微机原理1：微型计算机系统概述

1、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术史卫亚史卫亚办公室：办公室： 6412Cellphonemail：Pulic Email：swy_ 口令口令: swy1234561 微机原理与接口技术是学习和掌握微机硬件知识、汇编语言和利用他们进行硬件设计的主干课程。包括如下三方面的内容：微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计汇编语言程序设计微型计算机接口技术微型计算机接口技术 通过学习，建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力，达到：会看芯片说明会看芯片说明会看时序图会看时序图会基本应用会基本应用2与计算机组成原理的区

2、别 计算机组成原理是让你从整体上了解计算机是怎么工作的，内容上侧重于计算机的几大组成（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备与总线结构，计算机的储存体系是如何的，还有就是一是I/O接口的基本概念。3与计算机组成原理的区别 计算机组成原理是关于一般意义上的单机系统（一个处理器）各组成部件的实现方法。 微机原理与应用则是关于IntelX86系列微型计算机的工作原理、指令系统、接口电路的构成4与计算机组成原理的区别 “计算机组成原理”对处理器的指令系统并不会展开详述，更不会讲解汇编语言程序设计 “微机原理”更侧重在机器指令层面描述计算机的组成和运行机理。5与计算机组成原理的区别 计算机组成原理主

3、要是介绍计算机的基本硬件及原理。重在各个部分的连接。相对宽泛一些。 微机原理接口技术比计算机组成原理要具体些，一般是以8086/8088为例，介绍8086/8088CPU的结构，其中最重要的就是汇编语言和芯片；掌握了汇编语言,这几块芯片的编程基本上就差不多了。6学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩考试成绩实验成绩平时成绩 60% + 30% +10%学习学习方法方法7 上机时间： 周一下午第1大节（2:304：00） 第6周-第9周地点6313，6320汇编语言上机 第10周-第15周6320，硬件上机8学习资

4、源要利用u教材：教材：钱晓捷,陈涛.16/32位微型计算机原理及接口技术（第二版）.机械工业出版社，2005.u戴梅萼，微型计算机技术及应用，北京：清华大学出版社，1991u其它：周明德，白中英，学习学习资源资源9教学内容简介教学内容简介 第一第一部分 微机概述微机概述1、 微型计算机的发展。 2、 微型计算机的组成和层次结构。 3、 微型计算机的工作原理。 4、 常用术语。 5、 数制及转换,原码,补码,BCD码。（已讲）10第二第二部分 8086/80888086/8088微处理器微处理器 一、8086/8088CPU的内部结构 二、8086/8088的指令详解（寻址方式与指令类型已学过）

5、 三、8086/8088的引脚及工作摸式(外部特性） 四、时序与总线周期 五、堆栈11第三部分 汇编语言程序设计 注意：此部分内容贯穿全书第四第四部分 存储器（主要介绍CPU与存储器的连接，即芯片级的应用）12第五部分 基本输入输出接口 侧重讲解I/O接口的结构、寻址及CPU和I/O设备之间进行数据传送的方式。第六部分 可编程接口芯片8259、8253、8255实验部分 10个实验(4个汇编语言实验，6个硬件实验) 复习 2学时13141.1 1.1 微型计算机发展微型计算机发展世界上第一台现代意义的电子计算机是世界上第一台现代意义的电子计算机是19461946年美国宾夕年美国宾夕法尼亚大学设

6、计制造的法尼亚大学设计制造的ENIACENIAC1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），装有18,000个电子管，总重量达30吨，运算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2 ，造价100万美元。 采用十进制计数方式，编程采用接插线进行。不过它还没有引入CPU的概念。最初的目的是为军队编制各种武器的弹道表。1516 后来，冯诺依曼（VonNeumann）提出了采用二进制计算、储存程序并在程序控制下自动执行一个任务的思想；还提出新机器应由运算部件、控制部件、存储部件、运算部件、

