微型计算机原理与接口技术第1章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 绪论,1-1,微型计算机的发展概况,1-2,微型计算机的特点和应用,1-3,微型计算机系统,1-4,微型计算机的工作过程（补充）,1-5,现代微型计算机系统的基本组成,1-6,计算机中数据的表示和编码,1-1,微型计算机的发展概况,1971,年，美国,Intel,公司研究并制造了,4004,微处理器芯片。该芯片能同时处理,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。它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。,微机概念：,以大规模、超大规模集成电路构成的微处理器作为核心，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。,划分阶段的标志：,以字长和微处理器型号。,第一代,4,位和低档,8,位机,Intel 4004,第二代,中高档,8,位机,8080/8085、Z80、MC6800,第三代,16,位机,Intel 8086,、,Z8000,、,MC68010,第四代,32,位机,80386、80486,第五代,64,位机,Intel Pentium,（1971-1973）,（1974-1978）,（1978-1981）,（1983-1992）,（,1993,后）,特点：,1,、速度越来越快。,2,、容量越来越大。,3,、功能越来越强。,1-2,微型计算机的特点和应用,1,、科学计算和科学研究,计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。,2,、数据处理,（信息处理）,主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。,3,、工业控制,用单板微型计算机实现,DDC,级控制，用卫星计算机实现,SCC,级监督管理控制，用高档微型计算机实现,SCC,或低层,MIS,管理已屡见不鲜。,4,、计算机辅助系统,计算机辅助系统主要有计算机辅助教（,CAI,）、,计算机辅助设计（,CAD,）、,计算机辅助制造（,CAM,）、,计算机辅助测试（,CAT,）、,计算机集成制造（,CIMS,）,等系统。,5,、,人工智能,人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。,1-3,微型计算机,系统,一、微型计算机,二、微型计算机系统,三、,I/O,设备和,I/O,接口,四、总线,五、单片机、单板机、,PC,机,一、微型计算机,AB,DB,CB,CPU,存储器,I/O,接口,外设,（微型计算机组成框图）,二、微型计算机系统,任何一个计算机系统都是由硬件和软件组成的。,1,计算机硬件,是指,有形的物理设备，它是计算机系统中实际物理装置的总称，可以是电子的、电磁的、机电的或光学的元件,/,装置或者由它们所组成的计算机部件。,例如，计算机的处理器芯片、存储器芯片、底板（母板）、各类扩充板卡、机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、软盘、硬盘等都是计算机的硬件。,2,计算机软件系统,指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。,依据功能的不同，软件分为,系统软件,和,应用软件,两大类。,是计算机系统中不可缺少的主要组成部分。,3,计算机分类,、,按其内部逻辑结构进行分类，如,CISC,(,复杂指令集计算机）,与,RISC,（精简指令集计算机）,计算机；单处理机与多处理机（并行机）；,16,位机、,32,位机或,64,位计算机等。,、,计算机的性能和作用进行分类。,1989,年,11,月,IEEE,提出一个分类报告，它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用，考虑到计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，把计算机分成大类：,、,巨型计算机,；,、,小巨型机,；,、,主机,；,、,小型计算机,；,、,工作站,；,、,个人计算机,；,4,计算机的性能评测,、,CPU,字长,：,指参与算术逻辑运算的操作数的二进制位数。,、,主频,：,指,CPU,的时钟频率，微机运行的速度与主频有关。,、,主存容量与速度,：,主存储器的速度用存取周期来衡量。,、,硬盘存储器性能,：,主要技术指标包括：存储容量、平均等待时间、平均寻道时间、数据传输速率。,、,运算速度：微机每秒执行的指令条数。,、,内核数目：,（,7,）高速缓存：为了让数据存取的速度适应,CPU,的处理速度。,1,、中央处理器的组成,中央处理器（,CPU,）,由,运算器,和,控制器,组成。,运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。,功能,：（,1,）对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。,（,2,）暂时存放参与运算的数据和中间结果。