微型计算机系统原理及应用第1章第一次课教材课件

自动化与电气工程学院7/31/2023微机原理及应用7/31/20231自动化与电气工程学院微机原理及应用7/28/2023课程介绍课程名称：微机原理及应用适应专业:机自，机设课程性质:专业基础课学时：40学时（讲课：32，实验8）教材：《微计算机系统原理及应用》(第五版)，周明德,清华大学出版社参考书：1.微型计算机技术及应用,戴梅萼编,清华大学出版,1995. 2.微型计算机原理及应用,郑学坚编,清华大学出版3.微型计算机原理及接口技术,钱晓捷,机械工业出版社,19994.IBMPC汇编语言程序设计，沈美明，清华大学出版社7/31/20232课程介绍课程名称：微机原理及应用7/28/20232注意事项1.作业：周一交作业(每周交一次）2.成绩组成：

考试成绩70%+平时成绩15%+实验成绩15%。3.期末考核:闭卷考试4.答疑：随堂答疑5.联系方式：1教1201室,

cse_lim@

7/31/20233注意事项1.作业：周一交作业(每周交一次）7/28/202课程简介是计算机及相关专业的专业基础课，掌握微机硬件技术的入门课程之一。着重培养学生有关微机应用系统设计的思维能力、实际动手能力，独立分析问题和解决问题的能力等。Intel80x86CPU为主线，围绕微机原理及应用的主题，内容涉及微处理器结构、存储器、I/O接口、中断系统、汇编语言设计等基本知识。7/31/20234课程简介是计算机及相关专业的专业基础课，掌握微机硬件技术的入课程目标认识微机系统的基本工作原理和组成掌握常用接口电路设计技术及基本应用程序设计方法认识微机接口技术在工程中的实际应用了解微机及其接口技术的最新发展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7/31/20235课程目标认识微机系统的基本工作原理和组成7/28/20235学习方法充分的课前预习准备；注重课堂的学习成效，牢固掌握基本概念、基本原理等基础知识；理论联系实际，重视实验操作和程序设计的实践；课后复习巩固，做好习题，及时发现并改正学习中存在的问题和不足。7/31/20236学习方法充分的课前预习准备；7/28/20236课程主要内容1.概述(微机的发展）2.8086微处理器(80X86结构微处理器)（重点）3.8086指令系统（重点）4.汇编语言程序设计（重点）5.处理器总线时序和系统总线6.存储器7.

输入输出接口（重点）8.中断控制器9.计数器和定时器10.并行接口芯片825511.串行通信及接口电路12.数模转换与模数转换接口7/31/20237课程主要内容1.概述(微机的发展）7/28/20237第1章概述微型计算机发展概述80x86系列结构的概要历史计算机基础计算机的硬件和软件微型计算机的结构多媒体计算机7/31/20238第1章概述微型计算机发展概述7/28/20238本节课要求：了解80x86系列微处理器的发展历史掌握计算机的基本结构、常用术语等。掌握微处理器的工作原理掌握地址、数据、控制总线的概念理解计算机执行过程理解模型机的工作原理7/31/20239本节课要求：了解80x86系列微处理器的发展历史7/28/21.180X86微型计算机发展概述（仅了解）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ENIACENIAC=ElectronicNumericalIntegratorandComputer（电子数字积分机和计算机）这一庞然大物装有18,000个电子管，总重量达30吨，耗资近50万美元，不过它还没有引入CPU的概念7/31/2023101.180X86微型计算机发展概述（仅了解）世界上第一台现电子计算机的发展：1、电子管计算机（1946-1956）2、晶体管计算机（1957-1964）3、中小规模集成电路计算机（1965-1970）4、超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能分类：1、大型计算机2、中型计算机3、小型计算机4、微型计算机微型计算机是第四代计算机的典型代表7/31/202311电子计算机的发展：微型计算机是第四代计算机的典型代表7/28

微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以nm为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。目前微处理器的生产工艺已经达到22纳米的技术。微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到950万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。7/31/202312

微处理器的生产工艺7/28/202312微型计算机的发展微处理器的集成度每隔18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公司的创始人之一微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征7/31/202313微型计算机的发展微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片摩尔定律晶体管数目每两年增加一倍4200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年万晶体管7/31/202314摩尔定律晶体管数目每两年增加一倍42002800700摩尔定律

