微型计算机系统原理及接口技术：第一章 绪论

1学时：64理论教学＋16实验学分：最终成绩构成：平时10％＋实验10％＋期中10％＋期末70％先修课程：《数字逻辑电路》_______________________________________微型计算机系统原理及接口技术2第一章概述1.1 信息在计算机中的表示1.2 微机发展概况1.3 微机系统工作原理1.4 微机硬件1.5 微机软件1.6 嵌入式系统31.1信息在计算机中的表示——在计算机内部用二进制数以不同形式编码表示和存储信息。1.1.1机器数与真值

真值——用“+”和“-”表示符号的带符号数。机器数——用“0”和“1”表示符号的带符号二进制（Binary）数。注：机器数除了可以写成二进制的形式外，通常也写成十六进制（Hex）的形式。第一章4附十进制数、二进制数与十六进制数DecimalBinaryHexDecimalBinaryHex000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F51.1.2计算机中的数据类型位b（bit）、字节B（Byte）、字W（Word）、双字DW（DoubleWord）、四字QW（QuardWord）

1bit=1个二进制位1Byte=8bit1Word=2Byte1DoubleWord=2Word=4Byte1QuardWord=4Word……0110110001111110101011001111000001010011bit(1B)Byte(53H)Word(0F053H)DoubleWord(7EACF053H)Quardword低字节高字节高字低字第一章数据类型的低字节存放在较低地址处！！61.1.3原码、反码与补码计算机中带符号数的表示

对于带符号数，最高位为符号位，余下的二进制数位表示数值。符号位用“0”

表示正数，用“1”

表示负数。(2n–1)为n个1，(2n–1)-|x|为|x|的反码，所以求负数的补码可按“按位取反，末位加1”的方法进行。[x]补=x2n-|x|(x<0)x>=0微机中用补码表示带符号数利用补码将减法运算转化为加法运算：X=[[X]补]补[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补+[-Y]补第一章7机器数的三种编码形式原码反码补码设X=(+-)X1,X2,…,Xi,…,Xn-1，其中Xi为一位二进制数，i=1,2,…,n-1。则

[X]原

88位二进制数十六进制数无符号数原码补码反码0000000000H0+0+0+00000000101H1+1+1+10000001002H2+2+2+2····································011111017DH125+125+125+125011111107EH126+126+126+126011111117FH127+127+127+1271000000080H128-0-128-1271000000181H129-1-127-1261000001082H130-2-126-125····································11111101FDH253-125-3-211111110FEH254-126-2-111111111FFH255-127-1-0第一章9补码的好处由于补码具有运算过程简单、效率高、硬件电路结构简单和便于实现各种运算等优点，计算机系统中的带符号数通常都采用补码表示法

X=[[X]补]补[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补+[-Y]补

101.1.4定点数与浮点数定点数—小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）浮点数—小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）浮点数的表示方法（IEEE）SE1E2E3E4…Eib1b2b3b4…bp-1符号指数尾数(-1)S2E(b0

b1b2b3…bp-1)S=0正数S=1负数小数点位置与b0=1省略

第一章11微机系统的三种浮点数类型（IEEE）浮点数中的参数单精度浮点数双精度浮点数扩充精度浮点数浮点数长度32位64位80位尾数长度p23位52位64位符号位S1位1位1位指数长度E8位11位15位最小指数-126-1022-16382最大指数+127+1023+16383指数的偏移量值+127+1023+16383【例1.3】将十进制数219.125表示成单精度浮点数。（P5）219.125D=11011011.001B=1.1011011001

27E=7+127=134=10000110B。得到二进制表示的规格化的浮点数形式：尾数（共23位），包括隐含的b0共24位指数符号01000011010110110010000000000000第一章121.1.5计算机中常用码制1．BCD码（BinaryCodedDecimal）

用二进制编码表示十进制数称为BCD码。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如(0100100101111000.000101001001)BCD

(4978.149)D压缩BCD码：一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码：一个字节表示一位十进制数（使用低四位）

