微機原理：第一章 微型計算機系統(tǒng)概論

微機原理清華大學電子工程系課程目標微機原理課是工科學生學習和掌握微機硬件知識的匯編語言程序設(shè)計的入門課程，課程的任務(wù)是使學生從理論和實踐上掌握微機的基本組成、工作原理、接口電路及硬件的連接建立微機系統(tǒng)的整機概念，使學生具有微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力主要參考書仇玉章主編，32位微型計算機原理與接口技術(shù)，清華大學出版社，2000.8考核方式平時作業(yè) 15%實驗 15%期末考試 70%教學大綱第一章微型計算機系統(tǒng)概論第二章Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu)第三章Pentium微處理器的指令系統(tǒng)第四章匯編語言程序設(shè)計第五章Pentium微處理器的硬件結(jié)構(gòu)第六章存儲器系統(tǒng)第七章I/O接口技術(shù)第八章中斷與中斷控制第九章總線第一章微型計算機系統(tǒng)概論1.1微型計算機概述

1.1.1微型計算機系統(tǒng)的三個層次

1.1.2微型計算機的常用術(shù)語

1.1.3微型計算機的發(fā)展1.2微型計算機的組成和結(jié)構(gòu)

1.2.1微型計算機的組成

1.2.2微型計算機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3微型計算機的工作原理

1.3.1馮諾依曼存儲程序工作原理

1.3.2微型計算機的工作過程1.4微型計算機的內(nèi)信息的表示

1.4.1進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換

1.4.2數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

1.4.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示1.1微型計算機概述世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學設(shè)計制造的ENIAC電子計算機的發(fā)展：電子管計算機晶體管計算機中小規(guī)模集成電路計算機規(guī)模超大規(guī)模集成電路計算機電子計算機按其性能分類：大型計算機中型計算機小型計算機微型計算機微型計算機系統(tǒng)的三個層次微處理器嚴格講，微處理器≠CPUCPU指的是計算機中執(zhí)行運算和控制功能的區(qū)域，由算術(shù)邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要部分組成把CPU和一組稱為寄存器（Registers）的特殊存儲器集成在一片大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路封裝之中，這個器件才被稱為微處理器微型計算機系統(tǒng)的三個層次微型計算機以微處理器為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM）、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線等所組成的計算機，稱為微型計算機。將這些組成部分集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。微型計算機系統(tǒng)的三個層次微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為中心，配以相應的外圍設(shè)備以及控制微型計算機工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。微型計算機系統(tǒng)的三個層次：微處理器 微型計算機 微型計算機系統(tǒng)微型計算機的常用術(shù)語1．位和字節(jié)位（bit）是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值只能為0或1的一個二進制數(shù)值位。位作為單位時記作b字節(jié)（byte）由8個位二進制位組成，通常用作計算存儲容量的單位。字節(jié)作為單位時記作BK是kelo的縮寫，1K=1024=210；M是mega的縮寫，1M=1024K=220；G是Giga的縮寫，1G=1024M=230；T是tera的縮寫，1T=1024G=240。微型計算機的常用術(shù)語2．字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位和32位等等。8088稱為準16位微處理器，而80386SX稱為準32位微處理器。微型計算機的常用術(shù)語3．主頻主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻越高表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從80486DX2開始，主頻=外部總線頻率倍頻系數(shù)外部總線頻率頻率通常簡稱為外頻，它的單位也是MHz，外頻越高說明微處理器與系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)交換的速度越快，因而微型計算機的運行速度也越快。倍頻系數(shù)是微處理器的主頻與外頻之間的相對比例系數(shù)。通過提高外頻或倍頻系數(shù)，可以使微處理器工作在比標稱主頻更高的時鐘頻率上，這就是所謂的超頻。微型計算機的常用術(shù)語4．MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的縮寫，用來表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，所以MIPS通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計平均值。主頻為25MHz的80486其性能大約是20MIPS，主頻為400MHz的PentiumII的性能為832MIPS5．iCOMP指數(shù)iCOMP指數(shù)是Intel公司為評價其32位微處理器的性能而編制的一種指標，它是根據(jù)微處理器的各種性能指標在微型計算機中的重要性來確定的，iCOMP指數(shù)包含的指標有整數(shù)數(shù)學計算、浮點數(shù)學計算、圖形處理以及視頻處理等，這些指標的重要性與它們在應用軟件中出現(xiàn)的頻度有關(guān)，所以iCOMP指數(shù)說明了微處理器在微型計算機中應用的綜合性能。微型計算機的常用術(shù)語6．微處理器的生產(chǎn)工藝指在硅材料上生產(chǎn)微處理器時內(nèi)部各元器件間連接線的寬度，一般以m為單位，數(shù)值越小，生產(chǎn)工藝越先進，微處理器的功耗和發(fā)熱量越小。目前微處理器的生產(chǎn)工藝已經(jīng)達到0.18m。7．微處理器的集成度指微處理器芯片上集成的晶體管的密度。最早Intel4004的集成度為2250個晶體管，目前PentiumIII的集成度已經(jīng)達到750萬個晶體管以上，集成度提高了3000多倍。微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的微處理器的集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍

