微型計算機原理1課件

1、西安郵電學院計算機系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室2009.8微機原理與匯編語言教材及參考書微型計算機原理王忠民 王鈺 王曉婕 編著微型計算機原理學習與實驗指導 王鈺 王勁松 刑高峰 編著第1章 微型計算機系統(tǒng)導論主要內(nèi)容:引言計算機的發(fā)展概況微型計算機硬件系統(tǒng)微型計算機軟件系統(tǒng)微型計算機的工作過程1.1 引言1. 什么是計算機？計算機是一種 設備（機器） 由各種電子器件組成的設備（故也稱為電子計算機）能夠自動、高速、精確地進行算術運算、邏輯控制和信息處理的設備現(xiàn)代化的高科技設備 2. 計算機的應用范圍 概括起來說，計算機主要用于科學計算、信息（數(shù)據(jù)）處理和過程控制等領域?？茖W計算數(shù)據(jù)處理過程控制求解數(shù)學難題

2、天文物理上天體性質(zhì)計算人口統(tǒng)計破譯密碼彈道計算天氣預報家用電器（洗衣機，電冰箱）自控車床化工廠、鋼鐵廠過程控制 科學計算特點： 采用高級語言編程； 時間不會影響結(jié)果的有效性； 不需要專門的輸入輸出設備。 信息處理和過程控制特點： 采用高級語言和匯編語言編程，并 要求有較高的程序設計能力； 對系統(tǒng)的實時性要求很高； 需要專門的輸入和輸出設備。1.2 計算機的發(fā)展概況 1. 計算機的發(fā)展 計算機的發(fā)展依賴于電子技術，特別是微電子技術的發(fā)展。 (1) 計算機從誕生至今已經(jīng)歷了四代，現(xiàn)在正在開發(fā)第五代： 電子管計算機 晶體管計算機 集成電路計算機 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機機械計算機1623年：德

3、國科學家契克卡德制造了人類有史以來第一臺機械計算機，這臺機器能夠進行六位數(shù)的加減乘除運算。 電子管計算機1943年：綽號為“巨人”的用來破譯德軍密碼的計算機在英國布雷契萊莊園制造成功，此后又制造多臺，為第二次世界大戰(zhàn)的勝利立下了汗馬功勞。 電子管計算機1946年：美國賓西法尼亞大學：教授莫契利和?？颂毓餐兄瞥晒α薊NIAC計算機。 晶體管計算機貝爾實驗室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺晶體管計算機TRADIC。 集成電路計算機1965年：DEC公司推出了PDP-8型計算機，標志著小型機時代的到來。 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機1971年：INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能夠?qū)嶋H工

4、作的微處理器4004，該處理器在面積約12平方毫米的芯片上集成了2250個晶體管，運算能力足以超過ENIAC。 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機1974年：Intel推出了自己的第一款8位微處理芯片8080。電腦愛好者愛德華羅伯茨發(fā)布了自己制作的裝配有8080處理器的計算機“牛郎星”，這也是世界上第一臺裝配有微處理器的計算機，從此掀開了個人電腦的序幕。 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機1989年：英特爾公司在拉斯維加斯電腦大展上首度發(fā)表集成有120萬晶體管的486處理器。 現(xiàn)在的計算機屬于第四代計算機：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機。未來的計算機。有思考能力的計算機

5、非馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機生物計算機2. 計算機的發(fā)展趨勢朝兩個方向： 巨型機:每秒上億次(容量大，速度快) 微型機:臺式機、筆記本機、單板機、單片機、掌上機等（易普及，應用廣）3. 微型計算機是由微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口電路組成的計算機。其核心是微處理器，也稱CPU。它的發(fā)展幾乎每兩年翻一番。目前已經(jīng)到了第五代： 4位或低檔8位微處理器 Intel 4004或8008CPU 中高檔8位微處理器 Intel 8080 CPU 16位高檔微處理器 Intel 8086、80286 32位高檔微處理器 Intel 80386、80486 64位高檔微處理器 Intel 80586(Pe

6、ntium)、Power PC1.3 微型計算機硬件系統(tǒng) 微型計算機是指以微處理器為核心，配上存儲器、輸入/輸出接口電路等所組成的計算機，又稱為主機。運算器（ALU）控制器（CU）寄存器陣列（RA）RAM、ROM、EPROME2PROM、Cache等輸入設備（鍵盤、鼠標等）輸出設備（顯示器、打印機等）外存儲器（軟驅(qū)、硬盤、光盤等）系統(tǒng)軟件用戶軟件 (應用軟件)主機外圍設備硬件軟件微型計算機系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)接口電路內(nèi)存儲器微處理器（CPU）圖1.1 微型計算機系統(tǒng)的組成 微型計算機系統(tǒng)是指以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備、電源和輔助電路以及指揮計算機工作的系統(tǒng)軟件所構(gòu)成的系統(tǒng)。1.

