微机原理：第一章 微型计算机系统概论

微机原理清华大学电子工程系课程目标微机原理课是工科学生学习和掌握微机硬件知识的汇编语言程序设计的入门课程，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接建立微机系统的整机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力主要参考书仇玉章主编，32位微型计算机原理与接口技术，清华大学出版社，2000.8考核方式平时作业 15%实验 15%期末考试 70%教学大纲第一章微型计算机系统概论第二章Pentium微处理器的体系结构第三章Pentium微处理器的指令系统第四章汇编语言程序设计第五章Pentium微处理器的硬件结构第六章存储器系统第七章I/O接口技术第八章中断与中断控制第九章总线第一章微型计算机系统概论1.1微型计算机概述

1.1.1微型计算机系统的三个层次

1.1.2微型计算机的常用术语

1.1.3微型计算机的发展1.2微型计算机的组成和结构

1.2.1微型计算机的组成

1.2.2微型计算机的硬件系统结构1.3微型计算机的工作原理

1.3.1冯诺依曼存储程序工作原理

1.3.2微型计算机的工作过程1.4微型计算机的内信息的表示

1.4.1进位计数制及其相互转换

1.4.2数值数据的表示

1.4.3非数值数据的表示1.1微型计算机概述世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC电子计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机规模超大规模集成电路计算机电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机微型计算机系统的三个层次微处理器严格讲，微处理器≠CPUCPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成把CPU和一组称为寄存器（Registers）的特殊存储器集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器微型计算机系统的三个层次微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入／输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。微型计算机系统的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。微型计算机系统的三个层次：微处理器 微型计算机 微型计算机系统微型计算机的常用术语1．位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是kelo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是Giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240。微型计算机的常用术语2．字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。微型计算机的常用术语3．主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。微型计算机的常用术语4．MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS，主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS5．iCOMP指数iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的，iCOMP指数包含的指标有整数数学计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。微型计算机的常用术语6．微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。目前微处理器的生产工艺已经达到0.18m。7．微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，目前PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。微型计算机的发展微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍

------摩尔定律1971年～1977年是微处理器发展的早期阶段:字长为4位或8位，集成度约为3000～10000晶体管/片，微处理器的主频为0.1～5MHz。1971年：Intel4004，是世界上第一片单片微处理器4位微处理器，寻址空间为4096个半字节,指令系统包括45条指令1972年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。1974年：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年：Intel8080Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。微型计算机的发展第一代：8086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列1979年--8088除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。X86系列微型计算机的发展第二代：80286（1982年-1984年）采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）。X86系列微型计算机的发展第三代：80386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含16位数据总线和24位地址总线，寻址空间为16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。由于这些微处理器由于与I/O之间传输为16位，故也称为准32位微处理器。X86系列微型计算机的发展第四代：80486（1989年-1992年）采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器。80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司还生产过80486的其他一些版本：80486SX，工作频率20MHz，不包含数学协处理器；80486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为33MHz；80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到100MHZ，内存存取速度为33MHz。X86系列微型计算机的发展第五代：Pentium（1993年-1997年）Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。第二代Pentium处理器（以P54C代称，1994年）采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。第三代PentiumMMX（以P55C代称1997年）增加了57条多媒体指令在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物X86系列微型计算机的发展第六代：P6（1996-今）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII采用0.6m-0.18m工艺，集成度550万-750万晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令X86系列微型计算机的发展第七代：未来----64位Mecerd（P7）X86系列微型计算机的发展X86系列微型计算机的发展1.2微型计算机的组成和结构微型计算机的组成微型计算机的硬件体系结构冯·诺依曼结构：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程微型计算机的硬件体系结构微型计算机的硬件体系结构1.3微型计算机的工作原理冯诺依曼存储程序工作原理存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。微型计算机的工作过程计算1+2=?汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作