,ALU,数据寄存器,1#,数据寄存器,2#,存储器,外设,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,通用寄存器,运算寄存器,ALU,标志,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,CS,DS,SS,ES,IP,内部寄存器,I/O,控制电路,地址加法器,20,位,16,位,8位,指令队列缓冲器,外总线,执行部件,总线接口部件,8086CPU,结构图,微处理器,控制器,控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。,由程序计数器（,IP,）、,指令寄存器（,IR,）、,指令译码器（,ID,）,和时序信号发生器组成。,（,1,）程序计数器（,IP,）：,程序指令所在单元地址。,（,2,）指令寄存器（,IR,）：,保存当前正在执行的一条指令。,（,3,）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。,（,4,）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。,寄存器陈列,包括一组通用寄存器组和专用寄存器。通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放,8,位或,16,位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。专用寄存器通常有指令指针,IP,或程序计数器,PC,和堆栈指针,SP,等,2,存储器,功能：存放程序和数据。,存储器,内存（主存）,外存（辅存）,RAM,ROM,SRAM,DRAM,ROM,EPROM,E,2,PROM,软盘、硬盘、光盘,主存储器和辅助存储器,存储器分为两大类：,主存储器,（主存、内存）和,辅助存储器,（辅存、外存）。,、主存,主存储器也称为内存储器（简称内存），它直接与,CPU,相连接，是计算机中的工作存储器，即当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从主存中取出的，处理的结果则存放入主存中。,计算机的主存由半导体器件（超大规模集成电路）构成。整个主存被划分成许多个存储单元（每个单元具有相同的二进制位长度），区分各单元的方式是以一个不同的编号来标识每一个单元，这个编号称为,地址,。,1,2,3,4,目前主存常用两类存储器器件：,RAM,和,ROM,。,RAM,（,Random Access Memory,），,即,随机存取存储器,，其内容既允许存入（写）也允许取出（读），使用方便灵活，其缺点是切断机器电源时,RAM,中的信息会丢失。,ROM,（,Read Only Memory,），,即,只读存储器,，其中存储的内容只能供反复读出，而不能重新写入，因此在,ROM,中存放的是固定不变的程序与数据，其优点是切断机器供电电源后，,ROM,中的信息仍然保留，不会改变（称为非易失性存储器）。,(,例,BIOS),、辅存,计算机的辅存（外存）具有相当大的存储容量（几十,MB,几十,GB,）。,主要采用,磁表面存储器,和,光盘存储器,等设备组成。磁表面存储器还可分为磁盘和磁带两大类（软磁盘、硬盘）。,所有外存（辅存）的存储介质（盘片或磁带）都必须通过机电装置才能进行信息的存取操作，这些机电装置称为驱动器，例如软盘驱动器（软盘片插在其中读,/,写）、硬盘驱动器、磁带驱动器（磁带装在其中读,/,写）和光盘驱动器（光盘片放在其中工作）等。,、存储器的层次结构,ALU,寄存器,Cache,寄存器,主存储器（,DRAM,）,辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）,后援存储器（磁带库、光盘库）,输入,/,输出设备简称,I/O,（,Input/Output,）,设备,用于计算机与外界进行通信。,输入设备,是指能向计算机系统输入信息的设备,。如键盘、鼠标、扫描仪等。,输出设备,一般是指能从计算机系统中输出人可直接识别的信息的设备,。如显示器、绘图仪等。,所有输入,/,输出设备和外存储器的操作，是由程序中的输入,/,输出指令或输入,/,输出语句统一控制的。凡是从外部设备读出数据向内存写入的操作均称为输入操作；反之，凡是从内存读出数据送到外部设备的均称为输出操作。,三、,I/O,设备和,I/O,接口,I/O,接口的功能及其组成,（,1,）速度的不匹配。,（,2,）信息格式的不匹配。,（,3,),信息类型与信号电平的不匹配。,（,4,）时序的不匹配。,微处理机通过接口与外设交换信息,（,1,）、,I/O,设备：微机配备的输入,/,输出设备（外设）。,标准输入,/,输出设备（控制台）：键盘和显示器（,CRT,）。,I/O,设备,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,显示器,（,2,）、,I/O,接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与,CPU,进行信号联络等工作。,显示器卡：完成显示器与总线的连接。,声卡：完成声音的输入,/,输出。,网卡：完成网络数据的转换。,扫描卡：连接扫描仪到计算机。,调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。,键盘接口、打印机接口等。,232,接口：串行数据接口。,USB,接口：通用串行接口。,P,微型计算机典型系统主板结构图,四、总线,总线（,BUS,）是,连接计算机中,CPU,、,内存、辅存、各种输入,/,输出控制部件的,一组物理信号线及其相关的控制电路,。