微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用第五版周明德第1章概述.ppt

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微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用,,主講：楊萬春電話：13347320677郵箱：wanchunyang2008@,課程簡(jiǎn)介,本書以Intel系列芯片8086為樣本重點(diǎn)介紹了微機(jī)原理與接口技術(shù)。介紹微機(jī)系統(tǒng)原理、微處理器結(jié)構(gòu)微處理器的指令系統(tǒng)8086匯編語言程序設(shè)計(jì)IA-32微處理器的工作方式、主存儲(chǔ)器及與cpu的接口、輸入輸出、中斷及常用的微機(jī)接口電路等,先修課程,數(shù)字電路—本課程的內(nèi)容涉及到軟件和硬件的設(shè)計(jì)。后三章重點(diǎn)講解硬件設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)。在硬件設(shè)計(jì)中，用到的基礎(chǔ)知識(shí)是數(shù)字電路，如鎖存器、緩沖器等。,教學(xué)目的,微機(jī)原理與接口技術(shù)是一門非常重要的專業(yè)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生對(duì)微機(jī)原理及接口技術(shù)等有一個(gè)較全面的了解，并能掌握一定的應(yīng)用技能。學(xué)好這門課為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下個(gè)良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也為從事電子和計(jì)算機(jī)等方面的工作奠定一定的基礎(chǔ)。,課程主要內(nèi)容,本課程的主要內(nèi)容分兩大部分，即匯編語言程序設(shè)計(jì)和硬件接口電路設(shè)計(jì)。要掌握匯編語言程序設(shè)計(jì)，就必須熟練掌握以下內(nèi)容：1.匯編語言程序設(shè)計(jì)數(shù)制的表示方法及算術(shù)邏輯運(yùn)算規(guī)則微處理器的一般結(jié)構(gòu)和寄存器組織存儲(chǔ)器的分段與物理地址的形成8086/8088CPU的尋址方式8086/8088CPU的指令系統(tǒng),2.硬件接口電路設(shè)計(jì)硬件接口電路設(shè)計(jì)包括存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)和輸入輸出（I/O）接口電路設(shè)計(jì)。要掌握其設(shè)計(jì)方法，就必須熟練掌握以下內(nèi)容：8086/8088CPU的引腳功能系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)和時(shí)序存儲(chǔ)器的分類及常用存儲(chǔ)器芯片的引腳功能輸入輸出的基本方法及常用接口芯片的使用方法存儲(chǔ)器與I/O地址的譯碼方法中斷的有關(guān)概念及中斷的應(yīng)用,主要內(nèi)容,第一章概述第二章IA-32結(jié)構(gòu)微處理器第三章8086指令系統(tǒng)第四章匯編語言程序設(shè)計(jì)第五章處理器總線時(shí)序和系統(tǒng)總線第六章存儲(chǔ)器第七章輸入和輸出第八章中斷,第九章計(jì)數(shù)器和定時(shí)器第十章并行接口芯片第十一章串行通信及接口電路第十二章模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換第十三章IA-32微處理器的工作方式第十四章x86系列處理器的發(fā)展,教學(xué)要求,1、認(rèn)真聽講2、課后及時(shí)復(fù)習(xí)3、在學(xué)習(xí)中遇到問題，及時(shí)提出交流,歡迎大家進(jìn)入微機(jī)原理學(xué)習(xí)預(yù)祝大家學(xué)習(xí)愉快，順利,第1章概述,本章講述以下五部分的內(nèi)容：1.180 x86系列的概要?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),第一節(jié)介紹x86系列處理器的發(fā)展概史。第二節(jié)介紹計(jì)算機(jī)的基本原理和主要的概念及術(shù)語。第三節(jié)介紹什么是微型計(jì)算機(jī)的硬件和軟件以及軟件的主要種類。第四節(jié)介紹微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。第五節(jié)介紹多媒體計(jì)算機(jī)主要功能和組成。,1.1x86系列結(jié)構(gòu)的概要?dú)v史,1971年Intel400470年代中期Intel8080、808580年代初Intel8086、8088從8086（8088）到80286、80386、80486、奔騰（也稱為80586）、奔騰MMX、奔騰PRO（也稱為80686）、奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ，直至最新的奔騰4，形成了IA（IntelArchitecture）-32結(jié)構(gòu)。,1.Moore定律：“晶體管的大小將以指數(shù)速率變小，而集成到芯片上的晶體管數(shù)目將2－3年【18－24個(gè)月】翻一番。”－－GordonMoore，1965Intel公司成立于1968年，格魯夫（左）、諾依斯（中）和摩爾（右）。,1.1.1Intel8086,1971年1月，Intel公司霍夫等人研制成功世界上第一枚4位微處理器芯片Intel4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，主頻108KHz1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。