7、控制部件、存储部件、输入部件和输出部件输入部件和输出部件五大部件（部分）组成。 “冯冯诺依曼诺依曼”机机 1949年，剑桥大学的M.V.Wilkes等人在EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)机上实现。17一、电子计算机的发展与分类电子计算机的发展（四代）：电子计算机的发展（四代）：电子管计算机（电子管计算机（1946-19561946-1956）晶体管计算机（晶体管计算机（1957-19641957-1964）中小规模集成电路计算机（中小规模集成电路计算机（1965-19701965-1970）大、超大规模集成电路计算机（大、超大规模

8、集成电路计算机（1971-1971-今）今）18 近年来涌现出功能越来越强大的通用微处理器(如单片机）、专用微处理器（如DSP）、片上系统（SoC：SystemonChip）、ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）、FPGA/CPLD（Field-ProgrammableGateArray/ComplexProgrammableLogicDevice）、ARM（AdvancedRISCMachines）等，使计算机的应用深度和广度越来越高。(reduced instruction set computer，精简指令集计算机，精简指令集计算机) 1

9、9MCS-51单片机模块图单片机模块图在一片集成在一片集成电路芯片上，电路芯片上，集成了一个集成了一个微型计算机微型计算机的各个组成的各个组成部分。部分。20电子计算机按其性能分类：电子计算机按其性能分类： 大型计算机大型计算机 中型计算机中型计算机 小型计算机小型计算机 微型计算机微型计算机21-二、微型计算机的发展芯片上集成的晶体管的密芯片上集成的晶体管的密度叫作度叫作 集成度集成度22微型计算机 以大规模、超大规模集成电路为主要部件、以微处理器为核心所构造的计算机系统。微处理器 严格讲，微处理器严格讲，微处理器 CPU CPUCPU（Central Processing Unit）由由算

10、术逻辑部件算术逻辑部件(ALU)(ALU)和和控制部件控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能功能微处理器微处理器 除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组组寄存器（寄存器（Registers）以及以及高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）等等特殊的存储器。特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，电路或超大规模集成电路封装之中，被称为微处理器被称为微处理器23四位机和低档八位机四位机和低档八位机 1971 1971年：年：Intel 4004

11、Intel 4004，是世界上第一片单片微处理器是世界上第一片单片微处理器 4 4位微处理器，寻址空间为位微处理器，寻址空间为40964096个半字节个半字节, , 指令系统指令系统包括包括4545条指令条指令Intel 40042419721972年：年：Intel 8008Intel 8008，第一片第一片8 8位微处理器。位微处理器。 采用了采用了1010 m m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为35003500个个晶体晶体管，工作频率为管，工作频率为500KHz500KHz，基本指令，基本指令4848条。条。Intel 8008251974年：年：Intel 8080采用了采用了6

12、m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为个晶体管，主频为2MHz。1975年年4月，月，MITS（三菱）（三菱）公司推出了以公司推出了以8080为为CPU的的世界上第一台个人计算机世界上第一台个人计算机Altair 8800。Altair 8800的的BASIC语言解释器是语言解释器是Bill Gates编写的编写的1976年：年：Intel 8085Intel公司生产的公司生产的最后一种最后一种8位通位通用微处理器用微处理器，8085的工作频率提高到的工作频率提高到5MHz，指令系统，指令系统的指令数上升到的指令数上升到246条条。1977年：年：Z80，Zilog公司

13、，公司，8位机，优于位机，优于8080，8085第二代：第二代：中高档中高档8位微机位微机8085268086/8088（1978年年-1981年）年）1978年年-采用了采用了3 m工艺，集成了工艺，集成了29,000个晶体管个晶体管，工作频，工作频率为率为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为。它的寄存器和数据总线均为16位，位，地址总线为地址总线为20位，从而使寻址空间达位，从而使寻址空间达1MB。同时，。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了构，并设置了6字节的指令预取队列字节的指令预取队列第三代：第三代：16位微处

14、理器芯片位微处理器芯片2719791979年年80888088 除了它的除了它的数据总线为数据总线为8位位以外，其余均与以外，其余均与8086相同。相同。8088采用采用8位数据总线是为了利用当时的位数据总线是为了利用当时的8位设备控制芯片位设备控制芯片。由于。由于8088内部支持内部支持16位运算位运算，而与，而与I/O之间传输为之间传输为8位，位，故故8088称为称为准准16位微处理器位微处理器。 1981年年8月，月，IBM公司推出以公司推出以8088为为CPU的世界上第的世界上第一台一台16位微型计算机位微型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著，即著名的名的