------摩爾定律1971年～1977年是微處理器發(fā)展的早期階段:字長為4位或8位，集成度約為3000～10000晶體管/片，微處理器的主頻為0.1～5MHz。1971年：Intel4004，是世界上第一片單片微處理器4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié),指令系統(tǒng)包括45條指令1972年：Intel8008，是世界上第一片8位微處理器。8008采用了10m生產(chǎn)工藝，集成度為3500個晶體管，工作頻率為200KHz。1974年：Intel8080采用了6m生產(chǎn)工藝，集成度為6000個晶體管，主頻為2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080為CPU的世界上第一臺個人計算機Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC語言解釋器是BillGates編寫的1976年：Intel8080Intel公司生產(chǎn)的最后一種8位通用微處理器，8085的工作頻率提高到5MHz，指令系統(tǒng)的指令數(shù)上升到246條。微型計算機的發(fā)展第一代：8086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工藝，集成了29,000個晶體管，工作頻率為4.77MHz。它的寄存器和數(shù)據(jù)總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空間達1MB。同時，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大的改進，采用了流水線結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了6字節(jié)的指令預取隊列1979年--8088除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位數(shù)據(jù)總線是為了利用當時現(xiàn)有的8位設(shè)備控制芯片。由于8088內(nèi)部支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位，故8088稱為準16位微處理器。1981年8月，IBM公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微型計算機IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。X86系列微型計算機的發(fā)展第二代：80286（1982年-1984年）采用1.5m工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機IBMPC/AT，并制定了一個新的開放系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，這就是的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)（ISA）。該結(jié)構(gòu)提供了一個16位、高性能的I/O擴展總線。80年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。X86系列微型計算機的發(fā)展第三代：80386（1985年-1988年）第一個實用的32位微處理器，采用了1.5m工藝，集成了275,000個晶體管，工作頻率達到16MHz。80386的內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的。通過32位的地址總線，80386的可尋址空間達到4GB。這時由32位微處理器組成的微型計算機已經(jīng)達到超級小型機的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線，尋址空間為16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位數(shù)據(jù)總線和25位地址總線，尋址空間為32MB。由于這些微處理器由于與I/O之間傳輸為16位，故也稱為準32位微處理器。X86系列微型計算機的發(fā)展第四代：80486（1989年-1992年）采用1m工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為25MHz。80486微處理器由三個部件組成：一個80386體系結(jié)構(gòu)的主處理器，一個與80387相兼容的數(shù)學協(xié)處理器和一個8KB容量的高速緩沖存儲器。80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內(nèi)完成，而不是原來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司還生產(chǎn)過80486的其他一些版本：80486SX，工作頻率20MHz，不包含數(shù)學協(xié)處理器；80486DX2，采用雙倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達到66MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz；80486DX4，采用三倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達到100MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz。X86系列微型計算機的發(fā)展第五代：Pentium（1993年-1997年）Pentium處理器的發(fā)展分成三代第一代Pentium處理器（以P5代稱，1993年）采用0.8m工藝技術(shù)，集成了310萬個晶體管，工作頻率為60MHz/66MHz。第二代Pentium處理器（以P54C代稱，1994年）采用0.6m工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。第三代PentiumMMX（以P55C代稱1997年）增加了57條多媒體指令在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技術(shù)，可以說它是CISC和RISC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物X86系列微型計算機的發(fā)展第六代：P6（1996-今）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII采用0.6m-0.18m工藝，集成度550萬-750萬晶體管，時鐘頻率166MHz-1GHz，采用二級高速緩存，2級超標量流水線結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行3條指令X86系列微型計算機的發(fā)展第七代：未來----64位Mecerd（P7）X86系列微型計算機的發(fā)展X86系列微型計算機的發(fā)展1.2微型計算機的組成和結(jié)構(gòu)微型計算機的組成微型計算機的硬件體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進制形式控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（即程序）工作，并由一個程序計數(shù)器（PC）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能夠根據(jù)計算結(jié)果選擇不同的動作流程微型計算機的硬件體系結(jié)構(gòu)微型計算機的硬件體系結(jié)構(gòu)1.3微型計算機的工作原理馮諾依曼存儲程序工作原理存儲程序工作原理是指把程序存儲在計算機內(nèi)，使計算機能像快速存取數(shù)據(jù)一樣地快速存取組成程序的指令。為實現(xiàn)控制器自動連續(xù)地執(zhí)行程序，必須先把程序和數(shù)據(jù)送到具有記憶功能的存儲器中保存起來，然后給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據(jù)存儲程序中的指令順序周而復始地取指令、譯碼、執(zhí)行，直到完成全部指令操作為止，即控制器通過指令流的串行驅(qū)動實現(xiàn)程序控制微型計算機的工作過程微型計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成，因此，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條地從存儲器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，微型計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令時才結(jié)束機器的運行。微型計算機的工作過程計算1+2=?匯編語言程序 對應的機器指令 對應的操作

