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1、微型計算機原理微型計算機原理 Principles of Microcomputers王忠民王忠民 主編主編王忠民王忠民 王鈺王鈺 王曉婕王曉婕 編著編著面 向 21 世 紀高等學校計算機類專業(yè)系列教材第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 第2章 計算機中的數(shù)制和編碼 第3章 80 x86微處理器 第4章 80 x86指令系統(tǒng) 第5章 匯編語言程序設計 第6章 半導體存儲器 第7章 輸入/輸出與中斷 第8章 可編程接口芯片及應用 目目 錄錄第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.1 引言引言 1.2 計算機的發(fā)展概況計算機的發(fā)展概況1.3 微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)的組成 1

2、.4 微型計算機硬件系統(tǒng)微型計算機硬件系統(tǒng) 1.5 微型計算機的工作過程微型計算機的工作過程 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.1 引 言 電子計算機是由各種電子器件組成的，能夠自動、高速、精確地進行算術運算、邏輯控制和信息處理的現(xiàn)代化設備。自從其誕生以來，已被廣泛應用于科學計算、數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制等領域。 有關統(tǒng)計資料表明，計算機早期的主要應用領域是科學計算。在科學研究，特別是理論研究中，經(jīng)過嚴密的論證和推導，得出非常復雜的數(shù)學方程，需要求得方程的解。如果手工計算，可能要經(jīng)過數(shù)月、數(shù)年的時間，有時甚至是無法完成的。面對這樣的難題，計算機可以發(fā)揮其強大的威力。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論

3、 計算機在這樣的科學計算中，一般用高級語言編程，高級語言是面向用戶的，也就是說，用高級語言編寫程序比較容易和方便，經(jīng)過短時間的學習和訓練，一般人都能編出功能很復雜的程序。計算機在科學計算中的應用，除了用高級語言編寫程序外，與其在信息處理和過程控制領域的應用相比較，還有以下兩個特點：第一，它沒有很強的實時性要求，雖然使用者在運行程序時也希望盡快得到運算結果，但對結果產(chǎn)生的時間沒有嚴格的要求，結果產(chǎn)生的遲早不影響結果的有效性。第二，在科學計算中，需要輸入計算機的數(shù)據(jù)，一般不是從某種物理現(xiàn)場實時采集的，不需要有專用的完成數(shù)據(jù)采集任務的輸入設備；同樣，計算的結果，一般也不完成對外界的控制功能，不需要有

4、專門的輸出設備與其它系統(tǒng)相連。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 在數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制應用領域情況則要復雜得多。除了對系統(tǒng)的實時性有很高的要求外，還要用專門的輸入設備將有關信息輸入計算機，用專門的輸出設備輸出處理結果或?qū)Ρ豢貙ο髮嵤┛刂啤Ｒ虼?，僅僅具備高級語言編程方面的知識是遠遠不夠的。實時數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制要求實時性，希望編寫的程序更精練，運行起來更快（一般情況下，對于完成相同的任務，用機器語言或匯編語言編寫的程序運行起來比用高級語言編出的程序快得多）；專用的輸入輸出設備與計算機的連接和編程控制（稱為接口），更不是只具有高級語言編程知識所能勝任的。為此，必須對計算機的工作原理有更深

5、入的了解，對計算機的邏輯組成、工作原理、與外界的接口技術以及直接依賴于計算機邏輯結構的機器語言、匯編語言編程方法等需要進一步的學習。第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.2 計算機的發(fā)展概況 計算機的發(fā)展，從一開始就和電子技術，特別是微電子技術密切相關的。人們通常按照構成計算機所采用的電子器件及其電路的變革，把計算機劃分為若干“代”來標志計算機的發(fā)展。自1946年世界上第一臺電子計算機問世以來，計算機技術得到了突飛猛進的發(fā)展，在這不長的時間里，計算機的發(fā)展已經(jīng)歷了四代：電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機。目前，各國正加緊研制和開發(fā)第五代“非馮諾依曼”計算機和第

