上海交大微机原理-王春香

微机原理及应用ThePrinciple&ApplicationofMicrocomputer教材及参考书•教材–李继灿主编，新编16/32位微型计算机原理及应用(第3版)，清华大学出版社，2004•参考书–周明德编著，微型计算机系统原理及应用(第4版)，清华大学出版社，2002年–戴明萼编著，微型计算机技术及应用(第3版)，清华大学出版社，2003年。课程安排•共*学分，40学时•上课时间：周二、周四晚•上课地点：4202章节目录•第一章微机系统导论•第二章微机运算基础•第三章8086/8088微处理器及其系统•第四章8086/8088汇编语言程序设计第一章微机系统导论1.1微机系统组成1.2微机硬件系统结构1.3微处理器组成1.4存储器概述1.5微机工作过程1.6微机系统的主要性能指标主要内容第一章微机系统导论理解微机硬、软件系统的功能及其相互之间的关系理解微机硬件系统各组成部分功能与作用，掌握各种信息的不同流向理解CPU对存储器的读/写操作及其区别着重理解和熟练掌握程序执行的过程着重掌握微处理器的几个基本指标学习要求前言世界上第一台数字电子计算机1946年在美国宾夕法尼亚大学莫尔电机学院诞生，取名为ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator).第一台计算机该计算机共用18000多个电子管、6000余个开关、7000个电阻、10000个电容器和50万条连线，重达30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，运算速度5000次加法/秒。尽管该计算机有诸多不足，如存储器容量小，体积大、耗电多、可靠性差、使用不便等，但当时人们对它的速度还是相当满意，它的诞生宣布了电子计算机时代的到来。前言第一台计算机前言第一代电子计算机特点使用电子管，20世纪40年代末和50年代初获得重大发展；计算机发展经历4代第二代电子计算机于20世纪50年代中期问世，晶体管代替电子管，并增加了浮点运算；1964年4月IBM360系统问世，成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表；70年以后，出现使用超大规模集成电路的第四代电子计算机，目前使用的计算机都属于第四代计算机；前言80年代开始研制第五代计算机，目标是打破以往计算机固有的体系结构，使计算机具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，称为“智能计算机”。计算机发展经历4代（续）目前科学家们正在使计算机朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多功能化的方向发展。巨型机的研制、开发和利用，代表着一个国家的经济实力和科学水平；微型机的研制、开发和利用，标志着一个国家科学普及的程度。前言第1代微处理器：1972年研制的8位微处理器Intel8008，主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS电路；微处理器发展经历6代第2代微处理器：1973年研制的，主要采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器。代表产品有Intel的Intel8085、Motorola的M6800、Zilog的Z80等；第3代微处理器：1978年研制的，主要采用H-MOS新工艺的16位微处理器。其典型产品是Intel的Intel8086；前言第4代微处理器：1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器、典型产品有Intel的Intel80386、Zilog的Z8000、惠普公式的HP-32等；微处理器发展经历6代第5代微处理器：1993年Intel公司推出第五代32位微处理器芯片Pentium,外部数据总线为64位，工作频率为66-200MHZ；第6代微处理器：1998年Intel公司推出PentiumII、Celeron，后来又推出PentiumIII.第六代都是更先进的32位高档微处理器，工作频率为300-860MHZ，主要用于高档微机或服务器。1.1微机系统组成1.1.1基本定义1大、中、小型中央处理器（CPU-CentralProcessingUnit）。微处理器（MPU-MicroprocessorUnit）微处理器（uP,MP-microprocessor）：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，也称为微处理机。因特尔高性能家用台式机微处理器1.1微机系统组成1.1.1基本定义2微型计算机(microcomputer):简称uC或MC，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计算机，又称为主机或微电脑。把微处理器、存储器、输入输出接口电路组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上，分别称为单板机、多板机或单片微型计算机。1.1微机系统组成1.1.1基本定义3微型计算机系统（microcomputersystem）：简称uCS或MCS，指以微型计算机为中心，配上相应的外围设备、电源和辅助电路（通称硬件），以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。微型计算机系统(uCS)硬件软件微型计算机(uc)外围设备电源系统软件应用软件外部设备过程控制I/O通道键盘/显示器，光电图形输入器，语音识别与合成器打印机、绘图仪外存储器：光盘、硬盘、磁盘A/D、D/A转换器开关量、信号指示IO器微处理器(uP)内存储器输入输出(IO)接口电路系统总线算术逻辑单元ALU控制单元CU寄存器阵列RAROM,PROM,EPROM,EEPROMRAM并行串行地址总线AB数据总线DB控制总线ABuCS、uC、uP相互关系1.1微机系统组成微机硬件系统组成微处理器：微机的计算、控制中心，用来实现算术、逻辑运算以及其他操作，并对全机进行控制。存储器（主存或内存）：用来存储可以供微处理器直接运行的程序或处理的数据。输入/输出(I/O)：接口芯片是微处理器与外部输入/输出设备之间的接口。1.1微机系统组成微机硬件系统组成原料→物资分配部门→生产线→生产出成品→仓库→到市场上销售程序指令→控制单元→逻辑运算单元→处理后的数据→存储单元→交由应用程序使用1.1微机系统组成微机硬件系统组成目前，最流行的实际微机硬件系统组成：主机板：包括CPU、CPI外围芯片组、主存储器RAM、BIOS芯片与总线插槽；外设接口卡：如显卡、声卡、网卡；外部设备：如硬盘、光驱、显示器、打印机、键盘、调制解调器与鼠标；电源等部件。