第1章 微型計算機系統(tǒng)

1、微機原理與接口技術 張延彬zu_ie_ 與與 典型機型：典型機型：IBM PCIBM PC系列機系列機基本系統(tǒng)：基本系統(tǒng)：CPUCPU和半導體存儲器和半導體存儲器I/OI/O接口電路及與外設的連接接口電路及與外設的連接硬件接口電路原理硬件接口電路原理軟件接口編程方法軟件接口編程方法 課程性質(zhì)課程性質(zhì): 專業(yè)基礎課、必修課專業(yè)基礎課、必修課 學習內(nèi)容學習內(nèi)容: 原理原理+匯編匯編+接口接口 學習目的學習目的: 應用應用 教學學時：教學學時：48學時學時 實驗學時：實驗學時：24學時學時 考核方法：考試考核方法：考試 + 平時成績平時成績第第1章章 微型計算機系統(tǒng)概述微型

2、計算機系統(tǒng)概述第第2章章 處理器結構處理器結構第第3章章 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理第第4章章 匯編語言程序設計匯編語言程序設計第第5章章 微機總線微機總線第第6章章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)第第7章章 輸入輸出接口輸入輸出接口第第8章章 常用接口技術常用接口技術第第 1 1 章章微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng) 1.1 1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展1.2 Intel 80 x861.2 Intel 80 x86系列處理器系列處理器1.3 1.3 微型計算機系統(tǒng)組成微型計算機系統(tǒng)組成1.1 1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展微型計算機（微型計算機（MicrocomputerMicrocompute

3、r）性能、價格、體積較小，最常見的計算機性能、價格、體積較小，最常見的計算機現(xiàn)代計算機三大主要應用形式的主角現(xiàn)代計算機三大主要應用形式的主角桌面?zhèn)€人微機（桌面?zhèn)€人微機（PCPC機）機）服務器服務器嵌入式計算機系統(tǒng)嵌入式計算機系統(tǒng)采用微處理器為核心構造的計算機采用微處理器為核心構造的計算機處理器、微處理器、中央處理單元處理器、微處理器、中央處理單元CPUCPU計算機的運算和控制核心計算機的運算和控制核心采用一塊大規(guī)模集成電路芯片構成采用一塊大規(guī)模集成電路芯片構成處理器的基本處理器的基本性能指標性能指標字長（字長（WordWord）處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)處理器每個時間單位處理的二進

4、制數(shù)據(jù)位數(shù)（例如一次進行運算、傳輸?shù)奈粩?shù)）（例如一次進行運算、傳輸?shù)奈粩?shù)）指示處理器的數(shù)據(jù)處理能力指示處理器的數(shù)據(jù)處理能力時鐘頻率時鐘頻率處理器的處理速度處理器的處理速度反映處理器的基本時間單位反映處理器的基本時間單位集成度集成度芯片上集成的晶體管數(shù)量芯片上集成的晶體管數(shù)量表明處理器的生產(chǎn)工藝水平表明處理器的生產(chǎn)工藝水平4、8、16、32、64、128Hz、kHz、MHz、GHz1.1.1 1.1.1 通用微處理器通用微處理器4 4位微處理器位微處理器19711971年，年，Intel 4004Intel 4004，第一個微處理器，第一個微處理器8 8位微處理器位微處理器19721972年，年

5、，M6800M6800、Z80Z80和和Intel 8080/8085Intel 8080/8085AppleApple公司蘋果機公司蘋果機1616位微處理器位微處理器19781978年，年，Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 1616位個人計算機（位個人計算機（PCPC：Personal ComputerPersonal Computer）3232位微處理器位微處理器19851985年，年，8038680386，8048680486，PentiumPentiumPentium 4Pentium 43232位位PCPC機，機，APPLEAPPLE公司的公司的Maci

6、ntoshMacintosh機機6464位微處理器位微處理器20002000年，年，IA-64IA-64結構：結構：ItaniumItanium（安騰）（安騰）x86x86結構：結構：AMDAMD的的6464位處理器、位處理器、Intel 64Intel 64處理器處理器采用4004的計算器Intel 4004性能指標性能指標處理器基本性能指標實例處理器基本性能指標實例返回返回年代年代IntelIntel處理器處理器字長字長時鐘頻率時鐘頻率集成度集成度19711971400440044 4位位108kHz108kHz2300230019721972800880088 8位位500kHz500k

7、Hz3500350019781978808680861616位位5MHz5MHz2.92.9萬萬1985198580386803863232位位16MHz16MHz27.527.5萬萬20032003Pentium 4Pentium 43232位位3.4GHz3.4GHz1.251.25億億20072007Core 2 QuadCore 2 Quad6464位位2.66GHz2.66GHz5.825.82億億1.1.2 1.1.2 專用微處理器專用微處理器單片機（微控制器，嵌入式控制器，單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCUMCU）IntelIntel的的MCS-48MCS-48，MCS-51

