第2章微机系统概述.ppt

第第2 2章章 微型计算机系统概述微型计算机系统概述2.12.1相关术语相关术语2.22.2微型计算机组成原理微型计算机组成原理2.32.3微型计算机工作原理微型计算机工作原理2.42.4微型计算机的发展微型计算机的发展 1.位位(bit)2.字节字节(Byte)3.字和字长字和字长(word)4.位编号位编号5.微处理器微处理器6.微型计算机微型计算机7.微型计算机系统微型计算机系统2.1相关术语相关术语1.位位(bit)l 指指计算机能表示的最基本最小的单位计算机能表示的最基本最小的单位l 在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位位就就是是一一个个二二进进制制位位，有有两两种种状状态态，“0”和和“1”2.字节字节(Byte)l 相邻的相邻的8位二进制数称为一个字节位二进制数称为一个字节 1 Byte=8 bit 如：如：1100 0011 0101 0111 3字和字长字和字长 l 字字是是CPU内部进行数据处理的基本单位。内部进行数据处理的基本单位。l字长字长是是CPU一次可以直接处理的二进制数码一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。器的位数和数据总线的宽度。CPU的字长有的字长有4位、位、8位、位、16位和位和32位等等位等等例例 某某CPU内含内含 8位运算器位运算器，则：，则：参加运算的数及结果均以参加运算的数及结果均以 8位位 表示表示,最高位产生的进位或借位在最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中而将其保存到标志寄存器中 1 0 1 1 0 1 0 1 被加数被加数8位位 +1 0 0 0 1 1 1 1 加数加数8位位进位进位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和和8位位PSW标志寄存器标志寄存器运运算算器器标志标志寄存器寄存器运运算算器器被加数被加数加数加数和和进位进位字长是衡量字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。工作性能的一个重要参数。不同类型的不同类型的CPU有不同的字长。有不同的字长。如如:Intel 4004 是是 4 位位 8080 是是 8 位位 8088/8086/80286 是是 16 位位 80386/80486、Pentium 是是 32 位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数被加数 +1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数加数进位进位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和 4位位 8次次 8位位 4次次16位位 2次次32位位 1次次位位 1 或或 0 1位位字节字节 1100 0011 8位位字字 1100 0011 0011 1100 16位位双字双字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位位高字节高字节低字节低字节 高高 字字 低低 字字把一个把一个字字定为定为16 位位，1 Word=2 Byte 一个一个双字双字定为定为32位位 1 DWord=2 Word=4 Byte4.位编号位编号 为便于描述，对字节为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。字和双字中的各位进行编号。从低位开始，从右到左依次为从低位开始，从右到左依次为 0、1、2 编号编号7654321010100010D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0字节字节数据数据Data地址地址Address字字的编号为的编号为15 05 微处理器微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）（）（p p）微处理器一个大规模集成电路芯片，主要由控制微处理器一个大规模集成电路芯片，主要由控制器、运算器和寄存器组成，是微型计算机的核心器、运算器和寄存器组成，是微型计算机的核心具有以下功能：具有以下功能：可以进行算术和逻辑运算；可保存少量可以进行算术和逻辑运算；可保存少量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作等。数据；能对指令进行译码并执行规定的动作等。6 微型计算机微型计算机（MicrocomputerMicrocomputer）（）（mcmc）通常指微型计算机的硬件系统通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：还有一般的说法：微机微机、微型机微型机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的制作的存储器存储器和和输入输出接口电路输入输出接口电路及及系统总系统总线线等所组成的计算机等所组成的计算机.将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，将这些组成部分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，简称称为单片微型计算机，简称单片机单片机单片机单片机存储器（存储器（MemoryMemory）存储器是计算机工作的空间，空间越大，工作越方存储器是计算机工作的空间，空间越大，工作越方便，空间小，则由于数据周转而影响速度。