第1章_微型机系统的基础知识

1、微型计算机原理微型计算机原理与汇编语言程序设计与汇编语言程序设计主讲教师：王晓丽主讲教师：王晓丽电话：电话课程内容课程内容: :第第1 1章章 微型机系统的基础知识微型机系统的基础知识第第2 2章章 现代微处理器技术概述现代微处理器技术概述第第3 3章章 微处理器的指令系统微处理器的指令系统第第4 4章章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第第5 5章章 微处理器的硬件特性及微机系统组成原理微处理器的硬件特性及微机系统组成原理第第6 6章章 存储器及其接口存储器及其接口第第7 7章章 输入输出接口与中断技术输入输出接口与中断技术第第8 8章章 常用外设接口及应用常用外设

2、接口及应用主要参考教材：主要参考教材： 1.1.新编新编16/3216/32位微型计算机原理及应用位微型计算机原理及应用， 李继灿主编李继灿主编 ，清华大学出版社，清华大学出版社 2.2.微型计算机系统与接口微型计算机系统与接口，李继灿主编，李继灿主编 ，清华大学出版社清华大学出版社授授 课课 学学 时：时： 7272实实 验验 学学 时：时： 3636学学 分：分： 4 42 2 考核方式：考核方式：考试成绩（考试成绩（70%70%）实验成绩（）实验成绩（20%20%）平时成绩（）平时成绩（10%10%） 第第1 1章章 微型机系统的基础知识微型机系统的基础知识NoImage1.1 1.1

3、微型机概述微型机概述1.2 1.2 微型机系统的组成微型机系统的组成1.3 1.3 微机硬件系统结构基础微机硬件系统结构基础1.4 1.4 微处理器模型的组成微处理器模型的组成1.5 1.5 存储器概述存储器概述1.6 1.6 微机的工作原理与程序执行过程微机的工作原理与程序执行过程1.7 1.7 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标1.8 1.8 微机系统的配置微机系统的配置1.9 1.9 计算机的运算基础计算机的运算基础NoImage掌握微型计算机的组成及硬件系统结构的功能、特点。掌握微型计算机的组成及硬件系统结构的功能、特点。掌握微型计算机的运行机理及工作过程。掌握微型计算机的运

4、行机理及工作过程。掌握微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义。掌握微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义。掌握评价微型计算机性能的主要技术指标。掌握评价微型计算机性能的主要技术指标。掌握数的不同表示方法、不同进制数之间的相互转换、二掌握数的不同表示方法、不同进制数之间的相互转换、二进制编码方法及带符号数的表示方法。进制编码方法及带符号数的表示方法。 1.1 1.1 微型机概述微型机概述 微型计算机是指以大规模、超大规模集成微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件的微处理器为核心，配以存储电路为主要部件的微处理器为核心，配以存储器、输入器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出输

5、出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。的计算机系统。1.1.1 微型机的发展简史微型机的发展简史微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的；微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的；微处理器的集成度每隔微处理器的集成度每隔1818个月就会翻一番，芯片的个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。性能也随之提高一倍。 -摩尔定律摩尔定律 自从自从19461946年年2 2月世界上第一台以月世界上第一台以ENIAC ENIAC ( (EllectronicEllectronicNumerical Integrator And CalculatorNumerical Integrator And

6、 Calculator, , 电子数字积分计算机电子数字积分计算机 ）命名的电子计算机问世以来，至今，计算机已经经历命名的电子计算机问世以来，至今，计算机已经经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机到了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机到大规模、超大规模集成电路计算机大规模、超大规模集成电路计算机4 4个时代。目前正个时代。目前正向第向第5 5代计算机过渡，其研究重点主要放在人工智能代计算机过渡，其研究重点主要放在人工智能计算机的突破上，计算机的突破上， 它的主攻目标是实现更高程度上它的主攻目标是实现更高程度上模仿人脑的思维功能。模仿人脑的思维功能。 现在，人们广泛使用的微型机

7、是第现在，人们广泛使用的微型机是第4 4代计算机向代计算机向微型化方向发展的一个非常重要的分支。微型化方向发展的一个非常重要的分支。 1971 1971年年19771977年是微处理器发展的早期阶段年是微处理器发展的早期阶段: :字长为字长为4 4位或位或8 8位，集成度约为位，集成度约为300030001000010000晶体管晶体管/ /片，片，微处理器的主频为微处理器的主频为0.10.15MHz5MHz。19711971年：年：Intel 4004Intel 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4096409