主頻2MHz的8080芯片運(yùn)算速度比8008快10倍Zilog公司于1976年對(duì)8080進(jìn)行擴(kuò)展,開發(fā)出Z80微處理器，廣泛用于微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。直到今天，Z80仍然是8位處理器的巔峰之作,早期微型計(jì)算機(jī),1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs開發(fā)出微型計(jì)算機(jī)AppleI，4月1日愚人節(jié)這天，成立了Apple計(jì)算機(jī)公司,Intel8086,1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個(gè)3微米技術(shù)的晶體管，具有300個(gè)操作的指令集Intel在1年之后,推出4.77MHz的8位微處理器8088，準(zhǔn)16位處理器IBM公司1981年生產(chǎn)的第一臺(tái)電腦就是使用8088，這也標(biāo)志著x86架構(gòu)和IBMPC兼容電腦的產(chǎn)生,Intel8086,Intel8086,微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始x86系列結(jié)構(gòu)的最新版本的發(fā)展能追溯到Intel8086。在x86系列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)引進(jìn)32位處理器之前，是16位的處理器，包括8086處理器和隨后很快開發(fā)的80186與80286。80386是第一款32位處理器,x86系列結(jié)構(gòu)的最重要的成就之一是，從1978開始的那些處理器上建立的目標(biāo)程序仍能在x86系列結(jié)構(gòu)系列的最新的處理器上執(zhí)行。8086有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，可尋址1M字節(jié)地址空間。,Intel8086,1982年2月1日Intel成功研制出80286。80286處理器集成了大約13.4萬個(gè)晶體管，最大主頻為20MHz，采用16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線。80286引進(jìn)了保護(hù)方式，支持虛擬存儲(chǔ)器管理,Intel8286,Intel80386,Intel386處理器是x86系列結(jié)構(gòu)系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32寄存器,Intel386處理器有32位地址總線，能支持多至4G字節(jié)的物理存儲(chǔ)器。32位結(jié)構(gòu)同時(shí)支持分段的存儲(chǔ)模式和“平面（flat）”存儲(chǔ)模式。在“平面”存儲(chǔ)模式中，段寄存器指向相同地址，且每個(gè)段中的所有4G字節(jié)可尋址空間對(duì)于軟件程序員是可訪問的。,Intel80386,1.1.380486,Intel486處理器把Intel386處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，以前執(zhí)行一條指令至少要4個(gè)時(shí)鐘周期以上，Intel486處理器能在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。,80486的一個(gè)重大改進(jìn)是在x86系列處理器的芯片中引入了緩存。在芯片上增加了一8K字節(jié)的一級(jí)緩存（cache），大大增加了每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)cache中的存儲(chǔ)器訪問指令。Intel486處理器也是第一次把x87FPU（浮點(diǎn)處理單元）集成到處理器上并增加了新的引腳、位和指令，以支持更復(fù)雜和更強(qiáng)有力的系統(tǒng)（二級(jí)cache支持和多處理器支持）。,80486,1.1.4奔騰（Pentium）,Intel奔騰（Pentium）處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v，一起工作能實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。芯片上的一級(jí)cache也加倍了，8K字節(jié)用于代碼，另8K字節(jié)用于數(shù)據(jù)。,1.1.5P6系列處理器,在1995年，Intel引入了P6系列處理器。此處理器系列是基于新的超標(biāo)量微結(jié)構(gòu)上的，它建立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)。P6系列微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的之一是在仍使用相同的0.6微米、四層金屬BICMOS制造過程的情況下使處理器的性能明顯地超過奔騰處理器，用與奔騰處理器同樣的制造過程要提高性能只能在微結(jié)構(gòu)上有實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)。,IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumII、IntelPentiumIIXeon（至強(qiáng)）、IntelCeleron（賽揚(yáng)）、IntelPentiumIII和IntelPentiumIIIXeon（至強(qiáng)）處理器。,1.1.6奔騰II,IntelPentiumII處理器把MMX技術(shù)（多媒體增強(qiáng)指令集）加至P6系列處理器，并具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令caches每個(gè)擴(kuò)展至16K字節(jié)，支持二級(jí)cache的尺寸為256K字節(jié)、512K字節(jié)和1M字節(jié)。