微机原理与接口技术(第2版)周明德ppt第一章

1、微机原理与接口技术（第微机原理与接口技术（第2版）版）第第1章章 概概 述述1.1 IA-32结构的概要历史结构的概要历史 19711971年，年，IntelIntel公司发布了公司发布了Intel 4004Intel 4004，这是一个这是一个4 4位微处理器，被认为是世界上第位微处理器，被认为是世界上第一个微处理器。一个微处理器。 到了到了2020世纪世纪7070年代中期，微处理器的主年代中期，微处理器的主流是流是IntelIntel的的80808080、80858085，MotorolaMotorola的的68006800和和zilogzilog的的Z80Z80等等8 8位微处理器。位微

2、处理器。 20 20年来，年来，IntelIntel公司的微处理器有了极公司的微处理器有了极大的发展，从大的发展，从80868086（80888088）到）到8028680286、8038680386、8048680486、奔腾（也称为、奔腾（也称为8058680586）、奔）、奔腾腾MMXMMX、奔腾、奔腾PROPRO（也称为（也称为8068680686）、奔腾）、奔腾IIII、奔腾奔腾IIIIII，直至最新的奔腾，直至最新的奔腾4 4、奔腾、奔腾D D，形成，形成了了IAIA（Intel ArchitectureIntel Architecture）3232结构。结构。1.1.1 8086

3、 IA-32IA-32结构的起源能追溯到结构的起源能追溯到Intel 8086Intel 8086。 IA-32IA-32结构同时包括了结构同时包括了1616位处理器和位处理器和3232位处理器。位处理器。 IA-32 IA-32结构的最重要的成就之一是，在结构的最重要的成就之一是，在19781978年年IntelIntel公司的那些处理器上建立的目公司的那些处理器上建立的目标程序仍能在标程序仍能在IA-32IA-32结构系列最新的处理器结构系列最新的处理器上执行。上执行。1.1.2 80386 Intel 386 Intel 386处理器是处理器是IA-32IA-32结构系列中结构系列中的第

4、一个的第一个3232位处理器。位处理器。 它在结构中引入了它在结构中引入了3232位寄存器，用于位寄存器，用于容纳操作数和地址。容纳操作数和地址。 每个每个32位寄存器的后一半保留两个早位寄存器的后一半保留两个早期处理器版本（期处理器版本（8086和和80286）的）的16位寄位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。存器的特性，以提供完全的后向兼容。 Intel 386还提供了一种新的虚拟还提供了一种新的虚拟8086方式，以在新的方式，以在新的32位处理器上最有效地执位处理器上最有效地执行为行为8086处理器建立的程序。处理器建立的程序。 Intel 386处理器有处理器有32位地址总线，能位地

5、址总线，能支持多至支持多至4GB的物理存储器。的物理存储器。 1.1.3 80486 Intel 486处理器把处理器把Intel 386处理器的处理器的指令译码和执行单元扩展为指令译码和执行单元扩展为5个流水线段，个流水线段，增加了更多的并行执行能力，其中每个段增加了更多的并行执行能力，其中每个段（当需要时）与其他的并行操作最多可在（当需要时）与其他的并行操作最多可在不同段上同时执行不同段上同时执行5条指令。条指令。 80486的一个重大改进是在的一个重大改进是在IA-32处理处理器的芯片中引入了缓存。器的芯片中引入了缓存。 Intel 486处理器也是第一次把处理器也是第一次把x87 FP

6、U（浮点处理单元）集成到处理器上并增加（浮点处理单元）集成到处理器上并增加了新的引脚、位和指令，以支持更复杂和了新的引脚、位和指令，以支持更复杂和更强有力的系统（二级更强有力的系统（二级Cache支持和多处支持和多处理器支持）。理器支持）。1.1.4 奔腾（奔腾（Pentium） Intel奔腾（奔腾（Pentium）处理器增加了）处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能（两第二个执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流水线个已知的流水线u和和v，一起工作能实现每，一起工作能实现每个时钟执行两条指令）。个时钟执行两条指令）。1.1.5 P6系列处理器系列处理器 在在1995年，年，Inte

