微型计算机技术：第1章-1 微机简介

1、12022/8/11学习目标：理解微型计算机工作原理，掌握微型计算机软/硬件的基础知识和验 证方法。掌握微型计算机硬件接口技术。为中小规模的实时控制系统设计打下 坚实的基础。学习要求：掌握以Intel 8086为代表的X86微处理器的技术特点和基本结构。掌握80X86系列微处理器构成的微型计算机的基本组织方式和连接技术。掌握汇编语言程序设计基本指令和编程调试方法。掌握微型计算机中存储器、I/O接口电路、中断系统、可编程接口芯片工作原理和典型器件。了解微型计算机的总线技术。22022/8/11内容丰富知识点多，学时数相对少以一定理论为基础，工程实践性强理论性公式少，逻辑性内容较多各内容关联性强，

2、需要理解记忆内容多 本课程特点内容丰富知识点多，学时数相对少以一定理论为基础，工程实践性强理论性公式少，逻辑性内容较多各内容关联性强，需要理解记忆内容多 本课程特点32022/8/11参考书:孙德文，微型计算机技术，高等教育出版社雷丽文，微机原理与接口技术，电子工出版社出版杨素行，微型计算机系统原理及应用，清华大学出版社姚燕南，微型计算机原理，西安电子科技大学出版社刘乐善，微型计算机接口技术原理及应用，华中科技大学出版社王克义等译，80X86/Pentium处理器硬件、软件及接口技术教程，清华大学出版社教材:微型计算机技术，陈慈发等主编，科学出版社42022/8/11第一章 微型计算机概论1.

3、1 微型计算机简介1.2 微型计算机组成1.3 微型计算机工作原理1.4 计算机运算基础52022/8/111.1 微型计算机简介一、几个概念：微型计算机系统、微型计算机、微处理器运算器控制器寄存器微处理器存贮器I/O接口微型计算机系统硬件软件系统软件应用软件微型计算机I/O设备，电源机箱等62022/8/11微处理器 是由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理部件，包括运算器、控制器和寄存器组。微型计算机 是指以微处理器为基础，配以内存储器、输入输出接口电路和辅助电路构成的一个相对独立的电路系统。微型计算机系统 是指微型计算机在配以相应的外围设备（如键盘、鼠标、显示器、光驱、硬盘等），以及电

4、源、机箱等硬件基础上，安装必要的软件后构成的系统。72022/8/11二、微处理器的发展 第一台电子计算机于1946年在美国诞生（ENIAC），人类从此进入电子计算机时代。1958年集成电路技术的出现，更是为微型计算机的发展创造了条件。微型计算机按单次处理数据位宽的不同可分为五代。第一代，1971年1973年，4位微处理器和低档8位微处理器时期。典型产品：Intel 4004，Intel 8008。第二代，1973年1978年，8位微处理器时期。典型产品：Intel 8080，MC6800，Z80，Intel 8085。第三代，1978年1983年，16位微处理器时期。典型产品：Intel80

5、86， Z8000，MC68000，Intel 80286。第四代，1983年2001年，32位微处理器时期。典型产品：Z80000，MC68020，Intel 80386到Pentium 4。AMD公司K5，K6，Athron，Duron等。第五代，2001年以后，进入64位微处理器时期。典型产品：Intel 64位安腾，Pentium 4 /D ，AMD Athlon 64等82022/8/11微处理器，即中央处理器，也叫CPU (Central Processing Unit)，是整个电脑系统中负责执行程序和数据处理的部件。CPU核心技术的发展一直是计算机技术发展的重点。微处理器生产厂商

6、 对于x86系列的微处理器，目前世界上主要有3家厂商生产，它们是Intel公司、AMD公司(超微）和威盛公司。其中Intel和AMD的产品占据了绝大多数市场份额。产品在操作系统一级相互兼容；产品覆盖95%以上的桌面微机市场。 非x86系列微处理器：生产厂商有IBM、Sun、HP、MIPS、APPLE、ARM、日立、三星、现代、中科院计算所等；产品主要用于大型服务器和嵌入式系统；这些产品大多互不兼容；在桌面微机市场中占有份额小。不同系列CPU产品在软件上相互兼容92022/8/112022年8月11日9/49各公司兼容x86指令集的主要CPU产品微处理器的发展非常迅速，从最早的第一代应用于微机中

