微机原理ppt课件

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1章 微型计算机系统导论,1.4 微型计算机硬件系统,1.4.1,微型计算机系统的组成,到目前为止，计算机仍沿用1940年由,冯.诺依曼,首先提出的体系结构。其基本设计思想为：,以二进制形式表示指令和数据。,程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。,图1.3 微型计算机硬件系统结构,地址总线,AB,定时电路,输入设备,输出设备,I/O,接口,ROM,RAM,数据总线,DB,控制总线,CB,微,处,理,器,(,CPU),所谓,总线,，,是计算机中各功能部件间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部分。它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为三类：,地址总线,AB,(Address Bus)：,在对存储器或,I/O,端口进行访问时，传送由,CPU,提供的要访问存储单元或,I/O,端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或,I/O,端口，是单向总线。,数据总线,DB(Data Bus)：,从存储器取指令或读写操作数，对,I/O,端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往,CPU,或由,CPU,送出，是双向总线。,控制总线,CB(Control Bus)：,各种控制或状态信息通过控制总线由,CPU,送往有关部件，或者从有关部件送往,CPU。CB,中每根线的传送方向是一定的，图1.3中,CB,作为一个整体，用双向表示。,1.4.2,微处理器,外部,DB,微处理器,(,CPU),A,AR,PLA,PC,标志寄存器,ID,IR,DR,RA,至外部,CB,外部,AB,4001,H E7H,4002H 34H,4003H A5H,4004H 62H,4005H 38H,存储器,地址 单元内容,ALU,内部数据总线,DB,1运算器,运算器又称算术逻辑单元,ALU(Arithmetic Logic Unit)，,用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。参加运算的两个操作数一个来自累加器,A(Accumulator)，,另一个来自内部数据总线，可以是数据缓冲寄存器,DR(Data Register),中的内容，也可以是寄存器阵列,RA(Register Array),中某个寄存器的内容。计算结果送回累加器,A,暂存。,2.控制器,控制器又称控制单元,CU(Control Unit)，,是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。,(1)指令寄存器,IR(Instruction Register)：,用来存放从存储器取出的将要执行的指令码。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据缓冲寄存器,DR,中，然后再传送到指令寄存器,IR,中。,(2)指令译码器,ID(Instruction Decoder)：,用来对指令寄存器,IR,中的指令操作码字段（指令中用来说明指令功能的字段）进行译码，以确定该指令应执行什么操作。,(3)可编程逻辑阵列,PLA(Programmable Logic Array)：,用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线,CB,送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。,3.内部寄存器阵列,1)程序计数器,PC(Program Counter),程序计数器有时也被称为指令指针,IP(Instruction Pointer)。,它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条指令所在的存储单元地址送入,PC。,当执行指令时，,CPU,将自动修改,PC,内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令是按顺序执行的，所以修改的办法通常只是简单地对,PC,加1。但遇到跳转等改变程序执行顺序的指令时，后继指令的地址（即,PC,的内容）将从指令寄存器,IR,中的地址字段得到。,2)地址寄存器,AR(Address Register)：,地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。由于在内存单元和,CPU,之间存在着操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。,在取指令时，,PC,中存放的指令地址送到,AR，,根据此地址从存储器中取出指令。,在取操作数时，将操作数地址通过内部数据总线送到,AR，,再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到,AR，,再根据此地址向存储器写入数据。,3)数据缓冲寄存器,DR(Data Register),数据缓冲寄存器用来暂时存放指令或数据。从存储器读出时，若读出的是指令，经,DR,暂存的指令经过内部数据总线送到指令寄存器,IR；,若读出的是数据，则通过内部数据总线送到运算器或有关的寄存器。同样，当向存储器写入数据时，也首先将其存放在数据缓冲寄存器,DR,中，然后再经数据总线送入存储器。,可以看出，数据缓冲寄存器,DR,是,CPU,和内存、外部设备之间信息传送的中转站，用来补偿,CPU,和内存、外围设备之间在操作速度上存在的差异。,4)指令寄存器,IR(Instruction Register),指令寄存器用来保存从存储器取出的将要执行的指令码，以便指令译码器对其操作码字段进行译码，产生执行该指令所需的微操作命令。,5)累加器,A(Accumulator),累加器是使用最频繁的一个寄存器。在执行算术逻辑运算时，它用来存放一个操作数，而运算结果通常又放回累加器，其中原有信息随即被破坏。