東南大學微機期末考試復習提綱.ppt

微機系統(tǒng)與接口 東南大學信息科學與工程學院余旭濤 前言 教學內(nèi)容和目標教材與參考書教學安排 教學內(nèi)容和目標 教學內(nèi)容以微型計算機的基本概念為基礎 掌握微處理器的結構 工作原理 掌握基本接口以及接口芯片的結構和工作原理 掌握匯編語言編程 教學目標能力培養(yǎng)資料閱讀能力 分析軟 硬件能力 接口設計 系統(tǒng)擴充能力 教材與參考資料 教材 李繼燦 新編16 32位微型計算機原理及應用 第三版 清華大學出版社參考書 郁慧娣 微機系統(tǒng)及其接口技術 東南大學出版社楊素行 微型計算機系統(tǒng)原理及應用 清華大學出版社戴梅蕚 微型計算機技術及應用 清華大學出版社The8086FamilyUser sManualTomShanleyetc PentiumProcessorSystemArchitecture 微機系統(tǒng)與接口課程網(wǎng)站 教學安排 你對計算機了解多少 CPU 內(nèi)存 硬盤 揭開計算機內(nèi)部原理 第一章微機系統(tǒng)導論 1 1微型計算機系統(tǒng)1 2基于X86構架的微機工作過程1 3微機系統(tǒng)主要性能指標 1 1微型計算機系統(tǒng) 1 1 1三個基本概念 微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)1 1 2微處理器的組成1 1 3微型計算機的組成1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成1 1 5存儲器 1 1 1三個基本概念 微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng) 1 1微型計算機系統(tǒng) 1 1 1三個基本概念 微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)1 1 2微處理器的組成1 1 3微型計算機的組成1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成1 1 5存儲器 微處理器 微處理器簡稱 P或MP Microprocessor 定義 是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算和控制器功能的中央處理器部件 又稱為微處理機 它本身并不等于微型計算機 而只是其中央處理器CPU CentralProcessingUnit 有時為區(qū)別大 中 小型計算機與微型計算機的中央處理器 而稱后者為MPU MicroprocessingUnit 通常在微型計算機中直接用CPU表示微處理器 IntelDesktopCPURoadmap 1 1 2微處理器的組成 1 1 2微處理器的組成 微處理器算術邏輯單元 ALU 執(zhí)行算術運算和邏輯操作 控制部件 產(chǎn)生一定的時序 控制指令所規(guī)定的操作的執(zhí)行 內(nèi)部寄存器 用于存放指令 操作數(shù)和中間結果等 1 1 2微處理器的組成 算術邏輯部件 ALU 執(zhí)行算術和邏輯操作以及循環(huán)移位等 參加運算的兩個操作數(shù) 一般來自累加器A Accumulator 和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 可以是數(shù)據(jù)寄存器DR DataRegister 中的內(nèi)容 也可以是寄存器陣列RA中某個寄存器的內(nèi)容 運算結果送回累加器A暫存 控制部件 產(chǎn)生一定的時序 控制指令所規(guī)定的操作的執(zhí)行 1 指令寄存器IR InstructionRegister 存放從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令 2 指令譯碼器ID InstructionDecoder 對指令寄存器IR中的指令進行譯碼 確定該指令應執(zhí)行什么操作 3 可編程邏輯陣列PLA ProgrammableLogicArray 產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需的各種微操作控制信號 1 1 2微處理器的組成 內(nèi)部寄存器累加器A 累加器是用得最頻繁的一個寄存器 在進行算術邏輯運算時 具有雙重功能 運算前 用來保存一個操作數(shù) 運算后 用來保存結果 數(shù)據(jù)寄存器DR 數(shù)據(jù)寄存器DR用來暫存數(shù)據(jù)或指令 從存儲器讀出時 若讀出的是指令 經(jīng)DR暫存的指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到指令寄存器IR 若讀出的是數(shù)據(jù) 則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到有關的寄存器或運算器 向存儲器寫入數(shù)據(jù)時 數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR 再經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB寫入存儲器的 程序計數(shù)器PC ProgramCounter 程序計數(shù)器PC中存放著正待取出的指令的地址 根據(jù)PC中的指令地址 準備從存儲器中取出將要執(zhí)行的指令 通常 程序按順序逐條執(zhí)行 任何時刻 PC都指示微處理器要取的下一個字節(jié)或下一條指令 對單字節(jié)指令而言 所在的地址 因此 PC具有自動加1的功能 1 1 2微處理器的組成 內(nèi)部寄存器地址寄存器AR AddressRegister 地址寄存器AR用來存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址 在取指令時 將PC中存放的指令地址送到AR 根據(jù)此地址從存儲器中取出指令 在取操作數(shù)時 將操作數(shù)地址通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到AR 再根據(jù)此地址從存儲器中取出操作數(shù) 在向存儲器存入數(shù)據(jù)時 也要先將待寫入數(shù)據(jù)的地址送到AR 再根據(jù)此地址向存儲器寫入數(shù)據(jù)標志寄存器F FlagRegister 標志寄存器F用來寄存執(zhí)行指令時所產(chǎn)生的結果或狀態(tài)的標志信號 關于標志位的具體設置與功能將視微處理器的型號而異 根據(jù)檢測有關的標志位是0或1 可以按不同條件決定程序的流向 1 1微型計算機系統(tǒng) 1 1 1三個基本概念 微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)1 1 2微處理器的組成1 1 3微型計算機的組成1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成1 1 5存儲器 1 1 3微型計算機的組成 微型計算機 是指以微處理器為核心 配上存儲器 輸入 輸出接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計算機 又稱主機或微電腦 當把微處理器 存儲器和輸入 輸出接口電路統(tǒng)一組裝在一塊或多塊電路板上或集成在單片芯片上 則分別稱之為單板機 多板機或單片微型計算機 1 1 3微型計算機的組成 微處理器 微計算機執(zhí)行指令的核心部件 主存儲器 存儲器是存儲信息的部件 用來存儲當前正在使用的程序和數(shù)據(jù) I O接口 微計算機和外部設備之間的聯(lián)系是通過I O接口實現(xiàn)的 如顯示器的接口 外存儲器的接口等 系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線是連接微處理器和其他部件的鏈路 分為地址總線 數(shù)據(jù)總線和控制總線 分別用于傳輸?shù)刂?數(shù)據(jù)和控制信息 系統(tǒng)中各部件均掛在總線上 所以 有時也將這種系統(tǒng)結構稱為面向系統(tǒng)的總線結構 1 1 3微型計算機的組成 單總線結構系統(tǒng)存儲器M和I O接口均使用同一組信息通路 因此 CPU對M的讀 寫和對I O接口的輸入 輸出操作只能分時進行 雙總線結構M和I O接口各具有一組連通CPU的總線 CPU可以分別在兩組總線上同時與M和I O交換信息 因而拓寬了總線帶寬 提高了總線的數(shù)據(jù)傳輸效率 根據(jù)總線結構組織方式的不同 可以將總線結構分為 單總線結構 雙總線結構 雙重總線結構 1 1 3微型計算機的組成 雙重總線結構局部總線與全局總線 CPU通過局部總線訪問局部M和局部I O時 工作方式與單總線相同 當系統(tǒng)中某微處理器需要對全局M和全局I O訪問時 則必須由總線控制邏輯統(tǒng)一安排才能進行 這時該微處理器就是系統(tǒng)的主控設備 這樣 整個系統(tǒng)便可在雙重總線上實現(xiàn)并行操作 從而提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?1 1微型計算機系統(tǒng) 1 1 1三個基本概念 微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)1 1 2微處理器的組成1 1 3微型計算機的組成1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成1 1 5存儲器 微型計算機系統(tǒng) 是指以微型計算機為中心 以相應的外圍設備 電源和輔助電路 統(tǒng)稱硬件 以及指揮微型計算機工作的系統(tǒng)軟件所構成的系統(tǒng) 1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成 1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成 硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成 硬件系統(tǒng)微型計算機 微處理器主存儲器I O接口總線外設 硬盤 打印機 鼠標 鍵盤 電源 