微型计算机原理及接口技术课件

1微型计算机原理及接口技术2目录第1章微型计算机基础……………………………3第2章Intel系列微处理器……………………….30第3章80486微处理器的指令系统……………….52第4章汇编语言程序设计……………………….96第5章存储系统…………………………………171第6章输入输出方式及中断系统………………210第7章可编程接口芯片…………………………251第8章外设接口技术……………………………374第9章总线………………………………………4403第1章微型计算机基础41.1微型计算机的组成1.1.1微型计算机的硬件系统组成1.1.2微型计算机的软件系统组成1.2微型计算机的硬件结构及基本工作过程1.2.1数据总线、地址总线和控制总线1.2.2微型计算机的主要组成部分及功能1.2.3微型计算机基本工作过程51.3微型计算机的运算基础1.3.1计算机中数的表示1.3.2计算机的基本运算方法1.4典型微型计算机1.4.1主要性能指标1.4.2PC系列微型计算机1.4.3微型计算机中的主要计算机技术1.4.4微型计算机类型1.4.5微型计算机的应用及发展61.1微型计算机的组成微型计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。1.1.1微型计算机的硬件系统组成图1-1微型计算机的硬件基本组成1.1.2微型计算机的软件系统组成计算机的软件系统是由系统软件和应用软件两大部分组成。71.2微型计算机的硬件结构及基本工作过程目前各种微型计算机的硬件均由微处理器、存储器、输入输出接口、输入输出设备这几部分组成，如图1-2所示。根据总线的组织方式，可把微型计算机的硬件结构分为单总线结构、双总线结构和双层总线结构。图1-2微型计算机的硬件结构框图81.单总线结构2.双总线结构图1-3单总线结构的微型计算机图1-4双总线结构微型计算机93.双层总线结构图1-5双层总线结构微型计算机101.2.1数据总线、地址总线和控制总线数据总线DB数据总线用于传输数据信息，是双向总线。地址总线AB地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。地址信息用于找寻存储器或外设，AB总线的位数决定了外界存储器最大的存储容量控制总线CB控制总线是微处理器向各部件发出的控制信息、时序信息以及外部设备发送到微处理器的请求信息的总称。控制总线中每一根线的方向都是一定的、单向的，但作为整体来看则是双向的。111.2.2微型计算机的主要组成部分及功能1.微处理器图1-6微处理器的基本组成12微处理器是微型计算机的运算和控制指挥中心，主要由运算器、控制器、寄存器组（阵列）以及内总线组成。(1)运算器运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器Acc、暂存器TMP、算术逻辑单元ALU、标志寄存器FR和一些逻辑电路组成。(2)控制器控制器是指令执行部件，包括取指令、分析指令（指令译码）和执行指令，由指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制电路三个部件组成。(3)寄存器组在微处理器内部的寄存器组中，主要由通用寄存器和专用寄存器组成。13通用寄存器通用寄存器的作用是暂时存放ALU需要用到的数据，方便完成各种数据操作。专用寄存器它们在程序的执行过程中有特殊功能，如程序计数器PC、堆栈指示器SP等。①程序计数器PC程序计数器PC用于存放下一条要执行的指令在存储器中存放的地址，通常称为PC指针。②堆栈及堆栈指示器SP堆栈一旦形成就必须遵循先进后出FILO（FirstInLastOut）的原则对栈区的数据进行操作。如图1-7.图1-7堆栈区示意图142.存储器存储器是计算机中存储程序和数据的部件。存储器的性能通常用存储容量和存取速度来描述。如图1-8。3.输入输出接口该接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。4.