第01章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

微型機(jī)系統(tǒng)與接口理論總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)：16學(xué)時(shí)合計(jì)： 64學(xué)時(shí)1/31/20231第1章概述1.180x86系列結(jié)構(gòu)的概要?dú)v史1.2計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3計(jì)算機(jī)的硬件和軟件1.4微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.5多媒體計(jì)算機(jī)1946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）。重量30噸，占地170平方米，每小時(shí)耗電150千瓦，價(jià)值約40萬(wàn)美元。采用18000只電子管，70000個(gè)電阻，10000支電容，研制時(shí)間近三年，運(yùn)算速度為每秒5000次加減法運(yùn)算。ENIAC的不足：運(yùn)算速度慢、存儲(chǔ)容量小、全部指令沒(méi)有存放在存儲(chǔ)器中、機(jī)器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差。到現(xiàn)在為止，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路5個(gè)時(shí)代的發(fā)展。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)1971年，Intel公司發(fā)布了Intel4004，這是一個(gè)4位微處理器，也被認(rèn)為是世界上第一個(gè)微處理器。從此，微處理器得到了極其迅速的發(fā)展。1.180x86系列的概要?dú)v史微處理器的發(fā)展

以美國(guó)Intel公司產(chǎn)品為代表

字長(zhǎng)集成度/片時(shí)鐘頻率第一代：40044位約23000.1MHz第二代：80088位約60002MHz第三代：808616位約290004.77MHz第四代：8038632位約27.5萬(wàn)33MHz第五代：奔騰超級(jí)32位約310萬(wàn)100MHz第六代：安騰64位約1億——字長(zhǎng)：一次所能傳輸處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，決定數(shù)據(jù)總線的寬度第一代（1971-1973年）：4位和低檔8位微處理器時(shí)代典型產(chǎn)品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：4位或8位2.時(shí)鐘頻率：1MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：15~20μs4.集成度：2000管/片第二代（1973－1978年）：中高檔8位微處理器時(shí)代Intel8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell與MOSTechnology的6502等。特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：8位2.時(shí)鐘頻率：2～4MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：1～2μs4.集成度：5000～10000管/片第三代（1978-1980年）：16位微處理器時(shí)代Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：16位2.時(shí)鐘頻率：5～40MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：0.5μs4.集成度：20000～60000管/片第四代（1983-1993年）：32位微處理器時(shí)期1983年Zilog公司推出Z8000微處理器1984年Motorola公司推出MC68020微處理器1985年，Intel公司推出能進(jìn)行多任務(wù)處理的32位微處理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：32位2.時(shí)鐘頻率：10～120MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：0.2μs4.集成度：幾十萬(wàn)～上百萬(wàn)管/片第五代（1993～1996）：Pentium微處理器的時(shí)代1993年3月，Intel公司的奔騰（Pentium）

時(shí)鐘頻率：60/66MHz運(yùn)行速度：100MIPS集成度：310萬(wàn)管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro時(shí)鐘頻率：166MHz以上集成度：550萬(wàn)管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔騰）

第六代（1997至今）：加強(qiáng)型Pentium時(shí)代1997年到1999年，Intel公司的PentiumⅡ、PentiumⅢ、AMD公司的AMD-K7，這些芯片的集成度高達(dá)750萬(wàn)管/片，時(shí)鐘頻率達(dá)到750MHz。2001年底，PentiumⅣ主頻高達(dá)2GHz，具有4200萬(wàn)只晶體管，主流高端32位CPU市場(chǎng)的佼佼者。AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主頻及2GHz主頻。第七代：64位CPU時(shí)代2001年5月，Intel公司正式推出了第一種64位微處理器Itanium。Itanium由英特爾和惠普聯(lián)合開(kāi)發(fā)，主要用于工作站和服務(wù)器機(jī)型，內(nèi)置2～4MB的3級(jí)緩存、工作頻率為800MHz及722MHz的產(chǎn)品，價(jià)格為1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8Intel的CPU的發(fā)展史Intel4004,Intel的發(fā)展史就是從這塊cpu起步的80088085808680286，Intel最后一塊16位cpu80386，Intel第一代32位cpu486，這是Intel最后一代以數(shù)字編號(hào)的cpupentium，傳說(shuō)中的586pentiumpropentiummmxpentiumⅱceleron，引發(fā)超頻熱潮pentiumIII_katmaipentiumIIIIntelpentiumIIItualatin/coppermineIntelpentiumⅳ_423Intelpentiumⅳ_478微處理器是微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和處理的核心，通常也直接用CPU（中央處理單元）表示微處理器。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)生一定的時(shí)序控制信號(hào)，控制指令所規(guī)定的操作的執(zhí)行。(3)寄存器。寄存器用于存放指令、操作數(shù)和中間結(jié)果及地址信息等。這三部分通過(guò)微處理器的內(nèi)部總線相連。20年來(lái),Intel微處理器有了極大的發(fā)展,形成了IA-32結(jié)構(gòu),目前IA-64結(jié)構(gòu)正在推出,微處理器正在向64位發(fā)展。IA-32結(jié)構(gòu)得到如此廣泛應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵因素是:

