微機原理與接口技術第一章

微機原理與接口技術第一章第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微機原理與應用【內容提要】本章從電子計算機的基本結構和工作入手，著重介紹微處理器和微計算機的基本概念、組成、特點、名詞術語和應用形態(tài)，是學習本課程的基礎知識。并以當今國內外廣泛應用的IBMPC系列計算機為例，使學習者對微計算機系統(tǒng)的結構有一初淺的認識，以此引出本課程學習的內容，明確達到的要求。第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第一章概述第一節(jié):計算機發(fā)展概述計算機發(fā)展里程碑式的人物不能不提的至少有三名:Alan.M.Turling(1912-1954)英國數學家現代計算機思想的奠基人,1936年提出理想通用機的設想,它能接受指令而處理任何形式的信息.為計算機的實現提供了理論性和方向性的指導.第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六CloudeShannon(1916-…)美國人,信息論的開山鼻祖,著有<<通信的數學理論>>.1937年的碩士論文<<繼電器和開關電路的符號分析>>描述了用繼電器的正確排列而實現二進制數的控制與運算,對計算機的硬件實現以及計算機科學的發(fā)展具有巨大的意義!第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六VonNeuman(1903-1957),匈牙利人,神童,數學家.1930年到普林斯頓大學任客座教授,講授量子力學.最大的貢獻是引爆原子彈的方法:內爆法.‘曼哈頓計劃’的主持者.他改進了由美國賓夕法尼亞大學Mauchly教授發(fā)展的ENIAC(世界上第一臺電子管計算機):1)用二進制方法2)用內存儲器而不是用外部開關提出了著名的計算機的普林斯頓結構,又稱馮.諾曼結構.第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六“計算機是一群計算機人制造給另一群計算機人服務的機器……..”這種狀態(tài)一直持續(xù)了30年這樣,現代意義上的計算機就誕生了.1946/2/15日ENIAC的交付使用意味著現代計算機發(fā)展的里程碑.1955年馮.諾曼被任命為美國原子委員會委員,1957年去世.自1946---1977年Apple機出現之前,計算機一直是美國有名的幾家大公司壟斷的產品如IBM/DEC/DG/Gray,應用客戶都是大部門,如軍事,氣象等.無論民間或專業(yè)人士對計算機都持類似的觀點,1977年Apple機的出現是(微型)計算機發(fā)展的里程碑,它徹底的改變了人們的觀念,也改變了我們的生活.第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)微型計算機的發(fā)展進程1975年,Altair8800誕生,2MHzIntel8080,256bytesstandardRAM1976年，喬布斯與沃茲合伙組建Ａｐｐｌｅ公司,賣出50臺apple-I,1977年apple-II誕生.從1977年Apple

Ⅱ上市后，到１９８１年計算機行業(yè)的“巨人”———ＩＢＭ宣布也進入個人電腦市場時，蘋果公司的利潤已達３．３５億美元。１９８２年的利潤高達５．８３億美元。史蒂夫·喬布斯令人瞠目結舌的偏執(zhí)和標新獨斷的性格注定了蘋果電腦將走上固步自封、特立獨行的道路。蘋果電腦逐步走進了一個完全禁錮的圈子，它的CPU用的不是英特爾的CPU，操作系統(tǒng)也不是微軟的Windows，甚至包括蘋果電腦的硬件和軟件都是專用的。蘋果電腦完全脫離了PC的世界，或者說，它脫離了普通消費者的視線，而一步一步成為美術、廣告、圖形設計等特定領域專愛的產品。蘋果電腦自我封閉的直接結果是，在美術、廣告、圖形設計等特定領域里，蘋果電腦牢牢地控制了一切，然而，它失去了更為廣闊的大眾消費市場。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六

蘋果電腦譜寫了電腦史上一段不朽的傳奇。即使是對英特爾公司董事長安迪·格魯夫和微軟公司董事長比爾·蓋茨這兩位已經堪稱IT業(yè)泰斗的人物來說，開創(chuàng)蘋果電腦傳奇的史蒂夫·喬布斯也同樣為他們所崇敬。

