微机基本原理预备知识

1、一、计算机应用领域 二、计算机分类三、计算机发展年代划分依据四、微型计算机的发展五、数字电路基础知识六、 微型计算机系统微型计算机基本原理9/27/20221一、计算机的应用领域9/27/20222基于上述的事实，我们再重新思考一下“什么是计算机？”、“什么是PC机？”计算机：是用来计算的仪器，尤指可进行高速数学或逻辑运算或汇编、存储、整理或处理信息的可编程的电子机器。 PC机（Personal Computer）：是指面向个人用户而设计的没有个性的通用计算机，是计算机中的一种。“计算机”与“PC机”9/27/20223二、计算机分类计算机按性能价格、体积不同可分为六类： 1、巨型机：主要用于

2、模拟核武器的爆炸 2、大型机： 3、中型机：较大型科研单位，省计算中心 4、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替） 5、微机（PC机） 6、单片机9/27/20224三、计算机发展年代划分依据第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以“万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。 计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征： 硬件特征是指计算机采用的物理器件 软件特征是指计算机使用的软件环境9/27/20225计算机己发展了四代第一代:电子管计算机(机器语言、汇编语言)第二代:晶体管计算机（ BASIC、FORTRAN）第三代:集成电路计算机（FO

3、RTRAN、分时、 多用户操作系统）第四代:大规模、超大规模集成电路计算机 （软件工程、数据库）9/27/20226计算机走向新时代 计算机的发展方向:第五代：非冯.诺依曼计算机时代第六代：神经计算机时代 光计算机时代 生物计算机时代9/27/20227四、微型计算机的发展微型计算机属于第四代计算机微型计算机诞生于20世纪70年代微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方面、软件丰富微型计算机核心是微处理器（CPU）每出现一个新的处理器就会出现新一代的微型计算机9/27/20228INTEL CPU发展史（1）9/27/20229INTEL CPU发展史（2）9/27/

4、202210微型计算机发展趋势（1）1、中央处理器更小的布线宽度和更多的晶体管 减少布线宽度是提升CPU速度的关键，0.18微米技术、 0.13微米技术 、0.07微米技术、 65纳米技术.届时CPU主频将达到5GHZ ,晶体管数量将达到2亿个. 更高的总线宽度，超过2GHZ64位CPU成为主流双核或多核将成为发展的趋势9/27/202211微型计算机发展趋势（2）2、系统存储器 CPU集成更大的高速二级缓存 内存容量更大 速度更快 硬盘容量也更大 速度更快 DVD-RAM普及9/27/202212微型计算机发展趋势（3）3、多媒体系统 显卡的性能更高 图形技术进一步发展 大尺寸显示器成为主流

5、 数字式音箱占领市场9/27/202213微型计算机发展趋势（4）4、网络 电信网、计算机网（IP网）和广播电视网将 进一步融合 更高速率宽带 无线接入 5、整机 更加趋于个性化。利用蓝牙技术或红外无线技术将减少机箱背后的连线，使主机与外设进行无线通信。9/27/202214五、数字电路基础知识(1)111 1tv5v09/27/202215数字电路基础知识(2)9/27/202216上页下页回目录六、 微型计算机系统9/27/202217 到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯.诺依曼（冯诺依曼是美籍匈牙利数学家，他提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，冯诺依曼设计思想最重要之处在于明确

6、地提出了“程序存储、顺序控制”的概念）首先提出的体系结构。其基本设计思想为： 以二进制形式表示指令和数据。 程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。 （一）基于总线的微型计算机硬件系统9/27/202218微机硬件组成：上页下页回目录CPU微处理器RAMI/OROM外设辅助电路CBUSDBUSABUSCBUS ：控制总线 ，DBUS：数据总线，双向三态ABUS ：地址总线，单向三态9/27/202219I/O三态数据缓冲器RAM三态数据缓冲器ROM三态数据缓冲器E1E2E31110

7、00CPUD0 D7数据总线单向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器总线： 在CPU与其它部件之间信息传送的公共通道（1）数据总线 “双向三态 ”（2）地址总线 “单向三态 ”（3）控制总线“多选一”地址译码片选信号上页下页回目录P149/27/202220地址总线AB定时电路输入设备输出设备I/O接口ROMRAM数据总线DB控制总线CB微处理器(CPU)微型计算机硬件系统结构9/27/202221 地址总线AB(Address Bus)：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。 数据总线DB(Data

8、Bus)：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。 控制总线CB(Control Bus)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的，图1.3中CB作为一个整体，用双向表示。 三大总线说明9/27/202222上页下页回目录P5运算器控制器（CPU）微机模型组成9/27/202223 运算器由 算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A（Accumulator） 标志寄存器F（Flag) 寄存器组 R（Regist

9、ers） 相互之间通过内部总线连接而成。它的主要作用是进行数据处理与加工 1. 运算器上页下页回目录 一）、CPU的内部结构9/27/202224 运算器由 算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A（Accumulator） 标志寄存器F（Flag) 寄存器组 R（Registers） 相互之间通过内部总线连接而成。它的主要作用是进行数据处理与加工 上页下页回目录 1. 运算器9/27/202225 CU（Control Unit）由： 程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器ID