7、3.1 基于總線的微型計算機硬件系統(tǒng)到目前為止，計算機仍沿用1940年由馮諾依曼首先提出的體系結(jié)構(gòu)。其基本設計思想為： 以二進制形式表示指令和數(shù)據(jù)。(電子數(shù)字計算機) 程序和數(shù)據(jù)事先存放在存儲器中，計算機在工作時能夠自動地、高速地從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。 由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部件組成計算機系統(tǒng)。簡單地講，就是： 系統(tǒng)組成五大部件 工作方式程序控制 信息形式二進制數(shù)微型計算機體系結(jié)構(gòu)的特點之一是采用了總線結(jié)構(gòu)，通過總線將微處理器、存儲器、I/O接口電路連接起來，而輸入/輸出設備則是通過I/O接口實現(xiàn)微機的信息交換，如圖1.3所示。輸出設備輸入設備定時電路(CP

8、U)RAMROMI/O接口地址總線(AB)數(shù)據(jù)總線(DB)控制總線(CB)圖1.3 微型計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微處理器所謂總線，是計算機中各功能部件間傳遞信息的公共通道。根據(jù)所傳送的信息類型不同，總線分為三種： 地址總線 AD（Address Bus）：單向，由CPU發(fā)出到存儲器或I/O端口。 數(shù)據(jù)總線 DB（Data Bus）： 雙向，由CPU送出或送往CPU。 控制總線 CB（Control Bus）： 整體雙向，個體單向，傳送方向固定。1.3.2 微處理器微處理器由運算器(ALU)、控制器(CU)、和寄存器陣列(RA)三部分組成，如圖1.4所示。圖1.4 微處理器結(jié)構(gòu)PCRAARDRIRID

9、PLA標志寄存器A至外部CB微處理器（CPU）內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H地址單元內(nèi)容外部AB外部DBALU 1. 運算器 運算器又稱算術邏輯單元(ALU，Arithmetic Logic Unit)，用來進行算術或邏輯運算以及多位循環(huán)等操作。2. 控制器 控制器又稱控制單元(CU，Control Unit)，是全機的指揮控制中心。它負責把指令逐條從存儲器中取出，經(jīng)譯碼分析后向全機發(fā)出取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。它應包括： 指令寄存器IR(Instruction Register)：用來存放從存

10、儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼。 指令譯碼器ID(Instruction Decoder)：用來對指令寄存器IR中的指令操作碼字段(指令中用來說明指令功能的字段)進行譯碼，以確定該指令應執(zhí)行什么操作。 可編程邏輯陣列PLA(Programmable Logic Array)：用來產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種微操作控制信號，并經(jīng)過控制總線CB送往有關部件，從而使計算機完成相應的操作。 3. 內(nèi)部寄存器 寄存器陣列RA(Register Array)實際上相當于微處理器內(nèi)部的RAM。微處理器內(nèi)部的寄存器有以下作用： 可避免頻繁訪問存儲器 縮短指令長度和指令執(zhí)行時間 提高機器的運行速度 方便程序設計

11、 雖然不同計算機的CPU中其RA會有所不同，但一般至少要有以下幾個寄存器。 程序計數(shù)器PC(Program Counter)：程序計數(shù)器有時也被稱為指令指針I(yè)P(Instruction Pointer)。它被用來存放下一條要執(zhí)行指令所在存儲單元的地址。 地址寄存器AR(Address Register)：地址寄存器用來存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址。 數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(Data Register)：數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時存放指令或數(shù)據(jù)。 指令寄存器IR(Instruction Register)：指令寄存器用來保存從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器對其操作碼字段進行譯碼，

12、產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的微操作命令。 累加器A(Accumulator)：累加器是使用最頻繁的一種寄存器。在執(zhí)行算術邏輯運算時，它用來存放一個操作數(shù)，而運算結(jié)果通常又放回累加器，其中原有信息隨即被破壞。因此，顧名思義，累加器是用來暫時存放ALU運算結(jié)果的。 標志寄存器FLAGS(Flag Register)：標志寄存器有時也稱為程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word)。它用來存放執(zhí)行算術運算指令、邏輯運算指令或測試指令后建立的各種狀態(tài)信息以及對CPU操作進行控制的控制信息。1.3.3 存儲器 這里講的存儲器是指內(nèi)存儲器(由稱為主存或內(nèi)存)。它是微型計算機的存儲裝置和記憶裝置，用來

13、存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果。1. 基本概念 位：二進制信息的最小單位。 字節(jié)：由8位二進制數(shù)組成,可以存放在一個存儲單元中。字節(jié)是字的基本組成單位。 字：計算機中作為一個整體來處理和運算的一組二進制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù)倍。 字長：每個字包括的位數(shù)稱為計算機的字長。 存儲單元地址：每個存儲單元的編號稱為存儲單元地址。 存儲容量：內(nèi)存中存儲單元的總數(shù)。2. 內(nèi)存的操作CPU對內(nèi)存的操作有兩種：讀或?qū)憽?讀操作：是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入CPU內(nèi)部。（非破壞性操作） 寫操作：是CPU將其內(nèi)部信息送到內(nèi)存單元保存起來。（破壞性操作）操作過程： CPU給出地址信息（地址信息ARAB譯碼選中存儲

