微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

計(jì)算機(jī)組成技術(shù)哈工大計(jì)算機(jī)學(xué)院硬件基礎(chǔ)教研室徐冰2023/2/51第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理講述范圍

講解單臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整

硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制單臺(tái)：非多機(jī)系統(tǒng)，非多處理機(jī)結(jié)構(gòu)完整：計(jì)算機(jī)整機(jī)，全部的硬件功能部件基本：不一定是最高性能，最合理的組成,而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分2023/2/52第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理教學(xué)內(nèi)容組織以計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)為主：按照CPU(中央處理器)→MM(主存)→I/O(外設(shè))的順序，從內(nèi)核向外圍過(guò)渡講述。2023/2/53第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理教學(xué)環(huán)節(jié)與成績(jī)?cè)u(píng)定1.課堂講授：40學(xué)時(shí)，考試成績(jī)占

70分。2.教學(xué)實(shí)驗(yàn)：12學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占

20分。3.課外作業(yè)： 作業(yè)成績(jī)占10分。2023/2/54第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理課程特點(diǎn)

?知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)多，而學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)少

?理論性系統(tǒng)性和工程性實(shí)踐性都很強(qiáng)

?數(shù)學(xué)推導(dǎo)、證明少，邏輯推理、判斷多

（所以既好學(xué)，又難學(xué)）

2023/2/55第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理（2）理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，重視上機(jī)實(shí)驗(yàn)（3）適當(dāng)?shù)瘍?nèi)部結(jié)構(gòu)原理，而強(qiáng)化外部接口應(yīng)用（內(nèi)外分界是各級(jí)總線）（4）適應(yīng)課件教學(xué)（課前預(yù)習(xí)－課堂會(huì)神－課后復(fù)習(xí)－階段小結(jié)）（1）注意抓重點(diǎn)：基本概念的熟悉；基本原理的理解；基本方法技能的掌握。學(xué)習(xí)方法2023/2/56第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第一章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第二章微處理器和指令系統(tǒng)第三章匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四章存儲(chǔ)器第五章I/O接口第六章總線與總線標(biāo)準(zhǔn)第七章中斷與中斷控制-----微機(jī)原理部分2023/2/57第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第一章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概述1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.3微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)1.4微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)1.6典型的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/2/58第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史1946年ENIAC的誕生標(biāo)志著人類(lèi)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代...2023/2/59第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.先驅(qū)的探索—機(jī)械式計(jì)算機(jī)

第一臺(tái)真正的計(jì)算機(jī)是著名科學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)。

帕斯卡加法器2023/2/510第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.先驅(qū)的探索—機(jī)械式計(jì)算機(jī)1673年，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明乘法機(jī)，這是第一臺(tái)可以運(yùn)行完整的四則運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。萊布尼茲乘法器2023/2/511第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.先驅(qū)的探索—機(jī)械式計(jì)算機(jī)1822年巴貝奇花了近10年時(shí)間，構(gòu)想、研制成功了第一臺(tái)差分機(jī)。英國(guó)著名詩(shī)人拜侖的女兒愛(ài)達(dá)·拉夫拉夫斯基伯爵夫人被譽(yù)為世界第一位程序員，她的名字也與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Ada緊緊地聯(lián)系在一起。巴貝奇的差分機(jī)與分析機(jī)

2023/2/512第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理2.從機(jī)械到電的飛躍美國(guó)人赫爾曼·霍勒瑞斯，根據(jù)提花織布機(jī)的原理發(fā)明了穿孔片計(jì)算機(jī)，就是395,781/395,782/395,783號(hào)專(zhuān)利“穿孔卡片制表系統(tǒng)”，并帶入商業(yè)領(lǐng)域建立公司。赫爾曼·霍勒瑞斯公司名稱(chēng)為“計(jì)算-制表-記錄公司”，即原“數(shù)據(jù)處理”公司這就是IBM的前身。赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)ThomasWatson接手CTR公司，并將其改造為IBM2023/2/513第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理2.從機(jī)械到電的飛躍1904年，英國(guó)人弗萊明發(fā)明真空電子二極管。電子管的誕生，是人類(lèi)電子文明的起點(diǎn)。弗萊明真空二極管的發(fā)明得益于愛(ài)迪生發(fā)現(xiàn)的“愛(ài)迪生效應(yīng)”。1906年，美國(guó)人德弗雷斯特發(fā)明電子三極管，并在研究中發(fā)現(xiàn)，三極管可以通過(guò)級(jí)聯(lián)使放大倍數(shù)大增，這使得三極管的實(shí)用價(jià)值大大提高，從而促成了無(wú)線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展。

