周明德微机原理及应用第五版课件.ppt

1、微型计算机系统原理及应用,主讲：罗光明 电话邮箱：,序 教育部提出计算机基础教学分三个层次如图1-1所示：,计算机基础教学三层次结构,其中： 第一层次：计算机文化基础 学习计算机基本知识，及基本技能。 第二层次：计算机技术基础 学习计算机硬件、软件的工作原理 与相关知识。 第三层次：计算机应用基础 学习计算机信息管理基础和多媒体。 本课程属于第二层次中“计算机硬件基础”课程,计算机硬件技术基础课特点： 内容多,学时少, 进度快，难度大，应用广。 讲课内容: 微机原理、汇编语言、接口技术. 讲课学时: 56学时,实验学时：8学时,主要参考书： 周明德编著，微型计算机系统

2、原理及应用 第五版，清华大学出版社 李继灿主编，微型机算计原理及应用 第三版，清华大学出版社,作业：下次公布上次的作业答案。 按时交作业，仅考察作业效果，批改 （助教批改）。,答疑时间、地点： 每周二下午4：305：30，工科南楼（309）,如何学好这门课给同学们提几点建议: 1、课程特点：基于工程问题的教育 学习计算机硬件、软件的工作原理与相关知识。 2、观念转变（教师角色、学生地位的转变）: 教师角色的转变： 教师从原来以教师为中心的“讲解者”的角色转化为学生学习的指导者。 学生地位的转变:学生由原来单纯听讲、接受灌输的被动地位转化为：主动参与、发现、探究的主体地位 ;,2、媒体作用、教学

3、过程的转变: 媒体作用的转变： 教学媒体由教师的讲解工具转化为学生的认知工具 ; 教学过程的转变: 教学过程由传统的逻辑分析或逻辑综合 ,讲解说明式的过程转变为： 以意义建构理论指导下的教学过程 , 并通过意义建构形成自己的知识结构， 从而获得知识 ,掌握知识。,3、学习的精髓： 在学校学习的精髓在于： 在学校的大环境中，利用校园文化对学生的影响，实现： 师生之间在课堂上的相互交流以及学生之间的相互交流， 在利用别人最好成果的基础上取得进展。 4、抓住教学过程中的3个环节 上课时要主动参与、探究 将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具 ，主动参与、探究； 会设置自学内容，通过自学从

4、而培养自学的能力； 独立完成作业 同学之间相互交流，一起讨论，但一定要独立完成作业；,实验课前要预习，写出预习报告，做到心中有数，有的放矢； 实验课后，要写实验报告，总结经验和教训，提高自己分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。 收获与时间成正比 本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。 只能采用解剖麻雀方法，教师在这里只起到抛砖引玉的作用。 因此同学们学习过程中，要花时间去学习、思索、实践， 有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际系统，解决实际问题。 收获与时间成正比, 花时间越多，收获将越大 。,第 1章 概述1.1 x86系列结构的概要历史,1971年： Intel 40

5、04 。(4位机) 70年代中期： Intel 8080、8085 。(8位机) 80年代初： Intel 8086、8088。 (16位机) 从8086(8088)到80286、80386、80486、奔腾(也称为80586)、奔腾MMX、奔腾Pro(也称为80686)、奔腾、奔腾，直至最新的奔腾 ，形成了IA（Intel Architecture）-32结构。,1.1.1 8086,x86系列结构的最新版本的发展能追溯到Intel 8086。在x86系列结构系统引进32位处理器之前，是16位的处理器，包括8086处理器和随后很快开发的80186与80286。 从历史的观点来看，x86系列结

6、构同时包括了16位处理器和32位处理器。在现在，32位x86系列结构对于许多操作系统和十分广泛的应用程序来说是最流行的计算机结构：IA-32结构。 8086有16位寄存器和16位外部数据总线，具有20位地址总线，可寻址1M字节地址空间。,1.1.2 80386,Intel 386处理器是x86系列结构系列中的第一个32位处理器。 引入了32寄存器，用于容纳操作数和地址。每个32位寄存器的后一半保留两个早期处理器版本（8086和80286）的16位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。 Intel 386处理器有32位地址总线，能支持多至4G字节的物理存储器。32位结构为每个软件进程提供逻辑地址空

