微机原理与接口技术()

微机原理与接口技术()第一页，共五十七页，2022年，8月28日内容提要课程框架结构、学习特点微型计算机的发展概况微型计算机系统简介第一章绪论2023/2/242第二页，共五十七页，2022年，8月28日§1-1课程框架结构和学习特点一、课程体系结构8086/8088CPU虽然是80x86系列的原始型，但80x86汇编语言及高档微处理器均以8086/8088为基础发展起来，因此，本课程以8086/8088为背景介绍微处理器的结构、微型计算机系统的组成、存储器、接口技术以及汇编语言程序设计，为学习高档微型计算机技术打下基础。2023/2/243第三页，共五十七页，2022年，8月28日§1-1课程框架结构和学习特点8086系统结构一、课程体系结构寻址方式和指令系统程序设计存储器接口芯片CPU的内部结构和工作原理.编写程序的基础介绍程序设计的方法

存储芯片的结构和运用

接口芯片的结构和运用

2023/2/244第四页，共五十七页，2022年，8月28日§1-1课程框架结构和学习特点二、学习特点难点整体概念建立困难指令较多，难记难用外围芯片多，容易混淆要求课前预习，课后复习有问题及时解决，勿产生堆积多交流，多讨论独立完成作业2023/2/245第五页，共五十七页，2022年，8月28日§1-1课程框架结构和学习特点三、参考书《微型计算机原理与接口技术》（第4版），周荷琴吴秀清编著，中国科学技术大学出版社《微型计算机原理及接口技术》，李伯成编著，电子工业出版社《微型计算机技术》，田艾平王力生卜艳萍编著，清华大学出版社2023/2/246第六页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

1946年第一代电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国（宾夕法尼亚大学）诞生。一、计算机的发展简史它装有

18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦。2023/2/247第七页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

一、计算机的发展简史第一代计算机：电子管计算机，1946年，以电子管为逻辑元件。操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有不同的机器语言，功能受限，速度慢。使用真空管和磁鼓储存数据。主要元件：18800个电子管，70000个电阻，500万个焊接点。其他：重30吨，占地150m2，耗电150kw，5000次/秒的加法运算。2023/2/248第八页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

一、计算机的发展简史第二代计算机：晶体管计算机，1958年，以晶体管为逻辑元件。与电子管相比、晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、功耗低等特点。晶体管计算机，降低了成本和体积，提高了运算速度。高级语言（Fortran，Cobol）的出现，使计算机从原来的“科学计算”扩展到“数据处理、过程控制”。2023/2/249第九页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

一、计算机的发展简史第三代计算机：集成电路计算机，1965年，以中、小规模集成电路为逻辑元件。与晶体管相比，集成电路的体积更小，功耗更低，可靠性更高。第三代计算机由于采用了集成电路，计算速度从几十万次提高到上千万次，体积大大缩小，价格也不断下降。配上各类操作系统，性能大大提高。出现了交互式语言Basic、结构化程序设计方法。

2023/2/2410第十页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

一、计算机的发展简史第四代计算机：大规模集成电路计算机，1970年，以超大规模集成电路为逻辑元件。大规模集成电路（LSI）计算机，降低了成本和体积，提高了运算速度。在实现微型化的同时，还实现了巨型化计算机网络、分布式处理技术、数据库管理等。微型计算机是第四代计算机的典型代表！2023/2/2411第十一页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）微型计算机的发展通常以微处理芯片CPU的发展为基点，微处理器作为微型计算机的核心，其技术的快速发展推动着整个微型计算机的进步和更新换代。微处理器发展经历五代：第二代微处理器：1973年（8位微处理器）第三代微处理器：1978年（16位微处理器）第四代微处理器：1983年（32位微处理器）第五代微处理器：1993年（64位微处理器）2023/2/2412第十二页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）典型产品：

