第1章 微机的基础知识

《计算机原理及应用》主讲教师刘瑶2020/2/3第一章微型计算机的基础知识2教材1、《微型计算机原理及应用》——许立梓等主编，机械工业出版社2、80x86IBMPC及兼容计算机（卷I和卷II)汇编语言，设计与接口技术——清华大学出版社（原版影印教材）2020/2/3第一章微型计算机的基础知识3第一章微型计算机的基础知识主要介绍微型计算机的发展，基本组成原理以及运算基础。一、微型计算机系统的概论二、数制及转换三、计算机中的数及编码四、计算机中数的运算方法作业2020/2/3第一章微型计算机的基础知识4一、微型计算机系统的概论1、微处理器2、微型计算机3、微型计算机系统4、微型计算机系统的主要技术指标5、微型计算机的应用概况2020/2/3第一章微型计算机的基础知识5一般指的是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的中央处理部件。（CentralProcessingUnit，俗称CPU）①基本组成：算术逻辑单元、控制器、寄存器组②发展简况(MPC)P1、微处理器（Microprocessor）—2020/2/3第一章微型计算机的基础知识6微处理器发展简况由上个世纪70年代发展至今，经历了五代，它的划分是以其数据总线的宽度为标志的。①1971年，4位微处理器，典型产品是Intel4004；1972年，8位微处理器，典型产品是Intel8008；时钟频率0.5～0.8Mhz，其集成度是30000个晶体管/片。②1974年，8位微处理器，典型产品是Intel8080/8085、MC6800、Z80；时钟频率2～8MHz，其集成度是9000晶体管/片。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识7微处理器发展简况（接上页）③1978年，16位微处理器，典型产品是Intel8086/8088，MC68000，Z8000；1982年，Intel80286（13万）。时钟频率5～16Mhz，集成度为29000个晶体管/片。④1985，32位微处理器，典型产品Intel80386,Intel80486（120万），Z80000，MC68020；时钟频率16～33Mhz,集成度为27.5万个晶体管/片。⑤1992年以来,，64位微处理器，PentiumPro（高能奔腾），PentiumⅣ；时钟频率达150~1000Mhz,其集成度为2100万个晶体管/片。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识82、微型计算机（Microcomputer）—微型计算机是指以微处理器为基础，配以内存(内存储器）和输入/输出接口电路。（裸机）CCP微型计算机内存储器微处理器输入/输出接口2020/2/3第一章微型计算机的基础知识92、微型计算机（Microcomputer）—典型的微机硬件系统，CPU通过三组总线将内存储器、I/O接口连接起来。微型计算机的组成图：C微处理器CPU内存I/O接口I/O设备数据总线控制总线地址总线2020/2/3第一章微型计算机的基础知识103、微型计算机系统(MicrocomputerSystem)—微型计算机系统是指由微型计算机配以相应的外部设备（如打印机、显示器、键盘，硬盘、光盘等）、一些专用电路、电源和相关的软件。（1）微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系（2）微型计算机系统类型CS2020/2/3第一章微型计算机的基础知识11微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系控制器算术逻辑单元寄存器组内存储器输入/输出接口输入/输出设备和外存储器系统软件应用软件电源PCCS2020/2/3第一章微型计算机的基础知识12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2020/2/3第一章微型计算机的基础知识13微型计算机系统类型①单片机——又称“微控制器（Microcontroller）”和“嵌入式计算机”。它是把构成微型计算机的所有部件集成在一块芯片上。其体积小，功耗低，在智能化仪表及控制领域应用极广；②单板机——这是将构成微型计算机的一些功能部件安装在一块印刷电路板上。用于生产过程的实时控制和教学实验平台；③个人计算机——这是一种通用的微型计算机系统，广泛用于办公室和家庭、个人使用。个人计算机在商业、家庭、科学、工业和教学领域都得到广泛的应用。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识14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。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识15典型的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。微处理器CPU内存I/O接口I/O设备数据总线控制总线地址总线2020/2/3第一章微型计算机的基础知识16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。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识17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2020/2/3第一章微型计算机的基础知识18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2020/2/3第一章微型计算机的基础知识19由运算器、控制器、内部寄存器阵列三部分组成。微处理器内部结构ALUO21ARAPCARDRFIRIDPLARAMDBAB内部DBCPU取指控制执指控制2020/2/3第一章微型计算机的基础知识20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。运算器2020/2/3第一章微型计算机的基础知识21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。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识22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2020/2/3第一章微型计算机的基础知识23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。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识24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，可按不同条件决定程序的流向。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识25内部寄存器5.地址寄存器AR（AddressRegister）存放正要取出的指令的地址或操作数的地址，根据此地址从M中取出指令。取指令时：将PC中存放的指令地址送至AR，根据此地址从M中取出指令；取操作数时：将操作数地址通过内部DB送到AR，再根据此地址从M中取出操作数；向存储器存入数据时：首先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向M写入数据。6.寄存器阵列RA（RegisterArray）若干通用寄存器和专用寄存器。其设置和微处理器型号有关2020/2/3第一章微型计算机的基础知识26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。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识27存储器概述基本概念存储器是微机的存储和记忆部件，用来存放程序和数据（包括原始数据、中间结果和最终结果）。在计算机内部，程序和数据都是用0、1二进制代码的形式来表示的。每一个0或1就叫做1位信息。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识28存储器概述基本概念字节（byte）:8位二进制代码为1个字节。字（word）：2个字节组成1个字，表示16位数据。字长：计量处理二进制代码位长的单位，表示计算机数据总线上1次能够处理的信息的位数。如：8位机，16位机，32位机等内存（主存）：内存划分为很多个存储单元（称内存单元）。每个存储单元存放1个字节的二进制信息，表示数据或指令。存储容量：存储单元的总数目，取决于地址线的根数。地址：赋予每个存储单元1个编号，通常用16进制数表示。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识29存储器概述存储器组成假定存储器由256个单元组成，每个单元存储8位二进制信息。即2568位的读/写存储器。地址译码器00单元01单元02单元03单元EE单元EF单元00010203FEFF往返于CPU8位DB来自于CPU的地址8位AB8位控制电路从CPU来的读/写信号随机存取存储器存储体2020/2/3第一章微型计算机的基础知识30存储器概述存储器组成控制电路：控制存储器的读/写操作过程。随机存取：所有存储单元均可随机被访问，既可以读出也可以写入信息。存储体：若有8根地址线，存储容量为个单元。地址编号00H~FFH（00000000~11111111）25628地址译码器：接受来自AB送来的地址码。经译码器译码。选中相应的某个存储单元。从中读出信息或写入信息。随机存取存储器由存储体、地址译码器、控制电路组成。2020/2/3第一章微型计算机的基础知识31存储器概述读操作过程（非破坏性读出nondestructivereadout,NDRO）①CPU的AR先将地址04H放到AB上，经地址译码器译码选中04H单元；②CPU发出“读”信号给M，指示它准备把被寻址的04H单元中的内容97H放