微机原理与接口技术第一章

微机原理与接口技术第一章第1页，共65页，2023年，2月20日，星期六微机原理与应用【内容提要】本章从电子计算机的基本结构和工作入手，着重介绍微处理器和微计算机的基本概念、组成、特点、名词术语和应用形态，是学习本课程的基础知识。并以当今国内外广泛应用的IBMPC系列计算机为例，使学习者对微计算机系统的结构有一初浅的认识，以此引出本课程学习的内容，明确达到的要求。第2页，共65页，2023年，2月20日，星期六第一章概述第一节:计算机发展概述计算机发展里程碑式的人物不能不提的至少有三名:Alan.M.Turling(1912-1954)英国数学家现代计算机思想的奠基人,1936年提出理想通用机的设想,它能接受指令而处理任何形式的信息.为计算机的实现提供了理论性和方向性的指导.第3页，共65页，2023年，2月20日，星期六CloudeShannon(1916-…)美国人,信息论的开山鼻祖,著有<<通信的数学理论>>.1937年的硕士论文<<继电器和开关电路的符号分析>>描述了用继电器的正确排列而实现二进制数的控制与运算,对计算机的硬件实现以及计算机科学的发展具有巨大的意义!第4页，共65页，2023年，2月20日，星期六VonNeuman(1903-1957),匈牙利人,神童,数学家.1930年到普林斯顿大学任客座教授,讲授量子力学.最大的贡献是引爆原子弹的方法:内爆法.‘曼哈顿计划’的主持者.他改进了由美国宾夕法尼亚大学Mauchly教授发展的ENIAC(世界上第一台电子管计算机):1)用二进制方法2)用内存储器而不是用外部开关提出了著名的计算机的普林斯顿结构,又称冯.诺曼结构.第5页，共65页，2023年，2月20日，星期六“计算机是一群计算机人制造给另一群计算机人服务的机器……..”这种状态一直持续了30年这样,现代意义上的计算机就诞生了.1946/2/15日ENIAC的交付使用意味着现代计算机发展的里程碑.1955年冯.诺曼被任命为美国原子委员会委员,1957年去世.自1946---1977年Apple机出现之前,计算机一直是美国有名的几家大公司垄断的产品如IBM/DEC/DG/Gray,应用客户都是大部门,如军事,气象等.无论民间或专业人士对计算机都持类似的观点,1977年Apple机的出现是(微型)计算机发展的里程碑,它彻底的改变了人们的观念,也改变了我们的生活.第6页，共65页，2023年，2月20日，星期六第二节微型计算机的发展进程1975年,Altair8800诞生,2MHzIntel8080,256bytesstandardRAM1976年，乔布斯与沃兹合伙组建Ａｐｐｌｅ公司,卖出50台apple-I,1977年apple-II诞生.从1977年Apple

Ⅱ上市后，到１９８１年计算机行业的“巨人”———ＩＢＭ宣布也进入个人电脑市场时，苹果公司的利润已达３．３５亿美元。１９８２年的利润高达５．８３亿美元。史蒂夫·乔布斯令人瞠目结舌的偏执和标新独断的性格注定了苹果电脑将走上固步自封、特立独行的道路。苹果电脑逐步走进了一个完全禁锢的圈子，它的CPU用的不是英特尔的CPU，操作系统也不是微软的Windows，甚至包括苹果电脑的硬件和软件都是专用的。苹果电脑完全脱离了PC的世界，或者说，它脱离了普通消费者的视线，而一步一步成为美术、广告、图形设计等特定领域专爱的产品。苹果电脑自我封闭的直接结果是，在美术、广告、图形设计等特定领域里，苹果电脑牢牢地控制了一切，然而，它失去了更为广阔的大众消费市场。第7页，共65页，2023年，2月20日，星期六

苹果电脑谱写了电脑史上一段不朽的传奇。即使是对英特尔公司董事长安迪·格鲁夫和微软公司董事长比尔·盖茨这两位已经堪称IT业泰斗的人物来说，开创苹果电脑传奇的史蒂夫·乔布斯也同样为他们所崇敬。