CPU性能每18个月增加一倍1400450266200133803316502004006008001000120014001600197819821985198919931995199719992000年MHz频率7/31/202315摩尔定律CPU性能每18个月增加一倍140Intel4004Intel8008微型计算机的发展微处理器发展的早期阶段（1971～1977）字长为4位或8位，集成度约为3000～10000晶体管/片，微处理器的主频为0.1～5MHz。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1972年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。7/31/202316Intel4004Intel8008微型计算机的发展微处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。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。微型计算机的发展7/31/2023171974年：Intel8080微型计算机的发展7/28/2第一代：8086/8088（1978年-1981年）1978年--80863m工艺，29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。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。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数据总线为8位，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IBMPC。X86系列微型计算机的发展7/31/202318第一代：8086/8088（1978年-1981年）X86系X86系列微型计算机的发展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>3007/31/202319X86系列微型计算机的发展代字长型号工艺集成度(万个)主频速酷睿i7是面向高端发烧用户的CPU家族标识，包含Bloomfield(2008年)、Lynnfield(2009年)、Clarksfield(2009年)、Arrandale(2010年)、Gulftown(2010年)、SandyBridge(2011年)、IvyBridge(2012年)，Haswell等多款子系列，并取代酷睿2系列处理器。2-8颗核心晶体管数量：7.74亿45nm制程，32nm，22nm制程产品。7/31/202320酷睿i7是面向高端发烧用户的CPU家族标识，包含Bloomf我国的微处理器发展“方舟-1”：2001年4月由中芯公司推出0.25微米工艺，166MHz时钟，32位字长龙芯1号”：32位字长，2002年9月问世达到国际97年前后水平，等同于P22660.18微米，400万集成度，2亿次/秒速度应用：曙光龙腾服务器、无线PDA等“龙芯2号”：64位字长，2004年问世，时钟500MHz，性能接近P4，与国外差距缩小为3年