,1.1.7奔騰III,PentiumIII處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）（單指令多數(shù)據(jù)）至X86系列結(jié)構(gòu)，允許同時(shí)在多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)操作一個(gè)微指令。SSE擴(kuò)展把由IntelMMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式擴(kuò)展為新的128位寄存器和能在包裝的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。,1.1.8IntelPentium4處理器,IntelPentium4處理器是2000年推出的ia-32處理器，并是第一個(gè)基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32bit微結(jié)構(gòu)，它允許處理器能在比以前的IA-32處理器更高的時(shí)鐘速度和性能等級(jí)上進(jìn)行操作。IntelPentium4處理器有以下高級(jí)特性：,1.1.9Intel超線程處理器,Intel公司于2002年推出了具有超線程技術(shù)的IA-32列處理器。超線程（Hyper-ThreadingHT）技術(shù)允許單個(gè)物理處理器用共享的執(zhí)行資源并發(fā)地執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)分別的代碼流（線程）。以提高X86系列處理器執(zhí)行多線程操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序代碼的性能。,,不像用兩個(gè)或多個(gè)分別的IA-32物理處理器的傳統(tǒng)的MP系統(tǒng)配置，在支持HT技術(shù)的IA-32處理器中的邏輯處理器共享物理處理器的核心資源。這包括執(zhí)行引擎和系統(tǒng)總線接口。在上電和初始化以后，每個(gè)邏輯處理器能獨(dú)立地直接執(zhí)行規(guī)定的線程、中斷或暫停。,HT技術(shù)由在單個(gè)芯片上提供兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器支持在現(xiàn)代操作系統(tǒng)和高性能應(yīng)用程序中找到的進(jìn)程與線程級(jí)并行。以在每個(gè)時(shí)鐘周期期間最大地使用執(zhí)行單元。而提高了處理器的性能。,AMD公司是x86系列處理器的另一重要供應(yīng)商。它于1969年成立。于1991年推出了AM386系列，1993年推出了AM486，1997年推出了AMD-K6（相當(dāng)于具有MMX技術(shù)的奔騰處理器），2001年推出了AMDAthlon(速龍)MP雙處理器，2003年推出AMD速龍?64FX處理器，具有64位的x86-64內(nèi)核。,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),計(jì)算機(jī)自誕生以來，經(jīng)歷了4代。電子管半導(dǎo)體小規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路等。,計(jì)算機(jī)最早是作為運(yùn)算工具出現(xiàn)的。(1)它首先要有能進(jìn)行運(yùn)算的部件，稱為運(yùn)算器；(2)其次要有能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果以及為了使機(jī)器能自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算而編制的各種命令的器件，這種器件就稱為存儲(chǔ)器；(3)再次，要有能代替人的控制作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信息，使整個(gè)計(jì)算過程能一步步地自動(dòng)進(jìn)行。,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),(4)但是光有運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，所以需要有輸入設(shè)備；(5)而計(jì)算的結(jié)果(或中間過程)需要輸出，就要有輸出設(shè)備。這樣就構(gòu)成了一個(gè)基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,在計(jì)算機(jī)中，基本上有兩種信息在流動(dòng)。一種信息為數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、程序等。這些數(shù)據(jù)要由輸入設(shè)備輸入，存于存儲(chǔ)器中。人們給計(jì)算機(jī)的各種命令(即程序)，也以數(shù)據(jù)的形式由輸入設(shè)備存至存儲(chǔ)器中。在運(yùn)行時(shí)從存儲(chǔ)器中取出送入控制器，由控制器經(jīng)過譯碼后變?yōu)楦鞣N控制信號(hào)。這就是計(jì)算機(jī)中的另一種信息流即控制命令，由控制器控制輸入裝置的啟動(dòng)或停止，控制運(yùn)算器按規(guī)定一步步進(jìn)行各種運(yùn)算和處理，控制存儲(chǔ)器的讀和寫，控制輸出設(shè)備輸出結(jié)果等。,圖1-3中的各個(gè)部分構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件(Hardware)。在上述的計(jì)算機(jī)硬件中，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)。,但不論計(jì)算機(jī)的規(guī)模大小，CPU只是計(jì)算機(jī)的一個(gè)部件。