7、的8088CPU发展到现在的Core i3/i5/i7 ，只经过了30多年的时间，可以说个人计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。面向基本运算的英特尔 处理器 专为互联网设备量身打造的 英特尔 凌动 处理器 102022/8/1110/49CPU由半导体硅芯片（die）、基板、针脚或无针脚触点、导热材料、金属外壳等组成。CPU基本组成AMD Phenom II CPU（羿龙4核）电阻和电容112022/8/11按字长分类： 即按照微处理器单次处理的数据长度为分类标准，可分为4位，8位，16位，32位，64位微处理器。（思考为什么没有40位或者50位的微处理器呢？）按照系统规模分类：单片机，单

8、板机，个人计算机。三、微机分类方法122022/8/11单片机：将CPU、RAM、ROM及I/O接口电路等部件集成在一块集成电路芯片上，以芯片形式出现的微型计算机。这是目前使用量最大的一类微型计算机。常见的单片机有Intel 51系列，Atmel AVR系列，Motorola的MC系列等。单板机：在一个电路板上集成了CPU、存储器、I/O接口电路和部分输入输出设备，以单块电路板形式出现的微型计算机。常见的单板机有X86架构的PC104系统，ARM架构的单板机系统等。个人计算机：所谓“个人计算机”（PC Personal Computer），是指“由微处理器芯片装成的、便于搬动而且不需要维护的计

9、算机系统”。通常我们所说的个人计算机是指台式个人计算机和笔记本个人计算机，现在主流的是X86系列个人计算机和苹果公司的MAC系列个人计算机。132022/8/111.2 微型计算机组成 计算机的五大部分： 按照冯诺依曼体系结构，计算机包括五个主要的部分，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。运算器 执行全部的算术和逻辑运算。 控制器 计算机的控制中心，控制和同步其他各个部件。存储器 计算机的主要记忆部件，以字节为单位的、线性编址的二进制记忆部件。输入、输出设备 通过接口电路连接到总线的计算机外部设备。 运算器控制器内存储器输入设备输出设备外存储器控制数据地址或指令CPU主机外设存储器

10、CPU主机外设CPU = 运算器+控制器+寄存器 Central Processing Unit MPU = 一块IC的CPUMicro Processing Unit控制器运算器中央处理单元外存储器输入设备输出设备控制总线内存储器I/O接口数据总线地址总线142022/8/11 微型计算机作为计算机使用最广泛的一个分类，结构上看主要可以分为三个大的部分，即微处理器、输入/输出接口、存储器。 微处理器（MPU）：一块或几块大规模/超大规模集成电路，包含了运算器和控制器的功能。 输入/输出接口（I/O）：微处理器与外部输入/输出设备交换数据的通道，主要完成信号转换、地址识别、数据缓冲等功能。 存

11、储器（MEM）：微型计算机的记忆功能部件，用于存储微机系统的数据和程序。按照与微处理器连接方式的不同可以分为两类，通过系统总线直接与微处理器连接的存储器为内存储器，通常是RAM或ROM；通过输入/输出接口与微处理器连接的存储器为外存储器，通常为硬盘、光盘等设备。152022/8/11比特(bit)：一位二进制信息，它是二进制信息的最小单位（0或1），常用字母“b”表示。字节(byte) ：由8位二进制信息组成，字节是微机中分配地址的基本单位，常用字母“B”表示。 字(word)：计算机中作为一个整体来处理的一组二进制数，是字节的整数倍。通常与计算机内的寄存器、算术逻辑单元宽度一致。目前为表达方

12、便，将字定义为16位，而双字定义为32位。字常用字母“W”表示，双字用“DW”表示。存储器容量：通常以字节为单位表示，在内存中一个字节占用一个寻址地址。人们常说的1G/2G内存，实际上应该是具有1G字节/2G字节存储容量的内存。 与存储器有关的几个基本概念：162022/8/11微机的三总线结构 在微型计算机中采用总线结构连接微处理器、输入/输出接口、内存储器等部件，它们之间的信息传递通过总线进行。它是多个部件服务的公共信息传送线路，分时地发送与接收各部件的信息。总线结构使微机具有结构简单，易于维护和扩展等优点，它是微型计算机的一个重要特点。总线按照功能不同一般分为三类：地址总线(AB)：单向

