微机基本原理预备知识

一、计算机应用领域二、计算机分类三、计算机发展年代划分依据四、微型计算机的发展五、数字电路基础知识六、微型计算机系统微型计算机基本原理12/1/20221第1页，共56页。一、计算机的应用领域12/1/20222第2页，共56页。基于上述的事实，我们再重新思考一下“什么是计算机？”、“什么是PC机？”计算机：是用来计算的仪器，尤指可进行高速数学或逻辑运算或汇编、存储、整理或处理信息的可编程的电子机器。PC机（PersonalComputer）：是指面向个人用户而设计的没有个性的通用计算机，是计算机中的一种。“计算机”与“PC机”12/1/20223第3页，共56页。二、计算机分类计算机按性能价格、体积不同可分为六类：1、巨型机：主要用于模拟核武器的爆炸2、大型机：3、中型机：较大型科研单位，省计算中心4、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替）5、微机（PC机）6、单片机12/1/20224第4页，共56页。三、计算机发展年代划分依据

第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以“万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征：硬件特征是指计算机采用的物理器件软件特征是指计算机使用的软件环境12/1/20225第5页，共56页。计算机己发展了四代第一代:电子管计算机(机器语言、汇编语言)第二代:晶体管计算机（BASIC、FORTRAN）第三代:集成电路计算机（FORTRAN、分时、多用户操作系统…）第四代:大规模、超大规模集成电路计算机（软件工程、数据库…）12/1/20226第6页，共56页。计算机走向新时代计算机的发展方向:第五代："非冯.诺依曼"计算机时代第六代：神经计算机时代光计算机时代生物计算机时代12/1/20227第7页，共56页。四、微型计算机的发展微型计算机属于第四代计算机微型计算机诞生于20世纪70年代微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方面、软件丰富微型计算机核心是微处理器（CPU）每出现一个新的处理器就会出现新一代的微型计算机12/1/20228第8页，共56页。INTELCPU发展史（1）12/1/20229第9页，共56页。INTELCPU发展史（2）12/1/202210第10页，共56页。微型计算机发展趋势（1）1、中央处理器更小的布线宽度和更多的晶体管减少布线宽度是提升CPU速度的关键，0.18微米技术、0.13微米技术、0.07微米技术、65纳米技术...届时CPU主频将达到5GHZ,晶体管数量将达到2亿个.更高的总线宽度，超过2GHZ64位CPU成为主流双核或多核将成为发展的趋势12/1/202211第11页，共56页。微型计算机发展趋势（2）2、系统存储器CPU集成更大的高速二级缓存内存容量更大速度更快硬盘容量也更大速度更快DVD-RAM普及12/1/202212第12页，共56页。微型计算机发展趋势（3）3、多媒体系统显卡的性能更高图形技术进一步发展大尺寸显示器成为主流数字式音箱占领市场12/1/202213第13页，共56页。微型计算机发展趋势（4）4、网络电信网、计算机网（IP网）和广播电视网将进一步融合更高速率宽带无线接入5、整机更加趋于个性化。利用蓝牙技术或红外无线技术将减少机箱背后的连线，使主机与外设进行无线通信。12/1/202214第14页，共56页。五、数字电路基础知识(1)1111tv5v012/1/202215第15页，共56页。数字电路基础知识(2)12/1/202216第16页，共56页。上页下页回目录六、微型计算机系统12/1/202217第17页，共56页。到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯.诺依曼（冯．诺依曼是美籍匈牙利数学家，他提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，冯·诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储、顺序控制”的概念）首先提出的体系结构。其基本设计思想为：

①以二进制形式表示指令和数据。②程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。③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。（一）基于总线的微型计算机硬件系统12/1/202218第18页，共56页。微机硬件组成：上页下页回目录CPU微处理器RAMI/OROM外设辅助电路CBUSDBUSABUSCBUS：控制总线，DBUS：数据总线，双向三态ABUS：地址总线，单向三态12/1/202219第19页，共56页。I/O三态数据缓冲器RAM三态数据缓冲器ROM三态数据缓冲器E1E2E3111000CPUD0

