第1章微型计算机的基础知识

11.2微型计算机的结构和工作原理2主要内容：微型计算机常用的术语微型计算机的基本结构计算机的工作原理31.2.1微型计算机常用的术语bit1Mb=1024

1024bit=220bit1Gb=230bit=1024Mb1Tb=240bit=1024GbByte1Byte=8bit，1KB=1024ByteWord：表示字长，有1bit,4bit,8bit,16bit等一般情况下为2Byte(16bit)指令：规定计算机进行某种操作的命令程序：指令的有序集合指令系统：全部指令41.2.2微型计算机的基本结构掌握：微机系统的基本组成微型机的结构5一、微型计算机系统组成微型计算机系统的三个层次

微处理器(Microprocessor)

微型计算机(Microcomputer)微型计算机系统(Microcomputer

System)6微型计算机系统的三个层次微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件7核心级——微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：

运算器ALU

控制器CU寄存器组Registers实现运算功能和控制功能8硬件系统级——微型计算机以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。将CPU、存储器、I/O接口、总线等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。9系统级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。10二、微型计算机的基本结构

1.微型计算机的硬件系统微处理器（CPU）存储器输入/输出接口总线11微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口12主机硬件系统——CPU计算机的控制中心，提供运算、判断能力构成：ALU、CU、Registers例：Intel8088、PIII、P4AMDK7CPU的位数：4位、8位、16位、32位是指一次能处理的数据的位数13

总线是把计算机各部分有机地连接起来的一组并行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道微机的三总线：数据总线DB

在CPU与存储器和CPU与I/O接口之间双向传送数据.其条数决定了每一次能同时传送的二进制数的位数。如：8088的数据总线为8条，一次能够传送8位二进制数，用D7～D0表示2.总线地址总线AB

传送CPU发出的地址，以寻址存储单元或I/O端口。AB的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量。如：地址总线为20条，用A19～A0表示，可寻址220=1M的存储空间控制总线CB

向计算机系统的各部件发送操作命令和定时信息。带有上横线的表示低电平有效,无上横线的表示高电平有效

如：ALE(addresslatchenable)、INTR高电平有效，MEMW、MEMR、IOR、IOW、INTA低电平有效15主机硬件系统——总线BUS连接多个功能部件的一组公共信号线地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。

CPU的寻址范围=2n，

n-地址线根数数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。控制总线CB：用来传送各种控制信号16主机硬件系统——存储器存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、。。。）内存：ROM、RAM特点：随机存取，速度快，容量小外存：磁盘、光盘、半导体盘、…特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大17有关内存储器的几个概念内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类18

内存单元的地址和内容19

内存单元的地址和内容内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址1011011038F04H内存单元地址内存单元内容......7654321020内存容量内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别

内存容量：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，其内存容量为256MB

内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关21内存操作读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；刷新：对CPU透明，仅动态存储器有此操作内存的读写的步骤为：CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上若是写操作，CPU紧接着把要写入的数据放到DB上CPU发出读写命令数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB若是读操作，CPU紧接着从DB上取回数据22内存储器的分类读写存储器（RAM）可读可写易失性，临时存放程序和数据只读存储器（ROM）工作时只能读非易失性，永久或半永久性存放信息234.总线插座和接口外部设备(I/O设备）通过总线插座和接口与计算机连接。设置接口的主要原因

外设的工作速度远低于CPU的速度外设表示信息的格式与计算机不同接口向计算机报告设备的状态,传达计算机命令等5.I/O设备输入设备：键盘、模数转换器、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图机等输入/输出设备：磁盘和光盘等24输入/输出接口简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口I/O设备251.2.3计算机的工作原理存储程序计算机又称为冯•诺依曼型计算机数据和程序均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程序由多条有逻辑关系的指令组成指令的长度不等（一般为1～4字节）26存储程序计算机的工作原理程序预先存放在计算机的存储器中，计算机按程序的流程自动地连续取出指令并执行之。为实现自动连续地执行程序，控制器设置一程序计数器PC，它可根据指令的长度自动增量（总是指向下一条指令）。只要给出程序中第一条指令的地址，再由CPU的控制器和ALU依据程序中指令的顺序周而复始地取出指令，分析指令，执行指令，最后输出程序结果。即其原理是“程序存储和程序控制”27