8、6个半字节个半字节, , 指令系统包括指令系统包括4545条指令条指令19721972年：年：Intel 8008Intel 8008，是世界上第一片，是世界上第一片8 8位微处理器位微处理器 它采用了它采用了1010 m m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为35003500个个 晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为200KHz200KHz。19741974年：年：Intel 8080Intel 8080采用了采用了6 6 m m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为 60006000个晶体管，主频为个晶体管，主频为2MHz2MHz。19751975年年4 4月：月：MITSMITS公司推出了

9、以公司推出了以80808080为为CPUCPU的世的世 界上第一台个人计算机界上第一台个人计算机Altair8800Altair8800。 值得一提的是，值得一提的是，Altair 8800Altair 8800的的BASICBASIC 语言解释器是语言解释器是Bill GatesBill Gates编写的。编写的。19761976年：年： Intel 8080 IntelIntel 8080 Intel公司生产的最后一公司生产的最后一 种种8 8位通用微处理器，位通用微处理器，80858085的工作频的工作频 率提高到率提高到5MHz5MHz，指令系统的指令数上，指令系统的指令数上 升到升到

10、246246条。条。第一代：第一代：8086/80888086/8088（19781978年年-1981-1981年）年）19781978年年-8086-8086采用了采用了3 3 m m工艺，集成了工艺，集成了29,00029,000个晶体管，工作频率为个晶体管，工作频率为4.77 MHz4.77 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1616位，地址总线位，地址总线为为2020位，从而使寻址空间达位，从而使寻址空间达1MB1MB。同时，同时，CPUCPU的内部结构的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6 6字节字节的

11、指令预取队列的指令预取队列19791979年年-8088-8088除了它的数据总线为除了它的数据总线为8 8位以外，其余均与位以外，其余均与80868086相同。相同。80888088采用采用8 8位数据总线是为了利用当时现有的位数据总线是为了利用当时现有的8 8位设备控位设备控制芯片。由于制芯片。由于80888088内部支持内部支持1616位运算，而与位运算，而与I/OI/O之间传之间传输为输为8 8位，故位，故80888088称为准称为准1616位微处理器。位微处理器。19811981年年8 8月，月，IBMIBM公司推出以公司推出以80888088为为CPUCPU的世界上第一台的世界上第

12、一台16 16 位微型计算机位微型计算机IBM 5150IBM 5150 Personal ComputerPersonal Computer，即著名的即著名的 IMB PCIMB PC。X86X86系列微型计算机的发展系列微型计算机的发展第二代：第二代：8028680286（19821982年年-1984-1984年）年）采用采用1.51.5 m m工艺，集成了工艺，集成了134,000134,000个晶体管，工作个晶体管，工作频率为频率为6MHz6MHz。8028680286的数据总线仍然为的数据总线仍然为1616位，但是位，但是地址总线增加到地址总线增加到2424位，使存储器寻址空间达到

13、位，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的微型计算机的微型计算机IBM PC/ATIBM PC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（这就是的工业标准结构（ISAISA）。）。该结构提供了一该结构提供了一个个1616位、高性能的位、高性能的I/OI/O扩展总线。扩展总线。8080年代中期到年代中期到9090年代初，年代初，8028680286一直是微型计算一直是微型计算机的主流机的主流CPUCPU。在这一时期，还诞生了世界上最早在这一时期，还诞生了

14、世界上最早的芯片组（的芯片组（chipsetschipsets）。）。第三代：第三代：8038680386（19851985年年-1988-1988年）年）第一个实用的第一个实用的3232位微处理器，采用了位微处理器，采用了1.51.5 m m工艺，工艺，集成了集成了275,000275,000个晶体管，工作频率达到个晶体管，工作频率达到16MHz16MHz。8038680386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是的内部寄存器、数据总线和地址总线都是3232位的。通过位的。通过3232位的地址总线，位的地址总线，8038680386的可寻址空间的可寻址空间达到达到4GB4GB。这时由这时由32

15、32位微处理器组成的微型计算机位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。已经达到超级小型机的水平。8038680386的其他一些版本：的其他一些版本：80386SX80386SX，包含包含1616位数据位数据总线和总线和2424位地址总线，寻址空间为位地址总线，寻址空间为16MB16MB；80386SL80386SL80386SLC80386SLC，包含包含 l6l6位数据总线和位数据总线和2525位地址总线，位地址总线，寻址空间为寻址空间为32MB32MB。由于这些微处理器由于与由于这些微处理器由于与I/OI/O之之间传输为间传输为1616位，故也称为准位，故也称为准3232位微处

