01微机系统导论

微机原理及其应用信息与计算机学院闫勇办公室：经技楼411电话：65786160成绩核算总评成绩卷面成绩70％平时成绩30％考勤提问作业说明：考勤缺课3次及以上者，请慎重！课程的地位、性质和任务微型计算机原理是计算机专业的重要专业基础课程，是一门培养学生计算机应用能力的技术基础课。通过课堂教学和实践教学，使学生掌握有关微型计算机硬件的基础知识、基本原理，掌握汇编语言的指令及编程应用，培养学生的计算机应用能力和编程能力。是后续接口技术、单片机原理及技术等课程的学习的基础。前修学科数字电路模拟电路一门高级语言程序设计学习方法课前预习、课上认真听讲、课后复习多动手（汇编编程实验）多看参考书(包括利用网上资料)其它（作业）参考资料新编16/32位微型计算机原理及应用李继灿清华大学出版社微型计算机原理与接口技术周荷琴吴秀清中国科学技术大学出版社微机原理与接口技术周明德人民邮电出版社IBM-PC汇编语言程序设计沈美明温冬婵清华大学出版社目录第1章微机系统导论第2章微机运算基础第3章8086/8088微处理器及其系统第4章8086/8088汇编语言程序设计第5章微机的存储器第6章输入输出与中断第8章Intel系列高档微处理器的技术发展第1章微机系统导论1.1微机系统组成1.2微机硬件系统结构1.3微处理器的组成部件1.4存储器概述1.5微机工作过程1.6微机系统的主要性能指标作业本章教学目的、重点、难点目的：了解微机系统的组成及各部件总体结构、掌握微机执行程序的详细过程。重点：微处理器的组成、存储器读/写操作过程。难点：微处理器的组成、微机工作过程。1.1微机系统组成微型计算机的发展与特点诞生：1971年，硅谷，核心为Intel4004微处理器特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方便、软件丰富微型计算机的发展代年代代表产品字长特点应用范围第一代1971-1973Intel4004，80084位或8位机器语言编程，指令系统简单、运算功能较差、价格低廉计算器、家电、二次仪表、交通灯控制第二代1973-1977Intel8080/8085，Z80，MC6800/6802，R6502(APPLEⅡ)8位汇编语言、FORTRAN、BASIC编程，指令系统较完善、运算速度提高一个数量级、寻址能力增强，有中断和DMA功能智能仪表、面向家电、工业控制第三代1978-1985Intel8086/8088，80186,80286,Z8000，MC68000.(IBMPC)16位指令系统丰富/采用多级中断、多种寻址方式、段式存储结构、功能强大的系统软件工业控制第四代1985-1992Intel80386，8048632位内存达1MB以上,硬盘技术不断提高,32位总线结构,可执行多任务多用户操作办公自动化.网络环境第五代1992-至今IntelPentium系列,Itanium64位外部数据线字长64位,地址总线32位以上.增加了多媒体功能和在网络上的应用.办公自动化.网络服务器为什么要学习8086/8088？可以作为一类在世界上最流行的机种的代表；16位机的结构、组成原理、指令系统、编程方法、及接口技术等，在后续高档微机设计中都得到了体现；具有向上兼容性；…………1.1.1几个基本定义1.微处理器简称μP或MP(Microprocessor)，是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算和控制功能的中央处理器部件。它本身并不等于微型计算机，而只是其中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)，是计算机的核心。在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。但在大、中、小型机中，CPU≠微处理器2.微型计算机简称μC或MC，是指以微处理器为核心，配上存储器、输入／输出接口电路及系统总线所组成的计算机(又称主机或微电脑)。当把微处理器、存储器和输入／输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上，则分别称之为单板机、多板机或单片微型计算机。3.微型计算机系统简称μCS或MCS，是指以微型计算机为中心,以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件)以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。μCS、μC、μP三者的关系微型计算机系统(μCS)硬件软件算术逻辑单元控制单元寄存器阵列主存储器输入输出接口电路系统总线微处理器(μP)微型计算机(μC)外围设备外部设备过程控制I/O通道电源系统软件用户软件①1.1.2微型计算机系统的组成1.硬件-冯.诺依曼结构微处理器:微机的计算、控制中心，用来实现算术、逻辑运算以及其他操作,并对全机进行控制。存储器:(主存或内存)用来存储可以供微处理器直接运行的程序或处理的数据。(现行计算机的中心。)输入／输出(I／O):接口芯片是微处理器与外部输入/输出设备之间的接口,使信息在格式、电平、速度上匹配。2.软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。系统软件是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。用户软件是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应用软件。软件的分级结构示意图1.2微机硬件系统结构微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。一种典型的微机硬件系统结构如图1.4所示。图中,用系统总线将各个部件连接起来。系统总线系统总线：是用来传送信息的公共导线,它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容与作用不同，系统总线分为3类：数据总线DB(DataBus)，地址总线AB(AddressBus)，控制总线CB(ControlBus)。数据总线用来传输数据，从结构上看，是双向的，从CPU到其他部件，或其他部件到CPU。地址总线用来传送地址信息，总是从CPU送出去的，所以地址总线是单向的。控制总线用来传输控制信号，是双向的(但每一根是单向的)。