2.ASCII码

美国国家信息交换标准代码ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）已成为计算机字符编码的国际标准。

第一章13

012345670NULDLESP0@P`P1SOHDC1!1AQaQ2STXDC2“2BRbR3ETXDC3#3CScS4EOTDC4$4DTdT5ENQNAK%5EUeU6ACKSYN&6FVfV7BELETB‘7GWgW8BSCAN(8HXhX9HTEM)9IYiYALFSUB*:JZjZBVTESC+;K[k{CFFFS,<L\l|DCRGS-=M]m}ESORS.>N^n~FSIUS/?O_oDELNUL空SOH标题开始STX正文结束ETX本文结束EOT传输结束ENQ询问ACK承认BEL报警符BS退格HT横向列表LF换行VT垂直制表FF走纸控制CR回车SO移位输出SI移位输入SP空格DLE数据链换码DC1设备控制1DC2设备控制2DC3设备控制3DC4设备控制4NAK否定SYN空转同步ETB信息组传送结束CAN作废EM纸尽SUB减ESC换码FS分隔符GS组分隔符RS记录分隔符US单元分隔符DEL作废第一章143.中文编码

中文字符用二个字节表示，每个字节的最高位置1，余下的14位表示字符，构成汉字内码

(GB2312-80)。汉字内码是对汉字的唯一标识。汉字输入码各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码

汉字内码

输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码汉字输出码

用于输出汉字字型的点阵编码

第一章151.2微机发展概况第一台数字式电子计算机：ENIAC1946年2月，宾夕法尼亚尼亚大学莫尔学院物理学博士莫克利和电气工程师埃克特冯·诺依曼体系1944，参加改进ENIAC的系列专家会议，研究新型计算机系统结构其执笔的报告中，提出新型计算机体系结构该体系结构沿用至今第一章电子计算机之父：冯·诺依曼(J.VonNeumann)(1913-1954)，美籍匈牙利人与爱因斯坦一起被聘为普林斯顿大学高等研究院的第一批终身教授16阿兰·图林——真正的计算机之父1912年6月23日出生于英国伦敦，发明图林机；图林把证明数学题的推导过程，转变成为一台自动机器的运行过程后，不仅证明了这一数学难题，而且用“万能计算机”的设想，从理论上证明了制造出通用计算机的可能性。他的“万能计算机”就是现代通用计算机的一种模型，这种机器只要为它编好程序，就可以承担其他机器能做的任何工作；1954年6月8日清晨，阿兰的女管家发现阿兰死在自己的床上。床头柜上有个吃了一半的苹果……目前，计算机界仍有个一年一度“图林奖”，由美国计算机学会（ACM）颁发给世界上最优秀的电脑科学家，它就像科学界的诺贝尔奖那样，是电脑领域的最高荣誉。17现代计算机之父--巴贝奇查尔斯

巴贝奇（CharlesBabbage）（1792-1871），设计了差分机（DifferenceEngine）和分析机（AnalyticalEngine）。1822年设计出分析机，分析机是一种机械式计算装置，有三个主要部分：第一部分是由许多轮子组成的保存数据的存储库；第二部分是运算装置；第三部分是对操作顺序进行控制并能选择所需处理的数据以及输出结果的装置。巴贝奇还把程序控制的思想引入了分析机，它的设想是采用穿孔卡片把指令存到存储库中，机器根据穿孔卡片上孔的图形确定该执行什么指令，并自动运算。分析机的结构、设计思想把现代计算机的结构、设计思想提了出来，可以说是现代通用计算机的雏形。18世界第一位程序员——阿达阿达

奥古斯塔（AdaAugusta）（1815-1852）， 英国著名诗人拜伦的女儿巴贝奇分析机计划的坚定支持者，她不仅理解了巴贝奇分析机的思想，还认为如果有正确的指令，分析机甚至可以用来作曲、制图和科学研究，这在当时是十分大胆的预见她的最重要的贡献在于首次为计算机编出了程序，其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。被人们赞誉为“世界上第一位计算机程序员”。为了纪念阿达

