第一章微机系统导论(第1讲).ppt

1、微机原理与接口技术教学课件,孙淑艳 51971468 2005-3-8,第一章 微机系统导论,本章先从总体上说明微机系统组成的基本概念，并对硬件系统和软件系统两大部分的具体组成做简单介绍；然后讨论典型的单总线微机硬件系统结构，微处理器组织及各部分的作用，存储器组织及其读写操作过程；在此基础上，将微处理器和存储器结合起来组成一个最简单的微机模型，通过具体例子说明运行机理与工作过程；最后，给出评价微机系统性能的主要性能指标及微机运算基础。,本章基本内容,1.1 微机系统组成 1.2 微处理器组成 1.3 存储器概述 1.4 微机工作过程 1.5 8088/80286 微处理器结构 1.6 80X8

2、6 寄存器组 1.7 8086/8088 存储器组织 1.8 外设组织 1.9 微机的应用 1.10 微机系统的主要性能指标 1.11 微机运算基础,1.1 微机系统组成,微机的发展概述 明确几个基本定义 微型计算机系统的组成,一、微机的发展概述,1946年诞生第一台电子管计算机，占用面积大，处理速度慢，存储容量小。 计算机的发展经历四个阶段： 电子管 晶体管 集成电路 大规模和超大规模集成电路 计算机的迅猛发展体现在：,1、硬件和软件的发展 硬件方面：CPU性能的改善 软件方面： 操作系统的发展DOSMS Windows UNIX XENIX OS/2 语言 编译系统 窗口系统 文字处理 图

3、形处理 网络、工具等的支持 2、CPU字长的扩展 准16位机 16位机 32位机 64位机(P系列) 8086/8088 80286803868048680586 3、微机的存储器系统 4、微机的总线结构：采用开放式总线结构，便于系统的扩展。总线的作用,总线的作用,1、负责计算机各模块之间以及计算机与外设之间数据传输。 2、传输地址、数据和控制信息。,总线的发展,从低端总线到高端总线: EISA总线：扩展工业标准结构 MCA总线：微通道结构 PCI总线：程序控制中断局部总线 VL总线：VESA总线，视频电子标准总线,微机的存储系统分为5层：,每一层的作用,存储系统中各层的作用,（1）用来存储在

4、一个周期内用不着的数据或因重要而保留的数据 （2）作为磁盘存储器 （3）动态RAM （4）是小容量的快速静态RAM（SRAM），用来存储处理器可能最需要的数据块 （5）离CPU最近，存取速度快，但容量有限,二、几个基本定义,1、微处理器 2、微型机算机 3、微型机算机系统 4、微机多机系统 5、微机开发系统 6、计算机网络系统 7、多媒体,1、微处理器,微处理器简称P或MP（Microprocessor），是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件，又称为微处理机。它本身并不等于微型计算机，而只是其中央处理器。有时为了区别大、中、小型中央处理器CPU（Centr

5、al Processing Uint）与微处理器，称后者为MPU（Microprocessing Unit）。通常，在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。,2、微型计算机,微型计算机（Microcomputer）简称C或MC ，是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的（又称主机或微电脑）。当把微处理器、存储器和输入/输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上，则分别称之为单板、多板或单片微型计算机。,3、微型计算机系统,微型计算机系统（Microcomputer System），简称CS或MCS，是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和

6、辅助电路（统称硬件）以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。,点击可见微处理器、微型机算机和微型机算机系统之间的关系,微型计算机的系统组成,4、微型多机系统,由多台微机或/和多片微处理器组合而成的微机复合系统。,5、微机开发系统,微机开发系统（Microcomputer Develop System），简称MDS，是一种功能很强的系统微机。在研制开发微机应用系统时，从程序调试到样机的系统调试，它都能提供软件和硬件的支持，因此是研制和开发微机的重要手段和工具。,6、计算机网络系统,计算机网络系统是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。借助通信网络将一定地域内的众多计算机和外设连接起来构成计

