计算机硬件技术基础幻灯片

1、计算机硬件技术基础,学时数安排,讲课： 54学时,实验：,36学时,课件制作： 黄 勤 甘思源 李 楠 联系电话： 65106554,第一章 微型计算机基础,第二章 Intel系列微处理器,第三章 80486微处理器指令系统,第四章 汇编语言程序设计,第五章 存储器及存储管理,第六章 输入/输出方式与接口芯片,第七章 外设接口技术,第八章 总线,目 录, 教学目标,介绍微机的基本知识以及微机系统的结构、工作原理、 主要性能指标和现代微机的先进技术。, 学习要求,通过本章的学习，要求了解微机的基本结构、简单工作 过程及现代微机的基本知识。,第一章 微型计算机基础, 讲授内容,第一章 微型计算机基础,第一节 微型计算机的组成,第二节 微型计算机的硬件结构及简单工作过程,第三节 微型计算机中的先进计算机技术,第四节 微型计算机的主要性能指标及典型 微型计算机,第一节 微型计算机的组成,二、微型计算机的硬件组成,一、微型计算机系统的组成,硬件和软件两大部分组成,1.存储器,存储器是计算机中存储程序和数据的部件。计算机的存储器分为两大部分，一部分为内部存储器或主存储器，简称内存或主存；另一部分为

2、外部存储器或辅助存储器，简称外存或辅存。,存储容量,描述存储器存储二进制信息量多少的指标。存储二进制信息的基本单位是位（bit，b）。一般把8个二进制位组成的通用基本单元叫作字节（Byte，B）。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量。,1024B为1KB 1024KB为1MB 1024MB为1GB 1024GB为1TB,存储速度,描述存储器工作快慢程度的指标，它指信息存入存储器和从存储器中取出所需要的时间。,存储的类型,半导体存储器,磁记录存储器,光盘存储器,2.微处理器,微处理器是微型计算机的运算和控制指挥中心。不同的微处理器，其性能有所不同，但基本组成是相同的，由运算器、控制器和寄存器阵列三个主要部件组成。, 运算器,执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器（Accumulator，A）、暂存器（Temporary，TMP）、算术逻辑单元（Arithmatic Logic Unit，ALU）、标志寄存器（Flag Registers，F）和一些逻辑电路组成。,累加器,算术逻辑单元,标志寄存器,如：两无符号数A、B进行比较 ：,=,若AB 后有 ZF=1，则 A B 若AB 后有

3、CF=1，则 A B,若是带符号数进行大小比较，能用CF标志来判断？,例：A=FFH，B=01H；AB=FEH，此时CF=0，AB？,对带符号数的大小判断有两种方法,例：若A0 ，B0 ，应有AB 成立, A=100D，B=50D， AB有：,1 0 0 1 0 1 1 0 B,SF = 1 AB ？, A=15D，B=5D， AB有：,0 0 0 1 0 1 0 0 B,SF = 0 AB ？,对带符号数的大小判断应先判溢出标志 OF ，即, 控制器,控制器是指令执行部件，包括取指令、分析指令（指令译码）和执行指令，由指令寄存器（Instruction Register，IR）、指令译码器（Instruction Decoder，ID）和定时控制电路（Timing and Control）等组成。, 寄存器阵列,寄存器阵列主要包含两类寄存器，一是通用寄存器，供用户使用；二是一些用途固定的专用寄存器，如程序计数器、堆栈指示器。,程序计数器PC,用于存放下一条要执行的指令在存储器中存放的地址。,堆栈和堆栈指示器SP,堆栈是一块设在内存中按先进后出（First In Last Out，FI

4、LO）原则组织的存储区域，用于存放数据。数据存入栈区称为压入（PUSH），从栈区中取出数据称为弹出（POP）。,三、微型计算机的软件组成,3.输入输出设备,输入设备,输出设备,计算机的软件包含系统软件和应用软件两部分。系统软件是使用和管理计算机的软件，如操作系统、数据库管理系统、网络管理系统以及各种语言处理程序、系统维护程序等。应用软件则是用户根据自己的需要，为解决某一实际问题而编制的程序，如企业的财务管理、人事管理，设备状态监测的数据采集与处理等。,第二节 微型计算机的硬件结构 及简单工作过程,一、硬件结构,微型计算机在硬件上普遍采用总线结构，总线结构使系统构成方便，并具有很好的可维护性和可扩展性。,二、总线,所谓总线，就是一组用于信息公共传输的信号线，连在总线上的所有部件均能使用的公共线路，但使用必须是分时的。按传输信息方向，总线分为只能单方向传输信息的单向总线和可以双向传送信息的双向总线。按传输信息类别，总线分为传输数据信息的数据总线（Data Bus ,DB）、传输地址信息的地址总线（Address Bus ，AB ）和传输控制信息的控制总线（Control Bus, CB）。

5、,三、 数据总线、地址总线、控制总线,因为数据传输是双向的，故DB是双向总线。DB的位数越宽，一次数据传输的信息量就越大，8位DB一次只能传输1个字节的数据信息，而64位DB则一次可以传输8个字节的数据信息。,数据总线DB,因为地址信息总是由微处理器发出，寻址存储器或外设，故AB为单向总线。AB的位数越宽，寻址的空间就越大。8位微处理器的地址总线为16位，即有AB15AB0 16条地址线，寻址范围为216=64KB；目前生产的微处理器寻址范围已达到64GB。,CB包括微处理器向存储器发送的读选通信号RD、写选通信号WR，以及外设向微处理器发送的中断请求信号NMI、INTR等。控制总线的各位作用不同，且一般都是单向的。,地址总线AB,控制总线CB,根据总线的组织方式，可把微型计算机的硬件结构分为单总线、面向微处理器双总线和面向存储器双总线结构。,单总线结构的微型计算机,面向微处理器的双总线结构微型计算机,面向存储器的双总线结构微型计算机,四、简单工作过程,取指令、分析指令、执行指令,以一个简单程序执行过程为例，说明计算机是怎样工作的。程序功能： 5CH+2EH，如结果无溢出，将结果存放到