6、六代“神經(jīng)”計算機。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 微型計算機屬于第四代計算機，是二十世紀70年代初期研制成功的。一方面是由于軍事、空間及自動化技術的發(fā)展需要體積小、功耗低、可靠性高的計算機，另一方面，大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展也為微型計算機的產(chǎn)生打下了堅實的物質(zhì)基礎。 微處理器微處理器(MicroProcessor)是微型計算機的核心芯片，它是將計算機中的運算器和控制器集成在一片硅片上制成的集成電路。這樣的芯片也被稱為中央處理單元，簡稱為CPU(Central Processing Unit)。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 微型計算機微型計算機 (MicroComputer)是由微處理器(C

7、PU)、存儲器和I/O接口電路組成的計算機。 30多年來，微處理器和微型計算機獲得了極快的發(fā)展，幾乎每兩年微處理器的集成度翻一番，每24年更新?lián)Q代一次，現(xiàn)已進入第五代。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1. 第一代第一代4位或低檔位或低檔8位微處理器位微處理器 第一代微處理器的典型產(chǎn)品是Intel公司1971年研制成功的4004（4位CPU）及1972年推出的低檔8位CPU 8008。采用PMOS工藝，集成度約為2000只晶體管/片。指令系統(tǒng)比較簡單，運算能力差，速度慢（平均指令執(zhí)行時間為1020s）。軟件主要使用機器語言及簡單的匯編語言編寫。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 2 第二代第二代中高檔中

8、高檔8位微處理器位微處理器 微處理器問世以后，眾多公司紛紛研制微處理器，逐漸形成以Intel公司、Motorola公司、Zilog公司產(chǎn)品為代表的三大系列微處理器。第二代微處理器的典型產(chǎn)品有1974年Intel公司生產(chǎn)的8080 CPU， Zilog 公司生產(chǎn)的Z80 CPU、Motorola公司生產(chǎn)的MC6800 CPU以及Intel 公司1976年推出的8085CPU。它們均為8位微處理器，具有16位地址總線。 第二代微處理器采用NMOS工藝，集成度為9000只晶體管/片，指令的平均執(zhí)行時間為12s。指令系統(tǒng)相對比較完善，已具有典型的計算機體系結構以及中斷、存儲器直接存取(DMA)功能。由

9、第二代微處理器構成的微機系統(tǒng)（如AppleII等）已經(jīng)配有單用戶操作系統(tǒng)（如CP/M），并可使用匯編語言及BASIC、FORTRAN等高級語言編寫程序。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 3第三代第三代16位微處理器位微處理器 第三代微處理器的典型產(chǎn)品是1978年Intel公司生產(chǎn)的8086 CPU、Zilog公司的Z8000 CPU和Motorola公司的MC6800 CPU。它們均為16位微處理器，具有20位地址總線。 用這些芯片組成的微型計算機有豐富的指令系統(tǒng)、多級中斷系統(tǒng)、多處理機系統(tǒng)、段式存儲器管理以及硬件乘除法器等。為方便原8位機用戶，Intel公司在8086推出后不久便很快推出準16位

10、的8088CPU，其指令系統(tǒng)與8086完全兼容，CPU內(nèi)部結構仍為16位，但外部數(shù)據(jù)總線是8位的。并以8088為CPU組成了IBM PC、PC/XT等準16位微型計算機，由于其性能價格比高，很快占領了市場。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1982年，Intel公司在8086基礎上研制出性能更優(yōu)越的16位微處理器芯片80286。它具有24位地址總線，并具有多任務系統(tǒng)所必須的任務切換功能、存儲器管理功能以及各種保護功能。以80286為CPU組成IBM PC/AT高檔16位微型計算機。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 4第四代第四代32位高檔微處理器位高檔微處理器 1985年，Intel公司推出了32位微

11、處理器芯片80386，其地址總線也為32位。80386有兩種結構：80386SX和80386DX。這兩者的關系類似于8088和8086的關系。80386SX內(nèi)部結構位32位，外部數(shù)據(jù)總線為16位，采用80287作為協(xié)處理器，指令系統(tǒng)與80286兼容。80386DX內(nèi)部結構、外部數(shù)據(jù)總線皆為32位，采用80387作為協(xié)處理器。 1990年，Intel公司在80386基礎上研制出新一代32位微處理器芯片80486，其地址總線仍然為32位。它相當于把80386、80387及8KB高速緩沖存儲器(Cache)集成在一塊芯片上，性能比80386有較大提高。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 5. 第五代第五代