7、算机网络，可以实现计算机之间的互相通信和资源共享。依据地域范围、构成方式和目的等方面的不同，有各种不同类型的计算机网络，如局域网（LAN）和全球信息网（WWW）等。计算机网的发展和应用速度是很快的，有了计算机网，人类在地球上的联系将不再受时间和空间的限制，从而使诺大一个地球犹如一个“地球村”。,7、多媒体,多媒体（Multimedia），是指文、图、声、像等单媒体与计算机程序融合在一起形成的信息传播媒体。它不是多种信息表现形式的简单集合，而是指一种可以存储、处理、传递各种不同表现形式信息的实体，它实际上是一个处理和提供文、图、声、像等各种形式信息的计算机系统。多媒体与其它传播媒体最大的不同在于

8、它与用户之间的交互性。,三、微型机算机系统的组成,1、硬件系统 2、软件系统 ,1、硬件系统,微型机的硬件系统由主机和外设两部分组成。 主机部分主要由微处理器、存储器、I/O接口、系统总线四大部分组成； 外设包括外存、输入/输出设备、其它辅助设备等。 典型结构如下:,微型机硬件系统的典型结构,各部件的功能,各部件功能,CPU：完成系统的算术、逻辑运算和对整个系统的控制 指挥。 存储器：指系统的内存，用来存放程序和数据，分ROM 和RAM 两类。 a.ROM 存放固定不变的程序和数据，如ROM BIOS。 b.RAM 存放用户程序和数据，部分DOS系统数据表。 I/O接口：协调CPU与外设之间信

9、息交换的电路，是微机 与外设间的桥梁。 I/O设备：是实现程序和数据输入及运行结果输出的具体 设备。 总线：总线是一组公共的信息传输线，可以分时使用。 一般系统总线分为三类：数据总线、地址总线、 控制总线，是数据、地址、控制信号的通道。,各部件功能,说明： （1）CPU（又叫微处理器）、存储器（又叫内存或主存）、系统总线、I/O接口和I/O设备一起构成了微型机的硬件系统。 （2）存储器及I/O设备与CPU之间的信息交换均通过系统总线来进行，这种结构非常易于系统的扩展，是目前绝大多数微机采用的结构。 （3）在计算机内部有两股信息流在流动：数据信息（程序和数据）、控制信息，均以二进制的形式表示。,

10、2、软件系统,软件系统是由系统软件和应用软件两大部分组成的。 a.系统软件 b.应用软件 ,a.系统软件,系统软件一般是由生产厂家或公司在出售计算机时提供给用户的，不需要用户干预的能生成、准备和执行其它程序所需的一组程序。 常用的系统软件：操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 常用服务性程序 详细内容见备注 ,b.应用软件,应用软件是指在系统软件的支持下，为解决各类实际问题，针对用户需要而设计的通用型的应用程序 或专用型的应用程序 。 程序的分级结构如图所示：,通用型的应用程序,如：WPS、WORD等字处理软件，CCED及EXCEL等电子表格软件，各种绘图、动画及网页制作软件，各种网络数据库

11、开发工具软件，网络通信软件等。 ,专用型的应用程序,如：进行某工程设计的计算程序，某单位的工资管理程序，也包括不同用户为解决某些具体问题自己设计的程序等。,软件的分级结构,点击 返回,1.2 微处理器组成,冯.诺依曼型计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。其中运算器和控制器统称为CPU。在微型机中CPU被集成在一片芯片中，又叫做微处理器。 80 x86是美国Intel公司生产的微处理器系列，是微机应用的主流产品。1969年至今，从4位的4004芯片开始，它们不断推出了8位、16位、32位系列芯片。由这些芯片和存储器、I/O设备、系统软件等分别构成了各种档次的微型机。

12、 微处理器的型号代表了微机的型号。80X86微处理器的概况如下表所示。,80X86微处理器的概况,微处理器的结构,微处理器的结构由三部分组成： 1、运算器 2、控制器 3、内部寄存器组,一、运算器,运算器又称为算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。参加运算的两个操作数，一般情况下一个来自于累加器A（Accumulator），另一个来自内部数据总线，可以是数据寄存器DR（Data Register）中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果要送回累加器A暂存。,二、控制器,1指令寄存器IR（Instruc

13、tion Register）：用来存放从存储器中取出的将要执行的指令。 2指令译码器ID（Instruction Decoder）：用来对指令寄存器IR中的指令进行译码，以确定指令应执行什么操作。 3可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号。,三、内部寄存器组,累加器A 数据寄存器DR 程序计数器PC 地址寄存器AR 标志寄存器F 寄存器阵列RA,累加器A,在进行算术逻辑运算时，累加器具有双重功能：运算前，用来保存一个操作数；运算后，用来保存结果。,数据寄存器DR,数据寄存器DR用来暂存数据或指令。从存储器读出

