第一章 微型計算機系統(tǒng)概述

第一章微型計算機系統(tǒng)概述第1頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月微機

原理

接口

技術(shù)

匯編語言典型機型：IBMPC系列機基本系統(tǒng)：8088CPU和半導體存儲器I/O接口電路及與外設(shè)的連接硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法匯編語言程序設(shè)計建立必備軟件基礎(chǔ)，掌握指令系統(tǒng)、程序格式2第2頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月和其他課程的區(qū)別計算機組成原理（計算機組成結(jié)構(gòu)）討論計算機基本部件的構(gòu)成和組成方式，基本運算的操作原理和單元的設(shè)計思想、操作方式及其實現(xiàn)方法和電路原理內(nèi)部各單元的工作原理和實現(xiàn)方法（芯片內(nèi)）微機原理與匯編語言程序設(shè)計突出應(yīng)用，詳細講述微處理器芯片的指令系統(tǒng)及編程、CPU外部特性、微機主板，與通用外設(shè)的接口電路及應(yīng)用編程側(cè)重匯編語言編程及接口技術(shù)計算機體系結(jié)構(gòu)論述計算機系統(tǒng)的各種基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計技術(shù)和性能定量分析方法側(cè)重整個系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)（芯片組合）3第3頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月課程主要環(huán)節(jié)講課匯編語言、存儲系統(tǒng)、接口（56學時）軟件編程基于匯編語言的程序設(shè)計（8學時）硬件設(shè)計基于偉福系統(tǒng)的硬件設(shè)計（8學時)考試成績構(gòu)成：卷面+實驗+平時4第4頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章微型計算機系統(tǒng)概述 華北電力大學計算機系 劉麗第5頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容微型計算機的發(fā)展和應(yīng)用微型計算機系統(tǒng)的組成IBMPC系列機系統(tǒng)主板組成和存儲空間的分配計算機中的數(shù)據(jù)表示6第6頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1微型計算機的發(fā)展和應(yīng)用ENIAC:1946,電子管實現(xiàn)，編程通過插線進行，采用字長10位的十進制計數(shù)方式，每秒進行5000次加法運算，最初用于軍方武器彈道表編制，后用于各類科學計算7第7頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月電子計算機的發(fā)展史第一代（1946－1957）電子管為邏輯部件超聲波汞延遲線、陰極射線管、磁芯和磁鼓等為存儲手段軟件上采用機器語言，后期采用匯編語言例如馮諾伊曼等人研制的存儲程序計算機ISA(Instituteofadvancestudy)電子管：在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流傳導，以獲得信號放大或振蕩的電子器件8第8頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月汞延遲線、陰極射線管、磁芯磁芯：由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結(jié)磁性金屬氧化物。磁芯有各種各樣的形狀9第9頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月磁鼓磁鼓是利用鋁鼓筒表面涂覆的磁性材料來存儲數(shù)據(jù)的磁鼓松下磁鼓10第10頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IAS（InstituteofAdvanceStudy，即高等研究院）計算機

諾伊曼與IAS計算機合影11第11頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月電子計算機的發(fā)展史第二代（1957－1965）晶體管為邏輯部件磁芯、磁盤做內(nèi)存和外存軟件上廣泛采用高級語言（如FORTRAN、ALGOL-60、COBOL），并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)代表計算機是IBM公司的IBM-7094機和CDC公司的CDC1604機

晶體管：固體半導體器件，可以用于放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其他功能12第12頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月TheIBM7094computerintheColumbiaUniversityComputerCentermachineroomsometimebetween1964and1968,operatorJohnSzallasiattheconsoleTheIBM709xseriesarethe36-bitmachinesonwhichLISPwasdevelop。ThisisthemachinethatinspiredDEC'sfirst36-bitmachine,thePDP-6,whichwasfollowedbythePDP-10andDEC-20.IBM-7094CDC160413第13頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月電子計算機的發(fā)展史第三代（1965－1971）中小規(guī)模集成電路為主要部件磁芯、半導體存儲器和磁盤為內(nèi)存、外存軟件上廣泛使用操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了分時、實時等操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)代表性的計算機如IBM-360計算機系列。(1964April)IBMannouncestheSystem/360computer.ThiswasthemostexpensiveandriskiestundertakingbyIBMsinceitsinception.Theterm"360"waschosentoemphasizethecomputer'sversatilenature,coveringa360degreesradiusofbusinessapplications.BobO.Evans,whowasinchargeofplanninganddevelopmentinIBM'sDataSystemsDivision,chairedacommitteetodevelopIBM'slongrangecomputersystemsstrategy.ThecommitteemadeitsrecommendationsinJanuary1962,whichincludedtheconceptoftheSystem/360.Over1,000computerswereorderedwithinthefirst30days.