15、IBM PC机机。 1982，IBM推出推出PC/XT（Extended Technology）机机8088288028680286（19821982年年-1984-1984年）年）采用采用1.51.5 mm工艺，集成了工艺，集成了134,000134,000个晶体管，工作频个晶体管，工作频率为率为6MHz6MHz。8028680286的数据总线仍然为的数据总线仍然为1616位，但是位，但是地地址总线增加到址总线增加到2424位位，使存储器寻址空间达到，使存储器寻址空间达到16MB16MB。19851985年年IBMIBM公司推出以公司推出以8028680286为为CPUCPU的微型计算机的微

16、型计算机IBM PC/ATIBM PC/AT（Advanced TechnologyAdvanced Technology），），并制定了一并制定了一个新的开放系统总线结构个新的开放系统总线结构ISAISA1616位、高性能的位、高性能的I/OI/O扩展总线。扩展总线。29 80 80年代中期到年代中期到9090年代初，年代初，80286 80286 一直是微型计算机的主流一直是微型计算机的主流CPUCPU。在这一时期，还诞生了世。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（界上最早的芯片组（chipsetschipsets）。）。30第一个实用的第一个实用的3232位微处理器位微处理器，采用了，

17、采用了1.51.5 mm工艺，集成了工艺，集成了27.527.5万万个晶体管，工作频率达个晶体管，工作频率达到到16MHz16MHz。通过。通过3232位的地址位的地址总线，总线，8038680386的的可寻址空间达可寻址空间达到到4GB4GB，每秒可执行，每秒可执行500500万万条条指令。指令。第四代：第四代：32位微处理器芯片位微处理器芯片318048680486（19891989年年-1992-1992年）年）采用采用1 1 mm工艺，集成了工艺，集成了120120万个万个晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为25MHz25MHz。8048680486把把8038680386的内部结构做

18、了修改，的内部结构做了修改，大约有大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两而不是原来的两个，这样个，这样8048680486的处理速度一般比的处理速度一般比8038680386快快2 2到到3 3倍。倍。32Pentium:Pentium:奔腾奔腾（19931993年年-1997-1997年）年）PentiumPentium处理器的发展分成三代处理器的发展分成三代第一代第一代PentiumPentium处理器（以处理器（以P5P5代称，代称，19931993年）采用年）采用0.80.8 mm工艺技术，集成了工艺技术，集成了310310万个晶体管，工作

19、频率为万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz60MHz/66MHz。第二代第二代PentiumPentium处理器（处理器（19941994年）采用年）采用0.60.6 mm工艺，工艺，工作频率为工作频率为90MHz/100MHz90MHz/100MHz。33第三代第三代Pentium MMXPentium MMX（多能奔腾多能奔腾，19971997年）增加年）增加了了5757条多媒体指令（多媒体扩展指令系统）条多媒体指令（多媒体扩展指令系统）在体系结构上，在体系结构上， PentiumPentium在内核中采用了在内核中采用了RISCRISC（reduced instruction s

20、et computerreduced instruction set computer）技术。）技术。34接着有接着有Pentium Pro(Pentium Pro(高能奔腾）高能奔腾）、Pentium IIPentium II、Pentium IIIPentium III、 Pentium IVPentium IV 、Pentium DPentium D还有同级别但经济的还有同级别但经济的CeleronCeleron（赛（赛扬）、扬）、XeonXeon（至强）（至强）AMDAMD公司作为竞争着，也推出了公司作为竞争着，也推出了各级别的产品，如各级别的产品，如K5K5、K6K6、K6-2K6-