它是计算机中用于在各部件间运载信息的公共线路。,总线分为内部总线、元件级总线、系统总线和外部总线。,内部总线,通常是指在,CPU,内部各组成部分相互之间交换信息用的总线。,系统总线,则指的是,CPU,、,存储器与各类,I/O,设备之间相互交换信息的总线。日常所说的总线一般都指系统总线。,外部总线：,是微机系统相互之间或微机系统与其他电子系统之间实现通讯连接的总线。,总线按其传输的信号分为,：,1,数据总线,DB,（,Data Bus,）,数据总线用于,CPU,与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的。,2,地址总线,AB,（,Address Bus,）,地址总线用于传送,CPU,要访问的存储单元或,I/O,接口的地址信号。,该总线为单向总线。,16,条地址线可访问,2,16,= 64 KB,。,20,条地址线可访问,2,20,= 1 MB,。,1K = 1024B 1M = 1024 KB 1G = 1024 MB,3,控制总线,CB,（,Control Bus,）,控制总线是连接,CPU,的控制部件和内存、,I/O,设备等，用来控制内存和,I/O,设备的全部工作。,控制总线的方向：,一部分是从,CPU,输出：通过对指令的译码，由,CPU,内部产生，由,CPU,送到存储器、输入,/,输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。,另一部分是由系统中的部件产生，送往,CPU,，,如：中断请求信号、总线请求信号,(DMA),、,状态信号,。,总线的使用特点：,1,、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时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发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。,3,、通过总线插槽与接口板连接。,微机系统结构示意图,常见微机系统总线主要参数表,ISA,总线,PC,机问世以来，最先推出的系统总线,是,PC XT,总线，该总线是早期,PC XT,机的系统总线，共有,62,根信号线，其中数据线有,8,位（简称,8,位总线），地址线有,20,位，还有若干控制信号线。,80286,问世之后，这种总线在内存寻址和数据位宽上不能适应,286,系统的要求，因此，一种新的,16,位系统总线,PC AT,总线（即,ISA,总线）应运而生，它是一种性能更好些的,16,位总线，直到现在还在使用。,(,工控板）,ISA,总线概述,ISA,总线是在,PC XT,总线的基础上扩充而成，是在原,62,线的基础上再增加,36,根信号线，以适应,80286,系统的要求。其扩充插槽的引脚也从原来的,62,个增加到,98,个。扩充插槽分两部分。,前,62,脚（,分,A,列：,Al,A31,，和,B,列：,B1,B31,），与,PC XT,总线插槽完全相同；,36,脚（分,C,列：,C1,C18,，和,D,列：,D1,D18,），,为新增加的引脚，在两部分中间有一个横隔分开，适用于,ISA,总线插卡的插头也为,98,芯，其中,62,芯部分与,36,芯部分之间有一凹槽隔开,。,ISA,总线的功能,数据线,16,位；,地址线,24,位，支持,16 MB,存储器的寻址能力；,硬中断,11,级（,IRQ3,IRQ7,，,IRQ9,，,IRQ10,IRQ12,，,IRQ14,IRQ15,），,DMA,通道扩充到,7,个（,DERQ1,DERQ2,，,DERQO,，,DERO5,DERO7,）,PC/AT ISA,总线的微机系统结构,PC AT/ISA,总线系统结构,ISA,总线的发展,工业标准体系结构,（,Industry Standard Architecture,。,ISA,）,总线,扩展工业标准体系结构（,Extended Industry Standard Architecture,，,EISA,）,总线,微通道结构（,Micro Channel Architecture,；,MCA,）,总线标准,视频电气标准协会,（,Video Electronics Standards Association,，,VESA,）,局部总线标准,外部设备互连,（,Peripheral Component Interconnect,，,PCI,）,局部总线标准,PCI,局部总线,局部总线,PCI,总线概况,PCI,总线的特点,局部总线,在个人计算机中，局部总线原来是指微处理器周围的接口，它开始于微处理器引脚，并接到微处理器附近的某些专用芯片，从而形成一个局部范围的总线，它是一种与微处理器接口的公用接口线。,PCI,总线,PCI,是一种性能优异的局部总线，其数据位宽为,32,位，可以扩展到,64,位以适配奔腾处理器，当其运行时钟为,33 MHz,时，数据传输速率可达,132 MB/S,，,而位宽为,64,位时，最大数据传输速率可达,264MB/S,。,PCI,总线概况,PCI,总线是通过,PCI,桥（,PCI,控制器）与,CPU,局部总线相连。,PCI,总线位宽为,32,位或,64,位，数据传送速率很高，具有,PCI,总线的系统仍然可以支持,ISA,总线的运行，这使得原来很多连接在,ISA,总线上的慢速外设可继续在,PCI,总线系统中使用。