必須同時(shí)具有CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備，才能構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)。拿常用的臺(tái)式機(jī)來說，有CPU、主板、內(nèi)存條、硬盤、軟盤、顯示卡、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等。這些都是計(jì)算機(jī)的部件，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)未變。,1.2.2常用的名詞術(shù)語和二進(jìn)制編碼,一、位、字節(jié)、字及字長(zhǎng)(1)位(Bit)“位”是指一個(gè)二進(jìn)制位。它是計(jì)算機(jī)中信息存儲(chǔ)的最小單位，一般用b表示。(2)字節(jié)(Byte)“字節(jié)”是指相鄰的8個(gè)二進(jìn)制位。1024個(gè)字節(jié)用KB表示，1024KB用MB表示，1024MB用GB表示，B、KB、MB和GB都是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量的單位,(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。一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng)。常見的微型計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有8位、16位、32位和64位。在目前的PC中，字（Word）定義為2字節(jié)（16位），雙字（Doubleword）為4字節(jié)（32位），四字（Quadword）為8字節(jié)（64位）,二、數(shù)字編碼,BCD碼是一種常用的數(shù)字編碼。,BCD碼：Binary-CodedDecimal，即二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。,表2-2標(biāo)準(zhǔn)BCD碼表示法,,,,,,0,十進(jìn)制數(shù),0000,標(biāo)準(zhǔn)BCD碼,0000,二進(jìn)制數(shù),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,15,63,94,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,00010000,00010001,00010101,01100011,10010100,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1111,111111,1011110,0.764=(0.011101100100)BCD,三、字符編碼,ASCII碼是常用的字符編碼。,ASCII：AmericanStandardCodeforInformationInterchange,即美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。,表2-3ASCII字符表,,,,,,,,,,,,,,,,,,LSD,MSD,0,1,2,3,4,5,6,7,000,001,010,011,100,101,110,111,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111,NUL,SOH,STX,ETX,EOT,ENQ,ACK,BEL,BS,HT,LF,VT,FF,CR,SO,SI,BLE,DC1,DC2,DC3,DC4,NAK,SYN,ETB,CAN,EM,SUB,ESC,FS,GS,RS,US,SP,!,",#,$,%,,,?,@,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,W,X,Y,Z,[,\,],?,?,、,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z,{,|,},~,DEL,ASCII碼是一種七位二進(jìn)制編碼，包括數(shù)字符號(hào)、英文字母、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、控制字符等。,四、漢字代碼,1.漢字輸入碼,如電報(bào)碼，五筆字型碼，紫光拼音等。,3.漢字交換碼,為不同漢字系統(tǒng)之間交換漢字信息而設(shè)計(jì)的，又稱“國(guó)標(biāo)碼”。如計(jì)算機(jī)之間和計(jì)算機(jī)和終端之間交換信息時(shí)。,2.漢字機(jī)內(nèi)碼,機(jī)器內(nèi)部表示漢字的代碼，又稱“內(nèi)碼”。同一漢字內(nèi)部碼是唯一的。,4.漢字字形碼,又稱字模，是描述漢字形狀的一組編碼。常用的是點(diǎn)陣字模。一個(gè)漢字寫在一個(gè)方框可以由m行n列來表示，即點(diǎn)陣。16X16點(diǎn)陣漢字有256個(gè)點(diǎn)。,1.2.3指令、程序和指令系統(tǒng),計(jì)算機(jī)的幾個(gè)主要部件構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件的基礎(chǔ)。但是，光有硬件，還只是具有了計(jì)算的可能。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)。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)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，加以翻譯和執(zhí)行。,計(jì)算機(jī)的運(yùn)算是通過取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等操作實(shí)現(xiàn)的。