微机原理与接口技术(第3版)第二章预备2(0)

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1、1微机原理及接口技术微机原理及接口技术 学科基础课学科基础课2第第0节节 预备知识预备知识 一、计算机的基本工作原理一、计算机的基本工作原理 二、有关术语二、有关术语 3诺依曼计算机的工作原理可概述为：诺依曼计算机的工作原理可概述为：“存储程序存储程序”+“程序控制程序控制”输输入入设设备备控制器控制器输输出出设设备备 CPU 存储器存储器运算器运算器ALU要点：要点：1以二进制表示数据和指令以二进制表示数据和指令(程序程序)2.先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行一、计算机的基本工作原理一、计算机的基本工作原理4二、有关术语二、有关术语

2、1.位位(bit)2.字节字节(Byte)3.字和字长字和字长(word)4.位编号位编号5.指令、指令系统和程序指令、指令系统和程序6.寄存器寄存器 7.译码器译码器51.位位(bit)l 指指计算机能表示的最基本最小的单位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：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，位就是一个二进制位，有两种状态，“0”和和“1”2.字节字节(Byte)l 相邻的相邻的8位二进制数称为一个字节位二进制数称为一个字节 1 Byte=8 bit 如：如：1100 0011 0101 011163字和字长字和字长

3、 l 字长字长是每一个字所包含的二进制位数。是每一个字所包含的二进制位数。常与常与CPU内部的寄存器、内部的寄存器、运算装置、总线宽度一致运算装置、总线宽度一致l 字字是是CPU内部进行数据处理的基本单位。内部进行数据处理的基本单位。把一个字定为把一个字定为16 位位 1 Word=2 Byte 一个双字定为一个双字定为32位位 1 DWord=2 Word=4 Byte7字长是衡量字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。工作性能的一个重要参数。不同类型的不同类型的CPU有不同的字长。有不同的字长。如如:Intel 4004 是是 4 位位 8080 是是 8 位位 8088/8086/802

4、86 是是 16 位位 80386/80486、Pentium是是 32 位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数被加数 +1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数加数进位进位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和 4位位 8次次 8位位 4次次16位位 2次次32位位 1次次84.位编号位编号 字节、字和双字各位编号是从低位开始，从右到左依次为字节、字和双字各位编号是从低位开始，从右到左依次为 0、1、2 编号编

5、号7654321010100010D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0字节字节数据数据Data地址地址Address字字的编号为的编号为15 0：D0D15；A0A15双字双字的编号依此类推，为的编号依此类推，为31 095.指令、指令系统和程序指令、指令系统和程序 l 指令指令是是CPU能执行的一个基本操作。能执行的一个基本操作。如：取数、加、减、乘、除、存数如：取数、加、减、乘、除、存数 等等l 指令系统指令系统是是CPU所能执行的全部操作。所能执行的全部操作。不同的不同的CPU，其指令系统不同。，其指令系统不同。l 程序程序 是用户

6、在使用计算机时，为要解决的问题，用一条条指令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的序列。编写的指令的序列。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 这种顺序这种顺序性，必须由转移指令操作。性，必须由转移指令操作。106寄存器寄存器 l 寄存器寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件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，根据存放信息的不同，有有指令寄存器指令寄存器、数据寄存器数据寄存器、地址寄存器地址寄存器等。等。标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB数据总线数据总线 DB控制总线

7、控制总线 CB指令寄存器指令寄存器数据寄存器数据寄存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄存寄存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IPCPU结构结构示意图示意图117译码器译码器 将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。根据译码内容的不同根据译码内容的不同:指令译码器指令译码器:将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。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。将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。CPU 总线总线 内存内存标标 志

8、志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄存寄存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP12三三 微型计算机系统微型计算机系统 1.微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 2.微型计算机工作过程微型计算机工作过程 13数据总线数据总线 DB地址总线地址总线 AB存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口