,PCI,总线在系统板上的连接,PCI,总线的微机系统结构,典型,PCI,局部总线的,PCI/ISA,系统结构图,PCI,总线的特点,1,、由于有,PCI,桥将,PCI,总线,与,CPU,隔离开来，因此不会造成,CPU,负载过重的问题,。,PCI,总线可以带,10,个负载。,2,、,PCI,具有即插即用，这是由于,PCI,具有自动设置功能。,3,、,PCI,桥具有多级缓冲，,PCI,可支持外围设备与,CPU,并发工作。,4,、,PCI,有部分信号线具有双重功能，地址信号与数据信号共用一条信号线，在不同时刻，分别用于传输地址与数据信号。,5,、,是一个独立的总线，运行不受,CPU,限制，性能指标与,CPU,及系统时钟无关，当微处理器及其局部总线发生改变时，只需更改,PCI,桥控制器,外设接口可照常工作。,6,、,PCI,从一开始就作为长期使用的总线标准而设计。,1,高性能,2,线性突发传输,3,减少存取延迟,4,采用总线主控和同步操作,5,不受处理器限制,6,适用于各种机型,7,兼容性强,8,预留扩展空间,9,成本低、效率高,10,向前的扩展性,PCI,总线的特点还主要表现在以下几个方面：,P4,主板的外形图,五、,单片机、单板机、,PC,机,1,、单片机：,又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机,2,、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。功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。,3,、,PC,机（,Personal Computer,）,:,面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。,1-4,微型计算机的工作过程,（补充）,微处理器的基本结构,一、处理信息的运算单元,二、保存信息的寄存器组,三、管理微处理器操作的控制单元,四、将信息送入和送出微处理器的,总线接口单元,处理信息的运算单元,运算单元（运算器）内有算术逻辑运算部件,ALU,（,Arithmetic Logical Unit,），,用来执行当前指令所规定的算术运算和逻辑运算。在现今流行的高档微处理器内部还集成有浮点运算部件,FPU,（,Floating Point Unit,），,用来进行浮点运算。具有,ALU,与,FPU,的运算单元可以有效地实现整数和实数的各种运算，极大地扩充微处理器的运算功能。,保持信息的寄存器组,微处理器内部有多个寄存器用来存入操作数、中间结果、处理结果，除了存放数据的寄存器外，还有一些特殊用途的寄存器，如在存储运算后各种结果状态所使用的标志寄存器（,Flags Register,）,等。,这些寄存器构成了微处理器内部的小型存储空间，其容量大小可以影响到微处理器的处理效率，现代微处理器内部寄存器的数目已多达,100,多个，其位数也从早期的,8,位、,16,位，扩充到,32,位、,64,位甚至,128,位。,管理微处理器操作的控制单元,控制单元（控制器）具有指挥微处理器执行指令操作的功能。其中主要包括：指令预取（为加快指令处理速度，提前向主存或快存取出将要执行的指令），指令译码（分析指令要完成的任务，以便让控制器控制执行），地址转换与管理（生成各种指令所使用的数据在存储器中的物理地址）等。,将信息送入或送出微处理器的总线接口单元,总线接口单元提供了微处理器与周围其他硬件电路的接口，它可有效地将微处理器的地址、数据、控制等各种信号通过总线与各有关部件接通，并在它们之间传送微处理器完成指令功能所需要的各种信号。,微处理器的信号种类除了电源信号及时钟信号外，还有三大类：地址信号（,Address signals,），,用来区分内存中数据所在位置或,I/O,部件所在位置；数据信号（,Data signals,）,用来传递数据或,I/O,芯片中的命令字；控制信号（,Control signals,）传递各种控制命令。,微处理器的工作原理,指令与指令系统,指令的执行,程序及其执行,微处理器的定时,程序中断,微处理器的工作过程就是执行程序的过程，而执行程序就是逐步执行一条条指令的过程。平时所写的程序是用各种程序设计语言编制而成的，但对微处理器而言，它仅能识别机器指令（二进制指令），为此还需使用各种编译器将由程序设计语言编制的程序转化为机器指令构成的程序，,因此在了解微处理器工作原理之前有必要先介绍一下指令与指令系统，然后通过指令执行过程的介绍就可以明白它的工作原理。,指令是规定计算机执行特定操作的命令。,CPU,就是根据指令来指挥和控制微型机各部分协调地动作，以完成规定的操作。,计算机全部指令的集合叫做,计算机指令系统,，其准确定义了计算机的处理能力。,不同型号的计算机有不同的指令系统 。,一、指令与指令系统,操作码,：,用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。例如：加法、减法、乘法、除法、取数、存数等各种基本操作，它们均有各自相应的操作码。,操作数,（,地址,）,：,指出该指令所操作（处理）的对象（称为操作数）所在的存储单元的地址。计算机中操作数可以相当灵活地指定，它可以直接包含在指令中，可以在,CPU,的某个寄存器中，大多数情况是在存储器的某个（些）存储单元中。指定操作数所在位置的方法称为,寻址方式,。,指令系统,数据传送指令,：,用于把存储器或寄存器中的某个操作数复制到指定的存储单元或寄存器中去。,算术运算指令,：用于完成两个操作数的加、减、乘、除等各种算术运算。