面向系统的总线结构目前采用的总线结构可分为单总线、双总线和双重总线单总线结构系统存储器M和I/O接口均使用同一组信息通路，因此，CPU对M的读/写和对I/O接口的输入/输出操作只能分时进行。双总线结构M和I/O接口各具有一组连通CPU的总线，CPU可以分别在两组总线上同时与M和I/O交换信息,因而拓宽了总线带宽,提高了总线的数据传输效率。双重总线结构有局部总线与全局总线。CPU通过局部总线访问局部M和局部I/O时,工作方式与单总线相同；当系统中CPU需要对全局M和全局I/O访问时，则必须由总线控制逻辑统一安排才能进行,这时该微处理器就是系统的主控设备。整个系统便可在双重总线上实现并行操作,从而提高了系统数据处理和数据传输的效率。②1.3微处理器组成微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3部分组成。图1.68位微处理器的结构1.3.1运算器运算器又称为算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit),用来进行算术或逻辑运算以及移位、循环等操作。参加运算的两个操作数，一个来自累加器A(Accumulator)，另一个来自内部数据总线,可以是数据寄存器DR(DataRegister)中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果送回累加器A暂存。1.3.2控制器1.指令寄存器IR存放从存储器中取来的将要执行的指令（操作码）。2.指令译码器ID对IR中的指令进行译码，以确定该指令应执行什么动作。3.可编程逻辑阵列PLA用来产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。1.3.3内部寄存器1.累加器A累加器是用得最频繁的一个寄存器。在进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作；运算后，用来保存结果。2.数据寄存器DR数据寄存器DR用来暂存数据或指令。从存储器读出时，若读出的是指令，经DR暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR;若读出的是数据,则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时,数据是经数据寄存器DR，再经数据总线DB写入存储器的。3.程序计数器PC程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。通常,程序按顺序逐条执行。任何时刻,PC都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令(对单字节指令而言)所在的地址。因此,PC具有自动加1的功能。4.地址寄存器AR地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。在取指令时，将PC中存放的指令地址送到AR，根据此地址从存储器中取出指令。在取操作数时，将操作数地址从CPU通过内部数据总线送到AR，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向存储器写入数据。5.标志寄存器F标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根据检测有关的标志位是0或1,可以按不同条件决定程序的流向。CPUcache主存储器辅助存储器海量存储器内存储器外存储器存储体系结构1.4存储器概述存储器用来存储程序和数据。分两大类：内存储器和外存储器。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。外存：存放不常使用的海量数据，CPU使用时要先调入内存。与外设相关。“优盘”，是什么概念？1.4.1基本概念位（Bit）：指一个二进制位，它是计算机中信息储存的最小单位。字节（Byte）：指相邻的８个二进制位。1B＝8bit；1024个字节构成一千个字节，用kB表示；1024kB＝1MB；1024MB＝1GB；Q：1吉内存＝1吉硬盘吗？字（Word）：2个字节组成一个字来标识16位数据的长度。字长:表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数，即位长，并由此而定义是多少位的计算机,如1位机，4位机、8位机、16位机、32位机等。存储单元：存储器中能够存储一个字节数据的单位。存储容量：存储单元的总数目，取决于地址线的根数。存储地址：人为地赋予每个单元一个编号。注意区别：各存储单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的意思，不可以混淆。③1.4.2存储器的组成随机存取存储器由存储体、地址译码器、控制电路组成。现假定存储器由256个单元组成，每个单元存储8位二进制信息,即字长为8位。这种规格的存储器，通常称为256×8位的读／写存储器。1.4.3读／写操作过程1.CPU从存储器读信息:①CPU把地址→地址总线→地址译码器→选中存储单元；②CPU发“读”信号给存储器；③存储单元内容→数据总线→数据存器DR→由CPU取走该内容。2.CPU向存储器写信息:①CPU把地址→地址总线→地址译码器→选中存储单元；②CPU的DR中数据→数据总线；③CPU发“写”信号，数据总线上的数据→寻址的存储单元。1.5微机工作过程微机的工作过程就是执行程序的过程，也即不断地取指令和执行指令的过程。指令通常包括操作码和操作数两大部分。操作码表示计算机执行什么具体操作；操作数表示参加操作的数的本身；或操作数所在的地址,也称之为地址码。取指令操作码→译码→读取操作数→执行指令→存放结果模型机计算3＋2＝？模型机指令表(部分)3＋2的程序可表达为:MOVA,3ADDA,2HLT3＋2程序的二进制代码及存储MOVA,3→10110000；操作码(MOVA,n)00000011；操作数(3)ADDA,2→00000100;操作码(ADDA,n)00000010;操作数(2)HLT→11110100；操作码(HLT)执行第1条指令MOVA,31.取操作码①地址00H：PC→AR；②PC自加1(→01H)，AR不变(00H)；③地址00H：AR→AB→存储器地址译码器，选中00H单元；④CPU发“读”命令；⑤操作码B0H：00H单元→DB；⑥操作码B0H：DB→DR；⑦指令译码：识别B0H就是MOVA，n，通知控制器发执行此指令的控制命令。转入执行第1条指令的阶段。开始执行程序时,必须先给PC赋以第1条