Flash、Authorware应用软件应用软件v【为什么要引入三种码的概念【为什么要引入三种码的概念】 计算机中多采用加法电路，通过对负数的码型变换便计算机中多采用加法电路，通过对负数的码型变换便可以在加法电路上实现减法运算。可以在

25、加法电路上实现减法运算。1、原码、原码 一个二进制数同时包含符号和数值两部分，用最高位一个二进制数同时包含符号和数值两部分，用最高位表示符号，其余位表示数值，这种表示带符号数的方法为表示符号，其余位表示数值，这种表示带符号数的方法为原码表示法。原码表示法。 1011011原原 01011011 1011011原原 11011011六、原码、反码、补码原码、反码、补码2、反码、反码对于正数，其反码与原码相同；对于负数，在求反码对于正数，其反码与原码相同；对于负数，在求反码的时候，除了符号位外，其余各位按位取反，即的时候，除了符号位外，其余各位按位取反，即“1”都换都换成成“0”，“0”都换成都换

26、成“1”。3、补码、补码正数的补码和原码相同，负数的补码是在其反码的最正数的补码和原码相同，负数的补码是在其反码的最后一位上加后一位上加1。例如：例如： X 0001101 X原原 10001101 X反反 11110010 X补补 11110011补码表示的好处之一：补码表示的好处之一：通过对负数的码型变换便可以在加法电路上实现通过对负数的码型变换便可以在加法电路上实现减法运算。减法运算。【例如【例如】17-13= 17+(-13)17原原 00010001 -13原原 10001101 -13反反 11110010 -13补补 11110011 00010001 + 11110011 00

27、000100 = 4v【字符【字符】各种符号、数字、字母，统称为各种符号、数字、字母，统称为字符字符。 【字符编码【字符编码】由字符组成的数据称为非数值数据。计算机由字符组成的数据称为非数值数据。计算机不仅能处理数值数据，也能够处理非数值数据不仅能处理数值数据，也能够处理非数值数据（如文字编如文字编辑辑）。这些字符在计算机中也都是以二进制代码表示，每。这些字符在计算机中也都是以二进制代码表示，每个字符都有一个相应的二进制码，即字符编码。个字符都有一个相应的二进制码，即字符编码。七七、字符编码字符编码 ASCII码即美国标准信息交换码（码即美国标准信息交换码（American Standard

28、Code for Information Interchange），是目前计算机中使用最广，是目前计算机中使用最广泛的符号编码。泛的符号编码。 ASCII包括包括32个通用控制字符、个通用控制字符、10个十进制数码、个十进制数码、52个大小个大小写字母和写字母和32个专用字符共个专用字符共128个字符。个字符。 因此因此ASCII编码方案需要使用编码方案需要使用7位二进制数进行编码以区分位二进制数进行编码以区分每一个字符（每一个字符（因此因此ASCII是是7位码位码）。通常使用）。通常使用1个字节（个字节（8个二进制位）表示一个个二进制位）表示一个ASCII字符，规定最高位为字符，规定最高位为

29、0。1、 ASCII 码码标准标准ASCII表表 汉字属于非数值型数据，数量多，结构复杂，根据汉字处汉字属于非数值型数据，数量多，结构复杂，根据汉字处理过程中的不同要求，可分为汉字输入码、汉字交换码、理过程中的不同要求，可分为汉字输入码、汉字交换码、汉字内部码和汉字字型码等。汉字内部码和汉字字型码等。w(1) 汉字输入码：汉字输入码：也称为外码，是用键盘上的数字和字母来也称为外码，是用键盘上的数字和字母来描述汉字，一般汉字输入码可分为以下几类：描述汉字，一般汉字输入码可分为以下几类：流水码流水码（如电报码，国标码，区位码等）（如电报码，国标码，区位码等）音码音码（如全拼码，简拼码，双拼码等）（如全拼码，简拼码，双拼码等）形码形码（如五笔字型，大众码等）（如五笔字型，大众码等）音形码音形码（如自然码，首尾码等）（如自然码，首尾码等）2、 汉字编汉字编 码码(2) 汉字交