14第14頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月集成電路15第15頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月電子計算機的發(fā)展史第四代（1971－至今）大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）為主要部件半導體存儲器和磁盤為內(nèi)存、外存軟件上產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想近年來通用微處理器、面向控制和數(shù)字信號處理的專用微處理器、片上系統(tǒng)（SystemonChip，SOC）、專用集成電路芯片（Application-specificIntegratedCircuit,ASIC），大規(guī)模現(xiàn)場可編程芯片（Field-ProgrammableGateArray/ComplexProgrammableLogicDevice,FPGA/CPLD）等飛速發(fā)展16第16頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.1微型計算機的發(fā)展微型計算機的定義：以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計算機主要部件——控制器和運算器的微處理器為核心，所構(gòu)造出的計算機系統(tǒng)發(fā)展史：以字長和典型的微處理芯片作為各階段的標志17第17頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第1代：4位和低檔8位微機，4004→4040→80081971年Intel為日本廠商設(shè)計，4位，2300個晶體管/片，每秒6萬次運算4004的改進inte，PMOS工藝，8位，3500晶體管/片，MCS-8微型計算機18第18頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第2代：中高檔8位微機8080,NMOS工藝，字長8位，基本指令70多條，6000晶體管/片The6800wasMotorola'sfirstmicroprocessor.The6800wasintroducedtodirectlycompetewithIntel’s8080.MuchofthedesignwasbasedonIntel’s8008.The6800hadaverysimilararchitecturetothe8080withsomedifferencesattheregisterlevel.Forexample,the6800hadtwoaccumulatorswhilethe8080hadone.中檔機：M6800、Intel的8080，高檔機：Zilog的Z80、Intel的8085，Rockwell公司的650219第19頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月中高檔8位微機8080808520第20頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月中高檔8位微機z80和TRS80TRS-80（采用Z80微處理器）、Apple-II（蘋果機，采用6502微處理器）、廣泛用于工控場合的Intel的8位單片機

（如MCS－48和MCS－51系列TRS-80z8021第21頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第3代：各公司推出一批16位微機芯片intel:8086→8088→80286motorola:M68000Zilog:Z800022第22頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月8086/8088的核心23第23頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第3代：各公司推出一批16位微機芯片著名的微機有：IBMPC系列機，包括PC、PC/XT和PC/AT三個具體型號Apple公司推出的MACintosh

機（CPU為M68000），用于出版印刷領(lǐng)域24第24頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月16位微機芯片

MACintosh機M6800025第25頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第3代：各公司推出一批16位微機芯片PC機可能包含的三層含義：泛指面向個人應(yīng)用的微型計算機泛指采用X86指令體系的16/32位微型計算機，以區(qū)別于Apple公司的MAC機IBM開發(fā)的包括IBMPC/XT/AT等三款機型的PC系列機26第26頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IBMPC系列機的發(fā)展軌跡IBMPC機Intel在其8086微處理器基礎(chǔ)上推出其簡化版本8088，IBM在1981年用8088做CPU，開發(fā)了最早的IBMPC機微軟給IBMPC機編制DOS磁盤操作系統(tǒng)IBMPC/XT（ExpandedTechnology）1982，IBM擴充了IBMPC的內(nèi)存，發(fā)展為IBMPC/XT（ExpandedTechnology），IBMPC機采用了技術(shù)開放策略，其他公司可圍繞他研制配套產(chǎn)品IBMPC/AT（AdvancedTechnology）1984，Intel推出16位微處理器80286，IBM以此為核心推出，提高PC的總體性能。27第27頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第4代（1985年～）：32位微機Intel的芯片：80386→80486→Pentium和MMXPentium→PentiumPro

、PentiumII/Celeron/Xeon

→PentiumIII/CeleronII/Xeon→Pentium4AMD的芯片：K5

→K6→Duron→Athlon這一時期Intel和AMD的微處理器均為IA-32（IntelArchitectrue-32）指令架構(gòu)，并增加了面向多媒體和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的擴展指令微型計算機：以IBMPC/AT機為基本結(jié)構(gòu)的32位PC機、Apple的32位MAC機，IBM的PS/2機（CPU為80386）

28第28頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機Intel80386微處理器Intel80486微處理器29第29頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機Intel奔騰(Pentium)微處理30第30頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機多能奔騰(PentiumMMX)的正式名稱就是“帶有MMX技術(shù)的Pentium”MMX（MultiMediaExtensions，多媒體擴展指令集）是英特爾于1996年發(fā)明的一項多媒體指令增強技術(shù)，包括57條多媒體指令，這些指令可以一次處理多個數(shù)據(jù)，MMX技術(shù)在軟件的配合下，就可以得到更好的性能。31第31頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機1995年秋天，英特爾發(fā)布了Pentium

Pro處理器（高能奔騰）。Pentium

PRO是英特爾首個專門為32位服務(wù)器、工作站設(shè)計的處理器，可以應(yīng)用在高速輔助設(shè)計、機械引擎、科學計算等領(lǐng)域。英特爾在Pentium