7、l公司引入了公司引入了P6系列处系列处理器。理器。 此处理器系列是基于新的超标量微结此处理器系列是基于新的超标量微结构的，它建立了新的性能标准。构的，它建立了新的性能标准。 P6系列微结构设计的主要目的之一是在系列微结构设计的主要目的之一是在仍使用相同的仍使用相同的0.6m、四层金属、四层金属BICMOS制制造过程的情况下使处理器的性能明显地超过造过程的情况下使处理器的性能明显地超过奔腾处理器，用与奔腾处理器同样的制造过奔腾处理器，用与奔腾处理器同样的制造过程要提高性能只能在微结构上有实质上的改程要提高性能只能在微结构上有实质上的改进。进。 Intel Pentium Pro处理器是基于处理器

8、是基于P6微微结构的第一个处理器。结构的第一个处理器。 P6处理器系统随后的成员是处理器系统随后的成员是Intel Pentium II、Intel Pentium II Xeon（至（至强）、强）、Intel Celeron（赛扬）、（赛扬）、Intel Pentium III和和Intel Pentium III Xeon（至（至强）处理器。强）处理器。1.1.6 奔腾奔腾II Intel Pentium II处理器把处理器把MMX技术加技术加至至P6系列处理器，并具有新的包装和若干系列处理器，并具有新的包装和若干硬件增强。硬件增强。 处理器核心包装在了处理器核心包装在了SECC上，这使其

9、上，这使其更具有了灵活的母板结构。更具有了灵活的母板结构。 第一级数据和指令第一级数据和指令Caches每个扩展至每个扩展至16KB，支持二级，支持二级Cache的尺寸为的尺寸为256KB、512KB和和1MB。 Pentium II Xeon（至强）处理器组合（至强）处理器组合Intel处理器前一代的若干额外特性，例如处理器前一代的若干额外特性，例如4way、8way（最高）可伸缩性和运行在（最高）可伸缩性和运行在“全时钟速度全时钟速度”后沿总线上的后沿总线上的2MB二级二级Cache，以满足中等和高性能服务器与工，以满足中等和高性能服务器与工作站的要求。作站的要求。1.1.7 奔腾奔腾II

10、I Pentium III处理器引进流处理器引进流SIMD扩展扩展（SSE）至）至IA-32结构。结构。 SSE扩展把由扩展把由Intel MMX引进的引进的SIMD执行模式扩展为新的执行模式扩展为新的128位寄存器和能在包位寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行装的单精度浮点数上执行SIMD操作。操作。 Pentium III Xeon处理器用处理器用Intel公司的公司的0.18m处理技术的全速高级传送缓存处理技术的全速高级传送缓存（Advanced Transfer Cache）扩展了）扩展了IA-32处理器的性能级。处理器的性能级。1.1.8 Intel Pentium 4处理器处理器

11、Intel Pentium 4处理器是处理器是2000年推出的年推出的IA-32处理器，是第一个基于处理器，是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。微结构的处理器。 Intel NetBurst微结构是新的微结构是新的32位微结位微结构，它允许处理器在比以前的构，它允许处理器在比以前的IA-32处理器处理器更高的时钟速度和性能等级上进行操作。更高的时钟速度和性能等级上进行操作。1.1.9 Intel超线程处理器超线程处理器 超线程技术允许单个物理处理器用共超线程技术允许单个物理处理器用共享的执行资源并发地执行两个或多个分别享的执行资源并发地执行两个或多个分别的代码流（线程）。的