14、时，若读出的是指令，经DR暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR；若读出的是数据，则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时，数据是经数据寄存器DR，再经数据总线DB写入存储器的。,程序计数器PC,程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。一般程序按顺序逐条执行。在任何时刻，PC均指向要取出的下一个字节或下一条指令（对单字节指令而言）所在的地址。因此，PC有自动加1的功能。,地址寄存器AR,地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。 在取指令时，将PC中存放的指令地址送到AR，根据此地址从存储器

15、中取出指令。 在取操作数时，将操作数地址通过内部数据总线送到AR，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向存储器写入数据。,标志寄存器F,标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根据检测有关标志位是0或1，可以按不同条件决定程序的流向。,寄存器阵列RA,寄存器阵列RA，也称为寄存器组RS（Register Stuff），每一个寄存器相当于存储器中的一个存储单元，但它的存取速度比存储器快的多，用来存放计算过程中所需要或所得到的各种信息。有的通用(AX，BX，CX，

16、DX和SI、DI、SP、BP)、有的专用（IP、F和CS、DS、SS、ES），非常重要。,1.3 存储器概述,基本概念 存储器组成 存储器的读/写操作过程,一、存储器的基本概念,存储器用来存放数据和程序。 在计算机内部，数据和程序都用二进制代码的形式表示。一般用8位二进制代码作为一个字节（Byte）。用一个或几个字节组成一个字（Word）。如果用字表示一个数，称为数据字；用字表示一条指令，称为指令字。数据字和指令字也可以用双倍字长或多倍字长表示。 微机的字长多为8位和16位，高档机的字长可达32位。目前，用于工业控制的微机其典型的字长仍是8位。 一个存储器可划分为很多存储单元。存储单元中的内容

17、为数据或指令。为了能识别不同的单元，分别赋予每个单元一个编号，这个编号称为地址。但存储单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的，不可混淆。,二、存储器组成,存储器是由存储体、地址译码器和控制电路组成。,本图为256*8位的随机存储器,存储器各部分的作用,存储体共有256 个存储单元，其编号从00H到FFH，即从00000000到11111111。 地址译码器接收从地址总线AB送来的地址码，经译码器译码选中相应的某个存储单元，以便从中读出信息或写入信息。 控制电路用来控制存储器的读/写操作过程。,三、存储器的读/写操作过程,存储器读出信息的操作过程 存储器写入信息的操作过程,CPU读出存储器0

18、4H单元的内容10010111B即97H的过程,CPU从存储器读出信息的过程： （1）CPU的地址寄存器AR先给出地址04H并将它放到地址总线上，经地址译码器译码选中04H单元； （2）CPU发出“读”控制信号给存储器，指示它准备把被寻址的04H单元中的内容97H放到数据总线上； （3）在读控制信号的作用下，存储器将04H单元的内容97H放到数据总线上，经它送指数据寄存器DR，然后由CPU取走该内容作为所需要的信息使用。,读操作完成后，04H单元的内容97H仍保持不变，这种特点称为非破坏性读出（NDRONon Destructive Read Out）。非破坏性读出可以允许多次读出同一单元的内

19、容。,CPU把数据寄存器DR中的内容00100110B即26H写入存储器08H单元的过程,CPU向存储器写入信息的过程： （1）CPU的地址寄存器AR先把地址08H放到地址总线上，经地址译码器译码选中08H单元； （2）CPU把数据寄存器DR中的内容26H放到数据总线上； （3）CPU向存储器发送“写”控制信号，在该信号的控制下，将内容26H写入被寻址的08H单元。,写入操作将破坏该单元原来存放的内容，即由新内容26H代替了原来存储的内容，原存内容将被清除。,1.4 微机工作过程,微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，即逐条的执行指

