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1、微机原理课件第一章绪论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 微处理器的发展情况：微处理器的发展情况：1.第一代微处理器（第一代微处理器（1971年开始）年开始）4位和位和8位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为：1971年年 Intel 40041972年年 Intel 8008 芯片采用芯片采用PMOS工艺，集成度为工艺，集成度为2300只只晶体管晶体管/片，时钟频率小于片，时钟频率小于1MHz，平均指，平均指令执行时间为令执行时间为1015
2、us，采用机器语言编程。，采用机器语言编程。2.第二代微处理器（第二代微处理器（1974年开始）年开始）8位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为：1974年年 Intel 8080 1974年年 Motorola MC68001975年年 Zilog Z80 1976年年 Intel 8085 芯片采用芯片采用NMOS工艺，集成度达工艺，集成度达9000只只晶体管晶体管/片，时钟频率片，时钟频率14MHz，平均指令，平均指令执行时间为执行时间为12us。用它构成的微型计算机。用它构成的微型计算机在结构上已具有计算机的体系结构，有中断在结构上已具有计算机的体系结构，有中断和和DMA等功能
3、，指令系统较为完善，软件等功能，指令系统较为完善，软件上也配备了汇编语言、上也配备了汇编语言、BASIC、FORTRAN语言和操作系统。语言和操作系统。3.第三代微处理器（第三代微处理器（1978年开始）年开始）16位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为：1978年年 Intel 80861979年年 Zilog Z8000 1979年年 Motorola 680001982年年 Intel 80286 Motorola 68010 80868086微处理器采用微处理器采用HMOSHMOS工艺，集成度达工艺，集成度达2900029000只晶体管只晶体管/片，时钟频率有片，时钟频率有5M
4、Hz5MHz、8MHz8MHz和和10MHz10MHz，平均指令执行时间，平均指令执行时间0.5us0.5us。具有丰。具有丰富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，数据库管理系统和多种高级语言，性能超过数据库管理系统和多种高级语言，性能超过了了7070年代的中低档小型机水平。值得一题的年代的中低档小型机水平。值得一题的是是80868086被用作被用作IBM PCIBM PC的的CPUCPU，时钟频率为，时钟频率为5MHz5MHz，数据总线，数据总线1616位，地址总线位，地址总线2
5、020位，可寻位，可寻址址1M1M字节内存空间。字节内存空间。由于由于80868086缺乏存储器管理，缺乏存储器管理，19841984年，年，IntelIntel公司起用公司起用80286 CPU80286 CPU，研制了，研制了IBM IBM PC/ATPC/AT机。机。8028680286与与80868086向上兼容，有向上兼容，有2424位地位地址总线，寻址能力达址总线，寻址能力达16M16M字节，时钟频率可字节，时钟频率可达达25MHz25MHz。IBM PC/ATIBM PC/AT的运算速度比的运算速度比IBM IBM PC/XTPC/XT（8086CPU8086CPU）快十）快十1
6、212倍，包含了存储器倍，包含了存储器管理和保护方式，支持虚拟存储管理和保护方式，支持虚拟存储器体系，满器体系，满足了多用户和多任务的工作需要。足了多用户和多任务的工作需要。4.第四代微处理器（第四代微处理器（1983年开始）年开始）32位微处理器，典型产品为：位微处理器，典型产品为：1983年年 Zilog Z80000 1984年年 Motorola 68020 1985年年 Intel 80386 1989年年 Intel 80486 Motorola 68040 80386 CPU采用采用CHMOS工艺，集成度工艺，集成度高达高达15万万50万只晶体管万只晶体管/片，时钟频率片，时钟频
7、率1640MHz，平均指令执行时间小于，平均指令执行时间小于0.1us。数据总线和地址总线均为数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高位，寻址能力高达达4G字节，采用段页式存储器管理机制，字节，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储，容量高达提供带有存储器保护的虚拟存储，容量高达2的的46次方字节，运算速度达到次方字节，运算速度达到300万万400万条指令万条指令/秒。采用秒。采用6级流水线，即取指令，级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。操作。1989年年Intel公司又推出了高性能公司又推出了高性能32位微位微