12、代码流（线程）。 以提高以提高IA-32处理器运行多线程操作系处理器运行多线程操作系统与执行多线程应用程序代码时的性能。统与执行多线程应用程序代码时的性能。图图1-1 1-1 支持支持HTHT技术的技术的IA-32IA-32处理器与传统的双处理器系统的比较处理器与传统的双处理器系统的比较 1.1.10 Intel双核技术处理器双核技术处理器 双核技术是在双核技术是在IA-32结构中硬件多线程结构中硬件多线程能力的另一种形式。能力的另一种形式。 双核技术由用在单个物理包中有两个双核技术由用在单个物理包中有两个分别的执行核心提供硬件多线程能力。分别的执行核心提供硬件多线程能力。图图1-2 1-2

13、支持双核的支持双核的IA-32IA-32处理器处理器 IA-32e模式在两种子模式之一上操作：模式在两种子模式之一上操作：（1）兼容模式允许）兼容模式允许64位操作系统不修改地运位操作系统不修改地运行大多数行大多数32位软件。位软件。（2）64位模式允许位模式允许64位操作系统运行应用位操作系统运行应用程序访问程序访问64位地址空间。位地址空间。 在在Intel EM64T的的64位模式，应用程序位模式，应用程序可以访问：可以访问：64位平面线性寻址位平面线性寻址8个附加的通用寄存器（个附加的通用寄存器（GPR）为了流为了流SIMD扩展（扩展（SSE、SSE2与与SSE3）的的8个附加的寄存器

14、个附加的寄存器64位宽的位宽的GPR与指令指针与指令指针统一的字节寄存器寻址统一的字节寄存器寻址快速中断优先权机制快速中断优先权机制一种新的指令指针相对寻址方式一种新的指令指针相对寻址方式1.2 计算机基础计算机基础1.2.1 计算机的基本结构计算机的基本结构图图1-3 1-3 计算机的基本结构图计算机的基本结构图 1.2.2 常用的名词术语和二进制编码常用的名词术语和二进制编码1位、字节、字及字长位、字节、字及字长（1 1）位（）位（bitbit） “位位”指一个二进制位。指一个二进制位。 它是计算机中信息存储的最小单位。它是计算机中信息存储的最小单位。（2 2）字节（）字节（ByteByt

15、e） “字节字节”指相邻的指相邻的8个二进制位。个二进制位。 1 024个字节构成个字节构成1个千字节，用个千字节，用KB表表示。示。 1 024KB构成构成1个兆字节，用个兆字节，用MB表示。表示。1 024MB构成构成1个千兆字节，用个千兆字节，用GB表示。表示。 B、KB、MB、GB都是计算机存储器都是计算机存储器容量的单位。容量的单位。（3 3）字（）字（WordWord）和字长）和字长 一个字所包含的二进制位数称为字长。一个字所包含的二进制位数称为字长。 常见的微型计算机的字长，有常见的微型计算机的字长，有8位、位、16位、位、32位和位和64位之分。位之分。 目前在目前在PC中，把

16、字（中，把字（Word）定义为）定义为2字节（字节（16位），双字（位），双字（Double Word）为）为4字节（字节（32位），四字（位），四字（Quad Word）为）为8字节（字节（64位）。位）。2数字编码数字编码 为便于机器识别和转换，计算机中的为便于机器识别和转换，计算机中的十进制数的每一位用二进制编码表示，这十进制数的每一位用二进制编码表示，这就是所谓的十进制数的二进制编码，简称就是所谓的十进制数的二进制编码，简称二二十进制编码（十进制编码（BCD码）。码）。 二二十进制编码的方法很多，最常用十进制编码的方法很多，最常用的是的是8421 BCD码。码。 8421 BCD码有码

17、有10个不同的数字符号，个不同的数字符号，逢逢10进位，每位用四位二进制表示。进位，每位用四位二进制表示。 例如：例如：83.123对应的对应的8421 BCD码是码是1000 0011.0001 0010 0011。 同理，同理，111 1001 0010.0010 0101 BCD对应的十进制是对应的十进制是792.25。3字符编码字符编码 字母、数字、符号等各种字符也必须字母、数字、符号等各种字符也必须按特定的规则用二进制编码才能在计算机按特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。中表示。 字符编码的方式很多，世界上最普遍字符编码的方式很多，世界上最普遍采用的一种字符编码是采用的一种字符