2012年10月，我国首款八核32纳米龙芯3B1500流片成功。

7/31/202321我国的微处理器发展“方舟-1”：7/28/2023211.2计算机基础7/31/2023221.2计算机基础7/28/2023221中央处理器CPU中央处理单元CPU（CentralProcessorUnit）是一台计算机的大脑，主要由运算器和控制器构成。由逻辑门阵电路组成了用于进行运算的加法器、算术逻辑单元、译码器、数据选择器、触发器、寄存器、计数器等基本运算。主频（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（或GHz）。外部总线频率（外频）单位MHz（或GHz)，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而计算机的运行速度也越快。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倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数超频通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上（有什么优缺点？）。7/31/2023231中央处理器CPU中央处理单元CPU（CentralPr2系统主板主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有CPU插座、内存插座、扩展板插座、输入输出系统、总线系统、电源接口等。7/31/2023242系统主板主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有3存储器存储器分为内存储器和外存储器。内存储器简称内存，由半导体存储器构成，用内存条的形式提供外存储器则包括硬盘、软盘、光盘、磁带机等许多设备。硬盘是当前微机的主要外存储设备，由驱动器、控制器和盘片组成，更进一步地说有磁头、电机等部件。硬盘读取数据时通过磁头来完成的，硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头漂浮的盘片上方。只有在所要存取的资料的扇区转到磁头下方时，才能读取数据。所以转速越快，等待的时间就越短。现在微机硬盘的接口以sata口（串口）、IDE（并口），SCSI主要用于服务器。7/31/2023253存储器存储器分为内存储器和外存储器。7/28/202324光盘存储器光盘存储器是光盘和光盘驱动器的统称。光盘是利用光学方式进行进行信息读写的介质。光盘的信息存储格式和磁盘类似，也是分轨道、扇区来记录信息的字节。一般CD-ROM光驱像硬盘一样，有IDE和SCSI接口，并被主机认为是和硬盘一样的设备。7/31/2023264光盘存储器光盘存储器是光盘和光盘驱动器的统称。7/28/显示卡显示卡是插在主板扩展槽上的一块电路板，在露出机箱的部分有接显示器的插口。它是主机于显示器之间的接口，它接收CPU和内存发送来的信息，并将其处理转换成视频和同步信号，发给显示器。许多主板上都集成有显卡。显示器是现代微型计算机的最主要的输出设备。显示器就屏幕不同有：球面屏幕、平面直角屏幕、柱面屏幕、真正平面屏幕和LED液晶显示器。其技术指标有：扫描方式、点距、刷新频率、视频带宽、分辨率等。7/31/202327显示卡7/28/202327声卡和音箱和显卡一样，声卡也是插在主板上的扩展槽中的，在露出机箱的部分留有音箱、耳机和麦克插孔。许多主板都集成有声卡。网卡是网络连接设备，它允许计算机和专用网线连接，其速度远远高于电话线，有10M、100M和1000M（1G）的不同传输速率。机箱是用来固定主板，并将所有设备安装在其中的设备。鼠标是坐标定位输入设备，键盘是数字和字符输入装置。是目前微型计算机的最主要输入设备。7/31/202328声卡和音箱7/28/2023281.2计算机基础1.2.1计算机的基本结构(参见P.7)外部设备微处理器(CPU)存储器输入/输出接口电路数据总线控制总线地址总线7/31/2023291.2计算机基础1.2.1计算机的基本结构(参见P.7)内存储器微处理器I\O接口外部设备ABDBCB微处理器：进行算数和逻辑运算。存储器：存储程序、数据、符号等I/O接口：使外设与微机相连。7/31/202330内存储器微处理器I\O接口外部设备ABDBCB微处理器：存储计算机系统由五部分组成：控制器、运算器、存储器和输入输出设备。人们往往把运算器、控制器和存储器合在一起称为计算机的主机；把各种输入输出设备统称为计算机的外设。在主机部分中，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU。随着半导体集成电路技术的发展，可以把这个CPU集成在一个集成电路芯片上，人们就把它称为微处理器（Microprocessor）。人们把以微处理器为核心构成的计算机，称为微型计算机。7/31/202331计算机系统由五部分组成：7/28/202331微型计算机系统的三个层次：微处理器 微型计算机 微型计算机系统微处理器存储器I/O接口总线硬件软件微型计算机系统微型计算机外设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7/31/202332微型计算机系统的三个层次：微处理器硬件微型微型外补充:微处理器严格讲，微处理器≠CPUCPU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，这个器件才被称为微处理器

寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。根据存放信息的不同，指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器等。7/31/202333补充:微处理器7/28/2023331.2.2常用的名词术语和二进制编码(P.13)计算机对要处理的数据（数值或非数值数据）均实行二进制编码。为便于记忆和书写，用十六进制数表示二进制数。0 0000 810001 0001 910012 0010 A10103 0011 B10114 0100 C11005 0101 D11016 0110 E11107 0111 F11117/31/2023341.2.2常用的名词术语和二进制编码(P.13)计算机对要1.2.2常用的名词术语和二进制编码(P.13)1.位、字节、字及字长位（Bit）指计算机能表示的最基本最小的单位在计算机中采用二进制表示数据和指令，位就是一个二进制位，有两种状态，“0”和“1”字节（Byte）相邻的8位二进制数称为一个字节1Byte=8bit如：11000011

01010111

1024个字节构成一个千字节，用KB表示，1024KB构成一个兆字节，用MB表示，1024MB构成一个千兆字节（吉），用GB表示。字（Word）和字长“字”是计算机内部进行数据传递和处理的基本单位。一个字所包含的二进制位数称为字长。目前在PC机中把字定义为2个字节（16位）7/31/2023351.2.2常用的名词术语和二进制编码(P.13)1.位、字字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。不同类型的CPU有不同的字长。如:Intel4004是4位8080是8位8088/8086/80286是16位80386/80486、Pentium是32位10101100011001011001100001000011被加数

+11000011110000110001010101011000加数进位11111111111101110000001010001010110110011011和

