《微型计算机原理与接口技术》第2章 微处理器与总线

11第2章微处理器与总线11112主要内容：�微型机的基本结构�8088（8086）微处理器的工作原理、引线及结构�总线的一般概念22222.12.12.12.1微型机的基本结构�微机系统的基本组成�微型机的工作原理3333☆图2.1微型计算机体积、重量、计算能力都相对比较小的一类计算机的总称。也称为个人计算机。☆微型计算机系统由硬件系统和软件系统构成的系统。4444☆微型计算机系统结构�冯••••诺依曼结构�哈佛结构5555冯••••诺依曼机的特点：�将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放在存储器保存�指令按其在存储器中存放的顺序执行�由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行�以运算器为核心，所有的执行都经过运算器66662冯••••诺依曼计算机结构运算器存储器控制器输入设备输出设备77772.1.1微型计算机的概念结构微处理器（CPUCPUCPUCPU）存储器硬件系统输入////输出接口总线1.1.1.1.主机硬件系统8888图2-22-22-22-2微型计算机的系统结构框图99991111）微处理器�微处理器简称CPUCPUCPUCPU，是计算机的核心，主要包括：运算器控制器寄存器组10101010☆运算器算术逻辑单元ALU:ALU:ALU:ALU:加法器：加、减、乘、除逻辑运算功能部件：与、或、非、异或通用或专用寄存器组：提供操作数和暂存中间运算结果及结果特征内部总线：数据传输通道11111111组成：程序计数器、指令寄存器﹑指令译码器、时序控制部件，微操作控制部件功能：1111、指令控制2222、时序控制3333、操作控制4444、对异常情况及某些外部请求的处理☆控制器121212123☆寄存器组CPUCPUCPUCPU内部的若干个存储单元；分为专用寄存器和通用寄存器；专用寄存器：其作用是固定的,,,,如SPSPSPSP、FLAGSFLAGSFLAGSFLAGS。通用寄存器：如AXAXAXAX﹑BXBXBXBX等由程序员规定其用途。131313132222）存储器：�定义：存储器又叫内存或主存,,,,是微型计算机的存储和记忆部件。用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和当前执行的程序。14141414有关内存储器的几个概念：�内存单元的地址和内容�内存容量�内存的操作�内存的分类15151515☆内存单元的地址和内容�地址::::每个单元都对应一个编号，以实现对单元内容的寻址�内存单元的内容:内存单元中存放的信息1011011038F04H内存地址单元内容16161616☆内存容量：�内存所含存储单元的个数，以字节为单位�内存容量的大小依CPUCPUCPUCPU的寻址范围而定（即CPUCPUCPUCPU地址信号线的位数）17171717☆内存操作�读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变�写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖181818184图2-52-52-52-5存储器读操作过程19191919☆内存储器的分类随机存取存储器（RAMRAMRAMRAM）按工作方式可分为只读存储器（ROMROMROMROM）202020203333）输入////输出接口�输入/输出接口是微型计算机的重要组成部分�接口是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口外设21212121☆接口的分类：串行接口输入接口并行接口输出接口22222222☆接口的功能：�数据缓冲寄存�信号电平或类型的转换�实现主机与外设间的运行匹配232323234444）总线总线是一组信号线的集合，是在计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息公共通路。位于芯片内部的总线称为内部总线。连接微处理器与存储器、输入输出接口，用以构成完整的微型计算机的总线称为系统总线（有时候也称为外部总线）。微型计算机的系统总线分为数据总线、地址总线和控制总线三组。242424245●数据总线用于传送数据信息，实现微处理器、存储器和I/OI/OI/OI/O接口之间的数据交换。数据总线是双向总线，数据可在两个方向上传输。●地址总线用于发送内存地址和I/OI/OI/OI/O接口的地址。●控制总线则传送各种控制信号和状态信号，使微型计算机各部件协调工作。252525252.软件系统�软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件应用软件操作系统系统实用程序软件编译程序汇编程序数据库调试程序工具软件26262626☆程序设计语言●机器语言计算机直接执行的二进制形式的程序●汇编语言助记符语言表示的程序●高级语言不依赖于具体机型的程序设计语言272727272.1.22.1.22.1.22.1.2微型计算机的工作过程存储程序:是指把程序和数据送到具有记忆能力的存储器中保存起来，计算机工作时只要给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序的指令顺序地、周而复始地取出指令、分析指令、执行指令，直到执行完全部指令为止。28282828☆存储程序工作原理☆存储程序工作原理每台计算机都有各种类型的机器指令，这些指令按照一定的规则存放在存储器中，在中央控制系统的统一控制下，按一定顺序依次取出执行，这就是冯诺依曼的核心原理，即存储程序的工作原理。2929292930303030●指令：一条基本操作命令称为一条机器指令。指令是对计算机发出的一条条工作命令，命令它执行规定的操作。机器指令必须满足两个条件：aaaa、机器指令的形式必须是计算机能够理解的，必须使用二进制数字编码形式表示。bbbb、机器指令规定的操作必须是计算机能够执行的。必须有硬件支持。●指令系统：应用于某种CPUCPUCPUCPU的机器指令及其使用规则的集合。