21、2、K6-3K6-3、K7K7、DuronDuron、AthlonAthlon等等微处理器微处理器3536ItaniumItanium（安腾），（安腾），20012001年年5 5月发布月发布采用采用0.180.18微米工艺制造，工作频率为微米工艺制造，工作频率为733MHz/800MHz733MHz/800MHz，ItaniumItanium处理器的内部处理器的内部/ /外部数据总线及地址总线都是外部数据总线及地址总线都是6464位位第五代：第五代：64位微处理器芯片位微处理器芯片AMDAMD的的Athlon 64Athlon 6437什么叫双核什么叫双核CPU? 双核处理器即是基于单个半导

22、体的一个处理器双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。上拥有两个一样功能的处理器核心。 双核心处理器技术的引入是提高处理器性能的双核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。的单元数将增加一倍。 如如Pentium D，90nm工艺工艺38Intel 酷睿酷睿 i5 750(盒盒) 45nm工艺，四核，主频工艺，

23、四核，主频2660MHzAMD 羿龙羿龙II X4 965 45nm工艺，四核，主频工艺，四核，主频3400MHz3940代字长型号工艺集成度(万个)主频速度(MIPS)1168086334.77-10300芯片 时间 时钟 DB R(位) AB 寻址空间 K个数(每片) 技术备注 8086 78年 4.77 16 16 20 1MB 2900个 引入实模式8088 79年 4.77 8 16 20 1MB 2900个 第一用于2BMP80286 81年 6 16 16 24 16MB 13万个 引入保护模式80386DX 85年 12.5 32 32 32 4096MB 25万个 多任务80

24、86模式80386SX 88年 16 16 32 24 16MB 25万个80486 89年 20 32 32 32 4096 125万个 内含协处理器和8KB缓存奔腾 93年 60 32 32 32 4096 310万个 分支预测16K缓存流水线和超 标量结构高能 95年 150 32 32 32 4096 550万个 指令优化调度执行奔腾 P7 97年 300 64 64 32 4096 1400万个 超流指令体系结41Intel X86Intel X86系列微型计算机的发展系列微型计算机的发展42 微型化 便携式、低功耗 巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度尖端科技领域的

25、信息处理，需要超大容量、高速度 智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力 系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级 网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路 多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控制、故障独立控制、故障分散、资源共享分散、资源共享) )Intel X86Intel X86系列微型计算机的发展系列微型计算机的发展431.2 1.2 微型计算机的组成与体系结构微型计算机的组成与体系结构微型计算机系统的三个层次：微型计算机系统的三个层次：微处

26、理器微型计算机 微型计算机系统系统软件应用软件微处理器微处理器存储器I/O接口总线 硬 件软 件微微 型型计算机计算机系系 统统外 设ALU寄存器控制部件键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪微微 型型计算机计算机441.2.11.2.1 微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统通用的微型计算机硬件系统是由中央处理器（通用的微型计算机硬件系统是由中央处理器（CPUCPU或或MPUMPU）、存储器、）、存储器、I/OI/O（输入（输入/ /输出）设备及其接口输出）设备及其接口电路组成（如图所示）。电路组成（如图所示）。 数数据据总总线线（DB） 控控制制部部线线（CB） 地地址址总总线

27、线（AB） 中中央央 处处理理器器 CPU 内内存存储储器器 I/O 接接口口 I/O 接接口口 I/O 设设备备 I/O 设设备备 45中央处理器中央处理器 中央处理器（机）简称CPU，是用来实现运算和控制功能的部件。由运算器、控制器和寄存器三部分组成。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与其他部件之间进行联系。在PC系列微机中所使用的CPU主要有Intel系列、AMD系列、CY系列 。运算器（运算器（ALUALU）：）：主要完成算术运算和逻辑运算主要完成算术运算和逻辑运算控制器：分析命令并指挥协调各部件统一行动完成命控制器：分析命令并指挥协调各部件统一行动完成命令规定的各种动作或操作的部

28、件，主要有指令指针寄令规定的各种动作或操作的部件，主要有指令指针寄存器（存器（IPIP）、）、指令寄存器（指令寄存器（IRIR）、）、指令译码器（指令译码器（IDID）和和 控制信号发生器组成控制信号发生器组成寄存器：存放原始数据、中间结果和最终结果以及程寄存器：存放原始数据、中间结果和最终结果以及程序的部件序的部件46存储器存储器 存储器是指微型计算机的内存储器。有随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 ROM中的信息一般只能读不能写，其容量一般为几KB到几MB。如BIOS。而RAM则既可以读出信息，又可以写入信息。通常作为微机系统的主存储器，其容量从早期的几十KB到现在的高达几GB。