20、令；由于执行每一条指令，都包括取指令和执行指令两个基本阶段，所以微机的工作过程，就是不断地取指令和执行指令的过程。 微机执行程序过程示意图如下：,取指,执行,以8位模型机的指令系统为例，讨论程序在计算机中的动态工作过程 。,例：计算3+2 = ? 使用模型机指令编程时，先查阅此模型机的指令表，程序如下： 汇编语言 机器语言程序 MOV A,03H 10110000;操作码(MOV A,n) 00000011;操作数(3) ADD A,02H 00000100;操作码(ADD A,n) 00000010;操作数(2) HLT 11110100;操作码(HLT) 此程序由3条指令组成，在内存中的存

21、储形式：,内存地址 RAM 00H B0H 01H 03H 02H 04H 03H 02H 04H F4H ,注意： 为简单起见，内存地址及存储内容都用16进制表示，实际上都是二进制形式。方框左边的是地址，右边是存储内容。地址是固定的，地址中的内容是可以随时由于存入新的内容而改变。,指令表（或指令系统），它是某种微处理器所执行的全部操作命令汇总。不同系列的微处理器有不同的指令系统。假定模型机的指令表中可以用3条指令求解此问题，如下表所示：,程序的执行过程,第一条指令取指 第一条指令执行 第二条指令取指 第二条指令执行 第三条指令取指，译码后控制器停止产生控制信号而停机。,第一条指令取指阶段,第

22、一条指令执指阶段,第二条指令取指阶段,第二条指令执指阶段,第2条指令执行完毕后，转入执行第3条指令的取指阶段， 译码后控制器停止产生控制信号而停机。,总 结,计算机的工作过程就是一个反复循环的取指 分析指令 执指的过程。通常把其中的一个循环称为计算机的一个指令周期。这样我们可以把程序对计算机的控制归结为每个指令周期中，指令对计算机的控制。 需要说明的是：在标准的8位微处理器中，程序的执行是按取指和执指的循环来完成的。每条指令执行完毕后，CPU必须等待到下一条指令取出以后才能执行。在16位及以上的CPU中，取执和执指是可以重迭进行的。,1.5 8088/80286微处理器结构,8088的寄存器结

23、构 8088CPU的功能结构 8088存储器组织 8088的标志寄存器 80286微处理器,一、8088的寄存器结构,8088CPU内部共有14个16位的寄存器（其中4个数据寄存器、2个指针寄存器、2个变址寄存器、2个控制寄存器、4个段寄存器）。这些寄存器是在程序可见的寄存器，我们常常称之为CPU的编程结构。 这里AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI等8个寄存器是通用寄存器。而且AX、BX、CX、DX四个16位寄存器，还可以当8个8位寄存器用。 另外6个寄存器IP、Flag（PSW）、CS（代码段）、DS（数据段）、ES（附加数据段）、SS（堆栈段）是专用寄存器，它们有专门的用途，不

24、可随便使用。 8088的寄存器结构见下页所示：,8088的寄存器结构,AX 累加器,BX 基数寄存器,CX 计数寄存器,DX 数据寄存器,堆栈指针,基数指针,源变址寄存器,目的变址寄存器,指令指针,状态标志,代码段,数据段,堆栈段,附加数据段,数据寄存器,指针寄存器,变址寄存器,控制寄存器,段寄存器,CPU的内部寄存器是人与CPU之间交流的窗口，是我们可以观察到的CPU硬件，从中可以看到程序的运行过程和变化。,AX：累加器,是16位数据通用寄存器； 可以用作两个8位数据通用寄存器AH、AL； 专门用途：是算术运算、逻辑运算的主要寄 存器、所有I/O指令都用它做为数据寄存器。,BX：基数寄存器,

25、是16位数据通用寄存器； 可以用作两个8位数据通用寄存器BH、BL； 专门用途：在变址寻址、间接寻址时，用来 作基址寄存器。,CX：计数寄存器,是16位数据通用寄存器； 可以用作两个8位数据通用寄存器CH、CL； 专门用途：在循环和串处理指令中用作隐含 的计数器。,DX：数据寄存器,是16位数据通用寄存器； 可以用作两个8位数据通用寄存器DH、DL； 专门用途： 双字长运算时，DX:AX一起存放双字长数； 在I/O指令中用作间址寄存器。,SP：堆栈指针,作为16位数据通用寄存器，用来存放操作数； 与SS联用，指向堆栈在内存中的位置，通常 指向栈顶单元，是栈顶单元地址指针寄存器。,BP：基址指针