6、内存0200H单元后停机；如有溢出，则直接停机。,程序如下： ORG 1000H 对应机器码 1：MOV A，5CH ；B0H 5CH 2：ADD A，2EH ；04H 2EH 3：JO 100AH ；70H 0AH 4：MOV (0200H),A ; 10H A2H 00H 02H 5: HLT ; F4H,第三节 微型计算机中的先进计算机技术,一、中断技术,计算机暂停（或称为挂起）正在执行的程序转去处理随机事件，随机事件处理完毕后，再恢复执行原来的程序的过程称为中断。,二、流水线技术,流水线（Pipeline）技术是一种将一条指令的执行过程分解为多个步骤，并让几条指令的不同步骤操作在时间上重叠，从而实现几条指令并行处理，提高程序运行速度的技术。每一个步骤均由一个独立的电路来完成，若干个完成不同操作步骤的电路组成了指令流水线。,三、乱序执行技术,所谓乱序执行（Out of Order Execution）技术就是允许指令按照不同于程序中指定的顺序发送给执行部件，从而加速程序执行过程的一种最新技术。它本质上是按数据流驱动原理工作的（传统的计算机都是按指令流驱动原理工作的），根据操作数是

7、否准备好来决定一条指令是否立即执行。不能立即执行的指令先搁置一边，而把能立即执行的后续指令提前执行。,四、推测执行技术,推测执行技术（或称为预测执行技术）是为了充分发挥流水线与并行执行技术和分支超顺序执行技术而采取的一种先进计算机技术。,五、高速缓冲存储器技术,在32位微机中，为了加快处理速度，在CPU与主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器（Cache）。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的速度相当。CPU在取指令或取操作数时，首先看其是否在高速缓冲存储器中，不在时才访问主存储器。指令或操作数在高速缓冲存储器中时，称为“命中”，反之称为“未命中”。,六、虚拟存储器技术,虚拟存储器技术是一种通过硬件和软件结合扩大用户可用存储空间的技术。它在内存储器和外存储器（软盘、硬盘或光盘）之间增加一些的硬件和软件，使两者形成一个有机整体。,第四节 微型计算机的主要性能指标及典型 微型计算机,一、主要性能指标,字长,存储容量,运算速度,外设扩展能力,软件配置,指计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。,计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条

8、数来表示。由于不同类型的指令的执行时间不同，因而运算速度的计算方法也不同，,指微型计算机配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。,软件是计算机的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。,二、PC系列微机简介 （教材P15P17 自学）,三、PC486硬件特点 （教材P17P21 自学）,四、PC Pentium的硬件特点 （教材P21P22 自学）,第二章 Intel系列微处理器, 教学目标, 学习要求, 讲授内容,介绍微处理器的基本概念，80x86微处理器的体系结构、 工作方式及引脚功能。,通过本章的学习，要求掌握Intel80x86系列微处理器内部 结构的特点，工作方式及方式转换，常用引脚功能的特点。,第二章 Intel系列微处理器,第一节 Intel系列微处理器概述,第二节 80486微处理器的体系结构,第三节 Pentium微处理器的体系结构,一、80868088 微处理器,8086 是标准16位微处理器，内外数据总线都为16位；8088 是准16位微处理器，内数据总线为16位，外数据总线为8位。80868088 除了外数据位数及与此相关的部分逻

9、辑稍有不同外，内部结构和基本性能相同，指令系统完全兼容。,在80868088的设计中，引人了两个重要的概念： 指令流水线 存储器分段 这两个概念在以后升级的INTEL系列微处理器中一直被沿用和发展。正是这两个概念的引入，使80868088 与原来的8位微处理器相比，在运行速度、处理能力和对存储空间访问等性能方面有很大提高。,第一节 Intel系列微处理器概述,8086/8088内部结构示意图,总线接口单元BIU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器（IP）、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总线控制电路组成。它的主要作用是负责执行所有的“外部总线”操作，即当EU从指令队列中取走指令时，BIU即从内存中取出后续的指令代码放入队列中；当EU需要数据时，BIU根据EU输出的地址，从指定的内存单元或外设中取出数据供EU使用；当运算结束时，BIU将运算结果送给指定的内存单元或外设。,指令队列主要使8086/8088的EU和BIU并行工作，取指令操作、分析指令操作重叠进行，从而形成了两级指令流水线结构，减少了CPU为取指令而必须等待的时间，提高了CPU的利用率，加快了整机运行速度，也降低了对存储器存取速度的要求。,执行单元EU 由通用寄存器、运算数据寄存器、算术逻辑单元（ALU）及EU控制电路组成。它的主要作用是分析和执行指令，即EU控制电路从指令队列取出指令代码，经译码，发出相应的控制信号；数据在ALU中进行运算；运算过程及结果的某些特征保留在标志寄存器（EFLAGS）中。,段寄存器为8086/8088采用存储器分段管理提供了主要的硬件支持。8086/8088可寻址的存储器空间为1MB。通过分段管理，把1MB的物理存储空间分成若干逻辑段，每段最大为64KB。段的起始单元地址叫段基址。 存储器的分段方式不是唯一的，各段之间可以连续、分离、部分重叠和完全重叠。这主要取决于对各个段寄存器的预置内容。一个具体的存储单元的物理地址，可以属于一个逻辑段，也可以同属于几个逻辑段。 8086/8088的4个当前段分别称为：代码段、数据段、堆栈段、附加段,采用存储器分段管理后，存储器

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