德弗雷斯特因發(fā)明三極管而被稱(chēng)為“無(wú)線電之父”。二極管、三極管的發(fā)明2023/2/514第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理3.技術(shù)的飛躍早在1847和1854年，英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾發(fā)表了兩部重要著作《邏輯的數(shù)學(xué)分析》和《思維規(guī)律的研究》，創(chuàng)立了邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)系統(tǒng)采用二進(jìn)制，是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)。1939年，阿塔納索夫提出計(jì)算機(jī)三原則；采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算；采用電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和運(yùn)算；采用把計(jì)算功能和存儲(chǔ)功能相分離的結(jié)構(gòu)。1939年，阿塔納索夫還設(shè)計(jì)并試制數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的樣機(jī)“ABC機(jī)”，但未能完工。1936年，24歲的英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈發(fā)表著名論文《論可計(jì)算數(shù)及其在密碼問(wèn)題的應(yīng)用》，提出了“理想計(jì)算機(jī)”，后人稱(chēng)之為“圖靈機(jī)”。圖靈通過(guò)數(shù)學(xué)證明得出理論上存在“通用圖林機(jī)”，這為可計(jì)算性的概念提供了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，圖靈機(jī)成為現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它證明通用數(shù)字計(jì)算機(jī)是可以制造出來(lái)的。圖靈發(fā)表于1940年的另一篇著名論文《計(jì)算機(jī)能思考嗎？》，對(duì)計(jì)算機(jī)的人工智能進(jìn)行了探索，并設(shè)計(jì)了著名的“圖靈測(cè)驗(yàn)”。1940年，美國(guó)科學(xué)家維納闡述了自己對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的五點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：數(shù)字式而不是模擬式；以電子元件構(gòu)成并盡量減少機(jī)械裝置；采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制；內(nèi)部存放計(jì)算表；內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。1944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾伊曼在第一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)ENIAC尚未問(wèn)世時(shí)注意到其弱點(diǎn)，并提出一個(gè)新機(jī)型EDVAC的設(shè)計(jì)方案，其中提到了兩個(gè)設(shè)想：采用二進(jìn)制和“存儲(chǔ)程序”。這兩個(gè)設(shè)想對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)至關(guān)重要，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”，馮·諾伊曼機(jī)體系延續(xù)至今。1938年，信息論的創(chuàng)始人、美國(guó)科學(xué)家仙農(nóng)發(fā)表論文《繼電器和開(kāi)關(guān)電路的符號(hào)分析》，首次闡述了如何將布爾代數(shù)運(yùn)用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電路的理論基礎(chǔ)。2023/2/515第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型--圖靈機(jī)圖靈機(jī)（英語(yǔ)：TuringMachine，又稱(chēng)確定型圖靈機(jī)）是英國(guó)數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈于1936年提出的一種抽象計(jì)算模型，其更抽象的意義為一種數(shù)學(xué)邏輯機(jī)，可以看作等價(jià)于任何有限邏輯數(shù)學(xué)過(guò)程的終極強(qiáng)大邏輯機(jī)器。2023/2/516第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理圖靈機(jī)的藝術(shù)表示2023/2/517第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理TuringMachine圖靈機(jī)解決了一個(gè)長(zhǎng)期困擾我們的問(wèn)題什么是計(jì)算?圖靈機(jī)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算提供了一個(gè)可以實(shí)施的數(shù)學(xué)模型.物理上如何實(shí)現(xiàn)該模型?馮.諾依曼為我們提供了另一個(gè)模型.2023/2/518第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生1943年在美國(guó)費(fèi)城的穆?tīng)柟こ虒W(xué)院，約翰.莫奇萊、普里斯泊.艾克特提出了建造ENIAC的計(jì)劃，并邀請(qǐng)了很多的數(shù)學(xué)家參加其中包括著名的數(shù)學(xué)家約翰.馮諾依曼(Von.Neumann)2023/2/519第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生1946年初在Von.Neumann等人的努力下ENIAC研制成功。ENIAC由20,000個(gè)開(kāi)關(guān)元件、重30噸、耗電150千瓦。首次應(yīng)用即參與了在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯進(jìn)行的原子彈爆炸試驗(yàn)的計(jì)算。2023/2/520第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理電子管計(jì)算機(jī)的問(wèn)題ENIAC的研制成功，奠定了一個(gè)新的時(shí)代。但是，電子管遇到了巨大的障礙：體積龐大，無(wú)法縮小。會(huì)發(fā)出很多的熱量，管間間距需要很大。到了20世紀(jì)60年代，晶體管的問(wèn)世促進(jìn)了計(jì)算機(jī)革命性的進(jìn)步。2023/2/521第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理晶體管的發(fā)明人約翰.巴丁、沃爾特.布拉頓和威廉.肖克利三人因在晶體管技術(shù)上的革命性突破,被共同授予1965年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。右圖是他們中的代表威廉.肖克利,以它的名字命名的“肖克利半導(dǎo)體公司”是當(dāng)時(shí)最了不起的公司2023/2/522第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理硅谷(siliconvalley)肖克利半導(dǎo)體公司衍生出仙童半導(dǎo)體公司,而仙童半導(dǎo)體公司又衍生出許多公司,包括Motorola、德州儀器公司、RCA等公司，這些公司與很多半導(dǎo)體公司都位于圣克拉拉山谷的帕洛阿爾托方圓數(shù)英里范圍內(nèi)，而此時(shí)所有的半導(dǎo)體幾乎都是用硅制造的，所以這個(gè)地區(qū)被人們稱(chēng)為“硅谷”(siliconvalley)2023/2/523第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史從晶體管技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)走過(guò)了四個(gè)時(shí)代：電子管時(shí)代晶體管時(shí)代中小規(guī)模集成電路（IntegrateCircus）時(shí)代超大規(guī)模集成電路（IntegrateCircus）時(shí)代2023/2/524第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理各時(shí)期計(jì)算機(jī)的比較（1）時(shí)期元器件代表機(jī)器第一代電子管第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)EDVAC第二代晶體管IBM公司生產(chǎn)的IBM-7904CDC公司生產(chǎn)的CDC1604第三代集成電路DEC公司研制成功的PDP-8，PDP-11，VAX-11第四代大規(guī)模集成電路Cray公司1976年推出的Cray-12023/2/525第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理各時(shí)期計(jì)算機(jī)的比較（2）時(shí)期體積重量成本耗電可靠性運(yùn)算速度第一代大重高高低5000次/秒第二代幾萬(wàn)次-幾十萬(wàn)次/秒第三代幾百萬(wàn)-幾千萬(wàn)次/秒第四代小輕低低高幾億次/秒2023/2/526第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理微型電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代（1971-1972）4位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)Intel40042300個(gè)晶體管2023/2/527第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第二代（1972-1977）8位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)Intel80083300個(gè)晶體管Intel80804900個(gè)晶體管M68006800個(gè)晶體管Z8010000個(gè)晶體管2023/2/528第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第三代（1978-1983）16位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)Intel808629000個(gè)晶體管M6800068000個(gè)晶體管Z800037500個(gè)晶體管2023/2/529第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第四代（1984-1993）32位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)代表機(jī)型：Intel80286Intel80386Intel80486MC680202023/2/530第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理第五代微處理器：1993年，Intel公司推出了微處理器Pentium（中文譯名為奔騰）。1996年Intel公司將其微處理器正式命名為PentiumPro（奔騰），PentiumPro最合適的位置是作為高性能服務(wù)器和工作站

