《微型計(jì)算機(jī)原理》（王忠民版）電子課件教案-第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論

微型計(jì)算機(jī)原理微型計(jì)算機(jī)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(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)系列教材第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 第2章 計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì) 第6章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 第7章 輸入/輸出與中斷 第8章 可編程接口芯片及應(yīng)用 目目 錄錄第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.1 引言引言 1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 1.4 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 1.5 微型計(jì)算機(jī)的工作過程微型計(jì)算機(jī)的工作過程 第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.1 引 言 電子計(jì)算機(jī)是由各種電子器件組成的，能夠自動(dòng)、高速、精確地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯控制和信息處理的現(xiàn)代化設(shè)備。自從其誕生以來，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制等領(lǐng)域。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，計(jì)算機(jī)早期的主要應(yīng)用領(lǐng)域是科學(xué)計(jì)算。在科學(xué)研究，特別是理論研究中，經(jīng)過嚴(yán)密的論證和推導(dǎo)，得出非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，需要求得方程的解。如果手工計(jì)算，可能要經(jīng)過數(shù)月、數(shù)年的時(shí)間，有時(shí)甚至是無法完成的。面對(duì)這樣的難題，計(jì)算機(jī)可以發(fā)揮其強(qiáng)大的威力。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 計(jì)算機(jī)在這樣的科學(xué)計(jì)算中，一般用高級(jí)語言編程，高級(jí)語言是面向用戶的，也就是說，用高級(jí)語言編寫程序比較容易和方便，經(jīng)過短時(shí)間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，一般人都能編出功能很復(fù)雜的程序。計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，除了用高級(jí)語言編寫程序外，與其在信息處理和過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用相比較，還有以下兩個(gè)特點(diǎn)：第一，它沒有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，雖然使用者在運(yùn)行程序時(shí)也希望盡快得到運(yùn)算結(jié)果，但對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間沒有嚴(yán)格的要求，結(jié)果產(chǎn)生的遲早不影響結(jié)果的有效性。第二，在科學(xué)計(jì)算中，需要輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，一般不是從某種物理現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集的，不需要有專用的完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)的輸入設(shè)備；同樣，計(jì)算的結(jié)果，一般也不完成對(duì)外界的控制功能，不需要有專門的輸出設(shè)備與其它系統(tǒng)相連。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 在數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制應(yīng)用領(lǐng)域情況則要復(fù)雜得多。除了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有很高的要求外，還要用專門的輸入設(shè)備將有關(guān)信息輸入計(jì)算機(jī)，用專門的輸出設(shè)備輸出處理結(jié)果或?qū)Ρ豢貙?duì)象實(shí)施控制。因此，僅僅具備高級(jí)語言編程方面的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制要求實(shí)時(shí)性，希望編寫的程序更精練，運(yùn)行起來更快（一般情況下，對(duì)于完成相同的任務(wù)，用機(jī)器語言或匯編語言編寫的程序運(yùn)行起來比用高級(jí)語言編出的程序快得多）；專用的輸入輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接和編程控制（稱為接口），更不是只具有高級(jí)語言編程知識(shí)所能勝任的。為此，必須對(duì)計(jì)算機(jī)的工作原理有更深入的了解，對(duì)計(jì)算機(jī)的邏輯組成、工作原理、與外界的接口技術(shù)以及直接依賴于計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)的機(jī)器語言、匯編語言編程方法等需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 計(jì)算機(jī)的發(fā)展，從一開始就和電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)密切相關(guān)的。人們通常按照構(gòu)成計(jì)算機(jī)所采用的電子器件及其電路的變革，把計(jì)算機(jī)劃分為若干“代”來標(biāo)志計(jì)算機(jī)的發(fā)展。自1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在這不長的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代：電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。目前，各國正加緊研制和開發(fā)第五代“非馮諾依曼”計(jì)算機(jī)和第六代“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 微型計(jì)算機(jī)屬于第四代計(jì)算機(jī)，是二十世紀(jì)70年代初期研制成功的。一方面是由于軍事、空間及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展需要體積小、功耗低、可靠性高的計(jì)算機(jī)，另一方面，大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展也為微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生打下了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。微處理器微處理器(MicroProcessor)是微型計(jì)算機(jī)的核心芯片，它是將計(jì)算機(jī)中的運(yùn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)(MicroComputer)是由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器和I/O接口電路組成的計(jì)算機(jī)。30多年來，微處理器和微型計(jì)算機(jī)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(jìn)入第五代。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(yùn)算能力差，速度慢（平均指令執(zhí)行時(shí)間為1020s）。軟件主要使用機(jī)器語言及簡單的匯編語言編寫。