18、编码是ASCII。4汉字编码汉字编码 用计算机处理汉字，每个汉字必须用用计算机处理汉字，每个汉字必须用代码表示。代码表示。 键盘输入汉字是输入汉字的外部码。键盘输入汉字是输入汉字的外部码。 外部码必须转换为内部码才能在计算外部码必须转换为内部码才能在计算机内进行存储和处理。机内进行存储和处理。1.2.3 指令程序和指令系统指令程序和指令系统 就拿两个数相加这一最简单的运算来就拿两个数相加这一最简单的运算来说，就需要以下几步（假定要运算的数已说，就需要以下几步（假定要运算的数已在存储器中）。在存储器中）。第一步：把第一个数从它所在的存储单元第一步：把第一个数从它所在的存储单元（Location）

19、中取出来，送至运算器。）中取出来，送至运算器。第二步：把第二个数从它所在的存储单元第二步：把第二个数从它所在的存储单元中取出来，送至运算器。中取出来，送至运算器。第三步：相加。第三步：相加。第四步：把加完的结果，送至存储器中指第四步：把加完的结果，送至存储器中指定的单元。定的单元。1.2.4 初级计算机初级计算机图图1-4 1-4 微机结构图微机结构图1CPU的结构的结构图图1-5 1-5 一个模型机的一个模型机的CPUCPU结构结构2存储器存储器图图1-6 1-6 模型机的存储器结构图模型机的存储器结构图（1 1）读操作）读操作图图1-7 1-7 存储器读操作示意图存储器读操作示意图 （2

20、2）写操作）写操作 图图1-8 1-8 存储器写操作示意图存储器写操作示意图3执行过程执行过程 若程序已存放在内存中，大部分若程序已存放在内存中，大部分8位机位机执行过程就是取出指令和执行指令这两个执行过程就是取出指令和执行指令这两个阶段的循环（阶段的循环（8086与此不同，我们将在后与此不同，我们将在后面介绍）。面介绍）。 机器从停机状态进入运行状态，要把机器从停机状态进入运行状态，要把第一条指令所在的地址赋给第一条指令所在的地址赋给PC，然后就进，然后就进入取指（取出指令）阶段。入取指（取出指令）阶段。 在取指阶段从内存中读出的内容必为在取指阶段从内存中读出的内容必为指令，所以指令，所以D

21、R把它送至把它送至IR，然后由指令译，然后由指令译码器译码，就知道此指令要执行什么操作，码器译码，就知道此指令要执行什么操作，在取指阶段结束后就进入执行阶段。在取指阶段结束后就进入执行阶段。 当一条指令执行完以后，就进入了下当一条指令执行完以后，就进入了下一条指令的取指阶段。一条指令的取指阶段。 这样的循环一直进行到程序结束（遇这样的循环一直进行到程序结束（遇到停机指令）。到停机指令）。1.2.5 简单程序举例简单程序举例 例：要求机器把两个数例：要求机器把两个数7和和10相加。相加。名名 称称助助 记记 符符操操 作作 码码说说 明明立即数取立即数取入累加器入累加器MOV ALMOV AL，

22、n n10110000 B0 10110000 B0 n n n n这是一条两字节指令，这是一条两字节指令，把指令第二字节的立把指令第二字节的立即数即数n n送累加器送累加器ALAL加立即数加立即数ADD ALADD AL，n n00000100 04 00000100 04 n n n n这是一条两字节指令，这是一条两字节指令，累加器累加器ALAL中的内容与中的内容与指令第二字节的立即指令第二字节的立即数数n n相加，结果在相加，结果在ALAL中中停停 机机HLTHLT11110100 F411110100 F4停止操作停止操作表表1-11-1完成两数相加的指令完成两数相加的指令 用助记符形

