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微机原理及应用

微机原理及应用. 主讲：李乾宝 E-Mail: qbli@stu.edu.cn. 第一章 微型计算机系统概述. 微型计算机的发展、应用及其分类 中央处理器的组成 微型计算机的组成 微型计算机的工作过程 微型计算机系统的组成. 微型计算机的发展. 所谓“微型计算机”是指：把以大规模、超大规模为主要部件的微处理器（运算器和控制器的集成）作为核心，配以存储器、输入／输出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。

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微机原理及应用

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  1. 微机原理及应用 主讲：李乾宝 E-Mail: qbli@stu.edu.cn

  2. 第一章 微型计算机系统概述 • 微型计算机的发展、应用及其分类 • 中央处理器的组成 • 微型计算机的组成 • 微型计算机的工作过程 • 微型计算机系统的组成

  3. 微型计算机的发展 • 所谓“微型计算机”是指：把以大规模、超大规模为主要部件的微处理器（运算器和控制器的集成）作为核心，配以存储器、输入／输出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。 • 1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片，它能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元，是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。

  4. 微型计算机的发展 • 20多年的时间内，微型计算机的发展经历了五代。我们一般以字长(计算机能同时处理的二进制数的位数)和典型的微处理器芯片作为各阶段的标志。 • 第一代(1971—1973)是4位和低档8位微机。代表产品是美国Intel公司的I4004微处理器及由它组成的MCS微型计算机。 • 第二代(1974—1978)是中高档8位微机，以Intel 8080／8085、Motorola公司的Mc6800及美国Zilog公司的Z80等为CPU的微型机为典型代表。

  5. 微型计算机的发展 • 第三代(1978—1981)是16位微机，以8086，Z8000和MC68000为CPU的微型机。 • 第四代(1981—1992)是32位微机，典型的CPU产品有80386和MC68020。之后Intel公司又推出80486微处理器。 • 第五代(1993年以后)是64位微机。93年3月Intel公司推出了64位的Pentium，该芯片采用了新的体系结构，其性能大大高于Intel系列的其他处理器。

  6. 微型计算机的应用 • 数值计算、数据处理及信息管理 • 这一应用方向包括了工程计算、图形图像处理、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助教育(CAl)、文字图表处理、数据库管理及家庭娱乐等。 • 从事这类工作的微型计算机，要求有较快的速度、较高的运算精度、较大的内存容量和较完备的输入／输出设备，此外，还要求为用户提供友好的操作界面和方便快捷的维护手段，其典型代表是PC机。

  7. 微型计算机的应用 • 过程控制及智能化仪表 • 应用于这一方向的主要是一些专用微机，如工业PC机、STD总线工控机及8／16位微处理芯片或单片微控制芯片构成的各种目标系统。 • 对控制类微机，重点要求其能抗干扰并适应恶劣环境，确保能够长时间稳定的工作；同时也要求其实时性好，即对各种随机事件的处理速度要快。 • 由于一般控制场合对运算精度的要求不是很高，所以直接担任前端测控任务的多是一些4位机、8位机或者是16位机，

  8. 微型计算机的分类 • PC机(Personal Computer) • 是面向个人单独使用的一类微机。当今PC的许多指标，如存储容量、运行速度等已经赶上或超过了原来的小型机，可以满足各种不同的应用场合。 • 许多大的软件公司开发了强大、友好的微机操作系统，各种各样的开发工具和支持应用软件。 • 现行的PC机大多配备多媒体功能，使得一机多能，操作起来声像并茂。 • 随着计算机网络应用的普及，有越来越多的PC机联网，以便共享网络资源。

  9. 微型计算机的分类 • 单片微型计算机（单片机）： • 是一种用于控制的微处理器芯片。其组成实际是把微型计算机的CPU、部分存储器和输入／输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。 • 单片机具有体积小、重量轻等优点，常用于家用电器、智能化仪表及工业测控系统。

  10. 微型计算机的分类 • 单板微型计算机（单板机） • 把微处理器芯片、存储器芯片、I／O接口芯片、小键盘、数码显示器等必要的输入／输出设备装配在一块印刷电路板上构成了单板微型计算机系统，简称单板机。 • 单板机常用在过程控制和微机原理的实验教学中，目前最常用的国产单板机是TP801

  11. 中央处理器的组成 中央处理器（CPU）是计算机中最重要的组成部分（在微型计算机中也称微处理器），它主要由运算器和控制器两大部分组成。

  12. 中央处理器的组成 • 1、运算器 运算器是计算机中加工和处理数据的功能部件，主要包括两个功能：一是对数据的加工处理，主要包括算术运算和逻辑运算，这是运算器的重要功能，这些功能是通过运算器内部的算术逻辑单元(ALU)来完成的；二是暂时存放参与运算的数据和某些中间结果，通常是通过与ALU相连的寄存器组来实现的。