,逻辑运算指令,：用于完成两个操作数的逻辑加、逻辑乘、按位加等各种逻辑运算。,指令系统,移位运算指令,：,用于完成指定操作数的各种类型的移位操作。,位与位串操作指令,：计算机中越来越重视非数值型数据的操作，包括位与位串的装入、存储、传送比较、重复执行等，也可包括位串的插入、位串的存取。,控制转移指令,：通常程序中的指令多数是依次序一条条地顺序执行的，但根据指令执行的结果，也可以跳到其他的指令或其他的程序段去执行。具有这种功能的指令就是各种功能的转移指令。,指令系统,输入,/,输出指令,：,在微型计算机中，往往把输入,/,输出设备中与主机可交换数据的寄存器，称为,I/O,端口。同时，把各个,I/O,端口统一编址。使用输入输出指令，就可以去存取各种外设的,I/O,端,口，实现数据的输入,/,输出。,其他指令,：包括各种处理器控制指令，它们往往由操作系统专用。,两个问题,兼容性问题,：,由于每种,CPU,都有自己独特的指令系统，因此，用某一类计算机的机器语言编制出来的程序（指令代码）难以在其他各类计算机上运行，这个问题称为指令不兼容。,指令精简问题,：,RISC,结构的计算机具有相对十分简单的指令系统，指令长度固定，指令格式与种类简单，寻址的方式也很少，在处理器中增设大量的通用寄存器，采用硬件控制，从而使指令执行速度提高，同时支持指令的流水线执行。,二、指令的执行,回,送,结,果,取,指,令,指,令,译,码,取,操,作,数,执,行,运,算,取指令,：指令预取部件向指令快存提取一条指令，若快存中没有，则向总线接口部件发出请求，要求访问存储器，取得这条指令。,指令译码,：指令译码部件从指令预取部件中取得该指令后，把它翻译成起控制作用的微指令（或称微码）。,取操作数,：地址转换与管理部件负责计算出该指令所使用的操作数的物理地址，并请求总线接口部件。通过总线从存储器取得该操作数。,执行运算,：微处理器按照指令操作码的要求，通过执行微指令，对操作数完成规定的运算处理，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。,回送结果,：,将指令的执行结果回送内存或某寄存器中。,微处理器执行指令的过程,指令流水线技术,流水线技术有,地址流水线技术,和,指令流水线,技术,。,流水线技术来源于,生产流水线,的思想方法,。,无指令流水线结构之微处理器的指令执行过程,指令,1,： ,指令,2,：, ,指令,3,：, ,有指令流水线结构之微处理器的指令执行过程,指令,1,执行过程, ,指令,2,执行过程, ,指令,3,执行过程, ,指令,4,执行过程, ,指令,5,执行过程, ,在流水线结构中，指令的执行时间主要与时钟周期以及何时充满流水线有关。（流水线的破坏）,程序则是为解决某一问题而编写在一起的指令序列。,目前微型计算机系统中使用着三个层次、三种形式的程序。,1.,机器语言程序,：,以二进制代码形式存在的，这种指令叫,机器码指令,。机器码指令构成的指令系统叫,机器语言,，用机器语言编写的程序叫,机器语言程序,。机器语言程序的,优点,是能被计算机直接理解和执行；,缺点,是编程繁琐，不直观，难记忆，易出错。,三、程序及其执行,2,汇编语言程序,为克服机器语言程序的缺点，人们通常用,助记符,（几个字母构成的符号）来代替机器语言指令。助记符与机器语言指令之间有一一对应的关系。这种用助记符构成的指令系统叫,汇编语言,（,Assembly Language,），,用汇编语言编写的程序叫,汇编语言程序,。,3,高级语言程序,为了使编写的程序更直观、易懂，更易于面向问题和对象，人们设计和推出了多种多样的更接近于习惯用的自然语言和数学语言的高级语言，如,BASIC,、,C,、,C#,、,C+,、,JAVA,、,FORTRAN,、,COBOL,、,PASCAL,Matlab,、等。各种高级语言尽管各有其特点，但都是以语句和数据的定义为基础，且通常一个语句都是由一组机器语言指令或汇编语言指令构成的。所谓,高级语言程序,就是用高级语言编写的程序。,汇编语言程序和高级语言程序必须先翻译成机器语言程序才能执行。,上述翻译过程对汇编语言程序叫,“汇编”（,Assemble,）,。,对高级语言程序有的叫,“解释”（,Interpretation,）,，,有的叫,“编译”（,Compilation,）,。,源程序,(Source program),：,汇编,/,解释,/,编译前的程序。（,.c .,asm,.pas ),目标程序,(Object program),：,翻译后的浮动地址机器语言程序。,(.,obj,）,连接程序,(Link),：,连接浮动地址机器语言程序成为可运行机器语言程序。,( .exe,）,连接程序,(Link),、,汇编程序,(Assemble),、,解释程序,(Interpreter),、,编译程序,(Compilation ),：,完成连接、汇编、解释、编译的程序，它们作为工具软件事先存放在计算机中。,计算机程序的执行过程，实际上就是执行其所包含的指令序列的过程，如果遇到结束指令时则完成整个程序的运行，如下图所示。,取指令，,PC,值加,1,停机？,译码并执行指令,结束,Y,N,假想模型机与程序执行示例,程序执行过程举例,该程序实现的功能是：,5CH,2EH,，,判断结果是否有溢出，如不溢出，将结果存放到内存,0200H,单元，供后面程序用；如有溢出，则停机。