把要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。通常一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行什么樣的操作，能做多少種操作，是由設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的。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)，這是計(jì)算機(jī)所固有的。,在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，必須把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。用戶為解決自己的問題所編制的程序，稱為源程序(SourceProgram)。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。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只認(rèn)得二進(jìn)制數(shù)碼，所以計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來表示。,計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，就是用指令的機(jī)器碼直接來編制用戶的源程序，這就是機(jī)器語言階段。但是機(jī)器碼是由一連串的0和1組成的，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯(cuò)。所以，編寫程序成為一種十分困難而且十分繁瑣的工作。因而，逐漸進(jìn)入了匯編語言階段。用戶用匯編語言(操作碼用助記符代替，操作數(shù)也用一些符號(hào)來表示)編寫源程序。,1.2.4初級(jí)計(jì)算機(jī),為簡(jiǎn)化，先用模型機(jī)分析計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖1-5是微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它是由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、接口電路組成，通過三條總線(BUS)——地址總線(AddressBus)，控制總線(ControlBus)和雙向數(shù)據(jù)總線(DataBus)來連接。,CPU的結(jié)構(gòu)模型機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。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，它以累加器AL(Accumulator)的內(nèi)容作為一個(gè)操作數(shù)；另一個(gè)操作數(shù)由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線供給，可以是寄存器(Register)BL中的內(nèi)容，也可以是由數(shù)據(jù)寄存器DR(DataRegister)供給的由內(nèi)存讀出的內(nèi)容等；操作的結(jié)果通常放在累加器AL中。,F(Flag)是標(biāo)志寄存器，由一些標(biāo)志位組成。PC程序計(jì)數(shù)器，提供要執(zhí)行的指令的地址。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——?jiǎng)t地址由PC提供；也可以是數(shù)據(jù)——?jiǎng)t地址要由指令中的操作數(shù)部分給定)通過地址總線，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)過指令譯碼器ID(InstructionDecoder)譯碼，通過控制電路，發(fā)出執(zhí)行一條指令所需要的各種控制信息。,存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。它由256個(gè)存儲(chǔ)單元組成，為了能區(qū)分不同的存儲(chǔ)單元，對(duì)這些存儲(chǔ)單元分別編了號(hào)，用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示，這就是它們的地址如00H、01H、02H、…、FFH等；而每一個(gè)存儲(chǔ)單元可以存放8位二進(jìn)制信息(通常也用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示)，就是它們的內(nèi)容。,存儲(chǔ)器中的不同存儲(chǔ)單元，是由地址總線上送來的地址(8位二進(jìn)制數(shù))，經(jīng)過存儲(chǔ)器中的地址譯碼器來尋找的(每給定一個(gè)地址號(hào)，可從256個(gè)存儲(chǔ)單元中找到相應(yīng)于這個(gè)地址號(hào)的某一存儲(chǔ)單元)，然后就可以對(duì)這個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮鳌?(1)讀操作若已知在04號(hào)存儲(chǔ)單元中，存的內(nèi)容為10000100即84H，若要把它讀出至數(shù)據(jù)總線上，則要求CPU的地址寄存器先給出地址號(hào)04，然后通過地址總線送至存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中的地址譯碼器對(duì)它進(jìn)行譯碼，找到04號(hào)存儲(chǔ)單元；再要求CPU發(fā)出讀的控制命令，于是04號(hào)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容84H就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，由它送至數(shù)據(jù)寄存器DR，如圖1-8所示。