第1章微型计算机概论优秀课件.ppt

第1章微型计算机概论第1页，本讲稿共36页第2页，本讲稿共36页任务：任务：从应用角度出发，掌握微机组成原理、工作过程，软硬件设计方法，从应用角度出发，掌握微机组成原理、工作过程，软硬件设计方法，学会设计和分析微机应用系统的方法。学会设计和分析微机应用系统的方法。特点：特点：实践性非常强的工程技术课程，对培养开发实践性非常强的工程技术课程，对培养开发PC机软件、硬件的实际机软件、硬件的实际 动手能力起着极大的作用。动手能力起着极大的作用。内容：内容：一、原理：一、原理：1 掌握各类信息在计算机中的表示方法以及运算掌握各类信息在计算机中的表示方法以及运算2.理解理解微处理器微处理器的结构和工作原理，进而了解的结构和工作原理，进而了解微机系统微机系统的组成及工作原理的组成及工作原理 3.理解常用接口芯片的工作原理理解常用接口芯片的工作原理二、软件二、软件 1.掌握掌握8086CPU指令系统、伪指令指令系统、伪指令2.能完成常用问题的汇编语言程序设计能完成常用问题的汇编语言程序设计3.掌握掌握ROM BIOS中断功能调用和中断功能调用和DOS系统功能调用系统功能调用4.I/O常用控制方式的程序设计方法常用控制方式的程序设计方法三、硬件三、硬件 1.掌握微机中存储器系统的设计与分析掌握微机中存储器系统的设计与分析2.理解微机系统中常用的输入理解微机系统中常用的输入/输出控制方式输出控制方式3.掌握采用常用接口芯片的硬件系统设计与分析掌握采用常用接口芯片的硬件系统设计与分析第3页，本讲稿共36页参考资料参考资料1孙德文等编著，微型计算机技术，高等教育出版社2潘名莲等编著，微型计算机原理及应用，电子科技大学 出版社3周明德等编著，微机原理及应用，清华大学出版社4.周明德等编著，微机原理与接口技术实验指导与习题集 人民邮电大学出版社教学计划教学计划各单元教学内容目标及重点、难点各单元教学内容目标及重点、难点 第4页，本讲稿共36页第一章第一章 微型计算机系统构成微型计算机系统构成1.1 微型计算机系统相关概念微型计算机系统相关概念 1.1.1 传统定义传统定义 1.1.2 微型计算机硬件主机和外设微型计算机硬件主机和外设 1.2 微型计算机系统的总线结构微型计算机系统的总线结构 1.2.1 微处理器的典型结构微处理器的典型结构 1.2.2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 1.2.3 三类总线构成的微型三类总线构成的微型计算机计算机系统系统第5页，本讲稿共36页教学内容教学内容（2学时）学时）微型计算机概述 介绍本课程的目的、具体内容、特点、要求及作用 微机发展概述 微机发展历史、分类，微型计算机的特点及应用微机的发展趋势 微机工作过程 微处理器，微计算机，微机系统的概念及关系；微型计算机结构及工作过程分析计算机中信息的表示方法 原码 反码 补码 BCD码 ASCII码 二进制数等教学目标教学目标 使学生对本课程有一个基本了解，尤其对微型计算机的概念及发展有进一步的认识；建立起微机系统的概念掌握微机系统的总线结构形式及微机内部内部信息传输过程教学重点及难点教学重点及难点 微型计算机的基本概念；特点；计算机中信息的表示方法 第6页，本讲稿共36页一一、传统定义、传统定义运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线 输入输出输出输入输出输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器（p)微型计算机微型计算机（c)微型计算机系统微型计算机系统（cs)图图1-1 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.1 微型计算机系统微型计算机系统相关概念相关概念第7页，本讲稿共36页1、名词解释、名词解释微处理器（微处理器（Micro Processor）：）：利用微电子技术将利用微电子技术将 包括运算器、控制器的中央处理器的复杂电路集成包括运算器、控制器的中央处理器的复杂电路集成 在一片大规模集成电路（在一片大规模集成电路（LSI）芯片上，我们把这种）芯片上，我们把这种 微缩的微缩的CPU称为称为p。微计算机（微计算机（Micro Computer）：）：以微处理器为核心，以微处理器为核心，配上配上LSI的的RAM、ROM、I/O接口的微型化的计算机接口的微型化的计算机 装置。装置。微型计算机系统（微型计算机系统（Micro Computer System)：在微计在微计 算机的配置上加上外围算机的配置上加上外围I/O设备和软件所构成的系统。设备和软件所构成的系统。2、微型计算机的系统结构特点：、微型计算机的系统结构特点：1。软件硬件化。软件硬件化。2。采用总线结构。采用总线结构第8页，本讲稿共36页1.计算机的发展计算机的发展第一代电子计算机称为电子管电子管计算机。第二代计算机称为晶体管晶体管计算机，其主要逻辑元件采用的是晶体管。