9、控制总线控制总线 CB输输出出设设备备CPU微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器存储器、输入输入/输出设备输出设备构成；构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过输入输入/输出接口输出接口(I/O接口接口)与系统相连；与系统相连；各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。构构成成部部件件1.微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构14(1)总线总线l 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线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微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输ISA插插槽槽PCI插槽插槽AGP插插槽槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯片组内存插槽

10、内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口软驱接口软驱接口并口连接器并口连接器串口连接器串口连接器ROM BIOS鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板主板电源电源插座插座15地址总线的条数地址总线的条数 决定决定CPU的寻址能力。的寻址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G地址总线地址总线 AB(Address Bus)：单向单向用来传送用来传送CPU输出的地址信号，输出的地址信号，确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/O端口。端口。16数据总线数据总线 DB(Data Bus)：双

11、向双向 用来在用来在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间进行数据传送。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。数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。8 根根 一次传送一次传送 8位位16 根根 一次传送一次传送 16位位 32 根根 一次传送一次传送 32位位 64 根根 一次传送一次传送 64位位控制总线控制总线CB(Control Bus)：用于传送各种控制信号。用于传送各种控制信号。有的是有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向有的是发向CPU，如外设向，如外设向CPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号

12、。17地址信号地址信号标标 志志寄存器寄存器指令寄存器指令寄存器数据缓冲器数据缓冲器定时控制电路定时控制电路指令译码器指令译码器地地址址缓缓冲冲器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP数据信号数据信号控制信号控制信号ALU(2)(2)中央处理器中央处理器CPU CPU 计算机的核心部件，计算机的核心部件，用来实现指令的自动装入和自动执行，用来实现指令的自动装入和自动执行，实实现计算机本身的自动化。现计算机本身的自动化。CPU结构示意图结构示意图18 19中央处理器（中央处理器（CPUCPU）由）由运算器运算器和和控制器控制器组成。组成。运算器：运算器

13、：计算机中加工和处理数据的功能部件。计算机中加工和处理数据的功能部件。（1 1）对数据加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、）对数据加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。非运算等。（2 2）暂时存放参与运算的数据和中间结果。）暂时存放参与运算的数据和中间结果。控制器：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。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。（1 1）指令寄存器（）指令寄存器（IRIR）：保存当前正在执行的一条指令。）：保存当前正在执行的一条指令。（2 2）指令译码器（）指令译码器（IDID）：将指令

14、的操作码翻译成机器能识别的命令信号。）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。（3 3）时序信号发生器：）时序信号发生器：根据根据IDID产生的命令信号产生具体的控制信号。产生的命令信号产生具体的控制信号。寄存器：寄存器：包括一组通用寄存器组和专用寄存器包括一组通用寄存器组和专用寄存器（如（如IP）。20(3)内存：内存：存储程序和数据，由地址译码器、内存单元等构成存储程序和数据，由地址译码器、内存单元等构成n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地

15、址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111 内存结构示意图内存结构示意图内存单元内存地址内存内容RAMRAM：可读可写，易失性，临时存放程序和数据：可读可写，易失性，临时存放程序和数据ROMROM：工作时只能读，非易失性，永久或半永久性存放信息：工作时只能读，非易失性，永久或半永久性存放信息21(4)外设和输入外设和输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口）外设的电信号、运行速度与外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/O接口与接口与CPU相连。相连。存存储储器器I/O接接口口输输入入设

16、设备备I/O接接口口输输出出设设备备CPU222.微型计算机工作过程（微型计算机工作过程（P21）分两阶段：分两阶段：l 取指令取指令l 执行指令执行指令23l取指令阶段取指令阶段（CPU读内存操作）：读内存操作）：地址经地址缓冲器地址经地址缓冲器 地址总线地址总线 地址译码器地址译码器,选中指令所在的内存单元选中指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号发出内存读控制信号 指令从内存指令从内存 数据总线数据总线 数据缓冲器数据缓冲器 指令寄存器指令寄存器 指令译码器对指令进行译码指令译码器对指令进行译码 由由IP给出指令在内存的地址给出指令在内存的地址标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线

