微机原理微型计算机概述精.ppt

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1、微机原理微型计算机概述第1页，本讲稿共44页2课程内容课程内容 第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述 第二章第二章 8086/8088 8086/8088 微处理器微处理器 第三章第三章 8086/8088 8086/8088 指令系统指令系统 第四章第四章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计 第五章第五章 存储器系统存储器系统 第六章第六章 输入输出接口输入输出接口 第七章第七章 中断控制接口中断控制接口 第八章第八章 定时与计数器定时与计数器 第九章第九章 并行接口电路并行接口电路第2页，本讲稿共44页3微型计算机技术及应用微型计算机技术及应用戴梅萼戴梅萼 编著编著清华大学出版社清华大

2、学出版社教辅：教辅：第3页，本讲稿共44页4第第 一章一章微型计算机概述微型计算机概述第4页，本讲稿共44页51.1 微机发展概述微机发展概述第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第5页，本讲稿共44页6世界上第一台计算机世界上第一台计算机ENIAC第6页，本讲稿共44页第7页，本讲稿共44页8微处理器已经历微处理器已经历30多年的发展历程，头多年的发展历程，头2020年是年是Intel时代。每隔时代。每隔7、8年，处理器位数就会有一个较大年，处理器位数就会有一个较大的飞跃。如的飞跃。如1971年第一片年第一片4位位微处理器微处理器4004，1978年年16位处理器位处理器8086，

3、1985年年32位处理器位处理器80386。计算机的发展核心部件为计算机的发展核心部件为CPU，因此本小节主要，因此本小节主要以以CPU的发展情况来分析微机的发展过程，以的发展情况来分析微机的发展过程，以Intel公公司的司的CPU为为主线。主线。第8页，本讲稿共44页9时间时间系列系列DB (内内/外外)AB内存内存备注备注1978808616/16201MBIBM用其制造用其制造PCPC机机1979808816/8201MBIBM用其制造用其制造PCPC机机19828028616/162416MBMMUMMU，CacheCache结构结构19858038632/32324GB内存分页内存分

4、页,模拟多个模拟多个8086同时工作同时工作198980486RISC技术，技术，Cache结构，结构，5级流水线级流水线1993 Pentium2路超标量结构路超标量结构,8级级流水线流水线第9页，本讲稿共44页10时间时间系列系列特点特点1996Pentium pro(高能奔腾高能奔腾)片内封装了与原片内封装了与原CPU同频运行的同频运行的256KB或或512KB二级缓存二级缓存 ,支持动支持动态预测执行态预测执行1997Pentium MMx(多能奔腾多能奔腾)一级缓存一级缓存32KB,增加增加MMX(多媒体多媒体扩展指令扩展指令)1997PIIPentium pro的改进的改进,锁定锁

5、定CPU的倍的倍频数频数1999PIIICPU序列号序列号,支持支持SSE(单一指令多单一指令多数据流扩展数据流扩展),),大大加强在三维图像大大加强在三维图像和浮点运算方面的能力和浮点运算方面的能力2000P 4更先进的动态执行顺序，更高的分更先进的动态执行顺序，更高的分支预测准确性支预测准确性第10页，本讲稿共44页118088CPU4004第11页，本讲稿共44页128088CPUCore i7Core2第12页，本讲稿共44页1.2 信息在计算机的表示信息在计算机的表示 各种进位计数制的表示和相互之间的转换各种进位计数制的表示和相互之间的转换 数值信息的表示数值信息的表示13第13页，

6、本讲稿共44页141.3 微机的工作过程微机的工作过程1.3.1 微机的基本结构微机的基本结构 微计算机系统的层次微计算机系统的层次微处理器微处理器 (Microprocessor)微型计算机微型计算机 (Microcomputer)微计算机系统微计算机系统 (Microcomputer system)第14页，本讲稿共44页15 算术逻辑单元算术逻辑单元 寄存器阵列寄存器阵列 控制器电路控制器电路数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线只读存储器只读存储器随机访问存储器随机访问存储器串行输入输出接口串行输入输出接口并行输入输出接口并行输入输出接口外存储器接口外存储器接口显示器接口等显

7、示器接口等键盘、鼠标键盘、鼠标显示器、打印机显示器、打印机软磁盘驱动器软磁盘驱动器硬磁盘驱动器硬磁盘驱动器光盘驱动器等等光盘驱动器等等微处理器微处理器系统总线系统总线内存储器内存储器外围接口电路外围接口电路系统软件系统软件应用软件应用软件软件软件外围设备外围设备微微型型计计算算机机系系统统微型计算机微型计算机微处理器，微计算机，微处理器，微计算机，微计算机系统三者关系微计算机系统三者关系第15页，本讲稿共44页16运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入输入输出输出中央处理器中央处理器俗称俗称:CPU主机主机计算机硬件计算机硬件I/O设备设备冯冯诺依曼计算机的诺依曼计算机的5个组成部分个组成部