PRO的設(shè)計與制造上又達到了新的高度，總共集成了550萬個晶體管，并且整合了高速二級緩存芯片。32第32頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機33第33頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機

賽揚34第34頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機IntelPentiumⅢ微處理器35第35頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機xeon至強36第36頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月32位機IntelPentium4微處理器37第37頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月AMD芯片K5→K6→Duron→Athlon38第38頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第5代（2000年～）：64位微機芯片：Intel的Itanium，采用Intel和HP公司共同定義的指令架構(gòu)IA-64（顯式并行指令計算），區(qū)別于IA-32AMD的Athlon64，沿用了X86指令體系微型計算機：主要面向服務(wù)器和工作站等高端應(yīng)用，目前臺式機為64位的摩爾定律新的集成電路芯片其集成密度每18-24個月就會翻一番39第39頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月貝爾實驗室（BellLaboratories）1925年，當時AT&T總裁華特·基佛德（WalterGifford）收購了西方電子（WesternElectric）公司的研究部門，成立了一個叫做“貝爾電話實驗室公司”的獨立實體。AT&T和西方電子各擁有該公司的50%貝爾實驗室的工作可以大致分為三個類別：基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)工程和應(yīng)用開發(fā)40第40頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月貝爾實驗室重要發(fā)明表

41第41頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司fairchildsemiconductor威廉·布拉德福德·肖克利（WilliamBradfordShockley，1910－1989）英國出生的美國物理學家和發(fā)明家，獲得90多項專利和約翰·巴丁、沃爾特·豪澤·布喇頓共同發(fā)明了晶體管,因此獲得1956年的諾貝爾物理獎1955年，離開貝爾實驗室，在加州創(chuàng)立了“肖克利實驗室股份有限公司”，聘用了很多年輕優(yōu)秀的人才42第42頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司羅伯特·諾依斯（RobertNoyce）、戈登·摩爾（GordonMoore）、朱利亞斯·布蘭克（JuliusBlank）、尤金·克萊爾（EugeneKleiner）、金·赫爾尼（JeanHoerni）、杰·拉斯特（JayLast）、謝爾頓·羅伯茨（SheldonRoberts）和維克多·格里尼克（VictorGrinich）他們的年齡都在30歲以下，風華正茂，學有所成，處在創(chuàng)造能力的巔峰。他們之中，有獲得過雙博士學位者，有來自大公司的工程師，有著名大學的研究員和教授，這是當年美國西部從未有過的英才大集合43第43頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司肖克利是天才的科學家，卻缺乏經(jīng)營能力，一年之中，實驗室沒有研制出任何象樣的產(chǎn)品八位青年瞞著肖克利開始計劃出走。在諾依斯帶領(lǐng)下，他們向肖克利遞交了辭職書。肖克利怒不可遏地罵他們是“八叛逆”（TheTraitorousEight）“八叛逆”找到了一家地處美國紐約的攝影器材公司來支持他們創(chuàng)業(yè)，這家公司名稱為Fairchild，音譯“費爾柴爾德”，但通常意譯為“仙童”44第44頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司費爾柴爾德先生僅僅提供了3600美元的種子基金，要求他們開發(fā)和生產(chǎn)商業(yè)半導體器件，并享有兩年的購買特權(quán)1958年1月，IBM公司給了他們第一張訂單，訂購100個硅晶體管，用于該公司電腦的存儲器到1958年底，“八叛逆”的小小公司已經(jīng)擁有50萬銷售額和100名員工，依靠技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢，一舉成為硅谷成長最快的公司45第45頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司1964年，仙童半導體公司創(chuàng)始人之一摩爾博士，以三頁紙的短小篇幅，發(fā)表了一個奇特的定律摩爾預言，集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢頭摩爾所作的這個預言，因后來集成電路的發(fā)展而得以證明，并在較長時期保持了它的有效性，被人譽為“摩爾定律”，成為新興電子電腦產(chǎn)業(yè)的“第一定律”46第46頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司脫離仙童半導體創(chuàng)辦公司者之中，較有名氣的是查爾斯·斯波克（C.Sporck）和杰里·桑德斯(J.Sanders)斯波克一度擔任仙童半導體公司總經(jīng)理，1967年出走后，到國民半導體公司（NSC）擔任CEO。他大刀闊斧地推行改革，把NSC從康涅狄格州遷到了硅谷，使它從一家虧損企業(yè)快速成長為全球第6大半導體廠商桑德斯則是仙童半導體公司銷售部主任，1969年，他帶著7位仙童員工創(chuàng)辦高級微型儀器公司（AMD），這家公司目前已經(jīng)是僅次于英特爾公司的微處理器生產(chǎn)廠商，其微處理器產(chǎn)品暢銷全世界47第47頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仙童半導體公司1968年，“八叛逆”中的最后兩位諾依斯和摩爾，也帶著葛羅夫（A.Grove）脫離仙童公司自立門戶，他們創(chuàng)辦的公司就是大名鼎鼎的英特爾（Intel）從1965年到1968年，公司連續(xù)兩年沒有贏利。費爾柴爾德以3年100萬美元薪金外加60萬美元股票，從摩托羅拉公司請來萊斯特·霍根博士，在執(zhí)政仙童6年期限內(nèi)，他盡了最大的努力，使公司銷售額增加了兩倍1974年，霍根把權(quán)柄交給36歲的科里根，而他的繼任者在二三年內(nèi)讓這家公司從半導體行業(yè)的第2位，迅速跌落到第6位1979年夏季，仙童被賣給法國一家主營石油服務(wù)業(yè)的公司施拉姆伯格（Schlumberger），然后被用原價的三分之一轉(zhuǎn)賣給另一家美國公司，買主正是原仙童總經(jīng)理斯波克管理的國民半導體公司（NSC）1996年，國民半導體公司把原仙童公司總部遷往緬因州，并恢復了“仙童半導體”的老名字。但是，擁有員工6500人的“硅谷人才搖籃”卻不得不退出了硅谷48第48頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2微型計算機的應(yīng)用