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 2 第二代第二代中高檔中高檔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(shí)間為12s。指令系統(tǒng)相對(duì)比較完善，已具有典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及中斷、存儲(chǔ)器直接存取(DMA)功能。由第二代微處理器構(gòu)成的微機(jī)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(jí)語言編寫程序。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(jì)算機(jī)有豐富的指令系統(tǒng)、多級(jí)中斷系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、段式存儲(chǔ)器管理以及硬件乘除法器等。為方便原8位機(jī)用戶，Intel公司在8086推出后不久便很快推出準(zhǔn)16位的8088CPU，其指令系統(tǒng)與8086完全兼容，CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhǔn)16位微型計(jì)算機(jī)，由于其性能價(jià)格比高，很快占領(lǐng)了市場。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1982年，Intel公司在8086基礎(chǔ)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(wù)系統(tǒng)所必須的任務(wù)切換功能、存儲(chǔ)器管理功能以及各種保護(hù)功能。以80286為CPU組成IBM PC/AT高檔16位微型計(jì)算機(jī)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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位微處理器芯片80386，其地址總線也為32位。80386有兩種結(jié)構(gòu)：80386SX和80386DX。這兩者的關(guān)系類似于8088和8086的關(guān)系。80386SX內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(chǔ)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(dāng)于把80386、80387及8KB高速緩沖存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 5.第五代第五代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(biāo)量流水線，兩個(gè)并行執(zhí)行單元及雙高速緩沖存儲(chǔ)器，工作頻率有50MHz、66MHz、133MHz、和166MHz等。Power PC是一種精簡指令集計(jì)算機(jī)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(jìn)的超標(biāo)量流水線技術(shù)及雙高速緩沖存儲(chǔ)器。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 精簡指令集計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)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(shè)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(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 圖1.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成硬件微型機(jī)系統(tǒng)外圍設(shè)備過程控制I/O通道A/D,D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)量等外部設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備 軟驅(qū)、硬盤及磁帶等外存儲(chǔ)器主 機(jī)輸入輸出(I/O)接口電路微處理器(CPU)運(yùn)算器(算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU)控制器(控制單元CU)寄存器陣列(RA)內(nèi)存儲(chǔ)器RAM,ROM,EPROMEEPROM,Cash等系統(tǒng)軟件軟件用戶（應(yīng)用）軟件第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.3.1 硬硬 件件 圖1.2 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成存儲(chǔ)器模塊運(yùn) 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(lǐng)/O命令結(jié) 果 輸出取指令/存取操作數(shù)主機(jī)讀入指令/數(shù)據(jù)大容量外存儲(chǔ)器I/O設(shè) 備I/O子系統(tǒng)第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 運(yùn)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(jī)的運(yùn)算、控制中心，用來實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算，并對(duì)全機(jī)進(jìn)行控制。存儲(chǔ)器（又稱為主存或內(nèi)存）用來存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 輸入/輸出(I/O)接口是微機(jī)與輸入輸出設(shè)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(qiáng)調(diào)一下大容量外存儲(chǔ)器與內(nèi)存儲(chǔ)器（主存或內(nèi)存）之間的關(guān)系。由于微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量有限，所以使用大容量的外存儲(chǔ)器作為內(nèi)存的后援設(shè)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(yùn)行時(shí)，才把它從外存?zhèn)魉偷絻?nèi)存的某個(gè)區(qū)域，再由CPU控制執(zhí)行。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.3.2 軟件軟件 所謂軟件，就是為了管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)以及為完成用戶的某種特定任務(wù)而編寫的各種程序的總和。計(jì)算機(jī)的工作就是運(yùn)行程序，通過逐條地從存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)某種特定的功能，因此，軟件是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。微型計(jì)算機(jī)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶（應(yīng)用）軟件。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 用戶軟件用戶軟件就是用戶為解決各種實(shí)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(yù)的，為其它程序的開發(fā)、調(diào)試以及運(yùn)行等建立一個(gè)良好環(huán)境的程序。主要包括操作系統(tǒng)OS(Operating System)和系統(tǒng)應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一套復(fù)雜的系統(tǒng)程序，用于提供人機(jī)接口和管理、調(diào)度計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)啟動(dòng)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(yīng)的操作；第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 操作系統(tǒng)還包括用于執(zhí)行I/O操作的I/O驅(qū)動(dòng)程序，每當(dāng)用戶程序或其它系統(tǒng)程序需要使用I/O設(shè)備時(shí)，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(dòng)程序來執(zhí)行任務(wù)；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(dòng)程序配合使用，用于文件的存取、復(fù)制和其它處理。