微机系统原理与接口技术--第一章 微机系统组成及原理

1、第一章 微机系统组成及原理1.1 信息在计算机中的表示1.2 计算机发展概况1.3 微机系统结构与工作原理1.4 微机硬件1.5 微机软件1.6 嵌入式系统1.1.1 计算机中的数据类型位（Bit） 、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、 四字（Quardword） 1 bit=1个二进制位1 Byte=8 bit1 Word=2 Byte 1 Doubleword=2 Word=4 Byte1 Quardword=4 Word01101100 01111110 10101100 11110000 01010011bit(1B) Byte(53H)Word(0F05

2、3H)Doubleword(7EACF053H)Quardword低字节高字节高字低字1.1信息在计算机中的表示1FA4230BH（双字）双字地址230BH（字）字地址31HCBH74H0BH23HA4H1FH36H06HFEH7AH00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH31H（字节）74CBH（字）数据在内存的存储方式字节地址字地址7AFE06361FA4230BH（四字）四字地址数据在微机(INTEL)中存放的原则是低地址放低字节，高地址放高字节1.1.2 机器数与真值对于带符号数（二进制表示），计算机用最高位表示符号：“0”表示正，“1”表示

3、负，余下的位表示值。符号被数码化的带符号数称为机器数。常用原码、反码和补码表示。微机中用补码表示带符号数例：+22106= 101 0110 0101 1010B为真值 而相应的机器数为0101 0110 0101 1010B=565BH1.1.3 原码、反码与补码(2n 1)为n个1， (2n 1)- |x|为|x|的反码，所以求负数的补码可按“按位取反，末位加1”的方法进行。x补= x2n - |x| (x=0微机中用补码表示带符号数利用补码将减法运算转化为加法运算：X=X补补X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补原码、反码与补码之间的关系若X0，则X补=X反=X原若X0，则X反=X原

4、的数值位按位求反。X补=X反+1X= 52= 110100B X原 = 10110100B X反 = 11001011B X补 = X反+1=11001100B例：原码、反码、补码例：真值的求解将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) X补 = 0 0101110B 真值为：+0101110B 正数 所以：X=+46 2) X补 = 1 1010010B 负数 X = X补补 = 11010010补 = - 0101110B 所以：X = - 468位二进制数十六进制数无符号数原码补码反码0000000000H0+0+0+00000000101H1+1+1+10000001002H2+

5、2+2+2011111017DH125+125+125+125011111107EH126+126+126+126011111117FH127+127+127+1271000000080H128-0-128-1271000000181H129-1-127-1261000001082H130-2-126-12511111101FDH253-125-3-211111110FEH254-126-2-111111111FFH255-127-1-01.1.4 定点数与浮点数 定点数小数点位置固定（例如纯整数和纯小数） 浮点数小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）浮点数的表示方法 S

6、E1 E2 E3 E4 Eib1 b2 b3 b4 bp-1符号 指数 尾数(-1)S 2E (b0b1b2b3bp-1)S=0 正数S=1 负数小数点位置与b0=1省略微机系统的三种浮点数类型浮点数中的参数单精度浮点数双精度浮点数扩充精度浮点数浮点数长度32位64位80位尾数长度p23位52位64位符号位S1位1位1位指数长度E8位11位15位最小指数-126-1022-16382最大指数+127+1023+16383指数的偏移量值+127+1023+16383【例1.3】将十进制数219.125表示成单精度浮点数。219.125D=11011011.001B=1.101101100127

7、E=7+127=134=10000110B。 得到二进制表示的规格化的浮点数形式：尾数（共23位），包括隐含的b0共24位指数符号01 0 0 0 0 1 1 01 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01.1.5 计算机中常用码制1BCD码（Binary Coded Decimal） 用二进制编码表示十进制数称为BCD码 。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如(0100 1001 0111 1000.0001 0100 1001)BCD ( 4 9 7 8 . 1 4 9 )D压缩BCD码：一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码：一个字节

