微机原理1：微型计算机系统概述

微型计算机原理与接口技术史卫亚办公室：6412Cellphonemail：swymail@126.comPulicEmail：swy_ppt@126.com

口令:swy1234561课程目标《微机原理与接口技术》是学习和掌握微机硬件知识、汇编语言和利用他们进行硬件设计的主干课程。包括如下三方面的内容：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术通过学习，建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力，达到：会看芯片说明会看时序图会基本应用普及硬件知识。为以后从事软、硬件工作打好基础2与计算机组成原理的区别计算机组成原理是让你从整体上了解计算机是怎么工作的，内容上侧重于计算机的几大组成（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备与总线结构，计算机的储存体系是如何的，还有就是一是I/O接口的基本概念。3与计算机组成原理的区别计算机组成原理是关于一般意义上的单机系统（一个处理器）各组成部件的实现方法。微机原理与应用则是关于IntelX86系列微型计算机的工作原理、指令系统、接口电路的构成4与计算机组成原理的区别

“计算机组成原理”对处理器的指令系统并不会展开详述，更不会讲解汇编语言程序设计“微机原理”更侧重在机器指令层面描述计算机的组成和运行机理。5与计算机组成原理的区别计算机组成原理主要是介绍计算机的基本硬件及原理。重在各个部分的连接。相对宽泛一些。微机原理接口技术比计算机组成原理要具体些，一般是以8086/8088为例，介绍8086/8088CPU的结构，其中最重要的就是汇编语言和芯片；掌握了汇编语言,这几块芯片的编程基本上就差不多了。6学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩60%+30%+10%学习

方法7上机时间：周一下午第1大节（2:30—4：00）第6周----第9周地点6313，6320汇编语言上机第10周----第15周6320，硬件上机8学习资源要利用教材：钱晓捷,陈涛.16/32位微型计算机原理及接口技术（第二版）.机械工业出版社，2005.戴梅萼，微型计算机技术及应用，北京：清华大学出版社，1991其它：周明德，白中英，…学习

资源9教学内容简介第一部分微机概述

1、微型计算机的发展。2、微型计算机的组成和层次结构。3、微型计算机的工作原理。

4、常用术语。

5、数制及转换,原码,补码,BCD码。（已讲）10第二部分8086/8088微处理器

一、8086/8088CPU的内部结构二、8086/8088的指令详解（寻址方式与指令类型已学过）三、8086/8088的引脚及工作摸式(外部特性）四、时序与总线周期五、堆栈11第三部分汇编语言程序设计

注意：此部分内容贯穿全书第四部分存储器

（主要介绍CPU与存储器的连接，即芯片级的应用）12第五部分基本输入输出接口

侧重讲解I/O接口的结构、寻址及CPU和I/O设备之间进行数据传送的方式。第六部分可编程接口芯片

8259、8253、8255实验部分10个实验(4个汇编语言实验，6个硬件实验)

复习2学时13第一章微型计算机系统概述141.1微型计算机发展世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC

1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator），装有18,000个电子管，总重量达30吨，运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2

，造价100万美元。

采用十进制计数方式，编程采用接插线进行。不过它还没有引入CPU的概念。最初的目的是为军队编制各种武器的弹道表。1516后来，冯·诺依曼（VonNeumann）提出了采用二进制计算、储存程序并在程序控制下自动执行一个任务的思想；还提出新机器应由运算部件、控制部件、存储部件、输入部件和输出部件五大部件（部分）组成。“冯·诺依曼”机1949年，剑桥大学的M.V.Wilkes等人在EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)机上实现。17一、电子计算机的发展与分类电子计算机的发展（四代）：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）大、超大规模集成电路计算机（1971-今）微型计算机是第四代计算机的典型代表18近年来涌现出功能越来越强大的通用微处理器(如单片机）、专用微处理器（如DSP）、片上系统（SoC：SystemonChip）、ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）、FPGA/CPLD（Field-ProgrammableGateArray/ComplexProgrammableLogicDevice）、ARM（AdvancedRISCMachines）等，使计算机的应用深度和广度越来越高。(reducedinstructionsetcomputer，精简指令集计算机)19MCS-51单片机模块图在一片集成电路芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。20电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机21微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18-24个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍

------摩尔定律GordonE.Moore，Intel公司的创始人之一二、微型计算机的发展芯片上集成的晶体管的密度叫作集成度22微型计算机

以大规模、超大规模集成电路为主要部件、以微处理器为核心所构造的计算机系统。微处理器

严格讲，微处理器≠CPUCPU（CentralProcessingUnit）由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器（Registers）以及高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，被称为微处理器23四位机和低档八位机1971年：Intel4004，是世界上第一片单片微处理器4位微处理器，寻址空间为4096个半字节,指令系统包括45条指令Intel

4004微型计算机发展史：第一代241972年：Intel8008，第一片8位微处理器。

采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为500KHz，基本指令48条。Intel8008251974年：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。1975年4月，MITS（三菱）公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年：Intel8085——Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。1977年：Z80，Zilog公司，8位机，优于8080，8085第二代：中高档8位微机8085268086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列第三代：16位微处理器芯片271979年—8088

除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IBMPC机。1982，IBM推出PC/XT（ExtendedTechnology）机80882880286（1982年-1984年）采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC/AT（AdvancedTechnology），并制定了一个新的开放系统总线结构ISA—16位、高性能的I/O扩展总线。2980年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）。3080386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了27.5万个晶体管，工作频率达到16MHz。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB，每秒可执行500万条指令。第四代：32位微处理器芯片3180486（1989年-1992年）采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。32Pentium:奔腾（1993年-1997年）Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。第二代Pentium处理器（1994年）采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。33第三代PentiumMMX（多能奔腾，1997年）增加了57条多媒体指令（多媒体扩展指令系统）在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC（reducedinstructionsetcomputer）技术。34接着有PentiumPro(高能奔腾）、PentiumII、PentiumIII、PentiumIV

、PentiumD……还有同级别但经济的Celeron（赛扬）、Xeon（至强）……AMD公司作为竞争着，也推出了各级别的产品，如K5、K6、K6-2、K6-3、K7、Duron、Athlon等微处理器3536Itanium（安腾），2001年5月发布采用0.18微米工艺制造，工作频率为733MHz/800MHz，Itanium处理器的内部/外部数据总线及地址总线都是64位第五代：64位微处理器芯片AMD的Athlon6437什么叫双核CPU?双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。双核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。如PentiumD，90nm工艺38Intel酷睿i5750(盒)

45nm工艺，四核，主频2660MHzAMD羿龙IIX4965

45nm工艺，四核，主频3400MHz3940X86系列微型计算机的发展小结代字长型号工艺集成度(万个)主频速度(MIPS)1168086334.77-10<1216802861.513.46-161-2332803861.527.516-336-1243280486112025-6620-40532P50.8-0.632060-133100-200632P60.18-0.6550-950133-2G>300芯片时间时钟DBR(位)AB寻址空间K个数(每片)技术备注808678年4.771616201MB2900个引入实模式808879年4.77816201MB2900个第一用于2BMP8028681年616162416MB13万个引入保护模式80386DX85年12.53232324096MB25万个多任务8086模式80386SX88年1616322416MB25万个8048689年203232324096125万个内含协处理器和8KB缓存奔腾93年603232324096310万个分支预测16K缓存流水线和超标量结构高能95年1503232324096550万个指令优化调度执行奔腾