1981年IBM推出PC機當時IMB占80%的大型計算機市場份額,而小型機主要為DEC/GD公司占統(tǒng)治地位.為在一年的斷時間內搶占市場,它拋棄了自己制造硬件/軟件的傳統(tǒng)方式,選擇了一條捷徑:采用開放式的硬件/軟件結構，用市場已有的元件構造IPMPC機,它的這一決定,帶來了它自己也預料不及也控制不到的結果,造成了個人PC的空前發(fā)展,并扶植了兩個公司,Inter/Microsoft,徹底改變了計算機市場份額的格局.第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六1981年IBMPC硬件:Inter8080CPU軟件:UCSD-PASCAL-PSYSTEM450$CP/MSYSTEM170$PC-DOSSYSTEM60$1982年IBMPC/XT10MBHD80861984年IBMPC/AT802861986年Compaq首推80386DX的PC兼容機1987年IBM用壟斷PS2硬件及OS/2操作系統(tǒng)以挽回頹勢……….1989年Intel推出80486DXCPU,從此,Intel站到了前臺!第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六Intel的CPU發(fā)展歷史1974年：Intel8080采用了6m生產工藝，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)的指令數上升到246條。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第一代：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。它的寄存器和數據總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空間達1MB。同時，CPU的內部結構也有很大的改進，采用了流水線結構，并設置了6字節(jié)的指令預取隊列1979年--8088除了它的數據總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位數據總線是為了利用當時現有的8位設備控制芯片。由于8088內部支持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。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第二代：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的數據總線仍然為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)總線結構，這就是的工業(yè)標準結構（ISA）。該結構提供了一個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）。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第三代：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的內部寄存器、數據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達到超級小型機的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含16位數據總線和24位地址總線，尋址空間為16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位數據總線和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。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第四代：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體系結構的主處理器，一個與80387相兼容的數學協(xié)處理器和一個8KB容量的高速緩沖存儲器。80486把80386的內部結構做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內完成，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公司還生產過80486的其他一些版本：80486SX，工作頻率20MHz，不包含數學協(xié)處理器；80486DX2，采用雙倍時鐘，內部執(zhí)行速度達到66MHZ，內存存取速度為33MHz；80486DX4，采用三倍時鐘，內部執(zhí)行速度達到100MHZ，內存存取速度為33MHz。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第五代：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，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構上，Pentium在內核中采用了RISC技術，可以說它是CISC和RISC技術相結合的產物第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第六代：P6（1996-2001）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII采用0.13m-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級超標量流水線結構，一個時鐘周期可以執(zhí)行3條指令第七代：（P7）(2000.11--)PentiumIV

WillametteP4的256KBCache到NorthwoodP4(Cache512K),內集成的晶體管數目5500萬,Pentium4采用最新的0.13加工工藝制造，目前英特爾已經確立了4GHz的開發(fā)目標,并支持HyperthreadingTechnology.第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的組成和結構微型計算機的基本組成和工作第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件系統(tǒng)第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六馮·諾依曼結構：由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成控制器根據存放在存儲器中的指令序列（即程序）工作，并由一個程序計數器（PC）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能夠根據計算結果選擇不同的動作流程數據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第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機系統(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第三節(jié)微處理器、微記算機、微處理器系統(tǒng)

第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機系統(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。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機系統(tǒng)的三個層次微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構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)第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第五節(jié)微計算機系統(tǒng)的組成一硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成二軟件（一）程序設計語言：機器語言、匯編語言、高級語言。（二）系統(tǒng)軟件：監(jiān)控程序和操作系統(tǒng)、各種程序設計語言的翻繹器和實用程序（三）應用程序三微計算機系統(tǒng)結構特點（一）軟件的固化（二）總線結構第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的總線結構體系第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的總線結構體系第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微計算機軟件系統(tǒng)的組成

上面我們所講述的是計算機的硬件。光有硬件，只是有了計算的可能，計算機要真正能夠進行計算，還必須要有軟件的配合。例如：4+5這種簡單運算,需要以下幾個步驟:①把第一個數從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器;②把第二個數從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器;③相加;④把加完的結果送至存儲器中指定的存儲單元.所有這些取數、送數、相加、存數等等都是一種操作.第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六?

指令----我們把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來,就是指令.通常一條指令對應著一種基本操作,但是計算機怎么能夠辨別和執(zhí)行這些操作呢?這是由設計時設計人員賦予它的指令系統(tǒng)決定的.一個計算機能執(zhí)行什么樣的操作,能做多少種操作,是由設計計算機時所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的.?指令系統(tǒng)-----一條指令對應著一種基本操作,計算機所能執(zhí)行的全部指令,就是計算機的指令系統(tǒng).這是計算機所固有的.第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六?程序----我們在使用計算機時,必須把我們要解決的問題編成一條條指令,這些指令的集合就稱為程序.(這些指令必須是我們所用的計算機能識別和執(zhí)行的指令,也即每一條指令必須是一臺特定的計算機的指令系統(tǒng)中具有的指令.)源程序---用戶為解決自己的問題所編的程序,稱為源程序.?指令形式----指令通常分成操作碼(Opcode)和操作數(Operand).操作碼表示計算機執(zhí)行什么操作,操作數指明參加操作的數本身或操作數所在的內存中的位置.因為計算機只認得二進制數碼,所以計算機指令系統(tǒng)中的所有指令,都必須以二進制編碼的形式來表示.第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六①把第一個數從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器;②把第二個數從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器;③相加;④把加完的結果送至存儲器中指定的存儲單元.