D7数据总线单向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器总线：

在CPU与其它部件之间信息传送的公共通道（1）数据总线“双向三态”（2）地址总线“单向三态”（3）控制总线“多选一”地址译码片选信号上页下页回目录P1412/1/202220第20页，共56页。地址总线AB定时电路输入设备输出设备I/O接口ROMRAM数据总线DB控制总线CB微处理器(CPU)微型计算机硬件系统结构12/1/202221第21页，共56页。地址总线AB(AddressBus)：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送

由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。数据总线DB(DataBus)：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。控制总线CB(ControlBus)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的，图1.3中CB作为一个整体，用双向表示。三大总线说明12/1/202222第22页，共56页。上页下页回目录P5运算器控制器（CPU）微机模型组成12/1/202223第23页，共56页。运算器由

算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）

累加器A（Accumulator）

标志寄存器F（Flag)

寄存器组R（Registers）相互之间通过内部总线连接而成。它的主要作用是进行数据处理与加工

1.运算器上页下页回目录

一）、CPU的内部结构12/1/202224第24页，共56页。运算器由

算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）

累加器A（Accumulator）

标志寄存器F（Flag)

寄存器组R（Registers）相互之间通过内部总线连接而成。它的主要作用是进行数据处理与加工

上页下页回目录

1.运算器12/1/202225第25页，共56页。CU（ControlUnit）由：

程序计数器PC（ProgramCounter）

指令寄存器IR（InstructionRegister）

指令译码器ID（InstructionDecoder）操作控制部件或称为组合逻辑阵列PLA（

ProgrammedLogicArray）

时序发生器（图1-2中略）等电路组成控制器的主要作用有：

解题程序与原始数据的输入

从内存中取出指令并译码

控制运算器对数据信息进行传送与加工

运算结果的输出

外部设备与主机之间的信息交换

计算机系统中随机事件的自动处理等上页下页回目录“+1”2.控制器12/1/202226第26页，共56页。上页下页（1）累加器A（2）数据寄存器DR（DataRegister）（3）寄存器组R（4）指令寄存器IR、指令译码器ID操作控制部件PLA

（5）程序计数器PC（6）地址寄存器AR（AddressRegister）

回目录***3.CPU中的主要寄存器12/1/202227第27页，共56页。

4.标志寄存器F标志寄存器F也称程序状态字PSW（ProgramStateWord），是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，如：运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等

5.堆栈与堆栈指示器SP（StackPointer）

（1）按照先进后出FILO（FirstInLastOut）顺序向堆栈读/写数据；（2）SP始终指向栈顶；（3）堆栈的两种操作压入（PUSH）和弹出（POP）

它有三个主要特点：上页下页回目录12/1/202228第28页，共56页。存储器RAM基本结构一般由四个部分组成：

存储矩阵、地址译码器读写控制电路、三态双向缓冲器。上页下页回目录××自CPU来的CB来自CPU的地址AB往返于CPU的DB地址译码器控制00H01H02H03H...FEHFFH256×8存储矩阵三态双向缓冲器地址译码器地址译码器02H02H“读”××××××××××三态双向缓冲器02H按地址访问的一维线性空间二）、存储器（Memory）

