微机原理与接口技术17

1第2章微型计算机基础微机原理与接口技术西南交通大学2主要内容：微型机的构成及工作原理8088/8086CPU的结构及工作原理系统总线微机原理与接口技术西南交通大学3§2.1微型机的基本结构掌握：微机系统的基本组成微型机的工作原理微机8088的存储器组织微机原理与接口技术西南交通大学4一、微型计算机系统组成微型计算机系统的三个层次微处理器(Microprocessor)微型计算机(Microcomputer)微型计算机系统(MicrocomputerSystem)微机原理与接口技术西南交通大学5微型计算机系统的三个层次微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件微机原理与接口技术西南交通大学6核心级——微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器ALU：完成各种运算；控制器CU：控制中心寄存器组：专用和通用寄存器。CPU实现了运算功能和控制功能，每种CPU有其特有的指令系统。微机原理与接口技术西南交通大学7硬件系统级——微型计算机以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。微机原理与接口技术西南交通大学8系统级以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。微机原理与接口技术西南交通大学9一、微型计算机的基本结构微处理器（CPU）存储器输入/输出接口总线1.微型计算机的硬件系统微机原理与接口技术西南交通大学10微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus微机原理与接口技术西南交通大学11主机硬件系统——CPU计算机的控制中心，提供运算、判断能力构成：ALU、CU、Registers（图2-3）例：Intel8088/8086、PIII、P4、Celeron等AMD（Athlon、Duron等）CPU的位数：4位、8位、16位、32位、64位是指一次能处理的数据的位数微机原理与接口技术西南交通大学12主机硬件系统——存储器存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像…）内存：ROM、RAM特点：随机存取，速度快，容量小外存：硬盘、光盘、U盘等特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大微机原理与接口技术西南交通大学13•有关内存储器的几个概念内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类微机原理与接口技术西南交通大学14内存单元的地址和内容内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。1011011038F04H内存单元地址内存单元内容......Bit7654321001011000*内存单元有时又称为地址单元微机原理与接口技术西南交通大学15内存容量即内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别内存容量：实际配置的内存大小。例：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，其内存容量为256MB内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。微机原理与接口技术西南交通大学16内存操作读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；内存的读写的步骤为：CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上若是写操作，CPU紧接着把要写入的数据放到DB上，CPU发出读写命令，数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB；若是读操作，CPU紧接着从DB上取回数据微机原理与接口技术西南交通大学17内存储器的分类随机存取存储器（RAM）可读可写易失性，临时存放程序和数据只读存储器（ROM）工作时只能读非易失性，永久或半永久性存放信息微机原理与接口技术西南交通大学18主机硬件系统——输入/输出接口简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口外设微机原理与接口技术西南交通大学19接口的功能提供驱动外设的电压或电流；匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等；缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息；DMA控制和中断控制。微机原理与接口技术西南交通大学20主机硬件系统——总线BUS连接多个功能部件的一组公共信号线地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围（内存空间）。CPU的寻址范围=2n，n-地址线根数数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。控制总线CB：用来传送各种控制信号。微机原理与接口技术西南交通大学212.微型计算机的软件系统软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件应用软件操作系统系统实用程序软件微机原理与接口技术西南交通大学223.微型计算机的物理结构CPU北桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE、SATA)FDDUSBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡外设总线扩展槽微机原理与接口技术西南交通大学23微型计算机的物理结构微机原理与接口技术西南交通大学24INTEL芯片组主板微机原理与接口技术西南交通大学25主板的主要硬件构成CPU插座芯片组（南北桥/HUB）内存插槽高速缓存（现已集成到CPU内部）系统BIOS，硬件控制CMOS，存放硬件配置参数总线扩展槽，PCI、ISA串行、并行接口软/硬盘、光驱插座微机原理与接口技术西南交通大学26芯片组CPU的外围控制芯片，通常为2片两种架构：南北桥、HUB（加速中心）南北桥北桥——提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接南桥——提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等例如：Intel440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS645等HUBGMCH——AGP接口、存储器通道ICH——PCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口FWH——系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器例如：Intel810、Intel815、Intel845等微机原理与接口技术西南交通大学27二、计算机的工作过程存储程序计算机—又称为冯•诺依曼型计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为1～4字节）数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行指令驱动微机原理与接口技术西南交通大学28机器指令：基本操作命令特点：电子线路实现不同的计算机有不同的指令系统（包括机器指令及其使用规则）微机原理与接口技术西南交通大学29存储程序计算机的工作原理控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。控制命令数据流运算器输出设备控制器输入设备存储器指令流微机原理与接口技术西南交通大学30程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码操作数执行1、CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？2、CPU如何按程序控制流执行指令？3、CPU如何知道从哪里取操作数？微机原理与接口技术西南交通大学31例：计算5+8（p35）汇编语言程序对应的机器指令对应的操作------------------------------------------------------------------------MOVAL,510110000将立即数1传送到累加寄存器AL中00000101ADDAL,800000100计算两个数的和，结果存放到AL中00001000HLT11110100停机指令执行过程见下页图微机原理与接口技术西南交通大学32指令执行过程(取指/译码/执行)②输出指令地址锁存地址②累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址总线+1③地址译码器读写控制电路④输出地址10110000⑦锁存指令锁存数据⑥置初值①读写命令⑤⑧指令译码锁存输出地址寄存器AR微机原理与接口技术西南交通大学33注意：指令包括操作码和操作数每条指令包括取指令和执行指令；取指阶段时间相同，执行阶段时间不同；内存单元地址与内容的区别；微机原理与接口技术西南交通大学34§2.28088微处理器主要内容：8088CPU外部引线及功能；8088CPU的内部结构和特点；各内部寄存器的功能；8088的工作时序。微机原理与接口技术西南交通大学35一、概述8088、8086基本类似16位CPU、AB宽度20位差别：指令预取队列：8088为4字节，8086为6字节数据总线引脚：8088有8根，8086有16根8088为准16位CPU，内部DB为16位，但外部仅为8位，16位数据要分两次传送本课程主要介绍8088（IBMPC采用）微机原理与接口技术西南交通大学36指令预取队列(IPQ)取指令指令译码读取操作数执行指令存放结果微机原理与接口技术西南交通大学37串行工作方式：8088以前的CPU采用串行工作方式：1）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成2）CPU执行指令时总线处于空闲状态缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到取指令1执行1取操作数2执行2CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌存结果1取指令2微机原理与接口技术西南交通大学38并行工作方式：8088CPU采用并行工作方式取指令2取操作数BIU存结果取指令3取操作数取指令4执行1执行2执行3EUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌微机原理与接口技术西南交通大学398088的流水线操作8088CPU包括两大部分：EU和BIUBIU不断地从存储器取指令送入IPQ，EU不断地从IPQ取出指令执行EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（类似于工厂流水线的传送带）新型CPU将一条指令划分成更多的阶段，以便可以同时执行更多的指令例如，PIII为14个阶段，P4为20个阶段(超级流水线)微机原理与接口技术西南交通大学40结论指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作，从而带来了以下两个好处：提高了CPU的效率降低了对存储器存取速度的要求微机原理与接口技术西南交通大学418088/8086CPU的特点采用并行流水线工作方式对内存空间实行分段管理：每段大小为16B～64KB用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址设置地址段寄存器指示段的首地址支持多处理器系统；片内无浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（或用软件模拟）注：80486DX以后的CPU已将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部微机原理与接口技术西南交通大学428088CPU的两种工作模式8088可工作于两种模式：最小模式和最大模式