12、64位高檔微處理器位高檔微處理器 第五代微處理器的典型產(chǎn)品是1993年Intel公司推出的Pentium(奔騰，Intel 586)以及IBM、Apple和Motorola三家公司聯(lián)合生產(chǎn)的Power PC。Pentium微處理器數(shù)據(jù)總線為64位，地址總線為36位，有兩條超標量流水線，兩個并行執(zhí)行單元及雙高速緩沖存儲器，工作頻率有50MHz、66MHz、133MHz、和166MHz等。Power PC是一種精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)，也是一種性能優(yōu)異的64位微處理器，其中也采用了先進的超標量流水線技術及雙高速緩沖存儲器。第1章

13、微型計算機系統(tǒng)導論 精簡指令集計算機的特點是指令規(guī)整，從而使指令譯碼電路簡單，譯碼速度快；指令系統(tǒng)中只設置了使用頻率較高的指令，因而指令條數(shù)少，指揮指令執(zhí)行的控制邏輯電路簡單，執(zhí)行速度快。與精簡指令集計算機對應的是復雜指令集計算機CISC(Complex Instruction Set Computer)，Intel公司的Pentium微處理器及其以前的微處理器產(chǎn)品都屬于CISC。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.3 微型計算機系統(tǒng)的組成 圖1.1 微型計算機系統(tǒng)的組成硬件微型機系統(tǒng)外圍設備過程控制I/O通道A/D,D/A轉(zhuǎn)換器開關量等外部設備鍵盤、鼠標等輸入設備顯示器、打印機等輸出設備 軟驅(qū)

14、、硬盤及磁帶等外存儲器主 機輸入輸出(I/O)接口電路微處理器(CPU)運算器(算術邏輯運算單元ALU)控制器(控制單元CU)寄存器陣列(RA)內(nèi)存儲器RAM, ROM, EPROMEEPROM, Cash等系統(tǒng)軟件軟件用戶（應用）軟件第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.3.1 硬硬 件件 圖1.2 微型計算機硬件系統(tǒng)組成存儲器模塊運 算 器控 制 器CPU芯片輸入輸出接口電路取指令/存取操作數(shù)命令I/O命令結 果 輸出取指令/存取操作數(shù)主機讀入指令/數(shù)據(jù)大容量外存儲器I/O設 備I/O子系統(tǒng)第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 運算器和控制器被集成在一片被稱之為CPU的芯片中，它是微機的運算、控制中心，用

15、來實現(xiàn)算術、邏輯運算，并對全機進行控制。 存儲器（又稱為主存或內(nèi)存）用來存儲程序或數(shù)據(jù)，計算機要執(zhí)行的程序以及要處理的數(shù)據(jù)都要事先裝入到內(nèi)存中才能被CPU執(zhí)行或訪問。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 輸入/輸出(I/O)接口是微機與輸入輸出設備之間的橋梁，這種接口電路又稱做“I/O適配器”（I/O Adapter）。這里有必要強調(diào)一下大容量外存儲器與內(nèi)存儲器（主存或內(nèi)存）之間的關系。由于微型計算機內(nèi)存容量有限，所以使用大容量的外存儲器作為內(nèi)存的后援設備，它的容量可以比內(nèi)存大很多，但存取速度卻比內(nèi)存慢得多。所以，除必要的系統(tǒng)程序外，一般程序（包括數(shù)據(jù)）都存放在外存中，只有在運行時，才把它從外存?zhèn)魉偷?/p>

16、內(nèi)存的某個區(qū)域，再由CPU控制執(zhí)行。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.3.2 軟件軟件 所謂軟件，就是為了管理、維護計算機以及為完成用戶的某種特定任務而編寫的各種程序的總和。計算機的工作就是運行程序，通過逐條地從存儲器（內(nèi)存）中取出程序中的指令并執(zhí)行指令規(guī)定的操作而實現(xiàn)某種特定的功能，因此，軟件是微型計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分。微型計算機的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶（應用）軟件。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 用戶軟件用戶軟件就是用戶為解決各種實際問題而編寫的各種程序。 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指不需要用戶干預的，為其它程序的開發(fā)、調(diào)試以及運行等建立一個良好環(huán)境的程序。主要包括操作系統(tǒng)OS(Operat