16、理器。位微处理器。第四代：第四代：8048680486（19891989年年-1992-1992年）年）采用采用1 1 m m工艺，集成了工艺，集成了120120万个晶体管，工作频率万个晶体管，工作频率为为25MHz25MHz。8048680486微处理器由三个部件组成：一个微处理器由三个部件组成：一个8038680386体系结构的主处理器，一个与体系结构的主处理器，一个与8038780387相兼容的相兼容的数学协处理器和一个数学协处理器和一个8KB8KB容量的高速缓冲存储器。容量的高速缓冲存储器。8048680486把把8038680386的内部结构做了修改，大约有一半的的内部结构做了修改，

17、大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样这样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。IntelIntel公司还生产过公司还生产过8048680486的其他一些版本：的其他一些版本：80486SX80486SX，工作频率工作频率20MHz20MHz，不包含数学协处理器；不包含数学协处理器；80486DX280486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ66MHZ，内存存取速度为内存存取速度为33MHz33MHz；80486DX4804

18、86DX4，采用三采用三倍时钟，内部执行速度达到倍时钟，内部执行速度达到100MHZ100MHZ，内存存取速度内存存取速度为为33MHz33MHz。PentiumPentium（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）采年）采用用0.80.8 m m工艺技术，集成了工艺技术，集成了310310万个晶体管，工作万个晶体管，工作频率为频率为60MHz/66MHz60MHz/66MHz。第二代第二代PentiumPentium

19、处理器（以处理器（以P54CP54C代称，代称，19941994年）年）采用采用0.60.6 m m工艺，工作频率为工艺，工作频率为90MHz/100MHz90MHz/100MHz。第三代第三代Pentium MMXPentium MMX（以（以P55CP55C代称代称19971997年）增加年）增加了了5757条多媒体指令。条多媒体指令。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技技术，可以说它是术，可以说它是CISCCISC和和RISCRISC技术相结合的产物。技术相结合的产物。第五代：第五代：P6P6（1996-1996-今）今

20、）Pentium ProPentium Pro、Pentium IIPentium II、Pentium IIIPentium III采用采用0.6 0.6 m m -0.18 -0.18 m m工艺，集成度工艺，集成度550550万万-750-750万晶体管，时钟频率万晶体管，时钟频率166166MHz-1GHzMHz-1GHz，采用二级采用二级高速缓存，高速缓存，2 2级超标量流水线结构，一个时钟级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行周期可以执行3 3条指令条指令第六代：未来第六代：未来-64-64位位MecerdMecerd（P7P7）NoImage1.1.2 微型计算机的分类微型计算

21、机的分类1. 按处理器同时处理数据的位数或字长分：按处理器同时处理数据的位数或字长分：4位机位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、64位机位机2. 按结构类型分：按结构类型分：单片微型机、单片微型机、 单板微型机单板微型机微型计算机微型计算机NoImage3. 按用途分：按用途分：(1) 个人计算机个人计算机(PC机机)(2) 工作站服务器工作站服务器(3) 网络计算机网络计算机(简称简称NC)4. 按体积大小分：按体积大小分：(1) 台式机台式机(又称桌上型又称桌上型)(2) 便携式便携式(又称可移动微机、笔记本型、又称可移动微机、笔记本型、膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型膝上型

22、、口袋型、掌上型和钢笔型)NoImage 1.2 1.2 微型机系统的组成微型机系统的组成微型计算机系统的三个层次：微型计算机系统的三个层次：l 微处理器微处理器l 微型计算机微型计算机 l 微型计算机系统微型计算机系统NoImage运算器控制器寄存器RAMROMI/O端口I/O端口微型计算机系统微型计算机系统微型计算机微型计算机微处理器微处理器电源系统软件系统I/O设备I/O设备1.1.微处理器微处理器( (也称微处理机，也称微处理机，Microprocessor)Microprocessor) l 严格讲，严格讲，微处理器微处理器 CPUCPU l“微微”字来源于微电子学的字来源于微电子学

23、的“微微”字。集成电路技术是字。集成电路技术是微电子学的核心，微处理器为超大规模集成电路微电子学的核心，微处理器为超大规模集成电路(VLSI)(VLSI)，是微电子学发展的结果。是微电子学发展的结果。l CPUCPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件术逻辑部件(ALU)(ALU)和控制部件两大主要部分组成。和控制部件两大主要部分组成。l 把把CPUCPU和一组称为寄存器（和一组称为寄存器（RegistersRegisters）的特殊存储器集的特殊存储器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，成在一片大规模集成电路或超大

24、规模集成电路封装之中，这个器件才被称为这个器件才被称为微处理器微处理器。 1.2.1 几个基本定义几个基本定义专专用用寄寄存存器器通通用用寄寄存存器器控制逻辑控制逻辑ALUAB内部总线内部总线微处理器结构框图微处理器结构框图 2. 2.微型计算机微型计算机(Microcomputer)(Microcomputer) l 以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器作的只读存储器（ROMROM）、读写存储器、读写存储器（RAMRAM） 、输、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为称为微型计算机微