8、MCS-51，MCS-96/98MCS-96/98系列系列愛特梅爾（愛特梅爾（AtmlAtml）公司的）公司的AT89AT89系列（與系列（與MCS-51MCS-51兼容），兼容），AT91AT91系列（基于系列（基于ARMARM內(nèi)核）內(nèi)核）Microchip TechnologyMicrochip Technology公司的公司的PICPIC系列系列數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器（DSPDSP）專注于數(shù)字信號的高速處理專注于數(shù)字信號的高速處理美國德州儀器美國德州儀器TITI公司公司TMS320TMS320各代產(chǎn)品各代產(chǎn)品主要應用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計算機主要應用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計

9、算機主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)IPIP級結構，芯片級結構，模塊級結構級結構，芯片級結構，模塊級結構1.1.3 1.1.3 摩爾定律摩爾定律集成電路生產(chǎn)技術推動了計算機的飛速發(fā)展集成電路生產(chǎn)技術推動了計算機的飛速發(fā)展摩爾定律（摩爾定律（Moores LawMoores Law）集成電路上晶體管密度每年將翻倍集成電路上晶體管密度每年將翻倍每隔每隔1818個月硅片密度（晶體管容量）將翻倍個月硅片密度（晶體管容量）將翻倍每每1818個月，集成電路的性能將提高一倍，而其個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半價格將降低一半摩爾定律不會永遠持續(xù)摩爾定律不會永遠持續(xù)今后，性能

10、提高更多地今后，性能提高更多地得益于計算機系統(tǒng)結構的革新得益于計算機系統(tǒng)結構的革新1.2 Intel 80 x861.2 Intel 80 x86系列處理器系列處理器80386803868048680486奔騰奔騰奔騰奔騰II奔騰奔騰4802868028680868086奔騰奔騰III酷?？犷?40044004不是我不明白，這世界變化太快。扎扎實實掌握知識，以不變應萬變！IA-32處理器處理器安騰安騰英特爾微處理器芯片英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium 41.2.1 161.2.1 16位位80 x8680 x86處理器處理器1. 8086 1. 8086 1616位結構

11、的處理器：數(shù)據(jù)總線為位結構的處理器：數(shù)據(jù)總線為1616位位主存容量主存容量1MB1MB：地址總線為：地址總線為2020位位時鐘頻率時鐘頻率5MHz5MHz（IBM PCIBM PC使用使用4.77MHz4.77MHz）準準1616位微處理器位微處理器80888088：外部數(shù)據(jù)總線為：外部數(shù)據(jù)總線為8 8位位IBM PCIBM PC和和PC/XTPC/XT機使用機使用Intel 8088 CPUIntel 8088 CPU2. 802862. 802861616位數(shù)據(jù)總線、位數(shù)據(jù)總線、2424位地址總線（位地址總線（16MB16MB主存）主存）實方式（實方式（Real ModeReal Mode

12、）保護方式（保護方式（Protected ModeProtected Mode）IBM PC/ATIBM PC/AT機使用機使用Intel 286 CPUIntel 286 CPUIntel 8086IBM PCIBM PC系列機系列機8088CPUIBM PC機機IBM PC/AT機機IBM PC/XT機機處理器總線處理器總線數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（DBDB：Data BusData Bus）處理器與存儲器或外設交換信息的通道處理器與存儲器或外設交換信息的通道個數(shù)個數(shù)( (條數(shù)條數(shù)) )是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進制位數(shù) 地址總線（地址總線（ABAB：Address B

13、usAddress Bus）指定存儲器或外設的具體單元指定存儲器或外設的具體單元個數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設范圍個數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設范圍控制總線（控制總線（CBCB：Control BusControl Bus）控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作例如例如存儲器讀信號（存儲器讀信號（MEMRMEMR）、存儲器寫（）、存儲器寫（MEMWMEMW）外設讀（外設讀（IORIOR）、外設寫（）、外設寫（IOWIOW）地址條數(shù)與主存容量地址條數(shù)與主存容量Intel80 x86Intel80 x86地址條數(shù)地址條數(shù)存儲容量存儲容量8086808620201MB1MB808880

14、8820201MB1MB8028680286242416MB16MBIA-32IA-3232324GB4GB一個信號對應一個信號對應兩種狀態(tài)：高或低兩種狀態(tài)：高或低兩種編碼：兩種編碼：1或或0N：2N1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB1.2.2 IA-321.2.2 IA-32處理器處理器英特爾英特爾3232位結構位結構IA-32IA-32（Intel Architecture-32Intel Architecture-32）指令集結構指令集結構IA-32IA-32處理器處理器Intel 80386Intel 80386Intel 8048