17、ing System)和系統(tǒng)應用程序。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一套復雜的系統(tǒng)程序，用于提供人機接口和管理、調(diào)度計算機的所有硬件與軟件資源。其中最為重要的核心部分是常駐監(jiān)控程序，計算機啟動后，常駐監(jiān)控程序始終存放在內(nèi)存中，它接收用戶命令，并執(zhí)行相應的操作； 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 操作系統(tǒng)還包括用于執(zhí)行I/O操作的I/O驅(qū)動程序，每當用戶程序或其它系統(tǒng)程序需要使用I/O設備時，通常并不是該程序執(zhí)行I/O操作，而是由操作系統(tǒng)利用I/O驅(qū)動程序來執(zhí)行任務；此外，操作系統(tǒng)還包括用于管理存放在外存中大量數(shù)據(jù)的文件管理程序，文件管理程序和I/O驅(qū)動程序配合使用，用于文件的存取、復制和其它處理。系統(tǒng)應用程序系

18、統(tǒng)應用程序很多，如各種高級語言的編譯程序、匯編程序、診斷和調(diào)試程序，文字處理程序，服務性工具程序，數(shù)據(jù)庫管理程序等。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.4 微型計算機硬件系統(tǒng)微型計算機硬件系統(tǒng) 1.4.1 微型計算機系統(tǒng)的組成 到目前為止，計算機仍沿用1940年由馮.諾依曼首先提出的體系結構。其基本設計思想為： 以二進制形式表示指令和數(shù)據(jù)。 程序和數(shù)據(jù)事先存放在存儲器中，計算機在工作時能夠高速地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行。 由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部件組成計算機系統(tǒng)。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 圖1.3 微型計算機硬件系統(tǒng)結構 地址總線AB定時電路輸入設備輸出設備I/

19、O接口ROMRAM數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB微處理器(CPU)第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 所謂總線，總線，是計算機中各功能部件間傳送信息的公共通道，是微型計算機的重要組成部分。它們可以是帶狀的扁平電纜線，也可以是印刷電路板上的一層極薄的金屬連線。所有的信息都通過總線傳送。根據(jù)所傳送信息的內(nèi)容與作用不同，總線可分為三類： 地址總線地址總線AB(Address Bus)：在對存儲器或I/O端口進行訪問時，傳送 由CPU提供的要訪問存儲單元或I/O端口的地址信息，以便選中要訪問的存儲單元或I/O端口，是單向總線。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)：從存儲器取指令或讀

20、寫操作數(shù)，對I/O端口進行讀寫操作時，指令碼或數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)總線送往CPU或由CPU送出，是雙向總線。 控制總線控制總線CB(Control Bus)：各種控制或狀態(tài)信息通過控制總線由CPU送往有關部件，或者從有關部件送往CPU。CB中每根線的傳送方向是一定的，圖1.3中CB作為一個整體，用雙向表示。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.4.2 微處理器 外部DB 微處理器 (CPU)AARPLAPC標志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB 4001H E7H 4002H 34H 4003H A5H 4004H 62H 4005H 38H存儲器 地址 單元內(nèi)容ALU圖1.4 微處理器結構內(nèi)

21、部 數(shù) 據(jù) 總 線DB第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1運算器 運算器又稱算術邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)，用來進行算術或邏輯運算以及移位循環(huán)等操作。參加運算的兩個操作數(shù)一個來自累加器A(Accumulator)，另一個來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，可以是數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(Data Register)中的內(nèi)容，也可以是寄存器陣列RA(Register Array)中某個寄存器的內(nèi)容。計算結果送回累加器A暫存。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 2. 控制器 控制器又稱控制單元CU(Control Unit)，是全機的指揮控制中心。它負責把指令逐條從存儲器中取出，經(jīng)譯碼分析后向全機發(fā)