MOVAL,1 10110000 將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中

00000001 ADDAl,2 00000100 計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中

00000010 MOV[0008],AL 10100010 將AL中的數(shù)傳送到地址單元0008 00001001 00000000 HLT 11110100 停機 微型計算機的工作過程1.4微型計算機的內(nèi)信息的表示進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換十進制、二進制、八進制和十六進制采用的都是進位計數(shù)制，進位計數(shù)制中用少量數(shù)碼按次序排列成數(shù)位，并按由低到高的進位方式進行計數(shù)?；鶖?shù)和權(quán)是進位十進制的兩個基本要素。基數(shù)是進位計數(shù)制中所用數(shù)碼的個數(shù)，基數(shù)為r的進位計數(shù)制中需要r個數(shù)碼，每個數(shù)位計滿r就向高位進一，即逢r進一。在進位計數(shù)制表示的數(shù)中，同一數(shù)字處在不同位置表示不同的值，它所表示的值是該數(shù)字乘以一個由它所處位置所決定的常數(shù)，這一常數(shù)就是該數(shù)位所具有的權(quán)。r進制數(shù)各位的權(quán)是以r為底的冪。進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換任何一個r進制數(shù)N可以表示為：

若r=10，則十進制數(shù)，其各位的權(quán)是以10為底的冪；若r=2，則是二進制數(shù)，其各位的權(quán)是以2為底的冪；若r=8，則是八進制數(shù)，其各位的權(quán)是以8為底的冪，八進制中共有八個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7；若r=16，則是十六進制數(shù)，其各位的權(quán)是以16為底的冪，十六進制中共有16個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。為了明確表示一個數(shù)所采用的進位計數(shù)制，可以該數(shù)的后面加上下標(B)、(O)、(D)、(H)，分別表示該數(shù)為二進制、八進制、十進制和十六進制進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換r進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)按照公式展開求和例1.分別把二進制數(shù)1011.01和十六進制數(shù)F0.C用十進制表示十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制數(shù)整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換步驟：①把r寫成十進制數(shù)；②將N除以r，記錄商和余數(shù)，并用r進制表示余數(shù)，這余數(shù)便是用r進制表示的數(shù)的最低位數(shù)字；③把上次的商進行②中所述除以r取余的運算，用r進制表示余數(shù)；重復這種運算直到商為0，這時的余數(shù)即為十進制數(shù)N用r進制表示時的最高位數(shù)字。十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制數(shù)例2.把十進制數(shù)103用二進制表示例3.把十進制數(shù)506用十六進制表示小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換步驟：①把r寫成十進制數(shù)；②將N乘以r，記錄積的整數(shù)部分和小數(shù)部分，并用r進制表示整數(shù)部分，該整數(shù)即為轉(zhuǎn)換后r進制小數(shù)的最高位；③把上次積的小數(shù)部分進行②中所述乘以r取整的運算，用r進制表示積的整數(shù)部分；重復這種運算直到積的小數(shù)部分為0，或者達到所要求的位數(shù)，這時的整數(shù)部分即為十進制數(shù)N轉(zhuǎn)換成r進制小數(shù)的最低位。