8、处理器：处理器：Intel 80486，集成度达，集成度达120万只晶万只晶体管体管/片，系统性能为片，系统性能为80386的的24倍，增加倍，增加了片内协处理器，片内高速缓存（了片内协处理器，片内高速缓存（Cache）内部数据总线为内部数据总线为64位。位。80486采用了采用了RISC技技术（术（Reduced Instruction Set Computer-简简化指令集合计算机），降低了每条指令执行化指令集合计算机），降低了每条指令执行的时间，使的时间，使80486的处理速度极大提高，相的处理速度极大提高，相同时钟频率下运算速度比同时钟频率下运算速度比80386快快30%。5.第五代微
9、处理器（第五代微处理器（1993年开始）年开始）典型产品为：典型产品为：1993年年 Pentium 586 1995年年 Pentium Pro1996年年 Pentium MMX1997年年 Pentium II1999年年 Pentium III2000年年 Pentium 41-2 微型计算机系统微型计算机系统 从大型计算机到微型计算机，其基本结从大型计算机到微型计算机，其基本结构属于冯构属于冯 诺依曼型计算机，如图诺依曼型计算机，如图1-1所示。所示。图图1-1 计算机基本结构计算机基本结构为中心为中心一、一、微型计算机及其系统微型计算机及其系统1.微处理器微处理器 微处理器只是一个
10、中央处理器微处理器只是一个中央处理器(CPU)，由算术逻辑部件（由算术逻辑部件（ALU），累加器和通用），累加器和通用寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑部寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑部件，内部总线等组成。典型结构如图件，内部总线等组成。典型结构如图1-2所所示。示。AH ALBH BLCH CL DH DLSPBPSIDIIPCSDSSSES控制逻辑PSW数据寄存器指针及变址寄存器段寄存器ALU图图1-2 微处理器的结构微处理器的结构ALU（算术逻辑单元）：完成算术运算（算术逻辑单元）：完成算术运算（+，-，等操作）和逻辑运算（与，或，非，异或等操作）等操作）和逻辑运算（与，或，非，
11、异或等操作）数据寄存器和指针及变址寄存器：存放参加运数据寄存器和指针及变址寄存器：存放参加运算的数据、中间结果或地址。算的数据、中间结果或地址。控制逻辑部件：负责对整机的控制，包括从存储器中控制逻辑部件：负责对整机的控制，包括从存储器中取指令，对指令进行译码和分析，发出响应的控制信取指令，对指令进行译码和分析，发出响应的控制信号和时序，送到微型计算机的其他部件，使号和时序，送到微型计算机的其他部件，使CPU内部内部及外部协调工作。及外部协调工作。PSW（标志（标志/状态寄存器）：存放状态寄存器）：存放ALU运算结运算结果的特征。果的特征。2.微型计算机微型计算机 微型计算机由微型计算机由CPU
12、，存储器，输入，存储器，输入/输出输出接口电路和系统总线构成。如图接口电路和系统总线构成。如图1-3所示。所示。图图1-3 微型计算机的组成微型计算机的组成不包括不包括CPU：是计算机的核心，它的性能决定了整：是计算机的核心，它的性能决定了整个微型计算机的各项关键指标，如运算速度，个微型计算机的各项关键指标，如运算速度，内存容量，存取时间等。内存容量，存取时间等。存储器：有存储器：有ROM和和RAM。每个存储单元存。每个存储单元存放一个字节数据，即放一个字节数据，即8位二进制数据，每个位二进制数据，每个存储单元对应一个地址。地址和地址单元的存储单元对应一个地址。地址和地址单元的内容常用内容常用
13、16进制数表示。进制数表示。输入输入/输出接口电路：是输出接口电路：是CPU(或存储器或存储器)与外与外部设备连接的桥梁。部设备连接的桥梁。(为什么要使用接口电为什么要使用接口电路？路？)系统总线：按传送信息的类型分三类：系统总线：按传送信息的类型分三类：数据总线：双向数据总线：双向地址总线：单向地址总线：单向控制总线：双向控制总线：双向3.微型计算机系统微型计算机系统 以微型计算机为主体，配上外部输入以微型计算机为主体，配上外部输入/输输出设备及系统软件就构成了微型计算机系统。出设备及系统软件就构成了微型计算机系统。外设用来实现数据的输入外设用来实现数据的输入/输出。如键盘、扫输出。如键盘、
14、扫描仪等都是输入设备，打印机、显示器等都描仪等都是输入设备，打印机、显示器等都是输出设备。没有配置软件的计算机称为裸是输出设备。没有配置软件的计算机称为裸机，仍然什么事也干不了，必须配上系统软机，仍然什么事也干不了，必须配上系统软件和应用软件。图件和应用软件。图1-4所示的是微型计算机系所示的是微型计算机系统的组成框图。统的组成框图。运算器控制器寄存器组RAMROMI/O端口I/O外设系统软件图图1-4 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成微型计算机系统微型计算机微处理器系统总线二、存储器二、存储器 存储器用来存储数据和程序。存储器一存储器用来存储数据和程序。存储器一般分为两大类，内部存储
