微型计算机原理与接口技术第五版(中国科学技术大学出版社)第1章

1、1第一章第一章 绪论绪论1-1 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 自从自从1946年第一代电子计算机在美国年第一代电子计算机在美国研制成功以后，计算机的发展已经经历了研制成功以后，计算机的发展已经经历了从电子管计算机、晶体管计算机、集成电从电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机几代了。路计算机、大规模集成电路计算机几代了。 第一代电子计算机使用了第一代电子计算机使用了18800个电子个电子管，重管，重30吨，占地吨，占地150平方米，耗电平方米，耗电150千千瓦，每秒完成瓦，每秒完成5000次加法计算。第二代晶次加法计算。第二代晶体管计算机在体管计算机在195

2、8年推出，用晶体管代替年推出，用晶体管代替了电子管，大大降低了计算机的成本和体了电子管，大大降低了计算机的成本和体积，运算速度成百倍的提高。积，运算速度成百倍的提高。 1965年以中小规模集成电路为主体的年以中小规模集成电路为主体的计算机问世，使计算机的体积进一步缩小，计算机问世，使计算机的体积进一步缩小，配上各类操作系统，计算机性能极大地提配上各类操作系统，计算机性能极大地提高。高。1970年大规模集成电路（年大规模集成电路（LSI）研制成）研制成功，计算机也发展到第四代，微型计算机功，计算机也发展到第四代，微型计算机正是第四代计算机的典型代表。正是第四代计算机的典型代表。1971年，年，在

3、美国硅谷第一台微型计算机诞生了，从在美国硅谷第一台微型计算机诞生了，从而开创了微型计算机的新时代。而开创了微型计算机的新时代。 微型计算机与大型机、中型机、小型微型计算机与大型机、中型机、小型机在系统结构和工作原理上相比没有本质机在系统结构和工作原理上相比没有本质的区别，但由于它采用了的区别，但由于它采用了LSI器件，集成度器件，集成度高，使它具有独特的优点：体积小、重量高，使它具有独特的优点：体积小、重量轻、可靠性高、结构配置灵活、价格低廉，轻、可靠性高、结构配置灵活、价格低廉，从而发展迅猛，自从而发展迅猛，自1971年问世以来，几乎年问世以来，几乎每隔二、三年就推出一代新的微处理器。每隔二

4、、三年就推出一代新的微处理器。2 微处理器的发展情况：微处理器的发展情况：1. 第一代微处理器（第一代微处理器（1971年开始）年开始） 4位和位和8位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为： 1971年年 Intel 40041972年年 Intel 8008 芯片采用芯片采用PMOS工艺，集成度为工艺，集成度为2300只只晶体管晶体管/片，时钟频率小于片，时钟频率小于1MHz，平均指令，平均指令执行时间为执行时间为1015us，采用机器语言编程。，采用机器语言编程。2. 第二代微处理器（第二代微处理器（1974年开始）年开始） 8位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为： 19

5、74年年 Intel 8080 1974年年 Motorola MC68001975年年 Zilog Z80 1976年年 Intel 8085 芯片采用芯片采用NMOS工艺，集成度达工艺，集成度达9000只晶体管只晶体管/片，时钟频率片，时钟频率14MHz，平均指，平均指令执行时间为令执行时间为12us。用它构成的微型计算。用它构成的微型计算机在结构上已具有计算机的体系结构，有机在结构上已具有计算机的体系结构，有中断和中断和DMA等功能，指令系统较为完善，等功能，指令系统较为完善，软件上也配备了汇编语言、软件上也配备了汇编语言、BASIC、FORTRAN语言和操作系统。语言和操作系统。3.