十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制數(shù)例4.把十進制0.8125用八進制表示二進制與八進制、十六進制的相互轉(zhuǎn)換從二進制轉(zhuǎn)換成十六進制時，從小數(shù)點位置開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每四位二進制數(shù)為一組用一位十六進制的數(shù)字來表示，不足四位的用0補足，就是相應十六進制的表示。從二進制轉(zhuǎn)換成八進制時，從小數(shù)點位置開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每三位二進制數(shù)為一組用一位八進制的數(shù)字來表示，不足三位的用0補足，就是相應八進制的表示。例5.把二進制1011011010111.11101用十六進制表示例6.把八進制數(shù)62.31用二進制表示數(shù)值數(shù)據(jù)的表示符號數(shù)的表示把二進制數(shù)的最高一位定義為符號位，符號位為0表示正數(shù)，符號位為1表示負數(shù)這種在計算機中使用的、連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機器數(shù)。機器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值。對于符號數(shù)，機器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數(shù)X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補碼記作[X]補。最高位表示符號，數(shù)值位用二進制絕對值表示的方法，稱為原碼表示法一個負數(shù)的原碼符號位保持不變，其余位取反就是機器數(shù)的另一種表示方法，反碼表示法。正數(shù)的反碼與原碼相同。將負數(shù)的反碼加1，則得到機器數(shù)的補碼表示。正數(shù)的補碼與原碼相同。補碼加減法的運算規(guī)則[XY]補=[X]補+[Y]

補其中X，Y為正負數(shù)均可，符號位參與運算。模（module）就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的冪。凡是用器件進行的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分被運算器自動丟棄。因此，當器件為n位時，有，

X=2n+X(mod2n)不難驗證，

[X]補=2n+X(mod2n)因此，

[XY]補

=2n+(XY)(mod2n) =(2n+X)+(2n+X) =[X]補+[Y]補補碼加減法的運算規(guī)則例7.設(shè)X=23，Y=-42，以28為模，用補碼運算求X+Y和X-Y。當運算結(jié)果超出補碼表示的數(shù)值范圍時，補碼運算就不正確了。這種現(xiàn)象稱為溢出。對于n位補碼，當時應用補碼運算可以得到正確的結(jié)果無符號數(shù)的表示五符號數(shù)的最高位不是符號位而是數(shù)值的一部分浮點數(shù)的表示任意一個二進制實數(shù)X都可以表示成如下一般格式：10.010111012+5的階碼為+5，表示把尾數(shù)的小數(shù)點向右移動5位就是小數(shù)點的實際位置規(guī)格化處理：整數(shù)部分必須是1浮點數(shù)的表示Pentium微處理器支持的浮點格式Pentium將階碼以一種偏置形式存放于格式之中，即將真階碼加上一個常數(shù)偏置值才是格式階碼，以保證偏置后的格式階碼恒為正數(shù)。單精度的階碼偏置值為+127，雙精度的階碼偏置值為+1023，擴展精度的階碼偏置值為+16383。一個浮點數(shù)數(shù)的真階碼要通過它的格式階碼減去偏置值而得到。浮點數(shù)的表示例8.寫出178.125以單精度浮點數(shù)形式存