微机原理与接口课件

第2章

微型计算机基础1微机原理与接口主要内容：微型机的构成及工作原理8088/8086CPU的结构及工作原理系统总线2微机原理与接口§2.1微型机的基本结构掌握：微机系统的基本组成微型机的工作原理微机8088的存储器组织3微机原理与接口一、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)4微机原理与接口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(主机)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5微机原理与接口核心级——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RegistersCPU实现了运算功能和控制功能6微机原理与接口硬件系统级——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。7微机原理与接口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。8微机原理与接口一、微型计算机的基本结构微处理器（CPU）存储器输入/输出接口总线1.微型计算机的硬件系统9微机原理与接口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AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus10微机原理与接口主机硬件系统——CPU计算机的控制中心，提供运算、判断能力构成：ALU、CU、Registers（p29）例：Intel8088/8086、PIII、P4、CeleronAMDK7（Athlon、Duron）CPU的位数：4位、8位、16位、32位、64位是指一次能处理的数据的位数11微机原理与接口主机硬件系统——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12微机原理与接口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13微机原理与接口

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，对计算机中的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......Bit7654321001011000*内存单元有时又称为地址单元14微机原理与接口内存容量即内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别

内存容量：实际配置的内存大小。例：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。15微机原理与接口内存操作读：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16微机原理与接口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17微机原理与接口主机硬件系统——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接口外设18微机原理与接口接口的功能提供驱动外设的电压或电流；匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等；缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息；DMA控制和中断控制。19微机原理与接口主机硬件系统——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20微机原理与接口2.微型计算机的软件系统软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件应用软件操作系统编译系统网络系统工具软件软件21微机原理与接口3.微型计算机的物理结构CPU北桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡外设总线扩展槽22微机原理与接口微型计算机的物理结构23微机原理与接口INTEL845GE24微机原理与接口主板的主要硬件构成CPU插座芯片组（南北桥/HUB）内存插槽

高速缓存（现已集成到CPU内部）系统BIOS，硬件控制CMOS，存放硬件配置参数

总线扩展槽，PCI、ISA串行、并行接口软/硬盘、光驱插座25微机原理与接口芯片组CPU的外围控制芯片，通常为2片两种架构：南北桥、HUB（加速中心）南北桥北桥——提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接南桥——提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等例如：Intel440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS645等HUBGMCH——AGP接口、存储器通道ICH——PCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口FWH——系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器例如：Intel810、Intel815、Intel845等26微机原理与接口二、计算机的工作过程存储程序计算机—又称为冯•诺依曼型计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是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）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由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行指令驱动27微机原理与接口存储程序计算机的工作原理控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。运算器输出设备控制器输入设备存储器指令流控制命令数据流28微机原理与接口程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码操作数执行1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？——操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令？——程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数？——地址、寻址方式29微机原理与接口例：计算5+8（p35）汇编语言程序 对应的机器指令对应的操作------------------------------------------------------------------------------------MOVAL,5

将立即数1传送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,8 计算两个数的和，结果存放到AL中

00001000 HLT 停机 指令执行过程见下页图30微机原理与接口指令执行过程(取指/译码/执行)累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址总线+1③地址译码器读写控制电路④输出地址10110000⑦锁存指令锁存数据⑥置初值①②输出指令地址锁存地址②读写命令⑤⑧指令译码锁存输出地址寄存器AR31微机原理与接口§2.28088微处理器主要内容：8088CPU外部引线及功能；8088CPU的内部结构和特点；各内部寄存器的功能；8088的工作时序。32微机原理与接口一、概述8088、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本课程主要介绍8088（IBMPC采用）33微机原理与接口指令预取队列(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34微机原理与接口串行工作方式：8088以前的CPU采用串行工作方式：1）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成2）CPU执行指令时总线处于空闲状态缺点：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235微机原理与接口并行工作方式：8088CPU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36微机原理与接口8088的流水线操作8088CPU包括两大部分：EU和BIUBIU不断地从存储器取指令送入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，PIII为14个阶段，P4为20个阶段(超级流水线)37微机原理与接口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，从而带来了以下两个好处：提高了CPU的效率降低了对存储器存取速度的要求38微机原理与接口8088/8086CPU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；片内无浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（或用软件模拟）

注：80486DX以后的CPU已将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部39微机原理与接口8088CPU的两种工作模式8088可工作于两种模式：最小模式和最大模式最小模式为单处理机模式，控制信号较少，一般可不必外接总线控制器。最大模式为多处理机模式，控制信号较多，CPU必须通过总线控制器与总线相连。40微机原理与接口二、8088CPU的引线及功能引脚定义的方法可大致分为：：每个引脚只传送一种信息（RD等）；引脚电平的高低不同的信号（IO/M等）；CPU工作于不同方式有不同的名称和定义（WR/LOCK等）；分时复用引脚（AD7