15、6Intel 80486PentiumPentiumPentium ProPentium Pro、Pentium IIPentium II、Pentium IIIPentium IIIPentium 4Pentium 4CeleronCeleron、XeonXeon、Pentium MPentium M1. 803861. 803863232位結構位結構數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線3232位，地址總線位，地址總線3232位，可尋址位，可尋址4GB4GB主存主存8038680386指令系統(tǒng)全面升級為指令系統(tǒng)全面升級為3232位位虛擬虛擬80868086方式方式（Virtual 8086 ModeVirtua

16、l 8086 Mode）保護方式下的保護方式下的80868086工作方式工作方式系統(tǒng)管理方式（系統(tǒng)管理方式（System Management ModeSystem Management Mode）低功耗節(jié)能狀態(tài)低功耗節(jié)能狀態(tài)Intel 3862. 804862. 804868048680486803868038680387803878KB Cache8KB Cache集成浮點處理單元集成浮點處理單元FPUFPU8086/80888086/8088：80878087，8028680286：8028780287，8038680386：8038780387具有片上高速緩沖存儲器具有片上高速緩沖存儲

17、器(L1 (L1 Cache)Cache)微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度融合融合RISCRISC的技術的的技術的CISCCISC指令流水線指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行時鐘倍頻思想時鐘倍頻思想 3. Pentium3. Pentium俗稱的俗稱的8058680586處理器，奔騰處理器處理器，奔騰處理器3232位結構，連接主存的外部數(shù)據(jù)總

18、線是位結構，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線是6464位位超標量（超標量（SuperscalarSuperscalar）技術）技術具有可以并行工作的具有可以并行工作的2 2條整數(shù)處理流水線條整數(shù)處理流水線可以達到每個時鐘周期執(zhí)行可以達到每個時鐘周期執(zhí)行2 2條指令條指令雙路高速緩沖結構雙路高速緩沖結構8KB8KB代碼高速緩沖存儲器代碼高速緩沖存儲器8KB8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器Intel Pentium4. Pentium Pro4. Pentium Pro原稱原稱P6P6，中文名稱為，中文名稱為“高能奔騰高能奔騰”兩個芯片組成兩個芯片組成CPUCPU與一級（與一級（L1L1）Cach

19、eCache（8KB8KB代碼和代碼和8KB8KB數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)）二級（二級（L2L2）CacheCache（256KB256KB或或512KB512KB）擴展的超標量技術擴展的超標量技術1212級指令流水線級指令流水線能同時執(zhí)行能同時執(zhí)行3 3條指令條指令動態(tài)執(zhí)行技術動態(tài)執(zhí)行技術分支預測、數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行分支預測、數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行5. Pentium II5. Pentium II多媒體擴展指令（多媒體擴展指令（MMXMMX指令）指令）MMXMMX（MutliMedia eXtensionMutliMedia eXtension）整數(shù)運算多媒體指令整數(shù)運算多媒體指令圖像、音頻、視頻和通信

20、方面的程序進行優(yōu)化圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優(yōu)化提升微機對多媒體的處理能力提升微機對多媒體的處理能力Pentium MMXPentium MMX（多能奔騰）（多能奔騰）MMXMMX指令應用于指令應用于PentiumPentium處理器處理器Pentium IIPentium IIMMXMMX指令應用于指令應用于Pentium ProPentium ProIntel Pentium II6. Pentium III6. Pentium III數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流SIMDSIMD擴展指令（擴展指令（SSESSE指令）指令）SSESSE（Streaming SIMD ExtensionsStrea

21、ming SIMD Extensions）浮點單精度多媒體運算指令浮點單精度多媒體運算指令提高浮點提高浮點3D3D數(shù)據(jù)的處理能力數(shù)據(jù)的處理能力SSESSE指令類似于指令類似于AMDAMD公司發(fā)布的公司發(fā)布的3D Now!3D Now!指令指令Pentium IIIPentium III：SSESSE指令應用于指令應用于Pentium II Pentium II 單指令多數(shù)據(jù)單指令多數(shù)據(jù)SIMDSIMDSingle Instruction Multiple DataSingle Instruction Multiple Data表示一條指令具有同時處理多組數(shù)據(jù)的能力表示一條指令具有同時處理多組數(shù)