奥古斯塔，1981年，美国国防部把他们花了10年时间研制而成的一种军用计算机语言命名为Ada语言。19第一代1971年Intel40044位2300108KHz每秒6万次1972年Intel80088位3500基本指令周期为20～50μs第二代1974年Intel80808位60002MHzMC68008位68001976年Z808位100002.5MHz第三代1978年Intel808616位290005MHz／基本指令周期0.5μs1982年Intel8028616位13.4万基本指令周期0.2μs第四代1985年

10月8038632位27.5万

16-33MHz／3-4MIPS

1989年4月

8048632位120万33-120MHz/41-54MIPS第五代1993.3.22Pentium32位310万

75-133MHz0.6μm1995.11.8Pentiumpro32位550万200MHz/400MIPS1997年PentiumⅡ32位700万266MHz/400MIPS1999.2.26PentiumⅢ32位2800万450MHz1999.2.24AMD-K6-Ⅲ32位2130万450MHz0.25μm2000.11.24Pentium432位4200万1.4GHz0.18μm更新……微处理器发展一览表20奔腾不息升级不止Intel2004年2月1日发布基于Prescott核心的第三代Pentium4处理器。采用0.09微米的制造工艺，拥有一亿两千五百万个晶体管，管线也增加到了31级。配备1MB二级缓存，16KB的数据缓存。2005/02/21：P46XX发布起跳频率为3.2GHz，L2Cache2MB，售价为215欧元2005/02/28第一章212006年7月27日全球正式发布的Core2系列处理器22第一章

Pentium4EPentium4Pentium4ExtremeEditionAthlon64Athlon64FX核心PrescottNorthwoodGallatinClawHammerSledgeHammerSocketSocket478Socket478Socket478Socket754Socket940频率2.8-3.4GHz1.6-3.4GHz3.2-3.4GHz2.0-2.2GHz2.2GHz生产技术0.09微米，应变硅晶技术0.13微米0.13微米0.13微米，SOI0.13微米，SOI晶体管数125百万55百万178百万105.9百万105.9百万内核尺寸m2112131237193193L1数据缓存16KB8KB8KB64KB64KBL1指令缓存1200微指令12000微指令2000微指令64KB64KBL2缓存1024KB512KB512KB1024/512KB1024KBL3缓存——2MB——SIMD指令SSE3/SSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSE/

3DNow！SSE2/SSE/

3DNow！23GordonMoore1965的预言已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？1971/11Intel40042300Transistors1978/6Intel808629000Transistors3μm2002/4Pentium4-2.2G55MillionTransistors0.13μm2004/2Prescott3.4GP4125MillionTransistors90nmGordonMooremadehisfamous…第一章24摩尔定律CPU性能每18个月增加一倍第一章GordonMoore25摩尔定律

晶体管数目每两年增加一倍4200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年万晶体管第一章26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形式存放；控制器根据存放在存储器中的程序来工作。1.3.1微机系统结构

微处理器是将运算器和控制器以及其它部件集为一体的大规模集成电路。一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。冯·诺依曼结构输入设备存储器运算器控制器输出设备1.3微机系统工作原理第一章27哈佛结构28

微处理器系统的总线结构MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB2组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB联系在一起。1总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。第一章29

微处理器系统的总线结构MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB

微处理器MPU包含运算器和控制器，是微机系统的核心部件。称为中央处理单元(CPU)存储器用来存放数据和程序；分为只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)和随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)输入输出接口又称为I/O接口(Input/Outputinterface)，是微机系统与外部设备交换信息的电路和通道。第一章30总线结构MPUMI/O总线MPUI/OM存储器总线I/O总线单总线双总线MPU局部I/O局部M缓冲器总线控制逻辑