6、第三代微处理器（第三代微处理器（1978年开始）年开始） 16位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为：1978年年 Intel 80861979年年 Zilog Z8000 1979年年 Motorola 680001982年年 Intel 80286 Motorola 68010 80868086微处理器采用微处理器采用HMOSHMOS工艺，集成度工艺，集成度达达2900029000只晶体管只晶体管/ /片，时钟频率有片，时钟频率有5MHz5MHz、8MHz8MHz和和10MHz10MHz，平均指令执行时间，平均指令执行时间0.5us0.5us。具有丰富的指令系统，采用多级中断，多具

7、有丰富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，数据库管理系统和多种高级语操作系统，数据库管理系统和多种高级语言，性能超过了言，性能超过了7070年代的中低档小型机水年代的中低档小型机水平。值得一题的是平。值得一题的是80868086被用作被用作IBM PCIBM PC的的CPUCPU，时钟频率为时钟频率为5MHz5MHz，数据总线，数据总线1616位，地址总位，地址总线线2020位，可寻址位，可寻址1M1M字节内存空间。字节内存空间。 由于由于80868086缺乏存储器管理，缺乏存储器管理，19841984年，年，Intel

8、Intel公司起用公司起用80286 CPU80286 CPU，研制了，研制了IBM IBM PC/ATPC/AT机。机。8028680286与与80868086向上兼容，有向上兼容，有2424位位地址总线，寻址能力达地址总线，寻址能力达16M16M字节，时钟频率字节，时钟频率可达可达25MHz25MHz。IBM PC/ATIBM PC/AT的运算速度比的运算速度比IBM IBM PC/XTPC/XT（8086CPU8086CPU）快十）快十1212倍，包含了存储倍，包含了存储器管理和保护方式，支持虚拟存储器管理和保护方式，支持虚拟存储器体系，器体系，满足了多用户和多任务的工作需要。满足了多用

9、户和多任务的工作需要。4. 第四代微处理器（第四代微处理器（1983年开始）年开始） 32位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为： 1983年年 Zilog Z80000 1984年年 Motorola 68020 1985年年 Intel 80386 1989年年 Intel 80486 Motorola 68040 80386 CPU采用采用CHMOS工艺，集成度工艺，集成度高达高达15万万50万只晶体管万只晶体管/片，时钟频率片，时钟频率1640MHz，平均指令执行时间小于，平均指令执行时间小于0.1us。数据总线和地址总线均为数据总线和地址总线均为32位，寻址能力位，寻址能力高

10、达高达4G字节，采用段页式存储器管理机制，字节，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储，容量高提供带有存储器保护的虚拟存储，容量高达达2的的46次方字节，运算速度达到次方字节，运算速度达到300万万400万条指令万条指令/秒。采用秒。采用6级流水线，即取指级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。问并行操作。 1989年年Intel公司又推出了高性能公司又推出了高性能32位位微处理器：微处理器：Intel 80486，集成度达，集成度达120万只万只晶体管晶体管/片，系统性能为片，系统性能为80386的的24倍，增倍，增

11、加了片内协处理器，片内高速缓存（加了片内协处理器，片内高速缓存（Cache）内部数据总线为内部数据总线为64位。位。80486采用了采用了RISC技技术（术（Reduced Instruction Set Computer-简简化指令集合计算机），降低了每条指令执化指令集合计算机），降低了每条指令执行的时间，使行的时间，使80486的处理速度极大提高，的处理速度极大提高，相同时钟频率下运算速度比相同时钟频率下运算速度比80386快快30%。5. 第五代微处理器（第五代微处理器（1993年开始）年开始）典型产品为：典型产品为：1993年年 Pentium 586 1995年年 Pentium P

12、ro1996年年 Pentium MMX1997年年 Pentium II1999年年 Pentium III2000年年 Pentium 42006年年 Core(酷睿）酷睿）31-2 微型计算机系统微型计算机系统 从大型计算机到微型计算机，其基本结从大型计算机到微型计算机，其基本结构属于冯构属于冯 诺依曼型计算机，如图诺依曼型计算机，如图1-1所所示。示。控制器控制器主存储器主存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器图图1-1 计算机基本结构计算机基本结构为中心为中心4一、一、 微型计算机及其系统微型计算机及其系统1. 微处理器微处理器 微处理器只是一个中央处理器微处理器只是一个