23、式表示的程序为：用助记符形式表示的程序为：MOVAL, 7ADD AL, 10HLT图图1-9 1-9 指令的存放指令的存放图图1-10 1-10 取第一条指令的操作示意图取第一条指令的操作示意图图图1-11 1-11 取立即数的操作示意图取立即数的操作示意图图图1-12 1-12 取第二条指令的操作示意图取第二条指令的操作示意图图图1-13 1-13 执行第二条指令的操作示意图执行第二条指令的操作示意图1.2.6 寻址方式寻址方式1立即寻址（立即寻址（Immediate Addressing） 操作数就包含在指令中，这种规定操操作数就包含在指令中，这种规定操作数的方式，称为立即寻址。作数的方

24、式，称为立即寻址。 指令中的操作数称为立即数。指令中的操作数称为立即数。2寄存器寻址（寄存器寻址（Register Addressing） 若操作数在某一寄存器中，这种寻址若操作数在某一寄存器中，这种寻址方式称为寄存器寻址。方式称为寄存器寻址。 MOV AL, BL是两字节指令。是两字节指令。3直接寻址（直接寻址（Direct Addressing）MOV AL,n4寄存器间接寻址（寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing）MOV AL,BL图图1-14 1-14 直接寻址方式示意图直接寻址方式示意图 图图1-15 1-15 寄存器间接寻址方式示意图寄存器间接寻

25、址方式示意图 图图1-16 1-16 寄存器间接寻址加法指令示意图寄存器间接寻址加法指令示意图 指令名称指令名称寻寻 址址 方方 式式助助 记记 符符操作码操作码说说 明明取数指令取数指令立即寻址立即寻址MOV AL, n MOV AL, n B0 nB0 n把指令第二字节的立即数送累加器把指令第二字节的立即数送累加器ALAL中；中；nALnAL立即寻址立即寻址MOV BL, nMOV BL, nB3 nB3 n把指令第二字节的立即数送至寄存器把指令第二字节的立即数送至寄存器BLBL中；中；nBLnBL寄存器寻址寄存器寻址MOV AL, BLMOV AL, BL8A C38A C3把寄存器把寄

26、存器BLBL中的内容，送至累加器中的内容，送至累加器ALAL中；中；BLALBLALMOV BL, ALMOV BL, AL8A D88A D8把累加器把累加器ALAL中的内容送至中的内容送至BLBL中，中，ALBLALBL寄存器间接寻址寄存器间接寻址MOV AL,MOV AL,BLBL8A 078A 07以寄存器以寄存器BLBL中的内容为操作数的地址，操作中的内容为操作数的地址，操作数送至数送至ALAL中；中；BLBLALAL直接寻址直接寻址MOV AL,MOV AL,n nA0 nA0 n指令中的第二字节为操作数的地址，操作数指令中的第二字节为操作数的地址，操作数送至送至ALAL中；中；n

27、 nALAL存数指令存数指令直接寻址直接寻址MOV MOV n n, AL, ALA2 nA2 n指令中的第二字节为地址，把指令中的第二字节为地址，把ALAL中的内容存中的内容存入此地址单元；入此地址单元；ALALn n寄存器间接寻址寄存器间接寻址MOV MOV BLBL, AL, AL88 0788 07以寄存器以寄存器BLBL中的内容作为地址，把中的内容作为地址，把ALAL中的内中的内容存入此地址单元；容存入此地址单元；ALALBLBL加法指令加法指令立即寻址立即寻址ADD AL, n ADD AL, n 04 n04 nn n为立即数；为立即数；AL+nALAL+nALBLBL中的内容为