输入输出设备使用微型计算机就必须进行人机交互，将外部信息传送到微型计算机称为输入操作；将微型计算机的运行结果传送出来称为输出。能完成信息输入或输出的设备称为输入输出设备，二者也合称为外部设备。图1-8存储器单元与地址的关系151.2.3微型计算机基本工作过程计算机的核心是CPU，了解CPU的工作过程对于理解计算机内部工作原理非常重要。为了便于理解，下面以模型机执行简单程序为例，说明程序的执行过程：16本段程序已放入内存指定位置，内部结构如图1-9所示：图1-9假想模型机与程序执行示例171.3微型计算机的运算基础1.3.1计算机中数的表示1.机器数和真值在计算机中，无论数值还是符号，都是用0或1来表示。通常用最高位做符号位，0表示正数，1表示负数。2.带符号数的表示方法原码:在机器数中，将最高位作为符号位，其余二进制位表示该数的绝对值的表示方法叫做原码表示法。反码:正数的反码表示与原码相同，负数的反码是将其对应的正数的各位取反，符号位为负。补码：正数的补码表示与原码相同，负数的补码是将其对应的正数的各位取反后再加1，符号位仍为负。183.编码编码是为了在特定场合下方便使用而制定的一种数字代号。计算机中常用的编码有两种（BCD码和ASCII码），是为方便进行特定计算而制定的编码规则。(1)二进制编码的十进制数（BCD码）用4位二进制数表示1位十进制数的编码方法叫做BCD码。见表1-1。在计算机里BCD码的表示方法又分为两种：分离BCD码和组合BCD码。表1-1十进制数与BCD码对照表19分离BCD码用1个字节表示1位十进制数，低4位为BCD码，高4位补0。用这种方式表示的BCD码叫做分离BCD码，见表1-2。组合BCD码在1个字节中，用低4位表示1位BCD码，同时高4位也表示为1位BCD码，即在1个字节中同时表示两位十进制数。(2)字母和符号的编码（ASCII码）ASCII码表示与分离BCD表示很相似，低4位都是相同的，均用0000～1001表示0～9，差别仅在高4位，ASCII码不是0000而是0011。详见附录1-1。表1-2十进制数与分离BCD码对照表201.3.2计算机的基本运算方法计算机中CPU能直接提供的运算有算术运算和逻辑运算。1.补码运算及溢出判别(1)补码的加减法运算规则若进行X+Y运算，则利用CPU内部的加法器可直接计算得到。若进行X-Y运算，则需将其转换为X+(-Y)，此时只需将-Y转换为补码,仍可通过加法器来实现。(2)溢出的判断当进行带符号数计算时，如果计算的结果超出了二进制带符号数的表达范围，就被称为溢出。对运算结果是否有溢出的判断，可通过“双进位”法来进行。212.BCD码运算及十进制调整由于计算机总是将数据作为二进制数来进行运算，在利用指令进行算术运算时，是按“逢16进一”的法则进行，而日常生活中采用的十进制运算均是按“逢10进一”法则进行的，故两种计算方法中相差6。因此，需要进行“十进制调整”。十进制调整的规则如下：若BCD码加法运算结果中出现无效码或出现进位，则在相应位置再加6。若BCD码减法运算结果中出现无效码或出现借位，则在相应位置再减6。实际上，分离BCD码的十进制调整处理方法略有不同，在高4位上还需加F。223.逻辑运算逻辑运算是按照二进制的最小单位Bit(位)来进行的，常用的逻辑运算有，与、或、异或、非等。(1)与运算与0相与得0，与1相与保持不变。利用与运算可以将指定位清0。(2)或运算与1相或得1，与0相或保持不变。利用或运算可以将指定位置1。23(3)异或运算与1相异或等于取反，与0相异或保持不变。利用异或运算可以对指定位求反。(4)非运算按位取反，利用非运算可以对所有位求反。241.4典型微型计算机1.4.1主要性能指标1.字长字长是指计算机对外一次能传送及内部处理数据的最大二进制数码的位数。2.运算速度计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。3.内存储器的容量内存的性能指标主要包括存储容量和存取速度。4.外存储器的容量外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。5.外设扩展能力微型计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。