13、中央处理器(CPU)，由算术逻辑部件（由算术逻辑部件（ALU），累加器和通用），累加器和通用寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑部件，内部总线等组成。典型结构如图部件，内部总线等组成。典型结构如图1-2所示。所示。AH ALBH BLCH CL DH DLSPBPSIDIIPCSDSSSES控制逻辑PSW数据寄存器指针及变址寄存器段寄存器ALU图图1-2 微处理器的结构微处理器的结构ALU（算术逻辑单元）：完成算术运算（算术逻辑单元）：完成算术运算（+，-，等操作）和逻辑运算（与，或，非，异或等操作）等操作）和逻辑运算（与，或，非，异或等操作）数据寄存器和指

14、针及变址寄存器：存放参加运数据寄存器和指针及变址寄存器：存放参加运算的数据、中间结果或地址。算的数据、中间结果或地址。控制逻辑部件：负责对整机的控制，包括从存储器中控制逻辑部件：负责对整机的控制，包括从存储器中取指令，对指令进行译码和分析，发出响应的控制信取指令，对指令进行译码和分析，发出响应的控制信号和时序，送到微型计算机的其他部件，使号和时序，送到微型计算机的其他部件，使CPU内内部及外部协调工作。部及外部协调工作。PSW（标志（标志/状态寄存器）：存放状态寄存器）：存放ALU运算结运算结果的特征。果的特征。52. 微型计算机微型计算机 微型计算机由微型计算机由CPU，存储器，输入，存储器

15、，输入/输出输出接口电路和系统总线构成。如图接口电路和系统总线构成。如图1-3所示。所示。存储器存储器I/O接口I/O接口I/O外设I/O外设CPUCPU地址总线地址总线控制总线控制总线数据总线数据总线图图1-3 微型计算机的组成微型计算机的组成不包括不包括CPU：是计算机的核心，它的性能决定了整：是计算机的核心，它的性能决定了整个微型计算机的各项关键指标，如运算速度，个微型计算机的各项关键指标，如运算速度，内存容量，存取时间等。内存容量，存取时间等。存储器：有存储器：有ROM和和RAM。每个存储单元存。每个存储单元存放一个字节数据，即放一个字节数据，即8位二进制数据，每个位二进制数据，每个存

16、储单元对应一个地址。地址和地址单元的存储单元对应一个地址。地址和地址单元的内容常用内容常用16进制数表示。进制数表示。输入输入/输出接口电路：是输出接口电路：是CPU(或存储器或存储器)与外与外部设备连接的桥梁。部设备连接的桥梁。(为什么要使用接口电为什么要使用接口电路？路？)系统总线：按传送信息的类型分三类：系统总线：按传送信息的类型分三类：数据总线：双向数据总线：双向地址总线：单向地址总线：单向控制总线：双向控制总线：双向63. 微型计算机系统微型计算机系统 以微型计算机为主体，配上外部输入以微型计算机为主体，配上外部输入/输输出设备及系统软件就构成了微型计算机系统。出设备及系统软件就构成

17、了微型计算机系统。外设用来实现数据的输入外设用来实现数据的输入/输出。如键盘、扫输出。如键盘、扫描仪等都是输入设备，打印机、显示器等都描仪等都是输入设备，打印机、显示器等都是输出设备。没有配置软件的计算机称为裸是输出设备。没有配置软件的计算机称为裸机，仍然什么事也干不了，必须配上系统软机，仍然什么事也干不了，必须配上系统软件和应用软件。图件和应用软件。图1-4所示的是微型计算机系所示的是微型计算机系统的组成框图。统的组成框图。7运算器控制器寄存器组RAMROMI/O端口I/O外设系统软件图图1-4 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成微型计算机系统微型计算机微处理器系统总线8二、存储器二、