2000年11月，Intel推出了微處理器：奔騰4（Pentium4，或簡(jiǎn)稱(chēng)奔4或P4），這一新的架構(gòu)稱(chēng)做NetBurst。第六代微處理器酷睿（core）系列微處理器時(shí)代早期的酷睿是基于筆記本處理器的2010年6月，Intel再次發(fā)布革命性的處理器——第二代Corei3/i5/i7在2012年4月24日下午北京天文館，intel正式發(fā)布了ivybridge（IVB）處理器2023/2/531第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)的形態(tài)計(jì)算機(jī)在今天已經(jīng)是千差萬(wàn)別，顯現(xiàn)或隱藏在我們周?chē)暮芏嘟锹?，不注意你根本不能發(fā)覺(jué)，其實(shí)你一時(shí)一刻都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)…...2023/2/532第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展史及發(fā)展方向計(jì)算機(jī)發(fā)展方向巨型化:用于軍事\科學(xué)計(jì)算微型化:手持電腦

HPC多媒體:聲,圖,文,動(dòng)畫(huà),音頻,視頻智能化:模擬人的功能,識(shí)別聲音,文字,圖像,各種語(yǔ)言互譯,使計(jì)算機(jī)具有推力聯(lián)想等功能.網(wǎng)絡(luò)化:使世界成為一體,無(wú)種族,無(wú)貨幣,無(wú)國(guó)界.2023/2/533第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展史及發(fā)展方向當(dāng)今的個(gè)人計(jì)算機(jī)2023/2/534第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展史及發(fā)展方向的大小與人的指甲一樣大小CPU2023/2/535第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)發(fā)展史及發(fā)展方向多種多樣的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品2023/2/536第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理微處理器微處理器

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)微處理器微處理器

微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從局部到全局存在三個(gè)層次微處理器本身不是計(jì)算機(jī)，不能獨(dú)立工作,它是微型計(jì)算機(jī)的核心部件,包括算術(shù)邏輯部件ALU,控制部件和寄存器組三個(gè)基本部分。微型計(jì)算機(jī)是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器（ROM和RAM）、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成的。它不是完整的計(jì)算系統(tǒng)，也不能獨(dú)立工作。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以微型計(jì)算機(jī)為核心，再配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源、輔助電路和控制微型計(jì)算機(jī)工作的軟件而構(gòu)成的完整計(jì)算系統(tǒng)。它可以獨(dú)立工作，有實(shí)用意義。微處理器微處理器

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)微處理器微型計(jì)算機(jī)微處理器

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/2/537第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.1.3計(jì)算機(jī)的性能分類(lèi)

按微處理器的位數(shù)分：4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)按性能分：微型計(jì)算機(jī)，小型計(jì)算機(jī)，中型計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)；按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、多片機(jī)2023/2/538第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理按用途分：個(gè)人計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，軍用計(jì)算機(jī)，嵌入式計(jì)算機(jī)；按設(shè)計(jì)目的分：專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，通用計(jì)算機(jī)；按網(wǎng)絡(luò)用途分：客戶(hù)端計(jì)算機(jī)，服務(wù)器。

2023/2/539第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.1.4計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)基本字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間內(nèi)處理的一組二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為一個(gè)計(jì)算機(jī)的“字”，而這組二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就是“字長(zhǎng)”。在其他指標(biāo)相同時(shí)，字長(zhǎng)越大計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度就越快。早期的微型計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)一般是8位和16位。目前586（Pentium，PentiumPro，PentiumⅡ，PentiumⅢ，Pentium4）大多是32位，現(xiàn)在的大多數(shù)人都裝64位的了。主存容量：主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)乘以存儲(chǔ)單元寬度來(lái)表示，如102416表示主存儲(chǔ)器有1024個(gè)單元，每個(gè)單元的寬度是16位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主存儲(chǔ)器的最大存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)取決于處理器地址總線的線數(shù)（寬度）存取周期：內(nèi)部存儲(chǔ)周期：幾十到幾百ns，外部存儲(chǔ)周期：零點(diǎn)幾到幾十個(gè)微秒。2023/2/540第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理運(yùn)算速度：一般用每秒鐘能夠執(zhí)行幾百萬(wàn)條指令來(lái)衡量，稱(chēng)為MIPS(MillionInstructionsPerSecond)；主頻：即CPU內(nèi)核工作的時(shí)鐘頻率（CPUClockSpeed）。通常所說(shuō)的某某CPU是多少兆赫的，而這個(gè)多少兆赫就是“CPU的主頻”。很多人認(rèn)為CPU的主頻就是其運(yùn)行速度，其實(shí)不然。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度，與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力并沒(méi)有直接關(guān)系。由于主頻并不直接代表運(yùn)算速度，所以在一定情況下，很可能會(huì)出現(xiàn)主頻較高的CPU實(shí)際運(yùn)算速度較低的現(xiàn)象。外部存儲(chǔ)器容量：外存儲(chǔ)器容量通常是指硬盤(pán)容量（包括內(nèi)置硬盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)）。外存儲(chǔ)器容量越大，可存儲(chǔ)的信息就越多，可安裝的應(yīng)用軟件就越豐富。1.1.4

計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)2023/2/541第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能2023/2/542第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖

目前各種微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用的基本上是計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)--馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)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(jìn)制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲(chǔ)器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進(jìn)制形式；控制器根據(jù)存放在存儲(chǔ)器中的指令序列即程序來(lái)工作,并由一個(gè)程序計(jì)數(shù)器控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇不同的動(dòng)作流程。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2023/2/543第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件各部分間通過(guò)三條總線相連，故這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為三總線結(jié)構(gòu)。2023/2/544第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖

微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖MPURAM外設(shè)ABDBCBROMI/O接口三總線2023/2/545第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理根據(jù)總線組織方法的不同，總線結(jié)構(gòu)可分為以下三類(lèi)：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)雙重總線結(jié)構(gòu)1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖2023/2/546第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖系統(tǒng)存儲(chǔ)器M和I/O使用同一條信息通路，MPU對(duì)M和I/O的讀寫(xiě)要分時(shí)進(jìn)行。它邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)現(xiàn)容易。大部分中低檔微機(jī)均采用這種結(jié)構(gòu)。MPUMI/O接口外設(shè)單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)雙重總線結(jié)構(gòu)2023/2/547第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理I/O和M各自具有到MPU的總線通路，MPU可分別在兩套總線上同時(shí)與M和I/O口交換信息。它展寬了總線帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。有的單片機(jī)和高檔微機(jī)采用了這種結(jié)構(gòu)。雙總線結(jié)構(gòu)1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖存儲(chǔ)總線I/O總線I/O接口M外設(shè)MP

U單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)雙重總線結(jié)構(gòu)2023/2/548第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理雙重總線結(jié)構(gòu)MPU或DMA控制器1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖全局總線全局M全局I/OMPU總線控制邏輯局部I/O局部M緩沖器局部總線單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)雙重總線結(jié)構(gòu)2023/2/549第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.1三總線結(jié)構(gòu)及框圖

MPU通過(guò)局部總線訪問(wèn)局部M和局部I/O。當(dāng)某MPU需對(duì)全局M和全局I/O訪問(wèn)時(shí)，由總線控制邏輯統(tǒng)一安排進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)雙重總線上并行工作。這對(duì)等效總線帶寬的增加、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸效率的提高，效果更明顯。目前各種高檔微機(jī)和工作站基本都采用此結(jié)構(gòu)。雙重總線結(jié)構(gòu)2023/2/550第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能

微機(jī)的主要組成部分有微處理器（MPU),存儲(chǔ)器,I/O設(shè)備接口和總線。1.微處理器---微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和指揮控制中心

不同型號(hào)微機(jī)性能的差別首先在于其微處理器性能的不同，而微處理器的性能又與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、硬件配置有關(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，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)總是相同的，都有控制器、運(yùn)算器和內(nèi)部總線及緩沖器三大部分，每部分又各由一些基本部件組成。2023/2/551第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能微處理器典型結(jié)構(gòu)示意圖指令寄存器IR指令譯碼器ID操作控制器OC累加器ACC累加鎖存器暫存器

算術(shù)邏輯單元（ALU)標(biāo)志寄存器（FR）地址總線（AB）地址緩沖器……控制總線（CB）

寄存器組（RS）堆棧指針（SP）程序計(jì)數(shù)器PC通用寄存器組內(nèi)部總線及緩沖器數(shù)據(jù)總線（DB)數(shù)據(jù)緩沖器運(yùn)算器控制器2023/2/552第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能2、存儲(chǔ)器（內(nèi)存或主存）---微機(jī)的存儲(chǔ)記憶部件，用以存放數(shù)據(jù)和程序。①內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容

內(nèi)存由一個(gè)個(gè)內(nèi)存單元組成，每個(gè)單元中一般存放一個(gè)字節(jié)(8位)的二進(jìn)制信息，叫內(nèi)容。內(nèi)存單元的總數(shù)目叫內(nèi)存容量。

微機(jī)通過(guò)給每個(gè)內(nèi)存單元規(guī)定不同的地址(碼）來(lái)管理內(nèi)存。

注意：內(nèi)存單元的地址和內(nèi)存單元的內(nèi)容是兩個(gè)完全不同的概念。1011001000000010000011001100011101110010。。。。。。內(nèi)容地址00000H00002HF0000H00001HFFFFFH2023/2/553第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能②內(nèi)存操作CPU對(duì)內(nèi)存的操作有讀、寫(xiě)兩種。寫(xiě)操作：CPU將其內(nèi)部信息傳送到內(nèi)存單元保存下來(lái)，從而改變被寫(xiě)單元的內(nèi)容。讀操作：CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU內(nèi)部，不改變被讀單元的內(nèi)容。2、存儲(chǔ)器（內(nèi)存或主存）2023/2/554第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能③內(nèi)存分類(lèi)2、存儲(chǔ)器（內(nèi)存或主存）按工作方式分隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM):只讀存儲(chǔ)器(ROM):可被CPU隨機(jī)的讀和寫(xiě),斷電后所有信息消失。

只能被CPU隨機(jī)讀取,不能任意寫(xiě)入。斷電后信息不會(huì)丟失。2023/2/555第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理3、I/O設(shè)備的接口1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能

微機(jī)通過(guò)I/O設(shè)備與外部交換信息,處理的信息從數(shù)據(jù)格式到邏輯時(shí)序一般不能直接兼容,必須在兩者之間引入連接電路,即I/O接口電路。2023/2/556第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.2.2微機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)及功能4、總線

---微機(jī)中各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”,是一組公共信號(hào)線。雙向總線，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息單向總線，用于傳送CPU發(fā)出的地址信息用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等，每根線單向，整體雙向。數(shù)據(jù)總線DB：控制總線CB：地址總線AB：2023/2/557第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算2023/2/558第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)

1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法1.機(jī)器數(shù)和真值2.有符號(hào)的機(jī)器數(shù)表示方法3.數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示4.無(wú)符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示方法2023/2/559第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法

1.機(jī)器數(shù)和真值在計(jì)算機(jī)中，無(wú)論數(shù)值還是數(shù)的符號(hào)，都只能用0、1來(lái)表示。通常用一個(gè)數(shù)的最高位作為符號(hào)位：0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。在計(jì)算機(jī)中使用的、連同符號(hào)位一起數(shù)字化了的數(shù)，稱(chēng)為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實(shí)值則叫真值。1011010100101010例：機(jī)器數(shù)真值（十進(jìn)制）-53+422023/2/560第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理2.有符號(hào)的機(jī)器數(shù)表示方法常用三種原碼反碼補(bǔ)碼1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法2023/2/561第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理(1)原碼---最高位表示符號(hào),數(shù)值位用二進(jìn)制絕對(duì)值表示。設(shè)機(jī)器數(shù)位長(zhǎng)為n，則數(shù)X的原碼定義為：n位原碼表示數(shù)值的范圍:-(2n-1-1)～+(2n-1-1)[+0]原=000…0[-0]原=100…0[X]原=0X1X2…Xn-1(X≥0)1X1X2…Xn-1=2n-1+│X│(X≤0)數(shù)0的原碼有兩種不同的形式:1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法

