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第 1 章 微型计算机系统概述

第 1 章 微型计算机系统概述. 本章要点 1.1 概述 1.2 硬件系统 1.3 微型计算机的一般工作原理 1.4 微型计算机常用术语. 本章要点. 了解微型计算机的发展 掌握计算机系统组成 掌握计算机系统的层次结构 理解微型计算机的工作原理及指令执行过程 掌握微型计算机常用术语. 本章重点与难点. 重点： 微型计算机的基本组成 微型计算机的工作原理 微型计算机常用术语 难点： 微型计算机的工作原理. 返回本章首页. 1.1 概述. 1.1.1 计算机的发展概况 1.1.2 微型计算机的分类 1.1.3 微型计算机系统的组成

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第 1 章 微型计算机系统概述

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  1. 第1章 微型计算机系统概述 • 本章要点 • 1.1 概述 • 1.2 硬件系统 • 1.3 微型计算机的一般工作原理 • 1.4 微型计算机常用术语

  2. 本章要点 • 了解微型计算机的发展 • 掌握计算机系统组成 • 掌握计算机系统的层次结构 • 理解微型计算机的工作原理及指令执行过程 • 掌握微型计算机常用术语

  3. 本章重点与难点 • 重点： • 微型计算机的基本组成 • 微型计算机的工作原理 • 微型计算机常用术语 • 难点： • 微型计算机的工作原理 返回本章首页

  4. 1.1 概述 • 1.1.1 计算机的发展概况 • 1.1.2 微型计算机的分类 • 1.1.3 微型计算机系统的组成 • 1.1.4 微型计算机系统的层次结构 返回本章首页

  5. 图1-1 计算机采用的逻辑元件 1.1.1 计算机的发展概况 • 1946年，第一台计算机在美国诞生。60多年来，根据计算机采用的逻辑元件来分，计算机经历了电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时代、大规模及超大规模集成电路计算机时代，如图1-1所示。

  6. 1.1.1 计算机的发展概况 • 20世纪70年代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片，其称为微处理器。微处理器的出现，开创了微型计算机的新时代。微型计算机是第四代计算机的典型代表。 • 微处理器是计算机的核心部件，它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能。因此，微型计算机的发展是以微处理器的发展来更新换代的。

  7. 第一代 第二代 4位和低档8位机 中高档8位机 Intel 4004/8008 8080/8085、Z80、MC6800 第四代 32位机 80386、80486 第五代 第三代 16位机 32位机 Intel 8086、Z8000、80286 Intel Pentium 第六代 64位机和双核 Intel Intanium、Pentium D、Pentium EE、 （1971-1973）主要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域 （1973-1978）广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域 （1978-1983） （1984-1992） 特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强。 （1993-1999） （2000年以后）

  8. 1.1.2 微型计算机的分类 • 微型计算机按照它的应用对象可以分为以下三类： • 单片机：将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就构成了一台计算机，它被广泛应用于汽车、家电、工业过程控制、智能仪器仪表等领域。 • 单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器/存储器/输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。它适于进行生产过程的控制，也可以直接在实验板上操作，适用于教学。 • PC机：目前人们广泛使用的个人计算机

  9. 1.1.3 微型计算机系统的组成

  10. 应用程序 操作系统 BIOS 硬件逻辑电路 1.1.4 微型计算机系统的层次结构 高 低

  11. 1.2 硬件系统 • 1.2.1 中央处理器的组成 • 1.2.2 存储器 • 1.2.3 总线（Bus) • 1.2.4 输入／输出接口(Input/Output Interface) 返回本章首页

  12. 1.2.1 中央处理器的组成 • 中央处理器（CPU）由运算器、控制器和寄存器阵列组成，是整个硬件系统的核心。微型机中将运算器、控制器和寄存器等相关部件集成在一块芯片中，又叫微处理器，通过专门的CPU插座安置在主板上。

  13. ALU 存储器 外设 数据寄存器2# 数据寄存器1# 图1-4 运算器的逻辑结构 1.2.1 中央处理器的组成 • 1.运算器 • 计算机中加工和处理数据的功能部件。主要包括算术逻辑部件（ALU），用于对数据进行加工处理，进行算术和逻辑运算。

  14. 1.2.1 中央处理器的组成 • 2.控制器 • 控制器具有控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序的功能。它包括： • 程序计数器（PC）：存放下一条将要执行的指令所在存储单元的地址。 • 指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。 • 指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。 • 时序信号发生器：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。 • 3.寄存器阵列 • 包括一组通用寄存器组和专用寄存器。

  15. 1.2.2 存储器 • 存储器是计算机系统中的一种记忆设备，用来存放程序、数据、运算结果以及各种需要保存的信息。包括： • 内存 • 高速缓存 • 外存

  16. 1.2.3 总线（Bus) • 按总线的层次结构 • 微处理器级总线 • 系统级总线 • 外设总线 • 2．按总线传送信息的类别 • 地址总线 • 数据总线 • 控制总线