18、存储器 存储器用来存储数据和程序。存储器一存储器用来存储数据和程序。存储器一般分为两大类，内部存储器（内存或主存）般分为两大类，内部存储器（内存或主存）和外部存储器（外存或辅存）。内存存放当和外部存储器（外存或辅存）。内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，前正在使用或经常使用的程序和数据，CPU可以直接访问；外存存放可以直接访问；外存存放“海量海量”数据，相数据，相对来说不经常使用，对来说不经常使用，CPU使用时要先调入内使用时要先调入内存。存。高速高速缓冲缓冲存储存储器器主存主存储器储器辅助辅助存储存储器器海量海量存储存储器器CPUCPU内存储器内存储器外存储器外存储器图图1-5 存储

19、体系存储体系9三、三、I/O接口接口 I/O接口即输入接口即输入/输出接口电路用于输出接口电路用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。由于（或存储器）与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与外设种类繁多，这些设备与CPU之间的工作之间的工作速率不同、信号电平不同、数据格式不同，速率不同、信号电平不同、数据格式不同，因此要配备不同的因此要配备不同的I/O接口电路来辅助接口电路来辅助CPU工工作，实现作，实现CPU与外设之间的信息交换。与外设之间的信息交换。10四、总线四、总线 在计算机系统中，各个部件之间传送信在计算机系统中，各个部件之间传送信息的息的公共通道公共通道叫总线。微型计

20、算机是以总线叫总线。微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。各个部件都面结构来连接各个功能部件的。各个部件都面向总线，系统功能扩展时，只要符合总线标向总线，系统功能扩展时，只要符合总线标准，部件就可以加入到此系统中去。准，部件就可以加入到此系统中去。1. 总线标准的特性总线标准的特性1）物理特性：物理特性指的是总线物理连）物理特性：物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等等。插座是什么形状、引脚是如何排列等等。2）功能特性：功能特性描述的是总线中每）功能特性：功能特性描述的是总线中每一根线的功能是什

21、么。从功能上看，总线一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成分成3组：地址总线、数据总线和控制总线。组：地址总线、数据总线和控制总线。3）电器特性：电器特性定义每一根线上信）电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传输方向及有效电平范围。号的传输方向及有效电平范围。4）时间特性：时间特性定义了每根线上的）时间特性：时间特性定义了每根线上的信号在什么时间有效。信号在什么时间有效。112. 总线分类总线分类从总线的不同使用角度可以分为以下几类：从总线的不同使用角度可以分为以下几类：1）内部总线）内部总线 内部总线是微处理器内部各个部件之间内部总线是微处理器内部各个部件之间传送信息的通道。由于制造芯片

22、的面积和引传送信息的通道。由于制造芯片的面积和引脚的限制，目前内部总线大多数采用单总线脚的限制，目前内部总线大多数采用单总线结构，有利于集成度提高及成品率提高。有结构，有利于集成度提高及成品率提高。有点微处理器内部采用双总线或三总线结构，点微处理器内部采用双总线或三总线结构，有利于内部数据传送速度加快。内部总线是有利于内部数据传送速度加快。内部总线是由微处理器芯片厂家生产设计的。由微处理器芯片厂家生产设计的。2）元件级总线）元件级总线 元件级总线是连接计算机系统中两个重元件级总线是连接计算机系统中两个重要部件的总线。元件级总线包括地址总线、要部件的总线。元件级总线包括地址总线、数据总线和控制总

23、线三种。数据总线和控制总线三种。 地址总线是地址总线是CPU用来向存储器或用来向存储器或I/O端口端口传送地址的，是三态单向总线。地址总线的传送地址的，是三态单向总线。地址总线的位数决定了位数决定了CPU可直接寻址的内存容量。可直接寻址的内存容量。8位位微型机的地址总线为微型机的地址总线为16位，最大寻址范围为位，最大寻址范围为216=64KB。16位微处理器位微处理器8086的地址总线为的地址总线为20位，最大寻址范围为位，最大寻址范围为220=1MB。 数据总线是数据总线是CPU与存储器及外设交换数与存储器及外设交换数据的通路，是三态双向总线，数据总线的位据的通路，是三态双向总线，数据总线