7、间。 4K字节固定尺寸的页提供一种虚拟存储管理方法。,1.1.3 80486,Intel486处理器指令译码和执行单元扩展为五个流水线段，增加了更多的并行执行能力，486处理器能在每个时钟周期执行一条指令。,80486的一个重大改进是在x86系列处理器的芯片中引入了缓存。在芯片上增加了一8K字节的一级缓存（cache），大大增加了每个时钟周期执行一条指令的百分比，包括操作数在一级cache中的存储器访问指令。 Intel486处理器也是第一次把x87 FPU（浮点处理单元）集成到处理器上并增加了新的引脚、位和指令，以支持更复杂和更强有力的系统（二级cache支持和多处理器支持）。,1.1.4

8、奔腾（Pentium）,Intel奔腾（Pentium）处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能。 芯片上的一级cache也加倍了，8K字节用于代码，另8K字节用于数据。,主要的寄存器仍是32位，但内部数据通路是128和256位以加速内部数据传送，且猝发的外部数据总线已经增加至64位。,奔腾系列的最后一个处理器把Intel MMX技术引入IA-32结构。Intel MMX技术用单指令多数据（SIMD）执行方式在包含64位MMX寄存器中的包装的整型数据上执行并行计算。此技术在高级媒体、影像处理和数据压缩应用程序上极大地增强了IA-32处理器的性能。,1.1.5 P6系列处理器,在1995年，

9、Intel引入了P6系列处理器。此处理器系列是基于新的超标量微结构上的，它建立了新的性能标准。 Intel Pentium Pro处理器是基于P6微结构的第一个处理器。P6处理器系统随后的成员是Intel Pentium II、Intel Pentium II Xeon（至强）、Intel Celeron（赛扬）、Intel Pentium III和Intel Pentium III Xeon（至强）处理器。,1.1.6 奔腾II,Intel Pentium II处理器把MMX技术加至P6系列处理器，并具有新的包装和若干硬件增强。处理器核心包装在了SECC上，这使其更具有了灵活的母板结构。第一

10、级数据和指令caches每个扩展至16 K字节，支持二级cache的尺寸为256 K字节、512 K字节和1 M字节。,1.1.7 奔腾III,Pentium III处理器引进流SIMD扩展（SSE）至X86系列结构。SSE扩展把由Intel MMX引进的SIMD执行模式扩展为新的128位寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。,1.1.8 Intel Pentium4处理器,Intel Pentium 4处理器是2000年推出的ia-32处理器，并是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。Intel NetBurst微结构是新的32bit微结构，它允许处理器能在比以前

11、的IA-32处理器更高的时钟速度和性能等级上进行操作。Intel Pentium 4处理器有以下高级特性：,（1）Intel NetBurst微结构的第一个实现。 （2）流SIMD扩展2（SSE2） （3）400 MHz Intel NetBurst微结构系统总线。 （4）与在Intel X86系列结构处理器上所写和运行的已存在的应用程序和操作系统兼容。,1.1.9 Intel 超线程处理器,Intel公司于2002年推出了具有超线程技术的IA-32列处理器。超线程（Hyper-Threading HT）技术允许单个物理处理器用共享的执行资源并发地执行两个或多个分别的代码流（线程）。以提高X8

12、6系列处理器执行多线程操作系统与应用程序代码的性能。 图1-1显示支持HT技术（用两个逻辑处理器实现的）的IA-32处理器与传统的双处理器系统的比较。,1.1.10 Intel 双核技术处理器,双核技术是在IA-32处理器系列中硬件多线程能力的另一种形式。双核技术由用在单个物理包中有两个分别的执行核心提供硬件多线程能力。因此，Intel Pentium处理器极品版在一个物理包中提供四个逻辑处理器（每个处理器核有两个逻辑处理器）。,Intel Pentium D处理器也以双核技术为特色。此处理器用双核技术提供硬件多线程支持，但它不提供超线程技术。因此，Intel Pentium D处理器在一个物