,(2)寫操作若要把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H寫入到10號(hào)存儲(chǔ)單元，則要求CPU的AR地址寄存器先給出地址10，通過地址總線(AB)送至存儲(chǔ)器，經(jīng)譯碼后找到10號(hào)存儲(chǔ)單元；然后把DR數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H經(jīng)數(shù)據(jù)總線(DB)送給存儲(chǔ)器；且CPU發(fā)出寫的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息26H就可以寫入到10號(hào)存儲(chǔ)單元中，如圖1-9所示。,信息寫入后，在沒有新的信息寫入以前，該信息是一直保留的，而且我們的存儲(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)容不變。,執(zhí)行過程若程序已經(jīng)存放在內(nèi)存中，大部分8位機(jī)執(zhí)行過程就是取指(取出指令)和執(zhí)行（執(zhí)行指令）這兩個(gè)階段的循環(huán)。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)入到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)。,二、程序執(zhí)行過程舉例,以7+10=?為例，說明程序執(zhí)行過程。,1.查指令系統(tǒng)，編寫程序：,MOVAL，7；7?ALB0H07HADDAL，10；10+AL?AL04H0AHHLT；處理器暫停F4H,2.匯編源程序,3.機(jī)器碼放入存儲(chǔ)器,4.機(jī)器的執(zhí)行過程,(1)第一條指令(MOVAL,07H)的取指過程：,?PC的值(00H)?AR,?PC+1?PC(PC=01H),?AR中的內(nèi)容(00H)?AB?MEMORY，譯碼選中00H存儲(chǔ)單元。,?CPU發(fā)出“存儲(chǔ)器讀”信號(hào),(00H)=B0H?DB（數(shù)據(jù)總線）DR（數(shù)據(jù)寄存器）?IR（指令寄存器）?ID（執(zhí)行）,(2)ID譯碼指令，確定操作(07H?AL)，執(zhí)行指令。,?PC的值(01H)?AR,?PC+1?PC(PC=02H),?AR中的內(nèi)容(01H)?AB?MEMORY，譯碼選中01H存儲(chǔ)單元,?CPU發(fā)出“存儲(chǔ)器讀”信號(hào),?(01H)=07H?DB?DR?AL,三、指令執(zhí)行過程小結(jié),1.取指令,(1)程序計(jì)數(shù)器PC將指令地址經(jīng)地址緩沖器送到微處理外部地址總線，然后送到存儲(chǔ)器進(jìn)行地址譯碼。,(2)訪問存儲(chǔ)器某一單元，同時(shí)CPU向存儲(chǔ)器發(fā)“存儲(chǔ)器讀”控制信號(hào)（且PC←PC+1）。,(3)經(jīng)過幾百ns，在外部數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)指令的第一字節(jié)，即操作碼，它經(jīng)由CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖器→內(nèi)部總線→指令寄存器。,(4)對(duì)于多字節(jié)指令，控制部件還會(huì)發(fā)出再去存儲(chǔ)器取指令第二或第三字節(jié)的信號(hào)，每取一個(gè)字節(jié)，PC←PC+1。,2.指令譯碼,3.取操作數(shù),經(jīng)指令譯碼，如果需要取操作數(shù)，則CPU將給出操作數(shù)地址，再次訪問存儲(chǔ)器。,5.存放運(yùn)算結(jié)果,微處理器就是不斷重復(fù)以上過程，逐條執(zhí)行指令。,4.執(zhí)行指令,1.3計(jì)算機(jī)的硬件和軟件,上述的計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件。但是要計(jì)算機(jī)正確地運(yùn)行以解決各種問題，必須給它編制各種程序。為了運(yùn)行、管理和維修計(jì)算機(jī)所編制的各種程序的總和就稱為軟件。軟件的種類很多，各種軟件發(fā)展的目的都是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能和方便用戶，使用戶編制解決用戶的各種問題的源程序更為方便、簡(jiǎn)單和可靠。,1.3.1系統(tǒng)軟件,在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，人們是用機(jī)器指令碼(二進(jìn)制編碼)來編寫程序的，這就稱為機(jī)器語言。用助記符代替操作碼，用符號(hào)來代替地址，這就是匯編語言階段。但用匯編語言寫的源程序在機(jī)器中還必須經(jīng)過翻譯，變成用機(jī)器碼表示的程序(稱為目標(biāo)程序——ObjectProgram)，機(jī)器才能識(shí)別和執(zhí)行。能執(zhí)行這樣的功能的程序就稱為匯編程序(Assembler)。,為更便于用戶編寫程序，開發(fā)了各種高級(jí)語言。高級(jí)語言易于理解、學(xué)習(xí)和掌握；用戶用高級(jí)語言編寫程序也就方便多了，大大減少了工作量。但是在計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，仍必須把用高級(jí)語言編寫的源程序翻譯成用機(jī)器指令表示的目標(biāo)程序才能執(zhí)行，這樣就需要有各種解釋程序(Interpreter)。