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1、开始欢迎同学们进入微机世界探索计算机的工作原理提高计算机的智能化水平学习愉快 宁静的画面,可以使人安静的进入学习状态,唤醒人的学习意识.宁静以致远新编16/32位微型计算机原理及应用李继灿 主编第1章 微机系统导论 电子计算机是 电子计算机是20 20世纪最新科技成就之一。自从 世纪最新科技成就之一。自从1946 1946年第一台电子计算机问世以来，随着计算机逻 年第一台电子计算机问世以来，随着计算机逻辑元件的不断更新，它已经历了电子管、辑元件的不断更新，它已经历了电子管、晶体管、晶体管、集成电路以及大规模、超大规模集成电路四代发展 集成电路以及大规模、超大规模集成电路四代发展时期。微型计算机
2、 时期。微型计算机(简称微机 简称微机)是第四代电子计算 是第四代电子计算机向微型化方向发展的一个非常重要的分支。机向微型化方向发展的一个非常重要的分支。本章首先从总体上说明微机系统组成的基本概念，本章首先从总体上说明微机系统组成的基本概念，并对硬件系统和软件系统两大部分的具体组成予以简要 并对硬件系统和软件系统两大部分的具体组成予以简要介绍；然后 介绍；然后,重点讨论典型的单总线微机硬件系统构，重点讨论典型的单总线微机硬件系统构，微处理器组织及各部分的作用，存储器组织及其读写操 微处理器组织及各部分的作用，存储器组织及其读写操作过程；在此基础上，将微处理器和存储器结合起来组 作过程；在此基础
3、上，将微处理器和存储器结合起来组成一个最简单的微机模型，通过具体例子说明微机的运 成一个最简单的微机模型，通过具体例子说明微机的运行机理与工作过程；最后给出评价微机系统性能的主要 行机理与工作过程；最后给出评价微机系统性能的主要性能指标。性能指标。微机系统导论1.1 1.1 微机系统组成微机系统组成1.2 1.2 微机硬件系统结构微机硬件系统结构1.3 1.3 微处理器组成微处理器组成1.4 1.4 存储器概述存储器概述1.5 1.5 微机工作过程微机工作过程1.6 1.6 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标1.1 微机系统组成一、几个基本定义(一)微处理器 微处理器简称P或MP(M
4、icroprocessor)是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件，又称为微处理机。它本身并不等于微型计算机，而只是其中央处理器。有时为区别大、中、小型中央处理器CPU(Central Processing Unit)与微处理器，而称后者为MPU(Microprocessing Unit)。通常在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）、RISC（reduced instruction set computer）、ARM、MCU:Micro Controller Un
5、it、SC:Single Chip、ES:Embedded System、Soc:System On chip(二 二)微型计算机 微型计算机l l 微型计算机 微型计算机 简称 简称C C或 或MC MC，是指以微处理器 是指以微处理器为核心，为核心，配上存储器、配上存储器、输入输 输入输出接口电路及系统总线所组成的计 出接口电路及系统总线所组成的计算机 算机(又称主机或微电脑 又称主机或微电脑)。l l 单板机、多板机或单片微型计算机 单板机、多板机或单片微型计算机 当把微处理器、存储器和输入 当把微处理器、存储器和输入输出接口电路统一组装在一块或 输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上
6、或集成在单片芯片上，多块电路板上或集成在单片芯片上，则分别称之为单板机、多板机或单 则分别称之为单板机、多板机或单片微型计算机。片微型计算机。(Microcomputer)Microcomputer)(三三)微型计算机系统微型计算机系统 微型计算机系统 微型计算机系统(Microcomputer system)Microcomputer system)简称 简称CS CS或 或MCS MCS，是指以微型 是指以微型 计算机为中心 计算机为中心,以相应的外围 以相应的外围 设备、电源和辅助电路 设备、电源和辅助电路(统称 统称 硬件 硬件)以及指挥微型计算机工 以及指挥微型计算机工 作的系统软件
7、所构成的系统。作的系统软件所构成的系统。二、微型计算机系统的组成二、微型计算机系统的组成 微型计算机系统由硬件和软件两个主要部分组成。微型计算机系统由硬件和软件两个主要部分组成。(一 一)硬件 硬件微处理器 微处理器:微机的计算、控制中 微机的计算、控制中心，用来实现算术、心，用来实现算术、逻辑运算以 逻辑运算以及其他操作 及其他操作,并对全机进行控制。并对全机进行控制。存储器 存储器:(主存或内存 主存或内存)用来存储 用来存储可以供微处理器直接运行的程序 可以供微处理器直接运行的程序或处理的数据。或处理的数据。输入输出 输入输出(I I O):O):接口芯片是 接口芯片是微处理器与外部输入
8、 微处理器与外部输入/输出设备之 输出设备之间的接口。间的接口。最流行的实际微机硬件系统一般都是由：最流行的实际微机硬件系统一般都是由：l l 主机板（包括 主机板（包括CPU CPU、CPU CPU外围芯片组、主存储器 外围芯片组、主存储器RAM RAM、BIOS BIOS芯片与总线插槽）芯片与总线插槽）l l 外设接口卡 外设接口卡(如显卡、声卡、网卡 如显卡、声卡、网卡)l l 外部设备（如硬盘、光驱、显示器、打印机、键盘、调 外部设备（如硬盘、光驱、显示器、打印机、键盘、调制解调器与鼠标）制解调器与鼠标）l l 电源等部件所组成 电源等部件所组成(二二)软件软件 计算机软件通常分为两大