13、理包中提供两个逻辑处理器，每个逻辑处理器拥有处理器核的执行资源，如图1-2所示。,AMD公司是x86系列处理器的另一重要供应商。它于1969年成立。于1991年推出了AM386系列，1993年推出了AM486，1997年推出了AMD-K6（相当于具有MMX技术的奔腾处理器），2001年推出了AMD Athlon(速龙) MP 双处理器，2003年推出 AMD 速龙 64 FX处理器，具有64位的x86-64内核。直至最近推出了双核的64位处理器。,1.2 计算机基础 1.2.1 计算机的基本结构,上述的CPU、主板、内存条、硬盘、软盘、显示卡、显示器、键盘、鼠标等。这些都是计算机的部件，虽然这

14、些部件的功能与性能都有了巨大的发展，但是计算机的基本结构未变，如图1-7所示。 在计算机中，基本上有两种信息在流动: 一种信息为数据，即各种原始数据、中间结果、程序等。 另一种信息流即控制命令,在上述的计算机硬件中，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；而把各种输入输出设备统称为计算机的外围设备或外部设备（Peripheral）。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 (Central Processing Unit)。随着半导体集成电路技术的发展，可以把整个CPU集成在一个集成电路芯片上，称为微处理器(Microprocessor)。,人们把以微处理器

15、为核心构成的计算机，称为微型计算机，最典型的就是上述的PC机。若内存的容量较小，输入输出设备少，整个计算机可以只安装在一块印刷电路板上，这样的计算机就称为单板计算机。若能把整个计算机集成在一个芯片上，就称为单片机。,1.2.2 常用的名词术语和二进制编码,1. 位、字节、字及字长 (1) 位(Bit) “位”是指一个二进制位。它是计算机中信息存储的最小单位，一般用b(bit)表示。 (2) 字节(Byte) “字节”是指相邻的8个二进制位，一般用B(Byte)表示。 1024B为1KB，1024KB为1MB，1024MB为1GB，1024GB为1TB。,(3) 字(Word)和字长 “字”是计

16、算机内部进行数据传递、处理的基本单位。通常它与计算机内部的寄存器、运算装置、总线宽度相一致。 一个字所包含的二进制位数称为字长。常见的微机的字长有8位、16位、32位和64位。,2. 数字编码 计算机中的数用二进制表示。计算机中的十进制数的每一位用若干位二进制表示，这就是二进制编码。即十进制数的二进制编码，简称二-十进制编码(BCD)。,3. 字符编码 同样，字母、数字、符号等各种字符也必须按照特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。字符编码的方式很多，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）。 4. 汉字编码 用计算机处理汉字，每个汉字须用代码表示。 (1) 外部

17、码 是计算机输入汉字的代码，是代表某一个汉字的一组键盘符号。,(2) 内部码(汉字内码或汉字机内码) 内部码通常是用其在汉字字库中的物理位置表示，可以用汉字在汉字字库中的序号或者用汉字在汉字字库中的存储位置表示。汉字在计算机中至少要用两个字节表示(有用三字节、四字节表示的)，在微机中常用两字节汉字内码。,(3) 交换码 计算机之间或计算机与终端之间交换信息时，要求其间传送的汉字代码信息要完全一致。国家根据汉字的常用程度定出了一级和二级汉字字符集，并规定了编码，这就是国标GB 2312-80信息交换用汉字编码字符集基本集，GB 2312-80中汉字的编码即国标码。该标准编码字符集共收录汉字和图形

18、符号7445个。,(4) 输出码 汉字输出码又称汉字字形码或汉字发生器的编码。众所周知，汉字无论字形有多少变化，也无论笔划有多有少，都可以写在一个方块中；一个方块可以看作m行n列的矩阵，称为点阵。一个m行n列的点阵共有mn个点。例如1616点阵的汉字，共有256个点。每个点可以是黑点或者非黑点，凡是笔划经过的点用黑点，于是利用点阵描绘出了汉字字形，汉字的点阵字形在计算机中称为字模。如图1-8表示汉字“中”的1616点阵字模。,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,01111111 1111

