计算机硬件技术基础概述

授 课 教 员 李 毅 国 防 科 技 大 学 计 算 机 学 院 ， 06届 工 学 硕 士后 勤 工 程 学 院 自 动 化 技 术 教 研 室TEL:68575165(O) 教 材 ： 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 ， 邹 逢 兴 编 著 ， 高等 教 育 出 版 社课 程 的 性 质 、 任 务 本 课 程 是 各 专 业 的 技 术 基 础 课 ， 以 Intel 8088/8086及 80486,Pentium为 样 机 ， 以 应 用 为 目 的 ， 通 过 课 堂 讲授 、 实 验 两 个 环 节 ， 熟 练 掌 握 微 型 计 算 机 的 工 作 原 理 ，并 能 进 行 简 单 的 底 层 软 件 编 程 与 计 算 机 应 用 硬 件 设 计 。学 习 特 点u 发 展 迅 猛 ， 但 许 多 基 本 原 理 是 相 同 的 。u 侧 重 原 理 的 学 习 ， 不 过 分 深 究 具 体 的 细 节 （ 如 数 百 个 引 脚 并 不 一 一 进 行 研 究 ） 。u 次 序 进 行 了 调 整 ， 选 择 和 补 充 了 一 定 内 容 。u 通 过 实 验 ， 加 深 理 解 。 参 考 书 目 ： 1、 【 微 型 计 算 机 系 统 原 理 及 应 用 】 (第 三 版 ) 周 明 德 著 ， 清 华 大 学 出 版 社 2、 【 INTEL 8086/8088 系 列 微 型 计 算 机 及 其 应用 】 张 明 达 著 ， 中 南 工 大 出 版 社 3、 【 IBM PC 汇 编 语 言 程 序 设 计 】 沈 美 明 等 ，清 华 大 学 出 版 社 4、 【 微 型 计 算 机 技 术 】 田 艾 平 等 编 著 ， 清 华大 学 出 版 社 总 成 绩 考 试 60 实 验 30 平 时 10平 时 ： 作 业 课 堂 纪 律 为 什 么 要 学 习 这 门 课 程 ？ 我 对 这 门 课 程 有 什 么 希 望 ？ 第 一 章 微 机 发 展 、 组 成 与 工 作 原 理 1.1 概 述 1.2 Intel8086/8088的 结 构 1.3 外 部 设 备 第 一 章 微 机 发 展 、 组 成 与 工 作 原 理 1.1 概 述 1.2 Intel8086/8088的 结 构 1.3 外 部 设 备 1.1 概 述1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史1.1.2 微 机 系 统 的 三 个 层 次1.1.3 微 机 的 分 类1.1.4 微 机 的 体 系 结 构1.1.5 有 关 术 语1.1.6 微 型 计 算 机 的 组 成 及 工 作 过 程1.1.7 微 型 计 算 机 系 统 的 主 要 性 能 指 标1.1.8 微 型 计 算 机 的 运 算 基 础1.1.9 微 机 发 展 的 有 关 新 技 术 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 一 、 计 算 机 的 发 展 过 程 计 算 机 的 发 展 是 伴 随 着 集 成 电 路 的 发 展而 发 展 的 ， 从 二 十 世 纪 四 十 年 代 开 始 ， 集成 电 路 技 术 得 到 了 迅 猛 的 发 展 ， 有 电 子 管 、晶 体 管 、 集 成 电 路 发 展 到 现 在 的 超 大 规 模集 成 电 路 ， 为 计 算 机 的 发 展 打 下 了 坚 实 的基 础 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 、 世 界 上 第 一 台 计 算 机 ENIAC（ 第 一 代 ） 1946年 2月 ， 美 国 研 制 成 功 ENIAC (Electronic Numberical Intergrator And Caculator 爱 尼 克 )。 它 由 18000多 个 电 子 管 、 1500多 个 继电 器 等 组 成 ， 重 30吨 ， 耗 电 150千 瓦 ， 占 地 170平 方 米 ， 运 算 速 度 为 每 秒 5000次 。 这 是 以 电 子管 为 逻 辑 元 件 的 计 算 机 ， 称 为 第 一 代 计 算 机 。 从 计 算 能 力 来 看 ， 不 如 现 在 的 小 计 算 器 。 ENIAC的 照 片 : （ 见 下 图 ） 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 2、 第 二 代 计 算 机 是 以 晶 体 管 为 逻 辑 元 件 的 计 算 机 ， 其 特 点 是 体 积小 ， 重 量 轻 ， 耗 电 少 ， 工 作 可 靠 ， 运 算 速 度 达 每 秒 几万 至 几 十 万 次 。 3、 第 三 代 计 算 机 是 以 集 成 电 路 为 逻 辑 元 件 的 计 算 机 ， 其 特 点 是 体积 大 为 缩 小 ， 耗 电 极 少 ， 可 靠 性 与 速 度 明 显 提 高 。 4、 第 四 代 计 算 机 是 以 大 规 模 集 成 电 路 为 逻 辑 元 件 的 计 算 机 ， 其各 方 面 性 能 进 一 步 提 高 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史5、 计 算 机 的 分 类巨 型 机 ： 运 算 速 度 达 每 秒 上 亿 次 。 如 我 国 研 制 的 银 河 、 曙 光 、 神 州 等 超 级 计 算 机 。大 型 机 ： 速 度 和 性 能 比 巨 型 机 稍 低 ， 其 特 点 是 有 自 己 的 专 用 操 作 系 统 。 