微型计算机原理1课件

1、西安邮电学院计算机系系统结构教研室2009.8微机原理与汇编语言教材及参考书微型计算机原理王忠民 王钰 王晓婕 编著微型计算机原理学习与实验指导 王钰 王劲松 刑高峰 编著第1章 微型计算机系统导论主要内容:引言计算机的发展概况微型计算机硬件系统微型计算机软件系统微型计算机的工作过程1.1 引言1. 什么是计算机？计算机是一种 设备（机器） 由各种电子器件组成的设备（故也称为电子计算机）能够自动、高速、精确地进行算术运算、逻辑控制和信息处理的设备现代化的高科技设备 2. 计算机的应用范围 概括起来说，计算机主要用于科学计算、信息（数据）处理和过程控制等领域。科学计算数据处理过程控制求解数学难题

2、天文物理上天体性质计算人口统计破译密码弹道计算天气预报家用电器（洗衣机，电冰箱）自控车床化工厂、钢铁厂过程控制 科学计算特点： 采用高级语言编程； 时间不会影响结果的有效性； 不需要专门的输入输出设备。 信息处理和过程控制特点： 采用高级语言和汇编语言编程，并 要求有较高的程序设计能力； 对系统的实时性要求很高； 需要专门的输入和输出设备。1.2 计算机的发展概况 1. 计算机的发展 计算机的发展依赖于电子技术，特别是微电子技术的发展。 (1) 计算机从诞生至今已经历了四代，现在正在开发第五代： 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 大规模、超大规模集成电路计算机机械计算机1623年：德

3、国科学家契克卡德制造了人类有史以来第一台机械计算机，这台机器能够进行六位数的加减乘除运算。 电子管计算机1943年：绰号为“巨人”的用来破译德军密码的计算机在英国布雷契莱庄园制造成功，此后又制造多台，为第二次世界大战的胜利立下了汗马功劳。 电子管计算机1946年：美国宾西法尼亚大学：教授莫契利和埃克特共同研制成功了ENIAC计算机。 晶体管计算机贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。 集成电路计算机1965年：DEC公司推出了PDP-8型计算机，标志着小型机时代的到来。 大规模、超大规模集成电路计算机1971年：INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能够实际工

4、作的微处理器4004，该处理器在面积约12平方毫米的芯片上集成了2250个晶体管，运算能力足以超过ENIAC。 大规模、超大规模集成电路计算机1974年：Intel推出了自己的第一款8位微处理芯片8080。电脑爱好者爱德华罗伯茨发布了自己制作的装配有8080处理器的计算机“牛郎星”，这也是世界上第一台装配有微处理器的计算机，从此掀开了个人电脑的序幕。 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1989年：英特尔公司在拉斯维加斯电脑大展上首度发表集成有120万晶体管的486处理器。 现在的计算机属于第四代计算机：大规模、超大规模集成电路计算机。未来的计算机。有思考能力的计算机

5、非冯诺依曼体系结构计算机生物计算机2. 计算机的发展趋势朝两个方向： 巨型机:每秒上亿次(容量大，速度快) 微型机:台式机、笔记本机、单板机、单片机、掌上机等（易普及，应用广）3. 微型计算机是由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路组成的计算机。其核心是微处理器，也称CPU。它的发展几乎每两年翻一番。目前已经到了第五代： 4位或低档8位微处理器 Intel 4004或8008CPU 中高档8位微处理器 Intel 8080 CPU 16位高档微处理器 Intel 8086、80286 32位高档微处理器 Intel 80386、80486 64位高档微处理器 Intel 80586(Pe

6、ntium)、Power PC1.3 微型计算机硬件系统 微型计算机是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路等所组成的计算机，又称为主机。运算器（ALU）控制器（CU）寄存器阵列（RA）RAM、ROM、EPROME2PROM、Cache等输入设备（键盘、鼠标等）输出设备（显示器、打印机等）外存储器（软驱、硬盘、光盘等）系统软件用户软件 (应用软件)主机外围设备硬件软件微型计算机系统输入/输出(I/O)接口电路内存储器微处理器（CPU）图1.1 微型计算机系统的组成 微型计算机系统是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路以及指挥计算机工作的系统软件所构成的系统。1.