19、1110,01100001 10000110,01100001 10000110,01100001 10000110,01100001 10000110,01111111 11111110,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,00000001 10000000,1.2.3 指令、程序和指令系统,计算机能脱离人的直接干预，自动地进行计算，是由于人把实现计算的一步步操作用命令的形式即一条条指令(Instruction)预先输入到存储器中，在执行时，机器把这

20、些指令一条条地取出来，加以翻译和执行。,在使用计算机时，必须把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。用户为解决自己的问题所编制的程序，称为源程序(Source Program)。 指令通常分成操作码(Opcode即operation code)和操作数(Operand)两大部分。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的本身或操作数所在的地址。,1.2.4 初级计算机,为简化，先用模型机分析计算机内部结构 。 图1-9是微型计算机的结构图，它是由微处理器(CPU)、存储器、接口电路组成，通过三条总线(BUS)地址总线(Address Bus)，控制总线(Contro

21、l Bus)和双向数据总线(Data Bus )来连接。,1. CPU的结构 模型机的CPU结构，如图1-10所示。 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)是执行算术和逻辑运算的装置，它以累加器 AL(Accumulator)的内容作为一个操作数；另一个操作数由内部数据总线供给，可以是寄存器(Register)BL中的内容，也可以是由数据寄存器DR(Data Register)供给的由内存读出的内容等；操作的结果通常放在累加器AL中。,F(Flag)是标志寄存器，由一些标志位组成 。 PC程序计数器，提供要执行的指令的地址。 AR(Address Register)是

22、地址寄存器，由它把要寻址的单元的地址(可以是指令则地址由PC提供；也可以是数据则地址要由指令中的操作数部分给定)通过地址总线，送至存储器。,从存储器中取出的指令，由数据寄存器送至指令寄存器IR(Instruction Register)，经过指令译码器ID(Instruction Decoder)译码，通过控制电路，发出执行一条指令所需要的各种控制信息。,2. 存储器 存储器的结构如图1-11所示。它由256个存储单元组成，为了能区分不同的存储单元，对这些存储单元分别编了号，用两位十六进制数表示，这就是它们的地址如00H、01H、02H、FFH等；而每一个存储单元可以存放8位二进制信息(通常也

23、用两位十六进制数表示)，就是它们的内容。,(1) 读操作 若已知在04号存储单元中，存的内容为10000100即84H，若要把它读出至数据总线上，则要求CPU的地址寄存器先给出地址号04，然后通过地址总线送至存储器，存储器中的地址译码器对它进行译码，找到04号存储单元；再要求CPU发出读的控制命令，于是04号存储单元的内容84H就出现在数据总线上，由它送至数据寄存器DR，如图1-12所示。,(2) 写操作 若要把数据寄存器中的内容26H写入到10号存储单元，则要求CPU的AR地址寄存器先给出地址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DR数据寄存器中的内容26H

24、经数据总线(DB)送给存储器；且CPU发出写的控制命令，于是数据总线上的信息26H就可以写入到10号存储单元中，如图1-13所示。,3. 执行过程 若程序已经存放在内存中，大部分8位机执行过程就是取指(取出指令)和执行（执行指令）这两个阶段的循环。 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DR把它送至IR，然后由指令译码器译码，就知道此指令要执行什么操作，在取指阶段结束后就进入执行阶段。当一条指令执行完以后，就进入到了下一条指令的取指阶段，这样的循环一直进行到程序结束(遇到停机指令)。,1.2.6 寻址方式,如

25、何寻找操作数(地址)的问题，这就是寻址方式。 1. 立即寻址(Immediate Addressing) “操作数在指令中。” 2. 寄存器寻址(Register Addressing) “操作数在寄存器中。”,1.2.5 简单程序举例,3. 直接寻址(Direct Addressing) “操作数的地址在指令中。” 在这种寻址方式中，指令的操作数字段不是操作数本身，而是操作数所在的地址，它是把地址所指的存储单元的内容送至累加器AL，如图1-19所示。 由于在这种寻址方式中，指令中包含操作数的直接地址，故称为直接寻址。,80称为直接地址,4. 寄存器间接寻址(Register Indirect