1981年IBM推出PC机当时IMB占80%的大型计算机市场份额,而小型机主要为DEC/GD公司占统治地位.为在一年的断时间内抢占市场,它抛弃了自己制造硬件/软件的传统方式,选择了一条捷径:采用开放式的硬件/软件结构，用市场已有的元件构造IPMPC机,它的这一决定,带来了它自己也预料不及也控制不到的结果,造成了个人PC的空前发展,并扶植了两个公司,Inter/Microsoft,彻底改变了计算机市场份额的格局.第8页，共65页，2023年，2月20日，星期六1981年IBMPC硬件:Inter8080CPU软件:UCSD-PASCAL-PSYSTEM450$CP/MSYSTEM170$PC-DOSSYSTEM60$1982年IBMPC/XT10MBHD80861984年IBMPC/AT802861986年Compaq首推80386DX的PC兼容机1987年IBM用垄断PS2硬件及OS/2操作系统以挽回颓势……….1989年Intel推出80486DXCPU,从此,Intel站到了前台!第9页，共65页，2023年，2月20日，星期六Intel的CPU发展历史1974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公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年：Intel8080Intel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。第10页，共65页，2023年，2月20日，星期六第一代：8086/8088（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1979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现有的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IMBPC。第11页，共65页，2023年，2月20日，星期六第二代：80286（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，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。80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）。第12页，共65页，2023年，2月20日，星期六第三代：80386（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275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含16位数据总线和24位地址总线，寻址空间为16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。由于这些微处理器由于与I/O之间传输为16位，故也称为准32位微处理器。第13页，共65页，2023年，2月20日，星期六第四代：80486（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微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器。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。Intel公司还生产过80486的其他一些版本：80486SX，工作频率20MHz，不包含数学协处理器；80486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为33MHz；80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到100MHZ，内存存取速度为33MHz。第14页，共65页，2023年，2月20日，星期六第五代：Pentium（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（以P54C代称，1994年）采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。第三代PentiumMMX（以P55C代称1997年）增加了57条多媒体指令在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物第15页，共65页，2023年，2月20日，星期六第六代：P6（1996-2001）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII采用0.13m-0.18m工艺，集成度550万-750万晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令第七代：（P7）(2000.11--)PentiumIV

WillametteP4的256KBCache到NorthwoodP4(Cache512K),内集成的晶体管数目5500万,Pentium4采用最新的0.13加工工艺制造，目前英特尔已经确立了4GHz的开发目标,并支持HyperthreadingTechnology.第16页，共65页，2023年，2月20日，星期六第17页，共65页，2023年，2月20日，星期六第18页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的组成和结构微型计算机的基本组成和工作第19页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件系统第20页，共65页，2023年，2月20日，星期六冯·诺依曼结构：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成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第21页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机系统的三个层次微处理器严格讲，微处理器≠CPUCPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成把CPU和一组称为寄存器（Registers）的特殊存储器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，这个器件才被称为微处理器第三节微处理器、微记算机、微处理器系统

第22页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机系统的三个层次微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入／输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。第23页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机系统的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。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第24页，共65页，2023年，2月20日，星期六第五节微计算机系统的组成一硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成二软件（一）程序设计语言：机器语言、汇编语言、高级语言。（二）系统软件：监控程序和操作系统、各种程序设计语言的翻绎器和实用程序（三）应用程序三微计算机系统结构特点（一）软件的固化（二）总线结构第25页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的总线结构体系第26页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的总线结构体系第27页，共65页，2023年，2月20日，星期六微计算机软件系统的组成

上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。例如：4+5这种简单运算,需要以下几个步骤:①把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;②把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;③相加;④把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.第28页，共65页，2023年，2月20日，星期六•

指令----我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来,就是指令.通常一条指令对应着一种基本操作,但是计算机怎么能够辨别和执行这些操作呢?这是由设计时设计人员赋予它的指令系统决定的.一个计算机能执行什么样的操作,能做多少种操作,是由设计计算机时所规定的指令系统决定的.•指令系统-----一条指令对应着一种基本操作,计算机所能执行的全部指令,就是计算机的指令系统.这是计算机所固有的.第29页，共65页，2023年，2月20日，星期六•程序----我们在使用计算机时,必须把我们要解决的问题编成一条条指令,这些指令的集合就称为程序.(这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指令,也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中具有的指令.)源程序---用户为解决自己的问题所编的程序,称为源程序.•指令形式----指令通常分成操作码(Opcode)和操作数(Operand).操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作的数本身或操作数所在的内存中的位置.因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统中的所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示.第30页，共65页，2023年，2月20日，星期六①把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;②把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;③相加;④把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.

A00020MOVAL,[2000H]A81E0120MOVBL,[2001H]00D8ADDAL,BLA20030MOV[3000H],AL机器语言汇编语言第31页，共65页，2023年，2月20日，星期六•机器语言----计算机发展的初期,就是用指令的机器码直接来编制用户的源程序,这就是机器语言阶段.•汇编语言----由于机器码是由一连串的0和1组成的,不好记忆,容易出错,因而后来人们用一些助记符(Mnemonic)来代替操作码,如上所示.这样,每条指令有明显的特征,易于理解记忆,这便是汇编语言阶段.•程序的存放----要求机器能自动执行这些程序,就必须把这些程序存放到存储器的某个区域.计算机在执行时把这些指令一条条取出来加以执行.第32页，共65页，2023年，2月20日，星期六软件系统第33页，共65页，2023年，2月20日，星期六符号数的表示把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数这种在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。最高位表示符号，数值位用二进制绝对值表示的方法，称为原码表示法一个负数的原码符号位保持不变，其余位取反就是机器数的另一种表示方法，反码表示法。正数的反码与原码相同。将负数的反码加1，则得到机器数的补码表示。正数的补码与原码相同。第六节微计算机数和字符的表示第34页，共65页，2023年，2月20日，星期六1.计算机中用2进制表示法/16进制表示法(10010011)B