微型计算机的物理结构281.380X86微处理器80X86微处理器为美国Intel公司生产从低到高有：8086/8088→80286→80386→80486→Pentium（80586）→Pentium2→P3→P4统称为80X86微处理器291.3.18086/80888088、8086基本类似16位CPU、AB宽度20位差别：指令预取队列：8088为4字节，8086为6字节数据总线引脚：8088有8根，8086有16根8088为准16位CPU，内部DB为16位，但外部仅为8位，16位数据要分两次传送30指令预取队列(IPQ)指令的一般执行过程：取指令指令译码读取操作数执行指令存放结果31串行工作方式：8086以前的CPU采用串行工作方式：1）CPU执行指令时总线处于空闲状态2）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到取指令1执行1取操作数2执行2CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌存结果1取指令2空闲空闲32并行工作方式：8086CPU采用并行工作方式取指令2取操作数BIU存结果取指令3取操作数取指令4执行1执行2执行3

EUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌338086的流水线操作8086CPU包括两大部分：EU和BIUBIU不断地从存储器取指令送入指令队列寄存器IPQ，EU不断地从IPQ取出指令执行EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（类似于工厂流水线的传送带）新型CPU将一条指令划分成更多的阶段，以便可以同时执行更多的指令例如，P3为14个阶段，P4为20个阶段(超级流水线)34结论指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作，从而提高了CPU的效率；降低了对存储器存取速度的要求358086/8088CPU的特点采用并行流水线工作方式对内存空间实行分段管理：每段大小为16B～64KB用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址设置地址段寄存器指示段的首地址支持多处理器系统；片内没有浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（也可用软件模拟）

注：80486DX以后的CPU均将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部368086CPU的内部结构378086内部由两部分组成：执行单元（EU）总线接口单元（BIU）38执行单元EU功能:执行指令

从指令队列中取指令代码译码在ALU中完成数据的运算运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中。39执行单元包括

算术逻辑单元（运算器）8个通用寄存器1个标志寄存器

EU部分控制电路40总线接口单元BIU功能：从内存中取指令送入指令预取队列负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送在执行转移程序时，BIU使指令预取队列复位，从指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行。41(1)四个段地址寄存器CS–––16位代码段寄存器DS–––16位数据段寄存器ES–––16位附加段寄存器SS–––16位堆栈段寄存器BIU的组成42(2)IP–––16位指令指针寄存器

指向下一条要取出的指令。(3)20位地址加法器16位内部寄存器提供的信息经地址加法器产生20位地址信息。例：指令的物理地址=CS16+IP43(4)六字节的指令队列取指令与执行指令并行工作，即在一条指令的执行过程中，可以取出下一条或多条指令，在指令队列中排队。

1.3.280286内部和外部数据总线都是16位，地址总线为24位，可寻址224字节即16MB内存，支持虚拟存储器管理技术，虚拟存储空间可达1GB(230)。

微处理器的组成：地址单元AU（AddressUnit）总线单元BU（BusUnit）指令单元IU(InstructionUnit)执行单元EUAU中的存储器管理机构使用段式管理方式，首次实现了虚拟存储器管理

1.3.380386内部和外部数据总线都是32位的，地址总线为32位，可寻址4GB，虚拟存储空间可达64TB(246)微处理器的组成：总线接口单元BIU指令译码单元IDU（InstructionDecodeUnit）指令预取单元IPU（InstructionPrefetchUnit）执行单元EU分段单元SU(SegmentationUnit)分页单元PU(PagingUnit)

