第2章 微型计算机概论

第2章微型计算机概论

第2章微型计算机概论

2.1计算机概论

2.2微型计算机

2.38086微处理器

第2章微型计算机概论

2.1计算机概论

2.1.1计算机硬件基本结构

目前计算机硬件体系结构基本上还是经典的冯・诺依曼

结构，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设

备等五个基本部分组成。

输

输

入

程序为出

设

设

备

原始数据备计算结果

控制器

第2章微型计算机概论

2.1.2计算机工作原理

冯•诺依曼提出的计算机组成和工作方式的基本思想：

(1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五

大部分组成。

(2)数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储器

中，地址码也为二进制形式；计算机能自动区分指令和数据。

(3)编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在存储

器中的指令序列即程序来工作，由程序计数器(PC,Program

Counter)控制指令的执行顺序。控制器具有判断能力，能根

据计算结果选择不同的动作流程。

第2章微型计算机概论

指令与程序的概念

指令是命令计算机完成某种基本操作的代码。

将各种算术运算、逻辑运算及存储器的读、写等

作为基本操作，为每一个基本操作规定一个代码,

这个代码被称为指令。

当需要计算机完成某项任务时，就将其分解成

一系列的基本操作并用指令来表示，预先存放到

存储器中。计算机工作时就逐条执行指令，完成

一系列的基本操作，从而完成整个任务。我们把

能完成某项任务的指令序列称为程序。

第2章微型计算机概论

执行指令的过程

使用计算机时，首先要将程序存储，即将指令序

列存放到存储器。然后在计算机工作时，控制器从

存储器逐条取出指令、分析指令并执行指令。

执行指令时，控制器依次发出各种控制命令信号

给其他部件，使运算器完成某种算术、逻辑运算或

作寄存器与存储器之间的数据传送，输入和输出等。

计算机的工作过程就是执行指令的过程。

第2章微型计算机概论

2.1.3计算机的性能指标

1.字长：字长是CPU交换、加工和存放信息时其信息位的最基本长

度，它通常与寄存器、运算器、传输线的宽度相一致。

2.存储容量：存储器（通常指内存储器）是计算机存放二进制信息

的“仓库”，由若干存储单元组成。存储单元的编号称做存储单元

地址（是二进制的数字码）。存储容量与CPU构成的系统能够访问

的存储单元数有关。存储单元的数目是由传送地址信息的传输线的

条数决定的。

3.指令系统：一台计算机所固有的基本操作指令的集合，称为该计

算机的指令系统。

4.运算速度：计算机完成一个具体任务所花费的时间就是完成该任

务的时间指标，时间越短，表明计算机的速度越高。但是计算机各

种指令执行时间是不一样的。以每秒执行基本指令的条数来大致地

反映计算机的运算速度。单位为百万条指令。

5.系统配置：包括软件及外设配置----—------------------

第2章微型计算机概论

2.1.4CISC和RISC

为了提高计算机性能，人们使CPU有更大的指令系统、更多的专用寄存

器、更多的寻址方式和更强的指令计算功能等，即CPU的结构沿着不断复

杂化的方向发展。后来，将它们称为复杂指令集计算机(CISC,Complex

InstructionSetComputer)。CISC技术通过增强指令功能提高计算机的

性能，指令码不等长，指令数量多。CISC技术的复杂性在于硬件，在于

CPU芯片中控制器部分的设计与实现。自PC机诞生以来，主流产品一直使

用Intel公司的CPU或其它公司生产兼容产品，而Intel公司的CPU沿用了

CISC技术。

1980年提出了精简指令集计算机(RISC,ReducedInstructionSet

Computer)的概念，另觅提高计算机性能的途径。RISC具有简单的指令集,

指令少、指令码等长，寻址方式少、指令功能简单；强调寄存器的使用，

CPU配备大量的通用寄存器(常称为寄存器文件registerfile),以编译

技术优化寄存器的使用；强调对指令流水线的优化，采用超标量、超级流

水线。通过简化指令系统使控制器结构简单，进而提高指令执行速度。

RISC技术的复杂性在于软件，在于编译程序的编写与优化。

第2章微型计算机概论

2.2微型计算机

2.2.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统