以 上 两 类 主 要 用 于 国 防 、 能 源 、 气 象 、 航 天 等 领 域 。小 型 机 ： 速 度 和 性 能 再 低 一 些 ， 但 其 通 用 性 强 ， 应 用 软 件 丰 富 ， 适 用 于 政 府 、 企 业 、 学 校 等 领 域 。工 作 站 ： 常 用 于 专 门 领 域 ， 如 图 形 工 作 站 。PC机 ： 即 Personal Computer， 个 人 计 算 机 ， 其 通 用 性 更 强 ， 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 二 、 微 机 发 展 简 史 微 机 的 核 心 是 中 央 处 理 器 CPU， CPU的 发展 代 表 了 微 机 的 发 展 ， 下 面 以 最 具 代 表 性 的Intel系 列 CPU为 例 说 明 。 、 第 一 代 CPU（ 位 ） 1971年 Intel公 司 推 出 了 世 界 上 第 一 个CPU： Intel4004， 是 用 于 计 算 器 的 4位 微 处理 器 ， 主 频 740KHz， 1200个 晶 体 管 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 、 第 二 代 CPU（ 位 ） 从 1972年 到 1977年 ， 先 后 推 出 Intel8008、8080、 8085A等 ， 主 频 800KHz至 6MHz， 含 晶 体 管2000至 9000个 。 3、 第 三 代 CPU（ 16位 ） 1978年 、 1979年 、 1982年 ， 分 别 推 出 8086、8088、 80286， 主 频 为 4.77MHz至 12.5MHz， 含 晶体 管 2.9万 至 13.4万 个 。 特 别 是 1981年 8088芯 片首 次 用 于 IBM PC机 ， 从 此 开 创 了 全 新 的 PC时 代 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 4、 第 四 代 CPU（ 32位 ） 1985年 的 80386， 主 频 33MHz,含 27.5万 个 晶 体管 ； 1989年 的 80486， 是 将 80386和 80387（ 数 学 协处 理 器 ， 支 持 浮 点 运 算 ） 及 8KB高 速 缓 存 器 Cache集 成 在 一 个 芯 片 内 ， 并 首 次 采 用 了 RISC技 术 ， 其性 能 较 80386DX/80387的 组 合 提 高 4倍 ， 其 主 频 逐步 提 高 到 100MHz， 单 片 集 成 了 120万 个 晶 体 管 。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 、 第 五 代 CPU（ 64位 ） 1993年 推 出 Pentium（ 奔 腾 ） 处 理 器 ， 即80586， 集 成 晶 体 管 320万 个 ， 主 频 逐 步 提 高到 166MHz ， 实 现 了 超 标 量 体 系 结 构 ， 性 能 明显 提 高 ； 1995年 Pentium Pro（ 多 能 奔 腾 ）处理 器 面 世 ， 俗 称 P6， 集 成 550万 个 晶 体 管 ， 主频 高 达 200MHz。 1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 之 后 ， 1996年 的 多 能 奔 腾 (MMX Pentium)处 理器 ， MMX为 Multi Media eXtended(多 媒 体 扩 展 )，增 加 了 多 媒 体 指 令 集 (57条 )； 1997年 的 奔 腾 (Pentium )采 用 了 独 特 的双 重 独 立 总 线 结 构 ， 大 大 提 高 信 息 处 理 能 力 ； 1999年 的 奔 腾 (Pentium )， 又 增 加 了 70条 新 型 多 媒 体 指 令 SSE， 动 画 、 三 维 效 果 逼 真 ， 500MHz的 主 频 ， 集 成 了 950万 个 晶 体 管 ； 2000年 的 Pentium 4微 处 理 器 又 新 增 了 SSE2指令 集 (144条 )， 给 用 户 提 供 功 能 强 大 的 服 务 ： 音频 视 频 流 、 图 形 图 像 处 理 、 3D、 CAD、 游 戏 等 。主 频 1.4 3.4GHz， 集 成 了 17800万 个 晶 体 管 。 Pentium4系 列 分 为 赛 扬 (Celeron)、 主 流 奔 腾(Pentium)和 至 强 (Xeon)三 个 档 次 ， 分 别 针 对 低端 市 场 、 普 通 用 户 及 高 级 图 形 工 作 站 和 服 务 器 。 2004年 4月 ， 又 推 出 迅 驰 (Centrino)系 列 CPU (Pentium M)， 主 要 用 于 笔 记 本 电 脑 。 Pentium 4 Cenleron(赛 扬 )： 2.8GHz Pentium 4 (奔 腾 )： 1.4 3.6GHz Pentium Xeon(至 强 )： 1.4 3.06GHz Pentium-M Centrino(迅 驰 )： 0.9 1.6GHz 另 外 ： Intel公 司 在 2002年 7月 启 动 了 安 腾 CPU (Itanium 64位 )， 主 要 用 于 高 端 产 品 。