25、型计算机。l 将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路将这些组成部分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。芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。微处理器微处理器 总线控制逻辑总线控制逻辑 数据总线数据总线 控制总线控制总线 输入输入/ /输出输出 接口电路接口电路 存储器存储器地址总线地址总线微型计算机基本结构微型计算机基本结构 3.微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputer System)(Microcomputer System) 以微型计算机为中心，配以相应的外围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，就构设备以及控

26、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。成了完整的微型计算机系统。 微型计算机如果不配有软件，通常称为微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。裸机。NoImage微型计算机系统包括微型计算机系统包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统。硬件系统硬件系统：构成计算机的实体。它包括微处：构成计算机的实体。它包括微处理器、存储器、理器、存储器、I/O接口、系统总接口、系统总线、外部设备和电源。线、外部设备和电源。软件系统软件系统：在计算机上运行的各种程序。它：在计算机上运行的各种程序。它包括系统软件和应用软件。包括系统软件和应用软件。1.2.2 微型机系统的组成微型机系统的组成( (主

27、存或内存主存或内存) )用来存储可以供微处理器直接运行的程序或处用来存储可以供微处理器直接运行的程序或处理的数据。理的数据。接口芯片是微处理器与外部输入接口芯片是微处理器与外部输入/ /输出设备之间的输出设备之间的接口。接口。NoImage硬件系统：硬件系统： 微处理器微处理器存储器存储器I/O接口接口 系统总线系统总线算术逻辑单元算术逻辑单元控制器控制器寄存器寄存器ROMRAMROMEPROME2PROMSRAMDRAM并行接口并行接口串行接口串行接口辅助接口辅助接口数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线外部设备外部设备I/O接口接口模拟量模拟量I/O接口接口开关量接口开关量接口键

28、盘、显示器、打印机键盘、显示器、打印机外存储器外存储器软、硬磁盘软、硬磁盘光盘光盘A/DD/A 目前，最流行的实际微机硬件系统一般目前，最流行的实际微机硬件系统一般都是由以下主要部件组成：都是由以下主要部件组成：l 主主 机机 板板 （包括（包括CPUCPU、CPUCPU外围芯片组、主存外围芯片组、主存 储器储器RAMRAM、BIOSBIOS芯片与总线插槽）芯片与总线插槽）l 外设接口卡外设接口卡 ( (如显卡、声卡、网卡如显卡、声卡、网卡) )l 外部外部 设设 备备（如硬盘、光驱、显示器、打印机、（如硬盘、光驱、显示器、打印机、 键盘、调制解调器与鼠标）键盘、调制解调器与鼠标）l 电源电源

29、 ( (二二) ) 软件软件 计算机软件通常分为两大类：系统计算机软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。软件和用户软件。系统软件系统软件是指不需要是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。序所需的一组程序。用户软件用户软件是各用户是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应用软务所编制的应用程序，它也称为应用软件。件。NoImage操作系统操作系统 Dos, Windows, UNIX, LINUX语言处理程序语言处理程序 Turbo C 数据库系统数据库系统 FoxPro、O

30、racle 文字处理软件文字处理软件 Wps、Word表格处理软件表格处理软件 Excel辅助设计软件辅助设计软件 Auto CAD 用户编制的实际程序用户编制的实际程序软件系统：软件系统： 应当指出，应当指出，硬件系统和软件系统是硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成微型计算机系统，相辅相成的，共同构成微型计算机系统，缺一不可。缺一不可。现代的计算机硬件系统和软现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上互相促进。势是两者统一融合，在发展上互相促进。 人是通过软件系统与硬件系统发生人是通过软件系统与硬件系统发生关系的

31、。通常，由人使用程序设计语言关系的。通常，由人使用程序设计语言编制应用程序，在系统软件的干预下使编制应用程序，在系统软件的干预下使用硬件系统。用硬件系统。NoImage 1.3 1.3 微机硬件系统结构基础微机硬件系统结构基础 所谓微机硬件系统结构是指按照总体布局的所谓微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。 19461946年，冯年，冯诺依曼提出诺依曼提出EDVACEDVAC计算方案，计算方案，体现了五部分的计算设计思想。体现了五部分的计算设计思想。现代计算机现代计算机结构仍然是在结构仍然是在冯冯诺依曼诺依曼提出的计算