7、3.1 基于总线的微型计算机硬件系统到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯诺依曼首先提出的体系结构。其基本设计思想为： 以二进制形式表示指令和数据。(电子数字计算机) 程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够自动地、高速地从存储器中取出指令并加以执行。 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。简单地讲，就是： 系统组成五大部件 工作方式程序控制 信息形式二进制数微型计算机体系结构的特点之一是采用了总线结构，通过总线将微处理器、存储器、I/O接口电路连接起来，而输入/输出设备则是通过I/O接口实现微机的信息交换，如图1.3所示。输出设备输入设备定时电路(CP

8、U)RAMROMI/O接口地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)图1.3 微型计算机硬件系统结构微处理器所谓总线，是计算机中各功能部件间传递信息的公共通道。根据所传送的信息类型不同，总线分为三种： 地址总线 AD（Address Bus）：单向，由CPU发出到存储器或I/O端口。 数据总线 DB（Data Bus）： 双向，由CPU送出或送往CPU。 控制总线 CB（Control Bus）： 整体双向，个体单向，传送方向固定。1.3.2 微处理器微处理器由运算器(ALU)、控制器(CU)、和寄存器阵列(RA)三部分组成，如图1.4所示。图1.4 微处理器结构PCRAARDRIRID

9、PLA标志寄存器A至外部CB微处理器（CPU）内部数据总线DB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H地址单元内容外部AB外部DBALU 1. 运算器 运算器又称算术逻辑单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算以及多位循环等操作。2. 控制器 控制器又称控制单元(CU，Control Unit)，是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。它应包括： 指令寄存器IR(Instruction Register)：用来存放从存

10、储器取出的将要执行的指令码。 指令译码器ID(Instruction Decoder)：用来对指令寄存器IR中的指令操作码字段(指令中用来说明指令功能的字段)进行译码，以确定该指令应执行什么操作。 可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线CB送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。 3. 内部寄存器 寄存器阵列RA(Register Array)实际上相当于微处理器内部的RAM。微处理器内部的寄存器有以下作用： 可避免频繁访问存储器 缩短指令长度和指令执行时间 提高机器的运行速度 方便程序设计

11、 虽然不同计算机的CPU中其RA会有所不同，但一般至少要有以下几个寄存器。 程序计数器PC(Program Counter)：程序计数器有时也被称为指令指针IP(Instruction Pointer)。它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址。 地址寄存器AR(Address Register)：地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。 数据缓冲寄存器DR(Data Register)：数据缓冲寄存器用来暂时存放指令或数据。 指令寄存器IR(Instruction Register)：指令寄存器用来保存从存储器取出的将要执行的指令码，以便指令译码器对其操作码字段进行译码，

12、产生执行该指令所需的微操作命令。 累加器A(Accumulator)：累加器是使用最频繁的一种寄存器。在执行算术逻辑运算时，它用来存放一个操作数，而运算结果通常又放回累加器，其中原有信息随即被破坏。因此，顾名思义，累加器是用来暂时存放ALU运算结果的。 标志寄存器FLAGS(Flag Register)：标志寄存器有时也称为程序状态字PSW(Program Status Word)。它用来存放执行算术运算指令、逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态信息以及对CPU操作进行控制的控制信息。1.3.3 存储器 这里讲的存储器是指内存储器(由称为主存或内存)。它是微型计算机的存储装置和记忆装置，用来

13、存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。1. 基本概念 位：二进制信息的最小单位。 字节：由8位二进制数组成,可以存放在一个存储单元中。字节是字的基本组成单位。 字：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。 字长：每个字包括的位数称为计算机的字长。 存储单元地址：每个存储单元的编号称为存储单元地址。 存储容量：内存中存储单元的总数。2. 内存的操作CPU对内存的操作有两种：读或写。 读操作：是CPU将内存单元的内容读入CPU内部。（非破坏性操作） 写操作：是CPU将其内部信息送到内存单元保存起来。（破坏性操作）操作过程： CPU给出地址信息（地址信息ARAB译码选中存储