  13. 中央处理器的组成 • 1、运算器 寄存器组中包括多种类型的寄存器，其中累加器是寄存器组中最繁忙的寄存器，在进行算术运算和逻辑运算时，它具有双重功能：运算前用来保存一个操作数，运算后用来保存算术或逻辑运算的结果。数据寄存器是通过数据总线向存储器或输入／输出设备送(称为写)或取(称为读)数据的暂存单元。

  14. 中央处理器的组成 • 2、控制器： 控制器是计算机内“指挥”与控制整台计算机各个功能部件协同动作、自动执行计算机程序的功能部件，它要给出控制整台机器各功能部件正常运行所需要的全部信号。它由程序计数器(IP)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)和时序信号产生(微控制存储器)等部件组成。

  15. 中央处理器的组成 • 程序计数器(IP)：确定下一条指令所在内存单元的地址，又称为指令指针计数器。 • 指令寄存器(IR)：用来保存当前正在执行的一条指令。 • 指令译码器(ID)：是对指令的操作码进行译码，以便确定所要求的操作。 • 时序信号产生(微控制存储器)部件：接受经指令译码器所产生的命令信号，并将命令翻译成微程序(简称微码)，再加上时序信息，生成控制整个计算机各部件工作的时序控制信号。

  16. 微型计算机的组成 • 微型计算机由微处理器、存储器，输入／输出接口构成，它们之间由系统总线连接起来。如图所示。

  17. 微型计算机的组成 • 微处理器 微处理器是整个微机的核心，它是采用大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储元件寄存器。微处理器负责对系统的各个部件进行统一协调和控制。

  18. 微型计算机的组成 • 存储器 这里所说的存储器是指由半导体存储器构成的主存储器，主要用于存放当前正在运行的程序和正待处理的数据。主存位于主机内的主板上，CPU可以通过总线直接对其中的数据进行存取，因而也被称为“内存” 。 构成内存的半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，前者只允许读操作，后者可进行读和写操作。

  19. 微型计算机的组成 • I／O设备和I／O接口 I／O设备是指微机上配备的输入／输出设备，也称外部设备和外围设备(简称外设)，其功能是为微机提供具体的输入输出手段。 由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能把它们简单连接到系统总线，而需要有一个接口电路来充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路来完成信号的变换、数据的缓冲、与CPU联络等工作。

  20. 微型计算机的组成 • 系统总线 所谓“总线”，是指传递信息的一组公用导线。系统总线(System Bus)是指从处理器引出的若干信号线，CPU通过他们与存储器和I／O设备进行信息交换。系统总线一般可分为三组： (1)地址总线：传送地址信息的总线，CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I／O端口的地址，该总线为单向总线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存单元的范围。

  21. 微型计算机的组成 • 系统总线 (2)数据总线(Data Bus) ：传送数据信息的总线，在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU，在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。 数据总线的位数是微型计算机的一个很重要的指标，它和微处理器的位数相对应。数据的含义是广义的．在数据总线内的数据流可能是指令代码、状态量或控制量，也可能是真正的数据。

  22. 微型计算机的组成 • 系统总线 (3)控制总线(Control Bus)：传送控制信息的总线简称为CB。在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号．它们可能是输出、输入或者双向。 微处理器的控制信号分为两类：一类是通过对指令的译码，由CPU内部产生，这些信号由CPU送到存储器、输入／输出接口电路和其他部件；另一类是微型计算机系统的其他部件产生并送到CPU的信号，如中断请求信号、总线请求信号等。

  23. 微型计算机的组成 • 系统总线 在一个系统中，除了CPU有控制总线的能力外，DMA控制器等设备电有控制总线的能力，他们被称为总线主控设备或总线请求设备；而连在总线上的存储器和I／O设备，则是被访问和被控制的对象，他们被称为总线控制设备。

  24. 微型计算机的组成 • 系统总线 系统总线是传送信息的公用通道，非常繁忙，其使用特点是： 1)在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。 2)在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。

  25. 微型计算机的工作过程 • 计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令分两个阶段，即取指令阶段和执行指令阶段。下面通过计算5+6=?来具体介绍程序的执行过程。 • 整个程序一共3条指令，5个字节，假设它们存放在00H开始的5个单元中。 • 开始执行程序时，必须先给程序计数器PC赋以第一条指令的地址00H，然后进入第一条指令的取指阶段。

  26. 取指令阶段的执行过程 • ①将程序计数器PC的内容(00H)送至地址寄存器AR，记为PCAR。 • ②程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作准备，记为PC+1PC。 • ③地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码,选中00号单元,记为ARM。 • ④CPU发出“读”命令。 • ⑤所选中的00号单元的内容B0H读至数据总线DB，记为(B0) DB。