26、寄存器,作为16位数据通用寄存器，用来存放操作数； 与SS联用，可以作为堆栈区中的基地址，在寄 存器间接寻址及变址寻址中，访问堆栈区中的 操作数。,SI：源变址寄存器,作为16位数据通用寄存器，用来存放操作数； 一般与DS联用，用来确定在数据段的操作数 地址（寄存器间址、变址寻址等方式下用）； 在串处理指令中，SI作为隐含的源变址寄存 器，此时SI和DS联用，达到在数据段区域中 寻址的目的。,DI：目的变址寄存器,作为16位数据通用寄存器，用来存放操作数； 一般与DS联用，用来确定在数据段的操作数 地址（寄存器间址、变址寻址等方式下用）； 在串处理指令中，DI作为隐含的目的变址寄存 器，此时D

27、I和ES联用，达到在附加数据段区 域中寻址的目的。,IP：指令指针寄存器,存放下一条要执行的指令的偏移地址 ； 在程序运行过程中与CS联用，确定下一条 指令的物理地址。,F：标志寄存器,又称为程序状态字寄存器PSW ； 16位，但只定义使用了其中的9位； 在专用指令中也可以用FlagH和FlagL； 用来寄存系统的一些状态信息和运行结果的标志特征信息。,关于标志寄存器各个标志位的含义在后面介绍。,段寄存器CS、DS、SS、ES,与偏移地址共同形成物理地址用 ,使8086/ 8088能在1MB范围内对内存进行寻址。,二、8088 CPU的功能结构,8088CPU从功能上说，分为总线接口BIU(B

28、us Interface Unit)和执行单元EU(Execution Unit)两大部分：,8088功能结构的优点：,取指和执指是分开而且是可以重迭的， 这样CPU在执行一条指令的同时，就可以 取出下一条或多条指令先放在指令队列中 排队；在执行一条指令后就可以立即执行 下一条指令，从而减少了CPU为取指而等 待的时间，提高了CPU的利用率。,微处理器的执行方式,8088的执行方式：流水线执行方式 标准8位机的执行方式：循环执行方式,三、8088存储器组织,8088有20条地址线，直接寻址能力为1M字节。1M字节组成一个线性阵列，地址从00000 FFFFFH，给定一个20位的地址就可以从中取

29、出所需要的指令和操作数。但8088内部结构是16位的，如何形成这20位的地址呢？换句话说，对8088来说，各种寻址方式寻址的范围最多只能是64K，就要将1M字节的存储器以64K的范围分为若干段，如何来分段？我们放在1.7来介绍。,四、8088的标志寄存器,这是一个特殊的专用寄存器，叫Flag，简称F寄存器，实际上它是很多个一位寄存器组合在一起使用，相当一个16位寄存器，但只有9位有定义，通常叫标志位或状态位，其中有的根据指令执行结果CPU 自动设置，有的可由程序员用指令设置、清除、检测。它们反映了运算结果的特征和系统的某些状态 。 标志寄存器的各标志记录了指令执行后的各种状态。正确地使用这些标

30、志可使程序按人们预定的逻辑实现转移。8088的标志寄存器是16位的，但只使用了9位。见图示。,Flag 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,O,D,I,T,S,Z,A,P,C,这三个是控制标志，只能用指令设置其状态。,这6个标志是结果特征标志，随指令执行而改变（有的也可用指令设置）往往做为后续转移指令的条件，故又称条件码。,各标志位的说明见备注,1、进位标志CF：CF=1表示有进位或借位，否则CF=0。 2、奇偶标志PF：PF=1表示有偶数个1，否则PF=0。 3、辅助进位标志AF：AF=1表示低半字节向高半字节有进位或借位，否则AF=0。 4、零标志ZF：ZF=1表示运算结果位0，否则ZF=0。 5、符号标志SF：SF=1表示为负，相反为正。 6、溢出标志OF：OF=1表示有溢出，否则OF=0。 7、跟踪标志TF：用指令置TF=1，表示CPU进入单步操作方式。在这种方式下，CPU在每一条指令执行后产生一个内部中断，以便于程序员检查。 8、方向标志DF：用指令置DF=1，表示串操作指令为自动减量指令，即从高地址向低地址处理串；否则为自动增量指令。 9、中断允许标志IF：用指令置IF=1，则允许CPU接