26、 Addressing) “操作数的地址在寄存器中。” 这种寻址方式是把BL中的内容作为操作数的地址，把此地址所指的内存单元的内容送AL，如图1-20所示。 在这种寻址方式，操作数的地址并不直接在指令中，而是在某一个寄存器中，故称为间接寻址。,BL称为间址寄存器,1.2.7 分支,在程序执行时，往往会产生许多条件，要按条件执行不同的操作。也有许多操作要重复执行。于是程序直线执行的情况很少，而是要根据条件执行分支或循环。这就需要有分支和循环指令。 1. 无条件转移(Unconditional Jump) 无条件转移的指令的格式为： JMP n 这条指令的功能是把n赋给PC，于是程序无条件地转移到

27、地址n开始的程序段去。,2. 条件转移(Conditional Jump) 程序中更多的情况是： 要根据上面的指令运行的结果，判断它是否满足一定的条件，若满足则转移，不满足则顺序继续执行。 为确定是否满足条件，机器中为此设立了一些判断条件的标志。主要的标志有：,Z(Zero)标志零标志。若指令的运行结果为零(即8位全为0)则Z=1；否则Z=0。 C(Carry)标志进位标志。若在加法运算时最高位(bit7)向前有进位，或在减法运算时最高位向前有借位，则C=1；否则C=0。 S(Sign)标示符号标志。若运算的结果为负(bit7=1)，则S=1；否则S=0。,3. 算术和逻辑运算指令 逻辑运算:

28、两操作数按位进行逻辑操作。 (1) “与”运算 凡是与0进行逻辑“与”运算的位结果为0，而与1进行“与”运算的位结果不变。,(2) “或”运算 凡是与0进行逻辑“或”运算的位结果维持不变，而与1进行“或”运算的结果为1。 (3) “异或”运算 两个相同的位“异或”的结果为0，否则为1。故利用对同一个数做“异或”运算，可对操作数清0；也可利用”异或”运算来检验两个操作数是否相同。,1.3 计算机的硬件和软件1.3.1 系统软件,这些为了使用和管理计算机由机器的设计者提供的软件，统称为系统软件。系统软件包括： (1) 各种语言和它们的汇编或解释、编译程序； (2) 机器的监控管理程序(Monito

29、r)、调试程序(Debug)、故障检查和诊断程序； (3) 程序库。为了扩大计算机的功能，便于用户使用，机器中设置了各种标准子程序，这些子程序的总和就形成了程序库； (4) 操作系统。,1.3.2 应用软件,用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些程序就称为应用软件。应用软件也可以逐步标准化、模块化、逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合，称为软件包(Package)。,1.3.3 支撑软件,支撑软件又称支持软件。 为了便于用户根据需要建立自己的数据库，询问、显示、修改数据库的内容，输出打印各种表格等，这就建立了数据库管理系统(DBMS：Data

30、Base Management System) 、报表（EXCEL）、字处理（WORD）等支撑软件。,1.4 微型计算机的结构,运算器与控制器是系统的核心，称为CPU 。把整个运算器控制器即CPU集成在一个芯片上的CPU，称之为微处理器(Micro Processor)。CPU本身还不是一个微型计算机，而只是微型计算机的一部分。只有与适当容量的存储器、输入输出设备的接口电路以及必要的输入输出设备结合在一起，才是一台微型计算机(Micro Computer)，或称为微型计算机系统(Micro Computer System)，如图1-28所示。,普通PC（Pentium）的内部结构（多总线结构）,按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线,1.微处理器、微型计算机、微型计算机系统,1.4.1 微型计算机的外部结构,在微型计算机系统中，外部信息的传送是通过总线进行的。大部分微型计算机有三组总线：地址总线(Address Bus)、数据总线(Data Bus)和控制总线(Control Bus)。 地址总线AB： 通常为32位，因此，可寻址的内存单元为232=4GB。I/O接口也是通过地址总线来寻址的，它可以寻址64K个外设端口。,数据总线DB： 目前常用的为32位。数据在CPU与存储器和CPU与I/O接口之间的传送是双向的，