所以，顾名思义，累加器是用来暂时存放,ALU,运算结果的。显然，,CPU,中至少应有一个累加器。目前,CPU,中通常有很多个累加器。当使用多个累加器时，就变成了通用寄存器堆结构，其中任何一个既可存放目的操作数，也可以放源操作数。例如本书介绍的80,x86,系列,CPU,就采用了这种累加器结构。,6)标志寄存器,FLAGS（Flag Register）,标志寄存器有时也称为程序状态字,PSW(Program Status Word)。,它用来存放执行算术运算指令、逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态码内容以及对,CPU,操作进行控制的控制信息。标志位的具体设置及功能随微处理器型号的不同而不同。编写程序时，可以通过测试有关标志位的状态（0或1）来决定程序的流向。,1.4.3 存储器,这里介绍的存储器是指内存储器（又称为主存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。,在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。如图1.5所示，地址为4005,H,的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000,B。,E7H,34H,A5H,F2H,38H,4001,H,4002H,4003H,4004H,4005H,地址,指令或数据内容,0 0 1 1 1 0 0 0,图1.5 内存单元的地址和内容,有关存储器的基本概念,1位(,Bit)：,二进制信息的最小单位（0或1）,2字节(,Byte)：,由8位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。是字的基本组成单位。,3字（,Word）：,计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。每个字包括的位数称为计算机的字长，是计算机的重要性能指标。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。,4内存容量：,内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1024（2,10,）字节记作1,KB，2,20,字节记作1,MB。,5,内存单元地址：,为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。,2.,内存的操作,CPU,对内存的操作有两种：,读,或,写,。,读操作,是,CPU,将内存单元的内容读入,CPU,内部，而写操作是,CPU,将其内部信息送到内存单元保存起来。显然，,写操作,的结果改变了被写内存单元的内容，是破坏性的，而读操作是非破坏性的，即该内存单元的内容在信息被读出之后仍保持原信息不变。,从内存单元读出信息的操作过程如图1.6(,a),所示。假设将地址为90,H,的单元中的内容10111010,B(BAH),读入,CPU，,其操作过程如下：（1）,CPU,经地址寄存器,AR,将要读取单元的地址信息10010000,B(90H),送地址总线，经地址译码器选中90,H,单元。（2）,CPU,发出“读”控制信号。（3）在读控制信号的作用下，将90,H,单元中的内容10111010,B(BAH),放到数据总线上，然后经数据缓冲寄存器,DR,送入,CPU,中的有关部件进行处理。,地,址,译,码,器,10101101,B,00011010B,10111010B,00100010B,内容,地址,00,H,01,H,FFH,90,H,AB,10010000,B,来自,CPU,的写信号,00000000,B,DB,地,址,译,码,器,10101101,B,00011010B,10111010B,00100010B,内容,地址,00,H,01,H,FFH,90,H,AB,10010000,B,10111010,B,DB,来自,CPU,的读信号,(,a),内存读操作过程示意图,(,b),内存写操作过程示意图,图1.6 内存读写操作过程示意图,向内存单元写入信息的操作如图1.6(,b),所示。假定要将数据0写入内存中地址为90,H,的单元，其操作过程如下：（1）写入单元的地址信息90,H,经地址寄存器,AR,送到地址总线上。（2）待写入的数据00000000,B,经数据缓冲寄存器,DR,放到数据总线上。（3）,CPU,发出“写”控制信号，在该信号的作用下将数据0写入90,H,单元。此时，90,H,单元中原有的内容10111010,B,就会被00000000,B,所替代。,3.,内存的分类,按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器,RAM(Random Access Memory),和只读存储器,ROM(Read Only Memory)。,随机读写存储器可被,CPU,随机地读写，它用于存放将要被,CPU,执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。,只读存储器中的信息只能被,CPU,读取，而不能由,CPU,任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（,BIOS）,等。,1.4.4,I/O,接口与输入输出设备,I/O,接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。,I/O,设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、,A/D,转换器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、,D/A,转换器等。,1.5,微型计算机的工作过程,高级语言,是不依赖于具体机型只面向过程的程序设计语言，由它所编写的高级语言程序，需经过编译程序或解释程序的编译或解释生成机器语言程序后才能执行。,基本概念,机器语言程序,是计算机能够理解和直接执行的程序，其指令是用二进制代码表示和存储的。,汇编语言程序,是用助记符语言表示的程序，计算机不能直接“识别”，需要经过“汇编程序”把它转换为对应的机器语言程序后才