1.3.480486内部数据总线为64位，外部数据总线为32位，地址总线为32位)微处理器的组成：总线接口单元、指令译码单元指令预取单元、执行单元分段单元分页单元以及浮点处理单元（FPU）

高速缓存（Cachememory）

1.3.5PentiumIntel公司在1993年推出了全新一代的高性能微处理器Pentium。Pentium是由拉丁文“五”（pente）和元素周期表的公用后缀——ium组合而成，其寓意是指Pentium为该公司的第五代产品，中文翻译成一个很好听的名字“奔腾”。继Pentium之后Intel相继推出了PentiumPro、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium4等微处理器。Pentium有64位数据线和32位地址线。

Pentium与80486的最大区别是：Pentium内部具有8KB指令cache和8KB数据cache。后续的Pentium系列处理器内部指令cache和数据cache分别增加到16KB，还配有256KB或512KB的二级cache。

1.3.5PentiumPentium微处理器内部由总线接口单元、指令预取单元、指令译码单元、分段单元和分页单元、浮点处理单元、控制ROM、控制单元、指令cache和数据cache、U流水线和V流水线、分支转移目标缓冲器以及整数寄存器组和浮点数寄存器组等11个功能部件组成。1、Pentium微处理器的内部结构

1.3.5Pentium

1.3.5Pentium（1）总线接口单元总线接口单元实现微处理器与微型计算机系统总线的连接，其中包括64位数据线、32位地址线和众多的控制信号线，以此实现微处理器与外部的信息交换。Pentium微处理器与外部交换数据可以是64位还可以是32位、16位或者8位。（2）分段单元和分页单元分段单元将程序提供的逻辑地址转换为线性地址，分页单元将线性地址转换为物理地址。分页是将段分为多个固定大小的页面(通常为4KB)，分页支持虚拟存储器环境。内存中只保留程序访问的页面，而众多的页面被存储在磁盘中。

1.3.5Pentium（3）U流水线和V流水线Pentium采用两条流水线，这两条流水线都拥有自己的算术逻辑单元ALU、地址生成电路和数据Cache的接口。这种双流水线结构允许Pentium可以一次执行两条指令，每条流水线中执行一条。（4）指令Cache和数据Cache在Pentium中，指令Cache和数据Cache两者分开，从而减少了指令预取和数据存取操作之间可能发生的冲突，并可提高命中率。（5）指令预取单元、指令译码单元和控制ROM指令预取单元从指令Cache中预先取指令，每次取两条指令。如是简单指令则直接译码后分别送到U流水线和V流水线执行。如果是复杂指令，通过控制ROM将其转换成对应的一系列微指令，再送到U流水线和V流水线执行。微指令是微处理器能够直接执行的指令，它的长度是固定的。

1.3.5Pentium（6）控制单元控制单元的功能是通过对来自指令译码单元和和控制ROM中微程序的解析，控制U流水线、V流水线和浮点处理单元的正常运行。（7）分支转移目标缓冲器分支转移目标缓冲器在遇到分支转移指令时用来预测转移是否发生，并据此为分支指令处的指令提供预取地址。（8）浮点处理单元浮点处理单元主要用于浮点运算，使得浮点运算的速度得到提高。

1.3.5Pentium(1)超标量流水线(2)分支转移的动态预测(3)独立的指令Cache和数据Cache(4)重新设计的浮点单元2、Pentium微处理器的先进技术541.480X86的寄存器1.4.18086/8088的寄存器8个通用寄存器2个控制寄存器4个段寄存器561.通用寄存器

数据寄存器（AX，BX，CX，DX）地址指针寄存器（SP，BP）变址寄存器（SI，DI）57数据寄存器8086含4个16位数据寄存器，它们又可分为8个8位寄存器，即：AXAH，ALBXBH，BLCXCH，CLDXDH，DL常用来存放参与运算的操作数或运算结果58数据寄存器特有的习惯用法AX：累加器。多用于存放中间运算结果。所有I/O指令必须都通过AX与接口传送信息；BX：基址寄存器。在间接寻址中用于存放基地址；CX：计数寄存器。用于在循环或串操作指令中存放循环次数或重复次数；DX：数据寄存器。在32位乘除法运算时，存放高16位数；在间接寻址的I/O指令中存放