32、机逻辑提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。结构和存储程序概念基础上建立起来的。1.3.1 计算机的基本结构计算机的基本结构NoImage输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器冯冯诺依曼计算机的基本结构诺依曼计算机的基本结构NoImage1. 一系列基本操作命令一系列基本操作命令程序程序2. “ “机器指令机器指令“的概念的概念 3. 计算机的存储程序控制方式的工作原理：计算机的存储程序控制方式的工作原理：一是能存储程序，二是能自动执行程序。一是能存储程序，二是能自动执行程序。 这一原理决定了人们使用计算机的主这一原理决定了人们使用计算机的主要方式要

33、方式编写程序和执行程序。编写程序和执行程序。1.3.2 微型机的硬件系统结构微型机的硬件系统结构 所谓微机硬件系统结构是指按照总体布局的所谓微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。一设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。一种典型的微机硬件系统结构如下图所示。图中，种典型的微机硬件系统结构如下图所示。图中，用系统总线将各个部件连接起来。用系统总线将各个部件连接起来。微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构ROMCPURAMI/O接口外部设备电源时钟脉冲电路ABDBCB1.2.3 微机的总线结构微机的总线结构 所谓所谓总线总线是用来传送信息的公共导线，它们是用来

34、传送信息的公共导线，它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属线。所有的信息都通过总线上的一层极薄的金属线。所有的信息都通过总线传送。传送。 在总线结构中，通过总线实现微处理器、存在总线结构中，通过总线实现微处理器、存储器和所有储器和所有I/OI/O设备之间的信息交换。微型计算机设备之间的信息交换。微型计算机中有两股信息流（数据信息流和控制信息流）在中有两股信息流（数据信息流和控制信息流）在流动。流动。 采用总线结构时，系统中各部件均挂在总线上，采用总线结构时，系统中各部件均挂在总线上，可以使微机系统的结构比较简单，易于维护，并具

35、可以使微机系统的结构比较简单，易于维护，并具有更大的灵活性和更好的可扩展性。有更大的灵活性和更好的可扩展性。 总线一般有总线一般有3 3种结构种结构，由下页图可以看到系统由下页图可以看到系统总线将构成微型机的各个部件连接到一起，实现了总线将构成微型机的各个部件连接到一起，实现了微型机内部各部件间的信息交换。微型机内部各部件间的信息交换。 1.1.单总线结构单总线结构 在单总线结构中，系在单总线结构中，系统存储器统存储器M M和和I/OI/O接口均使接口均使用同一组信息通路，因此，用同一组信息通路，因此，CPUCPU对对M M的读的读/ /写和对写和对I/OI/O接接口的输入输出操作只能分口的输

36、入输出操作只能分时进行。目前大部分中低时进行。目前大部分中低档微机都采用这种结构，档微机都采用这种结构，因为它的结构简单，成本因为它的结构简单，成本低廉。低廉。 2.2.双总线结构双总线结构 这种结构的这种结构的M M和和I/OI/O接口接口各具有一组连通各具有一组连通CPUCPU的总线，的总线，故故CPUCPU可以分别在两组总线上可以分别在两组总线上同时与同时与M M和和I/OI/O交换信息，因交换信息，因而拓宽了总线带宽，提高了而拓宽了总线带宽，提高了总线的数据传输效率。总线的数据传输效率。 目前的高档微机即采用目前的高档微机即采用这种结构。由于双总线结构这种结构。由于双总线结构中的中的C

37、PUCPU要同时管理要同时管理M M和和I/OI/O的的通信，故加重了通信，故加重了CPUCPU的负担。的负担。为此，现在通常采用专门的为此，现在通常采用专门的处理芯片即所谓的智能处理芯片即所谓的智能I/OI/O接接口来负责口来负责I/OI/O的管理任务，以的管理任务，以减轻减轻CPUCPU的负担。的负担。 3.3.双重总线结构双重总线结构 它有局部总线与全局总线这双重总它有局部总线与全局总线这双重总线。当线。当CPUCPU通过局部总线访问局部通过局部总线访问局部M M和和局部局部I/OI/O时，其工作方式与单总线的情时，其工作方式与单总线的情况相同。当系统中某微处理器需要对况相同。当系统中某

38、微处理器需要对全局全局M M和全局和全局I/OI/O访问时，则必须由总访问时，则必须由总线控制逻辑统一安排才能进行，这时线控制逻辑统一安排才能进行，这时该微处理器就是系统的主控设备。该微处理器就是系统的主控设备。 比如，当比如，当DMADMA（直接存储器存取）（直接存储器存取）控制器作为系统的主控设备时，则全控制器作为系统的主控设备时，则全局局M M和全局和全局I/OI/O之间便可通过系统总线之间便可通过系统总线进行进行DMADMA操作；与此同时，操作；与此同时，CPUCPU还可以还可以通过局部总线对局部通过局部总线对局部M M和局部和局部I/OI/O进行进行访问。这样，整个系统便可在双重总访