MOVAL,1 10110000 将立即数1传送到累加寄存器AL中

00000001 ADDAl,2 00000100 计算两个数的和，结果存放到AL中

00000010 MOV[0008],AL 10100010 将AL中的数传送到地址单元0008 00001001 00000000 HLT 11110100 停机 微型计算机的工作过程1.4微型计算机的内信息的表示进位计数制及其相互转换十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位计数制，进位计数制中用少量数码按次序排列成数位，并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位十进制的两个基本要素。基数是进位计数制中所用数码的个数，基数为r的进位计数制中需要r个数码，每个数位计满r就向高位进一，即逢r进一。在进位计数制表示的数中，同一数字处在不同位置表示不同的值，它所表示的值是该数字乘以一个由它所处位置所决定的常数，这一常数就是该数位所具有的权。r进制数各位的权是以r为底的幂。进位计数制及其相互转换任何一个r进制数N可以表示为：

若r=10，则十进制数，其各位的权是以10为底的幂；若r=2，则是二进制数，其各位的权是以2为底的幂；若r=8，则是八进制数，其各位的权是以8为底的幂，八进制中共有八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7；若r=16，则是十六进制数，其各位的权是以16为底的幂，十六进制中共有16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。为了明确表示一个数所采用的进位计数制，可以该数的后面加上下标(B)、(O)、(D)、(H)，分别表示该数为二进制、八进制、十进制和十六进制进位计数制及其相互转换r进制数转换为十进制数按照公式展开求和例1.分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示十进制数转换为r进制数整数部分和小数部分分别进行转换整数部分的转换步骤：①把r写成十进制数；②将N除以r，记录商和余数，并用r进制表示余数，这余数便是用r进制表示的数的最低位数字；③把上次的商进行②中所述除以r取余的运算，用r进制表示余数；重复这种运算直到商为0，这时的余数即为十进制数N用r进制表示时的最高位数字。十进制数转换为r进制数例2.把十进制数103用二进制表示例3.把十进制数506用十六进制表示小数部分的转换步骤：①把r写成十进制数；②将N乘以r，记录积的整数部分和小数部分，并用r进制表示整数部分，该整数即为转换后r进制小数的最高位；③把上次积的小数部分进行②中所述乘以r取整的运算，用r进制表示积的整数部分；重复这种运算直到积的小数部分为0，或者达到所要求的位数，这时的整数部分即为十进制数N转换成r进制小数的最低位。十进制数转换为r进制数例4.把十进制0.8125用八进制表示二进制与八进制、十六进制的相互转换从二进制转换成十六进制时，从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每四位二进制数为一组用一位十六进制的数字来表示，不足四位的用0补足，就是相应十六进制的表示。从二进制转换成八进制时，从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每三位二进制数为一组用一位八进制的数字来表示，不足三位的用0补足，就是相应八进制的表示。例5.把二进制1011011010111.11101用十六进制表示例6.把八进制数62.31用二进制表示数值数据的表示符号数的表示把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数这种在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。最高位表示符号，数值位用二进制绝对值表示的方法，称为原码表示法一个负数的原码符号位保持不变，其余位取反就是机器数的另一种表示方法，反码表示法。正数的反码与原码相同。将负数的反码加1，则得到机器数的补码表示。正数的补码与原码相同。补码加减法的运算规则[XY]补=[X]补+[Y]

补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。模（module）就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以进位计数制基数为底，以位数为指数的幂。凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有，

X=2n+X(mod2n)不难验证，

[X]补=2n+X(mod2n)因此，

[XY]补

=2n+(XY)(mod2n) =(2n+X)+(2n+X) =[X]补+[Y]补补码加减法的运算规则例7.设X=23，Y=-42，以28为模，用补码运算求X+Y和X-Y。当运算结果超出补码表示的数值范围时，补码运算就不正确了。这种现象称为溢出。对于n位补码，当时应用补码运算可以得到正确的结果无符号数的表示五符号数的最高位不是符号位而是数值的一部分浮点数的表示任意一个二进制实数X都可以表示成如下一般格式：10.010111012+5的阶码为+5，表示把尾数的小数点向右移动5位就是小数点的实际位置规格化处理：整数部分必须是1浮点数的表示Pentium微处理器支持的浮点格式Pentium将阶码以一种偏置形式存放于格式之中，即将真阶码加上一个常数偏置值才是格式阶码，以保证偏置后的格式阶码恒为正数。单精度的阶码偏置值为+127，双精度的阶码偏置值为+1023，扩展精度的阶码偏置值为+16383。一个浮点数数的真阶码要通过它的格式阶码减去偏置值而得到。浮点数的表示例8.写出178.125以单精度浮点数形式存