計算機應(yīng)用通常分成如下各個領(lǐng)域科學計算，數(shù)據(jù)處理，實時控制計算機輔助設(shè)計，人工智能，……由于微型計算機具有如下特點體積小、價格低工作可靠、使用方便、通用性強……所以，可以分為兩個主要應(yīng)用方向數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理、信息管理過程控制及嵌入應(yīng)用方向49第49頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2微型計算機的應(yīng)用

數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向一般是通用微機，主要形式為服務(wù)器、工作站、個人臺式機和個人便攜機等服務(wù)器多用于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫管理；工作站多用于圖形圖像、音頻視頻處理以及計算機輔助設(shè)計目前PC的構(gòu)成模式同最初變化不大，但有了非常大的進步，體現(xiàn)在：性能提高軟件資源多，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件具備多媒體功能、可以方便地連接到Internet包括內(nèi)存外設(shè)在內(nèi)的系統(tǒng)資源豐富

50第50頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IntelCPU的發(fā)展年代Intel處理器字長時鐘頻率集成度197140044位108kHz2300197280088位500kHz35001978808616位5MHz2.9萬19858038632位16MHz27.5萬2003Pentium432位3.4GHz1.25億2007Core2Quad64位2.66GHz5.82億2009Corei764位2.93GHz7.31億51第51頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2微型計算機的應(yīng)用過程控制及嵌入應(yīng)用方向主要是專用微機和專用系統(tǒng)。如工業(yè)PC機、STD總線工控機、PC/104總線工控機、可編程邏輯控制器以及各種宿主應(yīng)用系統(tǒng)（由通用微處理芯片、微控制器、數(shù)字信號處理器DSP等構(gòu)成）。工控機方面嵌入式應(yīng)用