,ORG 1000H,1,：,MOV A, 5CH,2: ADD A, 2EH,3,：,JO 100AH,4,：,MOV,（,0200H,），,A,5: HLT,ORG 1000H,1,：,MOV A, 5CH,2: ADD A, 2EH,3,：,JO 100AH,4,：,MOV,（,0200H,），,A,5: HLT,对应机器码,B0H 5CH,04H 2EH,70H OAH 10H,A2H 0OH 02H,F4H,MOV A, 5CH,执行过程,（,1,）将,PC,内容,1000H,送地址寄存器,AR,。,（,2,）,PC,值自动加,1,，为取下一个字节机器码做准备。,（,3,）,AR,中内容经地址译码器译码，找到内存储器,1000H,单元。,（,4,）,CPU,发读命令。,（,5,）将,1000H,单元内容,B0H,读出，送至数据寄存器,DR,。,（,6,）,由于,B0H,是操作码，故将它从,DR,中经内部总钱送至指令寄存器,IR,。,（,7,）,经指令译码器,ID,译码，由操作控制器,OC,发出相应于操作码的控制信号。,MOV A, 5CH,执行过程,（,8,）,将,PC,内容,1001H,送,AR,。,（,9,）,PC,值自动加,1,。,（,10,）,AR,中内容经地址译码器译码，找到,1001H,存储单元。,（,11,）,CPU,发读命令。,（,12,）将,1001H,单元内容,5CH,读至,DR,。,（,13,）因,5CH,是操作数，将它经内部总线送至操作码规定好的累加器,A,。,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,、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。,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,00H,1,00H,2,00 B0H,01 05H,02 04H,03 06H,04 F4H,3,4,读命令,B0H,5,6,B0H,7,控制信号,（取第一条指令操作示意图）,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。,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,01H,1,01H,2,00 B0H,01 05H,02 04H,03 06H,04 F4H,3,4,读命令,05H,5,6,7,控制信号,05H,（执行第一条指令操作示意图）,四,、微处理器的定时,由于微处理器的操作是周期性的，即取指令，指令译码，取操作数,再取指令,周而复始地进行。而这一系列操作步骤需要精确定时，按照精确时序进行，因此微处理器需要一个,时序电路,。时序电路受控于晶体振荡电路所生成的标准振荡脉冲信号，一旦机器加电，时序电路发出的时钟信号，便连续不断产生。,时钟周期,：又叫,微处理器时钟周期,。,MPU,的工作时钟产生的两种方法：一是有专用时钟电路加发振晶体产生，然后送到微处理器时钟引脚；二是发振晶体直接加到微处理器时钟引脚，由微处理器内部时钟电路处理后生成。,CPU,处理动作的最小单位,总线周期（机器周期）,：,CPU,通过总线与存储器或,I/O,接口进行一次数据传输所需的时间。,一个指令的执行所需要的若干个机器周期。这是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。,指令周期：,执行一条指令所需要的时间。,8086,总线的操作时序,在微机系统中，,CPU,是在时钟信号,CLK,控制下，按节拍有序地执行指令序列。从取指令开始，经过分析指令、对操作数寻址，然后执行指令、保存操作结果，这个过程称为,指令执行周期,。,指令周期：,执行一条指令所需要的时间。,总线周期（机器周期）：,CPU,通过总线与存储器或,I/O,接口进行一次数据传输所需的时间。,T,状态（时钟周期）：,CPU,处理动作的最小单位。,T1,T2,T3,TW,T4,总线周期,CLK,T1,T2,T3,、,T,W,T4,M/IO,A19/S6-A16/S3,A19-A16,/BHE/S7,/BHE,S7-S3,ALE,READY,AD15-AD0,地址输出,数据输出,/RD,DT/R,/DEN,CPU,从存储器或,I/O,端口读取数据的时序,CLK,T1,T2,T3,、,T,W,T4,M/IO,A19/S6-A16/S3,A19-A16,/BHE/S7,/BHE,S7-S3,ALE,READY,AD15-AD0,地址输出,数据输出,/WR,DT/R,/DEN,CPU,往存储器或,I/O,端口写数据的时序,五、程序中断,程序中断,，是指,CPU,在正常运行程序时，由于外部电路向,CPU,提出请求或程序中的预先安排，引起,CPU,中断正在运行的程序，转到为外部请求之任务或预先安排之任务而服务的中断处理程序（仍由,CPU,执行）中去，中断处理程序（又叫中断服务程序）执行完毕后又返回到原来执行程序的断点处继续执行原程序。,程序中断,程序中预先安排或外部,电路向,CPU,请求执行,中断处理,CPU,执行程序,CPU,响应中断请求,执行中断服务程序,中断返回后,CPU,继续执行,原来被中断的程序,程序中断示意图,80X86,系列微处理器介绍,8086,及,8088,微处理器,80286,80386,80486,Pentium,Pentium Pro,（,高能奔腾处理器）,8086,及,8088,微处理器,8086,是,Intel,公司推出的第一个标准,16,位微处理器，内部寄存器都是,16,位，处理器和外部数据线都是,16,位，地址线有,20,条，内存寻址：,1MB,；,8088,，,在各方面都和,8086,相同，但对外数据传输线改为,8,位，若传输,16,位数据，则分两次进行 。