24、的位数与微处理器的位数相同，一般为数与微处理器的位数相同，一般为8位，位，16位，位，32位等。位等。Intel 8088CPU内部字长为内部字长为16位，外位，外部数据总线为部数据总线为8位，故称为准位，故称为准16位微处理器。位微处理器。 控制总线是用来传送控制信号的，传送控制总线是用来传送控制信号的，传送方向就具体信号而定，如方向就具体信号而定，如CPU向存储器或向存储器或I/O接口电路发送读、写信号，片选信号；而接口电路发送读、写信号，片选信号；而I/O接口部件向接口部件向CPU输入复位信号、中断请求信输入复位信号、中断请求信号和总线请求信号等。控制总线宽度根据系号和总线请求信号等。控

25、制总线宽度根据系统需要确定，一般为统需要确定，一般为8位。位。123）系统总线）系统总线 系统总线是微处理器机箱内的底板总线，系统总线是微处理器机箱内的底板总线，用来连接构成微处理器的各个插件板。在用来连接构成微处理器的各个插件板。在80 x86系列微机系统中，使用的系统总线主要系列微机系统中，使用的系统总线主要有下列几种：有下列几种：ISA总线：工业标准体系结构（总线：工业标准体系结构（Industry Standard Architecture）总线。）总线。EISA总线：扩展工业标准体系结构总线：扩展工业标准体系结构（Extended Industry Standard Architec

26、ture）VESA总线：视频电子标准协会（总线：视频电子标准协会（Video Electronics Standards Association）联合多家）联合多家公司推出的全开放通用局部总线。公司推出的全开放通用局部总线。PCI总线：外设互连（总线：外设互连（Peripheral Component Interconnect）局部总线。）局部总线。134）外部总线）外部总线 外部总线用于微机系统与系统之间，系外部总线用于微机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。这种总线的统与外部设备之间的信息通路。这种总线的数据的传送方式有并行方式和串行方式。例数据的传送方式有并行方式和串行方式。例

27、如串行通信的如串行通信的RS-232总线，总线，USB总线等。总线等。143. 总线结构总线结构 随着微型计算机的发展，总线的结构从随着微型计算机的发展，总线的结构从面向系统的单总线结构发展到面向存储器的面向系统的单总线结构发展到面向存储器的双总线结构：双总线结构：1）单总线结构）单总线结构地址总线地址总线主存主存储器储器CPUCPUI/OI/O接口接口I/O设备I/O设备数据总线数据总线控制总线控制总线图图1-7 微机单总线结构微机单总线结构 如图所示，系统的内部存储器如图所示，系统的内部存储器I/O接口均挂在接口均挂在单总线上。单总线上。CPU与主存，与主存，CPU与与I/O接口，存储器接

28、口，存储器和和I/O接口及各个接口及各个I/O接口之间的信息传送都通过总接口之间的信息传送都通过总线来进行。由于系统所有的部件和设备都连在一组线来进行。由于系统所有的部件和设备都连在一组总线上，总线只能分时工作，使数据传输量受限。总线上，总线只能分时工作，使数据传输量受限。2）面向）面向CPU的双总线结构的双总线结构I/O总线I/O总线主存主存储器储器CPUCPU存储存储总线总线I/O设备I/O设备I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备图图1-8 面向面向CPU的双总线结构的双总线结构 如图所示，面向如图所示，面向CPU的双总线结构通过存储总的双总线结构通过存储总线使线使

29、CPU对主存储器进行读对主存储器进行读/写操作；而写操作；而CPU与与I/O设备之间的信息交换通过设备之间的信息交换通过I/O总线，这样提高了微总线，这样提高了微机系统的数据传送效率。双总线结构的缺点是外设机系统的数据传送效率。双总线结构的缺点是外设与主存之间没有直接通路，要通过与主存之间没有直接通路，要通过CPU进行信息交进行信息交换，降低了换，降低了CPU的工作效率。的工作效率。3）面向主存储器的双总线结构）面向主存储器的双总线结构图图1-9 面向主存储器的双总线结构面向主存储器的双总线结构 如图所示，它结合了以上两种总线结构的特点，如图所示，它结合了以上两种总线结构的特点，所有的部件和设