22、據(jù)的能力7. Pentium 47. Pentium 4NetBurstNetBurst的微結構（的微結構（MicroarchitectureMicroarchitecture） 指令級并行指令級并行ILPILP（Instruction-Level ParallelInstruction-Level Parallel）進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力超級流水線：超級流水線：2020級級超線程超線程HTHT（Hyper ThreadingHyper Threading）線程級并行線程級并行TLPTLP（Thread-Level ParallelThread

23、-Level Parallel）發(fā)掘程序中的并行性發(fā)掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器一個物理處理器形成兩個邏輯處理器SSE2SSE2指令指令增強浮點雙精度多媒體運算能力增強浮點雙精度多媒體運算能力SSE3SSE3指令指令增強和完善增強和完善MMXMMX，SSESSE和和SSE2SSE2指令指令Intel Pentium 48. Celeron8. Celeron和和XeonXeonCeleronCeleron（賽揚）處理器（賽揚）處理器面向低端（低價位）面向低端（低價位）PCPC機機XeonXeon（至強）處理器（至強）處理器面向高端服務器、工作站面向高端服務器、工作站Pent

24、ium MPentium M（MobileMobile）處理器）處理器針對便攜式針對便攜式PCPC機（筆記本電腦）機（筆記本電腦）CentrinoCentrino（迅馳）處理器，支持無線通信（迅馳）處理器，支持無線通信AMDAMD處理器處理器AMDAMD公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的IA-32IA-32處理器兼容芯片處理器兼容芯片IntelIntel公司最主要的競爭對手公司最主要的競爭對手1.2.3 Intel 641.2.3 Intel 64處理器處理器1. Intel 641. Intel 64結構結構6464位線性地址空間，支持位線性地址空間，支持4040位物理地址空間位物理地址空間3232位擴展

25、工作方式（位擴展工作方式（IA-32eIA-32e）8 8個附加的通用寄存器、個附加的通用寄存器、8 8個附加的個附加的SIMDSIMD多媒體多媒體寄存器、寄存器、6464位通用寄存器和位通用寄存器和6464位指令指針等位指令指針等2. Intel Core2. Intel Core微結構微結構提高了性能并降低了功耗提高了性能并降低了功耗多核處理器的基礎多核處理器的基礎 3. 3. 多核技術（多核技術（Multi-coreMulti-core）一個芯片上制作兩個或多個處理器執(zhí)行核心一個芯片上制作兩個或多個處理器執(zhí)行核心1.3 1.3 微型計算機系統(tǒng)組成微型計算機系統(tǒng)組成運算器運算器 控制器控制

26、器寄存器組寄存器組 主存儲器主存儲器 總線總線輸入輸出接口電路輸入輸出接口電路外部設備外部設備 軟件軟件微處理器微處理器微型計算機微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)硬件（硬件（HardwareHardware）：物理設備）：物理設備軟件（軟件（SoftwareSoftware）：程序和文檔）：程序和文檔1.3.1 1.3.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構ENIAC馮諾伊曼馮馮諾伊曼計算機的基本思想諾伊曼計算機的基本思想采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成和地址碼組成將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，計算機在工作時將程序和數(shù)據(jù)存放

27、在存儲器中，計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。這就是這就是“存儲程序存儲程序”和和“程序控制程序控制”（簡稱存儲（簡稱存儲程序控制）的概念程序控制）的概念指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實現(xiàn)中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實現(xiàn)計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成，并規(guī)定了輸出設備五大基本部件組成，并規(guī)定了5 5部分的基部分的基本功能本功能1. 1. 組成部件組成部件

28、5 5大部件組成大部件組成控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備3 3個硬件子系統(tǒng)個硬件子系統(tǒng)處理器、存儲系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)處理器、存儲系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)2. 2. 二進制編碼二進制編碼計算機采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令計算機采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令現(xiàn)實中的一切，計算機中都是現(xiàn)實中的一切，計算機中都是0 0和和1 1數(shù)碼數(shù)碼二進制編碼二進制編碼按照一定規(guī)律組合的按照一定規(guī)律組合的0 0和和1 1數(shù)碼數(shù)碼不同的信息用不同的數(shù)碼表示不同的信息用不同的數(shù)碼表示同樣的信息也可以用不同的編碼規(guī)則用不同同樣的信息也可以用不同的編碼規(guī)則用不同的數(shù)碼表示的數(shù)碼

29、表示程序、指令、操作碼程序、指令、操作碼程序用程序設計語言編寫，由指令構成程序用程序設計語言編寫，由指令構成指令指令( (機器語言機器語言) )是控制計算機操作的命令是控制計算機操作的命令指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成操作碼（操作碼（OpcodeOpcode）表明指令的操作）表明指令的操作地址碼、操作數(shù)（地址碼、操作數(shù)（OperandOperand）是參與操作的數(shù)據(jù)）是參與操作的數(shù)據(jù)指令的代碼格式：二進制編碼規(guī)則指令的代碼格式：二進制編碼規(guī)則基本數(shù)據(jù)單位（二進制位）基本數(shù)據(jù)單位（二進制位）1 1位位比特（比特（bitbit：bibinary diginary digit t）