6.软件配置软件是微型计算机系统的重要组成部分，微型计算机系统中软件配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。251.4.2PC系列微型计算机PC系列微型计算机从外部看都是由主机和外设组成。1.主板硬件结构主板，又称系统板或母板。如图1-10.(1)CPU插槽(2)内存插槽(3)BIOS系统(4)芯片组(5)总线扩展插槽(6)外设接口系统图1-10主板示意图262.常用I/O适配器(1)显示适配器(2)音频卡(3)网络适配器(4)硬盘驱动器接口3.硬盘硬盘是是微型计算机海量存储的主要存储媒介之一。4.输入输出设备(1)输入设备①键盘②鼠标器③摄像头(2)输出设备输出设备的作用是接收微型计算机输出的信息。①显示器（类型和重要技术指标）②打印机（类型）271.4.3微型计算机中的主要计算机技术1.流水线技术2.乱序执行技术3.推测执行技术4.高速缓冲存储器技术5.虚拟存储器技术6.基于Core微架构（CoreMicro-Architecture）系列技术281.4.4微型计算机类型1.按结构形式分类(1)台式计算机(2)便携式个人计算机(3)平板电脑(4)单片机2.按微处理器的位数分类8位微型计算机、16位微型计算机、32位微型计算机和64位微型计算机等。3.按用途分类(1)专用机(2)通用机4.按原理分类(1)模拟计算机(2)数字计算机(3)混合计算机291.4.5微型计算机的应用及发展1.计算机应用领域(1)科学计算（或称为数值计算）(2)检测与控制(3)数据处理(4)计算机辅助设计(5)人工智能(6)计算机仿真(7)办公自动化与信息管理2.计算机的发展趋势(1)巨型化(2)微型化(3)网络化(4)智能化30第2章Intel系列微处理器312.1Intel系列微处理器概述2.1.18086/8088微处理器2.1.280286微处理器2.1.380386/80486微处理器2.1.464位微处理器及多核技术2.280486微处理器的体系结构2.2.180486微处理器的体系结构特点2.2.280486微处理器的内部结构2.2.380486的工作方式2.2.480486的常用引脚功能322.1Intel系列微处理器概述2.1.18086/8088微处理器8086是标准16位微处理器，内、外数据总线均为16位。8088是准16位微处理器，内部数据总线为16位，外部数据总线为8位。1.8086/8088微处理器的内部结构在8位微处理器中，微处理器执行一段程序通常按以下步骤循环往复顺序执行的，即：①从内存储器中取出一条指令，分析指令操作码。②从内存储器或寄存器中获取操作数（如果指令需要操作数）。③执行指令。④将结果存入内存储器或寄存器中（如果指令需要）。为提高效率8086/8088微处理器在其内部结构设计上进行了改进,其内部结构如图2-1所示。3334(1)执行单元EU执行单元主要完成分析指令、执行指令的任务，它由8个16位的通用寄存器、1个16位的标志寄存器、1个16位的运算数据暂存器、1个16位的算术逻辑单元ALU及EU控制电路组成。。(2)总线接口单元BIU总线接口单元主要完成取指令及对外存取数据。它由4个16位的段寄存器（CS、DS、SS、ES）、1个16位的指令指针寄存器IP、1个与EU通信的内部暂存器、1个指令队列、1个20位的地址加法器∑及总线控制电路组成。352.指令流水线和存储器的分段模式(1)指令流水线由于EU和BIU两个独立的功能部件可以并行工作，改变了以前8位微处理器执行程序时的串行工作方式，使得取指令操作码和分析、执行操作重叠进行，从而形成了两级指令流水线结构，提高了微处理器的运行速度。如图。36(2)存储器的分段模式8086/8088引入了“分段”的概念。即把1MB的物理存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段最大可为64KB。每个段的起始单元地址被称为段的首地址,由20位2进制数表示，它是一个能被16整除的数；段的首地址的高16位地址被称为段的基地址，简