13、，用于向内存、外部端口传输地址信息。数据总线(DB)：双向，传输各种数据信息。控制总线(CB)：传输控制信息。包括读写、中断等。系统总线CPU内存接口外部设备接口外部设备.单总线结构172022/8/11数据总线（DB）：微型计算机中所有的内存与输入/输出接口都是通过一组数据线与微处理器或其它控制部件进行数据交换的，这一组数据线被称为数据总线。根据微型计算机数据交换能力的不同，数据总线可分为8位、16位、32位、64位等。地址总线（AB）：每个内存单元和输入/输出接口都编有地址，微处理器通过一组地址线告知内存或输入/输出接口要操作的地址。这一组用于提供地址的线路称为地址总线。地址线的数量决定了

14、微处理器可以访问的内存数量或输入/输出接口的数量。如一个微处理器地址总线为20根，则其最多能够给出220（1M）个地址。控制总线（CB）：为了控制外围部件工作需要微处理器提供一组特定功能的线路，这一组特定功能的线路称为控制总线。控制总线通常包括读、写、等待、使能、测试、响应等多种控制信号，利用这些信号微处理器可以管理微型计算机中的各个部件，按一定的时序协调工作。182022/8/11连接到总线上的设备主要有：CPU 一般情况下总线由CPU控制内部存储器 是完全被动的总线设备接口电路 所有外部设备必须通过接口电路连接到计算机，不同的接口电路可能拥有不同的端口地址、中断等。总线的特点 公共性、高速

15、性、标准性。单总线和多总线 多总线计算机系统中同时存在多条总线。目前微机算机中都是采用多总线结构。 解决不同的部件速度不一致的问题。 为存储器设计专用的数据通道。 兼容符合不同的总线标准的设备。192022/8/111.3 微型计算机工作原理 微型计算机是一个由时钟驱动的数字电路系统。微处理器在一个或几个时钟信号驱动下，完成一次操作，一系列的操作完成一定的数据处理任务。 CPU主要包括运算器和控制器1运算器ALU：Arithmetic and logical Unit 累加器A：N位的寄存器，用于保存运算过程中的有关数据。 缓存器R（暂时寄存器）：N位寄存器，接收来自累加器和数据总线的数据。

16、加法器：由N个全加器构成。数据总线加法器暂存器 R累加器A暂存器202022/8/112.控制器 程序计数器PC，又称指令计数器、指令指针（IP） 指令寄存器IR 指令译码器ID，又称操作码译码器、指令功能分析解释器。 地址形成部件 微操作信号发生器，确定完成指令所需要的步骤及完成每一步骤所需要的控制信号组合。 时序部件，产生定时信号212022/8/113. CPU中的寄存器组 按功能分有通用寄存器和专用寄存器 通用寄存器存放原始数据和运算结果作为变址寄存器、计数器、地址指针等。 专用寄存器程序计数器PC、指令指针IP指令寄存器IR等状态标志寄存器，主要包括两部分内容：状态标志，如：进位标志

17、、结果为零标志等，大多数运算类指令的执行将会影响到这些标志位。控制标志，如：中断标志、陷阱标志等。222022/8/11微处理器对指令的执行大致可分为三个步骤:取指令：微处理器从存储器中将指令读取到微处理器内部，读取指令首先要确定指令所在的地址，这个地址由微处理器内部的指令指针（IP）寄存器存放。分析指令：也称为指令译码，微处理器通过分析读取的指令了解指令的功能和操作对象等，从而为下一步执行做好准备。执行指令：根据指令分析的结果，微处理器发出一系列控制信号，指挥各部件完成该指令的功能，这样一条指令的执行就结束了。接着微处理器读取下一条指令进入下一个指令周期。232022/8/11如有两个数求和的指令序列如下：MOV AL，2000H ADD AL，10H OUT 20H，AL 该指令序列在内存中存放情况如下：2000：0000 A00020MOV AL，2000H2000：0003 0410 ADD AL，10H2000：0005 E620 OUT 20H，AL 1. 指令指针寄存器初始值为CS：IP=2000H：0000H，指向第一条指令。微处理器首先根据该地址读取第一条指令MOV AL，2000H ，并将IP自动加3变为0003H。 2. 微处理器对读得的指令进行分析译码