,隨著計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展(更快速，容量更大)，以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和推廣，計(jì)算機(jī)的操作也就由手工操作方式(用戶直接通過控制臺(tái)操作運(yùn)行機(jī)器)，過渡到多道程序成批地在計(jì)算機(jī)中自動(dòng)運(yùn)行方式，于是就出現(xiàn)了控制計(jì)算機(jī)中的所有資源(CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備以及計(jì)算機(jī)中的各種軟件)，使多道程序能成批地自動(dòng)運(yùn)行，并且充分發(fā)揮各種資源的最大效能的操作系統(tǒng)(OperatingSystem)。,這些為了使用和管理計(jì)算機(jī)由機(jī)器的設(shè)計(jì)者提供的軟件，統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括：(1)各種語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(Monitor)、調(diào)試程序(Debug)、故障檢查和診斷程序；(3)程序庫(kù)。為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能，便于用戶使用，機(jī)器中設(shè)置了各種標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些子程序的總和就形成了程序庫(kù)；(4)操作系統(tǒng)。,1.3.2應(yīng)用軟件,用戶利用計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件，編制解決用戶各種實(shí)際問題的程序，這些程序就稱為應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件也可以逐步標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、逐步形成了解決各種典型問題的應(yīng)用程序的組合，稱為軟件包(Package)。,1.3.3支撐軟件,支撐軟件又稱支持軟件，如數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。為了便于用戶根據(jù)需要建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，詢問、顯示、修改數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，輸出打印各種表格等，這就建立了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem)、報(bào)表、字處理等支撐軟件。,上述各種形式的程序，它們存儲(chǔ)在各種存儲(chǔ)介質(zhì)中，例如紙帶、卡片、磁盤、磁帶等，故統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的軟件?？傊?，計(jì)算機(jī)的硬件建立了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)；而各種軟件則擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)的功能，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，以及便于用戶使用。硬件與軟件的結(jié)合才形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,1.4微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu),運(yùn)算器與控制器是系統(tǒng)的核心，稱為CPU。把整個(gè)運(yùn)算器控制器即CPU集成在一個(gè)芯片上的CPU，稱之為微處理器(MicroProcessor)。CPU本身還不是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，而只是微型計(jì)算機(jī)的一部分。只有與適當(dāng)容量的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的接口電路以及必要的輸入輸出設(shè)備結(jié)合在一起，才是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)(MicroComputer)，或稱為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(MicroComputerSystem)，如圖1-28所示。,1.4.1微型計(jì)算機(jī)的外部結(jié)構(gòu),在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外部信息的傳送是通過總線進(jìn)行的。大部分微型計(jì)算機(jī)有三組總線：地址總線(AddressBus)、數(shù)據(jù)總線(DataBus)和控制總線(ControlBus)。地址總線：通常為32位，因此，可尋址的內(nèi)存單元為232=4GB。I/O接口也是通過地址總線來尋址的，它可以尋址64K個(gè)外設(shè)端口。,數(shù)據(jù)總線：目前常用的為32位。數(shù)據(jù)在CPU與存儲(chǔ)器和CPU與I/O接口之間的傳送是雙向的，故數(shù)據(jù)總線為雙向總線?？刂瓶偩€：它傳送各種控制信號(hào)，有的是CPU到存儲(chǔ)器和外設(shè)接口的控制信號(hào)，例如存儲(chǔ)器請(qǐng)求MREQ#，I/O請(qǐng)求IORQ，讀信號(hào)RD#，寫信號(hào)WR#等；有的是由外設(shè)到CPU的信號(hào)，如8086中的READY以及INT等。,思考：,1、DB和AB在結(jié)構(gòu)上有什么不同？2、如果一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和地址合用一組總線，那么用什么來區(qū)分地址和數(shù)據(jù)？,