12/1/202229第29页，共56页。存储器的概念

这里介绍的存储器是指内存储器（又称为主存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。如图1.5所示，地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B。12/1/202230第30页，共56页。E7H34HA5HF2H38H……4001H4002H4003H4004H4005H……地址指令或数据内容00111000图1.5内存单元的地址和内容12/1/202231第31页，共56页。1.基本概念1)．位(Bit)：二进制信息的最小单位（0或1）通常用B表示。2)．字节(Byte)：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。是字的基本组成单位。通常用B表示，1B=8b.3)．字（Word）：不同的场合有不同的含义，软件上通常指2个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。即1W=2B=16b，2W=4B=32b.4).字长：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。8位机，16位机指的就是处理器内部数据线的宽度是多少。12/1/202232第32页，共56页。5)．内存容量：内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1024（210）字节记作1KB，220字节记作1MB。6)．内存单元地址：为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。12/1/202233第33页，共56页。地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B来自CPU的写信号00000000BDB地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB来自CPU的读信号(a)内存读操作过程示意图(b)内存写操作过程示意图图1.6内存读写操作过程示意图2.内存的操作12/1/202234第34页，共56页。3.内存的分类按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由CPU任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（BIOS）等。12/1/202235第35页，共56页。输入操作“读”操作输出操作“写”操作上页下页回目录指令地址

“+1”

三）、I/O接口和外设

12/1/202236第36页，共56页。四）、模型机的工作过程

1.指令和指令系统（1）指令的格式操作码操作数或地址*程序的存储与执行程序PCPCPCPCPCPC指令1指令2指令3……指令nM12/1/202237第37页，共56页。PC指令执行的两个阶段，取指阶段与执指阶段

上页下页回目录一个CPU周期一个CPU周期一个CPU周期一个指令周期下一个指令周a)取指阶段b)执指阶段开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1以直接寻址的指令为例开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1PCPC┇上一条指令操作码操作数地址下一条指令┇PC（2）指令执行过程12/1/202238第38页，共56页。表1-1“15H+30H”程序执行过程上页下页回目录

注释

地址00H01H02H03H04H05H06H…

内容011101000001010100100100001100001000000011111110…………

助记符MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

……取数指令，第一字节是操作码第二字节就是指令的操作数加法指令，第一字节是操作码第二字节也是指令的操作数两字节指令，执行原地踏步操作（暂停）

PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPC

2.程序的执行过程

12/1/202239第39页，共56页。上页下页1.程序设计语言（2）汇编语言（3）高级语言（1）机器语言2.系统软件3.应用软件回目录（二）、软件系统12/1/202240第40页，共56页。1、字长3、指令系统2、存储容量4、指令的执行时间5.外设扩展能力及配置上页下页回目录（三）、衡量计算机性能的主要技术指标12/1/202241第41页，共56页。以下的幻灯片为备用12/1/202242第42页，共56页。微处理器（8位）外部DB微处理器(CPU)AARPLAPC标志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H存储器地址单元内容ALU图1.4微处理器结构内部数据总线DB12/1/202243第43页，共56页。微处理器的组成运算器(ALU)：进行算术、逻辑、移位运算。控制器(CU)：全机的指挥中心。IRIDPLA内部寄存器(R)PCARDRAFLAGSRA12/1/202244第44页，共56页。1.3.4I/O接口与输入输出设备I/O接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。I/O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。12/1/202245第45页，共56页。为什么要采用I/O接口电路？

①外设与CPU的工作速度不同。与CPU相比，外设的工作速度较低。②外设与CPU的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而计算机只能处理数字量。③外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不能直接进行，而需要设计一个I/O接口作为微型机与外设之间的桥梁。I/O接口也称为I/O适配器，不同的外设必须通过不同的I/O适配卡（板）才能与微机相连。所以，I/O接口是微型计算机应用系统不可缺少的重要组成部件。任何一个微机应用系统的研制和开发，实际上是I/O接口的研制和开发。因此，I/O接口技术是本课程要重点讨论的内容之一。12/1/202246第46页，共56页。1.4微型计算机软件系统12/1/202247第47页，共56页。1.5微型计算机的工作过程

表1.1完成“6+5”操作所需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0000H0001H1011000100000110MOVA,06H双字节指令。将数字6送累加器A0002H0003H0000100000000101ADDA,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。0004H11111110HLT停机指令12/1/202248第48页，共56页。图1.7取第一条指令