8、表示一位十进制数 （使用低四位） 2. ASCII码 美国国家信息交换标准代码 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）已成为计算机字符编码的国际标准压缩BCD码：1字节表示两位十进制数非压缩BCD码：1字节表示一位十进制数，（低4位表示，高4位恒为0）78=0111100078=0000011100001000B 012345670NULDLESP0PP1SOHDC1!1AQaQ2STXDC2“2BRbR3ETXDC3#3CScS4EOTDC4$4DTdT5ENQNAK%5EUeU6ACKSYN&6FVfV7BELET

9、B7GWgW8BSCAN(8HXhX9HTEM)9IYiYALFSUB*:JZjZBVTESC+;KkCFFFS,NnFSIUS/?O_oDELNUL 空SOH 标题开始STX 正文结束ETX 本文结束EOT 传输结束ENQ 询问ACK 承认BEL 报警符BS 退格HT 横向列表LF 换行VT 垂直制表FF 走纸控制CR 回车SO 移位输出SI 移位输入SP 空格DLE 数据链换码DC1 设备控制1DC2 设备控制2DC3 设备控制3DC4 设备控制4NAK 否定SYN 空转同步ETB 信息组传送结束CAN 作废EM 纸尽SUB 减ESC 换码FS 分隔符GS 组分隔符RS 记录分隔符US 单

10、元分隔符DEL 作废 0123456789ABCDEF00Pp 1!1AQaq 2 “2BRbr 3 #3CScs 4 $4DTdt 5 %5EUeu 6 &6FVfv 7 7GWgw 8 (8HXhx 9 )9IYiy A *:JZjz B+;Kk C,Nn F /?O_o NULLSpaceASCII字符表3. 中文编码 中文字符用二个字节表示，每个字节的最高位置1，余下的14位表示字符，构成汉字内码 (GB2312-80)。汉字内码 是对汉字的唯一标识。汉字输入码 各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码 汉字内码 输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码汉字输出码 用于输出汉字字型的点阵

11、编码 第一代1971年Intel 40044位2300108KHz 每秒6万次1972年Intel 80088位3500基本指令周期为2050s第二代1974年Intel 80808位60002MHzMC68008位68001976年Z808位100002.5MHz第三代1978年Intel 808616位290005MHz基本指令周期0.5 s1982年Intel 8028616位13.4万基本指令周期0.2 s第四代1985年 10月8038632位27.5万 16-33MHz3-4 MIPS 1989年4月 8048632位120万33-120MHz /41-54 MIPS第五代1993

12、.3.22Pentium32位310万 75-133M Hz 0.6 m1995.11.8Pentium pro32位550万200MHz/400 MIPS 1997年Pentium 32位700万 266MHz/400 MIPS 1999.2.26Pentium 32位2800万450MHz1999.2.24AMD-K6-32位2130万450MHz 0.25 m2000.11.24Pentium 432位4200万1.4GHz 0.18 m更新1.2 微机发展概况Intel 2004年2月1日发布基于Prescott核心的第三代Pentium 4处理器 。采用0.09微米的制造工艺，拥有一

13、亿两千五百万个晶体管，管线也增加到了31级。配备1MB二级缓存，16KB的数据缓存 。2005/02/21：P4 6XX发布起跳频率为3.2GHz，L2 Cache 2MB，售价为215欧元 Pentium 4EPentium 4Pentium 4 Extreme EditionAthlon 64Athlon 64 FX核心PrescottNorthwoodGallatinClawHammerSledgeHammerSocketSocket478Socket478Socket478Socket754Socket940频率2.8-3.4GHz1.6-3.4GHz3.2-3.4GHz2.0-2.2