1.1.1 计 算 机 、 微 机 发 展 简 史 1.1.2 微 机 系 统 的 三 个 层 次微处理器 微 型计 算 机 微 型计 算 机系 统 微 处 理 器 （ Microprocessor) 是 微 型 计 算 机 的 核 心 部 件 ， 包 括 ： 算 术 逻 辑 部件 ALU、 控 制 部 件 、 寄 存 器 组 三 个 基 本 部 分 ， 由一 片 或 几 片 LSI、 VLSI器 件 组 成 。u 微 机 系 统 的 三 个 层 次 1.1.2 微 机 系 统 的 三 个 层 次微 型 计 算 机 （ Micro Computer) 是 以 微 处 理 器 为 核 心 ， 加 上 存 储 器 、 输 入 /输出 接 口 和 系 统 总 线 组 成 的 。 将 这 几 部 分 集 成 在 一个 超 大 规 模 芯 片 上 ， 称 为 单 片 机 。微 型 计 算 机 系 统 (Micro Computer System) 是 以 微 型 计 算 机 为 核 心 ， 配 以 相 应 的 外 设 、电 源 、 辅 助 电 路 和 控 制 微 机 工 作 的 软 件 而 构 成 的完 整 的 计 算 系 统 。 软 件 分 为 系 统 软 件 （ 如 操 作 系统 、 语 言 处 理 程 序 等 ） 和 应 用 软 件 。 1.1.2 微 机 系 统 的 三 个 层 次 1.1.2 微 机 系 统 的 三 个 层 次运 算 器 控 制 器 寄 存 器 组 内 存 储 器 总 线 输 入 输 出接 口 电 路外 部 设 备 软 件 微 处 理 器微 型 计 算 机 微 型 计 算 机 系 统 1.1.3 微 机 的 分 类u 微 机 的 分 类按 构 成 分 类 ： 单 片 机 、 单 板 机 、 多 板 机 单 片 机l 将 CPU、 内 存 、 I/O接 口 电 路 全 部 集 成 一 块 芯 片 上 ， 构 成 具 备 基 本 功 能 的 计 算 机 ， 称 单 片 机 。l 特 点 ： 超 小 型 、 高 可 靠 性 、 价 廉l 应 用 ： 智 能 仪 表 、 工 业 实 时 控 制 、 家 用 电 器 等l 产 品 ： Intel 的 8051、 8096/8098系 列 Motorola 的 6801、 6805系 列 Hitachi (日 立 ) 的 H8S、 SH系 列 1.1.3 微 机 的 分 类 单 板 机l将 CPU、 内 存 、 I/O接 口 及 其 它 辅 助 电 路 全 部 装 在 一 块 印 刷 电 路 板 上 ， 组 成 单 板 机 。l 特 点 ： 结 构 简 单 、 价 廉l 应 用 ： 过 程 控 制 、 数 据 处 理l 产 品 ： TP-801 以 Z80CPU为 核 心 的 单 板 机 80年 代 各 院 校 “ 微 机 原 理 ” 的 实 验 机 1.1.3 微 机 的 分 类l 把 CPU、 内 存 、 I/O接 口 芯 片 装 在 多 块 电 路 板 上 ， 各 印 刷 板 插 在 主 机 板 的 总 线 插 槽 上 ， 通 过 系 统 总 线 连 接 起 来 ， 构 成 多 板 机 。l产 品 ： IBM PC/XT、 486机 、 Pentium机 等 90年 代 以 来 各 院 校 “ 微 机 原 理 ” 和 计 算 机 硬 件 的 实验 机 多 板 机 冯 .诺 依 曼 计 算 机 的 工 作 原 理 可 概 述 为 ：“ 存 储 程 序 ” + “ 程 序 控 制 ”要 点 ： 1 数 据 和 程 序 以 二 进 制 形 式 不 加 区 别 地 存 放 在 存 储 器 中 2. 先 将 程 序 存 入 存 储 器 中 ， 再 由 控 制 器 自 动 读 取 并 执 行输入设备 控 制 器 输出设备 CPU 存 储 器运 算 器 ALU1.1.4 微 机 的 体 系 结 构 1.1.5 有 关 术 语1. 位 ( bit )2. 字 节 ( Byte )3. 字 和 字 长 (word)4. 位 编 号5. 指 令 、 指 令 系 统 和 程 序6. 寄 存 器 7. 译 码 器 1. 位 ( bit)l 指 计 算 机 能 表 示 的 最 基 本 最 小 的 单 位l 在 计 算 机 中 采 用 二 进 制 表 示 数 据 和 指 令 ， 故 ：位 就 是 一 个 二 进 制 位 ， 有 两 种 状 态 ， “ 0” 和 “ 1”2. 字 节 ( Byte )l 相 邻 的 8位 二 进 制 数 称 为 一 个 字 节 ， 1Byte 8bit 如 ： 1100 0011 0101 0111 1.1.5 有 关 术 语 3 字 和 字 长l 字 是 CPU内 部 进 行 数 据 处 理 的 基 本 单 位 。 l 字 长 是 每 一 个 字 所 包 含 的 二 进 制 位 数 ， 常 与 CPU内 部 的 寄 存 器 、 运 算 装 置 、 总 线 宽 度 一 致 。1.1.5 有 关 术 语 例 某 CPU内 含 8位 运 算 器 ， 则 ：参 加 运 算 的 数 及 结 果 均 以 8位 表 示 ,最 高 位 产 生 的 进 位 或 借 位 在 8位 运 算 器 中 不 保 存 ，而 将 其 保 存 到 标 志 寄 存 器 中 1 0 1 1 0 1 0 1 被 加 数 8位 + 1 0 0 0 1 1 1 1 加 数 8位进 位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和 8位 PSW标 志 寄 存 器运算器标 志寄 存 器运算器 被 加 数加 数和进 位 字 长 是 衡 量 CPU工 作 性 能 的 一 个 重 要 参 数 。 不 同 类 型 的 CPU有 不 同 的 字 长 。 