  17. 1.2.4 输入／输出接口(Input/Output Interface) • 主机与外部设备之间的信息交换是通过输入/输出接口来进行的。输人/输出接口简称I/O接口，由图1-5可以看出，接口在这里起着主机与外部设备之间数据通信的“桥梁”的作用。 图1-5 微型计算机的硬件系统功能模块

  18. 1.3 微型计算机的一般工作原理 • 1.3.1 程序和指令 • 1.3.2 存储程序工作原理 • 1.3.3 微型计算机的工作过程 返回本章首页

  19. 图 1-6 冯·诺依曼计算机结构示意图 1.3.1 程序和指令 • 冯·诺依曼提出计算机由5个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备；计算机内采用二进制；计算机采用程序存储和程序控制的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当机器加电并启动后，计算机便会自动按照程序的要求进行工作。

  20. 1.3.1 程序和指令 • 所谓程序，就是为实现某项既定的任务而向计算机发出的一组有一定顺序的基本操作命令的集合。这些基本操作命令就称为指令。指令由操作码和操作数两部分组成，即操作性质（如加、减、乘、除、比较大小等）和参加操作的对象（如数据或数据存放的地址等）。机器指令的集合称为指令系统。

  21. 1.3.2 存储程序工作原理 • 存储程序和程序控制原理的基本点就是指令驱动，即按照任务要求事先编好程序，然后把程序和所需的数据输入计算机存储器中保存起来。当机器启动时，根据内部指令指针给出的程序第一条指令的地址，控制器就可依据程序指定的逻辑顺序从存储器中一条条周而复始地读取指令、分析指令、执行指令，直到完成全部指令操作为止。这样就能自动连续地完成程序所描述的全部工作，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。

  22. PC 取指令 执行指令 • 图1-8 程序执行过程示意图 1.3.3 微型计算机的工作过程 • 计算机每执行一条指令，都包含着两个基本的步骤，即取指令和执行指令。

  23. 1.3.3 微型计算机的工作过程 • 在进行计算前，应做如下工作： • （1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； • （2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序； • （3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

  24. 完成5+6=？的程序： MOV A，05H/B0H 05H；把05送入累加器A ADD A，06H/04H 06H；06与A中内容相加， 结果存入累加器A HLT /F4H；停止所有操作。 1.3.3 微型计算机的工作过程

  25. 1.3.3 微型计算机的工作过程 • 1、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放） • （1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。 • （2）、程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。 • （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00H单元。 • （4）、CPU发出“读”命令。 • （5）、所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。 • （6）、经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。 • （7）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码CPU“识别”出这个操作码为“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。

  26. 控制信号 2 PC PLA 00H ALU ID 1 A B AR IR B0H 00H 7 DR 00 B0H B0H 3 01 05H 6 5 02 04H 4 03 06H 读命令 04 F4H （取第一条指令操作示意图） 1.3.3 微型计算机的工作过程

  27. 1.3.3 微型计算机的工作过程 • 2、执行指令阶段的执行过程： • （1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。 • （2）、程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。 • （3）、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。 • （4）、CPU发出“读”命令。 • （5）、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。 • （6）、经数据总线DB，读出的05H送至数据寄存器DR。 • （7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入累加器A中。

  28. 控制信号 2 PC PLA 02H ALU ID 1 A B AR 05H IR 01H 7 DR 00 B0H 3 05H 01 05H 6 02 04H 5 4 03 06H 读命令 04 F4H （执行第一条指令操作示意图） 1.3.3 微型计算机的工作过程

  29. 1.3.3 微型计算机的工作过程 例：计算1+2=? 汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作 MOV AL, 1 10110000 将立即数1传送到累加寄存器AL中 00000001 ADD Al, 2 00000100 计算两个数的和，结果存放到AL中 00000010 MOV [0008], AL 10100010 将AL中的数传送到地址单元0008 00001001 00000000 HLT 11110100 停机

  30. 1.3.3 微型计算机的工作过程

  31. 1.4 微型计算机常用术语 • 1．数据单位 • 位（bit，b）：“位”是计算机所能处理的最小数据单位，它只能有两种状态：“0”或“1”。 • 字节（Byte，B）：1个字节包含8个二进制位(8 bit) ，通常缩写为B 1 KB＝210=1024 B 1 MB＝220=1024 KB 1 GB＝230=1024 MB 1 TB＝240=1024 GB • 字（Word）：微处理器一次可以直接处理的二进制数码位数的基本单位。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等

  32. 1.4 微型计算机常用术语 • 2.兼容性 • 系统兼容 • 向上兼容 • 向下兼容 • 3.主频 • 主频 • 外频 • 倍频系数 • 4．MIPS：每秒钟能执行多少百万条指令。

  33. 1.4 微型计算机常用术语 • 5．微处理器的生产工艺 • 在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以µm为单位，目前微处理器的生产工艺已经达到0.18µm。 • 6．微处理器的集成度 • 微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 • 7. 寻址空间与实际存储容量 • 寻址空间由CPU地址总线的根数决定。实际存储容量是主板上实际插的内存芯片的存储容量，小于或等于寻址空间，根据需要进行选择。

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