微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等

1、微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版） 編著 高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等本課件的配套教材微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版） 劉彥文張向東譚 峰高 爽劉 彤編著 清華大學(xué)出版社 2013/01 ISBN 978-7-302-30271-1 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等第1章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等教學(xué)提示：微處理器芯片和微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，本章?jiǎn)要地介紹了微處理器和微型計(jì)算機(jī)方面的一些基本概念，包括它們的定義、發(fā)展過(guò)程、分類、組成及性能指標(biāo)。教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)該熟知微處理器、微型計(jì)算機(jī)

2、和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定義；了解微處理器的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的分類；了解單片機(jī)和單板機(jī)的組成；熟知微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)和微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.1 概 述 人們通常按照計(jì)算機(jī)的功能、體積和價(jià)格將它們分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)。 微型機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展是與大規(guī)模集成電路的發(fā)展分不開(kāi)的。大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使得微型機(jī)的體積小、重量輕、價(jià)格也相對(duì)低廉，性價(jià)比不斷提高，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。但從基本工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，微型機(jī)和小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥

3、文等1.1.1 什么是微型計(jì)算機(jī) 最早的電子計(jì)算機(jī)電路主要由電子管組成，被稱為第一代計(jì)算機(jī)。那時(shí)電子計(jì)算機(jī)的一臺(tái)主機(jī)，就要占用幾個(gè)房間。第二代計(jì)算機(jī)是晶體管計(jì)算機(jī)，主機(jī)也有衣柜大小。集成電路的誕生，不僅使計(jì)算機(jī)的體積大大縮小，而且計(jì)算速度和功能也大大增強(qiáng)。如果將使用中小規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)歸為第三代，那么第四代就是基于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)。在微處理器剛剛起步的20世紀(jì)70年代，人們將以微處理器為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)稱作微型計(jì)算機(jī)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，微處理器被廣泛地應(yīng)用在不同種類的計(jì)算機(jī)中。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等 目前，嚴(yán)格界定什么是微型計(jì)算機(jī)變得有些困難。但不約

4、而同的是，大家把以微處理器為核心，配有存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路、外部設(shè)備，以及系統(tǒng)總線組成的計(jì)算機(jī)稱為微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.1.2 微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1、微處理器 微處理器是微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算的中心，通常也直接用CPU(中央處理單元)表示微處理器。如圖1.1所示，微處理器主要由三部分組成： (1) 算術(shù)邏輯單元ALU。ALU用來(lái)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 (2) 控制部件?？刂撇考脕?lái)產(chǎn)生帶有時(shí)序的控制信號(hào)，按指令規(guī)定的操作有序地執(zhí)行。 (3) 寄存器。寄存器用于存放指令、操作數(shù)和中間結(jié)果以及地址信息等。 這三部分通過(guò)微處理器的內(nèi)部總線相

5、連。內(nèi)部總線與ALU之間的A、B表示暫存器，暫存送ALU進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等 圖1.1 微處理器框圖 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等2、微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主體，通常也把微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為微型機(jī)或微機(jī)。微型計(jì)算機(jī)由4部分組成，如圖1.2所示。 (1) 微處理器。微處理器是微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令、進(jìn)行控制和運(yùn)算的核心部件。 (2) 主存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)信息的部件，用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前正在使用的程序和數(shù)據(jù)。 (3) I/O接口。微型計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間的聯(lián)系和數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)I/O接口實(shí)現(xiàn)的。如顯示器的接口、外存儲(chǔ)器的接口等。 (4) 總線。總線是

6、連接微處理器和其他部件的通路?？偩€分為地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)，分別用于傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信息。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等圖1.2 微型計(jì)算機(jī)組成微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等3. 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，如圖1.3所示。硬件系統(tǒng)是由微型計(jì)算機(jī)和電源、輔助電路及外部設(shè)備組成。常見(jiàn)的外部設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)等。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、編譯程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、管理軟件和各種應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件用于有效地管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，并為用戶提供友好的人機(jī)接口。操作系統(tǒng)是最常見(jiàn)的系

7、統(tǒng)軟件。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只有在硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相互配合下才能正常而有效地運(yùn)行。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等圖1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.2 Intel公司微處理器技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介及微型計(jì)算機(jī)分類1.2.1 Intel公司微處理器技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介1971年Intel公司推出了史上第一款集成電路微處理器，型號(hào)為Intel 4004，能夠?qū)崿F(xiàn)4位并行運(yùn)算。Intel公司第一個(gè)通用的8位微處理器芯片8080誕生于1974年，1977年推出了8080的更新版本8085。8085和其他接口器件在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和儀器儀表中，并且至今仍在使用。

8、從1978年到2007年，Intel公司接連不斷地推出了眾多的微處理器芯片。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(1) 8086(包括8088)和80286都是16位的微處理器，80386、80486、Pentium都是32位的微處理器。盡管Pentium、Pentium Pro和Pentium II/III芯片的外部數(shù)據(jù)總線已經(jīng)是64位，但芯片內(nèi)部ALU和通用寄存器還是32位，仍然屬于32位微處理器。(2) 80386已具備了三種主要工作模式，即實(shí)地址模式、受保護(hù)的虛擬地址模式和虛擬8086模式。 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(3) 80386、80486不僅支持8位、16位數(shù)據(jù)