第三代计算机的内存储器采用了半导体半导体存储器，可靠性和存取速度有了明显的改善。第四代计算机以采用大规模和超大规模集成电路大规模和超大规模集成电路为标志。关于第五代计算机人们正在进行着多方面的探索。微处理器的发展概况微处理器的发展概况第9页，本讲稿共36页2、微型计算机的发展微型计算机的发展第一阶段（第一阶段（19711973）：典型的微型机以：典型的微型机以Intel 4004和和Intel 4040为基础。微处理器和存储器采用为基础。微处理器和存储器采用PMOS工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。表、过程控制或计算器中。第10页，本讲稿共36页第二阶段（第二阶段（19731977）：以：以8位微处理器为位微处理器为基础，典型的微处理器有基础，典型的微处理器有Intel 8080/8085、Zilog公司的公司的Z80及及Motorola公司的公司的MC6800。微处理器采用高密度微处理器采用高密度N-MOS工艺，具有较完整的指令系统和较强的工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达功能。存储器容量达64KB，配有荧光屏显示器、，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如计算机。配有简单的操作系统（如CP/M）和高）和高级语言。级语言。第11页，本讲稿共36页第三阶段（第三阶段（19781981）：以：以16位和准位和准32位微处理位微处理器为基础，如器为基础，如Intel公司的公司的8086、Motorola的的MC68000和和Zilog的的Z8000。微处理器采用短沟道。微处理器采用短沟道高性能高性能H-MOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。储保护。第12页，本讲稿共36页第四阶段（第四阶段（20世纪世纪80年代）年代）：80年代初，年代初，IBM公司公司推出开放式的推出开放式的IBM PC，这是微型机发展史上的一个，这是微型机发展史上的一个重要里程碑。重要里程碑。IBM PC采用采用Intel 80 x86（当时为（当时为8086/8088、80286、80386）微处理器和）微处理器和Microsoft公公司的司的MS DOS操作系统并公布了操作系统并公布了IBM PC的总线设计。的总线设计。第13页，本讲稿共36页第五阶段（第五阶段（20世纪世纪90年代开始）年代开始）：RISC（精简指（精简指令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。了重大变革。1995.11 Intel Pentium Pro 封装了封装了L2 Cache 1997.1 Pentium With MMX1997.5 Pentium II1999.3 Pentium III 第14页，本讲稿共36页 微型计算机的分类微型计算机的分类按组装形式和系统规模划分：按组装形式和系统规模划分：1、单片机（微控制器、嵌入式计算机）集成在一块芯片中、单片机（微控制器、嵌入式计算机）集成在一块芯片中 Intel MCS-51、MCS-96等等2、单板机、单板机 安装在一块印制板上安装在一块印制板上 TP-801、TP-863、个人计算机、个人计算机 IBM-PC系列机系列机 第15页，本讲稿共36页二 微型计算机的硬件主机和外围设备v微机系统各部件经集成技术整合，功能和组成有较大改变1.Cache和虚拟存储器概念的引入，形成存储器的体系结构；2.CPU功能部件扩展：FPU（FloatingPoint Unit 浮点处理器）Cache（高速缓冲存储器）MMU（Memory Management Unit 存储管理部件）MMX（Multi Media eXtension 多媒体扩展）3.各种新总线、芯片组和新I/O接口技术出现及发展第16页，本讲稿共36页第17页，本讲稿共36页第18页，本讲稿共36页一、微处理器的典型结构一、微处理器的典型结构图图1-4a 微处理器的典型结构微处理器的典型结构1.2 微型计算机系统的总线结构微型计算机系统的总线结构第19页，本讲稿共36页微处理器微处理器 程序计数器程序计数器 PC指令寄存器指令寄存器 IR处理器状态字处理器状态字PSW堆栈指示器堆栈指示器 SP指令译码器指令译码器 IDI/O控制逻辑控制逻辑工作寄存器工作寄存器地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器 ALU 控制器控制器图图1-4b 微处理器的功能模块微处理器的功能模块第20页，本讲稿共36页 微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分,一般被集一般被集成在一个大规模集成芯片上成在一个大规模集成芯片上,如如80888088、80 x8680 x86等等等等,它是计算机的核它是计算机的核心部件心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能它直接决定了计算机的主要性能.ALU ALU 运算器的核心部件是算逻单元运算器的核心部件是算逻单元ALUALU，所有的算术运算，所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由逻辑运算和移位操作都是由ALUALU完成的完成的.