39、问。这样，整个系统便可在双重总线上实现并行操作，从而提高了系统线上实现并行操作，从而提高了系统数据处理和数据传输的效率。目前各数据处理和数据传输的效率。目前各种高档微机和工作站基本上都采用这种高档微机和工作站基本上都采用这种双重总线结构。种双重总线结构。NoImage 1.4 1.4 微处理器模型的组成微处理器模型的组成 1.4.1 微处理器结构图微处理器结构图 由图可知，微处理器由运算器、控制器由图可知，微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列组成。和内部寄存器阵列组成。 1. 1. 运算器运算器 运算器又称为算术逻辑单元（运算器又称为算术逻辑单元（arithmetic arithmetic

40、 and logic unit,ALUand logic unit,ALU），用来进行算术或逻辑运），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。算以及位移循环等操作。 参加运算的两个操作数，通常，一个来自累参加运算的两个操作数，通常，一个来自累加器加器A A（accumulatoraccumulator），另一个来自内部数据总），另一个来自内部数据总线，可以是数据寄存器线，可以是数据寄存器DRDR（data registerdata register）中）中的内容，也可以是寄存器阵列的内容，也可以是寄存器阵列RARA中某个寄存器的中某个寄存器的内容。运算结果往往也送回累加器内容。运算结果往往也

41、送回累加器A A暂存。暂存。1.4.2 微处理器各部件功能微处理器各部件功能 2 .2 .控制器控制器 指令寄存器指令寄存器（instruction register,instruction register,IRIR），用来存放从），用来存放从存储器取出的将要执行的指令（实为其操作码）。存储器取出的将要执行的指令（实为其操作码）。 指令译码器指令译码器（instruction decoder,instruction decoder,IDID），用来对指令），用来对指令寄存器寄存器IRIR中的指令进行译码，以确定该指令应该执行什么操中的指令进行译码，以确定该指令应该执行什么操作。作。 可编程逻

42、辑阵列可编程逻辑阵列（programmable logic array,programmable logic array,PLAPLA），），也称为定时与控制电路，用来产生取指令和执行指令所需的也称为定时与控制电路，用来产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。由于每条指令所执行的具体操作不同，各种微操作控制信号。由于每条指令所执行的具体操作不同，所以，每条指令将对应控制信号的某一种组合，以确定相应所以，每条指令将对应控制信号的某一种组合，以确定相应的操作序列。的操作序列。 3. 3. 内部寄存器内部寄存器 通常，内部寄存器包括若干个功能不同的通常，内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄

43、存器组。寄存器或寄存器组。 累加器累加器A A，是用得最频繁的一个寄存器。在，是用得最频繁的一个寄存器。在进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作数；运算后，用来保存前，用来保存一个操作数；运算后，用来保存结果。结果。 数据寄存器数据寄存器DRDR，用来暂存数据或指令。从存，用来暂存数据或指令。从存储器读出时，若读出的是指令，经储器读出时，若读出的是指令，经DRDR暂的指令通暂的指令通过内部数据总线送到指令寄存器过内部数据总线送到指令寄存器IRIR；若读出的是；若读出的是数据，则通过内部数据总线送到有关的寄存器或数据，则通过内部数据总

44、线送到有关的寄存器或运算器。运算器。 内存储器写入数据时，数据是经数据寄存器内存储器写入数据时，数据是经数据寄存器DRDR，再经数据总线，再经数据总线DBDB写入存储器的。写入存储器的。 程序计数器程序计数器PCPC（program counterprogram counter） ，PCPC中存放着正待取出的指令的地址。根据中存放着正待取出的指令的地址。根据PCPC中的中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。令。 通常，程序按顺序逐条执行。任何时刻，通常，程序按顺序逐条执行。任何时刻，PCPC都指示微处理器要取的下一个字节或下一条都指示微处理器要

45、取的下一个字节或下一条指令（对单字节指令而言）所在的地址。因此，指令（对单字节指令而言）所在的地址。因此，PCPC具有自动加具有自动加1 1的功能。的功能。 地址寄存器地址寄存器ARAR（address registeraddress register），用来），用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。 在取指令时，将在取指令时，将PCPC中存放的指令地址送到中存放的指令地址送到ARAR，根据此地址从存储器中取出指令。根据此地址从存储器中取出指令。 在取操作数时，将操作数地址通过内部数据在取操作数时，将操作数地址通过内部数据总线送到总线送到ARAR，