14、GHz2.2GHz生产技术0.09微米，应变硅晶技术0.13微米0.13微米0.13微米，SOI0.13微米，SOI晶体管数125百万55百万178百万105.9百万105.9百万内核尺寸m2112131237193193L1数据缓存16KB8KB8KB64KB64KBL1指令缓存1200微指令12000微指令2000微指令64KB64KBL2缓存1024KB512KB512KB1024/512KB1024KBL3缓存2MBSIMD指令SSE3/SSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSE/3DNow！SSE2/SSE/3DNow！ Gordon Moore 1965的预言

15、已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？1971/11 Intel 4004 2300 Transistors1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m2002/4 Pentium 4-2.2G 55Million Transistors 0.13m2004/2 Prescott 3.4G P4125Million Transistors 90nmGordon Moore made his famous 摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍 摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍4200280070055031012027.513.42.90.49050010

16、0015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年万晶体管由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；数据和程序以二进制代码形式存放；控制器根据存放在存储器中的程序来工作。1.3.1 微机系统结构一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。冯诺依曼结构1.3 微机系统工作原理运算器存储器控制器输出设备输入设备原始数据和指令计算结果微处理器系统的总线结构MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB2 组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线DB和控制总

17、线CB联系在一起。1 总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。微处理器是将运算器和控制器以及其它部件集为一体的大规模集成电路。微处理器系统的总线结构MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB微处理器MPU包含运算器和控制器，是微机系统的核心部件。称为中央处理单元(CPU) 存储器用来存放数据和程序；分为只读存储器ROM(Read Only Memory) 和随机存取存储器RAM(Random Access Memory) 输入输出接口又称为I/O接口(Input/Output interface)，是微机系统与外部设备交换信息的电路和通道。 总线结构MPUMI

18、/O总线MPUM存储器总线I/OI/O总线单总线双总线 全局M 全局I/ODMA控制器双重总线MPU局部I/O局部M缓冲器总线控制逻辑局部总线全局总线数据总钱DB（Data Bus）用来传输数据信息，是双向总线，CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。地址总线AB（Address Bus）用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。控制总线CB（Control Bus）用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一

19、根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。 (系统)外总线如并口、串口(系统)内总线如ISA、PCI片(间)总线 三总线形式片内总线单总线形式微机总线结构运算器寄存器控制器CPU存储芯片I/O芯片主板扩展接口板扩展接口板微机系统其 他 微 机系 统其 他 仪 器系 统微机系统的四级总线示意图以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算存放运算操作数和结果寄存器组(RS)通用寄存器组堆栈指针(SP)程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)累加器(ACC)累加锁存器标志

20、寄存器(FR)暂存器算术逻辑单元(ALU)根据指令发出控制信号地址缓冲器数据缓冲器地址总线数据总线操作控制器(OC)控制总线临时存放单元：暂时存放数据和地址指示栈项地址 存放下一条要执行的指令的地址 寄存ALU操作结果的状态1.3.2 微处理器简化模型1.3.3 指令概述 指令是规定计算机执行特定操作的命令。 通常条指令包括两部分：操作码和地址码。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；地址码指明参加上述规定操作的数据存放地址或操作数。 微型计算机每执行一条指令都是分成三个阶段进行： 取指令（Fetch）、分析指令（Decode）和执行指令（Execute）。取指令阶段

21、的任务是根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自动加1指向下一条指令地址。 分析指令阶段的任务是将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。 执行指令阶段的任务是取出操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。 微型机程序的执行过程实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个机器的运行。1.3.4 指令示例 ORG 1000HMOV A， 5CH B0H 5CHADD A， 2EH 04H 2EHJO 100AH CAH 0AH 10HMOV 0200H， A A2H 00H 0

22、2HHLT F4H汇编语言源程序对应机器码地址立即数指令执行过程图CBABDBALU累加器ACC暂存器标志寄存器FR寄存器组 操作控制器OC指令译码器ID指令寄存器IR 操作码 , 地址码内部总线地址缓冲器数据缓冲器程序计数器PC地址译码读控制B0H5CH04H2EH地址1001H1002H1003H内容1000H内存储器MOV AL，5CHADD AL，2EH1CPU外CPU内1.4 微机硬件字长计算机内部一次可处理的二进制数的位数。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。字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快运算速度常用平均运算速度MIPS(Millio