30、4 4位位半字節(jié)（半字節(jié)（NibbleNibble）8 8位位字節(jié)（字節(jié)（ByteByte）1616位位字（字（WordWord）3232位位雙字（雙字（Double wordDouble word）6464位位4 4字（字（Quad wordQuad word） D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0哪哪“位位”？ 二進制二進制B，十進制，十進制D，還是十六進制，還是十六進制H ？3. 3. 存儲程序和程序控制存儲程序和程序控制存儲程序存儲程序把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，這些指令按一定的規(guī)則組成程序儲器中，

31、這些指令按一定的規(guī)則組成程序程序控制程序控制當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處理任務理任務存儲單元地址存儲單元地址為每個存儲單元編排的一個唯一的編號為每個存儲單元編排的一個唯一的編號現(xiàn)代計算機中，主存儲器是字節(jié)可尋址的：主現(xiàn)代計算機中，主存儲器是字節(jié)可尋址的：主存儲器的每個存儲單元具有一個地址，保存一存儲器的每個存儲單元具有一個地址，保存一個字節(jié)的信息個字節(jié)的信息地址編號地址編號取指譯碼執(zhí)行周期取指譯碼執(zhí)行周期取指（取指（FetchFetch）處理器從主存儲器讀取指令處

32、理器從主存儲器讀取指令譯碼（譯碼（DecodeDecode）翻譯指令代碼的功能翻譯指令代碼的功能執(zhí)行執(zhí)行(Execute(Execute）執(zhí)行指令完成指令所規(guī)定的操作執(zhí)行指令完成指令所規(guī)定的操作程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC確定下一條指令的主存地址確定下一條指令的主存地址PC具有自動增量的能力，實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行具有自動增量的能力，實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行轉移指令改變轉移指令改變PC的數(shù)值，實現(xiàn)分支、循環(huán)、調(diào)用的數(shù)值，實現(xiàn)分支、循環(huán)、調(diào)用1.3.2 1.3.2 微型計算機的硬件組成微型計算機的硬件組成現(xiàn)代計算機廣泛應用總線結構連接各個部件現(xiàn)代計算機廣泛應用總線結構連接各個部件組合靈活、擴展方便組合靈活、擴

33、展方便控制總線控制總線CB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB地址總線地址總線AB微微處處理理器器I/O設備設備I/O接口接口存儲器存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線BUS1. 1. 微處理器微處理器微機的核心、控制中心，中央處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPUCPU大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路VLSIVLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器運算器（整數(shù)運算器）運算器（整數(shù)運算器）寄存器（高速存儲單元）寄存器（高速存儲單元）高性能微處理器內(nèi)部還有高性能微處理器內(nèi)部還有浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元存儲管理單元、代碼保護機制存儲管理單元、代碼保護機制高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器

34、2. 2. 存儲器存儲器存儲器（存儲器（MemoryMemory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機的存儲系統(tǒng)高性能微機的存儲系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器（微處理器內(nèi)部的寄存器（RegisterRegister）高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（CacheCache）主板上的主存儲器主板上的主存儲器以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器（主存、內(nèi)存）主存儲器（主存、內(nèi)存）半導體存儲器芯片組成半導體存儲器芯片組成RAMRAM部分斷電后信息丟失部分斷電后信息丟失相對造價高、速度快、但容量小相對造價高、速度快、但容量小輔助存儲器（簡稱輔存或外存）輔助存儲器（簡稱

35、輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構成磁盤、光盤存儲器等構成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和和ROM3. I/O3. I/O接口和接口和I/OI/O設備設備I/OI/O設備設備(Peripheral(Peripheral）：用戶與微機交互）：用戶與微機交互輸入（輸入（InputInput）設備）設備標準輸入設備：鍵盤標準輸入設備：鍵盤輸出（輸出（OutputOutput）設備）設備標準輸出設備：顯示器標準輸出設備：顯示器I/OI/O接口接口(Interface)(Interface)：外設和主機間的橋梁：外設和主機間的橋梁完成信號變換