系統(tǒng)應(yīng)用程序系統(tǒng)應(yīng)用程序很多，如各種高級(jí)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(wù)性工具程序，數(shù)據(jù)庫管理程序等。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.4 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 1.4.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 到目前為止，計(jì)算機(jī)仍沿用1940年由馮.諾依曼首先提出的體系結(jié)構(gòu)。其基本設(shè)計(jì)思想為：以二進(jìn)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(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠高速地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行。由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 圖1.3 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 地址總線AB定時(shí)電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備I/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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 所謂總線，總線，是計(jì)算機(jī)中各功能部件間傳送信息的公共通道，是微型計(jì)算機(jī)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(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口進(jìn)行訪問時(shí)，傳送 由CPU提供的要訪問存儲(chǔ)單元或I/O端口的地址信息，以便選中要訪問的存儲(chǔ)單元或I/O端口，是單向總線。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)：從存儲(chǔ)器取指令或讀寫操作數(shù)，對(duì)I/O端口進(jìn)行讀寫操作時(shí)，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?？刂瓶偩€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(guān)部件，或者從有關(guān)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(gè)整體，用雙向表示。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.4.2 微處理器 外部DB 微處理器 (CPU)AARPLAPC標(biāo)志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB 4001H E7H 4002H 34H 4003H A5H 4004H 62H 4005H 38H存儲(chǔ)器 地址 單元內(nèi)容ALU圖1.4 微處理器結(jié)構(gòu)內(nèi) 部 數(shù) 據(jù) 總 線DB第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1運(yùn)算器 運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)，用來進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算以及移位循環(huán)等操作。參加運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)一個(gè)來自累加器A(Accumulator)，另一個(gè)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(gè)寄存器的內(nèi)容。計(jì)算結(jié)果送回累加器A暫存。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 2.控制器 控制器又稱控制單元CU(Control Unit)，是全機(jī)的指揮控制中心。它負(fù)責(zé)把指令逐條從存儲(chǔ)器中取出，經(jīng)譯碼分析后向全機(jī)發(fā)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(chǔ)器取出的將要執(zhí)行的指令碼。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 (2)指令譯碼器ID(Instruction Decoder)：用來對(duì)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(jìn)行譯碼，以確定該指令應(yīng)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(hào)，并經(jīng)過控制總線CB送往有關(guān)部件，從而使計(jì)算機(jī)完成相應(yīng)的操作。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 3.內(nèi)部寄存器陣列 1)程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)程序計(jì)數(shù)器有時(shí)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(chǔ)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(chǔ)單元地址送入PC。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)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(duì)PC加1。但遇到跳轉(zhuǎn)等改變程序執(zhí)行順序的指令時(shí)，后繼指令的地址（即PC的內(nèi)容）將從指令寄存器IR中的地址字段得到。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(shí)，PC中存放的指令地址送到AR，根據(jù)此地址從存儲(chǔ)器中取出指令。在取操作數(shù)時(shí)，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(chǔ)器中取出操作數(shù)；在向存儲(chǔ)器存入數(shù)據(jù)時(shí)，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(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 3)數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(Data Register)數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時(shí)存放指令或數(shù)據(jù)。從存儲(chǔ)器讀出時(shí)，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(yùn)算器或有關(guān)的寄存器。同樣，當(dāng)向存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，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(chǔ)器?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR是CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站，用來補(bǔ)償CPU和內(nèi)存、外圍設(shè)備之間在操作速度上存在的差異。