,8088,生成,20,位地址线，能在,1MB,存储空间中寻址的工作方式，通常称为,实地址方式,或,实模式,。,80286,80286,时钟频率为,6MHz-8MHz,，,兼容机最高到,20MHZ,。,80286,内外数据总线都是,16,位，地址总线为,24,位，可寻址,16MB,内存。,80286,内部寄存器均为,16,位，还是,16,位微处理器，,286,机的主存必须接在,16,位总线（,AT,总线）上。,80286,支持两种工作方式，即实地址方式,(,即实模式,),和保护方式（即保护模式或虚模式）。实地址方式和,8088,的工作方式完全一样；当,80286,工作在保护方式下时，能够支持多任务。在保护方式下,80286,可产生,24,位物理地址，使用到,16MB,内存，并产生,1024MB,（,1GB,）,虚拟内存，未立即执行的程序和数据先移到虚拟内存中，当要执行虚拟内存中的程序或读取其中数据时，再将其转入内存中。,80386,80386,有,32,根双向数据线，一次可以传送,8,位、,16,位、,24,位或,32,位数据，它都能够形成相当于,32,位地址的地址线，包括,30,位地址引出线（,A,31,A,2,）,和,4,个字节使能引出线，每个字节使能引出线对应于,32,位数据总线的,4,个字节中一个字节。地址引出线识别,4,个字节的地址，字节使能引出线选择,4,个字节单元内的有效字节。,80386,具有,32,位宽的内部和外部数据通路，,8,个,32,位通用寄存器；指令系统提供,8,位、,16,位和,32,位数据类型。处理器直接输出所形成的,32,位地址，使内存寻址空间达到,4 GB,（,2,32,B=4096MB=4 GB,）。,80386,结构图,总线接口部件：主要用来收发,80386,访问外部存储器和,I/O,口以及其他支持芯片所需要的地址、数据和控制信号。,指令预取部件：执行超前查看功能，当总线接口部件不执行一条指令的总线周期时，就使用总线接口部件按顺序提取指令流，并放到,1 6,字节的指令预取队列中，等待指令译码部件取走,指令译码部件：从指令预取队列中取出指令流，并将它们解码，也即变成微指令，并将这些微指令存入指令队列中供执行部件取用。,执行部件：执行来自指令队列微指令，并可为完成执行任务而与其他部件通信。,分段部件：将逻辑地址按执行部件要求变换成线性地址。在保护方式下,80386,分段后能够得到一个高达,4GB,的段（,80386,偏移量寄存器有,32,位），这个段太大，不适用。,分页部件：以,4KB,为一页，分段部件只能将逻辑地址变成线性地址，经过分页处理才能变成物理地址。将线性地址变换成物理地址，如不允许分页，则表示线性地址和物理地址相同，无需变换,80486,80486,的芯片内部集成有：总线接口、指令预取、指令译码、执行、分段、分页（与,80386,兼容的微处理器）以及浮点运算（,FPU,，与,80387,兼容）、高速缓存（,Cache,）,及其控制电路等,8,个功能部件，除此而外在内部结构设计上还有一些新的特点。,80486,在寻址方式、存储管理、数据类型等方面与,80386,比没有什么新的改变，但在相同主频下其处理速度比,80386,快,2,4,倍，因此人们称它为超级,32,位,CPU,。,80486,的特点,CPU,的设计采用了某些,RISC,技术,在,80486,内部集成有浮点运算部件,FPU,采用了片内高速缓存技术,具有新的内部总线结构,时钟采用了倍频技术,例如,80486,具有指令流水线处理（,Pipelining,）,功能，也即指令是在高速流水单元中执行的，在每一个处理器时钟周期内有一条新指令进入流水线，虽然每条指令实际执行仍然可能需要几个时钟周期，但由于每个时钟周期内都有指令进入流水线，其效果如同几个指令在同时（时间上有一个处理器时钟交错）执行，且每个时钟周期都有一个指令走出流水线（被完成），,80486,所执行的大多数指令，每条只用一个时钟周期。,FPU,可执行,32,位、,64,位、,80,位的浮点数学运算，与,80387,完全兼容，且浮点运算功能有所扩充。由于它是集成在,80486,内部（在此以前协处理器、微处理器都是各自独立分开）与主处理器靠近，连线短，且数据总线加宽到,64,位，因此其处理速度显著提高，比,80387,约快,3,5,倍。,6,内部集成有,8 KB,的数据和指令混合型的高速缓存,Cache,位于,CPU,和主存之间，是用静态,RAM,做成，存取速度比用动态,RAM,做成的主存快,3,8,倍，它为,CPU,频繁取用的指令和数据提供了一个快速的局部存储器，不但提高了,CUP,存取速度，同时也降低了系统总线使用率，使总线有较多时间用于其他控制。,Pentium,Intel,公司对,80x86,系列微处理器的性能不断地进行创新与改造，,1993,年又推出新一代名为,Pentium,的微处理器，,Pentium,的中文名字叫奔腾，奔腾是希腊,字,Pente,（,意思为,5,）演变来的，该处理器按原来代号顺序排列应取名为,80586,但为了取得商标注册，防止其他公司的兼容产品再以相同的名称命名、,Intel,公司按照美国有关法律将这种新一代微处理器取名为,Pentium,，,并注册专有，因此市场上凡有,5x86,的微处理器，都不是,Intel,公司产品。