微处理器(Microprocessor)也被称为微处理机，它是微型计算机的核心部件，

但并不是微型计算机。微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件CU和寄存器组R

三个基本部分和内部总线。相当于图2.1中一般计算机系统结构中的运算器和控

制器的组合，一■般又称为中央处理器---CPU(CentralProcessingUnit)。

微型计算机(MicroComputer)简称为微机，它是以微处理器为核心，加上由大

规模集成电路制作的存储器M(ROM和RAM)、I/O(输入/输出)接口和系统总线

组成的。由于微处理器在微型计算机中的重要性，其性能很大程度上决定了微型

计算机的性能。

微型计算机系统(MicroComputerSystem)是以微型计算机为核心，再配以相

应的外围设备，电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计

算系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的

开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软

件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。

第2章微型计算机概论

2.2.2微处理器的发展

1971年，美国旧金山南部森特克拉郡（硅谷）的Integrated

Electron公司（即Intel公司）首先制成4004微处理器，进而研

制出由它组成的第一台微型机。

»第一代微处理器：第一个微处理器是1971年美国Intel公司采

用M0S大规模集成电路技术生产的4004,它本来是为高级袖珍计

算器而设计的，但生产出来后，取得了意外的成功。

»第二代微处理器：第二代产品是1973〜1977年间的产品。

Intel公司的8080/8085、Zilog公司的Z80、Motorola公司的

68000/6802>Rockwell公司的6502。

A第三代微处理器：1978〜1980年微处理器进入了超大规模电路

时代，16位微处理器时代开始，一块硅片上可容纳几万个晶体

管。一些厂家推出了性能可与过去中档小型计算机相比的16位

微处理器。

第2章微型计算机概论

A第四代微处理器：1984年以后进入了第四代。该代产品是32

位微处理器，1984年7月，Motorola公司推出了MC68020,

1985年Intel推出了80386。主要特征是，数据总线32位、地

址总线32位，有实地址模式和虚地址保护模式和虚拟8086模

式。

A第五代微处理器：1993年IntelPentium（奔腾）32位微处

理器推出。

A第六代微处理器：代表性的产品有PentiumPro（高能奔腾）、

Pentium11（奔腾II）、PentiumIII（奔腾III）。

A第六代后的微处理器：Pentium4仍然是32位的微处理器，

采用超级管道技术，增加了144条SSE2指令，ALU在2倍的处理

器核心时钟频率上运行。Itanium是64位微处理器，采用

EPIC技术、RISC技术和CISC技术，三级高速缓存。

第2章微型计算机概论

2.2.3微型计算机的分类

按微处理器的字长分：

可分为8位、16位、32位和64位微型计算机。

按用途分：

■通用微型计算机

•嵌入式计算机

按微型计算机的组成和规模分：

•多板机

・单板机

・单片机

第2章微型计算机概论

2.2.4微型计算机的结构

1.微型计算机的结构采用的是总线结构

〉系统总线

第2章微型计算机概论

2.总线结构的概念

总线是传输信号的一组导线，作为微机各部件之间信息传输

的公共通道。

微处理器通过系统总线实现和其他组成部分的联系。

微机的系统总线按功能分成三组：

数据总线DB：是传输数据或代码的一组通信线，其宽度（总

线的根数）一般与微处理器的字长相等。

地址总线AB：是传输地址信息的一组通信线，是微处理器访

问外界用于寻址的总线。AB总线是单向的，其根数决定了可以

直接寻址的范围。

控制总线CB：是传送各种控制信号的一组通信线。控制信号

是微处理器和其他芯片间相互联络或控制用的。

第2章微型计算机概论

微处理器性能指标

（1）CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指CPU内部的数据总

线宽度或位数，它是cPU数据处理能力的重要指标。

（2）主频、外频、倍频：主频（CPUClock印eed）是CPU的时

钟频率，简单地说就是CPU运算时的工作频笨，单位是MHz。