28、操作数；中的内容为操作数；AL+BLALAL+BLAL以以BLBL中的内容为操作数的地址；中的内容为操作数的地址；AL+AL+BLBLALAL寄存器寻址寄存器寻址ADD AL, BLADD AL, BL02 C302 C3寄存器间接寻址寄存器间接寻址ADD AL,ADD AL,BLBL02 0702 07表表1-21-2四种寻址方式及相应的指令四种寻址方式及相应的指令 若仍是若仍是7和和10两个数相加，但数两个数相加，但数7已存已存在存储器中，另外要求把相加后的和放在在存储器中，另外要求把相加后的和放在存储器中。存储器中。 通常为了避免运算的数据与指令混淆，通常为了避免运算的数据与指令混淆，程

29、序和数据在存储器中是分开存放的。程序和数据在存储器中是分开存放的。 但为了节省内存单元，可以把数据放但为了节省内存单元，可以把数据放在程序的后边。在程序的后边。 能实现上述要求的程序为：能实现上述要求的程序为：MOV AL,M1ADD AL, 0AHMOV M2, ALHLT图图1-17 1-17 程序在存储器中存放示意图程序在存储器中存放示意图 图图1-18 1-18 取出第一条指令后取出第一条指令后CPUCPU的状态图的状态图图图1-19 1-19 直接寻址方式操作示意图直接寻址方式操作示意图图图1-20 1-20 取操作数过程示意图取操作数过程示意图 1.3 计算机的硬件和软件计算机的硬

30、件和软件计算机的基本结构构成了计算机的硬件。但计算机的基本结构构成了计算机的硬件。但是光有硬件，计算机还是什么事也干不了是光有硬件，计算机还是什么事也干不了的，要使计算机能正确地运行以解决各种的，要使计算机能正确地运行以解决各种问题，必须给它编制各种程序。为了运行、问题，必须给它编制各种程序。为了运行、管理和维护计算机所编制的各种程序的总管理和维护计算机所编制的各种程序的总和称为软件。和称为软件。 1.3.1 系统软件系统软件 由计算机的设计者提供的，为了使用由计算机的设计者提供的，为了使用和管理计算机的软件，统称为系统软件。和管理计算机的软件，统称为系统软件。 系统软件包括如下内容。系统软件

31、包括如下内容。（1）各种语言和它们的汇编或解释、编译程）各种语言和它们的汇编或解释、编译程序。序。（2）机器的监控管理程序（）机器的监控管理程序（Monitor）、调）、调试程序（试程序（Debug）、故障检查和诊断程序。）、故障检查和诊断程序。（3）程序库。为了扩大计算机的功能，便于）程序库。为了扩大计算机的功能，便于用户使用，机器中设置了各种标准子程序，用户使用，机器中设置了各种标准子程序，这些子程序的总和就形成了程序库。这些子程序的总和就形成了程序库。（4）操作系统。）操作系统。1.3.2 应用软件应用软件 用户利用计算机以及它所提供的各种用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编制解

32、决用户各种实际问题的系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些称为应用软件。程序，这些称为应用软件。1.3.3 支撑（或称为支持）软件支撑（或称为支持）软件 随着计算机的硬件和软件的发展，计随着计算机的硬件和软件的发展，计算机在信息处理、情报检索以及各种管理算机在信息处理、情报检索以及各种管理系统中的应用越来越普及。系统中的应用越来越普及。 计算机需要处理大量的数据，检索和计算机需要处理大量的数据，检索和建立大量的各种表格。建立大量的各种表格。 这些数据和表格应按一定规律组织起这些数据和表格应按一定规律组织起来，使得检索更迅速，处理更方便，也更来，使得检索更迅速，处理更方便，也更便于用户使用，于是就建立了数据库。便于用户使用，于是就建立了数据库。 为了便于用户根据需要建立自己的数为了便于用户根据需要建立自己的数据库，询问、显示、修改数据库的内容，据库，询问、显示、修改数据库的内容，输出打印各种表格等，还需要数据库管理输出打印各种表格等，还需要数据库