8、分第16页，本讲稿共44页17存储器存储器输入输入设备设备运算器运算器控制器控制器输出输出设备设备键盘、扫描仪等存放程序、数据、结果运行程序,输出结果显示器、打印机等CPU第17页，本讲稿共44页18微型计算机采用总线结构微型计算机采用总线结构总线：连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。总线：连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。内部总线：内部总线：CPU内部各功能部件和各寄存器的连线。内部各功能部件和各寄存器的连线。外部总线：外部总线：又称系统总线，即连接又称系统总线，即连接CPU、存储器和、存储器和I/O接口的接口的总线。总线。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线

9、一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中。标准的系统中。微型机中目前主要采用的总线有：微型机中目前主要采用的总线有：PC总线、总线、ISA总线、总线、PCI总总线等。线等。虽然总线的标准不同，但都包括三类总线：虽然总线的标准不同，但都包括三类总线：地址总线地址总线（AB）、）、数据总线数据总线（DB）、）、控制总线控制总线（CB）。）。第18页，本讲稿共44页地址总线地址总线（Address Bus）用来传送地址的信号线用来传送地址的信号线地址总线的根数地址总线的根数(位数位数)决定了决定了CPU可以直接寻址的内存可以直接寻址的内存范围。范围。地址总线的信号总是从地址总线

10、的信号总是从CPU送出，所以地址总线是单向送出，所以地址总线是单向的。的。地址总线上的信号除了高低电平外，还可以处于高地址总线上的信号除了高低电平外，还可以处于高阻（浮空）状态，阻（浮空）状态，称为单向、三态总线称为单向、三态总线。第19页，本讲稿共44页20有两根地址线，每一根地址线都可以有有两根地址线，每一根地址线都可以有0,1两种状态，两种状态，两根地址线共有两根地址线共有2011011000这这四四种状态，种状态，即可寻址即可寻址4个空间个空间，4个字节个字节。20地址线地址线A0为为0电平，存储单元电平，存储单元1有效；有效；地址线地址线A0为为1电平，存储单元电平，存储单元2有效。

11、有效。一根地址线可以控制两个存储单元。一根地址线可以控制两个存储单元。第20页，本讲稿共44页21同样同样，3根地址线共根地址线共有有8种状态，为：种状态，为：0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 14根地址线共有根地址线共有16种状种状态，为：态，为：0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址线的根数地址线的根数(位数位数)n与与CPU可直接寻址可直接寻址范围的范围的大小大小之间的关之间的关系为：系为：内存范围内存范围2n n第21页，本讲稿共44页A0A1存储单

12、元存储单元000110111 有效有效2 有效有效3 有效有效4 有效有效2-4译码器两根地址线最多可两根地址线最多可控制控制4个存储单元个存储单元.第22页，本讲稿共44页23输入输入 输出输出S1 S2 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D80000111111100110111111010110111110111110111110011110111101111110111101111110111111111110一组输入对应一组输入对应着唯一的一根着唯一的一根输出线有效。输出线有效。第23页，本讲稿共44页3根地址线用根地址线用3-8译码器进行译码器进行寻址，共寻址寻址，共

13、寻址8 8个单元个单元4根地址线用根地址线用4-16译码器进行译码器进行寻址，共寻址寻址，共寻址16个单元个单元n根地址线最多可寻址根地址线最多可寻址2n n个单元个单元如果一个微机的如果一个微机的CPU有有16根地址引出线，那么这个微根地址引出线，那么这个微机最多能有多大容量的存储器？机最多能有多大容量的存储器？64KB第24页，本讲稿共44页25数据总线数据总线（Data Bus）用来传送指令代码和数据的信号线，即传送的用来传送指令代码和数据的信号线，即传送的是内存中存储的内容，数据总线的位数决定是内存中存储的内容，数据总线的位数决定CPU一一次可以传输或处理多少字节的数据次可以传输或处理

14、多少字节的数据，这个指标也，这个指标也称数据总线的称数据总线的宽度。宽度。8086为为16位微处理器，即数据总线可允许位微处理器，即数据总线可允许16位二进制位二进制数据一次通过，进行运算存储处理。数据一次通过，进行运算存储处理。8088的内部为的内部为16位数据总线，外部为位数据总线，外部为8位数据总线。位数据总线。目前的主流微机为目前的主流微机为32位数据总线。位数据总线。第25页，本讲稿共44页26数据总线是双向的数据总线是双向的,既可以由既可以由CPU向存储器和外设送出，向存储器和外设送出，又可以接收存储器和外设的数据。同时，数据总线也存又可以接收存储器和外设的数据。同时，数据总线也存