30、备均挂到总线上，可通过总线交换所有的部件和设备均挂到总线上，可通过总线交换信息，同时又在信息，同时又在CPU与主存储器之间增加了一组高与主存储器之间增加了一组高速存储总线，使速存储总线，使CPU与主存之间可直接高速交换信与主存之间可直接高速交换信息。息。I/O总线I/O总线存储存储总线总线I/O设备I/O设备I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备CPUCPU主存主存储器储器15五、微型计算机的性能指标五、微型计算机的性能指标1）主频：主频是指微型计算机中）主频：主频是指微型计算机中CPU的时的时钟频率，微机运行的速率与主频有关。钟频率，微机运行的速率与主频有关。2）字长：

31、字长指微机能够直接处理的二进）字长：字长指微机能够直接处理的二进制的位数，字长越长运算精度越高，功能制的位数，字长越长运算精度越高，功能越强。越强。3）内存容量：内存容量指微机存储器能存）内存容量：内存容量指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量越大，能存储储信息的字节数，内存容量越大，能存储信息越多，信息处理能力就越强。信息越多，信息处理能力就越强。164）存取周期：存取周期是指主存储器完成）存取周期：存取周期是指主存储器完成一次读写所需的时间，存取时间越短，存一次读写所需的时间，存取时间越短，存取速率越快，整机的运算速率越高。存取取速率越快，整机的运算速率越高。存取周期与主存储器指标有关。

32、周期与主存储器指标有关。5）运算速率：运算速率指微机每秒所能执）运算速率：运算速率指微机每秒所能执行的指令条数，单位用行的指令条数，单位用MIPS（Million Instruction Per Second），即百万条指令），即百万条指令/秒。秒。171.3 计算机数据格式1.3.1 数制 人类 ：十进制 VS 计算机：二进制1.几种数制的表示今后用后缀区别进制：二进制B 如1001.0010B八进制Q(O) 如753.67Q十进制D/省略 如456.98十六进制H如2A89.CDH18 下面分别介绍几种进制。先从大家熟悉的十进制开始！（1）十进制基数是10，包含09十个符号数字。任意一个十

33、进制X可表示为：XNXN-1X1X0X-1X-M=如 367.893102+6101+7100+8101+9102inmiiX1019（2） 二进制任何一个二进制数X可以表示为 inmiiMNNXXXXXXXX210112请写出1001.011B的式子？并求和！20（3） 八进制任何一个八进制数X可以表示为 inmiiMNNXXXXXXXX810118请写出767.054Q的式子？并求和！思考 678.01Q？21（4） 十六进制任何一个十六进制数X可以表示为 inmiiMNNXXXXXXXX16101116请写出169C.ABDH的式子？并求和！222.其它进制转换到十进制原理：对于上面的几

34、个式子求和就可！例1.1：将1101.101B转换为十进制数。例1.2 ：将345.67Q转换为十进制数。例1.3：将1101.101H转换为十进制数。233.十进制转换为其它进制整数部分：用基数去除。小数部分：用基数去乘。整数部分转换的算法：（1）用其它数制的基数除十进数。（2）保存余数（最先得到的余数为最低有效位）（3）重复步骤（1）和（2），直到商为0。例1.4：将18分别转换成二、八、十六进制数。2418942102222201001结果1810010B25182088221811616021结果1822Q 12H26小数部分转换算法：（1）用其它数制的基数乘十进制数。（2）保存结果的整数部分（最先得到的整数结果为最高位小数）。（3）重复步骤（1）和（2），直到小数部分为0。例1.5 将0.125分别转换成二进制、八进制、十六进制数。270.125 2 0.25 2 0.5 2 1.0整数0 0 10.1250.001B0.125 8 1.0整数10.125 16 2.0 整数20.1250.1Q0.125=0.2H284.二进制编码的十六进制（BCH）291.3.2 计