23、ns of Instruction Per Second)和CPU的主频表示。主频：微处理器运行的时钟频率。外频：微处理器外部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数1.4.1 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标存储器容量：内存和外存，通常以字节为单位。内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量(内存条容量)。外存：硬盘容量。1K=210=1024；1M=220=1024K；1G=230=1024M；1T=240=1024G外设扩展能力计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。1.4.2 微型计算机先进技术1

24、 微程序控制技术 根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作“微程序控制” 2 虚拟存储器技术 一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。微型计算机先进技术流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。Pentium使用的6步流水线结构（1）取指令

25、：CPU从高速缓存或内存中取一条指令。（2）指令译码：分析指令性质。（3）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。（4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。（5）执行指令：由ALU执行指令规定的操作。（6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A中。 3 流水线技术微型计算机先进技术4 高速缓冲存储器技术 为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（Cache）。将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之

26、一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置， Pentium 4系列CPU的分支预测正确率达到了90%。 参考5 分支预测（branch prediction）和推测执行（speculation execution）微型计算机先进技术6 乱序执行（out-of-order execution）CPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当

27、然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。RISC的指令简单，CPU在每一周期的任务单纯，因此CPU结构简单，有利于流水作业。从Pentium Pro开始，x86CPU都采用RISC内核+ CISC到RISC译码器的结构。 当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。7 CISC指令集加RISC微结构8 多媒体技术1.4.3 微机系统

28、组成微机主板电源、机箱外围设备外部设备外存储器模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量I/O过程I/O通道微处理器内存储器I/O接口电路系统总线算术逻辑单元控制器寄存器阵列只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）高速缓存（Cache）并行输入/输出接口串行输入/输出接口磁盘、磁带光盘、U盘PC总线、ISA、EISA、PCI、AGP键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、显示器、打印机、绘图仪、数码相机输入/输出设备1 存储器存储器是计算机的存储和记忆部件，用来存储数据和程序。 内存单元与地址计算机的内存储器是由若干内存单元组成的，每个内存单元存放一个字节的二进制信息。内存单元的总数目叫内存容量；计算机中

29、每个内存单元有惟一的地址，CPU通过地址对指定单元的数据进行访问（读写）；内存容量的大小由CPU的寻址空间决定。寻址空间=2n。 内存操作读操作CPU将内存单元的内容读入到CPU；写操作CPU将数据写到内存单元。 内存分类 ROM、RAM 每个内存单元有一个地址，每个地址的内存单元可存放1字节的数据内存单元的地址和内容是不同的概念8086: 220=1MBPII: 236=64GB2外设及输入输出接口1.4.4微机系统组成结构举例 典型结构是主板+CPU+存储器+外设。主板及其上的逻辑芯片组承担各部件总线连接和逻辑控制的作用。Pentium III550MHzL1Cache550MHzL2Ca

30、che处理机总线 100MHzPCI 总线 33MHzPCI 插槽IDE2南桥PIIX4ECMOS & RTCUSBIDE1硬盘光驱超级I/OCOM1COM2LPT1ROM BIOS软驱键盘鼠标打印机MODEM北桥440BXAGP100MHz内存条显示器66MHz显卡ISA 插槽ISA总线 8MHzIntel925X芯片组Intel Pentium Intel Pentium Intel Pentium 4AMD K6-2Intel Pentium 4 3.0GHz (2002/4)微处理器P4EE 与Intel925X芯片组（南北桥）采用I 925X的主板800 MHz系统总线 支持HT 双通道DDR2（Max 8GB） PCI Express USB2.0*8SATA/150 *44条DDR2内存插槽 在双通道内存模式下925x芯片组最高可以提供8.5GB/s的带宽PC8374L Super I/O芯片具备风扇监控和控制功能，具备Heceta6