控制器控制器 CPUCPU的指挥机关的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。完成指令的读入、寄存、译码和执行。程序计数器程序计数器 PC 用于保存下一条要执行的指令的地址。用于保存下一条要执行的指令的地址。指令寄存器指令寄存器 IR 保存从存储器中读入的当前要执行的指令。保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器指令译码器 ID 对指令寄存器对指令寄存器 IR中保存的指令进行译码分析。中保存的指令进行译码分析。堆栈指示器堆栈指示器 SP 对堆栈进行操作时提供地址。对堆栈进行操作时提供地址。处理器状态字处理器状态字PSW 暂存处理器当前的状态。暂存处理器当前的状态。第21页，本讲稿共36页 工作寄存器组工作寄存器组 暂存寻址和计算过程的信息暂存寻址和计算过程的信息.地址寄存器地址寄存器 地址寄存器用于操作数的寻址。地址寄存器用于操作数的寻址。数据寄存器数据寄存器 数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。I/O I/O控制逻辑控制逻辑 包括包括CPUCPU中输入中输入/输出操作有关的逻辑，其作输出操作有关的逻辑，其作 用是处理输入用是处理输入/输出的操作。输出的操作。第22页，本讲稿共36页二二 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构数据信息、控制信息在计算机各部件之间流动数据信息、控制信息在计算机各部件之间流动外部设备外部设备微处理器微处理器 (CPU)存储器存储器输入输入/输出输出接口电路接口电路数据总线数据总线控制总线控制总线地址总线地址总线图图 1-5 典型微型计算机系统的结构框图典型微型计算机系统的结构框图第23页，本讲稿共36页1.存储器存储器 用于存放用于存放程序代码程序代码及有关及有关数据数据.地地 址址 译译 码码 器器地址地址 内容内容00 01 02 03 04 FF00单元单元01单元单元02单元单元03单元单元FF单元单元110100111010001010011101 :11100001ABDB控制控制CB图图1-2a 内存储器的结构内存储器的结构地址地址信号信号00000010控制控制信号信号WR0数据数据信号信号001001100200100110例例:（02h）00100110B第24页，本讲稿共36页存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储单元的内容：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放存储单元的内容：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放 8 位二进制信息位二进制信息 （通常也用两位十六进制数表示），这就是它们的内容。（通常也用两位十六进制数表示），这就是它们的内容。存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它 们的地址。们的地址。存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据 控制总线上的控制命令，进行相应的读些操作控制总线上的控制命令，进行相应的读些操作 2.输入输出接口电路输入输出接口电路 由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与 CPU CPU 不匹配，故在连接时，需通过不匹配，故在连接时，需通过 输入输出接口电路输入输出接口电路使外部设备与之相连。使外部设备与之相连。3.总线总线 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。第25页，本讲稿共36页 三三 用三类总线构成的微型计算机系统用三类总线构成的微型计算机系统 对微机而言，总线可以分为以下四类：对微机而言，总线可以分为以下四类：片内总线片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALU、CU和和 寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂 家自己确定。家自己确定。片间总线片间总线微处理器、存储器芯片、微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的连接总线。