9、类：系统软件和用户软件。计算机软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。系统软件是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他 系统软件是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。用户软件是各用户为解题或实现检 程序所需的一组程序。用户软件是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应 测与实时控制等不同任务所编制的应用程序，它也称为应用软件。用软件。操作系统 操作系统是一套复杂的系统程序 是一套复杂的系统程序,用于提供 用于提供 人机接口和管理、调度计算机的所有硬件与软件 人机接口和管理、调度计算机的所有硬件与软件 资源。它所包含的系统程序的具体分类尚不
10、完全 资源。它所包含的系统程序的具体分类尚不完全 统一。其中，最为重要的核心部分是常驻监控程序。统一。其中，最为重要的核心部分是常驻监控程序。计算机开机后，常驻监控程序始终存放在内 计算机开机后，常驻监控程序始终存放在内 存中，它通过接收用户命令，并启动操作系统执 存中，它通过接收用户命令，并启动操作系统执 行相应的操作。行相应的操作。操作系统包括：操作系统包括：l l I I O O驱动程序：用于执行 驱动程序：用于执行I I O O操作 操作;当用户程序或其他系 当用户程序或其他系统程序需要使用 统程序需要使用I I O O设备时 设备时,通常并不是由该程序执行操 通常并不是由该程序执行操
11、作 作,而是由操作系统利用 而是由操作系统利用I I O O驱动程序来执行任务。驱动程序来执行任务。l l 文件管理程序：用于管理存放在外存 文件管理程序：用于管理存放在外存(或海量存储器 或海量存储器)中 中的大量数据集合。文件管理程序与 的大量数据集合。文件管理程序与I I O O驱动程序配合使 驱动程序配合使用，用于文件的存取、复制和其他处理。用，用于文件的存取、复制和其他处理。l l 系统软件还可以包括各种高级语言翻译程序、汇编程序、系统软件还可以包括各种高级语言翻译程序、汇编程序、文本编辑程序以及辅助编写其他程序的程序。文本编辑程序以及辅助编写其他程序的程序。应当指出，硬件系统和软件
12、系 应当指出，硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成微型计算 统是相辅相成的，共同构成微型计算机系统，缺一不可。现代的计算机硬 机系统，缺一不可。现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不 件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在 明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上互相促进。发展上互相促进。人是通过软件系统与硬件系统 人是通过软件系统与硬件系统发生关系的。通常，由人使用程序设 发生关系的。通常，由人使用程序设计语言编制应用程序，在系统软件的 计语言编制应用程序，在系统软件的干预下使用硬件系统。干预下使用硬件系统。1.2 微机硬件系统结构 微机硬件系统结构是指按
13、照总体布局的设计要求将各 微机硬件系统结构是指按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。部件构成某个系统的连接方式。一种典型的微机硬件系统结构如图 一种典型的微机硬件系统结构如图1.4 1.4所示。图中 所示。图中,用 用系统总线将各个部件连接起来。系统总线将各个部件连接起来。系统总线是用来传送信息的公共导线 系统总线是用来传送信息的公共导线,它们可以是 它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的 带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。通常，根据所传 金属连线。所有的信息都通过总线传送。通常，根据所传送信息的内容与作
14、用不同 送信息的内容与作用不同.可将系统总线分为 可将系统总线分为3 3类：类：u u 数据总线 数据总线DB(Data DB(Data Bus)Bus)u u 地址总线 地址总线AB(Address AB(Address Bus)Bus)u u 控制总线 控制总线CB(Control CB(Control Bus)Bus)系统中各部件均挂在总线上，所以 系统中各部件均挂在总线上，所以,有时也将这种 有时也将这种系统结构称为面向系统的总线结构。系统结构称为面向系统的总线结构。目前采用的总线结构可分为 目前采用的总线结构可分为单总线、双总线和双重总线单总线、双总线和双重总线 单总线结构单总线结构
15、 系统存储器 系统存储器M M和 和I/O I/O 接口均 接口均使用同一组信息通，因此，使用同一组信息通，因此，CPU CPU对 对M M的读 的读/写和对 写和对I/O I/O接口的输入 接口的输入/输出操作只能分时进行。输出操作只能分时进行。双总线结构双总线结构 M M和 和I/O I/O接口各具有一组连 接口各具有一组连通 通CPU CPU的总线，的总线，CPU CPU可以分别在 可以分别在两组总线上同时与 两组总线上同时与M M和 和I/O I/O交换 交换信息 信息,因而拓宽了总线带宽 因而拓宽了总线带宽,提 提高了总线的数据传输效率。高了总线的数据传输效率。双重总线结构双重总线结