如 : Intel 4004 是 4 位 8080 是 8 位 8088/ 8086/80286 是 16 位 80386/80486是 32 位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被 加 数 + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加 数进 位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和 4位 8次 8位 4次16位 2次 32位 1次 位 1 或 0 1位字 节 1100 0011 8位字 1100 0011 0011 1100 16位双 字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位高 字 节 低 字 节 高 字 低 字把 一 个 字 定 为 16 位 ， 1 Word = 2 Byte 一 个 双 字 定 为 32位 1 DWord = 2 Word= 4 Byte 4. 位 编 号 为 便 于 描 述 ， 对 字 节 ,字 和 双 字 中 的 各 位 进 行 编 号 。 从 低 位 开 始 ， 从 右 到 左 依 次 为 0、 1、 2 编 号7 6 5 4 3 2 1 01 0 1 0 0 0 1 0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0字 节 数 据 Data地 址 Address D0D7D15 D815 81 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 07 0A0A7A15 A8字 的 编 号 为 15 0双 字 的 编 号 依 此 类 推 ， 为 31 0 5. 指 令 、 指 令 系 统 和 程 序l 一 个 CPU能 执 行 什 么 操 作 ， 是 工 程 人 员 设 计 和 制 造 好 的 ， 是 固 定 的 ， 用 户 不 能 改 变 。l 指 令 是 CPU能 执 行 的 一 个 基 本 操 作 。 如 ： 取 数 、 加 、 减 、 乘 、 除 、 存 数 等l 指 令 系 统 是 CPU所 能 执 行 的 全 部 操 作 。 不 同 的 CPU， 其 指 令 系 统 不 同 。l 程 序 是 用 户 在 使 用 计 算 机 时 ， 为 要 解 决 的 问 题 ， 用 一 条 条 指 令 编 写 的 指 令 序 列 。 构 成 程 序 的 指 令 在 存 储 器 中 一 般 都 是 顺 序 存 放 ，要 破 坏 这 种 顺 序 性 ， 必 须 由 转 移 指 令 操 作 。 6 寄 存 器 l 寄 存 器 是 用 来 存 放 数 据 和 指 令 的 一 种 基 本 逻 辑 部 件 。l 根 据 存 放 信 息 的 不 同 ， 有 指 令 寄 存 器 、 数 据 寄 存 器 、 地 址 寄 存 器 等 。 标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB指 令 寄 存 器数 据 寄 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IPCPU结 构示 意 图 7 译 码 器l 译 码 器 是 将 输 入 代 码 转 换 成 相 应 输 出 信 号 的 逻 辑 电 路 。 指 令 是 CPU能 执 行 的 一 个 基 本 操 作 ;CPU的 设 计 者 对 CPU的 所 有 指 令 进 行 编 码 ;用 户 用 编 码 形 式 的 指 令 进 行 编 程 ， 程 序 存 放 在 内 存 中 ;CPU从 内 存 取 来 编 码 形 式 的 指 令 ,对 指 令 进 行 译 码 ， 发 出 执 行 该 指 令 功 能 所 需 的 信 号 CPU 总 线 内 存标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IPl 根 据 译 码 内 容 的 不 同 ， 可 分 为 ： 指 令 译 码 器 : 将 指 令 代 码 转 换 成 该 指 令 所 需 的 各 种 控 制 信 号 。 地 址 译 码 器 : 将 地 址 信 号 转 换 成 各 地 址 单 元 相 应 的 选 通 信 号 。 1) 构 成 部 件 2) 工 作 过 程1.1.6 微 型 计 算 机 的 组 成 及 工 作 过 程 微 机 的 硬 件 由 CPU、 存 储 器 、 输 入 /输 出 设 备 构 成 ；输 入 /输 出 设 备 通 过 输 入 /输 出 接 口 与 系 统 相 连 ； ( 输 入 /输 出 接 口 简 称 I/O接 口 )各 部 件 通 过 总 线 连 接 。构成部件 1) 构 成 部 件 总 线 BUS存储器 I/O接口 输入设备 I/O接口 输出设备CPU (1)总 线l 总 线 是 连 接 多 个 功 能 部 件 的 一 组 公 共 信 号 线 微 机 中 各 功 能 部 件 之 间 的 信 息 是 通 过 总 线 传 输总 线 BUS存储器 I/O接口 输入设备 I/O接口 输出设备CPU l 按 信 号 的 作 用 ， 总 线 分 为 三 类 ： 地 址 总 线 、 数 据 总 线 、 控 制 总 线 存储器 I/O接口 输入设备 I/O接口 数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB地 址 总 线 AB输出设备CPU 三 总 线 结 构 地 址 总 线 AB ( Address Bus) ： 单 向用 来 传 送 CPU输 出 的 地 址 信 号 ，确 定 被 访 问 的 存 储 单 元 、 I/O端 口 。地 址 总 线 的 条 数 决 定 CPU的 寻 址 能 力 。