4位8次8位4次16位2次32位1次7/31/202336字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。不同类型的CPU有（4）.位编号为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。从低位开始，从右到左依次为0、1、2．．．0←编号765432101010001D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字节数据Data地址Address7/31/202337（4）.位编号0←编号765432101010001D7D0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的编号为15~0双字的编号依此类推，为31~0低字节高字节7/31/202338D0D7D15D8158101010101010101070数字编码：BCD码计算机中常用BCD(BinaryCodedDecimal)码表示十进制数。即十进制数中的每一位都用4位二进制数表示。压缩BCD码：1字节表示两位十进制数非压缩BCD码：1字节表示一位十进制数，（低4位表示，高4位恒为0）二—十进制编码的方法很多，最常用的是8421BCD码。用4位二进制数表示1位十进制数，各位的权重依次为8、4、2、1。例如：63.124对应的BCD码是01100011.000100100100，小数点前最高位的0和小数点后最低位的0可以省掉，所以也可以写成1100011.000100100111110010010.00100101BCD对应的十进制数是792.257/31/202339数字编码：BCD码计算机中常用BCD(BinaryCode3.字符编码字母、数字、常用符号等各种字符也必须按照特定的规则编码，才能在计算机中表示。字符编码的方法也很多，世界上最普遍采用的一种字符编码是ASCII码（美国信息交换标准码。）。ASCII码用7位二进制数表示，可表示128种字符。包括0～9十个阿拉伯数字，大小写72个英文字母以及常用标点符号和各种控制字符。在计算机中用一个字节表示一个ASCII码，最高位置0。参看P4157/31/2023403.字符编码7/28/202340中文信息的编码按照国家标准信息交换用汉字编码基本字符集（GB2312-80）规定，一个汉字用两个字节编码，这样每个字节只用低7位，这就是所谓双7位汉字编码（128×128=16384种状态），称作汉字的交换码（又称国标码）。为了在内部能区分汉字与ASCII字符，把两个字节汉字的国标码的每个字节的最高位置1，这样就形成了汉字另外一种编码称作汉字机内码（内码）。在机器中，汉字是以内码形式存储和传输的，一种机器常有若干种汉字输入方式（输入码），但其内码是统一的。汉字输出码又称汉字字形码或汉字发生器的编码。7/31/202341中文信息的编码按照国家标准信息交换用汉字编码基本字符集（GB1.2.3指令程序和指令系统(P.11)计算机所以能脱离人的干预，自动地进行计算，这是由于人把实现这个计算的一步步操作用命令的形式预先输入到存储器中.在执行时，机器把这些命令一条条地取出来，加以翻译和执行。比如两个数相加的运算，就需要下面几个步骤：第一步：把第一个数从它所在的存储单元中取出来，送至运算器；第二步：把第二个数从它所在的存储单元中取出来，送至运算器；第三步：相加第四步：把加完的结果，送至存储器中指定的单元。所有这些取数、送数、相加、存数等都是一种操作。7/31/2023421.2.3指令程序和指令系统(P.11)计算机所以能脱离人我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，就时指令（Instruction）。指令是CPU能执行的一个基本操作。如：取数、加、减、乘、除、存数等计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统（InstructionSet）程序是用户在使用计算机时，为要解决的问题，用一条条指令编写的指令指令的序列。构成程序的指令在存储器中一般都是顺序存放，7/31/202343我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，就时指令（1.2.4初级计算机(P.12)初级计算机：以实际计算机为基础，经过简化的模型机。组成：微处理器（CPU）、存储器、接口电路组成，连接：通过三总线来连接地址总线（AddressBus）数据总线（DateBus）控制总线（ControlBus）。7/31/2023441.2.4初级计算机(P.12)初级计算机：7/28/20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CPU7/31/202345存I/O输I/O数据总线DB控制总线CB地址总线AB输1.模型机的CPU结构标志寄存器地址总线AB数据总线DB控制总线CB指令寄存器数据寄存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IPCPU结构示意图7/31/2023461.模型机的CPU结构标志地址总线AB数据总线DB算术逻辑单元ALU（Arithmetic）是执行算术和逻辑运算的装置。所有的算术运算，逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的。程序计数器PC：提供需要执行的指令地址。一般计算机一上电，就给PC置个初值，这就是第一条指令存放的地址。以后每取出一个存储单元的指令，PC的内容就自动加一。这样PC中保存的就永远是下一条要执行的指令的地址。地址寄存器AR（AddressRegister）把要寻址的单元的地址通过地址总线送至存储器。7/31/202347算术逻辑单元ALU（Arithmetic）7/28/2022.存储器(P.13)地址译码器地址