I/O端口地址。59地址指针寄存器SP：堆栈指针寄存器，其内容为栈顶的偏移地址；BP：基址指针寄存器，常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址。60BX与BP在应用上的区别作为通用寄存器，二者均可用于存放数据；作为基址寄存器，BX通常用于寻址数据段；BP则通常用于寻址堆栈段。BX一般与DS或ES搭配使用61变址寄存器SI：源变址寄存器DI：目标变址寄存器变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址。特别是在串操作指令中，用SI存放源操作数的偏移地址，而用DI存放目标操作数的偏移地址。622.段寄存器用于存放逻辑段的段基地址(逻辑段的概念后面将要介绍)

CS：代码段寄存器

代码段用于存放指令代码

DS：数据段寄存器

ES：附加段寄存器

数据段和附加段用来存放操作数

SS：堆栈段寄存器

堆栈段用于存放返回地址，保存寄存器内容，传递参数633.控制寄存器IP：指令指针寄存器，其内容为下一条要执行的指令的偏移地址FLAGS：标志寄存器状态标志：存放运算结果的特征控制标志：控制某些特殊操作

6个状态标志位(CF，SF，AF，PF，OF，ZF)3个控制标志位(IF，TF，DF)64标志寄存器FR

共有16位，其中7位未用，各位的定义如下：1501413121110987654321OFDFIFTFSFZFAFPFCF图标志寄存器根据功能，有两类标志状态标志控制标志表8086CPU标志位的定义名称符号符号标志SF功能与运算结果的最高位相同，当数据用补码表示时，负数的最高位为1，所以符号标志表示运算执行后的结果是正还是负零标志ZF运算结果为零，ZF=1；运算结果不为零，ZF=0奇偶标志PF运算结果低8位所含的1的个数为偶数，PF=1；若为奇数，PF=0进位标志CF当执行一个加减法运算使最高位产生进位或借位时，CF=1；若无进位或借位时，CF=0辅助

进位标志AF加法运算时，如果低4位往高4位有进位；减法运算时，如果低4位往高4位有借位，AF=1，否则AF=0。辅助进位标志一般在BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据溢出标志OF运算过程中产生溢出时，所谓溢出，是指当字节运算的结果超出了范围

128~+127，或者当字运算的结果超出了范围

32768~+32767时称为溢出，则OF=1；否则OF=0方向标志DF控制串操作指令用的标志。DF=0,串操作过程中的地址会不断增值；DF=1,串操作过程中的地址会不断减值中断标志IF控制可屏蔽中断的标志。IF=0,CPU不能对可屏蔽中断请求作出响应；IF=1,CPU可以接受可屏蔽中断请求跟踪标志TFCPU按跟踪方式执行指令661.4.280286的寄存器在8086的基础上新增：16位的机器状态字寄存器MSW：只定义了低4位标志寄存器EFLAGS增加两个标志位：任务嵌套标志位NT(nestedtask)和I/O特权级标志位IOPL(I/Oprivilegelevelfield)分别位于D14、

D13和D123位

671.4.380386的寄存器1.基本寄存器（1）通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI,EDI，均为32位低16位AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI，用法与8086完全相同681.4.380386的寄存器（2）指令指示器EIP和标志寄存器EFLAGS