16、构 有局部总线与全局总线。有局部总线与全局总线。CPU CPU通过局部总线访问局部 通过局部总线访问局部 M M和局部 和局部I/O I/O时 时,工作方式与单总线相同。当系统中某微 工作方式与单总线相同。当系统中某微处理器需要对全局 处理器需要对全局M M和全局 和全局I/O I/O 访问时，则必须由总线控 访问时，则必须由总线控制逻辑统一安排才能进行 制逻辑统一安排才能进行,这时该微处理器就是系统的主 这时该微处理器就是系统的主控设备。控设备。这样，整个系统便可在双重总线上实现并行操作 这样，整个系统便可在双重总线上实现并行操作,从 从而提高了系统数据处理和数据传输的效率。而提高了系统数据
17、处理和数据传输的效率。1.3 微处理器组成微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列 微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3 3部分组成。部分组成。一、运算器一、运算器 运算器又称为算术逻辑单元 运算器又称为算术逻辑单元ALU(Arithmetic ALU(Arithmetic Logic Logic Unit),Unit),用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操 用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作 作。参加运算的两个操作数，累加器 参加运算的两个操作数，累加器A(Accumulator A(Accumulator)和内部数据总线 和内部数据总线,可以是数据寄存器 可以是数据寄存器DR
18、(Data DR(Data Register)Register)中的内容，也可以是寄存器阵列 中的内容，也可以是寄存器阵列RA RA中某个 中某个寄存器的内容 寄存器的内容。运算结果送回累加器 运算结果送回累加器A A暂存。暂存。二、二、控制器控制器(一 一)指令寄存器 指令寄存器IR(Instruction IR(Instruction Register)Register)存放从存储器取出的将要执行的指令。存放从存储器取出的将要执行的指令。(二 二)指令译码器 指令译码器ID(Instruction ID(Instruction Decoder)Decoder)对指令寄存器 对指令寄存器IR
19、 IR中的指令进行译码，确定该指令应执 中的指令进行译码，确定该指令应执 行什么操作。行什么操作。(三 三)可编程逻辑阵列 可编程逻辑阵列PLA(Programmable PLA(Programmable Logic Array)Logic Array)产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。三、三、内部寄存器内部寄存器 通常，内部寄存器包括若干个功能不同的寄存 通常，内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄存器组。包括累加器 器或寄存器组。包括累加器A A、数据寄存器数据寄存器DRDR、程、程序计数器序计数器PCPC、地址寄存器、地址寄存器
20、ARAR、标志寄存器、标志寄存器FF。(一 一)累加器 累加器A A 累加器是用得最频繁的一个寄存器。在进行算 累加器是用得最频繁的一个寄存器。在进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保 术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作；运算后，用来保存结果。存一个操作；运算后，用来保存结果。(二二)数据寄存器数据寄存器DRDR 数据寄存器 数据寄存器DR DR用来暂存数据或指令。用来暂存数据或指令。从存储器 从存储器读出时，若读出的是指令，经 读出时，若读出的是指令，经DR DR 暂存的指令通过内 暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器 部数据总线送到指令寄存器IR;IR;
21、若读出的是数据 若读出的是数据,则 则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时 向存储器写入数据时,数据是经数据寄存器 数据是经数据寄存器DR DR，再经数据总线 再经数据总线DB DB写入存储器的。写入存储器的。(三三)程序计数器程序计数器PC(ProgramPC(Program Counter)Counter)程序计数器 程序计数器PC PC中存放着正待取出的指令的地址。中存放着正待取出的指令的地址。根据 根据PC PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行 中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。通常 的指令。通常,程序按顺序逐条执行。任何时刻 程序按顺序逐条执行。任何时刻,PC PC 都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令 都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令(对 对单字节指令而言 单字节指令而言)所在的地址。因此 所在的地址。因此,PC PC具有自动加 具有自动加1 1的功能。的功能。