便，空间小，则由于数据周转而影响速度。存储器分为存储器分为主存主存（内存（内存）和辅和辅存存（外存），主存由半导（外存），主存由半导体存储器组成，辅存由磁盘、光盘等组成。软件通常存放在辅体存储器组成，辅存由磁盘、光盘等组成。软件通常存放在辅存中，使用时必须调入内存才能运行。存中，使用时必须调入内存才能运行。存储器按照存放内容分为存储器按照存放内容分为随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）和只读和只读存储器（存储器（ROMROM）。RAMRAM用于存放数据和临时程序，也称数据存储用于存放数据和临时程序，也称数据存储器，器，PCPC机的内存即为机的内存即为RAMRAM；ROMROM用于存放永久性程序或常数，如用于存放永久性程序或常数，如PCPC机中的机中的BIOSBIOS程序，故亦称程序存储器。程序，故亦称程序存储器。I/OI/O（Input/OutputInput/Output）I/OI/O泛指泛指I/OI/O设备设备（如键盘、监视器、打印机、（如键盘、监视器、打印机、A/DA/D数据采集卡等）或数据采集卡等）或I/OI/O接口接口（如（如RS232RS232、USBUSB等）。等）。I/OI/O作为计算作为计算机系统的输入输出通道。机系统的输入输出通道。7微型计算机系统微型计算机系统（Microcomputer system）(mcs)以微型计算机为中心，配以相应的外围设备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。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软件分为系统软件和应用软件两大类。微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统硬件微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机（主机主机主机主机）微处理器微处理器(CPU)软件外围设备运算器控制器存储器存储器(内存)RAMROM外部设备辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪)输出设备(显示器、打印机、绘图仪、)辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入输入/输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC)(I/O接口接口)总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理)电源电路时钟电路计算机发展迅速，为何要学计算机发展迅速，为何要学8086/8088系统？系统？n发展主要在于位数提高、内存扩大以及集成发展主要在于位数提高、内存扩大以及集成度提高，而在计算机的基本结构和组成上没度提高，而在计算机的基本结构和组成上没有太大变化，因而对了解计算机的工作原理有太大变化，因而对了解计算机的工作原理及其线路设计还是有利于教学的及其线路设计还是有利于教学的nIBM-PCIBM-PC机的指令系统从机的指令系统从8086/8088-Pentium8086/8088-Pentium都是向上兼容的。都是向上兼容的。n为设计某一具体用途的小型计算机系统，和为设计某一具体用途的小型计算机系统，和学习掌握其他机种打下基础学习掌握其他机种打下基础l精度精度用字长（数据总线位数，用字长（数据总线位数，BitBit）来表示。如来表示。如6464位机比位机比3232位机精度高。位机精度高。l速度速度用主频（微处理器的振荡频率，用主频（微处理器的振荡频率，MHzMHz、GHzGHz）来表示。如来表示。如INTEL8086INTEL8086主频为主频为4.77MHz4.77MHz，而，而Pentium4Pentium4的的主频高达主频高达2GHz2GHz。l内存内存用容量（存储单元字节数，用容量（存储单元字节数，MByteMByte）来表示。来表示。如，如，INTEL8086INTEL8086的最大内存只有的最大内存只有1MB1MB，而，而Pentium4Pentium4可以可以高达高达64GB64GB。（。（1GB=1024MB1GB=1024MB）l接口接口接口类型和接口数量。板级接口接口类型和接口数量。板级接口ISAISA、PCIPCI等，等，外设接口外设接口RS232RS232、RS485RS485、LPTLPT、USBUSB等。等。l可靠性可靠性用平均无故障时间（小时）表示。用平均无故障时间（小时）表示。l功耗功耗耗电功率（耗电功率（W W）或持续运行时间（笔记本电或持续运行时间（笔记本电脑等便携机）。脑等便携机）。微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标2.2微型计算机组成原理微型计算机组成原理CPU总总线线形形成成系统总线系统总线内存内存内存内存接口接口接口接口接口接口接口接口外设外设外设外设外设外设外设外设微机的基本组成要素微机的基本组成要素n微处理器微处理器大脑，信息处理中心大脑，信息处理中心n存储器存储器信息仓库信息仓库n输入输出接口输入输出接口信息来源与归宿信息来源与归宿信息载体信息载体信息通道信息通道u总线总线连接多个功能部件的一组公共信连接多个功能部件的一组公共信号线号线CPUMEMI/ODBData BusABAddress BusCBControl BusABCBDB三大三大总线总线数据总线数据总线 DB(Data Bus)：双向双向 用来在用来在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间进行数据传送。