P797年30064643240961400万个超流指令体系结41性能功能197219741976197819801982198519891993

19954004800880808085808680286803868048680586808880186804880228049805180968098Intel公司微处理器单片机奔腾IntelX86系列微型计算机的发展42微型化─便携式、低功耗巨型化─尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化─模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化─便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化─网络计算机和信息高速公路多机系统─大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享)IntelX86系列微型计算机的发展431.2微型计算机的组成与体系结构微型计算机系统的三个层次：微处理器 微型计算机 微型计算机系统系统软件应用软件微处理器存储器I/O接口总线硬件软件微型计算机系统外设ALU寄存器控制部件键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪微型计算机441.2.1微型计算机的硬件系统

通用的微型计算机硬件系统是由中央处理器（CPU或MPU）、存储器、I/O（输入/输出）设备及其接口电路组成（如图所示）。

微机系统结构示意图45中央处理器

中央处理器（机）简称CPU，是用来实现运算和控制功能的部件。由运算器、控制器和寄存器三部分组成。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与其他部件之间进行联系。在PC系列微机中所使用的CPU主要有Intel系列、AMD系列、CY系列。

运算器（ALU）：主要完成算术运算和逻辑运算控制器：分析命令并指挥协调各部件统一行动完成命令规定的各种动作或操作的部件，主要有指令指针寄存器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和控制信号发生器组成寄存器：存放原始数据、中间结果和最终结果以及程序的部件46存储器存储器是指微型计算机的内存储器。有随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

ROM中的信息一般只能读不能写，其容量一般为几KB到几MB。如BIOS。而RAM则既可以读出信息，又可以写入信息。通常作为微机系统的主存储器，其容量从早期的几十KB到现在的高达几GB。47I/O设备及其接口电路

I/O设备的种类很多，有电子式、电磁式、机械式等，I/O接口电路最基本的接口电路有8255可编程并行接口电路、8253可编程定时/计数器、8251可编程串行接口电路、8237直接存储器存取电路（DMA）、82380多功能接口电路以及8259中断控制器电路等。48总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机系统采用总线结构连接系统功能部件

总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。总线不仅仅是一组传输线，它还包括与数据传输有关的控制逻辑。所以，在一个计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。总线49总线按其传输的信号分为：1．数据总线DB（DataBus）数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的。2．地址总线AB（AddressBus）地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号。单向的3．控制总线CB（ControlBus）控制总线是连接CPU的控制部件和内存、I/O设备等，用来控制内存和I/O设备的全部工作。双向的50总线按其作用范围又分为：（1）内部总线：由CPU送出的地址、数据、控制信号称为内部总线。（2）系统总线：由于负载和控制的需要，内部总线信号通过总线驱动器、地址锁存器或数据缓冲器以及总线控制器后，所形成的新的信号线称为系统总线。（3）外部总线：是微机系统相互之间或微机系统与其他电子系统之间实现通讯连接的总线。511.2.2

IBMPC系列机系统16/32位IBMPC系列机是现代微机发展的基础8088CPUIBMPC/AT机IBMPC/XT机52GA-586主板模块图538088微处理器8087协处理器8288总线控制器I/O通道8259中断控制器随机存储器RAM只读存储器ROM8253定时控制器8237DMA控制器8255并行接口控制总线数据总线地址总线地址锁存器数据收发器扬声器接口8284时钟发生器键盘接口系统配置开关主机板组成54主板构成8088是8086的简化版本：运算器和寄存器位数，地址位数；寻址大小；工作频率；时钟周期系统控制芯片在第8章~~~第13章介绍存储空间分配：基本RAM区，显示RAM区，扩展ROM取，基本ROM区IO空间分配：低16位地址线访问，64k个端口551.3微型计算机的工作原理1.3.1冯诺依曼存储程序工作原理数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止。“程序存储，程序控制”

——

冯.诺依曼原理561.3.2微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。输入设备输出设备运算器存储器控制器取指令，PC值加1停机?译码并执行结束YN

571.4微型计算机的常用术语和指标1．位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是kelo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240，P是Peta的缩写，1P=1024T=250

。582．字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常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。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。593．主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。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外部总线频率通常简称为外频，它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数通过提高外频或倍