指令系统决定了计算机的能力，也影响着计算机的结构。●程序：是实现某种任务的指令序列。6☆存储程序工作原理●程序中的指令必须采用二进制编码，和数据一样进行存储。●程序中的指令必须属于执行程序的计算机的指令系统。313131312、微型计算机的工作过程图2.6计算机执行程序示意图32323232指令执行的两个基本阶段●取指令阶段由一系列相同的操作组成。取指令阶段的时间总是相等的。●执行指令阶段由不同的事件顺序组成，它取决于被执行指令的类型。333333333、一个程序工作的例子例：求5+4=?计算步骤：一个计算步骤完成一个基本操作（如取数、加法、存数、打印输出等计算程序：是由完成某一特定任务的一组指令所组成。指令必须提供的信息：a、执行什么样的操作b、参与操作的对象即数据是什么或地址是什么。34343434注意区分：aaaa、存储单元的地址bbbb、存储单元的内容图2-8指令在内存中的存放形式35353535在微机中a、所有操作都是用二进制代码进行编码的；b、数据用二进制表示，且存放在存储器的预定地址的存储单元中。36363636本例编码后00000100000001000000010000000100：取数操作的操作码，地址：0000010100000101000001010000010100000010000000100000001000000010：加法操作地址：0000011100000111000001110000011100000101000001010000010100000101：存数操作地址：0000100100001001000010010000100100001000000010000000100000001000：打印输出操作，地址：0000101100001011000010110000101100000101000001010000010100000101：原始数据““““5555””””，地址：0000000100000001000000010000000100000100000001000000010000000100：原始数据““““4444””””，地址：000000100000001000000010000000107图2-9计算机执行指令的过程37373737(1)(1)(1)(1)执行程序时，给程序计数器PCPCPCPC赋以第一条指令的地址05050505HHHH，就进入第一条指令的取指阶段，具体过程如下：①将PCPCPCPC的内容05050505HHHH送至地址寄存器ARARARAR。②当PCPCPCPC的内容可靠地送入地址寄存器ARARARAR后，PCPCPCPC的内容加1111变为06060606HHHH。③地址寄存器ARARARAR把地址号05050505HHHH通过地址总线ABABABAB送至存储器。经地址译码器译码，选中05050505HHHH号单元。④CPUCPUCPUCPU给出读命令至存储器。⑤将05050505HHHH单元的内容04040404HHHH（指令操作码）读至数据总线DBDBDBDB上。38383838⑥读出的内容04040404HHHH经过数据总线DBDBDBDB送至数据寄存器DRDRDRDR。⑦因是取指阶段，取出的为指令操作码，故DRDRDRDR将其送至指令寄存器IRIRIRIR，然后经过译码分析发出执行这条指令的各种控制信号。(2)(2)(2)(2)取指阶段完成后，转入了执行第一条指令的阶段。经过译码分析，知道这是一条从内存单元取操作数的指令，接下去要先从指令的第二字节获取操作数地址，然后再从中读取数据。取第一条指令操作数地址（即指令第二字节）的过程为如图2-112-112-112-11所示：①PCPCPCPC的内容06060606HHHH送至地址寄存器ARARARAR。39393939图2-112-112-112-11取指令操作数地址示意图40404040②当PCPCPCPC的内容可靠地送入地址寄存器ARARARAR后，PCPCPCPC的内容加1111变为07070707HHHH。③地址寄存器ARARARAR把地址号06060606HHHH通过地址总线ABABABAB送至存储器。经地址译码器译码，选中06060606HHHH号单元。④CPUCPUCPUCPU给出读命令至存储器。⑤所选中的06060606HHHH单元的内容01010101HHHH（操作数地址）读至数据总线DBDBDBDB上。⑥读出的内容01010101HHHH经过数据总线DBDBDBDB送至数据寄存器DRDRDRDR。⑦因读出的01010101HHHH为操作数地址，所以在控制器的控制下将DRDRDRDR内容送往地址寄存器ARARARAR414141412.280882.280882.280882.28088/8086/8086/8086/8086微处理器主要内容：�8088808880888088CPUCPUCPUCPU外部引线及功能�8088808880888088CPUCPUCPUCPU的内部结构和特点�各内部寄存器的功能�8088808880888088的工作时序4242424282.2.18088/80862.2.18088/80862.2.18088/80862.2.18088/8086微处理器概述8086808680868086CPUCPUCPUCPU是IntelIntelIntelIntel系列的16161616位微处理器，它有16161616根数据线和20202020根地址线，所以可寻址的地址空间是222220202020＝1111MBMBMBMB。8088CPU8088CPU8088CPU8088CPU是准16161616位微处理器，它的内部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16161616位设计的，但对外的数据总线只有8888位，在处理一个16161616位数据时，8088808880888088需要两步操作，因而称8088808880888088是准16161616位微处理器。434343432.2.28088/80862.2.28088/80862.2.28088/80862.2.28088/8086的指令流水线一般情况下，CPUCPUCPUCPU执行完一条指令就可以立即执行下一条指令，称为流水线技术，减少了CP