14、單元） CPU發(fā)“讀”或“寫”控制信號 取出或存入數(shù)據(jù)來自CPU的寫信號來自CPU的讀信號00H 取出：內(nèi)存單元數(shù)據(jù)DBDRCPU內(nèi)部； 存入：CPU內(nèi)部DRDB內(nèi)存單元數(shù)據(jù)。 10101101B00011010B10111010B00100010B01H90HFFHABDB10010000B10111010B地址內(nèi)容地址譯碼器00H10101101B00011010B00000000B00100010B01H90HFFHABDB10010000B00000000B地址內(nèi)容地址譯碼器存儲器讀操作存儲器寫操作 3. 存儲器的分類按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類：隨機讀寫存儲器和只讀存儲器。 隨機讀寫

15、存儲器RAM（Random Access Memory）作用：存放用戶程序,數(shù)據(jù),部分系統(tǒng)程序。特點：可隨機讀寫,但斷電后,內(nèi)容丟失。 只讀存儲器ROM（Read Only Memory）作用：存放永久性的程序和數(shù)據(jù),系統(tǒng)引導程序,監(jiān)控程序及操作系統(tǒng)中的I/O管理程序等。特點：只能讀不能寫,但斷電后內(nèi)容不丟。1.3.4 I/O接口與輸入輸出設備 I/O接口是微機與輸入輸出設備之間信息交換的橋梁。不同的外設必須通過不同的I/O接口才能與微機相連。 1. 常用的外設有： 輸入設備：鍵盤,鼠標,掃描儀,光驅(qū)等。 輸出設備：顯示器,打印機,繪圖儀等。 2. 外設的種類有：機械式、電子式、機電式、光電式

16、等。（速度問題） 3. 外設的信號有：數(shù)字量、模擬量、開關量等。（信號問題） 4.計算機是電子設備，采用的是數(shù)字信號。 因此，要解決計算機和外設之間的速度和信號之間的問題，就需要在它們之間有一種設備來實現(xiàn)速度匹配和信號變換，這就是I/O接口電路。 接口的作用：解決計算機和外設之間速度匹配和信號變換的問題。1.4 微型計算機軟件系統(tǒng)所謂軟件，就是為了管理、維護計算機以及為完成用戶的某種特定任務而編寫的各種程序的總和。軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶軟件。用戶軟件：也稱應用軟件。是指用戶為解決各種實際問題而編寫的程序。系統(tǒng)軟件：是指不需要用戶干預，為其它程序的開發(fā)、調(diào)試以及運行等建立一個良好環(huán)境的程序。系

17、統(tǒng)軟件又包括操作系統(tǒng)OS(Operating System)和系統(tǒng)應用程序。操作系統(tǒng)：用于提供人機接口和管理、調(diào)度計算機的所有硬件和軟件資源。其中最為重要的核心部分是常駐監(jiān)控程序(BIOS)。另外還包括I/O驅(qū)動程序和文件管理程序等。系統(tǒng)應用程序：為用戶程序提供支持的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)應用程序很多，如： 各種高級語言的編譯解釋程序； 匯編程序； 診斷和和調(diào)試程序； 文字處理程序； 服務性工具程序； 數(shù)據(jù)庫管理程序等。1.5 微型計算機的工作過程微型計算機的工作就是運行程序，通過逐條地從存儲器中取出指令并執(zhí)行指令規(guī)定的操作來實現(xiàn)某種特定的功能，因此，軟件是微型計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分。表1.1

18、完成“6+5”操作的機器語言程序和匯編語言程序內(nèi)存單元地址 機器語言程序 匯編語言程序 指令功能說明00H01H1011000100000110 MOV A,06H 雙字節(jié)指令。將數(shù)字6送累加器A02H03H0000100000000101 ADD A,05H 雙字節(jié)指令。將數(shù)字5與累加器A中的內(nèi)容相加，結(jié)果存放在累加器A中04H11111110 HLT 停機指令 表1.1為在模型機（8位機）上完成“6+5”操作所需的機器語言程序和匯編語言程序已由輸入設備存放到內(nèi)存中，如圖1.5所示。下面進一步說明微機內(nèi)部執(zhí)行該程序的具體操作過程。 開始執(zhí)行程序時，首先將第一條指令的首地址0000H送程序計數(shù)器PC，然后就進入第一條指令的取指階段，其操作過程如圖1.5所示。接著進入第一條指令的執(zhí)行階段，如圖1.6所示。對圖示操作過程的詳細說明參考教材P11和P12。圖1.5 取第一條指令的操作過程示意圖00000000RA000000001011000110110001IDPLA標志寄存器A至外部CB微處理器（CPU）內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DB00H1011000101H0000011002H0000100003H0000010104H11111110地址單元內(nèi)容外部AB外部DBALUPC+1CPU發(fā)出讀命令存儲器PCARDRIR圖