  27. 取指令阶段的执行过程 • ⑥经数据总线DB，将读出的BOH送至数据寄存器DR，记为DB DR。 • ⑦数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR，经过译码，控制逻辑发出执行该条指令的一系列信号，记为DRYR，IR ID，ID  PLA。经过译码CPU"识别”出这个操作码就是MOV A，05H指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。

  28. 取指令阶段的执行过程

  29. 执行指令阶段的执行过程 • 经过对操作码B0H译码后，CPU就“知道”这是一条把01H单元的内容送入累加器A的指令。所以执行第一条指令，就是把指令第二字节中的立即数取出来送至累加器A，其执行过程为： • ①将程序计数器的内容01H送至地址寄存器AR，记为PC  AR。 • ②将程序计数器的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作准备，记为PC+1  PC。 • ③地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器，并选中01H单元，记为AR  M。

  30. 执行指令阶段的执行过程 • ④CPU发“读”命令。 • ⑤选中的01H存储单元的内容05H送至数据总线DB上，记为(01H)  DB。 • ⑥通过数据总线，把读出的内容05H送至数据寄存器DR，记为DB  DR。 • ⑦因为经过译码已经知道读出的是立即数，并要求将它送至累加器A，故数据寄存器DR通过内部总线将05H送至累加器A，记为DR  AL。

  31. 微型计算机的工作过程

  32. 微型计算机的工作过程 • 由上面的例子可以看出，微型计算机的工作过程是执行程序的过程。首先CPU进入取指阶段，从程序计数器所指的存储单元中取出指令代码，通过数据总线，送到CPU中的指令寄存器中寄存，然后对该指令译码，译码器经译码后发出相应的控制信号，通过控制总线，CPU把控制信息传送到存储器或输入／输出系统，存储器或输入／输出系统按照CPU的命令进行相应的动作，也即CPU执行指令指定的操作。

  33. 微型计算机的工作过程 • 取指阶段是由一系列相同的操作组成，因此取指的时间总是相同的。而执行指令的阶段是由不同的事件组成的，它取决于执行指令的类型。 • 执行完一条指令后接着执行下一条指令，即取指执行，取指执行……如此反复，直至程序结束。 • 这是一种串行工作方式，是以往计算机提高工作速度的一个障碍，根本解决的方法是采用并行操作。

  34. 微型计算机的工作过程 • 现在的计算机采用流水线技术，是一种同时进行若干操作的并行处理方式，它把取指令操作和执行指令操作并行进行，在执行一条指令的同时，又取另一条和若干条指令。 • 在以后的章节中，将要讲述8086的内部结构，总线接口部件完成取指操作，把指令预先放到寄存器队列中，执行部件完成执行程序的操作，这两部分可同时进行，从硬件上保证了流水线技术的实施

  35. 微型计算机系统的组成 • 从系统论的观点来看，一个微型计算机系统应包括硬件系统和软件系统：所谓硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理装置，称为裸机或硬件。它一般是指在主机的基础上，配以必要的外部设备、外部存储器(如磁盘机、磁带机等)和电源等设备。硬件若没有软件的配合是什么也于不了的。所谓软件系统是指在计算机上运行的程序，广义软件还应包括由计算机管理的数据和有关的文档资料。依据功能不同，软件可分为系统软件和应用软件两大类。

  36. 微型计算机系统的组成 • 使用和管理计算机的各种软件统称为系统软件。基本系统软件通常包括操作系统、各种高级语言处理程序、编译系统和数据库管理系统等。这些软件不是用来解决具体问题的，而是利用计算机自身的功能，合理地组织解题流程，管理计算机软硬件各种资源，提供人机间的接口，从而简化或代替各环节中人所承担的工作。 • 应用软件是由用户利用计算机及其系统软件编制的解决实际应用问题的程序。对使用微机的人员来说，在必要时才需对系统软件进行扩展。

  37. 微型计算机系统的组成 • 由上可知，一个计算机系统是硬件和软件相结合的统一体。每一个具体的微机系统所配置的软件和硬件的种类和数量，是根据机器的规模、应用场合及对其性能的综合要求等因素来确定的，另外还要考虑到成本。确定系统配置的基本原则是满足使用要求，并兼顾到近期的发展需要。

  38. 习 题 • CPU在内部结构上由哪几部分组成?各组成部分的功能是什么? • 说明微型机的结构和组成。 • 总线有哪几种类型?其特点及功能是什么? • 微处理器、微机和微机系统三者之间有什么不同? • 画图说明1．4节的例子中，计算机执行第二条指令(ADD 06H)的工作过程

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