46、再根据此地址从存储器中取出操作，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到据的地址送到ARAR，再根据此地址向存储器写入数，再根据此地址向存储器写入数据。据。 标志寄存器标志寄存器F(flag register)F(flag register)，用来寄存执行用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根据检测有关的标志位是据检测有关的标志位是0 0或或1 1，可以按不同条

47、件决定，可以按不同条件决定程序的流向。程序的流向。 此外，此外，寄存器阵列寄存器阵列RA(register array),RA(register array),也称也称为寄存器组为寄存器组RS(register stuff) RS(register stuff) 。它通常包括若。它通常包括若干个通用寄存器和专用寄存器，其具体设置因不同干个通用寄存器和专用寄存器，其具体设置因不同的微处理器而异。的微处理器而异。NoImage 1.5 1.5 存储器概述存储器概述 1.5.1 基本概念基本概念 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

48、据、中间结果与最终结果）。在计算数据（包括原始数据、中间结果与最终结果）。在计算机内部，程序和数据都是用机内部，程序和数据都是用0 0、1 1二进制代码的形式来表二进制代码的形式来表示的。每一个示的。每一个0 0或或1 1就叫做就叫做1 1位位(bit)(bit)信息。信息。 在计算机中，一般将位二进制代码作在计算机中，一般将位二进制代码作为一个为一个字节（字节（ByteByte）, ,再用再用2 2个字节组成一个字节组成一个个字（字（WordWord）来标识来标识1616位数据的长度。位数据的长度。 字长字长: : 表示计算机数据总线上一次能表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数即位长处

49、理的信息的位数即位长，并由此而定义，并由此而定义是多少位的计算机是多少位的计算机, ,如如1 1位机，位机，4 4位机、位机、8 8位位机、机、1616位机、位机、3232位机等。位机等。 我们所讨论的存储器通常是指我们所讨论的存储器通常是指内存内存（又称为（又称为主主存存），内存可划分为很多个），内存可划分为很多个存储单元存储单元( (又叫又叫内存单内存单元元) )。每一个存储单元中一般存放一个字节（。每一个存储单元中一般存放一个字节（8 8位）位）的二进制信息。的二进制信息。 存储单元的总数目取决于地址线的根数。存储单元的总数目取决于地址线的根数。存储存储单元中的内容为数据或指令。单元中的

50、内容为数据或指令。 为了能识别不同的单元，我们分别赋予每个单为了能识别不同的单元，我们分别赋予每个单元一个编号。这个编号称之为元一个编号。这个编号称之为地址地址。显然，各存储。显然，各存储单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的意单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的意思，不可混淆。思，不可混淆。 存储单元的总数称为存储容量，一般用存储单元的总数称为存储容量，一般用B B（ByteByte）表示，其中）表示，其中 1 B 8 bit 1 KB 210 B 1024 B 1 MB 220 B 1024 KB 1 GB 230 B 1024 MB 1 TB 240 B 1024 GB 现假定

51、存储器由现假定存储器由256256个单元组成，每个单元个单元组成，每个单元存储存储8 8位二进制信息，即字长为位二进制信息，即字长为8 8位，其结构简位，其结构简图如下页图所示。这种规格的存储器，通常称图如下页图所示。这种规格的存储器，通常称为为2562568 8位的读位的读/ /写存储器。写存储器。 1.5.2 存储器组成存储器组成 从图中可见，从图中可见，随机存取存储器由存储体、地址随机存取存储器由存储体、地址译码器和控制电路组成译码器和控制电路组成。 存储体存储体共有共有256256个存储单元，其编号从个存储单元，其编号从00H(00H(十十六进制表示六进制表示) )到到FFH,FFH,

52、即从即从0000000000000000到到11111111.11111111. 地址译码器地址译码器接收从地址总线接收从地址总线ABAB送来的地址码送来的地址码, ,经译码器译码选中相应的某个存储单元，以便从中经译码器译码选中相应的某个存储单元，以便从中读出读出( (取出取出) )信息或写入信息或写入( (存入存入) )信息信息. . 控制电路控制电路用来控制存储器的读用来控制存储器的读/ /写操作过程。写操作过程。 1.5.3 读读/ /写操作过程写操作过程1. 1. 存储器读操作过程存储器读操作过程假定假定CPUCPU要读出存储器要读出存储器04H04H单元的内容单元的内容1001011