17、 ABAB程程序序数数据据数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCB地地址址译译码码器器、指令指令1 1指令指令2 2指令指令3 3指令指令4 4、数据数据1 1数据数据2 2数据数据3 3、指令寄存器指令寄存器数据缓冲器数据缓冲器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址缓缓冲冲器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R1R2R2R3R3R4R4寄存器组寄存器组运运算算器器IPIP24 当一条指令需要从内存或当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，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在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读端口进行

18、读/写操作。写操作。当一条指令取走后，当一条指令取走后，IP会被修改成下一条要执行指令的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。不断的重复。微机的工作过程：微机的工作过程：取指令取指令 执行指令执行指令 取指令取指令 执行指令执行指令、l执行指令阶段：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。经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。(不同的指令，不同的指令，CPU的具体执行过程不同。的具体执行过程不同。)25例：完成例：完成5+6=5+6=？的程序，？的程序，微型计算

19、机的工作过程微型计算机的工作过程在进行计算前，应做如下工作：在进行计算前，应做如下工作：（1 1）用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；）用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；（2 2）用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的）用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；机器语言程序；（3 3）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。MOV AMOV A，05H /B0H 05H 05H /B0H 05H ；把；把0505送入累加器送入累加器A A26取指令阶段的执行过程：（设程序从取指令阶段的执行过程

20、：（设程序从00H00H开始存放）开始存放）（1 1）将）将PCPC或或IPIP的内容送地址寄存器的内容送地址寄存器ARAR。（2 2）PCPC的内容自动加的内容自动加1 1变为变为01H01H，为取下一条指令作好准备。，为取下一条指令作好准备。（3 3）地址寄存器）地址寄存器ARAR将将00H00H通过地址总线送至存储器地址译码器译通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中码，选中00H00H单元。单元。（4 4）CPUCPU发出发出“读读”命令。命令。（5 5）选中的）选中的0000单元的内容单元的内容B0HB0H经数据总线经数据总线DBDB上至数据寄存器上至数据寄存器DRDR。（6 6）

21、数据寄存器）数据寄存器DRDR将其内容送至指令寄存器将其内容送至指令寄存器IRIR中，经过译码中，经过译码CPU“CPU“识别识别”出这个操作码为出这个操作码为“MOV AMOV A，05H”05H”指令，于是控制器指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。发出执行这条指令的各种控制命令。27PCARALUABDRIRIDPLA00H100H200 B0H01 05H02 04H03 06H04 F4H34读命令读命令B0H56B0H7控制信号控制信号（取第一条指令操作示意图）（取第一条指令操作示意图）28执行指令阶段的执行过程：执行指令阶段的执行过程：（1 1）将）将PCPC或或IPI

22、P的内容送地址寄存器的内容送地址寄存器ARAR。（2 2）程序计数器）程序计数器PCPC的内容自动加的内容自动加1 1变为变为02H02H，为取下一条指令，为取下一条指令作好准备。作好准备。（3 3）地址寄存器）地址寄存器ARAR将将01H01H通过地址总线送至存储器地址译码器通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中译码，选中01H01H单元。单元。（4 4）CPUCPU发出发出“读读”命令。命令。（5 5）选中的）选中的01H01H单元内容单元内容05H05H经数据总线经数据总线DBDB至数据寄存器至数据寄存器DRDR。（6 6）由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送）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入累加器A A中，所以数据寄存器中，所以数据寄存器DRDR通过内部总线将通过内部总线将05H05H送入累加送入累加器器A A中。中。29PCARALUABDRIRIDPLA02H101H200 B0H01 05H02 04H03 06H04 F4H34读命令读命令05H567控制信号控制信号05H（执行第一条指令操作示意图）（执行第一条指令操作示意图）