接口之间进行数据传送。数据总线数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。的条数决定一次可最多传送数据的宽度。8 根根 一次传送一次传送 8位位16 根根 一次传送一次传送 16位位 32 根根 一次传送一次传送 32位位 64 根根 一次传送一次传送 64位位地址总线地址总线 AB(Address Bus)：单向单向用来传送用来传送CPU输出的地址信号，输出的地址信号，确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/O端口。端口。通通过过地地址址总总线线，可可使使某某个个芯芯片片的的数数据据口口打打开开，从从而而使使其其能能接接收收数数据据或或输输出出数数据据，而而其其他他芯芯片片的的数数据据口口关关闭闭，以以防防止止操作错误。操作错误。地址总线的条数地址总线的条数 决定决定CPU的寻址能力。的寻址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G控制总线控制总线CB(Control Bus)：用于传送各种控用于传送各种控制信号。制信号。有的是有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向有的是发向CPU，如外设向如外设向CPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。2.3 微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理1 1微处理器的结构与工作过程微处理器的结构与工作过程2 2存储器的结构与工作过程存储器的结构与工作过程3 3I/OI/O的结构与工作过程的结构与工作过程1、微处理器的内部组织结构微处理器控制器运算器寄存器微处理器控制器运算器寄存器一、微处理器的结构与工作过程一、微处理器的结构与工作过程1）运算器）运算器算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）：）：专门进行加、减、乘、除等算术运算和与、专门进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、循环移位等逻辑运算。或、非、异或、循环移位等逻辑运算。2）控制器）控制器指挥控制中心，负责把指令逐条从存储器中取指挥控制中心，负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后发出相应的控制命令。出，经译码分析后发出相应的控制命令。3）寄存器）寄存器相当于微处理器内部的存储器，可提高机器的运行速度。程序计数器程序计数器PC（Program Counter）：）：记录下一条记录下一条要执行的指令机器码在程序存储器中的位置。亦称指要执行的指令机器码在程序存储器中的位置。亦称指令指针令指针IP（Instruction Pointer）。）。地址寄存器地址寄存器AR（Address Register）:存放正要取出的指令地址或操作数的地址数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DR(Data Register):暂存指令或数据累加器累加器A（Accumulator）和标志寄存器）和标志寄存器F：用于用于保存参加运算的数据以及运算结果的状态。保存参加运算的数据以及运算结果的状态。指令寄存器指令寄存器IR(Instruction Register):存放从存储器存放从存储器取出对将要执行的指令码。取出对将要执行的指令码。指令译码器指令译码器ID（Instruction Decoder）：）：对指令编对指令编码进行译码，确定指令功能，配合时序系统和码进行译码，确定指令功能，配合时序系统和PLA产生微操作控制信号。产生微操作控制信号。可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA控制器（控制器（Programmable Logic Array）：）：根据指令译码信号和时序产生所需的微操根据指令译码信号和时序产生所需的微操作控制信号，包括输出到外部的读写等信号。作控制信号，包括输出到外部的读写等信号。微处理器的外部结构以8086为例存储器的结构与工作过程二、存储器的结构及其工作过程存储器的外部结构以2764/6264为例1234567微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程计算计算1+2=?