36、、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作較簡單的較簡單的I/OI/O接口電路與主板一體接口電路與主板一體較復雜的較復雜的I/OI/O接口電路制成獨立的電路板（接口接口電路制成獨立的電路板（接口卡卡CardCard）4. 4. 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線（總線（BusBus）傳遞信息的一組公用導線、信息通道傳遞信息的一組公用導線、信息通道系統(tǒng)總線（系統(tǒng)總線（System BusSystem Bus）微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線地址總線單向輸出主存單元或單向輸出主存單元或I/OI/O端口的地址信息端口的地址信息數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線讀（讀（R

37、eadRead）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器寫（寫（WriteWrite）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設）控制總線控制總線有些控制信號或狀態(tài)信號輸出有些控制信號或狀態(tài)信號輸出有些請求或聯(lián)絡信號輸入有些請求或聯(lián)絡信號輸入存儲器存儲器外設外設CPURead Write1.3.3 161.3.3 16位位IBM PC/ATIBM PC/AT微型機結構微型機結構微處理器：微處理器：Intel 80286Intel 80286主存儲器主存儲器ROM-BIOSROM-BIOS：固化基本輸入輸出系統(tǒng)（：固化基本輸入輸出系統(tǒng)（Basic Basic Input/O

38、utput SystemInput/Output System）主存主要由主存主要由RAMRAM組成組成I/OI/O接口接口兩個中斷控制器兩個中斷控制器8259A8259A兩個兩個DMADMA控制器控制器8237A8237A定時控制器定時控制器82548254并行接口電路并行接口電路系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線：ISAISA總線（總線（I/OI/O通道）通道）示意圖示意圖IBM PC/ATIBM PC/AT主機板結構主機板結構返回返回1.3.4 321.3.4 32位位PCPC微型機結構微型機結構微處理器：微處理器：IA-32IA-32或其兼容微處理器或其兼容微處理器( (含含Cache)Cache)控

39、制芯片組：微處理器的主要輔助器件控制芯片組：微處理器的主要輔助器件主存儲器：主存插槽和主存條主存儲器：主存插槽和主存條多總線結構多總線結構系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線： PCIPCI總線（低速總線（低速ISAISA總線）總線）存儲總線存儲總線顯示顯示AGPAGP總線總線擴展槽和外設接口擴展槽和外設接口主存條插槽，主存條插槽，AGPAGP插槽，插槽，PCIPCI插槽，插槽，IDEIDE插槽插槽PS/2PS/2鍵盤接口和鍵盤接口和PS/2PS/2鼠標接口，并行打印接口鼠標接口，并行打印接口LPTLPT， COM1COM1和和COM2COM2串行通信接口串行通信接口通用串行總線通用串行總線USBUSB接口，高

40、速視頻接口接口，高速視頻接口IEEE1394IEEE1394示意圖示意圖3232位位PCPC主機板結構主機板結構返回返回1.3.5 1.3.5 計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構用用 戶戶 層層高高 級級 語語 言言 層層匯匯 編編 語語 言言 層層操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 層層 機機 器器 層層控控 制制 層層數(shù)數(shù) 字字 電電 路路 層層 應用軟件應用軟件 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 軟硬件界面軟硬件界面物理機物理機虛擬機虛擬機硬件硬件固件固件硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行Level 0 (門電路、電子線路門電路、電子線路)Level 1 (微程序或硬布線微程序或硬布線)Level 2 (指令集結構指令

41、集結構ISA)Level 3 (操作系統(tǒng)、庫代碼操作系統(tǒng)、庫代碼)Level 4 (匯編語言代碼匯編語言代碼)Level 5 (C+，Java，等，等)Level 6 (可執(zhí)行程序可執(zhí)行程序)1. 1. 計算機程序設計語言計算機程序設計語言高級語言（高級語言（High Level LanguageHigh Level Language）面向問題的程序設計語言面向問題的程序設計語言匯編語言（匯編語言（Assembly LanguageAssembly Language）將機器指令用助記符號代替而形成的一種語言將機器指令用助記符號代替而形成的一種語言本質(zhì)上是機器語言本質(zhì)上是機器語言優(yōu)勢：可以直接、

42、有效地控制計算機硬件，容優(yōu)勢：可以直接、有效地控制計算機硬件，容易產(chǎn)生運行速度快、指令序列短小的高效率目易產(chǎn)生運行速度快、指令序列短小的高效率目標程序標程序劣勢：與處理器密切有關，需熟悉硬件和細節(jié)，劣勢：與處理器密切有關，需熟悉硬件和細節(jié)，編程繁瑣，調(diào)試、維護、移植困難編程繁瑣，調(diào)試、維護、移植困難機器語言（機器語言（Machine LanguageMachine Language）底層的計算機語言，對應機器底層的計算機語言，對應機器指令指令為什么學習匯編語言為什么學習匯編語言學習匯編語言有什么用途？學習匯編語言有什么用途？教學目的教學目的從軟件角度更好地理解計算機工作原理從軟件角度更好地理解