原碼表示簡(jiǎn)單、直觀,與真值間轉(zhuǎn)換方便,但用它作加減運(yùn)算不方便,且0有兩種表示方法。2023/2/562第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法(2)反碼---正數(shù)的反碼表示與原碼相同;負(fù)數(shù)的反碼是將其原碼除符位外各位取反得到。[X]反=0X1X2…Xn-1=X(X≥0)n位反碼表示數(shù)值的范圍:-(2n-1-1)～+(2n-1-1)數(shù)0的反碼也有兩種形式:[+0]反=000…0(全0)[-0]反=111…1(全1)反碼還原為真值的方法:反碼→原碼→真值而[X]原=[[X]反]反反碼定義：1X1X2…Xn-1=(2n-1)-│X│(X≤0)2023/2/563第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法(3)補(bǔ)碼---正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同;負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將其原碼除符號(hào)位外各位取反加1而得到。補(bǔ)碼的定義：n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍:-2n-1～+(2n-1-1)數(shù)0的補(bǔ)碼只有一個(gè):[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=000…0(全0)補(bǔ)碼還原為真值的方法:補(bǔ)碼→原碼→真值而[X]原=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)[X]補(bǔ)=0X1X2…Xn-1=X(X≥0)1X1X2…Xn-1+1=2n-│X│=2n+X(X≤0)(mod2)2023/2/564第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法三點(diǎn)結(jié)論:①原碼、反碼、補(bǔ)碼的最高位都是表示符號(hào)位。符號(hào)位為0時(shí)，表示真值為正數(shù)，其余位都為真值。符號(hào)位為1時(shí)，表示真值為負(fù)數(shù)，其余位除原碼外不再是真值。②對(duì)于正數(shù)，三種編碼都一樣；對(duì)于負(fù)數(shù)，三種編碼互不相同。所以原碼、反碼、補(bǔ)碼本質(zhì)上是用來(lái)解決負(fù)數(shù)在機(jī)器中表示的三種不同的編碼方法。

③二進(jìn)制位數(shù)相同的原碼、反碼、補(bǔ)碼所能表示的數(shù)值范圍不完全相同。當(dāng)計(jì)算機(jī)采用不同的碼制時(shí)，運(yùn)算器和控制器的結(jié)構(gòu)將不同。各種微機(jī)基本上都是以補(bǔ)碼作為機(jī)器碼，原因是補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算簡(jiǎn)單，減法運(yùn)算可化為加法運(yùn)算，可省掉減法器電路，且是符號(hào)位與數(shù)值位一起運(yùn)算，運(yùn)算后自動(dòng)獲得正確結(jié)果。說(shuō)明：2023/2/565第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法3.數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示

計(jì)算機(jī)中不用某個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示小數(shù)點(diǎn),而是隱含規(guī)定小數(shù)點(diǎn)的位置。

根據(jù)小數(shù)點(diǎn)的位置是否固定，數(shù)的表示方法可分為定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示，相應(yīng)的機(jī)器數(shù)就叫定點(diǎn)數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。對(duì)于任一個(gè)二進(jìn)制數(shù)X，通?？杀硎境桑篨=2J·S其中，S為數(shù)X的尾數(shù)，J為數(shù)X的階碼，2為階碼的底。

尾數(shù)S表示數(shù)X的全部有效數(shù)字，階碼J則指出了小數(shù)點(diǎn)的位置。S值和J值均可正可負(fù)。當(dāng)J固定時(shí)，表示是定點(diǎn)數(shù)；當(dāng)J值可變時(shí)，表示是浮點(diǎn)數(shù)。2023/2/566第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法(1)定點(diǎn)數(shù)

定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)在計(jì)算機(jī)中表示形式?jīng)]什么區(qū)別，其小數(shù)點(diǎn)完全靠事先的約定而隱含在不同位置：根據(jù)小數(shù)點(diǎn)固定的位置不同。定點(diǎn)數(shù)有定點(diǎn)(純）整數(shù)和定點(diǎn)（純）小數(shù)兩種。J=0，S為純整數(shù)時(shí)，小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)的最低位之后，稱(chēng)為定點(diǎn)整數(shù)；J=0，S為純小數(shù)時(shí)，小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)的最高位之前，成為定點(diǎn)小數(shù)。定點(diǎn)整數(shù)符號(hào)位數(shù)值位(尾數(shù)S)隱含小數(shù)點(diǎn)位置定點(diǎn)小數(shù)符號(hào)位數(shù)值位(尾數(shù)S)隱含小數(shù)點(diǎn)位置2023/2/567第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法浮點(diǎn)數(shù)一般由4個(gè)字段組成,一般格式如下:(2)浮點(diǎn)數(shù)其中階碼一般用補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)表示，尾數(shù)一般用補(bǔ)碼或原碼定點(diǎn)小數(shù)表示。