均为32位，它们的低16位即是8086的IP和FLAGS，并可单独使用（3）段寄存器6个段寄存器：CS,SS,DS,ES,FS,GS,均为16位FS、GS的作用与ES相同段基址与段寄存器的关系由微处理器80386的工作方式确定691.4.380386的寄存器2.系统寄存器（1）系统地址寄存器全局描述符表寄存器GDTR中断描述符表寄存器IDTR局部描述符表寄存器LDTR任务寄存器TR主要用来在保护模式下管理用于生成线性地址和物理地址的４个系统表701.4.380386的寄存器（2）控制寄存器控制寄存器有４个：CR0～CR3，CR1为备用。主要用来进行分页处理。（3）调试寄存器

DR0～DR7，主要用来设置程序的断点（4）测试寄存器

TR6和TR7，用来进行页处理711.4.480486的寄存器新增加3个测试寄存器TR3～TR5用于片内Cache测试以及浮点处理单元的浮点寄存器

80486除了保留80386的所有标志外，在D18位增加了对准检查标志AC(alignmentcheck)72

1.4.5Pentium的寄存器1.基本寄存器731.4.5Pentium的寄存器（1）通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI,EDI，均为32位低16位AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI，用法与8086完全相同741.4.5Pentium的寄存器（2）指令指示器EIPEIP是32位的寄存器，它用来存放下一条要执行指令的偏移地址低16位即是8086的指令指示器IP，可单独使用微处理器工作于保护方式下时，EIP是32位的寄存器；工作于实地址方式下时，EIP是16位的指令指示器IP。751.4.5Pentium的寄存器（3）标志寄存器EFLAGS761.4.5Pentium的寄存器（4）段寄存器

6个16位段寄存器：CS、SS、DS、ES、FS、GS。在实地址方式，CS、SS、DS和ES的作用与8086相同，FS和GS的作用与ES相同，用来存放段的起始地址即段基址的高16位地址；在虚地址保护方式，段寄存器中存放的是选择字，CS、SS、DS中的选择字分别指向当前段对应的段描述符，ES、FS和GS中的选择字指向当前3个附加数据段对应的段描述符，由此可以找到当前各个段的段基址。771.4.5Pentium的寄存器（4）段寄存器

6个16位段寄存器：CS、SS、DS、ES、FS、GS。在实地址方式，CS、SS、DS和ES的作用与8086相同，FS和GS的作用与ES相同，用来存放段的起始地址即段基址的高16位地址；在虚地址保护方式，段寄存器中存放的是选择字，CS、SS、DS中的选择字分别指向当前段对应的段描述符，ES、FS和GS中的选择字指向当前3个附加数据段对应的段描述符，由此可以找到当前各个段的段基址。781.4.5Pentium的寄存器→到文档：第1章附继续791.580X86的工作方式和

存储器物理地址的生成801.580X86的工作方式和

存储器物理地址的生成主要内容：存储器编址存储器分段和物理地址生成堆栈和栈操作指令81一、存储器编址存储器以每8位为一个存储单元，每一个存储单元用唯一的一个编号（称为地址码）来表示。一个字的两个单元有各自的地址，处于低地址的字节的地址为这个字的地址在存储器中，任何连续存放的两个字节都可以称为一个字。将偶地址的字称为规则字，奇地址的字称为非规则字。

例：字2301的地址为0000H，为规则字；字4523的地址为0001H，为非规则字。

82物理地址8086：20根地址线，可寻址220(1MB)个存储单元CPU送到AB上的20位的地址称为物理地址

二、存储器分段和物理地址的生成83物理地址物理地址..60000H60001H60002H60003H60004H...12HF0H1BH08H存储器的操作完全基于物理地址。问题：8086的内部总线和内部寄存器均为16位，如何生成20位地址？解决：存储器分段84存储器分段高地址低地址段基址段基址段基址段基址最大64KB段i-1段i段i+11.1M存储空间分成若干个逻辑段，每一段64K2.段与段之间可以连续排列，部分重叠，断续排列。85逻辑地址段基地址和段内偏移组成了逻辑地址

段地址偏移地址(偏移量)格式为：段地址:偏移地址物理地址=段基地址×16+偏移地址60002H00H12H60000H0000段基地址（16位）段首地址