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M32根 2 32 22 230 4G 数 据 总 线 DB ( Data Bus )： 双 向 用 来 在 CPU与 存 储 器 、 I/O接 口 之 间 进 行 数 据 传 送 。数 据 总 线 的 条 数 决 定 一 次 可 最 多 传 送 数 据 的 宽 度 。 8 根 一 次 传 送 8位16 根 一 次 传 送 16位 32 根 一 次 传 送 32位 64 根 一 次 传 送 64位 控 制 总 线 CB ( Control Bus ) ： 用 于 传 送 各 种 控 制 信 号 。 有 的 是 CPU发 出 ， 如 读 控 制 信 号 、 写 控 制 信 号 ； 有 的 是 发 向 CPU， 如 外 设 向 CPU发 出 的 中 断 申 请 信 号 。 (2) 中 央 处 理 器 CPUl 计 算 机 的 核 心 部 件 用 来 实 现 指 令 的 自 动 装 入 和 自 动 执 行 ， 实 现 计 算 机 本 身 的 自 动 化 。存储器 I/O接口 输入设备 I/O接口 数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB地 址 总 线 AB输出设备CPU CPU结 构 示 意 图 地 址 信 号标 志寄 存 器 指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 器指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 数 据 信 号控 制 信 号 (3) 存 储 器 （ 内 存 ） 内 存 是 存 储 程 序 和 数 据 的 部 件 ， 由 地 址 译 码 器 、 内 存 单 元 等 构 成 。n根CPU 地 址 线 AB数 据 线 DB控 制 线 CB 地址译码器 1100110000110011101010101111000010001000地 址 00.0000地 址 00.0001地 址 00.0010地 址 00.0011地 址 111111 内 存 结 构 示 意 图 l 内 存 单 元 l 内 存 单 元 的 地 址l 内 存 单 元 的 内 容l 对 内 存 的 读 /写 操 作 l 内 存 单 元 存 储 信 息 的 基 本 单 元 。 每 片 内 存 芯 片 有 若 干 个 内 存 单 元 。 每 个 单 元 可 存 储 1位 或 多 位 等 二 进 制 数 。n根CPU 地 址 线 AB数 据 线 DB控 制 线 CB 地址译码器 1100110000110011101010101111000010001000地 址 00.0000地 址 00.0001地 址 00.0010地 址 00.0011 地 址 111111 l 内 存 单 元 的 地 址 为 区 分 各 内 存 单 元 ， 每 个 内 存 单 元 对 应 有 一 个 地 址 。 地 址 线 上 的 数 据 经 译 码 后 只 有 唯 一 的 内 存 单 元 被 选 中 。n根CPU 地 址 线 AB数 据 线 DB控 制 线 CB 地址译码器 1100110000110011101010101111000010001000地 址 00.0000地 址 00.0001地 址 00.0010地 址 00.0011地 址 111111 l 内 存 单 元 的 内 容 每 个 内 存 单 元 所 存 储 的 二 进 制 数 据 。n根CPU 地 址 线 AB数 据 线 DB控 制 线 CB 地址译码器 1100110000110011101010101111000010001000地 址 00.0000地 址 00.0001地 址 00.0010地 址 00.0011地 址 111111 l 对 内 存 的 读 /写 操 作 CPU发 出 地 址 信 号 ， 选 中 相 应 的 内 存 单 元 。 若 是 读 操 作 ， CPU发 出 内 存 读 控 制 信 号 ， 被 选 中 的 内 存 单 元 将 其 内 容 经 数 据 总 线 送 入 CPU。 若 是 写 操 作 ， CPU发 出 内 存 写 控 制 信 号 ， CPU将 欲 写 的 内 容 经 数 据 总 线 ， 写 入 被 选 中 的 内 存 单 元 。n根CPU 地 址 线 AB 控 制 线 CB 地址译码器 1100110000110011101010101111000010001000地 址 00.0000地 址 00.0001地 址 00.0010地 址 00.0011地 址 111111数 据 线 DB (4)外 设 和 输 入 /输 出 接 口 （ I/O接 口 ） 外 设 的 电 信 号 、 运 行 速 度 与 CPU不 匹 配 ， 不 能 与 CPU直 接 相 连 ， 必 须 通 过 I/O接 口 与 CPU相 连 。 存储器 I/O接口 输入设备 I/O接口 数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB地 址 总 线 AB输出设备CPU 键 盘 键 盘 接 口 显 示 器 显 卡鼠 标 串 行 接 口 网 络 网 卡打 印 机 并 行 接 口 音 箱 、 麦 克 风 声 卡I/O接 口 实 例 I/O接 口 结 构 示 意 图CPU通 过 对 I/O端 口 进 行 读 /写 操 作 ， 实 现 对 外 设 的 控 制 。I/O端 口 1I/O端 口 2I/O端 口 3地 址译 码数 据缓 冲控 制电 路 外设ABDBCBCPU l I/O端 口l I/O端 口 的 地 址l I/O端 口 的 内 容l 对 I/O端 口 的 读 /写 操 作 l I/O端 口 I/O接 口 内 部 通 常 有 一 个 或 多 个 寄 存 器 ， 用 以 存 放 各 种 信 息 ， 称 I/O寄 存 器 或 I/O端 口 。