全局

全局MI/ODMA控制器双重总线局部总线全局总线第一章31数据总线DB（DataBus）用来传输数据信息，是双向总线，CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。地址总线AB（AddressBus）用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。控制总线CB（ControlBus）用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。第一章32以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算存放运算操作数和结果寄存器组(RS)通用寄存器组堆栈指针(SP)程序计数器(PC)地址缓冲器数据缓冲器指令寄存器(IR)指令译码器(ID)操作控制器(OC)累加器(ACC)累加锁存器标志寄存器(FR)暂存器算术逻辑单元(ALU)根据指令发出控制信号地址总线数据总线控制总线临时存放单元：暂时存放数据和地址指示栈项地址存放下一条要执行的指令的地址寄存ALU操作结果的状态1.3.2微处理器简化模型第一章33341.3.3指令概述

指令是规定计算机执行特定操作的命令。

通常条指令包括两部分：操作码和地址码。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；地址码指明参加上述规定操作的数据存放地址或操作数。微型计算机每执行一条指令都是分成三个阶段进行：取指令（Fetch）、分析指令（Decode）和执行指令（Execute）。取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自动加1指向下一条指令地址。第一章35

分析指令阶段的任务是将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令阶段的任务是取出操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。微型机程序的执行过程实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个机器的运行。第一章361.3.4指令示例ORG1000HMOVAL，

5CH B0H 5CHADDAL，

2EH 04H 2EHJO1009H 70H 03H

MOV[0200H]，

AL A2H 00H 02HHLT F4H汇编语言源程序对应机器码地址立即数程序执行(动画图有错)第一章371.4微机硬件1.4.1微机系统的主要性能指标1字长微机系统能够直接处理的二进制数据的位数。2运算速度微处理器的主频/MIPS(MillionInstructionsPerSecond)3、存储容量包括内存容量（由微处理器的寻址能力决定）和外存容量。4、外设扩展能力第一章381.4.2微型计算机先进技术1微程序控制技术

根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作“微程序控制”2虚拟存储器技术

一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。第一章39微型计算机先进技术流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。Pentium使用的6步流水线结构（1）取指令：CPU从高速缓存或内存中取一条指令。（2）指令译码：分析指令性质。（3）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。（4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。（5）执行指令：由ALU执行指令规定的操作。（6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A中。3流水线技术第一章40微型计算机先进技术4高速缓冲存储器技术

为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（Cache）。将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置，Pentium4系列CPU的分支预测正确率达到了90%。

参考5分支预测（branchprediction）和推测执行（speculationexecution）第一章41微型计算机先进技术6乱序执行（out-of-orderexecution）CPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。RISC的指令简单，CPU在每一周期的任务单纯，因此CPU结构简单，有利于流水作业。从PentiumPro开始，x86CPU都采用RISC内核+CISC到RISC译码器的结构。当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。7CISC指令集加RISC微结构8多媒体技术第一章421.4.3微机系统组成微机主板电源、机箱外围设备外部设备外存储器模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量I/O过程I/O通道微处理器内存储器I/O接口电路系统总线算术逻辑单元控制器寄存器阵列只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）高速缓存（Cache）并行输入/输出接口串行输入/输出接口磁盘、磁带光盘、U盘PC总线、ISA、EISA、PCI、AGP键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、显示器、打印机、绘图仪、数码相机……输入/输出设备第一章431存储器存储器是计算机的存储和记忆部件，用来存储数据和程序。

内存单元与地址计算机的内存储器是由若干内存单元组成的，每个内存单元存放一个字节的二进制信息。内存单元的总数目叫内存容量；计算机中每个内存单元有惟一的地址，CPU通过地址对指定单元的数据进行访问（读／写）；内存容量的大小由CPU的寻址空间决定。寻址空间=2n。

内存操作读操作－CPU将内存单元的内容读入到CPU；写操作－CPU将数据写到内存单元。

内存分类

ROM、RAM

每个内存单元有一个地址，每个地址的内存单元可存放1字节的数据—内存单元的地址和内容是不同的概念8086:220=1MBPII:236=64GB第一章442