8位2进制数(93)H

2位16进制数其中,8位2进制数的表示范围为:0--------255(无符号数)-128------+127(有符号数)2.计算机完全用补码表示:符号数的表示第35页，共65页，2023年，2月20日，星期六例如:(+105)10=(01101001)2=69H[+105]原=(01101001)2[-105]原=(11101001)2[+105]补=(01101001)2[-105]补=(10010111)2[+105]反=(01101001)2[-105]反=(10010110)2第36页，共65页，2023年，2月20日，星期六[XY]补=[X]补+[Y]补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。模（module）就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以进位计数制基数为底，以位数为指数的幂。凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有， X=2n+X(mod2n)不难验证， [X]补=2n+X(mod2n)因此，[XY]补 =2n+(XY)(mod2n) =(2n+X)+(2n+X) =[X]补+[Y]补补码加减法的运算规则第37页，共65页，2023年，2月20日，星期六补码加减法的运算规则例.设X=+33，Y=+15，以28为模，用补码运算求X+Y和X-Y。[+33]补(00100001)2

+

[+15]补(00001111)2[+48]补(00110000)2第38页，共65页，2023年，2月20日，星期六[--33]补(11011111)2

+

[+15]补(00001111)2[--18]补(11101110)2

[+33]补(00100001)2

+

[--15]补(11110001)2[+18]补(000100010)

2第39页，共65页，2023年，2月20日，星期六[--33]补(11011111)2

+

[--15]补(11110001)2[--48]补(11010000)2

[--33]补(11011111)2

--

[--15]补(11110001)2[--18]补(11101110)2第40页，共65页，2023年，2月20日，星期六

[+33]补(00100001)2

--

[--15]补(11110001)2[+48]补(00110000)2第41页，共65页，2023年，2月20日，星期六[+33]补(00100001)2

--

[--15]补(11110001)2[+48]补(00110000)2例.设X=+33，Y=+15，以28为模，用补码运算证明:[X+Y]补=[X]补–[--Y]补。证:[X+Y]补=

[+48]补(00110000)2

[X]补–[--Y]补=[+48]补(00110000)2第42页，共65页，2023年，2月20日，星期六当运算结果超出补码表示的数值范围时，补码运算就不正确了。这种现象称为溢出。对于n位补码，当时应用补码运算可以得到正确的结果第43页，共65页，2023年，2月20日，星期六有符号数运算的溢出问题:

[+72]补(01001000)2

+

[+98]补(01100010)2[--86]补0(10100101)2

[--83]补(10101101)2

+

[--80]补(10110000)2[+48]补1(01011101)2溢出溢出进位Cp=1进位Cs=0结论:溢出(overflag)第44页，共65页，2023年，2月20日，星期六无符号数的表示五符号数的最高位不是符号位而是数值的一部分第45页，共65页，2023年，2月20日，星期六第46页，共65页，2023年，2月20日，星期六第47页，共65页，2023年，2月20日，星期六非数值数据的表示

ASCII码采用7位二进制代码对字符进行编码数字0~9的编码是0110000~0111001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码相符。英文字母A~Z的ASCII码从1000001（41H）开始顺序递增，字母a~z的ASCII码从1100001（61H）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。美国标准信息交换代码第48页，共65页，2023年，2月20日，星期六ASCII码第49页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构系统连接CPU一般包括控制器和运算器,CPU用三总线(外部总线)DB(databus)----------8086为16bit,80386为32bitAB(addressbus)---------8086有20根地址线(可寻址220个8位地址,)CB(controlbus)-------------例如读写控制及中断请求等将存储器（ROM/RAM）,输入I／输出O接口电路连接起来第七节微型计算机的结构及工作原理第50页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构第51页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构二.典型的微处理器微处理器一般包括四个主要部:1.寄存器阵列通用寄存器,专用寄存器2.运算器累加器,暂存器,ALU,FLG3.控制器指令寄存器IR,指令译码器ID,定时控制器4.数据及I/O缓冲器总线缓冲器,隔离CPU内外总线,并提供附加的总线驱动能力采用内部总线连接.第52页，共65页，2023年，2月20日，星期六1.寄存器阵列2.运算器4.数据及I/O缓冲器3.控制器第53页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构四位并行加法器第54页，共65页，2023年，2月20日，星期六算术逻辑单元(ALU)微型计算机的硬件体系结构15H+37H=4CHA,F改变

A+BA第55页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构三.典型存储器的内部结构12354第56页，共65页，2023年，2月20日，星期六微型计算机的硬件体系结构存储器的读写操作第57页，共65页，2023年，2月20日，星期六四.微机的工作原理及程序执行过程冯诺依曼存储程序工作原理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，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序