I/O端 口 1I/O端 口 2I/O端 口 3地 址译 码数 据缓 冲控 制电 路 外设ABDBCBCPU l I/O端 口 的 地 址 为 区 分 各 I/O端 口 ， 每 个 端 口 对 应 有 一 个 端 口 地 址 。I/O端 口 1 (23H 端 口 )I/O端 口 2(24H 端 口 )I/O端 口 3(25H 端 口 )地 址译 码数 据缓 冲控 制电 路 外设ABDBCBCPU l I/O端 口 的 内 容 1001 0101 (状 态 端 口 )0110 1010(数 据 端 口 )1100 0110(控 制 端 口 )地 址译 码数 据缓 冲控 制电 路 外设ABDBCBCPU根 据 存 放 内 容 的 不 同 可 分 为 ： 状 态 端 口 ， 数 据 端 口 ， 控 制 端 口 指 I/O端 口 存 放 的 二 进 制 数 据 。 l 对 I/O端 口 的 读 /写 操 作 ： （ 与 内 存 的 读 /写 操 作 相 类 似 ） CPU发 出 地 址 信 号 ， 选 中 相 应 的 I/O端 口 。 若 是 读 操 作 ， CPU发 出 I/O端 口 读 控 制 信 号 ， 被 选 中 的 I/O端 口 将 其 内 容 经 数 据 总 线 送 入 CPU。 若 是 写 操 作 ， CPU发 出 I/O端 口 写 控 制 信 号 ， CPU将 欲 写 的 内 容 经 数 据 总 线 ， 写 入 被 选 中 的 I/O端 口 中 。I/O端 口 1 (23H 端 口 )I/O端 口 2(24H 端 口 ) I/O端 口 3(25H 端 口地 址译 码数 据缓 冲控 制电 路 外设ABDBCBCPU 2） 微 机 的 工 作 过 程 计 算 机 的 工 作 原 理 是 ： “ 存 储 程 序 ” + “程 序 控 制 ”CPU 总 线 内 存 标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 一 、 微 机 工 作 过 程 的 本 质 微 机 的 工 作 过 程 其 本 质 就 是 处 理 器 执 行程 序 的 过 程 。 程 序 是 针 对 某 项 特 定 的 任 务 将 若 干 条 指令 有 机 的 组 合 在 一 起 的 一 个 整 体 。 处 理 器 逐 条 执 行 程 序 中 的 每 一 条 指 令 ，直 至 程 序 结 束 ， 就 完 成 了 指 定 的 任 务 。 可 见 ： 了 解 微 机 工 作 原 理 的 关 键 就 是 要了 解 指 令 和 指 令 执 行 的 基 本 过 程 。 二 、 指 令 与 程 序 概 念 1、 指 令 指 令 是 规 定 微 机 特 定 操 作 的 命 令 。 CPU根 据 指 令 来 控 制 微 机 内 部 的 各 部 分 协 调 工作 ， 以 完 成 特 定 的 操 作 。 一 种 型 号 CPU的 全 部 指令 的 集 合 就 构 成 了 它 的 指 令 系 统 ， 也 代 表 了 它 所具 备 的 处 理 能 力 。 不 同 型 号 的 CPU， 指 令 系 统 也不 同 。 指 令 的 组 成 ： 操 作 码 和 地 址 码 操 作 码 指 明 特 定 操 作 的 性 质 ， 如 ： 算 术 运 算 地 址 码 指 明 操 作 对 象 即 数 据 的 存 放 地 址 2、 程 序 程 序 是 为 解 决 某 一 问 题 而 编 写 在 一 起 的 指 令 序 列 。 程序 一 般 分 为 三 个 层 次 ： 机 器 语 言 程 序 二 进 制 代 码 表 示 的 指 令 称 为 机 器 码 指 令 。 在 计 算 机 中 ，最 终 存 放 的 可 执 行 的 指 令 都 是 这 种 形 式 。 机 器 指 令 的 集合 称 为 机 器 语 言 ， 用 它 编 写 的 程 序 为 机 器 语 言 程 序 。 优点 ： 直 接 执 行 ； 缺 点 ： 繁 、 不 直 观 、 难 记 。 汇 编 语 言 程 序 用 助 记 符 代 替 机 器 语 言 指 令 ， 它 们 之 间 是 一 一 对 应 的关 系 。 用 它 写 的 程 序 为 汇 编 语 言 程 序 ， 需 汇 编 成 机 器 指令 才 可 执 行 。 高 级 语 言 程 序 高 级 语 言 是 接 近 于 自 然 语 言 和 数 学 语 言 ， 如 C语 言 等 。用 它 写 的 程 序 需 编 译 或 解 释 成 机 器 指 令 才 可 执 行 。 三 、 指 令 类 别 指 令 系 统 通 常 包 括 以 下 几 类 ： 数 据 传 送 与 交 换 类 指 令 在 寄 存 器 、 存 储 器 、 I/O端 口 之 间 进 行 数 据 传 送 与 交换 。 这 类 指 令 最 常 用 。 算 术 及 逻 辑 运 算 类 指 令 如 ： 加 、 减 、 乘 、 除 、 移 位 、 比 较 、 逻 辑 与 等 指 令 。 程 序 控 制 类 指 令 主 要 包 括 转 移 指 令 和 循 环 指 令 。 转 移 指 令 分 为 无 条 件转 移 和 条 件 转 移 指 令 。 条 件 通 常 由 CPU的 标 志 寄 存 器 给出 ， 它 反 映 当 前 CPU的 工 作 状 态 。 CPU控 制 类 指 令 如 ： 停 机 、 等 待 、 锁 定 、 CPU状 态 设 置 等 指 令 。 