,Pentium,处理器采用了全新的设计，它有,64,位数据线和,32,位地址线，内部结构也作了很大改进，但是依然保持和,80X86,的二进制兼容性，可以执行所有的,80X86,程序，片内存储管理单元也与,386,和,486,兼容，可以在实地址方式引导下转入保护方式和虚拟,86,方式，在,80486,的基础上，增加了新的指令。,Pentium,处理器有很高的集成度,，,Pentium,处理器能够支持更高速度的内部时钟，显著地提高了处理速度，早期,66 MHz Pentium,运算速度是,80486DX66,的,2,倍。,Pentium,处理器的内部结构图,Pentium,处理器新的特点,1,片内高速缓存采用了分离式结构,2,采用,RISC,技术,3.,具有高性能的浮点运算部件,4,具有分支指令预测功能,5,数据总线位宽增加,6.,常用指令固化,7,具有并扩充了系统管理模式,（,SMM,）,即,Cache,分为两个成组相联的,8KB,指令,Cache,（,用来存放程序代码）和,8 KB,的数据,Cache,（,用来存放数据），这种将片内高速缓存分开的做法使各自,Cache,能够加快速度，减少等待及搬移数据的次数和时间，从而提高了整体性能。,Pentium,虽然属于,CISC,处理器，但在执行单元的设计中采用了较多的,RISC,技术，例如,Pentium,具有,超标量,指令流水线功能。,在,80486,微处理器设计中，只有一条指令流水线工作，在最佳状况下，平均在每个时钟周期内完成一条指令的执行，,如果设计有多条指令流水线，那么处理器执行指令的效率就会更高，这样的设计方法就是超标量指令流水线的基本思想。,它是,RISC,技术的重要内容之一。因此超标量就是微处理器内含有多个指令执行单元、多条指令执行流水线。,Pentium,中的浮点运算部件完全重新设计，根据测试，,Pentium,中,FPU,的速度是,486,中,FPU,的两倍，,Pentium,中的浮点操作已高度流水线化，并与整数流水线相结合。,在,Pentium,处理器中设立了能预测分支指令的分支目标缓冲器（,BTB,），,如预测无分支指令，则预取将继续按顺序执行；如预测到有分支指令，则可在分支指令进入指令流水线之前，根据预测领取指令（,BTB,能记住分支目标地址，并允许分支发生前预取新指令），从而不致使指令流水线陷于混乱或停滞。,Pentium,处理器内部数据总线与,80486,一样都是,32,位，但处理器与内存进行数据交换的外部数据总线为,64,位，在一个总线周期内将数据传输量增加了一倍，另外,Pentium,还支持多种类型的总线周期，在猝发方式下，可以在一个总线周期内读入,256B,的数据，,Pentium,的,64,位数据总线与内存数据交换的速度高达,528 MB/S,，为,80486DX,50,的,3,倍还多。,在,Pentium,处理器中把一些常用指令（比如,MOV,、,INC,、,DEC,、,PUSH,等）改用硬件实现。不再使用微码进行操作，使指令的运行速度进一步加快。,Pentium Pro,（,高能奔腾处理器）,Pentium Pro,处理器的集成度比,Pentium,处理器高，它内部集成有,550,万个晶体管，,Pentium Pro,处理器能够支持更高速度的内部时钟，有极高的处理速度，一般说,133 MHz,的高能奔腾比,100 MHZ,奔腾处理器快,2,倍。,Pentium Pro,处理器具有,36,位地址线、,64,位数据线（内部供程序控制用的寄存器为,32,位），它保持了与之前的,80x86,处理器的二进制兼容。,Pentium Pro,新的设计,1,）具有化复杂指令为精减指令功能，,Pentium Pro,能把,X86,（,CISC,结构）指令分解为较简单的指令，这些被称之为微操作，执行时间很短，并且比全长,的,X86,指令更易用多并行的方法发布和执行，这样既照顾到芯片的兼容性，又提高了其运行速度。,2,）,Pentium Pro,片内除了有,16KB,（,数据与指令各,8KB,）,高速缓存外，还有,256KB,二级高速缓存（二级缓存与,CPU,共置于,387,针双腔,PGA,陶瓷封装内），并有全速总线与,CPU,紧密相连，因而能够极大地提高程序运行速度，而,Pentium,的二级高速缓存不在芯片上，而是在片外电路中。,3,）具有,14,级超级指令流水线结构，超级指令流水线结构将任一条指令的全部执行分成一连串的指令步来执行，在一个时钟周期执行,1,条指令的多个步，例如能把一些指令步，如指令和数据的预取、指令解码、指令执行以及数据写等重叠起来执行。,具有最新的动态执行技术，包括：增强型的分支预测，能向,CPU,核心提供许多指令；推理执行，具有以任意顺序执行指令的能力；数据流分析，选择正确的顺序。,1-5,现代微型计算机系统的基本组成,如图所示为,Intel,奔腾,CPU,、,现代微型计算机系统结构示意框图。,CPU,的性能不断提高，系统接口控制逻辑性能优越、集成度高、易于升级的几个控制逻辑芯片组，使得对微型计算机系统的设计与维护更加简单、性能更加稳定可靠。在,I/O,接口上也日趋标准化。,典型奔腾系统微型计算机系统组成结构示意图,微机系统主板简介,微处理器,CPU,处理器不仅是主板的核心组件，也是整个微机系统的核心，通过一个符合一定标准的接口插槽与主板相连，然后再将,CPU,插在该插槽上。这样做的主要目的是便于系统的,CPU,升级，以提高整个微机系统的性能价格比。,高速缓存,Cache,第一级高速缓存,Cache,（,L1,）,位于微处理器,CPU,内部，其中又分为指令,Cache,和数据,Cache,两种，其大小一般各为,16KB,和,