15、器（内存或主存）般分为两大类，内部存储器（内存或主存）和外部存储器（外存或辅存）。内存存放当和外部存储器（外存或辅存）。内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，前正在使用或经常使用的程序和数据，CPU可以直接访问；外存存放可以直接访问；外存存放“海量海量”数据，相数据，相对来说不经常使用，对来说不经常使用，CPU使用时要先调入内使用时要先调入内存。存。图图1-5 存储体系存储体系三、三、I/O接口接口 I/O接口即输入接口即输入/输出接口电路用于输出接口电路用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。（或存储器）与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与由于外设种类繁多，这些设备与
16、CPU之间的之间的工作速率不同、信号电平不同、数据格式不工作速率不同、信号电平不同、数据格式不同，因此要配备不同的同，因此要配备不同的I/O接口电路来辅助接口电路来辅助CPU工作，实现工作，实现CPU与外设之间的信息交换。与外设之间的信息交换。四、总线四、总线 在计算机系统中，各个部件之间传送信在计算机系统中，各个部件之间传送信息的息的公共通道公共通道叫总线。微型计算机是以总线叫总线。微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。各个部件都面结构来连接各个功能部件的。各个部件都面向总线，系统功能扩展时，只要符合总线标向总线，系统功能扩展时，只要符合总线标准，部件就可以加入到此系统中去。准，部件就
17、可以加入到此系统中去。1.总线标准的特性总线标准的特性1）物理特性：物理特性指的是总线物理连）物理特性：物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等等。插座是什么形状、引脚是如何排列等等。2）功能特性：功能特性描述的是总线中每）功能特性：功能特性描述的是总线中每一根线的功能是什么。从功能上看，总线一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成分成3组：地址总线、数据总线和控制总线。组：地址总线、数据总线和控制总线。3）电器特性：电器特性定义每一根线上信）电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传输方向及有效电平范围
18、。号的传输方向及有效电平范围。4）时间特性：时间特性定义了每根线上的）时间特性：时间特性定义了每根线上的信号在什么时间有效。信号在什么时间有效。2.总线分类总线分类从总线的不同使用角度可以分为以下几类：从总线的不同使用角度可以分为以下几类：1）内部总线）内部总线 内部总线是微处理器内部各个部件之间内部总线是微处理器内部各个部件之间传送信息的通道。由于制造芯片的面积和引传送信息的通道。由于制造芯片的面积和引脚的限制，目前内部总线大多数采用单总线脚的限制，目前内部总线大多数采用单总线结构，有利于集成度提高及成品率提高。有结构，有利于集成度提高及成品率提高。有的微处理器内部采用双总线或三总线结构，的
19、微处理器内部采用双总线或三总线结构，有利于内部数据传送速度加快。内部总线是有利于内部数据传送速度加快。内部总线是由微处理器芯片厂家生产设计的。由微处理器芯片厂家生产设计的。2）元件级总线）元件级总线 元件级总线是连接计算机系统中两个重元件级总线是连接计算机系统中两个重要部件的总线。元件级总线包括地址总线、要部件的总线。元件级总线包括地址总线、数据总线和控制总线三种。数据总线和控制总线三种。地址总线是地址总线是CPU用来向存储器或用来向存储器或I/O端口端口传送地址的，是三态单向总线。地址总线的传送地址的，是三态单向总线。地址总线的位数决定了位数决定了CPU可直接寻址的内存容量。可直接寻址的内存
20、容量。8位位微型机的地址总线为微型机的地址总线为16位，最大寻址范围为位，最大寻址范围为216=64KB。16位微处理器位微处理器8086的地址总线为的地址总线为20位，最大寻址范围为位，最大寻址范围为220=1MB。数据总线是数据总线是CPU与存储器及外设交换数与存储器及外设交换数据的通路，是三态双向总线，数据总线的位据的通路，是三态双向总线，数据总线的位数与微处理器的位数相同，一般为数与微处理器的位数相同，一般为8位，位，16位，位，32位等。位等。Intel 8088CPU内部字长为内部字长为16位，外位，外部数据总线为部数据总线为8位，故称为准位，故称为准16位微处理器。位微处理器。控