四 、 指 令 与 程 序 的 执 行 一 条 指 令 的 执 行 通 常 分 为 三 步 ： 取 指 令 ： 根 据 程 序 计 数 器 PC的 值 从 内 存 中 取 出 当前 指 令 ， 送 至 指 令 寄 存 器 IR， 之 后 PC自 动 加 1， 指 向下 一 条 指 令 的 地 址 或 下 一 字 节 地 址 ； 分 析 指 令 ： 对 IR中 的 指 令 操 作 码 译 码 ， 分 析 其 指 令性 质 。 若 指 令 要 求 操 作 数 ， 则 计 算 操 作 数 地 址 ； 执 行 指 令 ： 取 出 操 作 数 后 ， 执 行 指 令 操 作 码 规 定 的操 作 。 根 据 指 令 的 不 同 ， 还 可 能 进 行 结 果 回 写 。 程 序 的 执 行 过 程 实 际 就 是 周 而 复 始 地 执 行 以 上 三 步 ，直 至 程 序 结 束 。 l取 指 令 阶 段 （ CPU读 内 存 操 作 ） ： 地 址 经 地 址 寄 存 器 地 址 总 线 地 址 译 码 器 , 选 中 指 令 所 在 的 内 存 单 元 CPU发 出 内 存 读 控 制 信 号 指 令 从 内 存 数 据 总 线 数 据 暂 存 器 指 令 寄 存 器 指 令 译 码 器 对 指 令 进 行 译 码 由 IP给 出 指 令 在 内 存 的 地 址 标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP l执 行 指 令 阶 段 ： 经 译 码 后 的 指 令 ， 由 控 制 电 路 发 出 控 制 信 号 去 执 行 。CPU 总 线 内 存 标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 五 、 程 序 执 行 举 例 程 序 的 指 令 和 数 据 存 放 在 内 存 中 。 CPU与 内 存 之 间 的 联 系 由 三 大 总 线 实 现 ， 即 地址 总 线 由 存 储 器 地 址 寄 存 器 MAR驱 动 ， 数据 总 线 由 存 储 器 数 据 暂 存 器 MDR关 联 ， 控制 线 由 控 制 电 路 关 联 。 下 面 给 出 一 个 假 想 模 型 机 的 示 意 图 ： 假 想 模 型 机 的 示 意 图CPU 总 线 内 存 标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 举 例 ： 在 假 想 模 型 机 中 执 行 一 个 简 单 程 序 。程 序 的 内 容 ： 计 算 5CH+2EH， 判 结 果 是 否 溢 出 ， 若 无 溢 出 ，结 果 写 入 内 存 0200H单 元 ； 若 溢 出 ， 则 停 机 。 ORG 1000H 对 应 机 器 码 对 应 内 存 地 址 1： MOV A， 5CH ； B0H 1000H ； 5CH 1001H 2： ADD A， 2EH ； 04H 1002H ； 2EH 1003H 3： JO 100AH ； 70H 1004H ； 0AH 1005H ； 10H 1006H 4： MOV (0200H)， A ； A2H 1007H ； 00H 1008H ； 02H 1009H 5： HLT ； F4H 100AH 给 出 程 序 第 一 条 指 令 MOV A， 5CH的 操 作 细 节 ： 将 PC初 值 1000H送 至 地 址 寄 存 器 MAR PC值 自 动 加 1， 指 向 下 一 个 字 节 地 址 MAR驱 动 地 址 总 线 ， 寻 址 内 存 1000H单 元 CPU发 读 内 存 操 作 控 制 信 号 将 1000H中 的 B0H读 出 ， 送 至 数 据 暂 存 器 MDR 将 B0H(操 作 码 )从 MDR经 内 部 总 线 送 至 IR ID对 B0H译 码 ， 知 ： 取 某 操 作 数 送 累 加 器 A 将 PC内 容 1001H送 至 地 址 寄 存 器 MAR PC值 自 动 加 1， 指 向 下 一 个 字 节 地 址 MAR驱 动 地 址 总 线 ， 寻 址 内 存 1001H单 元 CPU发 读 内 存 操 作 控 制 信 号 将 1001H中 的 5CH读 出 ， 送 至 数 据 暂 存 器 MDR 将 5CH(操 作 数 )从 MDR经 内 部 总 线 送 至 A。 不 同 的 指 令 ， CPU的 具 体 执 行 过 程 不 同 。CPU 可 执 行 的 操 作 通 常 有 数 据 传 送 、 算 术 逻 辑 运 算 等 等 。当 一 条 指 令 需 要 从 内 存 或 I/O端 口 取 得 或 存 放 数 据 时 ，CPU在 执 行 阶 段 ，需 对 指 令 指 定 的 内 存 单 元 或 I/O端 口 进 行 读 /写 操 作 。 例 指 令 1： 将 寄 存 器 R1与 R3的 内 容 相 加 ， 结 果 存 在 R3中 。 指 令 1在 CPU 内 部 即 可 完 成CPU 总 线 内 存标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 例 指 令 2： 将 内 存 中 的 数 据 2送 至 CPU的 寄 存 器 R2中 指 令 2的 执 行 阶 段 包 括 一 个 到 内 存 取 数 (即 读 内 存 )的 过 程 。CPU 总 线 内 存标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 例 指 令 3： 将 寄 存 器 R3的 内 容 送 至 数 据 3的 内 存 单 元 中 指 令 3的 执 行 阶 段 包 括 一 个 向 内 存 存 数 (即 写 内 存 )的 过 程 。