15、在高阻（浮空）的状态在高阻（浮空）的状态,为双向三态总线为双向三态总线。第26页，本讲稿共44页27控制总线控制总线（Control Bus）用来传送控制信号用来传送控制信号。根据微处理器的不同或连接的。根据微处理器的不同或连接的芯片、设备的不同，要求的具体控制信号的时序、状芯片、设备的不同，要求的具体控制信号的时序、状态也不同，要根据实际的需要进行连接、设置。态也不同，要根据实际的需要进行连接、设置。控制信号线，根据使用条件不同，有单向、双向、控制信号线，根据使用条件不同，有单向、双向、三态或非三态信号线。三态或非三态信号线。第27页，本讲稿共44页内存读写时地址、数据、控制总线如何配合？内

16、存读写时地址、数据、控制总线如何配合？b0为1或01)地址线控制数据线导通地址线控制数据线导通2)写入数据时，写入控制有写入数据时，写入控制有效，数据线上的位信息效，数据线上的位信息（0或或1）进入存储器。进入存储器。3)读出数据时，读出控制有效，读出数据时，读出控制有效，存储器上的位信息存储器上的位信息（0或或1）流流向数据线。向数据线。readreadwritewrite第28页，本讲稿共44页对内存一个字节的操作：对内存一个字节的操作：数据总线和控制总线是公用的，每个字节的地址信数据总线和控制总线是公用的，每个字节的地址信号应不同，号应不同，即同一时刻只有一根地址线有效即同一时刻只有一根

17、地址线有效。第29页，本讲稿共44页地址线地址线1为为0电平电平，地址线地址线2为为1电平电平，第一个存储，第一个存储器的存储单元中的数据与器的存储单元中的数据与数据线相连，在控制信号数据线相连，在控制信号的作用下进行操作。的作用下进行操作。地址线地址线1为为1电平电平，地址线地址线2为为0电平，电平，第二个存储器第二个存储器的存储单元中的数据与数的存储单元中的数据与数据线相连，在控制信号的据线相连，在控制信号的作用下进行操作。作用下进行操作。第30页，本讲稿共44页地址线地址线1为为1电平电平，地址线地址线2为为1电平电平，两个存储器的，两个存储器的存储单元中的数据与数据存储单元中的数据与数

18、据线都不相连。线都不相连。地址线地址线1为为0电平电平，地址地址线线2为为0电平，电平，两个存储器两个存储器的存储单元中的数据都与的存储单元中的数据都与数据线相连，造成数据总数据线相连，造成数据总线混乱，不能进行正确操线混乱，不能进行正确操作。作。由此可见，在任何时候，最多只能有一个地址线信号为由此可见，在任何时候，最多只能有一个地址线信号为0 0第31页，本讲稿共44页32微处理器微处理器（CPUCPU）存储器存储器输入输入/输出输出接口电路接口电路外围外围设备设备控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线微型机的基本结构微型机的基本结构第32页，本讲稿共44页CPUCPU插座插座内存

19、条插座内存条插座 软驱、硬盘软驱、硬盘IDEIDE连接器连接器电源连接器电源连接器PCIPCI总线总线插槽插槽华硕华硕P4T主板实物照片主板实物照片 芯片组芯片组 I/OI/O端端口口第33页，本讲稿共44页341.3.2 微机工作过程微机工作过程程序存储：程序存储：将编写好的程序放入计算机的内存，将编写好的程序放入计算机的内存，程序中的每条指令是按顺序存放的。程序中的每条指令是按顺序存放的。程序控制执行：程序控制执行：控制器从存储器中一条一条地取控制器从存储器中一条一条地取出指令、分析指令、根据不同的指令向各部件发出出指令、分析指令、根据不同的指令向各部件发出完成该指令的控制信号，执行相应功

20、能。完成该指令的控制信号，执行相应功能。程序在计算机是以指令的形式存储的，指令是计算程序在计算机是以指令的形式存储的，指令是计算机可以识别的命令，是一系列的二进制代码。机可以识别的命令，是一系列的二进制代码。以以8位微机为例进行说明位微机为例进行说明第34页，本讲稿共44页35微机的内部结构与基本功能微机的内部结构与基本功能典型典型8 8位微处理器结构位微处理器结构用来完成算术和逻辑运算特殊的寄存器,有很多指令与其有关指示运算结果的状态存放下一条指令的地址CPU中的存储单元,16位第35页，本讲稿共44页36欲完成的任务：欲完成的任务：将整数将整数10和和20相加，将结果放入内存地址为相加，将