14、单元） CPU发“读”或“写”控制信号 取出或存入数据来自CPU的写信号来自CPU的读信号00H 取出：内存单元数据DBDRCPU内部； 存入：CPU内部DRDB内存单元数据。 10101101B00011010B10111010B00100010B01H90HFFHABDB10010000B10111010B地址内容地址译码器00H10101101B00011010B00000000B00100010B01H90HFFHABDB10010000B00000000B地址内容地址译码器存储器读操作存储器写操作 3. 存储器的分类按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器和只读存储器。 随机读写

15、存储器RAM（Random Access Memory）作用：存放用户程序,数据,部分系统程序。特点：可随机读写,但断电后,内容丢失。 只读存储器ROM（Read Only Memory）作用：存放永久性的程序和数据,系统引导程序,监控程序及操作系统中的I/O管理程序等。特点：只能读不能写,但断电后内容不丢。1.3.4 I/O接口与输入输出设备 I/O接口是微机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。不同的外设必须通过不同的I/O接口才能与微机相连。 1. 常用的外设有： 输入设备：键盘,鼠标,扫描仪,光驱等。 输出设备：显示器,打印机,绘图仪等。 2. 外设的种类有：机械式、电子式、机电式、光电式

16、等。（速度问题） 3. 外设的信号有：数字量、模拟量、开关量等。（信号问题） 4.计算机是电子设备，采用的是数字信号。 因此，要解决计算机和外设之间的速度和信号之间的问题，就需要在它们之间有一种设备来实现速度匹配和信号变换，这就是I/O接口电路。 接口的作用：解决计算机和外设之间速度匹配和信号变换的问题。1.4 微型计算机软件系统所谓软件，就是为了管理、维护计算机以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序的总和。软件可分为系统软件和用户软件。用户软件：也称应用软件。是指用户为解决各种实际问题而编写的程序。系统软件：是指不需要用户干预，为其它程序的开发、调试以及运行等建立一个良好环境的程序。系

17、统软件又包括操作系统OS(Operating System)和系统应用程序。操作系统：用于提供人机接口和管理、调度计算机的所有硬件和软件资源。其中最为重要的核心部分是常驻监控程序(BIOS)。另外还包括I/O驱动程序和文件管理程序等。系统应用程序：为用户程序提供支持的系统程序。系统应用程序很多，如： 各种高级语言的编译解释程序； 汇编程序； 诊断和和调试程序； 文字处理程序； 服务性工具程序； 数据库管理程序等。1.5 微型计算机的工作过程微型计算机的工作就是运行程序，通过逐条地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作来实现某种特定的功能，因此，软件是微型计算机系统不可缺少的组成部分。表1.1

18、完成“6+5”操作的机器语言程序和汇编语言程序内存单元地址 机器语言程序 汇编语言程序 指令功能说明00H01H1011000100000110 MOV A,06H 双字节指令。将数字6送累加器A02H03H0000100000000101 ADD A,05H 双字节指令。将数字5与累加器A中的内容相加，结果存放在累加器A中04H11111110 HLT 停机指令 表1.1为在模型机（8位机）上完成“6+5”操作所需的机器语言程序和汇编语言程序已由输入设备存放到内存中，如图1.5所示。下面进一步说明微机内部执行该程序的具体操作过程。 开始执行程序时，首先将第一条指令的首地址0000H送程序计数器PC，然后就进入第一条指令的取指阶段，其操作过程如图1.5所示。接着进入第一条指令的执行阶段，如图1.6所示。对图示操作过程的详细说明参考教材P11和P12。图1.5 取第一条指令的操作过程示意图00000000RA000000001011000110110001IDPLA标志寄存器A至外部CB微处理器（CPU）内部数据总线DB00H1011000101H0000011002H0000100003H0000010104H11111110地址单元内容外部AB外部DBALUPC+1CPU发出读命令存储器PCARDRIR图