43、計算機工作原理為相關課程提供基礎知識為相關課程提供基礎知識全面掌握計算機程序設計語言全面掌握計算機程序設計語言應用價值應用價值編寫運行速度快、代碼量小的高效程序編寫運行速度快、代碼量小的高效程序編寫低層、直接控制硬件的程序編寫低層、直接控制硬件的程序加解密、病毒防治等信息安全程序的編程分析加解密、病毒防治等信息安全程序的編程分析更好地使用高級語言編程更好地使用高級語言編程返回返回Instructions: Language of the MachineInstructions: Language of the MachineTo command a computers hardware, yo

44、u To command a computers hardware, you must speak its language. The words of a must speak its language. The words of a machines language are called machines language are called instructions, and its vocabulary is instructions, and its vocabulary is called an instruction set.called an instruction set

45、. 為了控制計算機硬件，必須使用它的語言。機為了控制計算機硬件，必須使用它的語言。機器語言的單詞稱為指令，它的詞匯表稱為指令集。器語言的單詞稱為指令，它的詞匯表稱為指令集。 “Computer Organization & Design “Computer Organization & Design- The Hardware/Software Interface ( 2nd Edition )”- The Hardware/Software Interface ( 2nd Edition )” by John L. Hennessy and David A. Patterso

46、n by John L. Hennessy and David A. Patterson Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 1998 Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 1998返回返回2. 2. 軟件與硬件的等價性原理軟件與硬件的等價性原理任何一個由軟件所完成的操作也可以直接由任何一個由軟件所完成的操作也可以直接由硬件來實現(xiàn)，任何一條由硬件所執(zhí)行的指令硬件來實現(xiàn)，任何一條由硬件所執(zhí)行的指令也能用軟件來完成也能用軟件來完成軟硬件在邏輯功能上的等價，并不意味著性軟硬件在邏輯功能上的等價，并不意味著性能和成本的等價能和成本的等價軟件易于

47、實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是往往軟件易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是往往速度較慢速度較慢硬件則可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難硬件則可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復雜功能或計算以實現(xiàn)復雜功能或計算3. 3. 計算機結構、組成與實現(xiàn)計算機結構、組成與實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構(Computer architecture(Computer architecture）計算機系統(tǒng)的軟件與硬件的界面指令系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的軟件與硬件的界面指令系統(tǒng)程序員所看到的計算機屬性外特性程序員所看到的計算機屬性外特性 計算機組成計算機組成(Computer organization(Computer

48、organization）計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)(Computer implementation(Computer implementation）計算機組成的物理實現(xiàn)計算機組成的物理實現(xiàn)一種計算機結構可以有多種計算機組成一種計算機結構可以有多種計算機組成一種計算機組成又可以有多種物理實現(xiàn)一種計算機組成又可以有多種物理實現(xiàn)4. 4. 軟件兼容與系列機和兼容機軟件兼容與系列機和兼容機軟件兼容軟件兼容同一個軟件可以不加修改地運行于體系結構相同一個軟件可以不加修改地運行于體系結構相同的各檔機器，結果一樣、運行時間可能不同同的各檔機器，結果一樣、運行時間可能

49、不同系列機系列機在一個廠家生產(chǎn)的具有相同計算機結構，但具在一個廠家生產(chǎn)的具有相同計算機結構，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列（有不同組成和實現(xiàn)的一系列（FamilyFamily）不同檔）不同檔次、不同型號的機器次、不同型號的機器兼容機兼容機不同廠家生產(chǎn)的具有相同計算機結構（不同的不同廠家生產(chǎn)的具有相同計算機結構（不同的組成和實現(xiàn)）的計算機組成和實現(xiàn)）的計算機系列機和兼容機需要保證向后兼容系列機和兼容機需要保證向后兼容1.3.6 1.3.6 微型計算機的軟件系統(tǒng)微型計算機的軟件系統(tǒng)WindowsWindows操作系統(tǒng)平臺操作系統(tǒng)平臺MASM 6.15MASM 6.15匯編程序匯編程序硬件硬件BIOS

50、應用程序應用程序*.ASM, *.OBJ*.LST, *.EXE操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)編輯程序，匯編程序編輯程序，匯編程序連接程序，調(diào)試程序連接程序，調(diào)試程序1. 1. 操作系統(tǒng)（操作系統(tǒng)（Operating SystemOperating System）操作系統(tǒng)管理著系統(tǒng)的軟硬件資源操作系統(tǒng)管理著系統(tǒng)的軟硬件資源為用戶提供使用機器的交互界面為用戶提供使用機器的交互界面為程序員使用資源提供可供調(diào)用的驅(qū)動程序為程序員使用資源提供可供調(diào)用的驅(qū)動程序為其他程序構建穩(wěn)定的運行平臺為其他程序構建穩(wěn)定的運行平臺3232位控制臺環(huán)境位控制臺環(huán)境%SystemRoot%system32cmd.exe%SystemR