29、47I/OI/O设备及其接口电路设备及其接口电路I/O设备的种类很多，有电子式、电磁式、机械式等，I/O接口电路最基本的接口电路有8255可编程并行接口电路、8253可编程定时/计数器、8251可编程串行接口电路、8237直接存储器存取电路（DMA）、82380多功能接口电路以及8259中断控制器电路等。48 总线是指传递信息的一组公用导线 总线是传送信息的公共通道 微机系统采用总线结构连接系统功能部件 总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。总线不仅仅是一组传输线，它还包括与数据传输有关的控制逻辑。所以，在一个计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件

30、。总总 线线49总线按其传输的信号分为总线按其传输的信号分为 ：1数据总线DB（Data Bus）数据总线用于数据总线用于CPUCPU与与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是是双向的双向的。 2地址总线AB（Address Bus）地址总线用于传送地址总线用于传送CPUCPU要访问的存储单元或要访问的存储单元或I/OI/O接口的地址信号。接口的地址信号。单向的单向的 3控制总线CB（Control Bus）控制总线是连接控制总线是连接CPUCPU的控制部件和内存、的控制部件和内存、I/OI/O设备等，用来控制设备等，用来控制内存和内存和I/OI

31、/O设备的全部工作。设备的全部工作。双向的双向的50 总线按其总线按其作用范围作用范围又分为：又分为：（1）内部总线：由CPU送出的地址、数据、控制信号称为内部总线。（2）系统总线：由于负载和控制的需要，内部总线信号通过总线驱动器、地址锁存器或数据缓冲器以及总线控制器后，所形成的新的信号线称为系统总线。 （3）外部总线：是微机系统相互之间或微机系统与其他电子系统之间实现通讯连接的总线。 511.2.21.2.2 IBM PC系列机系统16/32位IBM PC系列机是现代微机发展的基础8088CPUIBM PC/AT机机IBM PC/XT机机52538088微微处处理理器器8087协协处处理理器

32、器8288总线控制器总线控制器I/O通通道道8259中断控制器中断控制器随机存储器随机存储器RAM只读存储器只读存储器ROM8253定时控制器定时控制器8237DMA控制器控制器8255并行接口并行接口控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址锁存器地址锁存器数据收发器数据收发器扬声器扬声器接口接口8284时钟发生器时钟发生器键盘键盘接口接口系统系统配置配置开关开关主机板组成54主板构成 8088是8086的简化版本： 运算器和寄存器位数，地址位数；寻址大小；工作频率；时钟周期 系统控制芯片在第8章第13章介绍 存储空间分配： 基本RAM区，显示RAM区，扩展ROM取，基本ROM区

33、IO空间分配：低16位地址线访问，64k个端口551.3 1.3 微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理1.3.11.3.1冯冯 诺依曼存储程序工作原理诺依曼存储程序工作原理数据和程序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控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程 存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，

34、然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止。“程序存储，程序控制” 冯 . 诺依曼原理561.3.2微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。输入设备输出设备运算器存储器控制器取指令取指令，PCPC值加值加1停机停机译码并执行译码并执行结束结束 5

35、71 1位和字节位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为数据单位，它指的是取值只能为0 0或或1 1的一个二的一个二进制数值位。位作为单位时记作进制数值位。位作为单位时记作b b字节（byte）由由8 8个位二进制位组成，通常用个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B B582 2字长字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有和数据总线的宽度。微处理器的字长有4 4位、位、8 8位、位、1616位和位和3232位等等。位等等。80888088称为准称为准1616位微处理器，而位微处理器，而80386SX80386SX称为准称为准3232位位微处理器。微处理器。半字节字节字双字03034707078F8F1 01 71 81 F593 3主频主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，也叫做时钟频率