52第52頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月工控機松下軍用機53第53頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2微型計算機的系統(tǒng)組成微處理器（Microprocessor）：一個大規(guī)模集成電路芯片，內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等，是微機中的核心芯片微型計算機（Microcomputer）：通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)，還有一般的說法：微機、微型機。主要包括微處理器、存儲器、I/O接口和I/O設(shè)備、系統(tǒng)總線等。微型計算機系統(tǒng)（Microcomputersystem）：指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)。硬件指構(gòu)成計算機的“硬”設(shè)備，軟件指計算機上運行的程序，廣義的軟件還應(yīng)包括計算機管理的數(shù)據(jù)及有關(guān)文檔54第54頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1微型計算機的硬件系統(tǒng)圖1.1微型計算機的系統(tǒng)組成控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB系統(tǒng)總線形成處理器子系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口存儲器系統(tǒng)總線BUS微處理器存儲器I/O設(shè)備和I/O接口系統(tǒng)總線55第55頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1微型計算機的硬件系統(tǒng)處理器子系統(tǒng)存儲器主存、輔存內(nèi)存（RAM和ROM）、外存I/O設(shè)備和I/O接口I/O設(shè)備：機器上配備的輸入／輸出設(shè)備，也稱為外設(shè)，為微機提供具體的輸入／輸出手段I/O接口：各種外設(shè)的工作速度、驅(qū)動方法差別很大，無法與CPU直接匹配，不能簡單的連接到系統(tǒng)總線，需要I/O接口電路充當它們和CPU之間的連接橋梁，通過I/O接口完成信號轉(zhuǎn)變、數(shù)據(jù)緩存、與CPU聯(lián)絡(luò)等工作56第56頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)總線指傳遞信息的一組公用導線，是傳送信息的公共通道微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)功能部件總線還有電源、地線等其他輔助信號除了CPU外，DMA控制器和協(xié)處理器等設(shè)備也有控制和使用總線的能力——總線主控設(shè)備連接在總線上的存儲器、I/O設(shè)備是被訪問和控制的對象——總線被控設(shè)備57第57頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)總線總線信號可分成三組地址總線AB：傳送地址信息輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址地址線的多少決定了系統(tǒng)直接尋址存儲器的范圍數(shù)據(jù)總線DB：傳送數(shù)據(jù)信息CPU讀操作時，外部數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPUCPU寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往外部數(shù)據(jù)線的多少決定了一次能夠傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)控制總線CB：傳送控制信息協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等控制總線決定了系統(tǒng)總線的特點,例如功能、適應(yīng)性等舉例舉例58第58頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月Intel80x86CPU的地址線條數(shù) Intel80x86 地址條數(shù) 存儲容量8086 20 1MB8088 20 1MB80286 24 16MB80386~Pentium4 32 4GB返回59第59頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月Intel80x86CPU的數(shù)據(jù)線位數(shù) Intel80x86 數(shù)據(jù)位數(shù)8086 168088 880286 1680386~Pentium4 32返回60第60頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月總線使用特點在某一時刻，只能由一個總線主控設(shè)備（例如CPU）來控制總線在連接系統(tǒng)總線的各個設(shè)備中，某時刻只能有一個發(fā)送者向總線發(fā)送信號；但可以有多個設(shè)備從總線上同時獲取信號微機系統(tǒng)采用“總線結(jié)構(gòu)”，具有組態(tài)靈活、擴展方便的優(yōu)勢61第61頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2微型計算機的軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：面向所有用戶，目標是方便用戶的使用和維護、提高機器效率。通常包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、診斷調(diào)試程序、設(shè)備驅(qū)動程序以及為提高機器效率設(shè)計的各種程序應(yīng)用軟件：圍繞某種應(yīng)用、面向用戶的軟件如數(shù)據(jù)庫管理、面向計算機輔助設(shè)計、面向文字處理的軟件或軟件包等62第62頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3IBMPC系列機系統(tǒng)IBMPC：1981，IBM選Intel的8088做CPU，操作系統(tǒng)為微軟的MS-DOSv1.0。內(nèi)存小，無硬盤IBMPC/XT：1982，擴充內(nèi)存，增加了10MB的硬盤，DOS2.0，支持硬盤和樹形目錄結(jié)構(gòu)IBMPC/AT：1984，選Intel的80286為CPU，該芯片兼融8086／8088的指令系統(tǒng)，速度更快，支持虛擬存儲和多任務(wù)操作，DOS3.063第63頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1硬件基本組成外觀：主機、鍵盤、顯示器內(nèi)部：系統(tǒng)主板（上有系統(tǒng)主要電路和總線插槽）、硬盤驅(qū)動器

、軟盤驅(qū)動器、電源、揚聲器等IBMPC/XT與IBMPC/AT的比較表1-1，P964第64頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月16位IBMPC系列機是32位微機的基礎(chǔ)

8088CPUIBMPC機IBMPC/AT機IBMPC/XT機65第65頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IBMPC/AT66第66頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2主板的構(gòu)成

IBMPC系列機的整個電路由主板和插在該板總線槽內(nèi)的若干電路插板組成主板為4層印刷電路板（PrintedCircuitBoard,PCB），內(nèi)層連接電源和地線，兩面連接信號線。主板的組成部分：處理器子系統(tǒng)內(nèi)存系統(tǒng)控制芯片鍵盤和系統(tǒng)配置信息接口I/O通道67第67頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月CPUFPU鍵盤插座系統(tǒng)電源輸入ROMBIOSROMBASIC系統(tǒng)配置開關(guān)I/O通道PC總線插槽并行接口DMA控制器定時控制器中斷控制器揚聲器輸出IBMPC/XT主板1.處理器子系統(tǒng)：CPU8088FPU8087外圍輔助芯片（時鐘發(fā)生器8284，總線控制器8288）2.內(nèi)存ROM-BIOSROM-BASICDRAM3.系統(tǒng)控制芯片：中斷控制器8259A定時控制器8253/8254DMA控制器8237A4.鍵盤和系統(tǒng)配置信息接口PC/XT并口8255APC/AT8042鍵盤接口和M1468185.I/O通道68第68頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IBMPC/XT主板69第69頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.處理器子系統(tǒng)——IBMPC/XTCPU為80888088（準16位）是8086（16位）的簡化本內(nèi)部運算器和寄存器16位，20位地址總線，尋址1MB內(nèi)存和64K個I/O端口，其指令系統(tǒng)完全兼容外部數(shù)據(jù)總線8位8088采用最大組態(tài)模式8088和8288共同形成總線，允許使用多個處理器8088工作頻率4.77MHz，每個時鐘周期約210ns由時鐘發(fā)生器8284提供工作模式為實地址模式，20位地址，尋址1M內(nèi)存70第70頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.處理器子系統(tǒng)