51、oot%system32cmd.exe1616位模擬位模擬DOSDOS環(huán)境環(huán)境%SystemRoot%SystemRoot%32位控制臺環(huán)境和位控制臺環(huán)境和16位模擬位模擬DOS環(huán)境環(huán)境兩種基本功能和界面一致，但本質(zhì)不同兩種基本功能和界面一致，但本質(zhì)不同2. 2. 匯編程序匯編程序?qū)R編語言源程序轉換為機器代碼將匯編語言源程序轉換為機器代碼微軟宏匯編程序微軟宏匯編程序MASMMASMMASM 6.11MASM 6.11是最后一個獨立發(fā)行的是最后一個獨立發(fā)行的MASMMASM軟件包軟件包 MASM 6.15MASM 6.15來自來自Visual C+6.0Visual C+6.0，支持到，支持到

52、Pentium Pentium 4 4的的SSE2SSE2指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)Visual C+.NET 2005Visual C+.NET 2005提供提供支持支持SSE3SSE3指令的指令的MASM 8.0MASM 8.0支持支持6464位指令的位指令的ML64.EXEML64.EXE程序程序本教材配套開發(fā)環(huán)境本教材配套開發(fā)環(huán)境MASM 6.15匯編系統(tǒng)匯編系統(tǒng)3. 3. 文件路徑文件路徑目錄目錄（DirectoryDirectory）：管理磁盤上文件的）：管理磁盤上文件的文件夾文件夾路徑（路徑（PathPath）：分區(qū)）：分區(qū):根目錄根目錄 子目錄子目錄 文件名文件名絕對路徑：文件的完整路徑

53、絕對路徑：文件的完整路徑d:masmprogseg0201.asmd:masmprogseg0201.asm相對路徑：相對當前目錄的路徑相對路徑：相對當前目錄的路徑progseg0201.asmprogseg0201.asm.binml.exe.binml.exe轉換分區(qū)轉換分區(qū)d:d:進入當前目錄（進入當前目錄（Current DirectoryCurrent Directory）cd masmcd masm專業(yè)領域應該使用專業(yè)術語專業(yè)領域應該使用專業(yè)術語4. 4. 內(nèi)部命令內(nèi)部命令3232位控制臺或位控制臺或DOSDOS環(huán)境本身具有的、直接支環(huán)境本身具有的、直接支持的命令，即駐留主存的命令

54、持的命令，即駐留主存的命令使用方法使用方法命令關鍵字命令關鍵字 參數(shù)選項參數(shù)選項常用命令常用命令改變目錄改變目錄CDCD文件列表文件列表DIRDIR文件拷貝文件拷貝COPYCOPY清除屏幕清除屏幕CLSCLS退出環(huán)境退出環(huán)境EXITEXIT幫助命令幫助命令HELPHELP4. 4. 外部命令外部命令與其他可執(zhí)行文件一樣與其他可執(zhí)行文件一樣, ,以文件形式保存在以文件形式保存在磁盤上的命令磁盤上的命令, ,執(zhí)行時：執(zhí)行時：路徑路徑 文件名文件名 參數(shù)參數(shù)路徑搜索順序：先當前目錄，后路徑搜索順序：先當前目錄，后搜索路徑搜索路徑內(nèi)部命令內(nèi)部命令PATHPATH：查看和設置當前的搜索路徑：查看和設置當

55、前的搜索路徑支持的可執(zhí)行文件支持的可執(zhí)行文件COMCOM文件文件EXEEXE文件文件BATBAT文件文件你所執(zhí)行的命令你所執(zhí)行的命令不是內(nèi)部或外部命令，不是內(nèi)部或外部命令，也不是可運行的程序或批處理文件也不是可運行的程序或批處理文件 5. 5. 進入進入MASMMASM目錄的快捷方式目錄的快捷方式 建立一個建立一個3232位控制臺快捷方式位控制臺快捷方式WIN32WIN32復制復制“開始程序附件命令提示符開始程序附件命令提示符” 右擊快捷方式，從彈出的菜單中選擇右擊快捷方式，從彈出的菜單中選擇“屬性屬性”展開展開“快捷方式快捷方式”對話框?qū)υ捒驅(qū)ⅰ捌鹗嘉恢闷鹗嘉恢谩蔽谋究騼?nèi)容改為文本框內(nèi)容改為“