1.1微机系统组成软件的分级结构计算机软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。系统软件：是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。用户软件：是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应用软件。1.1微机系统组成软件的分级结构操作系统是一套复杂的系统程序。用于提供人机接口和管理、调度计算机的所有硬件与软件资源。它所包含的系统程序的具体分类尚不完全统一。其中，最为重要的核心部分是常驻监控程序。计算机开机后，常驻监控程序始终存放在内存中，它通过接受用户命令，并启用操作系统执行相应的操作。1.1微机系统组成软件的分级结构操作系统包括I/O驱动程序和文件管理程序。I/O驱动程序：用于执行I/O操作；文件管理程序：用于管理存放在外存（或海量存储器）中的大量数据集合。当用户程序或其他系统程序需要使用I/O设备时，通常并不是该程序执行操作，而是由操作系统利用I/O驱动程序来执行任务。文件管理程序与I/O驱动程序配合使用，用于文件的存取、复制和其他处理。此外，系统软件还可以包括各种高级语言翻译程序、汇编程序、文本编辑程序以及辅助编写其他程序的程序。1.1微机系统组成应当指出：硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成微型计算机系统，缺一不可。现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上相互促进。人是通过软件系统与硬件打交道，通常，由人使用程序设计语言编制应用程序，在系统软件的干预下使用硬件系统。1.2微机硬件系统结构硬件系统结构：按总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。用总线将各个部件连接起来，面向系统的总线结构。典型的微机硬件系统结构微处理器CPUROMRAMI/O接口输出设备输入设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB定时电路1.2微机硬件系统组成系统总线：用来传递信息的公共导线，可以是带状的扁平电缆线，也可是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有信息都是通过总线在CPU、M、I/O中间传送。根据传送信息的内容与作用，总线分为3类：数据总线（DataBus,DB）地址总线（AddressBus,AB）控制总线（ControlBus,CB）总线结构：系统中各部件均挂在总线上，可使微机系统的结构比较简单，易于维护，并有更大的灵活性和更好的可扩展性。1.2微机硬件系统组成根据总线结构组织方式不同，分为：单总线、双总线、双重总线。单总线结构：M和I/O使用同一组信息通道，采取分时操作。结构简单，成本低。中低档微机采用此结构。微机总线结构CPUMI/O接口外设1.2微机硬件系统组成双总线结构：M和I/O各有一组连通CPU的总线，可同时操作。拓宽了总线宽度，提高了传输效率。高档微机采用此结构。CPU负担加重，可采用专门处理芯片（智能I/O接口）减轻负担。微机总线结构CPUMI/O接口外设I/O总线存储器总线1.2微机硬件系统组成双重总线结构：具有局部总线与全局总线，并行操作。提高了数据处理和传输效率，高档微机和工作站采用此结构。微机总线结构CPU总线逻辑控制缓冲器局部I/O局部总线局部M全局M全局I/ODMA控制器全局总线1.3微处理器组成由运算器、控制器、内部寄存器阵列三部分组成。微处理器结构ALUO21ARAPCARDRFIRIDPLARAMDBAB内部DBCPU取指控制执指控制1.3微处理器组成又称为算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit,ALU）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：一个来自累加器（Accumulator）另一个来自内部数据总线：数据寄存器DR（DataRegister）寄存器阵列RA运算结果送回至累加器A暂存。1.3.1运算器1.3微处理器组成1.3.2控制器1.指令寄存器（InstructionRegister,IR）存放从存储器取出的将要执行的指令（操作码）。2.指令译码器（InstructionDecoder,ID）对指令寄存器IR中的指令译码，确定该指令执行什么操作。3.可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray,PLA）也称为定时与控制电路，产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。1.3微处理器组成由运算器、控制器、内部寄存器阵列三部分组成。微处理器结构ALUO21ARAPCARDRFIRIDPLARAMDBAB内部DBCPU取指控制执指控制1.3微处理器组成1.3.3内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄存器组。1.累加器A（Accumulator）算术逻辑运算时，运算前：保存一个操作数运算后：保存结果2.数据寄存器DR（DataRegister）暂存数据或指令：从M读出时，若读出的是指令：经DR暂存的指令，经内存DB送到IR，若读出的是数据：经内部DB，送到相关寄存器或运算器。计算机可以从时间和空间上区分指令和数据指令是用来确定“做什么”和“怎么做”；数据是“做”的时候需要原始数据；在时间上：取指周期从内存中取出的是指令，而执行周期从内存中取出或往内存中写入的是数据；在空间上：在内存中取出指令送控制器，而执行周期从内存取的数据送运算器，往内存写入的数据也是来自于运算器。1.3微处理器组成1.3微处理器组成1.3.3内部寄存器3.程序计数器PC（ProgramCounter）存放正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从M中取出将要执行的指令。程序按顺序逐条执行，PC具有自动加1的功能。4.标志寄存器F（FlagRegister）寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。，标志位的具体设置与功能和微处理器型号有关。根据检测有关的标志位是0或1，可按不同