為保證不損失有效數(shù)字，一般對(duì)尾數(shù)進(jìn)行規(guī)格化處理，即保證尾數(shù)的最高位是1，實(shí)際大小通過(guò)階碼來(lái)進(jìn)行調(diào)整。相同位數(shù)時(shí),浮點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)值范圍要比定點(diǎn)數(shù)表示大得多。尾數(shù)部分階符Jf階碼J數(shù)符Sf尾數(shù)(也叫有效數(shù))S階碼部分2023/2/568第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法[例]某計(jì)算機(jī)用32位表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，格式如下：8位補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)24位補(bǔ)碼定點(diǎn)小數(shù)階符階碼數(shù)符尾數(shù)31302423220已知某數(shù)X的機(jī)器碼為"00001001101111110101000000000000",則其真值為：X=(1.01111110101000000000000)補(bǔ)×2(00001001)補(bǔ)=(1.10000001011000000000000)原×2（00001001）補(bǔ)=-0.10000001011×29=(-100000010.11)2=(-258.75)102023/2/569第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.1計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法4.無(wú)符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示方法ASCII碼一般在計(jì)算機(jī)的輸入、輸出設(shè)備中使用，而二進(jìn)制碼和BCD碼則在運(yùn)算處理過(guò)程中使用。壓縮BCD碼非壓縮BCD碼位數(shù)不等的二進(jìn)制碼BCD碼ASCII碼三種表示方法2023/2/570第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算計(jì)算機(jī)中有以下兩種運(yùn)算:邏輯運(yùn)算:算術(shù)運(yùn)算:參與運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)碼表示的是邏輯狀態(tài)。常見(jiàn)的有與、或、非和移位等。參與運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)碼表示的是數(shù)值大小。常見(jiàn)的有加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方等。2023/2/571第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算1.補(bǔ)碼運(yùn)算及溢出判別(1)補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算規(guī)則[X±Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[±Y]補(bǔ)其中X、Y為正、負(fù)數(shù)均可。例：X=33,Y=45,求X+Y、X-Y解:[X]補(bǔ)=00100001[Y]補(bǔ)=00101101,[-Y]補(bǔ)=11010011[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=01001110[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)=11110100所以,X+Y=[[X+Y]補(bǔ)]補(bǔ)=01001110=(+78)10

X-Y=[[X-Y]補(bǔ)]補(bǔ)=10001100=(-12)102023/2/572第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算用補(bǔ)碼表示計(jì)算機(jī)中有符號(hào)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

①負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼與對(duì)應(yīng)正數(shù)的補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換可用同一方法——求補(bǔ)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，因而可簡(jiǎn)化硬件；

②可將減法變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算，從而省去減法器；③有符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)的加法運(yùn)算可用同一加法器電路完成，結(jié)果都正確。2023/2/573第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算(2)溢出與溢出判斷當(dāng)結(jié)果超出補(bǔ)碼表示的數(shù)值范圍時(shí),補(bǔ)碼運(yùn)算將會(huì)出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“溢出”。計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)要避免產(chǎn)生溢出,萬(wàn)一出現(xiàn)了溢出,要能判斷，并做出相應(yīng)處理。微機(jī)中多采用“雙進(jìn)位位”法進(jìn)行溢出判斷。2023/2/574第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算OF=C1C2=1,有溢出0,無(wú)溢出進(jìn)位位C累加器A(內(nèi)裝補(bǔ)碼)數(shù)值位fbn-1bn-2

……b0b1C1C2=1OF雙進(jìn)位位法溢出判斷2023/2/575第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算例1：求55+66

[55]補(bǔ)=00110111+[66]補(bǔ)=01000010

□01111001=[121]補(bǔ)

例2：求(-93)+(-59)

[-93]補(bǔ)=10100011+[-59]補(bǔ)=11000101

□01101000=[+104]補(bǔ)1c2c1因?yàn)镃2=0,C1=0,OF=C1C2=0,所以無(wú)溢出,結(jié)果正確。

因?yàn)镃2=1,C1=0,OF=C1C2=1,所以有溢出,結(jié)果不對(duì)。根據(jù)C1、C2值亦可判斷有溢出時(shí)是正溢出還是負(fù)溢出：C2C1=00=11時(shí)，無(wú)溢出；C2C1=01時(shí)，為正溢出；C2C1=10時(shí)，為負(fù)溢出。2023/2/576第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算2.BCD碼運(yùn)算及其十進(jìn)制調(diào)整

BCD碼加減法運(yùn)算時(shí)，每組4位二進(jìn)制碼表示的十進(jìn)制數(shù)之間應(yīng)遵循“逢十進(jìn)一”和“借一當(dāng)十”的規(guī)則。但計(jì)算機(jī)總是將數(shù)作為二進(jìn)制數(shù)來(lái)處理，即每4位之間按“逢16進(jìn)一”和“借一當(dāng)16”來(lái)處理，所以當(dāng)BCD碼運(yùn)算出現(xiàn)進(jìn)位和借位時(shí)，結(jié)果將出錯(cuò)。

為了得到正確的BCD碼運(yùn)算結(jié)果，必須對(duì)二進(jìn)制運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使之符合十進(jìn)制運(yùn)算的進(jìn)位/借位規(guī)則。這種調(diào)整叫十進(jìn)制調(diào)整。2023/2/577第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.3.2計(jì)算機(jī)的運(yùn)算

1)十進(jìn)制加法調(diào)整規(guī)則①若兩個(gè)一位BCD數(shù)相加結(jié)果大于9(1001),則應(yīng)作加6(0110)修正。②若兩個(gè)BCD數(shù)相加結(jié)果在本位并不大于9,但產(chǎn)生了進(jìn)位,這相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)運(yùn)算大于等于16,所以也應(yīng)在本位作加6修正。

2)十進(jìn)制減法調(diào)整規(guī)則

兩個(gè)BCD數(shù)相減，若出現(xiàn)本位差超過(guò)9，或雖不超過(guò)9但向高位有借位，則說(shuō)明必然是借了16，多借了6，應(yīng)在本位作減6修正。

實(shí)際中，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中均有專(zhuān)門(mén)的十進(jìn)制調(diào)整指令，利用它們，機(jī)器可按規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。十進(jìn)制調(diào)整的規(guī)則：2023/2/578第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理微機(jī)工作的過(guò)程本質(zhì)上就是以硬件為基礎(chǔ)執(zhí)行程序的過(guò)程。而程序是由若干條指令組成的，微機(jī)逐條執(zhí)行程序中的每條指令，即可完成一個(gè)程序的執(zhí)行，從而完成一項(xiàng)特定的工作。因此了解微機(jī)工作原理的關(guān)鍵，就是要了解指令和指令執(zhí)行的基本過(guò)程。