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 4)指令寄存器IR(Instruction Register)指令寄存器用來保存從存儲(chǔ)器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器對(duì)其操作碼字段進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 5)累加器A(Accumulator)累加器是使用最頻繁的一個(gè)寄存器。在執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí)，它用來存放一個(gè)操作數(shù)，而運(yùn)算結(jié)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(shí)存放ALU運(yùn)算結(jié)果的。顯然，CPU中至少應(yīng)有一個(gè)累加器。目前CPU中通常有很多個(gè)累加器。當(dāng)使用多個(gè)累加器時(shí)，就變成了通用寄存器堆結(jié)構(gòu)，其中任何一個(gè)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(jié)構(gòu)。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 6)標(biāo)志寄存器FLAGS（Flag Register）標(biāo)志寄存器有時(shí)也稱為程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word)。它用來存放執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令或測試指令后建立的各種狀態(tài)碼內(nèi)容以及對(duì)CPU操作進(jìn)行控制的控制信息。標(biāo)志位的具體設(shè)置及功能隨微處理器型號(hào)的不同而不同。編寫程序時(shí)，可以通過測試有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)（0或1）來決定程序的流向。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.4.3 存儲(chǔ)器 這里介紹的存儲(chǔ)器是指內(nèi)存儲(chǔ)器（又稱為主存或內(nèi)存）。它是微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和記憶裝置，用來存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，程序和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式表示，8位二進(jìn)制代碼作為一個(gè)字節(jié)。為了便于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問，存儲(chǔ)器通常被劃分為許多單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制信息，每個(gè)存儲(chǔ)單元分別賦予一個(gè)編號(hào)，稱為地址。如圖1.5所示，地址為4005H的存儲(chǔ)單元中存放了一個(gè)八位二進(jìn)制信息00111000B。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)而連續(xù)地從內(nèi)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)每完成一條指令，至少有一次為取指令而訪問內(nèi)存儲(chǔ)器的操作。內(nèi)存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)主機(jī)的一部分，一般把具有一定容量且速度較高的存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器，CPU可直接用指令對(duì)內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫。在微型計(jì)算機(jī)中，通常用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 E7H34HA5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.基本概念 1位(Bit)：二進(jìn)制信息的最小單位（0或1）2字節(jié)(Byte)：由8位二進(jìn)制數(shù)組成，可以存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。是字的基本組成單位。3字（Word）：計(jì)算機(jī)中作為一個(gè)整體來處理和運(yùn)算的一組二進(jìn)制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù)倍。通常它與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的寄存器、算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)總線寬度相一致。每個(gè)字包括的位數(shù)稱為計(jì)算機(jī)的字長，是計(jì)算機(jī)的重要性能指標(biāo)。目前為了表示方便，常把一個(gè)字定義為16位，把一個(gè)雙字定義為32位。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 4內(nèi)存容量：內(nèi)存中存儲(chǔ)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(shí)別不同的單元，每個(gè)單元都賦予一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)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(duì)應(yīng)的單元中存放的內(nèi)容是兩個(gè)完全不同的概念，不可混淆。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 2.內(nèi)存的操作 CPU對(duì)內(nèi)存的操作有兩種：讀或?qū)?。讀操作是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(jié)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原信息不變。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(shè)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(hào)。（3）在讀控制信號(hào)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(guān)部件進(jìn)行處理。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址00H01HFFH90HAB10010000B來自CPU的寫信號(hào)00000000BDB地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB來自CPU的讀信號(hào)(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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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DR放到數(shù)據(jù)總線上。（3）CPU發(fā)出“寫”控制信號(hào)，在該信號(hào)的作用下將數(shù)據(jù)0寫入90H單元。此時(shí)，90H單元中原有的內(nèi)容10111010B就會(huì)被00000000B所替代。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 3.內(nèi)存的分類 按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類：隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM(Random Access Memory)和只讀存儲(chǔ)器ROM(Read Only Memory)。隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器可被CPU隨機(jī)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(chǔ)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(huì)丟失。它用于存放永久性的程序和數(shù)據(jù)。