1、在IA-32上運(yùn)行的軟件的兼容性

2、每一代交付的IA-32處理器的性能大大高于上一代產(chǎn)品.

IntelPentium4處理器

IntelPentium4處理器是最新的IA-32處理器,并是第一個(gè)基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。安騰處理器家族是專為高端企業(yè)和高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)的，能為業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)庫(kù)、企業(yè)資源規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理、高性能計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助工程和安全交易提供領(lǐng)先的性能。

1.2計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.2.1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)上一節(jié)介紹了個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外觀、主要構(gòu)成，也介紹了CPU、主板、內(nèi)存條、硬盤等計(jì)算機(jī)部件，雖然這些部件的功能與性能都有了巨大的發(fā)展，但是計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)基本未變，如圖1-7所示圖1-7中的各部分構(gòu)成了計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）。在上述的計(jì)算機(jī)硬件中，人們往往把運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器合在一起稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)；而把各種輸入、輸出設(shè)備統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備（或稱外部設(shè)備——Peripheral）。在主機(jī)部分中，又把運(yùn)算器和控制器合在一起稱為中央處理單元—CPU（CentralProcessingUnit）。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以把整個(gè)CPU集成在一個(gè)集成電路芯片上，就把它稱為微處理器（Microprocessor）。單片微型計(jì)算機(jī)：一個(gè)芯片上包括中央處理器、存儲(chǔ)器、接口電路的完整計(jì)算機(jī)功能電路，又稱單片機(jī)。單板微型計(jì)算機(jī)：將中央處理器、存儲(chǔ)器、接口電路等組裝在一塊印刷電路板上的微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括中央處理器、存儲(chǔ)器、接口電路的主板，以及其他如存儲(chǔ)器擴(kuò)展板、電源、外設(shè)接口板組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。一般的個(gè)人計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的概念結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口1.2.2常用的名詞術(shù)語(yǔ)和二進(jìn)制編碼1．位、字節(jié)、字及字長(zhǎng)（1）位（Bit）“位”指一個(gè)二進(jìn)制位。它是計(jì)算機(jī)中信息存儲(chǔ)的最小單位。（2）字節(jié)（Byte）“字節(jié)”指相鄰的8個(gè)二進(jìn)制位。（3）字（Word）和字長(zhǎng)“字”是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞處理的基本單位。通常它與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的寄存器、運(yùn)算裝置、總線寬度相一致。2．?dāng)?shù)字編碼為便于機(jī)器識(shí)別和轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)中的十進(jìn)制數(shù)的每一位用二進(jìn)制編碼表示，這就是所謂的十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼，簡(jiǎn)稱二-十進(jìn)制編碼（BCD碼）。二-十進(jìn)制編碼的方法很多，最常用的是8421BCD碼。8421BCD碼有10個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)，逢10進(jìn)位，每位用四位二進(jìn)制表示。3.字符編碼字母、數(shù)字、符號(hào)等各種字符也必須按特定的規(guī)則用二進(jìn)制編碼才能在計(jì)算機(jī)中表示。字符編碼的方式很多，世界上最普遍采用的一種字符編碼是ASCII碼。ASCII碼用七位二進(jìn)制編碼，它有128種組合，可以表示128種字符。4．