22、出取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。 (1) 指令寄存器IR(Instruction Register)：用來存放從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR中，然后再傳送到指令寄存器IR中。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 (2)指令譯碼器ID(Instruction Decoder)：用來對指令寄存器IR中的指令操作碼字段（指令中用來說明指令功能的字段）進行譯碼，以確定該指令應執(zhí)行什么操作。 (3) 可編程邏輯陣列PLA(Programmable Logic Array)：用來產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種微操作控制信號，并經(jīng)

23、過控制總線CB送往有關部件，從而使計算機完成相應的操作。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 3. 內(nèi)部寄存器陣列 1) 程序計數(shù)器PC(Program Counter) 程序計數(shù)器有時也被稱為指令指針I(yè)P(Instruction Pointer)。它被用來存放下一條要執(zhí)行指令所在存儲單元的地址。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的第一條指令所在的存儲單元地址送入PC。當執(zhí)行指令時，CPU將自動修改PC內(nèi)容，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令是按順序執(zhí)行的，所以修改的辦法通常只是簡單地對PC加1。但遇到跳轉(zhuǎn)等改變程序執(zhí)行順序的指令時，后繼指令的地址（即PC的內(nèi)容）將

24、從指令寄存器IR中的地址字段得到。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 2) 地址寄存器AR(Address Register)： 地址寄存器用來存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址。由于在內(nèi)存單元和CPU之間存在著操作速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止。 在取指令時，PC中存放的指令地址送到AR，根據(jù)此地址從存儲器中取出指令。 在取操作數(shù)時，將操作數(shù)地址通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到AR，再根據(jù)此地址從存儲器中取出操作數(shù)；在向存儲器存入數(shù)據(jù)時，也要先將待寫入數(shù)據(jù)的地址送到AR，再根據(jù)此地址向存儲器寫入數(shù)據(jù)。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 3) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(

25、Data Register) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時存放指令或數(shù)據(jù)。從存儲器讀出時，若讀出的是指令，經(jīng)DR暫存的指令經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到指令寄存器IR；若讀出的是數(shù)據(jù)，則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到運算器或有關的寄存器。同樣，當向存儲器寫入數(shù)據(jù)時，也首先將其存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR中，然后再經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入存儲器。 可以看出，數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR是CPU和內(nèi)存、外部設備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站，用來補償CPU和內(nèi)存、外圍設備之間在操作速度上存在的差異。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 4) 指令寄存器IR(Instruction Register) 指令寄存器用來保存從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器

26、對其操作碼字段進行譯碼，產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的微操作命令。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 5) 累加器A(Accumulator) 累加器是使用最頻繁的一個寄存器。在執(zhí)行算術邏輯運算時，它用來存放一個操作數(shù)，而運算結果通常又放回累加器，其中原有信息隨即被破壞。所以，顧名思義，累加器是用來暫時存放ALU運算結果的。顯然，CPU中至少應有一個累加器。目前CPU中通常有很多個累加器。當使用多個累加器時，就變成了通用寄存器堆結構，其中任何一個既可存放目的操作數(shù)，也可以放源操作數(shù)。例如本書介紹的80 x86系列CPU就采用了這種累加器結構。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 6) 標志寄存器FLAGS（Flag

27、Register） 標志寄存器有時也稱為程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word)。它用來存放執(zhí)行算術運算指令、邏輯運算指令或測試指令后建立的各種狀態(tài)碼內(nèi)容以及對CPU操作進行控制的控制信息。標志位的具體設置及功能隨微處理器型號的不同而不同。編寫程序時，可以通過測試有關標志位的狀態(tài)（0或1）來決定程序的流向。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.4.3 存儲器 這里介紹的存儲器是指內(nèi)存儲器（又稱為主存或內(nèi)存）。它是微型計算機的存儲和記憶裝置，用來存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結果和最終結果。 在計算機內(nèi)部，程序和數(shù)據(jù)都以二進制形式表示，8位二進制代碼作為一個字節(jié)。為了便于對存儲器進行訪問