CPU 总 线 内 存标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 当 一 条 指 令 取 走 后 ，指 令 指 针 寄 存 器 会 被 修 改 成 下 一 条 要 执 行 指 令 的 地 址 ，这 样 ， 当 一 条 指 令 执 行 后 ， 又 进 入 取 指 令 阶 段 ，如 此 不 断 的 重 复 。 CPU 总 线 内 存标 志寄 存 器 地 址 总 线 AB 程序数据数 据 总 线 DB控 制 总 线 CB 地址译码器 、 、 、指 令 1指 令 2指 令 3指 令 4、 、 、 、 、数 据 1数 据 2数 据 3、 、 、指 令 寄 存 器数 据 暂 存 器控 制 电 路指 令 译 码 器 地址寄存器指 令指 针寄 存 器R1R2R3R4寄 存 器 组运算器 IP 微 机 的 工 作 过 程 ： 取 指 令 执 行 指 令 取 指 令 执 行 指 令 、 、 、 举 例 ： 操 作 系 统 PC DOS启 动 过 程 PC DOS启 动 过 程 （ 1） 加 电 开 机 后 进 入 系 统 的 检 测 程 序 并 执 行 该 程 序 对 系 统的 基 本 设 备 进 行 检 测 （ ROM BIOS） ； （ 2） 检 测 正 常 后 从 系 统 盘 （ 一 般 是 C盘 ） 0面 0道 1扇 区 即 逻辑 0扇 区 读 入 Boot引 导 程 序 到 内 存 的 0000: 7C00处 ； （ 3） 转 入 Boot执 行 之 ； （ 4） Boot判 断 是 否 为 系 统 盘 , 如 果 不 是 系 统 盘 则 提 示 ； non-system disk or disk error Replace and strike any key when ready 否 则 , 读 入 IBM BIO.COM和 IBM DOS.COM两 个 隐 含 文 件 ； （ 5） 执 行 IBM BIO.COM和 IBM DOS.COM两 个 隐 含 文 件 , 将COMMAND.COM装 入 内 存 ； （ 6） 系 统 正 常 运 行 , DOS启 动 成 功 。 小 结 ： 微 型 机 计 算 机 系 统 的 基 本 结 构系 统 软 件 ： DOS、 Windows 98/2000/xp 应 用 软 件 ： WPS 、 Word、 Photoshop微 处 理 器 CPU 存 储 器 I/O接 口总 线 硬 件软 件微 型 计算 机 系统 微 型计 算 机(主 机 )外 设 运 算 部 件控 制 部 件键 盘 、 鼠 标显 示 器软 驱 、 硬 盘 、 光 驱 打 印 机 、 扫 描 仪 1.1.7 微 型 计 算 机 系 统 的 主 要 性 能 指 标 1、 字 长 （ CPU内 寄 存 器 长 度 等 ） 2、 运 算 速 度 （ CPU的 工 作 频 率 ） 3、 存 储 器 容 量 （ 内 存 大 小 ） 4、 外 设 扩 展 能 力 5、 软 件 配 置 情 况 1.1.7 微 型 计 算 机 系 统 的 主 要 性 能 指 标1、 字 长 ： 是 计 算 机 内 部 一 次 可 以 处 理 的 二 进 制 数 码 的位 数 ， 如 8、 16、 32、 64位 。 字 长 越 长 ， 数 据 精度 就 越 高 ， 处 理 速 度 越 快 ， 但 硬 件 开 销 越 大 。2、 存 储 器 容 量 ： 是 衡 量 计 算 机 存 储 信 息 量 大 小 的 重 要 指 标 ，通 常 用 字 节 表 示 。 如 8KBCache、 256MB内 存 、40GB硬 盘 ， 一 般 说 容 量 越 大 越 好 。 1.1.7 微 型 计 算 机 系 统 的 主 要 性 能 指 标3、 运 算 速 度 一 般 用 每 秒 能 执 行 的 指 令 条 数 来 表 示 ， 而 指 令执 行 速 度 又 由 机 器 时 钟 周 期 决 定 ， 故 主 时 钟 频 率越 高 ， 计 算 机 运 行 速 度 越 快 。 4、 外 设 扩 展 能 力 主 要 指 配 接 各 种 外 设 的 可 能 性 、 灵 活 性 和 适 应性 。 扩 展 外 设 的 种 类 、 型 号 的 范 围 、 支 持 的 程 度将 直 接 影 响 微 机 的 综 合 性 能 ， 如 显 示 分 辨 率 、 光驱 、 网 络 连 接 、 打 印 机 的 型 号 等 。 1.1.7 微 型 计 算 机 系 统 的 主 要 性 能 指 标5、 软 件 配 置 情 况 软 件 配 置 是 否 齐 全 ， 直 接 关 系 到 计 算 机 性能 和 效 率 。 如 所 能 支 持 的 操 作 系 统 及 高 级 语 言等 能 否 满 足 应 用 要 求 ， 是 否 有 丰 富 的 应 用 软 件可 供 选 用 。 1.1.8微 型 计 算 机 的 运 算 基 础 在 计 算 机 中 ， 所 有 的 数 据 最 终 都 是 用 二 进 制 位 或 来 表 示 。 为 增 强 可 读 性 和 便 于 处 理 ， 采 用了 一 些 数 的 表 示 方 法 。 常 用 的 数 制 有 以 下 几 种 ： 、 十 进 制 (D)： 101D (以 此 为 例 ) 、 二 进 制 (B)： 01100101B 、 八 进 制 (Q)： 145Q 、 十 六 进 制 (H)： 65H 一 、 数 制 二 、 码 制 1、 机 器 数 和 真 值机 器 数 ： 在 计 算 机 中 使 用 的 ， 连 同 符 号 位 一 起 数 字 化 的 数真 值 ： 机 器 数 所 表 示 的 真 实 值 10110101 53D 0110101B 2、 原 码 、 反 码 、 补 码 对 有 符 号 数 ， 机 器 数 常 用 原 码 、 反 码 、 补 码 表 示 。（ 以 位 字 节 数 为 例 说 明 ） 原 码 ： 最 高 位 表 示 符 号 ，