内容00010203

FF00单元01单元02单元03单元FF单元11010011101000100010011010011101::11100001ABDB控制CB图1-7模型机的存储器结构图从存储器中取出的指令，由数据寄存器送指令寄存器IR，经过指令译码器ID译码，通过控制电路发出执行一条指令所需的各种控制信号。7/31/2023482.存储器(P.13)地址译码存储器由若干个存储单元组成图中表示的是一个256(FFH)个单元的存储器。为了能区分不同的存储单元，对这些单元分别编了号，用两位16进制数表示，这就是它们的地址。存储单元的内容：每个存储单元可以存放8位二进制信息，这就是他们的内容。每个存储单元的地址和这个存储单元中存放的内容是完全部同的两回事，千万不要混淆。一般地来说，如果一个存储器有2n个存储单元，那它需要有n根地址线，如果每个存储单元有m位，那它需要有m根数据线。一个存储器的控制线至少有读控制线和写控制线。7/31/202349存储器由若干个存储单元组成7/28/202349n根CPU地址线AB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111数据线DB7/31/202350n根地址线AB控制线CB地11001100001100111——将存储单元的数据送至到CPU若在04号存储单元中存放的内容是10000100B，即84H，我们要把它读出至数据总线上，则要求：CPU的地址寄存器AR先给出地址号04，然后通过地址总线AB送至存储器，存储器中的地址译码器对它进行译码，找到04号存储单元；CPU再发读控制命令04号存储单元中的内容84H就出现在数据总线上，并送至CPU的数据寄存器DR。信息从存储单元读出后，存储单元的内容并不改变，只有把新的信息写入该单元时，才由新的内容代替旧的内容。读操作：7/31/202351——将存储单元的数据送至到CPU读操作：7/28/20——将存储单元的数据送至到CPU若以把数据寄存器中的内容26H写入10号存储单元，则要求：CPU的地址寄存器AR先给出地址10，通过地址总线（AB）送至存储器，经译码后找到10号存储单元；然后把数据寄存器DR中的内容26H经数据总线（DB）送给存储器；且CPU发写控制命令，于是数据总线上的信息26H就写入到10号存储单元中。写操作7/31/202352——将存储单元的数据送至到CPU写操作7/28/20——包括取出指令和执行指令的两个过程.机器从停机状态进入运行状态，要把第一条指令所在的地址赋给PC，然后就进入取指阶段。在取指阶段从内存中读出的内容必为指令，所以数据寄存器DR把它送至指令寄存器IR。然后由指令译码器译码，就知道此指令要执行什么操作。取指阶段结束后就进入执行阶段。按照指令译码的结果，发控制命令，完成指令规定的操作。执行阶段结束后又进入到下一个取指阶段，这样的循环一直进行到程序结束。这就是计算机的工作过程。3.执行过程(P.14)7/31/202353——包括取出指令和执行指令的两个过程.3.执行过程操作：将两个数7和10相加，结果存放在[20]内存单元指令：MOVAL,7ADDAL,10MOV[20H],ALHLT1.2.5简单程序举例7/31/2023541.2.5简单程序举例7/28/202354机器指令：

10110000B0h(moval,7)0000011107h(7)

0000010004h(addal,10)000010100Ah(10)10100010A2h(mov[20h],al))

0010000020h(20H)11110100F4h(hlt)7/31/202355机器指令：7/28/202355B0h(moval,7)07h(7)04h(addal,10)0Ah(10)A2h(mov[20h],al)

20h(20H)F4h(hlt)7/31/202356B0h(moval,7)A2h(mov[1.2.6寻址方式（P.19）1.立即寻址（ImmediateAddressing）——操作数就包含在指令中。如：MOVAL，34H操作：将十六进制数34H送寄存器AL。7/31/2023571.2.6寻址方式（P.19）1.立即寻址（Immedia2.寄存器寻址（RegisterAddressing）操作数包含在CPU的内部寄存器中。7/31/2023582.寄存器寻址（RegisterAddressing）7/3.直接寻址（DirectAddressing）在指令中直接给出操作数的地址.7/31/2023593.直接寻址（DirectAddressing）7/284.寄存器间接寻址（Re