指令與程序概述

指令類(lèi)別指令與程序的執(zhí)行

程序執(zhí)行過(guò)程舉例微機(jī)工作過(guò)程的本質(zhì)：2023/2/579第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.4微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理1.4.1指令與程序概述4.程序--為解決某一問(wèn)題而編寫(xiě)在一起的指令序列。3.指令結(jié)構(gòu)--任何一條指令均由兩部分組成：操作碼：指明要完成操作的性質(zhì)，如加、減、乘、除等。地址碼(操作數(shù))：指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)存放地址或數(shù)據(jù)。1.指令--規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定操作的命令。2.指令系統(tǒng)--計(jì)算機(jī)全部指令的集合。指令系統(tǒng)準(zhǔn)確定義了計(jì)算機(jī)的處理能力。不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)有不同的指令系統(tǒng)，從而形成各自的特點(diǎn)和相互差異。2023/2/580第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

機(jī)器語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序

1.4.1指令與程序概述目前微機(jī)系統(tǒng)中使用著三個(gè)層次、三種形式的程序：2023/2/581第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理計(jì)算機(jī)中的指令以二進(jìn)制代碼形式存在，叫機(jī)器碼指令。機(jī)器碼指令構(gòu)成的指令系統(tǒng)叫機(jī)器語(yǔ)言，用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序叫機(jī)器語(yǔ)言程序。機(jī)器語(yǔ)言程序優(yōu)點(diǎn)是能被計(jì)算機(jī)直接理解和執(zhí)行；缺點(diǎn)是編程繁瑣、不直觀、難記憶、易出錯(cuò)。1.4.1指令與程序概述機(jī)器語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序(1)機(jī)器語(yǔ)言程序2023/2/582第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.1指令與程序概述為克服機(jī)器語(yǔ)言程序的缺點(diǎn)，常用助記符來(lái)代替機(jī)器語(yǔ)言指令。助記符與機(jī)器語(yǔ)言指令之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種用助記符構(gòu)成的指令系統(tǒng)叫匯編語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序叫匯編語(yǔ)言程序。匯編語(yǔ)言程序的優(yōu)點(diǎn)是直觀、易懂、便于記憶。但又存在著計(jì)算機(jī)無(wú)法識(shí)別的缺點(diǎn)。(2)匯編語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序2023/2/583第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.1指令與程序概述

高級(jí)語(yǔ)言為比較接近于習(xí)慣的自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它以語(yǔ)句和數(shù)據(jù)的定義為基礎(chǔ)，且通常一個(gè)語(yǔ)句都是由一組機(jī)器語(yǔ)言指令或匯編語(yǔ)言指令構(gòu)成的。用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序即為高級(jí)語(yǔ)言程序。高級(jí)語(yǔ)言程序比匯編語(yǔ)言程序更直觀易懂，更易于面向問(wèn)題和對(duì)象。(3)高級(jí)語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序2023/2/584第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.1指令與程序概述

高級(jí)語(yǔ)言程序和匯編語(yǔ)言程序必須先翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序才能執(zhí)行。這個(gè)翻譯過(guò)程，對(duì)匯編語(yǔ)言程序叫匯編(Assemble);對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序有的叫解釋(Interpretation),有的叫編譯(Compilation)。

通常又將翻譯前的程序叫源程序,而將翻譯后的機(jī)器語(yǔ)言程序叫目標(biāo)程序。完成匯編、解釋、編譯的程序則分別叫作匯編程序(Assembler)、解釋程序(Interpreter)、編譯程序(Compiler),它們作為工具軟件事先存放在計(jì)算機(jī)中。2023/2/585第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.2指令類(lèi)別

1、數(shù)據(jù)傳送與交換類(lèi)指令

2、算術(shù)及邏輯運(yùn)算類(lèi)指令

3、輸入/輸出類(lèi)指令

4、程序控制類(lèi)指令

5、CPU控制類(lèi)指令

一般計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)都包括有下述幾類(lèi)指令2023/2/586第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.3指令與程序的執(zhí)行

取指令--根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從存儲(chǔ)器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器IR，然后PC自動(dòng)加1，指向下一條指令地址或本條指令下一字節(jié)。指令執(zhí)行三步曲:

分析指令--將IR中的指令操作碼譯碼，分析其指令性質(zhì)，如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。執(zhí)行指令--取出操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作。根據(jù)指令不同還可能寫(xiě)入操作結(jié)果。2023/2/587第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.3指令與程序的執(zhí)行微型機(jī)程序的執(zhí)行過(guò)程，實(shí)際上就是周而復(fù)始地完成這三階段操作的過(guò)程，直到遇到停機(jī)指令才結(jié)束運(yùn)行。取指令，PC值加1停機(jī)？分析指令執(zhí)行指令結(jié)束YN程序執(zhí)行過(guò)程2023/2/588第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理程序執(zhí)行過(guò)程中的每條指令操作三步曲并非在各種微處理器中都是串行完成的，除早期的8位微處理器外，后來(lái)的各種16位以上處理器機(jī)都可將這三步操作分配給兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立部件并行完成。如80386和80486采用了6級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，不同指令的取址、分析、執(zhí)行三個(gè)階段可并行處理。1.4.3指令與程序的執(zhí)行關(guān)于程序執(zhí)行過(guò)程的兩點(diǎn)說(shuō)明：一般程序的指令和數(shù)據(jù)都存放在內(nèi)存中，故在執(zhí)行程序時(shí)，CPU和內(nèi)存通過(guò)存儲(chǔ)器地址寄存器MAR和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR以及若干讀/寫(xiě)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)系。MAR存放著將訪問(wèn)的指令/數(shù)據(jù)的地址，MDR存放著從內(nèi)存中讀出的指令操作碼或讀出/寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。2023/2/589第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.3指令與程序的執(zhí)行假想模型機(jī)2023/2/590第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.4程序執(zhí)行過(guò)程舉例程序如下：

ORG1000H對(duì)應(yīng)機(jī)器碼1：MOVA，5CH；B0H5CH2：ADDA，2EH；04H2EH3：JO100AH；70H0AH10H4：MOV(0200H)，A；A2H00H02H5：HLT；F4H