片间总接口芯片等之间的连接总线。片间总 线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。内总线内总线 内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。内总线有不同的总线标准，如内总线有不同的总线标准，如 S-100总线总线(IEEE-696标标)，STD总线总线，IBM-PC（ISA、ESA、VSA、PCI）总线标准等，采用不同总线）总线标准等，采用不同总线 标准的功能板无法连接在标准的功能板无法连接在 一起。一起。外总线外总线 用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通 信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如并行总线如并行总线IEEE-488标准，串行总线标准，串行总线RS-232标准等。标准等。第26页，本讲稿共36页 片间总线可分为地址、控制、数据片间总线可分为地址、控制、数据总线：总线：地址总线：用于传送地址总线：用于传送 CPU 要访问的存储单元的地址或要访问的存储单元的地址或 I/O 端口端口 地址，地址，地址总线的位数决定了地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的可以直接寻址的 地址范围。地址范围。控制总线：用来传送控制信号。控制总线：用来传送控制信号。数据总线：用于数据总线：用于 CPU 与存储器、与存储器、CPU 与外设之间传送信息。与外设之间传送信息。第27页，本讲稿共36页 四类总线之间的关系如图所示。四类总线之间的关系如图所示。CPU 片内总线片内总线MI/O片间总线片间总线I/O接口板接口板外部设备外部设备内总线内总线外总线外总线图图1-6 微型计算机的总线结构微型计算机的总线结构第28页，本讲稿共36页 片间总线可分为地址、控制、数据片间总线可分为地址、控制、数据总线：总线：地址总线：用于传送地址总线：用于传送 CPU 要访问的存储单元的地址或要访问的存储单元的地址或 I/O 端口端口 地址，地址，地址总线的位数决定了地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的可以直接寻址的 地址范围。地址范围。控制总线：用来传送控制信号。控制总线：用来传送控制信号。数据总线：用于数据总线：用于 CPU 与存储器、与存储器、CPU 与外设之间传送信息。与外设之间传送信息。第29页，本讲稿共36页计算机中数据的表示与运算计算机中数据的表示与运算（复习）（复习）1.数据分类数据分类 数值数据、字符数据数值数据、字符数据2.数据表示数据表示 字符数据的表示：字符数据的表示：ASCII码、汉字内码码、汉字内码 数值数据的表示：数值数据的表示：1）原码、反码、补码）原码、反码、补码2）BCD码码第30页，本讲稿共36页v数的表示可采用原码，反码，补码等。在计算机中，数的表示为2进制补码形式。v原码：用最高位表示符号位，0正1负。其余位表示数的绝对值。v如56的原码表示为：00111000v-56的原码表示为：10111000第31页，本讲稿共36页v反码：用最高位表示符号位，0正1负。正数的反码与其原码相同，而负数的反码为其原码取反（除符号位）。v如56的反码表示为：00111000v-56的反码表示为：11000111第32页，本讲稿共36页v补码：用最高位表示符号位，0正1负。正数的补码与其原码相同，而负数的补码为其原码（除符号位外）按位取反，末位加1。v如56的补码表示为：00111000v-56的补码表示为：11001000第33页，本讲稿共36页v十进制数化成二进制数的方法：除2倒取余，直到商为0时止。v二进制数化成十六进制数的方法：4位二进制数对应1位十六进制数。十六进制019ABCDEF二进制000000011001101010111100110111101111第34页，本讲稿共36页例例1：有一个二进制代码：有一个二进制代码10010101B1）如果表示的是二进制数，其真值）如果表示的是二进制数，其真值=2）如果表示的是某数的补码，其真值）如果表示的是某数的补码，其真值=3）如果表示的是某数的原码，其真值）如果表示的是某数的原码，其真值=4）如果表示的是某数的反码，其真值）如果表示的是某数的反码，其真值=5）如果表示的是）如果表示的是BCD码，其真值码，其真值=149-107-21-10695第35页，本讲稿共36页v作业：1.1,1.5例例2：求：求6-9=？（设机器字长为？（设机器字长为8位）位）6原原=6反反=6补补=00000110B+-9原原=10001001B -9补补=11110111B 11111101B由于由于 X补补=X原原 11111101B补补=10000011B所以所以 6-9=-3第36页，本讲稿共36页