——IBMPC/XT主板的模塊構(gòu)成71第71頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.處理器子系統(tǒng)——IBMPC/ATCPU為80286，16位數(shù)據(jù)線，24位地址線工作模式為實模式和保護虛擬地址模式實模式同PC/XT相同，但運行速度更快，可兼容前期的各種軟件資源保護模式下，可使用24位地址，尋址16M(224)字節(jié)，即16MB，并支持虛擬存儲和特權(quán)保護，適用于多任務(wù)環(huán)境80286與總線控制器80288共同形成總線系統(tǒng)時鐘發(fā)生器82284提供8MHz工作時鐘用戶可選協(xié)處理器80287支持硬件浮點運算

72第72頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2.內(nèi)存ROM用來固化ROM-BIOS(BasicInput/outputSystem)自檢及初始化程序服務(wù)設(shè)定中斷PC/XT中，還固化了32KB的ROM-BASIC解釋程序，用于支持BASIC語言RAMPC內(nèi)存主體主要由RAM構(gòu)成，而且是集成度較高、價格較低的動態(tài)存儲芯片（DRAM）構(gòu)成73第73頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片(1)中斷控制內(nèi)中斷外中斷

CPU內(nèi)部異?；驁?zhí)行特定指令引起可屏蔽中斷：外部信號觸發(fā)CPU的“可屏蔽中斷請求”引腳引起，通過8259A管理和擴展不可屏蔽中斷：外部信號觸發(fā)CPU的“不可屏蔽中斷請求”引腳引起，用于對數(shù)據(jù)校驗錯誤和浮點運算事故進行處理74第74頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片PC/XT：1片8259A，可屏蔽中斷8個優(yōu)先級從高到低為IRQ0～IRQ7，IRQ2被系統(tǒng)保留IRQ0→定時器0通道；IRQ1→鍵盤；IRQ7并行打印口LPT1；IRQ3和IRQ4→COM1和COM2口PC/AT：2片8259A，主片通過IRQ2級聯(lián)從片，15個中斷源優(yōu)先級從高到低為：IRQ0、IRQ1、IRQ8～IRQ15、IRQ3～IRQ7。IRQ8→實時時鐘；IRQ13→協(xié)處理器75第75頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片(2)定時控制:XT和AT中分別用8253和8254提供3個16位的定時器定時器0：每55ms輸出一個脈沖，通過8259A的IRQ0申請中斷定時器1：每15μs產(chǎn)生一個輸出，用來請求對DRAM的刷新操作定時器2：為主機箱內(nèi)的揚聲器提供音頻震源76第76頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片(3)DMA控制DMA，DirectMemoryAccess，直接存儲器存取指存儲器和外設(shè)間不經(jīng)過CPU指令、直接通過硬件實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)傳輸，以便為磁盤驅(qū)動器這樣的高速外存服務(wù)需要先由DMA控制器向CPU申請系統(tǒng)總線，CPU讓出總線后，DMA控制器控制總線在存儲器和外設(shè)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。77第77頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片PC/XT用1片8237A做DMA控制器，提供4個DMA通道通道0：與外設(shè)無關(guān)，負責對DRAM刷新通道1：系統(tǒng)保留，用戶可利用，也可用于SDLC協(xié)議的同步通信卡通道2：軟盤和內(nèi)存之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通道3：硬盤和內(nèi)存之間的高速數(shù)據(jù)傳輸78第78頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3.系統(tǒng)控制芯片PC/AT用2片8237A做DMA控制器，主片通過通道1與從片級聯(lián)，共7個DMA通道PC/AT設(shè)計有專門的DRAM刷新電路，不需要通道0通道0－3用于8位數(shù)據(jù)的DMA傳送通道5－7用于支持16位數(shù)據(jù)傳送79第79頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月4.鍵盤和系統(tǒng)配置信息接口

PC/XT用并行接口芯片8255A實現(xiàn)鍵盤接口和系統(tǒng)配置信息的讀取。8255A有3個并行端口：A端口：用于讀取鍵盤的按鍵信息（掃描碼）B端口：用于控制（串并轉(zhuǎn)換和發(fā)聲控制）C端口：用于讀取系統(tǒng)配置信息PC/AT鍵盤接口用8042微控制器實現(xiàn)系統(tǒng)配置信息用M146816芯片提供80第80頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月5.I/O通道即PC機主板上的若干總線插槽，插在其中的電路板稱為某某設(shè)備的適配器或某某卡PC/XT的I/O總線插槽被稱為PC總線共62個信號，分A、B兩側(cè)8根數(shù)據(jù)線、20根地址線位于A側(cè)（卡的元件面）6根中斷請求線、6根DMA聯(lián)絡(luò)線以及內(nèi)存外設(shè)的讀寫控制線、電源線等位于B側(cè)PC/AT的I/O總線插槽被稱為AT總線、ISA總線為兼容PC總線，在62線插槽的一端增加了36線的新插槽，形成了98線的新總線81第81頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3存儲空間分配