程序功能：5CH+2EH,如結(jié)果無(wú)溢出，將結(jié)果存放到內(nèi)存0200H單元后停機(jī)；如有溢出，則直接停機(jī)。2023/2/591第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.4.4程序執(zhí)行過(guò)程舉例（1）將PC內(nèi)容1000H送地址寄存器MAR.(2)PC值自動(dòng)加1，為取下一個(gè)字節(jié)機(jī)器碼作準(zhǔn)備。（3）MAR中內(nèi)容經(jīng)地址譯碼器譯碼，找到內(nèi)存儲(chǔ)器1000H單元。（4)CPU發(fā)讀命令。（5）將1000H單元內(nèi)容B0H讀出，送至數(shù)據(jù)寄存器MDR.（6）由于B0H是操作碼，故將它從MDR中經(jīng)內(nèi)部總線送至指令寄存器IR.（7）經(jīng)指令譯碼器ID譯碼，由操作控制器OC發(fā)出相應(yīng)于操作碼的控制信號(hào)。（8）將PC內(nèi)容1001H送MAR.（9）PC值自動(dòng)加1。（10）MAR中內(nèi)容經(jīng)地址譯碼器譯碼，找到1001H存儲(chǔ)單元。（11)CPU發(fā)讀命令。（12）將1001H單元內(nèi)容5CH讀至MDR.(13)因5CH是操作數(shù)，將它經(jīng)內(nèi)部總線送至操作碼規(guī)定好的累加器A.啟動(dòng)程序運(yùn)行后，步驟如下：2023/2/592第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)

超級(jí)微型機(jī)(SuperMicroComputer)巨型機(jī)(SuperComputer)小巨型機(jī)(MiniSuperComputer)超小型機(jī)(SuperMiniComputer)

統(tǒng)稱(chēng)"四個(gè)Super"

它們?cè)诎l(fā)展過(guò)程中相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，既競(jìng)爭(zhēng)又借鑒，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷推陳出新，同時(shí)也使它們間的界限越來(lái)越模糊。當(dāng)今計(jì)算機(jī)的四個(gè)發(fā)展方向：2023/2/593第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在高檔微型計(jì)算機(jī)中，除普遍采用了小、中、大型計(jì)算機(jī)中早已采用的堆棧、中斷、DMA、多寄存器結(jié)構(gòu)等技術(shù)外，還相繼引入了其它三種“Super”計(jì)算機(jī)中廣泛應(yīng)用的許多現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)，如：

微程序控制技術(shù)流水線技術(shù)高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)亂序執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測(cè)技術(shù)……2023/2/594第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)1.微程序控制技術(shù)---將原來(lái)的硬件電路控制的指令操作步驟改用微程序來(lái)控制。其基本特點(diǎn)是綜合運(yùn)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)和只讀存儲(chǔ)技術(shù)，將每條指令的微操作序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)控制碼點(diǎn)的微程序存于PROM、EPROM或EPROM等可編程只讀存儲(chǔ)器中。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，就從ROM中讀出與該指令對(duì)應(yīng)的微程序，并轉(zhuǎn)化為微操作控制序列。顯然，微程序是許多微指令的有序集合，每條微指令又由若干微操作命令組成?？梢?jiàn)，執(zhí)行一條機(jī)器指令，就是執(zhí)行一段微程序或一個(gè)微指令序列。這段微程序或微指令序列稱(chēng)為指令解釋器。這種技術(shù)通過(guò)編程重寫(xiě)ROM內(nèi)容，很容易改變或增加功能，有利于加快微處理器的更新?lián)Q代，同時(shí)也有利于提高微機(jī)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和促進(jìn)模擬與仿真技術(shù)的發(fā)展。2023/2/595第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理微程序控制的基本原理示意圖及說(shuō)明：1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)2023/2/596第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)

2.流水線技術(shù)

---將每條指令分解為多步，并讓不同指令的各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理，以加速程序運(yùn)行過(guò)程的技術(shù)。

超流水線結(jié)構(gòu)：5－6級(jí)以上流水線

超標(biāo)量設(shè)計(jì)技術(shù)：含有2條以上流水線流水線技術(shù)是通過(guò)增加計(jì)算機(jī)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般一條流水線上有多少級(jí)，就應(yīng)該有多少個(gè)獨(dú)立的功能部件來(lái)支持其并行操作。2023/2/597第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)

3.高速緩存技術(shù)

在32位微處理器和微機(jī)中，為了加快運(yùn)算速度，普遍在CPU與常規(guī)主存儲(chǔ)器之間增設(shè)一級(jí)或兩級(jí)高速小容量存儲(chǔ)器，稱(chēng)之為高速緩存器(Cache)。它的存取速度大體與CPU的處理速度相當(dāng)。

有了高速緩存器，CPU在對(duì)一條指令或一個(gè)操作數(shù)尋址時(shí)，首先要看其是否在Cache中，若在，就立即存?。环駝t，就要作一常規(guī)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)，同時(shí)將所訪問(wèn)內(nèi)容及相關(guān)數(shù)據(jù)塊復(fù)制到高速緩存器中。一般CPU對(duì)Cache的命中率可在90%以上。

高速緩存器及其控制邏輯是由硬件實(shí)現(xiàn)的，對(duì)用戶(hù)或程序員是透明的，不必用戶(hù)自己控制和操作。2023/2/598第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)

4.虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)

---通過(guò)硬件和軟件的綜合來(lái)擴(kuò)大用戶(hù)可用存儲(chǔ)空間的技術(shù)。

程序預(yù)先放在外存儲(chǔ)器中，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理調(diào)度下，按某種置換算法依次調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器被CPU執(zhí)行。從CPU角度看到的是一個(gè)速度接近內(nèi)存，卻具有外存容量的假想存儲(chǔ)器，即虛擬存儲(chǔ)器

在采用虛擬存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有虛地址空間(邏輯地址空間)和實(shí)地址空間(物理地址空間)兩個(gè)地址不同的空間。虛地址空間是程序可用的空間，而實(shí)地址空間是CPU可訪問(wèn)的內(nèi)存空間。后者容量由CPU地址總線寬度決定，而前者則由CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，前者比后者大得多。2023/2/599第一章微機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理1.5高檔微機(jī)中應(yīng)用的現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)

它本質(zhì)上