通常所说的“这个CPU的频率是多少“，“我的CPU是P4—

2.0G”等等，这里指的频率即CPU的主频。外频是指系统

即主板的工作频率，它可以衡量微型计算机

而倍频则是指CPU外频与主癫相差的倍薮。

三者有十分密切的关系，即主频=外频X倍频。

（3）内存总线速度：内存之间的通信、内存总线的速度。

由于内存和CPU之间的运行速度或多或少会有差异，因此便采

用二级缓存来协调，而内存总线速度就是指CPU与二级高速缓

存和内存之间的通信速度。

第2章微型计算机概论

(4)扩展总线速度(E*ansion—Busspeed)：扩展总

线指的是安装在微机紊统上的局部总线，如VESA和PCI

总线，扩展总线是CPU联系这些外部设备的桥梁。扩展

总线速度是指CPU与扩展设备之间的数据传输速度，也

就是总线接口处的工作速度。

(5)地址总线宽度：决定了CPU可以访问的物理地址空

间，即CPU能够使用多大容量的内存。

(6)数据总线宽度：决定CPU与二级高速缓存、内存以

及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量，以二进

制为单位。

(7)高速缓存：在CPU中内置高速缓存可以提高CPU的运

行吸拿o----------------------二一■

第2章微型计算机概论

2.3086微处理器

8086是Intel系列的16位微处理器，有16根数

据线和20根地址线。因为可用20位地址，所以可

寻址的地址空间达220即1M字节单元。

几乎在推出8086微处理器的同时，Intel公司

还推出了一种准16位的微处理器8088,8088的内

部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16

位设计的，但对外的数据总线只有8条。

第2章微型计算机概论

■■■■■■■

AHAL

BHBL

CHCL

DL

SP外

段

BF部

寄V

;设

DI

存

备

SI器

件>

<0制

I/控

路

电

——

123456

总线接口部件CB3IU)

图2,38086的编程结杓图

第2章微型计算机概论

L总线接口部件（BIU）、执行部件（EU）

总线接口部件：负责CPU与存储器、输入/输出设备之间

的数据传送，包括取指令操作以及对存储器读写数据操作

和对I/O接口的读写操作。具体讲，总线接口部件要从内存

取指令送到指令队列；CPU执行指令时，总线接口部件要配

合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将

数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到

指定的内存单元或外设端口中。总线接口部件由段寄存器、

指令指针寄存器（IP）、地址加法器、内部暂存器、指令

队列及I/O控制逻辑等部分组成。

执行部件：负责指令的执行，包括通用寄存器、专用寄

存器、标志寄存器及ALU等部分组成。

第2章微型计算机概论

2.段寄存器

8086CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址

方式，段地址和段内偏移地址均为16位。8086内部根据

需要设置了4个段寄存器，用于存放段的高16位地址，称

为段的逻辑地址，4个段寄存器分别是：

>CS：16位代码段寄存器(CodeSegmentRegister)

>DS：16位数据段寄存器(DataSegmentRegister)

>ss：16位堆栈段寄存器(StackSegmentRegister)

>ES：16位附加段寄存器(ExtraSegmentRegister)

第2章微型计算机概论

3.通用寄存器AX、BX、CX、DX

AEU中有4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX,一般用来存

放16位数据，故称为数据寄存器。每个数据寄存器又可分

为两个8位的寄存器，即AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、

DL,用以存放8位数据，它们均可独立使用。数据寄存器

主要用来存放操作数或中间结果，以减少访问存储器的次

数。

»多数情况下，这些数据寄存器是用在算术运算或逻辑运

算指令中，以进行算术逻辑运算。在有些指令中，它们则

有特定的用途：如AX作累加器用；BX作基址(Base)寄存

器，如在查表指令XLAT中存放表的起始地址；CX作计数

(Count)寄存器，如在数据串操作指令的REP中用CX存放

数据单元的个数作为循环操作的次数；DX作数据(Data)