9、的存儲(chǔ)器訪問(wèn)和運(yùn)算，也支持32位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)和運(yùn)算。到了Pentium，可以支持64位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(4) 微處理器性能的提高還體現(xiàn)在，與8086微處理配套使用的浮點(diǎn)處理單元(FPU) 8087，是一個(gè)單獨(dú)的芯片，到了80486DX微處理，F(xiàn)PU被集成到微處理器芯片內(nèi)部。另外早期的微處理器芯片內(nèi)沒(méi)有Cache(高速緩沖存儲(chǔ)器)；發(fā)展到80486片內(nèi)有8KB的數(shù)據(jù)和指令Cache；Pentium微處理器芯片內(nèi)有8KB的指令Cache和8KB的數(shù)據(jù)Cache；Pentium MMX微處理器芯片內(nèi)L1 Cache為32KB(16KB指令16KB數(shù)據(jù))；P

10、entium Pro微處理器除了芯片內(nèi)16KB L1 Cache外，還支持256KB的L2 Cache。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(5) 微處理器主頻時(shí)鐘信號(hào)的頻率，由8088的4.77MHz，提高到Pentium 的2.4GHZ，并且還在不斷的提高。另外從80486開(kāi)始，微處理器內(nèi)部普遍采用了倍頻技術(shù)。(6) 從80386開(kāi)始采用了指令流水線技術(shù)， Pentium已經(jīng)采用了U、V兩條指令流水線，屬于每個(gè)時(shí)鐘周期能執(zhí)行兩條指令的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)，流水線深度為5級(jí)。Pentium 采用了3條超標(biāo)量指令流水線，流水線深度為20級(jí)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(7) Penti

11、um MMX微處理器增加了57條多媒體擴(kuò)展(Multi Media eXtension，MMX)指令，一條MMX指令能同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。Pentium 微處理器增加了70條數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展(Streaming SIMD Extensions ,SSE)指令。Pentium 微處理器增加了144條SSE2指令。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(8) 2000年Intel推出了64位寬的新型微處理器體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)命名為Itanium，國(guó)內(nèi)譯為安騰。安騰片內(nèi)集成了2.2億個(gè)晶體管，應(yīng)用領(lǐng)域主要面向服務(wù)器和工作站。其數(shù)據(jù)總線為64位，地址總線為64位。主要性能包括：擁有三級(jí)Ca

12、che；多個(gè)執(zhí)行部件和多個(gè)通道；指令流水線為10級(jí)；數(shù)量眾多的寄存器；采用完全并行指令計(jì)算(Explicitly Parallel Instruction Computing ，EPIC)技術(shù)；采用新機(jī)制的分支預(yù)測(cè)技術(shù)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等(9) 2007年Intel推出了核微處理器，代號(hào)為Clovertown，應(yīng)用領(lǐng)域針對(duì)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)及支持互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)的服務(wù)器。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.2.2 微型計(jì)算機(jī)的分類1、按微處理器字長(zhǎng)分類 8位微型機(jī)：使用8位微處理器，其數(shù)據(jù)總線寬度為8位。8位機(jī)的指令系統(tǒng)比較完善，尋址能力強(qiáng)，外圍配套電路齊全，因而8位機(jī)通用性強(qiáng)，應(yīng)用

13、面寬，廣泛用于事務(wù)管理、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)和控制、通信、智能終端、教育以及家用電器控制等領(lǐng)域。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等 16位微型機(jī)：使用16位微處理器，數(shù)據(jù)總線寬度為16位。16位微處理器在集成度和處理速度、數(shù)據(jù)總線寬度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面比8位微處理器有本質(zhì)上的不同，它們構(gòu)成的微型機(jī)在功能和性能上已基本達(dá)到了當(dāng)時(shí)的中檔小型機(jī)的水平。特別是使用Intel 8086微處理器的16位微型機(jī)，不僅是當(dāng)時(shí)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的主流機(jī)型，而且其用戶擁有量也是世界第一，以至于在設(shè)計(jì)更高檔次的微型機(jī)時(shí)，都要保持與它的兼容。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等 32位微型機(jī)：使用32位微處理器，這

14、是目前的主流機(jī)型。從應(yīng)用角度看，字長(zhǎng)32位是較理想的，它滿足了例如文字、圖形、表格處理及科學(xué)計(jì)算等多方面的需求。典型產(chǎn)品有Intel 80386、Intel 80486、MC68020和MC68030。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等 64位微型機(jī)：使用64位微處理器，這是目前各計(jì)算機(jī)公司爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)的最新產(chǎn)品。雖然高檔微處理器早就有了64位字長(zhǎng)的產(chǎn)品，但是由于價(jià)格過(guò)高，不適合微型計(jì)算機(jī)使用，通常用在工作站或服務(wù)器上。當(dāng)前是64位微處理器進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)的時(shí)代。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等2、按微型計(jì)算機(jī)的組裝形式分類 單片機(jī) 單板機(jī) 多板微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉

15、彥文等1.3 微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.3.1 總線結(jié)構(gòu)圖1.4所示為微型計(jì)算機(jī)組成框圖。微處理器中包含了運(yùn)算器和控制器，RAM和ROM為存儲(chǔ)器，另外通過(guò)I/O接口連接了輸入、輸出設(shè)備。各組成部分之間通過(guò)系統(tǒng)總線(包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB)連接在一起。有時(shí)也將微型計(jì)算機(jī)的這種結(jié)構(gòu)稱為單總線結(jié)構(gòu)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等圖1.4 微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等采用總線結(jié)構(gòu)，可使微型計(jì)算機(jī)的構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，并且具有更大的靈活性和可擴(kuò)展性、可維護(hù)性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可以把總線結(jié)構(gòu)分為單總線、雙總線、雙重總線三類，如圖1.5所示。微型計(jì)算

16、機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等圖1.5 微型計(jì)算機(jī)三種總線結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.3.2 微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能1. 微處理器(CPU)微處理器是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制中心。不同型號(hào)的微型計(jì)算機(jī)，其性能的差別首先在于微處理器性能的不同，而微處理器性能又與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成有關(guān)。每種微處理器有其特有的指令系統(tǒng)。但無(wú)論哪種微處理器，都有控制器、運(yùn)算器、寄存器組和內(nèi)部總線及緩沖器等幾部分，如圖1.6所示。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等圖1.6 微處理器結(jié)構(gòu)框圖微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等2. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器可分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器，也稱內(nèi)存和外存。內(nèi)存也稱主存，是

17、微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和記憶的主要部件，用來(lái)存放即將使用或正在使用的數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果)和程序。微型計(jì)算機(jī)采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為它的內(nèi)存儲(chǔ)器。外存也稱輔存，用于存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)和程序，從形式上看都是無(wú)差別的二進(jìn)制數(shù)。內(nèi)存是由一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元組成的，每一個(gè)存儲(chǔ)單元中一般存放一字節(jié)(8位)的二進(jìn)制信息。單元的總數(shù)目乘以每個(gè)單元存放的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫內(nèi)存容量。微型計(jì)算機(jī)通過(guò)給各個(gè)存儲(chǔ)單元規(guī)定不同的地址來(lái)管理內(nèi)存。這樣，CPU便能識(shí)別不同的存儲(chǔ)單元，準(zhǔn)確地對(duì)它們進(jìn)行讀、寫操作。注意，存儲(chǔ)單元的地址和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是兩個(gè)完全不同的概

18、念。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等3. 輸入輸出（I/O）設(shè)備的接口I/O設(shè)備是微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，微型計(jì)算機(jī)通過(guò)I/O設(shè)備與外界交換信息，完成指定的任務(wù)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。磁帶、磁盤、光盤以及它們的驅(qū)動(dòng)器既是輸入設(shè)備，又是輸出設(shè)備。通常把I/O設(shè)備統(tǒng)稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等外設(shè)的種類繁多，結(jié)構(gòu)、原理各異，與CPU相比，不同外設(shè)的工作速度相差懸殊，處理的信息格式也不相同，因此微處理器與外設(shè)的連接及信息交換不能直接進(jìn)行，必須有一個(gè)“接口電路”作為兩者之間的橋梁。其中

19、用于系統(tǒng)本身的接口電路已做在主板芯片組的集成電路中或設(shè)計(jì)在主板上，其余的接口電路也叫“適配器(Adaptor)”，可由用戶選擇，安裝在系統(tǒng)總線的插槽中，控制和驅(qū)動(dòng)外設(shè)。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等4. 總線1) 數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)2) 地址總線AB(Address Bus)3) 控制總線CB(Control Bus)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.3.3 微型計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行過(guò)程(1) 取指令階段的任務(wù)是：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從存儲(chǔ)器讀出指令，送到指令寄存器IR，然后PC自動(dòng)加上本次取出指令的長(zhǎng)度值，指向下一條指令地址。(2) 指令譯碼階段的任務(wù)是：將IR中

20、的指令操作碼譯碼。如果指令使用操作數(shù)，那么應(yīng)該形成操作數(shù)的地址。(3) 執(zhí)行指令階段的任務(wù)是：取出操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作。根據(jù)指令的不同還可能寫操作結(jié)果到存儲(chǔ)器。微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等1.4 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1. 字長(zhǎng)字長(zhǎng)是指微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。一般一臺(tái)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)取決于其通用寄存器、ALU的位數(shù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，一個(gè)字所能表示的數(shù)據(jù)范圍越大、數(shù)據(jù)精度就越高，因而數(shù)據(jù)處理速度越快。然而，增加字長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的硬件成本相應(yīng)也增大。 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版劉彥文等一般情況下，CPU的片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。但有的CPU為了提高性能，加寬了CPU的片內(nèi)數(shù)據(jù)總線