Intel4004（1971年，4位微处理器） Intel8008（1972年，8位微处理器）特点：工艺：PMOS集成度：2000只晶体管/片时钟频率：小于1MHz平均指令执行时间：10~15μs采用机器语言编程。2023/2/2413第十三页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第二代微处理器：1973年（8位微处理器）典型产品：Intel8080（73年），MotorolaMC6800（74年），ZilogZ80（75年），Intel8085（76年）特点：工艺：NMOS集成度：9000只晶体管／片时钟频率：1~4MHz平均指令执行时间：1~2μs有中断和DMA等功能，指令系统相对完善，配备了汇编语言和高级语言（BASIC、FORTRAN语言），使用单用户操作系统。2023/2/2414第十四页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第三代微处理器：1978年（16位微处理器）典型产品：Intel8086（1978年），ZilogZ8000（1979年），Motorola68000（1979年），Intel80286（1983年），Motorola68010（1983年）特点：工艺：HMOS集成度：2~7万只晶体管/片时钟频率：4~25MHz平均指令执行时间：0.5μs2023/2/2415第十五页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第三代微处理器：1978年（16位微处理器）8086微处理器时钟频率为5MHz，数据总线16位，地址总线20位，可寻址1MB内存空间。具有丰富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，数据库管理系统和多种高级语言，性能超过了70年代的中低档小型机水平。2023/2/2416第十六页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第三代微处理器：1978年（16位微处理器）80286微处理器时钟频率为25MHz，地址总线24位，可寻址16MB内存空间。提出了实模式和保护模式两种存储器管理模式，使之突破了8086访问1MB存储空间的限制；引进了段描述符表的概念，可访问1GB的虚拟地址空间；支持虚拟存储器体系，满足了多用户和多任务的工作需要。2023/2/2417第十七页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第四代微处理器：1983年（32位微处理器）典型产品：ZilogZ80000（1983年），Motorola68020（1984年），Intel80386（1985年），Intel80486（1989年），Motorola68040（1989年）特点：工艺：CHMOS集成度：15~50万只晶体管／片时钟频率：16~40MHz平均指令执行时间：<0.1μs2023/2/2418第十八页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第四代微处理器：1983年（32位微处理器）80386CPU数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高达4GB，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。有快速局部总线，有一套支持的配件。

2023/2/2419第十九页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第四代微处理器：1983年（32位微处理器）80486CPU不仅将浮点运算部件集成进芯片之内，又增加了8KB的片内高速缓存（Cache），内部数据总线宽度为64位。80486的整数处理部件采用了RISC技术（ReducedInstructionSetComputer，简化指令集合计算机），可以在一个时钟周期内执行一条指令，使80486的处理速度极大提高。芯片内部其它方面保留CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令系统

）用以处理复杂的指令，以保证兼容性。它还采用突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。80486引进了时钟倍频技术，使主频超过100MHz成为可能。2023/2/2420第二十页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展第五代微处理器：1993年开始（32位向64位微处理器过渡）典型产品：Pentium（1993年），PentiumPro（1995年） PentiumⅡ（1997年），PentiumⅢ（1999年），Pentium4（2000年），Core（2006年）Pentium处理器不仅保留了与80486的兼容，而且在内部集成了浮点运算器和两个8KB的Cache，分别用于保存指令与数据；还提供了两条并行的流水线，形成超标量的体系结构，大大提高了指令的并行运算速度。CPU的内部工作频率为60～100MHz，使Pentium处理器可在一个机器周期内执行完两条指令。特点2023/2/2421第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展PentiumPro内部数据总线与地址总线均为64位，采用3路超标量体系结构，14级超级流水线，非顺序执行指令，进行分支指令预测技术和数据流分析，可实现指令的动态执行；PentiumⅡ双重独立总线结构（二级高速缓存总线及处理器到主存的系统总线分别独立）；内置多媒体扩展技术；将256～512KB的L2Cache集成到CPU中，优化了L2Cache到系统总线的输入队列和数据缓冲器；PentiumⅢ主频为450MHz，系统总线频率为100MHz；增加了70余条三维图像处理指令—SSE指令集；PentiumⅢ主频为450～700MHz。2023/2/2422第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展Pentium4主频可达1.5GHz～3.6GHz，它采用了一系列新技术，包括400MHz的系统总线和双通道的DRAM、专用的跟踪缓冲器（用来保存已解码的指令和转移高速处理所需的数据）、超线程技术（为每个CPU设置两个入口，相当于两个逻辑CPU），以及20级的超长流水线技术和高级动态分支技术，同时引入了为加速执行各种应用程序而设计的包括144条多媒体及图形指令（SSE2），从而使Pentium4CPU能够更好地满足互联网用户的要求。特点2023/2/2423第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日§1-2微型计算机的发展概况