寄存器，如在字的除法运算指令DIV中，存放余数。

第2章微型计算机概论

4.专用寄存器SP、BP、SI、DI

»指针寄存器SP和BP用来存取位于当前堆栈段中的数据,

但SP和BP在使用上有区别。入栈(PUSH)和出栈

(POP)指令是由SP给出栈顶的偏移地址，故称为堆栈

指针寄存器。BP则是用来存放位于堆栈段中的一个数

据区基址的偏移地址的，故称作基址指针寄存器。

»变址寄存器SI和DI是用来存放当前数据段的偏移地址

的。在字符串操作中，源操作数地址的偏置放于SI中，

所以SI称为源变址寄存器；目的操作数地址的偏置放于

DI中，所以DI称为目的变址寄存器。

第2章微型计算机概论

5.状态标志寄存器F

8086CPU的状态标志寄存器是一个十六位的寄存

器，9个位用作标志位，其中状态标志位有6个，控

制标志有3个。状态标志用来反映EU执行算术或逻

辑运算以后的结果特征。这六位都是逻辑值，判断

结果为逻辑真(true)时其值为1；判断结果为逻辑

假(false)时，其值为0。

151113121110MH75432I0

WDF邛TFSFzrAlPFIF

图24状态标志寄存器

第2章微型计算机概论

6.20位地址加法器

8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间，但8086内

部所有的寄存器都是16位的，8086CPU采用段地址、段内

偏移地址两级存储器寻址方式，由一个20位地址加法器来

根据16位段地址和16位段内偏移地址计算出20位的物理地

址。20位物理地址的获得方法是：将CPU中的16位的段寄存

器内容左移4位（X16,或写成X10H）得到该段的20位物

理地址，与16位的逻辑地址（又称偏移地址，即所寻址单

元相对段首的偏移量）在地址加法器内相加，得到所寻址

单元的20位物理地址。根据寻址方式的不同，偏移地址可

以来自指令指针寄存器（IP）或其他寄存器。

假设CS=82HH,IP=1234H,则该指令单元的20位物

理地址为：PA=8311HX10H+1234H=83110H+1234H=84344H

第2章微型计算机概论

7.16位指令指针寄存器IP

其功能和8位微处理器中的程序计数器功能相

似。由于8088取指令和执行指令同时进行，

Intel公司用指令指针IP代替8位机的程序计数器

PC的称法，IP总是保存着EU要执行的下一条指令

的偏移地址，而不是象8位的PC总是保存下一个

取指令的地址。程序不能直接对指令指针寄存器

进行存取，但能在程序运行中自动修正，使之指

向要执行的下条指令，有些指令（如转移，调用,

中断，返回）能使IP的值改变，或使IP的值存进

堆栈，或由堆栈恢复原有的值。

第2章微型计算机概论

8.总线接口部件和执行部件的动作管理

⑴每当8086的指令队列中有两个空字节，或者8088的指令

队列中有一个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到

指令队列中。

(2)每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部

件的指令队列前部取出指令的代码，然后再用几个时钟周期

去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或

者输入/输出端口的操作；如果此时总线接口部件正好处于

空闲状态，那么，会立即响应执行部件的总线请求。但有时

会遇到这样的情况，执行部件请求总线接口部件访问总线时,

总线接口部件正在将某个指令字节取到指令队列中，此时总

线接口部件将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响

应执行部件发出的访问总线的请求。

第2章微型计算机概论

(3)当指令队列已满，而且执行部件又没有总线访

问时，总线接口部件便进入空闲状态。

(4)在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下

面要执行的指令就不是在程序中紧接着的那条指令

了，而总线接口部件往指令队列装入指令时，总是

按顺序进行的，这样，指令队列中已经装入的字节

就没有用了。遇到这利情况，指令队列中的原有内

容被自动消除，总线接口部件会接着往指令队列中

装入另一个程序段中的指令。

第2章微型计算机概论

2.3.28086的存储器组织

8086有20根地址线，因此，具有22。=加字节

的存储器地址空间。这1M字节的内存单元按照

00000H〜FFFFFH来编址。

1.存储器的分段

8086存储器操作采用了典型的存储器分段技术,

对存储器的寻址操作不是直接用20位的物理地址,

而是采用段地址加段内偏移地址的二级寻址方式,

即先用16位的段地址经过简单运算（左移4位）

得到单元所在段的物理地址，再加上该单元的16

位逻辑地址（相对于段首的偏移地址）即可得到

该单元的物理地址。

第2章微型计算机概论

1-存储器的逻辑分段

对于任何一个

物理地址，可以00000

逻辑段1起点

00000X

唯一地被包含在。段二64K?节逻辑段1

0FFFFW64KB

10000逻辑段2起点

一个逻辑段中，1段二64K^节

1FFFF逻辑段2

[16个W64KB

也可包含在多个广逻辑段逻辑段3起点

逻辑段3

相互重叠的逻辑W64KB

F0000

段中，只要有段15段=64存节逻辑段4、5起点

FFFFF/逻辑段4、5

地址和段内偏移炙64KB

地址就可以访问FFFFF

到这个物理地址

a.存储器的逻辑分段b.存储器逻辑段的首地址

所对应的存储空