A00020MOVAL,[2000H]A81E0120MOVBL,[2001H]00D8ADDAL,BLA20030MOV[3000H],AL機器語言匯編語言第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六?機器語言----計算機發(fā)展的初期,就是用指令的機器碼直接來編制用戶的源程序,這就是機器語言階段.?匯編語言----由于機器碼是由一連串的0和1組成的,不好記憶,容易出錯,因而后來人們用一些助記符(Mnemonic)來代替操作碼,如上所示.這樣,每條指令有明顯的特征,易于理解記憶,這便是匯編語言階段.?程序的存放----要求機器能自動執(zhí)行這些程序,就必須把這些程序存放到存儲器的某個區(qū)域.計算機在執(zhí)行時把這些指令一條條取出來加以執(zhí)行.第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六軟件系統(tǒng)第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六符號數的表示把二進制數的最高一位定義為符號位，符號位為0表示正數，符號位為1表示負數這種在計算機中使用的、連同符號位一起數值化了的數，稱為機器數。機器數所表示的真實的數值，稱為真值。對于符號數，機器數常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數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的原碼符號位保持不變，其余位取反就是機器數的另一種表示方法，反碼表示法。正數的反碼與原碼相同。將負數的反碼加1，則得到機器數的補碼表示。正數的補碼與原碼相同。第六節(jié)微計算機數和字符的表示第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六1.計算機中用2進制表示法/16進制表示法(10010011)B

8位2進制數(93)H

2位16進制數其中,8位2進制數的表示范圍為:0--------255(無符號數)-128------+127(有符號數)2.計算機完全用補碼表示:符號數的表示第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六例如:(+105)10=(01101001)2=69H[+105]原=(01101001)2[-105]原=(11101001)2[+105]補=(01101001)2[-105]補=(10010111)2[+105]反=(01101001)2[-105]反=(10010110)2第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六[XY]補=[X]補+[Y]補其中X，Y為正負數均可，符號位參與運算。模（module）就是一個計數系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進位計數制基數為底，以位數為指數的冪。凡是用器件進行的運算都是有模運算，運算結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)則第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六補碼加減法的運算規(guī)則例.設X=+33，Y=+15，以28為模，用補碼運算求X+Y和X-Y。[+33]補(00100001)2

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[+15]補(00001111)2[+48]補(00110000)2第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六[--33]補(11011111)2

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[+15]補(00001111)2[--18]補(11101110)2

[+33]補(00100001)2

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[--15]補(11110001)2[+18]補(000100010)

2第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六[--33]補(11011111)2

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[--15]補(11110001)2[--48]補(11010000)2

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[--15]補(11110001)2[--18]補(11101110)2第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六

[+33]補(00100001)2

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[--15]補(11110001)2[+48]補(00110000)2第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六[+33]補(00100001)2

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[--15]補(11110001)2[+48]補(00110000)2例.設X=+33，Y=+15，以28為模，用補碼運算證明:[X+Y]補=[X]補–[--Y]補。證:[X+Y]補=

[+48]補(00110000)2

[X]補–[--Y]補=[+48]補(00110000)2第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六當運算結果超出補碼表示的數值范圍時，補碼運算就不正確了。這種現象稱為溢出。對于n位補碼，當時應用補碼運算可以得到正確的結果第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六有符號數運算的溢出問題:

[+72]補(01001000)2

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[+98]補(01100010)2[--86]補0(10100101)2

[--83]補(10101101)2

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[--80]補(10110000)2[+48]補1(01011101)2溢出溢出進位Cp=1進位Cs=0結論:溢出(overflag)第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六無符號數的表示五符號數的最高位不是符號位而是數值的一部分第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六非數值數據的表示

ASCII碼采用7位二進制代碼對字符進行編碼數字0~9的編碼是0110000~0111001，它們的高3位均是011，后4位正好與其對應的二進制代碼相符。英文字母A~Z的ASCII碼從1000001（41H）開始順序遞增，字母a~z的ASCII碼從1100001（61H）開始順序遞增，這樣的排列對信息檢索十分有利。美國標準信息交換代碼第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六ASCII碼第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構系統(tǒng)連接CPU一般包括控制器和運算器,CPU用三總線(外部總線)DB(databus)----------8086為16bit,80386為32bitAB(addressbus)---------8086有20根地址線(可尋址220個8位地址,)CB(controlbus)-------------例如讀寫控制及中斷請求等將存儲器（ROM/RAM）,輸入I／輸出O接口電路連接起來第七節(jié)微型計算機的結構及工作原理第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構二.典型的微處理器微處理器一般包括四個主要部:1.寄存器陣列通用寄存器,專用寄存器2.運算器累加器,暫存器,ALU,FLG3.控制器指令寄存器IR,指令譯碼器ID,定時控制器4.數據及I/O緩沖器總線緩沖器,隔離CPU內外總線,并提供附加的總線驅動能力采用內部總線連接.第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六1.寄存器陣列2.運算器4.數據及I/O緩沖器3.控制器第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構四位并行加法器第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六算術邏輯單元(ALU)微型計算機的硬件體系結構15H+37H=4CHA,F改變

A+BA第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構三.典型存儲器的內部結構12354第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六微型計算機的硬件體系結構存儲器的讀寫操作第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期六四.微機的工作原理及程序執(zhí)行過程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，使計算機能像快速存取數據一樣地快速存取組成程序的指令。為實現控制器自動連續(xù)地執(zhí)行程序，必須先把程序和數據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動實現程序