汇编语言程序汇编语言程序汇编语言程序汇编语言程序对应的机器指令对应的机器指令对应的机器指令对应的机器指令 对应的操作对应的操作对应的操作对应的操作 MOV AL,110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中0000000100000001ADD AL,200000100计算两个数的和，结果存放到AL中0000001000000010MOV 0008,AL10100010将AL中的数传送到地址单元000800001000000010000000000000000000HLT11110100停机00000000000110110000101100001011000010110000000100020000000100000001微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程三、三、输入输入/输出接口结构及其工作原理输出接口结构及其工作原理 外设的电信号、运行速度与外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不匹配，不能与不能与CPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/O接口与接口与CPU相连。相连。键键 盘盘 键盘接口键盘接口 显示器显示器 显示卡显示卡鼠鼠 标标 串行接口串行接口 网网 络络 网卡网卡 打印机打印机 并行接口并行接口 音箱、麦可风音箱、麦可风 声卡声卡输入输出接口的结构与工作过程小结：n掌握微处理器、微型计算机、微型计算机掌握微处理器、微型计算机、微型计算机系统概念系统概念n掌握微型计算机组成要素、三大总线各自掌握微型计算机组成要素、三大总线各自特点特点n了解微机工作过程了解微机工作过程n了解存储器有关概念及其工作过程了解存储器有关概念及其工作过程作业作业1、三大总线的分类和特点？、三大总线的分类和特点？2、计算机的性能指标、计算机的性能指标3、微型计算机的组成要素、微型计算机的组成要素2.42.4微型计算机的发展微型计算机的发展n19461946年，世界上出现第一台数字式电子计算年，世界上出现第一台数字式电子计算机机ENIACENIAC（电子数据和计算器）电子数据和计算器）n发展到以大规模集成电路为主要部件的第四发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了代，产生了微型计算机微型计算机二、微型计算机的发展二、微型计算机的发展世界上第一台现代意义的电子计算机是世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国年美国宾夕法尼亚大学设计制造的宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIACENIAC（Electronic Electronic Numerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculator），），装有装有18,00018,000个电子管，个电子管，总重量达总重量达3030吨，吨，运算速度运算速度 50005000次次/秒，功耗秒，功耗150kw/h150kw/h，占地占地170m170m2 2 ，造价造价100100万美元。万美元。不过它还没有引入不过它还没有引入CPUCPU的概念的概念微型计算机的发展n第第1 1代：代：4 4位和低档位和低档8 8位微机位微机字长为字长为字长为字长为4 4 4 4位或位或位或位或8 8 8 8位，集成度约为位，集成度约为位，集成度约为位，集成度约为300030003000300010000100001000010000晶体管晶体管晶体管晶体管/片，微片，微片，微片，微处理器的主频为处理器的主频为处理器的主频为处理器的主频为0.10.10.10.15MHz5MHz5MHz5MHz。400440408008400440408008n第第2 2代：中高档代：中高档8 8位微机位微机集成度为集成度为集成度为集成度为6000600060006000个晶体管，主频为个晶体管，主频为个晶体管，主频为个晶体管，主频为2MHz2MHz2MHz2MHz。Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800，Apple-IIApple-II微机微机n第第3 3代：代：1616位微机位微机采用了采用了采用了采用了3 3 3 3 m m m m工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了29,00029,00029,00029,000个晶体管，工作频率为个晶体管，工作频率为个晶体管，工作频率为个晶体管，工作频率为4.77 MHz4.77 MHz4.77 MHz4.77 MHz。80868086808880888028680286，IBM PCIBM PC系列机系列机Intel 4004微型计算机的发展（续）n第第4 4代：代：3232位微机位微机Pentium III Pentium III Pentium III Pentium III 采用采用采用采用0.6 0.6 0.6 0.6 m m m m-0.18-0.18-0.18-0.18 m m m m工艺，工艺，工艺，工艺，集成度集成度集成度集成度550550550550万万万万-950-950-950-950万晶体管，时钟频率万晶体管，时钟频率万晶体管，时钟频率万晶体管，时钟频率166166166166MHz-1GHzMHz-1GHzMHz-1GHzMHz-1GHz80386803868048680486PentiumPentiumPentium II Pentium Pentium II Pentium III III Pentium 4Pentium 43232位位PCPC机、机、MacintoshMacintosh机、机、PS/2PS/2机机n第第5 5代：代：6464位微机位微机ItaniumItanium、6464位位RISCRISC微处理器芯片微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站