二、微型计算机的发展Core（酷睿）处理器采用先进的双核架构，将两个微处理器内核封装在一起，共享二级缓存和系统总线，可以根据工作负载情况，将共享二级高速缓存动态分配到每个处理器内核。特点2023/2/2424第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日INTEL微处理器性能演进表地址总线数据总线存储器寻址空间一级缓存二级缓存工作频率(Hz)集成度(只/片)808016864KB2M450080882081MB5M29000808620161MB5/8/10M2900080286241616MB12/20/25M13.4万80386SX241616MB16/25/33M27.5万80386DX32324GB16/33/40M27.5万80486DX32324GB8KB25~100M120万Pentium32644GB16KB66~200M310万PentiumMMX32(36)6464GB16KB200~300M450万性能芯片2023/2/2425第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日地址总线数据总线存储器寻址空间一级缓存二级缓存工作频率(Hz)集成度(只/片)PentiumPro366464GB16KB256KB150~200M550万PⅡ366464GB32KB512KB233~450M750万PⅡXeon366464GB32KB512KB350~450M750万PⅢ366464GB32KB512KB450M~1.4G950万P4366464GB32KB256KB~2MB1.3~3.8G1.25亿Core366464GB64KB2MB~8MB1.8~3.0G2.91亿CoreXeon40641024GB64KB2MB~12MB1.6~3.0G8.2亿INTEL微处理器性能演进表（续）性能芯片2023/2/2426第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

控制器输出设备

CPU

存储器运算器ALU输入设备微型计算机的基本结构属于冯·诺依曼型计算机。它包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个组成部分，基本工作原理是存储器存储程序控制的原理。早期的冯·诺依曼机结构上以运算器和控制器为中心，随着计算机系统的发展，现已演化为以存储器为中心的结构。2023/2/2427第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器(Microprocessor)

只是一个中央处理器(CPU)，由算术逻辑部件(ALU)、累加器和寄存器组、指令指针寄存器IP

、段寄存器、时序和控制逻辑部件、内部总线等组成。算术逻辑部件(ALU)：主要完成算术运算及逻辑运算。数据寄存器和变址及指针寄存器：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。指令指针寄存器IP：指向要执行的下一条指令的偏移地址。2023/2/2428第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器(Microprocessor) 段寄存器：给出存储单元的段地址，与偏移地址组成20位物理地址对存储器寻址。时序和控制逻辑部件：负责对整机的控制，使CPU内部、外部协调工作。内部总线：总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。微处理器不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上存储器、外部输入/输出接口构成一台微型计算机方能工作。2023/2/2429第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器(Microprocessor)2023/2/2430第三十页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微型计算机微型计算机的组成：CPU存储器I/O接口电路系统总线具有运算能力，能独立执行程序，但若没有输入/输出设备，数据和程序不能输入，运算结果无法显示或输出，仍不能正常工作，因此必须构成一个微型计算机系统才能方便人们应用。2023/2/2431第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微型计算机2023/2/2432第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统的构成：微型计算机＋外部输入／输出设备＋系统软件2023/2/2433第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微型计算机系统2023/2/2434第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

ALU寄存器控制部件系统软件：DOS、Windows95/98/2000应用软件：WPS、Word、Photoshop微处理器CPU

存储器(RAM,ROM)I/O接口总线硬件软件微型计算机系统微型计算机外设键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪概念对照[微处理器、微型计算机、微型计算机系统]2023/2/2435第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

二、存储器存储器：内部存储器（内存或主存）和外部存储器。1.内部存储器内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，CPU可以直接访问。内存主要是半导体存储器，分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。2023/2/2436第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