微機系統(tǒng)硬件組成 1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成 軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件 為計算機所配置的基礎性軟件 如操作系統(tǒng) 語言編譯器 I O驅(qū)動程序 文件管理程序等用戶軟件 用戶根據(jù)自己需要編制的應用程序 小結 三者之間的關系 1 1微型計算機系統(tǒng) 1 1 1三個基本定義1 1 2微處理器的組成1 1 3微型計算機的組成1 1 4微型計算機系統(tǒng)的組成1 1 5存儲器 1 1 5存儲器 定義存儲器 是微機中的存儲和記憶部件 用來存放用二進制代碼形式表示的數(shù)據(jù)和程序 字節(jié) byte 通常將8位二進制碼作為一個字節(jié) 字 word 通常將兩個字節(jié)也就是16位稱為一個字 字長 表示計算機數(shù)據(jù)總線上一次能處理的信息的位數(shù)即位長 并由此而定義是多少位的計算機 如1位機 4位機 8位機 16位機 32位機等 1 1 5存儲器 存儲器的組成 存儲體 地址譯碼器和控制電路組成 存儲體存儲數(shù)據(jù)和程序地址譯碼器接收從地址總線AB送來的地址碼 經(jīng)譯碼器譯碼選中相應的某個存儲單元 以便從中讀出 取出 信息或?qū)懭?存入 信息控制電路接收來自cpu的信號 控制存儲器的讀 寫操作過程 第一章微機系統(tǒng)導論 1 1微型計算機系統(tǒng)1 2基于X86構架的微機工作過程1 3微機系統(tǒng)主要性能指標 1 2基于X86構架的微機工作過程 1 2 1微機的工作原理1 2 2程序執(zhí)行過程 1 2 1微機的工作原理 遵循馮 諾依曼型數(shù)字計算機工作原理計算機系統(tǒng)由運算器 控制器 存儲器 輸入和輸出設備組成 在計算機內(nèi)采用二進制形式表示計算機中的指令和數(shù)據(jù) 程序和原始數(shù)據(jù)預先存入計算機主存儲器中保存 執(zhí)行程序時 控制器可以連續(xù) 自動 高速的從存儲器中逐一取出指令并執(zhí)行 1 2基于X86構架的微機工作過程 1 2 1微機的工作原理1 2 2程序執(zhí)行過程 1 2 2程序執(zhí)行過程 指令組成 操作碼 操作數(shù)操作碼 表示計算機執(zhí)行什么具體操作 操作數(shù) 表示參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址 也稱之為地址碼 注意 在8位機中 由于1個存儲單元只能存放1個字節(jié) 而指令根據(jù)其所含內(nèi)容不同而有單字節(jié) 雙字節(jié) 3字節(jié)乃至最多4字節(jié)之分 因此在執(zhí)行1條指令時 就可能要處理1 4個不等字節(jié)數(shù)目的代碼信息 包括操作碼 操作數(shù)或操作數(shù)的地址 1 2 2程序執(zhí)行過程 續(xù) 取指執(zhí)行 1 假定程序已由輸入設備存放到內(nèi)存中 當計算機從停機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時 首先把第1條指令所在的地址賦給程序計數(shù)器PC 然后機器進入取指階段 2 在取指階段 CPU從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令 于是 數(shù)據(jù)寄存器DR便把它送至指令寄存器IR 3 指令譯碼器譯碼 控制器就發(fā)出相應的控制信號 CPU根據(jù)控制信號執(zhí)行相應操作 4 取指階段結束后 機器就進入執(zhí)指階段 CPU執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作 5 當一條指令執(zhí)行完畢以后 就轉(zhuǎn)入了下一條指令的取指階段 這樣周而復始地循環(huán)一直進行到程序中遇到暫停指令時方才結束 1 2 2程序執(zhí)行過程 例子MOVA 3MOVA 310110000 操作碼 MOVA n 00000011 操作數(shù) 3 注意 計算機并不認識助記符和十進制數(shù) 只認識用二進制數(shù)表示的操作碼和操作數(shù) 助記符編寫的程序必須以二進制數(shù)的格式存放到存儲器中 即用對應的二進制操作碼代替每個助記符 用相應的二進制數(shù)代替每個十進制數(shù) 1 2 2程序執(zhí)行過程 注意 該條指令共2個字節(jié) 由于微處理器和存儲器采用8位字或1個字節(jié)存放與處理信息 因此 當把這段程序存入存儲器時 共需要占2個存儲單元 如圖中從00H至01H這2個單元 1 2 2程序執(zhí)行過程 操作過程 取指 把PC的內(nèi)容00H送到地址寄存器AR 一旦PC的內(nèi)容可靠地送入AR后 PC自動加1 即由00H變?yōu)?1H 把地址寄存器AR的內(nèi)容00H放在地址總線上 并送至存儲器 經(jīng)地址譯碼器譯碼 選中相應的00H單元 CPU發(fā)出讀命令 AD 1 2 2程序執(zhí)行過程 操作過程 取指 在讀命令控制下 