21、结果放入内存地址为30H的单元中。的单元中。分析：在计算机中，两个数不能直接相加，首分析：在计算机中，两个数不能直接相加，首先先应将一个整数应将一个整数10放入累加器放入累加器AL中中，再使再使AL与另一个整数与另一个整数20相加，结果就在相加，结果就在AL中中，然后将然后将AL中的内容放到指定的内存单元中。中的内容放到指定的内存单元中。第36页，本讲稿共44页37内存中相应的机器码如下：内存中相应的机器码如下：将一个数将一个数10放入放入AL中中地址地址内容内容20H0111010021H0000101022H0011010023H0001010024H0101001125H00110000

22、26H0100001130HAL中的数中的数加上加上20将将AL中的数放中的数放入入30H单元单元停止操作停止操作操作码：将一个数放入AL中操作数：即将放入AL中数值有一字节、有一字节、两字节和多两字节和多字节指令字节指令第37页，本讲稿共44页38将一个数将一个数10放入放入ALAL中中地址地址内容内容20H0111010021H0000101022H0011010023H0001010024H0101001125H0011000026H0100001130HAL中的数中的数加上加上20将将AL中的数中的数放入放入30H单元单元停止操作停止操作汇编语言汇编语言MOV AL,10ADD AL,

23、20MOV 30H,ALHLT00011110运行后的结果汇编语言与机器汇编语言与机器一一语言对应。一一语言对应。第38页，本讲稿共44页39程序计数器,自动加11234地址5678数据取指阶段示意取指阶段示意第39页，本讲稿共44页40程序计数器,自动加11234地址567数据执指阶段示意执指阶段示意完成一个指令周期完成一个指令周期第40页，本讲稿共44页411.4 微机系统的应用微机系统的应用 1.主要性能指标主要性能指标微机系统的主要性能指标包括以下各方面。微机系统的主要性能指标包括以下各方面。第41页，本讲稿共44页字长字长字长是指字长是指CPU的数据总线一次能同时处理数据的二进制位数

24、，的数据总线一次能同时处理数据的二进制位数，也就是数据总线的宽度。字长标志着计算机的计算精度。字长也就是数据总线的宽度。字长标志着计算机的计算精度。字长越长，计算出结果的有效位数就越多，精度就越高。越长，计算出结果的有效位数就越多，精度就越高。8086、80286的字长为的字长为16位。位。速度速度是微机系统的一项重要性能指标，指微处理器执行指令的是微机系统的一项重要性能指标，指微处理器执行指令的速率，一般用微处理器的主频来衡量，也有用速率，一般用微处理器的主频来衡量，也有用MIPS（million instruction per second，每秒百万次指令）每秒百万次指令）来说明微机的速度

25、。来说明微机的速度。80868086的最高主频为的最高主频为10MHz，速度为速度为0.41.3MIPS；Pentium4的最高主频为的最高主频为2.8GHz，速度为，速度为700MIPS。第42页，本讲稿共44页 存储容量存储容量存储容量包括内存容量和外存容量。内存容量由存储容量包括内存容量和外存容量。内存容量由CPU地地址总线的宽度决定。址总线的宽度决定。8086有有20根根地址总线，可寻址的最地址总线，可寻址的最大范围是大范围是216=1024KB=1MB；Pentium4有有32根地址总根地址总线，可寻址的最大范围是线，可寻址的最大范围是232=4GB。系统总线结构系统总线结构系统总线

26、是主机系统与内存及外设之间的通信通道。随系统总线是主机系统与内存及外设之间的通信通道。随着着CPU速度的不断提高及内存存取技术的改进，系统总线已速度的不断提高及内存存取技术的改进，系统总线已成为制约计算机运行速度的瓶颈。目前，系统总线的结构和成为制约计算机运行速度的瓶颈。目前，系统总线的结构和标准不断发展与完善。标准不断发展与完善。80286采用采用ISA总线结构，总线结构，Pentium4的系统总线采用的系统总线采用PCI总线结构，显示器采用总线结构，显示器采用AGP总线结构。总线结构。软件配置软件配置通常指操作系统、工具软件和应用软件等。通常指操作系统、工具软件和应用软件等。第43页，本讲稿共44页2.应用应用（1）科学计算科学计算（2）数据处理数据处理（3）实时控制实时控制（4）人工智能人工智能（5）CAD/CAM/CIMS/CAI（6）多媒体技术多媒体技术第44页，本讲稿共44页