PC/XT8088提供20根地址線，尋址1MB存儲空間，00000H～FFFFFH。分為低端RAM和高端ROM共四個區(qū)段

PC/AT

80286提供24根地址線，對內(nèi)存尋址16MB。低端1M為常規(guī)內(nèi)存，空間分配與PC/XT相同，高端15MB為擴展內(nèi)存82第82頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3存儲空間分配DOS管理，[0～9FFFFH］最低1KB存放中斷向量表，接著安排BIOS和DOS使用的數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)核心程序、可選設(shè)備的驅(qū)動程序等。其余向用戶應(yīng)用程序開放用于存放要顯示在屏幕上的顯示信息，簡稱顯示緩存或顯存，[A0000H~BFFFFH]DOS5以后的版本利用存儲管理軟件HIMEM.SYS轉(zhuǎn)換到保護方式使用擴展內(nèi)存，80386以后的X86微處理器上，DOS用EMM386.EXE軟件以擴充內(nèi)存方式使用該區(qū)域

各種I/O卡上的ROM，為相應(yīng)外設(shè)提供驅(qū)動，[C0000H~DFFFFH]安排ROM-BIOS，存放字符/點陣信息，ROM-BISC解釋程序，[E0000H~FFFFFH]83第83頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4I/O空間的分配

系統(tǒng)板

000－01F020－03F040－05F060－07F080－09F0A0－0BF0C0－0DF0E0－0FFDMA控制器1中斷控制器1定時計數(shù)器并行接口電路DMA頁面寄存器中斷控制器2DMA控制器2協(xié)處理器

I/O

通

道1F0－1F8200－207278－27F2F8－2FF378－37F380－38F3A0－3AF3B0－3BF3D0－3DF3F0－3F73F8－3FF硬盤適配器游戲接口并行打印機接口LPT2串行通信接口COM2并行打印機接口LPT1SDLC通信接口BSC通信接口單色顯示/打印機適配器彩色圖形適配器CGA軟盤適配器串行通信接口COM180x86訪問外設(shè)時，只使用低16位A0～A15，尋址64K個8位I/O端口PC機僅使用低10位A0～A9，尋址1024個8位I/O端口主板端口A9=0，I/O插卡支持的端口A9=1主板上A9~A5參與芯片的片選譯碼，A4~A0片內(nèi)譯碼84第84頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4計算機中的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)→二進制形式數(shù)據(jù)分類數(shù):直接表征量的多少，有大小之分，可進行各種數(shù)學運算

碼:指代某個事物或事物的某種狀態(tài)屬性存儲容量的表達比特b（二進制1位）字節(jié)B（二進制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B、1TB=240B二進制數(shù)用B或b結(jié)尾；十進制數(shù)可不用結(jié)尾字母，也可用D或d結(jié)尾；十六進制數(shù)用H或h結(jié)尾字長：是微處理器一次可直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度85第85頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1計算機中的數(shù)

幾個概念進位計數(shù)制、基數(shù)、權(quán)（權(quán)重）不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換十進制到N進制的轉(zhuǎn)換整數(shù)部分除N取余法，小數(shù)部分乘N取整，最先取到的數(shù)碼總是離小數(shù)點最近。小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換沒有窮盡時，可選取一定的精度-----例N進制到十進制的轉(zhuǎn)換——按權(quán)展開相加-----例二進制與十六進制間的轉(zhuǎn)換-----例以小數(shù)點為中心，兩側(cè)每４位（不足4外側(cè)補零）二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)；反向操作亦然某種計數(shù)制中所包含的數(shù)碼個數(shù)就是該數(shù)制的基數(shù)。體現(xiàn)了該數(shù)制的進位和借位原則表示進位計數(shù)制中的各數(shù)位的單位值。權(quán)用基數(shù)冪表示86第86頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(47.24)10=（）2整數(shù)部分：47／2＝23……1離小數(shù)點最近23／2＝11……111／2＝5……15／2＝2……12／2＝1……0 1／2＝0……1離小數(shù)點最遠，直到被除數(shù)為0為止小數(shù)部分：0.24×2＝0.48整數(shù)部分為0離小數(shù)點最近0.48×2＝0.96整數(shù)部分為00.96×2＝1.92整數(shù)部分為10.92×2＝1.84整數(shù)部分為10.84×2＝1.68整數(shù)部分為10.68×2＝1.36整數(shù)部分為10.36×2＝0.72整數(shù)部分為0離小數(shù)點最遠……101111.001111