10、（Instruction Decoder） 操作控制部件或称为组合逻辑阵列 PLA（ Programmed Logic Array） 时序发生器（图1-2中略）等电路组成 控制器的主要作用有： 解题程序与原始数据的输入 从内存中取出指令并译码 控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换 计算机系统中随机事件的自动处理等 上页下页回目录“+1”2. 控制器9/27/202226上页下页（1）累加器 A（2）数据寄存器 DR（Data Register）（3）寄存器组 R（4）指令寄存器 IR、指令译码器 ID操作控制部件 PLA （5）程序计数器 PC（6）

11、地址寄存器 AR（Address Register） 回目录*3. CPU中的主要寄存器9/27/202227 4. 标志寄存器F 标志寄存器 F 也称程序状态字 PSW（Program State Word），是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，如：运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等 5. 堆栈与堆栈指示器SP（Stack Pointer） （1）按照先进后出FILO（First In Last Out） 顺序向堆栈读/写数据；（2） SP始终指向栈顶；（3）堆栈的两种操作压入（PUSH） 和弹出（POP） 它有三个主要特点：上页下页回目录9/27/202228 存储器 RA

12、M基本结构一般由四个部分组成： 存储矩阵、地址译码器 读写控制电路、三态双向缓冲器。 上页下页回目录自CPU来的 CB来自CPU的地址 AB往返于CPU的 DB地址译码器控制00H01H02H03H .FEHFFH2568存储矩阵三态双向缓冲器地址译码器地址译码器02H02H“读”三态双向缓冲器02H按地址访问的一维线性空间二）、存储器（Memory） 9/27/202229存储器的概念 这里介绍的存储器是指内存储器（又称为主存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。 在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进制代码作为一个字节。为了便于

13、对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。如图1.5所示，地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B。 9/27/202230E7H34HA5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H地址指令或数据内容0 0 1 1 1 0 0 0图1.5 内存单元的地址和内容9/27/202231 1. 基本概念 1)位(Bit)：二进制信息的最小单位（0或1）通常用B表示。 2)字节(Byte)：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。是字的基本组成单位。通常用B表示，

14、1B=8b. 3)字（Word）：不同的场合有不同的含义，软件上通常指2个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。即1W=2B=16b，2W=4B=32b. 4). 字长：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。8位机，16位机指的就是处理器内部数据线的宽度是多少。9/27/202232 5)内存容量：内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1024（210）字节记作1KB，220字节记作1MB。 6)内存单元地址：为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个

15、编号称之为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。 9/27/202233地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B来自CPU的写信号00000000BDB地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB来自CPU的读信号(a) 内存读操作过程示意图(b) 内存写操作过程示意图图1.6 内存读写操作过程示意图 2.内存的操作9/27/2

16、02234 3. 内存的分类 按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。 随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。 只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由CPU任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（BIOS）等。 9/27/202235输入操作“读”操作输出操作“写”操作上页下页回目录指令地址 “+1

17、” 三）、I/O接口和外设 9/27/202236四）、模型机的工作过程 1. 指令和指令系统（1）指令的格式操作码操作数或地址*程序的存储与执行程序PCPCPCPCPCPC指令1指令2指令3指令nM9/27/202237PC 指令执行的两个阶段，取指阶段与执指阶段 上页下页回目录一个CPU周期一个CPU周期一个CPU周期一个指令周期下一个指令周a) 取指阶段b) 执指阶段开始取指令PC + 1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+ 1以直接寻址的指令为例开始取指令PC + 1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+ 1PCPC上一条指

18、令操作码操作数地址下一条指令PC（2）指令执行过程9/27/202238表1-1 “15H+30H”程序执行过程上页下页回目录 注 释 地 址00H01H02H03H04H05H06H 内 容0111 01000001 01010010 01000011 00001000 00001111 1110 助 记 符 MOV A，#15H ADD A，#30H SJMP $ 取数指令，第一字节是操作码第二字节就是指令的操作数加法指令，第一字节是操作码第二字节也是指令的操作数两字节指令，执行原地踏步操作（暂停）PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPC 2. 程序的执行过程 9/27/202239上

19、页下页 1. 程序设计语言 （2）汇编语言 （3）高级语言（1）机器语言2. 系统软件3. 应用软件回目录（二）、软件系统9/27/2022401、字长3、指令系统2、存储容量4、指令的执行时间5. 外设扩展能力及配置上页下页回目录（三）、衡量计算机性能的主要技术指标9/27/202241以下的幻灯片为备用9/27/2022421.3.2 微处理器 （8位）外部DB 微处理器 (CPU)AARPLAPC标志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB 4001H E7H 4002H 34H 4003H A5H 4004H 62H 4005H 38H存储器 地址 单元内容ALU图1.4 微处理器结构

20、内部数据总线DB9/27/202243微处理器的组成运算器(ALU)：进行算术、逻辑、移位运算。控制器(CU)：全机的指挥中心。IR IDPLA内部寄存器(R)PCARDRAFLAGSRA9/27/2022441.3.4 I/O接口与输入输出设备 I/O接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。 I/O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。 9/27/202245为什么要采用I/O接口电路？ 外设与CPU的工作速度不同。与CPU相比，外设的工作速度较低。 外设与CPU的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而计算机只能处理数字量。 外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。 由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不能直接进行，