21、制总线是用来传送控制信号的，传送控制总线是用来传送控制信号的，传送方向就具体信号而定，如方向就具体信号而定，如CPU向存储器或向存储器或I/O接口电路发送读、写信号，片选信号；而接口电路发送读、写信号，片选信号；而I/O接口部件向接口部件向CPU输入复位信号、中断请求信输入复位信号、中断请求信号和总线请求信号等。控制总线宽度根据系号和总线请求信号等。控制总线宽度根据系统需要确定，一般为统需要确定，一般为8位。位。3）系统总线）系统总线 系统总线是微处理器机箱内的底板总线，系统总线是微处理器机箱内的底板总线，用来连接构成微处理器的各个插件板。在用来连接构成微处理器的各个插件板。在80 x86系列
22、微机系统中，使用的系统总线主要系列微机系统中，使用的系统总线主要有下列几种：有下列几种：ISA总线：工业标准体系结构（总线：工业标准体系结构（Industry Standard Architecture）总线。）总线。EISA总线：扩展工业标准体系结构总线：扩展工业标准体系结构（Extended Industry Standard Architecture）VESA总线：视频电子标准协会（总线：视频电子标准协会（Video Electronics Standards Association）联合多家）联合多家公司推出的全开放通用局部总线。公司推出的全开放通用局部总线。PCI总线：外设互连（总线
23、：外设互连（Peripheral Component Interconnect）局部总线。）局部总线。4）外部总线）外部总线 外部总线用于微机系统与系统之间，系外部总线用于微机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。这种总线的统与外部设备之间的信息通路。这种总线的数据的传送方式有并行方式和串行方式。例数据的传送方式有并行方式和串行方式。例如串行通信的如串行通信的RS-232总线，总线，USB总线等。总线等。3.总线结构总线结构 随着微型计算机的发展，总线的结构从随着微型计算机的发展，总线的结构从面向系统的单总线结构发展到面向存储器的面向系统的单总线结构发展到面向存储器的双总线结构：双总线
24、结构：1）单总线结构）单总线结构图图1-7 微机单总线结构微机单总线结构 如图所示，系统的内部存储器如图所示，系统的内部存储器I/O接口均挂在接口均挂在单总线上。单总线上。CPU与主存，与主存，CPU与与I/O接口，存储器接口，存储器和和I/O接口及各个接口及各个I/O接口之间的信息传送都通过总接口之间的信息传送都通过总线来进行。由于系统所有的部件和设备都连在一组线来进行。由于系统所有的部件和设备都连在一组总线上，总线只能分时工作，使数据传输量受限。总线上，总线只能分时工作，使数据传输量受限。2）面向）面向CPU的双总线结构的双总线结构图图1-8 面向面向CPU的双总线结构的双总线结构 如图所
25、示，面向如图所示，面向CPU的双总线结构通过存储总的双总线结构通过存储总线使线使CPU对主存储器进行读对主存储器进行读/写操作；而写操作；而CPU与与I/O设备之间的信息交换通过设备之间的信息交换通过I/O总线，这样提高了微总线，这样提高了微机系统的数据传送效率。双总线结构的缺点是外设机系统的数据传送效率。双总线结构的缺点是外设与主存之间没有直接通路，要通过与主存之间没有直接通路，要通过CPU进行信息交进行信息交换，降低了换，降低了CPU的工作效率。的工作效率。3）面向主存储器的双总线结构）面向主存储器的双总线结构图图1-9 面向主存储器的双总线结构面向主存储器的双总线结构 如图所示，它结合了
26、以上两种总线结构的特点，如图所示，它结合了以上两种总线结构的特点，所有的部件和设备均挂到总线上，可通过总线交换所有的部件和设备均挂到总线上，可通过总线交换信息，同时又在信息，同时又在CPU与主存储器之间增加了一组高与主存储器之间增加了一组高速存储总线，使速存储总线，使CPU与主存之间可直接高速交换信与主存之间可直接高速交换信息。息。五、微型计算机的性能指标五、微型计算机的性能指标1）主频：主频是指微型计算机中）主频：主频是指微型计算机中CPU的时的时钟频率，微机运行的速率与主频有关。钟频率，微机运行的速率与主频有关。2）字长：字长指微机能够直接处理的二进）字长：字长指微机能够直接处理的二进制的
27、位数，字长越长运算精度越高，功能制的位数，字长越长运算精度越高，功能越强。越强。3）内存容量：内存容量指微机存储器能存）内存容量：内存容量指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量越大，能存储储信息的字节数，内存容量越大，能存储信息越多，信息处理能力就越强。信息越多，信息处理能力就越强。4）存取周期：存取周期是指主存储器完成）存取周期：存取周期是指主存储器完成一次读写所需的时间，存取时间越短，存一次读写所需的时间，存取时间越短，存取速率越快，整机的运算速率越高。存取取速率越快，整机的运算速率越高。存取周期与主存储器指标有关。周期与主存储器指标有关。5）运算速率：运算速率指微机每秒所能执）运算速率：运算速率指微机每秒所能执行的指令条数，单位用行的指令条数，单位用MIPS（Million Instruction Per Second），即百万条指令），即百万条指令/秒。秒。