28、，存儲器通常被劃分為許多單元，每個存儲單元存放一個字節(jié)的二進制信息，每個存儲單元分別賦予一個編號，稱為地址。如圖1.5所示，地址為4005H的存儲單元中存放了一個八位二進制信息00111000B。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 計算機在執(zhí)行程序時，CPU會自動而連續(xù)地從內(nèi)存儲器中取出要執(zhí)行的指令，并執(zhí)行指令規(guī)定的操作。這就是說，計算機每完成一條指令，至少有一次為取指令而訪問內(nèi)存儲器的操作。內(nèi)存儲器是計算機主機的一部分，一般把具有一定容量且速度較高的存儲器作為內(nèi)存儲器，CPU可直接用指令對內(nèi)存儲器進行讀寫。在微型計算機中，通常用半導體存儲器作為內(nèi)存儲器。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 E7H34HA

29、5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H地址指令或數(shù)據(jù)內(nèi)容0 0 1 1 1 0 0 0圖1.5 內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1. 基本概念 1位(Bit)：二進制信息的最小單位（0或1） 2字節(jié)(Byte)：由8位二進制數(shù)組成，可以存放在一個存儲單元中。是字的基本組成單位。 3字（Word）：計算機中作為一個整體來處理和運算的一組二進制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù)倍。通常它與計算機內(nèi)部的寄存器、算術邏輯單元、數(shù)據(jù)總線寬度相一致。每個字包括的位數(shù)稱為計算機的字長，是計算機的重要性能指標。目前為了表示方便，常把一個字定義為16位，把一個雙字定義為32位。 第1章

30、 微型計算機系統(tǒng)導論 4內(nèi)存容量：內(nèi)存中存儲單元的總數(shù)。通常以字節(jié)為單位，1024（210）字節(jié)記作1KB，220字節(jié)記作1MB。 5內(nèi)存單元地址：為了能識別不同的單元，每個單元都賦予一個編號，這個編號稱之為內(nèi)存單元地址。顯然，各內(nèi)存單元的地址與該地址對應的單元中存放的內(nèi)容是兩個完全不同的概念，不可混淆。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 2.內(nèi)存的操作 CPU對內(nèi)存的操作有兩種：讀或?qū)憽Ｗx操作是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入CPU內(nèi)部，而寫操作是CPU將其內(nèi)部信息送到內(nèi)存單元保存起來。顯然，寫操作的結果改變了被寫內(nèi)存單元的內(nèi)容，是破壞性的，而讀操作是非破壞性的，即該內(nèi)存單元的內(nèi)容在信息被讀出之后仍保持

31、原信息不變。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 從內(nèi)存單元讀出信息的操作過程如圖1.6(a)所示。假設將地址為90H的單元中的內(nèi)容10111010B(BAH)讀入CPU，其操作過程如下：（1）CPU經(jīng)地址寄存器AR將要讀取單元的地址信息10010000B(90H)送地址總線，經(jīng)地址譯碼器選中90H單元。（2）CPU發(fā)出“讀”控制信號。（3）在讀控制信號的作用下，將90H單元中的內(nèi)容10111010B(BAH)放到數(shù)據(jù)總線上，然后經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR送入CPU中的有關部件進行處理。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址0

32、0H01HFFH90HAB10010000B來自CPU的寫信號00000000BDB地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB來自CPU的讀信號(a) 內(nèi)存讀操作過程示意圖(b) 內(nèi)存寫操作過程示意圖圖1.6 內(nèi)存讀寫操作過程示意圖 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 向內(nèi)存單元寫入信息的操作如圖1.6(b)所示。假定要將數(shù)據(jù)0寫入內(nèi)存中地址為90H的單元，其操作過程如下：（1）寫入單元的地址信息90H經(jīng)地址寄存器AR送到地址總線上。（2）待寫入的數(shù)據(jù)00000000B經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖寄存器D