～AD0等）；引脚的输入和输出分别传送不同的信息（RQ/GT等）。41微机原理与接口主要引线（最小模式下）8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX端状态决定：MN/MX=0时工作于最大模式，反之工作于最小模式。数据信号线(DB)与地址信号线(AB)：AD7～AD0：三态，地址/数据复用线。ALE有效时为地址的低8位。地址信号有效时为输出，传送数据信号时为双向。A19～A16：三态，输出。高4位地址信号，与状态信号S6-S3分时复用。A15～A8：三态，输出。输出8位地址信号。42微机原理与接口主要的控制和状态信号WR：三态，输出。写命令信号；RD：三态，输出。读命令信号；IO/M：三态，输出。指出当前访问的是存储器还是I/O接口。高：I/O接口，低：内存DEN：三态，输出。低电平时，表示DB上的数据有效；RESET：输入，为高时，CPU执行复位；ALE：三态，输出。高：AB地址有效；DT/R：三态，输出。数据传送方向，高：CPU输出，低：CPU输入43微机原理与接口[例]：当WR=1，RD=0，IO/M=0时，表示CPU当前正在进行读存储器操作。44微机原理与接口READY信号(输入)：用于协调CPU与存储器、I/O接口之间的速度差异READY信号由存储器或I/O接口发出。READY=0时，CPU就在T3后插入TW周期，插入的TW个数取决于READY何时变为高电平。45微机原理与接口中断请求和响应信号INTR：输入，可屏蔽中断请求输入端。高：有INTR中断请求NMI：输入，非屏蔽中断请求输入端。低

高，有NMI中断请求INTA：输出，对INTR信号的响应。46微机原理与接口总线保持信号HOLD：总线保持请求信号输入端。当CPU

以外的其他设备要求占用总线时，通过该引脚向CPU发出请求。HLDA：输出，对HOLD信号的响应。为高电平时，表示CPU已放弃总线控制权，所有三态信号线均变为高阻状态。47微机原理与接口三、8088CPU的内部结构8088内部由两部分组成：执行单元（EU）总线接口单元（BIU）48微机原理与接口执行单元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。49微机原理与接口执行单元包括

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50微机原理与接口总线接口单元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。51微机原理与接口8088的内部寄存器含14个16位寄存器，按功能可分为三类8个通用寄存器4个段寄存器2个控制寄存器52微机原理与接口通用寄存器

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）53微机原理与接口数据寄存器8088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54微机原理与接口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。55微机原理与接口地址指针寄存器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。56微机原理与接口BX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57微机原理与接口变址寄存器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。58微机原理与接口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59微机原理与接口控制寄存器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)60微机原理与接口四、存储器寻址物理地址8088：20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

61微机原理与接口物理地址物理地址..60000H60001H60002H60003H60004H...12HF0H1BH08H存储器的操作完全基于物理地址。问题：8088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62微机原理与接口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，最小16B段i-1段i段i+163微机原理与接口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××ו••×××偏移地址=0002H64微机原理与接口BIU中的地址加法器用来实现逻辑地址到物理地址的变换8088可同时访问4个段，4个段寄存器中的内容指示了每个段的基地址段基址段内偏移物理地址+16位20位000065微机原理与接口[例]：已知CS=1055H，DS=250AH，ES=2EF0H，SS=8FF0H，

DS段有一操作数，其偏移地址=0204H，

1)画出各段在内存中的分布

2)指出各段首地址

3)该操作数的物理地址=？10550H250A0H2EF00H8FF00HCSSS

CSDSES解：

各段分布及段首址见右图所示。操作数的物理地址为：250AH×10H+0204H=252A4H66微机原理与接口堆栈及堆栈段的使用内存中一个按FILO方式操作的特殊区域每次压栈和退栈均以WORD为单位SS存放堆栈段地址，SP存放段内偏移，SS:SP构成了堆栈指针堆栈用于存放返回地址、过程参数或需要保护的数据常用于响应中断或子程序调用67微机原理与接口堆栈操作SPSSSS压栈前退栈后高低低高高12HSSF0HSP压栈后低高SPSPSPF0H12HSP68微机原理与接口[例]：若已知（SS）=1000H（SP）=2000H则堆栈段的段首地址=？栈顶地址=？若现在把1234H送入堆栈，则它所在的存储单元地址=？若该段最后一个单元地址为2FFFH，则栈底地址=？段首栈底栈顶堆栈段69微机原理与接口五、时序时序的概念：CPU各引脚信号在时间上的关系。总线周期：CPU完成一次访问内存(或接口)操作所需要的时间。一个总线周期至少包括4个时钟周期。时钟周期：由时钟发生器产生。是计算机内部最