53、110010111，即，即97H97H，则：，则： （1 1）CPUCPU的地址寄存器的地址寄存器ARAR先给出地址先给出地址04H04H并将它放到地址并将它放到地址总线上，经地址译码器译选中总线上，经地址译码器译选中04H04H单元单元; ; （2 2）CPUCPU发出发出“读读”控制信号给寄存器，指示它准备把被控制信号给寄存器，指示它准备把被寻址的寻址的04H04H单元中的内容单元中的内容97H97H放到数据总线上放到数据总线上; ; （3 3）在读控制信号的作用下）在读控制信号的作用下, ,存储器将存储器将04H04H单元中的内容单元中的内容97H97H放到数据总线放到数据总线, ,经它

54、送至据寄存器经它送至据寄存器DR,DR,然后由然后由CPUCPU取走该内取走该内容作为所需要的信息使用。容作为所需要的信息使用。 应当指出，读操作完成后，应当指出，读操作完成后，04H04H单元中的内容单元中的内容97H97H仍保持仍保持不变不变, ,这种特点称为非破坏性读出这种特点称为非破坏性读出(non destructive read (non destructive read out,NDRO)out,NDRO)。这一特点很重要，因为它允许多次读出同一单元。这一特点很重要，因为它允许多次读出同一单元的内容。的内容。2. 2. 存储器写操作过程存储器写操作过程 向存储器写入信息的操作过程

55、见下页图所示。假定向存储器写入信息的操作过程见下页图所示。假定CPUCPU要把数据寄存器要把数据寄存器DRDR中的内容中的内容0010011000100110即即26H26H写入存储器写入存储器08H08H单元，则：单元，则： （1 1）CPUCPU的地址寄存器的地址寄存器ARAR先把地址先把地址08H08H放到地址总线上，放到地址总线上，经地址译码器选中经地址译码器选中08H 08H 单元；单元； （2 2）CPUCPU把数据寄存器中的内容把数据寄存器中的内容26H26H放到数据总线上；放到数据总线上； （3 3）CPUCPU向存储器发送向存储器发送“写写”控制信号，在该信号的控控制信号，在

56、该信号的控制下，将内容制下，将内容26H26H写入被寻址的写入被寻址的08H08H单元。单元。 应当注意，写入操作将破坏该单元中原来存放的内容，应当注意，写入操作将破坏该单元中原来存放的内容，即由新内容即由新内容26H26H代替了原存内容，原存内容将被清除。代替了原存内容，原存内容将被清除。 上述类型的存储器称为随机存取存储器上述类型的存储器称为随机存取存储器（random access memoryrandom access memory，RAMRAM）。所谓）。所谓“随随机存取机存取”即所有存储单元均可随时被访问，既即所有存储单元均可随时被访问，既可以读出也可以写入信息。可以读出也可以写入

57、信息。NoImage 1.6 1.6 微机工作原理与程序执行过程微机工作原理与程序执行过程 1.6.1 微机的工作原理微机的工作原理 现代占主流地位的计算机结构仍是在现代占主流地位的计算机结构仍是在冯冯诺诺依曼依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。础上建立起来的。NoImage 冯冯诺依曼思想：存储程序原理诺依曼思想：存储程序原理l 由运算器、控制器、存储器、输入设备和由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；输出设备五大部分组成；l 数据和程序以二进制代码的形式不加区别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，

58、存放位置由地址指定，地地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式址码也是二进制形式l 控制器根据存放在存储器中的指令序列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（即程序）工作，并由一个程序计数器（PCPC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够控制指令的执行。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。根据计算结果选择不同的动作流程。 微型计算机的工作过程就是执行程序的过程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，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就是执行指令序列

59、的过程，即逐条地从存储器中，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。取出指令并完成指令所指定的操作。 由于执行由于执行每一条指令，都包括取指、译码和每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过，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，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。直到遇到停机指令时才结束机器的运行。 1.6.2 程序执行过程程序执行过程 假定程序已由输入设备存放到内存中。当计算假定程序已由输入设备存放到内存中。当计算机要从机要从停机状态停机状态进入进入运行状态运行状态

60、时，首先应把第时，首先应把第1 1条指条指令所在的地址赋给程序计数器令所在的地址赋给程序计数器PCPC，然后机器就进入，然后机器就进入取指阶段取指阶段。 在取指阶段，在取指阶段，CPUCPU从内存中读出的内容必为指令，从内存中读出的内容必为指令，于是，数据寄存器于是，数据寄存器DRDR便把它送至指令寄存器便把它送至指令寄存器IRIR；然；然后由指令译码器译码，控制器就发出相应的控制信后由指令译码器译码，控制器就发出相应的控制信号，号，CPUCPU便知道该条指令要执行什么操作。便知道该条指令要执行什么操作。 在取指阶段结束后，机器就进入在取指阶段结束后，机器就进入执指阶段执指阶段，这，这时，时，