33、R放到數(shù)據(jù)總線上。（3）CPU發(fā)出“寫”控制信號，在該信號的作用下將數(shù)據(jù)0寫入90H單元。此時，90H單元中原有的內(nèi)容10111010B就會被00000000B所替代。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 3. 內(nèi)存的分類 按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類：隨機讀寫存儲器RAM(Random Access Memory)和只讀存儲器ROM(Read Only Memory)。 隨機讀寫存儲器可被CPU隨機地讀寫，它用于存放將要被CPU執(zhí)行的用戶程序、數(shù)據(jù)以及部分系統(tǒng)程序。斷電后，其中存放的所有信息將丟失。 只讀存儲器中的信息只能被CPU讀取，而不能由CPU任意地寫入。斷電后，其中的信息不會丟失。它用于存放

34、永久性的程序和數(shù)據(jù)。如系統(tǒng)引導程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入/輸出管理程序（BIOS）等。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.4.4 I/O接口與輸入輸出設備 I/O接口是微型計算機與輸入輸出設備之間信息交換的橋梁。 I/O設備是微型計算機系統(tǒng)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)及現(xiàn)場信息要通過輸入設備輸入給計算機。計算機的處理結果要通過輸出設備輸出，以便用戶使用。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、數(shù)字化儀、掃描儀、A/D轉(zhuǎn)換器等。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀、D/A轉(zhuǎn)換器等。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 外設的種類很多，有機械式、電子式、機電式、光電式等，且一般來說，與CPU相比，外設的工作

35、速度較低。外設處理的信息有數(shù)字量、模擬量、開關量等，而計算機只能處理數(shù)字量。另外，外設與微型計算機工作的邏輯時序也可能不一致。由于上述原因，微型機與外設之間的連接及信息的交換不能直接進行，而需要設計一個I/O接口作為微型機與外設之間的橋梁。I/O接口也稱為I/O適配器，不同的外設必須通過不同的I/O適配卡（板）才能與微機相連。所以，I/O接口是微型計算機應用系統(tǒng)不可缺少的重要組成部件。任何一個微機應用系統(tǒng)的研制和開發(fā)，實際上是I/O接口的研制和開發(fā)。因此，I/O接口技術是本課程要重點討論的內(nèi)容之一， 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 1.5 微型計算機的工作過程 表1.1為在某模型機上完成“6+5”

36、操作所需的機器語言程序和匯編語言程序，假設該機器語言程序從內(nèi)存中地址為0000H單元開始存放。機器語言程序機器語言程序是計算機能夠理解和直接執(zhí)行的程序，其指令是用二進制代碼表示和存儲的。匯編語言程序匯編語言程序是用助記符語言表示的程序，計算機不能直接“識別”，需要經(jīng)過“匯編程序”把它轉(zhuǎn)換為機器語言程序后才能執(zhí)行。機器語言指令和匯編語言指令是一一對應的，都是面向機器，不同的機器有著自己獨有的機器語言指令系統(tǒng)和匯編語言指令系統(tǒng)。高級語言高級語言是不依賴于具體機型只面向過程的程序設計語言，由它所編寫的高級語言程序，需經(jīng)過編譯程序或解釋程序的編譯或解釋生成機器語言程序后才能執(zhí)行。由此可見，不論程序是用

37、什么語言編寫，都必須首先將其轉(zhuǎn)換為計算機能直接識別和執(zhí)行的機器語言程序，然后才能由CPU逐條讀取并執(zhí)行。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 內(nèi)存單元地址機器語言程序 匯編語言程序 指令功能說明0000H0001H1011000100000110MOV A,06H雙字節(jié)指令。將數(shù)字6送累加器A0002H0003H0000100000000101ADD A,05H雙字節(jié)指令。將數(shù)字5與累加器A中的內(nèi)容相加，結果存放在累加器A中。0004H11111110HLT停機指令表表1.1 完成完成“6+5”操作所需的機器語言程序和匯編語言程序操作所需的機器語言程序和匯編語言程序 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 微機的

38、工作過程就是不斷地從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行指令的過程。當開始運行程序時，首先應把第一條指令所在存儲單元的地址賦予程序計數(shù)器PC(Program Counter)，然后機器就進入取指階段。在取指階段，CPU從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令，于是，數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容將被送至指令寄存器IR，然后由指令譯碼器對IR中指令的操作碼字段進行譯碼，并發(fā)出執(zhí)行該指令所需要的各種微操作控制信號。取指階段結束后，機器就進入執(zhí)行指令階段，這時CPU執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作。當一條指令執(zhí)行完畢后，轉(zhuǎn)入下一條指令的取指階段。這樣周而復始地循環(huán)，直到遇到暫停指令時結束。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 對于所有的機器指令而言，取指