87第87頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月N進制到十進制的轉(zhuǎn)換例： (1011.101)2=(1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2－2+1×2-3)10=(8+2+1+0.5+0.125)10=(11.625)10例： (A7.B)16＝(10×161+7×160+11×16-1)10＝(160+7+0.6875)10＝(167.6875)1088第88頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二進制與十六進制間的轉(zhuǎn)換例1： (11110.11)2=(1E.C)16例２： (EF.C)16=(11101111.11)2例3： (000110110111.01101000)2=(1B7.68)16

二進制→十六進制：以小數(shù)點為中心，兩側(cè)每４位（不足4外側(cè)補零）二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)89第89頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1計算機中的數(shù)

數(shù)的定點表示名詞解釋真值：符合人們使用習慣的數(shù)的原始表示形式機器數(shù)：數(shù)據(jù)在機器中的實際表示形式定點數(shù)：小數(shù)點的位置默認并固定的機器數(shù)。若小數(shù)點的位置被固定在機器數(shù)的最右側(cè)，該數(shù)據(jù)為定點機器整數(shù)；若小數(shù)點的位置被固定在機器數(shù)的最左側(cè)，該數(shù)據(jù)為定點小數(shù)。機器中長短不等的各類整數(shù)均采用前一種方法來表示90第90頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1計算機中的數(shù)

定點整數(shù)的范圍無符號定點整數(shù)（簡稱無符號數(shù)） ——表示范圍為0和正數(shù)，不含負數(shù)有符號定點整數(shù)（簡稱有符號數(shù)） ——表示范圍基本上是一半正數(shù)、一半負數(shù)、0無符號數(shù)和有符號數(shù)在形態(tài)上沒有區(qū)別91第91頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月有符號數(shù)的表示原碼表示法符號位：0表示正數(shù)，1表示負數(shù)其余各位：等同于真值的絕對值0有+0（00000000b）和-0（10000000b）兩種表示方法，故8位原碼表示范圍-127～127-2的原碼為10000010b反碼表示法符號位：0表示正數(shù)，1表示負數(shù)其余各位：正數(shù)的反碼表示同原碼，負數(shù)的反碼表示是原碼對符號位以外的各位取反0有+0（00000000b）和-0（11111111b）兩種表示方法，故8位反碼表示范圍-127～127-2的反碼為11111101b92第92頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月有符號數(shù)的表示補碼表示法符號位：0表示正數(shù)，1表示負數(shù)其余各位：正數(shù)的補碼表示同原碼，負數(shù)的補碼表示在反碼表示的基礎(chǔ)上加1獲得0被認為是正數(shù)，00000000，8位補碼范圍為：-128～127求補運算：求反加一法帶借位零減法例93第93頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月例：求補運算例1：求真值-37H的補碼機器數(shù)求反加一法：-00110111B→10110111B→11001000B→11001001B=C9H帶借位零減法：100000000B-00110111B=11001001B=C9H例2：將八位補碼機器數(shù)B8H還原為真值。求反加一法的逆過程（減一求反）：B8H=10111000B→10110111B→11001000B→-48H帶借位零減法：100000000B-B8H=-[100000000B-10111000B]=-1001000B=-48H例3：直接對十六進制數(shù)的操作，求真值-37H的補碼機器數(shù)帶借位零減法：100H-37H=C9H94第94頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月有符號數(shù)的表示移碼表示法符號位：0表示負數(shù)，1表示正數(shù)無論正數(shù)、負數(shù)還是零，均可以在補碼表示基礎(chǔ)上通過將符號位取反來獲得，8位移碼表示范圍-128～127對于8位機器數(shù)有移碼＝補碼+80H（丟棄進位），即補碼加一個常數(shù)，相當于在數(shù)軸上相正方向平移，移碼因此得名移碼表示的特點：機器數(shù)字面值越大，所對應(yīng)的真值越大（書P18表1-3），兩個移碼機器數(shù)可直接比大小，用于表示浮點數(shù)的階碼95第95頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1計算機中的數(shù)

數(shù)的浮點表示小數(shù)點位置表面上被固定，實際浮動，目的在于通過小數(shù)點的浮動保持精度維持不變組織形式：N×2nN為尾數(shù)，取二進制定點小數(shù)的形式n為階碼或指數(shù)，取二進制定點整數(shù)的形式底數(shù)2默認其組織形式為：96第96頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月IEEE754的32位浮點數(shù)（單精度浮點數(shù)）表示方法D31D30……D23D22……D1D0尾數(shù)24位，表示數(shù)據(jù)精度（有效數(shù)字），其最高位D31表示數(shù)符（0正1負），其余23位（D22~D0）表示絕對值尾數(shù)，采用原碼定點小數(shù)的表示形式，而且尾數(shù)被規(guī)格化為“1.****……***”的形式，最高位恒為1，可以缺省，即尾數(shù)域中表