漢字編碼用計(jì)算機(jī)處理漢字，每個(gè)漢字必須用代碼表示。鍵盤輸入漢字是輸入漢字的外部碼。外部碼必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部碼才能在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。為了將漢字以點(diǎn)陣的形式輸出，還要將內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換為字形碼。（1）外部碼漢字主要是從鍵盤輸入，每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)一個(gè)外部碼，外部碼是計(jì)算機(jī)輸入漢字的代碼，是代表某一個(gè)漢字的一組鍵盤符號(hào)。外部碼也叫輸入碼。（2）內(nèi)部碼漢字內(nèi)部碼也稱漢字內(nèi)碼或漢字機(jī)內(nèi)碼。在不同的漢字輸入方案中，同一漢字的外部碼不同，但同一漢字的內(nèi)部碼是唯一的。（3）交換碼計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與終端之間交換信息時(shí)，要求其間傳送的漢字代碼信息完全一致。為此，國(guó)家根據(jù)漢字的常用程度定出了一級(jí)和二級(jí)漢字字符集，并規(guī)定了編碼，這就是國(guó)標(biāo)GB2312-1980《信息交換用漢字編碼字符集基本集》。GB2312-1980中漢字的編碼即國(guó)標(biāo)碼。這個(gè)字符集中的任何一個(gè)圖形、符號(hào)及漢字都是用兩個(gè)7位的字節(jié)表示（在計(jì)算機(jī)中當(dāng)然用兩個(gè)8位字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的最高位為1來(lái)表示）。在GB2312-1980標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)每個(gè)圖形字符或漢字給出了兩種漢字代碼。一種是用兩個(gè)字節(jié)二進(jìn)制數(shù)給出的國(guó)標(biāo)碼（即內(nèi)部碼中所用到的）；另一種是四位十進(jìn)制的區(qū)位碼，其中高二位是某字符或漢字所在的區(qū)號(hào)，低二位是在區(qū)中的位置號(hào)。例如“啊”字的國(guó)標(biāo)碼是3021H，區(qū)位碼是1601D。（4）輸出碼漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器的編碼。漢字可以寫(xiě)在一個(gè)方塊中；一個(gè)方塊可以看作m行n列的矩陣，稱為點(diǎn)陣。一個(gè)m行n列的點(diǎn)陣共有m×n個(gè)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)中用一組二進(jìn)制數(shù)字表示點(diǎn)陣，用二進(jìn)制數(shù)l表示點(diǎn)陣中的黑點(diǎn)，用二進(jìn)制數(shù)0表示點(diǎn)陣中的非黑點(diǎn)。1.2.3指令程序和指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)要真正能夠進(jìn)行計(jì)算還必須要有軟件的配合，首先是各種程序（Program）。我們知道，計(jì)算機(jī)所以能脫離人的直接干預(yù)，自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)算，這是由于人把實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)算的一步步操作用命令的形式——即一條條指令（Instruction）預(yù)先輸入到存儲(chǔ)器中，在執(zhí)行時(shí)，機(jī)器把這些指令一條條地取出來(lái)，加以翻譯和執(zhí)行。一條指令，對(duì)應(yīng)著一種基本操作。計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)（InstructionSet）。在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，必須把要解決的問(wèn)題編成一條條指令。這些指令的集合就稱為程序。指令通常分成操作碼（Opcode，即operationcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作；操作數(shù)指明參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行時(shí)要能把這些指令一條條取出來(lái)加以執(zhí)行，必須要有一個(gè)電路能追蹤指令所在的地址，這就是程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）。在開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后每取出一條指令（確切地說(shuō)是每取出一個(gè)指令字節(jié)）PC中的內(nèi)容自動(dòng)加1，指向下一條指令的地址（Address），以保證指令的順序執(zhí)行。只有當(dāng)程序中遇到轉(zhuǎn)移指令，調(diào)用子程序指令，或遇到中斷時(shí)，PC才把控制轉(zhuǎn)到所需要的地方去。1.2.4初級(jí)計(jì)算機(jī)