二、存储器1.内部存储器随机存取存储器RAMRAM可以随机读写，断电后存储内容消失。RAM又可分为动态RAM（DRAM）和静态RAM（SRAM）。DRAM用MOS电路和电容作为存储单元，由于电容放电要定时对其充电，称为刷新。特点是高密度，但存取速度慢。SRAM用双极型电路或MOS电路组成触发器作存储单元，不需要刷新。特点是高速度，但存储容量小。2023/2/2437第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

二、存储器1.内部存储器只读存储器ROMROM只能读出已存储的内容，不能写入，断电后存储内容不会消失。ROM又可分为可编程只读存储器PROM、可编程可擦除只读存储器EPROM

和EEPROM。Cache存储空间较小、存取速度较高，位于CPU和主存之间。存放了处理机经常使用的程序和数据，使CPU可快速从Cache中读写所需的指令和数据，减少了访问主存的次数，提高了整个处理机的性能。高速缓存存储器Cache2023/2/2438第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

二、存储器2.外部存储器外存存放“海量”数据，相对来说不经常使用，CPU使用时要先调入内存。典型的外存有软盘、硬盘、光盘、优盘等。3.存储器组织16位微机系列配置2个存储体，分别连接数据总线D7～D0和D15～D8，一次数据总线传送16位数据。32位微机系列配置4个存储体，分别连接数据总线D7～D0、D15～D8、D23～D16及D31～D24，一次数据总线传送32位数。Pentium以上的微机配置8个存储体，分别连接64位数据总线

。2023/2/2439第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

二、存储器4.存储器性能指标存储容量：指存储器有多少，基本存储单元为位（bit）一般以字节（Byte）或字（Word）来计算，常用的单位为KB（1024Byte），MB（1024KB），GB（1024MB）

，TB（1024GB）。存取速度：指从存储器中读出数据或数据写入存储器所需要的时间。包括CPU给出存储器地址，存储器的选通信号和读/写信号到存储单元数据读出或写入一次，存储器恢复阶段等时间的总和。2023/2/2440第四十页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

三、I/O接口I/O接口电路用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与CPU之间的工作速度不同，信号电平不同，数据格式不同，因此要配备不同的I/O接口电路来辅助CPU工作，实现CPU与外设之间的速度匹配，信号电平匹配，信号格式匹配，时序控制，中断控制等。2023/2/2441第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU总线：计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路。总线分类：内部总线、元件级总线、系统总线（板级总线）、外部总线。2023/2/2442第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线1.总线标准的特性物理特性：指总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等。功能特性：总线中每一根线的功能是什么。电气特性:定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：定义了每一根线上的信号在什么时间有效。2023/2/2443第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日2.总线分类内部总线：是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。有单总线结构、双总线、三总线结构等。其中单总线结构有利于集成度提高及成品率提高；双总线或三总线结构有利于内部数据传送速度加快。元件级总线：连接计算机系统中两个主要部件的总线。地址总线是CPU用来向存储器或I/O端口传送地址的，是三态单向总线。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存容量。数据总线是CPU与存储器及外设交换数据的通路，是三态双向总线。控制总线是用来传输控制信号的，传送方向就具体控制信号而定。2023/2/2444第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日2.总线分类系统总线：是微处理机箱内的底板总线，用来连接构成微处理机的各个插件板。在80x86系列微机系统中，使用的系统总线主要有：ISA总线（工业标准体系结构总线）、EISA总线（扩展工业标准体系结构总线）、VESA总线（视频电子标准协会）、PCI总线（外设互连局部总线）。外部总线：用于微处理机系统与系统之间，系统与外设之间的信息通路。这种总线数据的传送方式有并行方式和串行方式。如：RS-232总线（串行）、IEEE-488总线（并行）、USB总线（串行）。2023/2/2445第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组地址AB数据总线DB控制总线CB地址加法器指令队列运算器PSW标志寄存器2023/2/2446第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU2023/2/2447第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线系统总线2023/2/2448第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日§1-3微型计算机系统

四、总线2023/2/2449第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日ISA插槽PCI插槽