39、階段都是由一系列相同的操作組成的，所用的時間都是相同的。而執(zhí)行指令階段由不同的事件順序組成，它取決于被執(zhí)行指令的類型，因此，執(zhí)行階段的時間不同指令間存在很大差異。 需要說明的是，指令通常由操作碼(Operation Code)和操作數(shù)(Operand)兩部分組成。操作碼表示該指令完成的操作，而操作數(shù)表示參加操作的數(shù)本身或操作數(shù)所在的地址。指令根據(jù)其所含內(nèi)容的不同而有單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令以及多字節(jié)指令等，因此，計算機在執(zhí)行一條指令時，就可能要處理一到多個不等字節(jié)數(shù)目的代碼信息，包括操作碼、操作數(shù)或操作數(shù)的地址。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 假定完成“6+5”操作所需的機器語言程序(表1.1所示

40、)已由輸入設備存放到內(nèi)存中，如圖1.7所示。下面進一步說明微機內(nèi)部執(zhí)行該程序的具體操作過程。 開始執(zhí)行程序時，首先將第一條指令的首地址0000H送程序計數(shù)器PC，然后就進入第一條指令的取指階段，其操作過程如圖1.7所示。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 圖1.7 取第一條指令的操作過程示意圖 0000H0001H0002H0003H0004H1011000100000110000010000000010111111110A0000 00000000 0000PLAID1011000110110001RA微處理器(CPU)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DB至外部CB外部DB外部AB存儲器地址單元內(nèi)容ALUPCCPU發(fā)

41、出讀命令PC1ARDRIR第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 把PC內(nèi)容送地址寄存器AR. PC內(nèi)容送入AR后，PC自動加1，即由0000H變?yōu)?001H，以使PC指向下一個要讀取的內(nèi)存單元。注意，此時AR的內(nèi)容并沒有變化。 把地址寄存器AR的內(nèi)容0000H放在地址總線上，并送至存儲器系統(tǒng)的地址譯碼電路（圖中未畫出），經(jīng)地址譯碼選中相應的0000H單元。 CPU發(fā)出存儲器讀命令。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 在讀命令的控制下，把選中的0000H單元的內(nèi)容即第一條指令的操作碼B1H讀到數(shù)據(jù)總線DB上。 把讀出的內(nèi)容B1H經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR。 指令譯碼。因為取出的是指令的操作碼，故數(shù)據(jù)緩沖寄

42、存器DR中的內(nèi)容被送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器ID，經(jīng)過譯碼，CPU“識別”出這個操作碼代表的指令，于是經(jīng)控制器發(fā)出執(zhí)行該指令所需要的各種控制命令。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 接著進入第一條指令的執(zhí)行階段。經(jīng)過對操作碼B1H的譯碼，CPU知道這是一條把下一單元中的操作數(shù)送累加器A的雙字節(jié)指令，所以，執(zhí)行該指令的操作就是從下一個存儲單元中取出指令第二個字節(jié)中的操作數(shù)06H，并送入累加器A。該指令的執(zhí)行過程如圖1.8所示。 把PC內(nèi)容01H送地址寄存器AR。 PC內(nèi)容送入AR后，PC自動加1，即由0001H變?yōu)?002H。注意，此時AR的內(nèi)容0001H并沒有變化。 第1章 微型計算機系統(tǒng)導論 把地址寄存器AR的內(nèi)容0001H放到地址總線上，并送至存儲器系統(tǒng)的地址譯碼電路，經(jīng)地址譯碼選中相應的0001H單元。 CPU發(fā)出存儲器讀命令。 在讀命令的控制下，把選中的0001H單元的內(nèi)容06H放到數(shù)據(jù)總線DB上。 把讀出的內(nèi)容06H經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR。 數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR的內(nèi)容經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到累加器A。于是，第一條指令執(zhí)行完畢，操作數(shù)06H被送到累加器A中。