第一章 微型计算机基础知识

1、1,1.3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,3,1.3.1微型计算机常用的术语,bit1Mb=10241024bit=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,4,1.3.2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

2、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(MicrocomputerSystem),6,微型计算机系统的三个层次,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,

3、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,12,存储器,I/O接口,输入设备,I/O接口,数据总线DB,控制总线CB,地址总线AB,输出设备,CPU,13,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

4、指一次能处理的数据的位数,14,中央处理器CPU,计算机的核心部件用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。,15,ALU控制器,16,17,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,18,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,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

5、号就称为内存单元的地址,10110110,38F04H,内存单元地址,内存单元内容,.,.,76543210,20,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

6、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,23,内存内存是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。,24,内存单元内存单元的地址内存单元的内容对内存的读/写操作,25,内存单元存储信息的基本单元。每片内存芯片有若干个内存单元。每个单元可存储1位或多位等二进制数。,26,内存单元的地址为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选

7、中。,27,内存单元的内容每个内存单元所存储的二进制数据。,28,对内存的读/写操作CPU发出地址信号，选中相应的内存单元。若是读操作，CPU发出内存读控制信号，被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU。若是写操作，CPU发出内存写控制信号，CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。,29,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,CPU,I/O接口,外设,30,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（直接存储器存取）控制和中断控

8、制。,31,外设和输入/输出接口（I/O接口）外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。,32,I/O接口结构示意图,CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。,33,I/O端口I/O端口的地址I/O端口的内容对I/O端口的读/写操作,34,I/O端口I/O接口内部通常有一个或多个寄存器，用以存放各种信息，称I/O寄存器或I/O端口。,35,I/O端口的地址为区分各I/O端口，每个端口对应有一个端口地址。,36,I/O端口的内容,根据存放内容的不同可分为：状态端口，数据端口，控制端口,指I/O端口存放的二进制数据。,37,主机硬件

9、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,38,总线,总线是连接多个功能部件的一组公共信号线微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输,39,40,41,按信号的作用，总线分为三类：地址总线、数据总线、控制总线,42,地址总线AB(AddressBus)：单向用来传送CPU输出的地址信号，

10、确定被访问的存储单元、I/O端口。,43,地址总线的条数决定CPU的寻址能力。10根21010241K20根2201024K1M32根232222304G36根2362623064G,44,数据总线DB(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,45,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8根一次传送8位16根一次传送16位32根一次传送32位64根一次传送64位,46,控制总线CB(ControlBus)：用于传送各种控制信号。,有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。,47,2.微型计算机的软件

11、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,48,1.3.3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14字节）,49,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

12、要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。,50,执行指令的三个基本步骤：取指、译码和执行,取指令；PC增量，指向下条指令,停机,?,译码并执行,结束,Y,N,51,1.48086/8088微处理器,主要内容：8086CPU外部引线及功能；8086CPU的内部结构和特点；各内部寄存器的功能；,52,一、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

13、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8086,53,8088/8086CPU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16B64KB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,54,8088的内部结构,1234,内部暂存器,IP,ES,SS,DS,CS,输入/输出控制电路,外部总线,执行部分控制电路,ALU,标志寄存器,AHAL,BHBL

14、,CHCL,DHDL,SP,BP,SI,DI,通用寄存器,地址加法器,指令队列,执行部件（EU),总线接口部件（BIU),16位,20位,8位,8位,55,执行部件,总线接口部件,56,57,8086内部由两部分组成：执行单元（EU）总线接口单元（BIU）,58,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。,59,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,60,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，BI

15、U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。,61,(1)四个段地址寄存器,CS16位代码段寄存器,DS16位数据段寄存器,ES16位附加段寄存器,SS16位堆栈段寄存器,BIU的组成,62,(2)IP16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+IP,63,(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。,64,三、8086/8088的内部寄存器,含14个16位寄存器，按功能可分为三

16、类8个通用寄存器4个段寄存器2个控制寄存器,65,1.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）,66,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,67,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

17、放高16位数；在间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址。,68,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。,69,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,70,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。,71,2.段寄存器,用于存放逻辑段的段基地址(逻辑段的

18、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,72,3.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),73,标志寄存器FR共有16位，其中7位未用，各位的定义如下：,根据功能，有两类标志,状态标志,控制标志,表8086CPU标志位情况,名称,符号,符号标志,SF,功能

19、,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,当前的运算结果为零，当前的运算结果为非零,奇偶标志,PF,运算结果所含的1的个数为偶数,进位标志,CF,当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，此外，循环指令也影响这一标志,辅助进位标志,AF,加法运算时，如果第3位往第4位有进位；减法运算时，如果第3位往第4位有借位。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

20、运算的结果超出了范围32768+32767时称为溢出,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,TF,CPU按跟踪方式执行指令,75,1.58086/8088的存储器结构和堆栈,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,76,一、存储器编址,存储器以8位为一个存储单元编址，每一个存储单元用唯一的一个地址码来表示。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

21、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。,77,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,78,物理地址,物理地址,.60000H60001H60002H60003H60004H.,12H,F0H,1BH,08H,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,79,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+1,1.1M存储空间分成若干个逻辑段，每一段64K,2.段与段之间可以连续排列，部分重叠，断续排列。,80,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,60002H,00H,12H,60000H,0000,段基地址（16位）,段首地址,81,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个段寄存器指示了每个段的基地