它是由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、接口電路組成，通過(guò)三條總線（BUS）——地址總線（AddressBus）、控制總線（ControlBus）和雙向數(shù)據(jù)總線（DataBus）來(lái)連接。1．CPU的結(jié)構(gòu)算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的裝置。F（Flag）是標(biāo)志寄存器。要執(zhí)行的指令的地址由程序計(jì)數(shù)器PC提供，AR（AddressRegister）是地址寄存器，由它把要尋址的單元的地址（可以是指令—地址由PC提供；也可以是數(shù)據(jù)—地址要由指令中的操作數(shù)部分給定）通過(guò)地址總線送至存儲(chǔ)器。從存儲(chǔ)器中取出的指令，由數(shù)據(jù)寄存器送至指令寄存器IR（InstructionRegister），經(jīng)過(guò)指令譯碼器ID（InstructionDecoder）譯碼，通過(guò)控制電路，發(fā)出執(zhí)行一條指令所需要的各種控制信息。2．存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中的不同存儲(chǔ)單元，是由地址總線上送來(lái)的地址，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器中的地址譯碼器來(lái)尋找的，然后就可以對(duì)這個(gè)單元的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮?。?）讀操作信息從存儲(chǔ)單元讀出后，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容并不改變，只有當(dāng)把新的信息寫(xiě)入該單元時(shí)，才由新的代替舊的。（2）寫(xiě)操作信息寫(xiě)入后，在沒(méi)有新的信息寫(xiě)入以前是一直保留的，且我們的存儲(chǔ)器的讀出是非破壞性的，即信息讀出后，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是不變的。3．執(zhí)行過(guò)程機(jī)器從停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，要把第一條指令所在的地址賦給PC，然后就進(jìn)入取指（取出指令）階段。在取指階段從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令，所以DR把它送至IR，然后由指令譯碼器譯碼，就知道此指令要執(zhí)行什么操作，在取指階段結(jié)束后就進(jìn)入執(zhí)行階段。當(dāng)一條指令執(zhí)行完以后，就進(jìn)入了下一條指令的取指階段。這樣的循環(huán)一直進(jìn)行到程序結(jié)束（遇到停機(jī)指令）。1.2.6尋址方式1．立即尋址（ImmediateAddressing）操作數(shù)就包含在指令中，這種規(guī)定操作數(shù)的方式，稱為立即尋址。2．寄存器尋址（RegisterAddressing）若操作數(shù)在某一寄存器中，這種尋址方式就稱為寄存器尋址。3．直接尋址（DirectAddressing）指令中包含操作數(shù)的直接地址，故稱為直接尋址。4．寄存器間接尋址（RegisterIndirectAddressing）操作數(shù)的地址并不直接在指令中，而是在某一寄存器中，故稱為間接尋址。1.2.7分支1．無(wú)條件轉(zhuǎn)移（UnconditionalJump）這條指令的功能是把n賦給PC，于是程序就無(wú)條件地轉(zhuǎn)到地址n開(kāi)始的程序段去。2．條件轉(zhuǎn)移（ConditionalJump）程序中更多的情況是：要根據(jù)上面的指令運(yùn)行的結(jié)果，判斷它是否滿足一定的條件，若滿足則轉(zhuǎn)移，不滿足則順序繼續(xù)執(zhí)行。機(jī)器中為此設(shè)立了一些判斷條件的標(biāo)志。主要有：Z（Zero）標(biāo)志——零標(biāo)志。若指令的運(yùn)行結(jié)果為零（即八位全為0）則Z=1；否則Z=0。C（Carry）標(biāo)志——進(jìn)位標(biāo)志。若加法運(yùn)算時(shí)，最高位（bit7）向前有進(jìn)位；或在減法運(yùn)算時(shí)最高位向前有借位，則C=1；否則C=0。S（Sign）標(biāo)志——符號(hào)標(biāo)志。若運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)（bit7=1），則S=1；否則S=0。3．算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算是指兩個(gè)操作數(shù)按位進(jìn)行指定的邏輯操作。（1）“與”運(yùn)算：凡是與0進(jìn)行“邏輯與運(yùn)算”的位結(jié)果為0，而與1進(jìn)行“與運(yùn)算”的位結(jié)果不變。所以，可用邏輯“與”屏蔽掉一些位（即使一些位為0），保留一些位。（2）“或”運(yùn)算：凡是與0進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算的位結(jié)果維持不變，而與1進(jìn)行“或”運(yùn)算的結(jié)果為1。所以，可用邏輯“或”使某些位置“1”。（3）“異或”運(yùn)算兩個(gè)相同的位異或的結(jié)果為0，否則為1。故利用ALAL可實(shí)現(xiàn)對(duì)AL清0；也可利用異或運(yùn)算來(lái)檢驗(yàn)兩個(gè)操作數(shù)是否相同等。1.3計(jì)算機(jī)的硬件和軟件1.3.1系統(tǒng)軟件

由機(jī)器的設(shè)計(jì)者提供的，為了使用和管理計(jì)算機(jī)的軟件，統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括：（1）各種語(yǔ)言和它們的匯編或解釋、編譯程序。（2）機(jī)器的監(jiān)控管理程序（Moniter）、調(diào)試程序（Debug）、故障檢查和診