把所選中的00H單元中的內(nèi)容即第1條指令的操作碼B0H讀到數(shù)據(jù)總線DB上 把讀出的內(nèi)容B0H經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器DR 取指階段的最后一步是指令譯碼 因為取出的是指令的操作碼 故數(shù)據(jù)寄存器DR把它送到指令寄存器IR 然后再送到指令譯碼器ID 經(jīng)過譯碼 CPU 識別 出這個操作碼B0H就是MOVA n指令 于是 它 通知 控制器發(fā)出執(zhí)行這條指令的各種控制命令 這就完成了第1條指令的取指階段 然后轉(zhuǎn)入執(zhí)行第1條指令的階段 AD 1 2 2程序執(zhí)行過程 操作過程 執(zhí)指 對操作碼B0H譯碼后 CPU 知道 這是一條把下一單元中的操作數(shù)取入累加器A的雙字節(jié)指令 MOVA n 所以 執(zhí)行第1條指令就必須把指令第2字節(jié)中的操作數(shù)03H取出來 取操作數(shù)過程 把PC的內(nèi)容01H送到地址寄存器AR 當PC的內(nèi)容可靠地送到AR后 PC自動加1 變?yōu)?2H 地址寄存器通過地址總線把地址01H送到存儲器的地址譯碼器 經(jīng)過譯碼選中相應的01H單元 CPU發(fā)出讀命令 1 2 2程序執(zhí)行過程 在讀命令控制下 將選中的01H單元的內(nèi)容03H讀到數(shù)據(jù)總線DB上 通過DB把讀出的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)寄存器DR 因CPU根據(jù)該條指令具有的字節(jié)數(shù)已知這時讀出的是操作數(shù) 且指令要求把它送到累加器A 故由數(shù)據(jù)寄存器DR取出的內(nèi)容就通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到累加器A 于是第1次執(zhí)指階段完畢 操作數(shù)03H被取入累加器A中 指令執(zhí)行結束 AD 操作過程 執(zhí)指 1 3微機系統(tǒng)主要性能指標 1 3 1主板的性能指標1 3 2微處理器的性能指標1 3 3硬盤的性能指標1 3 4總線的性能指標1 3 5軟件 1 3 1主板的性能指標 主板集中了微機的主要部件和接口電路 如CPU 內(nèi)存條和高速緩存 Cache 芯片 系統(tǒng)芯片組等都直接安裝在主板上 硬盤 軟驅(qū)和光驅(qū)都通過數(shù)據(jù)線與主板相連 鼠標 鍵盤和各種擴充卡等也都通過外設接口或擴充槽安裝或接插在主板上 結構主要有AT主板和ATX主板兩種基本類型 此外還有NLX 1 3 1主板的性能指標 主板的主要性能指標有以下幾項 1 微處理器支持的能力 包括CPU插槽類型 CPU種類 外頻范圍 2 系統(tǒng)芯片組的類型 3 是否集成顯卡 聲卡 調(diào)制解調(diào)器 Modem 網(wǎng)卡 4 支持內(nèi)存和高速緩存 Cache 的類型與容量 5 系統(tǒng)BIOS的版本 功能 是否支持即插即用 6 擴充插槽及I O接口的數(shù)量 類型 Socket370 Pentium3 Socket940 Athlon64FX 1 3 2微處理器的性能指標 微處理器是微機系統(tǒng)的核心部件 它的性能如何直接影響到整個系統(tǒng)的性能 1 字長字長是最重要的指標之一 所謂字長就是CPU內(nèi)部一次能同時處理的數(shù)據(jù)的位數(shù) 字長標志著計算精度 字長越長 它能表示的數(shù)值范圍越大 計算出的結果有效數(shù)的位數(shù)就越多 精度也就越高 2 內(nèi)存容量通常 內(nèi)存容量是以字節(jié)為單位計算的微機可尋址的內(nèi)存容量變化范圍較大 3 指令系統(tǒng)微機的核心部件微處理器都有各自的指令系統(tǒng) 一般來說 指令的條數(shù)愈多 其功能就愈強 1 3 2微處理器的性能指標 4 運算速度運算速度是微機性能的綜合表現(xiàn) 它是指微處理器執(zhí)行指令的速率 計算速度的問題 目前有3種方法 一是根據(jù)不同類型指令在計算過程中出現(xiàn)的頻繁程度 乘上不同的系數(shù) 求得統(tǒng)計平均值 這時所指的是平均速度 二是以執(zhí)行時間最短的指令的標準來計算速度 三是直接給出每條指令的實際執(zhí)行時間和機器的主頻 5 iCOMPiCOMP IntelComparableMicroprocessorPerformance 是衡量Intel系列微處理器性能的綜合指數(shù) 根據(jù)Intel公司設計的公式計算出該值 6 SPECmarkSPECmark是SPECint 系統(tǒng)性能整數(shù)數(shù)值計算法 與SPECfp 系統(tǒng)性能浮點數(shù)值計算法 的合稱 1 3 3硬盤的性能指標 硬盤的主要指標 1 容量 2 速度 與主軸電機的轉(zhuǎn)速以及硬盤緩沖區(qū)有關 目前硬盤的轉(zhuǎn)速有5400 7200 10000 15000RPM 轉(zhuǎn) 分 等幾種 硬盤緩存是硬盤上集成的一顆內(nèi)存芯片 用于充當硬盤與處理器之間的高速數(shù)