如系統(tǒng)引導(dǎo)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.4.4 I/O接口與輸入輸出設(shè)備 I/O接口是微型計(jì)算機(jī)與輸入輸出設(shè)備之間信息交換的橋梁。I/O設(shè)備是微型計(jì)算機(jī)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(shè)備輸入給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果要通過輸出設(shè)備輸出，以便用戶使用。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀、A/D轉(zhuǎn)換器等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、D/A轉(zhuǎn)換器等。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 外設(shè)的種類很多，有機(jī)械式、電子式、機(jī)電式、光電式等，且一般來說，與CPU相比，外設(shè)的工作速度較低。外設(shè)處理的信息有數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量等，而計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量。另外，外設(shè)與微型計(jì)算機(jī)工作的邏輯時(shí)序也可能不一致。由于上述原因，微型機(jī)與外設(shè)之間的連接及信息的交換不能直接進(jìn)行，而需要設(shè)計(jì)一個(gè)I/O接口作為微型機(jī)與外設(shè)之間的橋梁。I/O接口也稱為I/O適配器，不同的外設(shè)必須通過不同的I/O適配卡（板）才能與微機(jī)相連。所以，I/O接口是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不可缺少的重要組成部件。任何一個(gè)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和開發(fā)，實(shí)際上是I/O接口的研制和開發(fā)。因此，I/O接口技術(shù)是本課程要重點(diǎn)討論的內(nèi)容之一，第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 1.5 微型計(jì)算機(jī)的工作過程 表1.1為在某模型機(jī)上完成“6+5”操作所需的機(jī)器語言程序和匯編語言程序，假設(shè)該機(jī)器語言程序從內(nèi)存中地址為0000H單元開始存放。機(jī)器語言程序機(jī)器語言程序是計(jì)算機(jī)能夠理解和直接執(zhí)行的程序，其指令是用二進(jìn)制代碼表示和存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)不能直接“識(shí)別”，需要經(jīng)過“匯編程序”把它轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言程序后才能執(zhí)行。機(jī)器語言指令和匯編語言指令是一一對(duì)應(yīng)的，都是面向機(jī)器，不同的機(jī)器有著自己獨(dú)有的機(jī)器語言指令系統(tǒng)和匯編語言指令系統(tǒng)。高級(jí)語言高級(jí)語言是不依賴于具體機(jī)型只面向過程的程序設(shè)計(jì)語言，由它所編寫的高級(jí)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(jī)器語言程序后才能執(zhí)行。由此可見，不論程序是用什么語言編寫，都必須首先將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別和執(zhí)行的機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 內(nèi)存單元地址機(jī)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(jié)果存放在累加器A中。0004H11111110HLT停機(jī)指令表表1.1 完成完成“6+5”操作所需的機(jī)器語言程序和匯編語言程序操作所需的機(jī)器語言程序和匯編語言程序 第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 微機(jī)的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(dāng)開始運(yùn)行程序時(shí)，首先應(yīng)把第一條指令所在存儲(chǔ)單元的地址賦予程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)，然后機(jī)器就進(jìn)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(duì)IR中指令的操作碼字段進(jìn)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(hào)。取指階段結(jié)束后，機(jī)器就進(jìn)入執(zhí)行指令階段，這時(shí)CPU執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作。當(dāng)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(fù)始地循環(huán)，直到遇到暫停指令時(shí)結(jié)束。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 對(duì)于所有的機(jī)器指令而言，取指階段都是由一系列相同的操作組成的，所用的時(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)在執(zhí)行一條指令時(shí)，就可能要處理一到多個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 假定完成“6+5”操作所需的機(jī)器語言程序(表1.1所示)已由輸入設(shè)備存放到內(nèi)存中，如圖1.7所示。下面進(jìn)一步說明微機(jī)內(nèi)部執(zhí)行該程序的具體操作過程。開始執(zhí)行程序時(shí)，首先將第一條指令的首地址0000H送程序計(jì)數(shù)器PC，然后就進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(chǔ)器地址單元內(nèi)容ALUPCCPU發(fā)出讀命令PC1ARDRIR第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 把PC內(nèi)容送地址寄存器AR.PC內(nèi)容送入AR后，PC自動(dòng)加1，即由0000H變?yōu)?001H，以使PC指向下一個(gè)要讀取的內(nèi)存單元。注意，此時(shí)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(chǔ)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(yīng)的0000H單元。CPU發(fā)出存儲(chǔ)器讀命令。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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?yàn)槿〕龅氖侵噶畹牟僮鞔a，故數(shù)據(jù)緩沖寄存器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(shí)別”出這個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 接著進(jìn)入第一條指令的執(zhí)行階段。經(jīng)過對(duì)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(gè)存儲(chǔ)單元中取出指令第二個(gè)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(dòng)加1，即由0001H變?yōu)?002H。注意，此時(shí)AR的內(nèi)容0001H并沒有變化。第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)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(chǔ)器系統(tǒng)的地址譯碼電路，經(jīng)地址譯碼選中相應(yīng)的0001H單元。CPU發(fā)出存儲(chǔ)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。