微型计算机系统原理及应用 教学课件 ppt 作者 贺建民 第1章 微型计算机系统概述

1、第1章 微型计算机系统概述,1.1 微型计算机系统的基本概念 1.2 微型计算机系统的发展与应用 1.3 微型计算机系统的组成与结构 1.4 计算机中的数据表示,1.1 微型计算机系统的基本概念,世界上第一台实用的电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分计算机）诞生于1946年。,1.1 微型计算机系统的基本概念,1.1.1 微型计算机系统的三个层次 微处理器（Microprocessor）也称微处理机或CPU，是具有运算器和控制器功能的中央处理器，内部包含了算术逻辑部件、寄存器组和控制单元三个基本组成部分。 微型计算机（Microcomputer）以微处理器为核心，加上存储器系统、输入/输出（I/O）接口和系统总线等组成。 微型计算机系统（Microcomputer System）是以微型计算机为核心，配以相应的外围设备、辅助电路、电源，再加上系统软件和应用软件，构成一个完整的计算机系统，通过编制相应的程序，可用于解决特定的实际问题。,1.1 微型计算机系统的基本概念,1.1.2 微型计算机的分类

2、 微机产品种类繁多，可以从不同的角度对微机进行分类，用得比较多的两种分类方法是： 按照微处理器的字长分类：4位、8位、16位、32位和64位机 按微机的构成形式分类：单片机、单板机、系统机（或称多板机）,1.1 微型计算机系统的基本概念,1. 按微处理器的字长分类 微处理器性能（尤其是字长）在很大程度上决定了微机的性能。字长是指CPU能直接处理二进制数据的位数，它与CPU内部的寄存器、运算器的位数、数据总线的宽度等因素有关。 4位微型计算机 8位微型计算机 16位微型计算机 32位微型计算机 64位微型计算机,1.1 微型计算机系统的基本概念,2. 按微机的构成形式分类 单片机：将构成微型计算机的各个功能部件集成在同一块大规模集成电路芯片上，则一个芯片就是一台微型计算机，称为单片机。 单板机：将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的I/O设备装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台微型计算机，称为单板微型计算机，简称单板机。 系统机（多板机）：把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽

3、上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机，称为多板微型计算机（也称系统机）。,1.1 微型计算机系统的基本概念,1.1.3 微型计算机系统的主要性能指标 1. 字长 计算机中，存储信息的最小单位是二进制“位”（bit）。在计算机系统中进行信息的处理、存储或传送时，作为一个单元的一组二进制位的组合称为一个“字”（Word）。一个字中包含的二进制位数称为“字长” 。,1.1 微型计算机系统的基本概念,2. 存储器容量 存储器容量是指计算机中能够保存二进制信息的数量，最基本的单位是“字节”（Byte），1 Byte = 8 bit，常用一个大写字母“B”表示字节。 通常以MB、GB等作为衡量单位。,1.1 微型计算机系统的基本概念,3. 时钟频率与运算速度 计算机在执行指令时总是按照一个固定的节拍进行着，这个节拍是由一个标准的振荡器产生的，其振荡频率称为时钟频率。 运算速度可用每秒所能执行的指令条数来衡量，但由于不同的指令所需的时间不同，所以目前有三种计算执行速度的方法。 以特定指令为标准计算运算速度 测算统计平均值 直接给出每条指令的实际执行时间或主频,1.1 微型计

4、算机系统的基本概念,4. 外部设备的扩展能力 外设扩展能力主要是指微机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。 5. 软件的配置 软件是微机系统必不可少的重要组成部分。软件的配置是否齐全，直接关系到微机性能的好坏和效率的高低。,1.2 微型计算机系统的发展与应用,1.2.1 微型计算机的发展 第一代：4位及低档8位微处理器 第二代：中、高档8位微处理器 第三代：16位微处理器 第四代：32位微处理器 第五代：高档32位及64位微处理器,1.2 微型计算机系统的发展与应用,1.2.2 微型计算机的特点与应用 1. 微型计算机的特点 体积小、重量轻、功耗低 性能可靠 结构灵活，适应性强 性能价格比高,1.2 微型计算机系统的发展与应用,2. 微型计算机的应用 科学技术计算 数据信息处理 工业过程控制 计算机辅助技术 人工智能,1.3 微型计算机系统的组成与结构,1.3.1 微型计算机系统的硬件组成 计算机硬件（Hardware）是指计算机中的电子线路和物理装置的总称，它们是计算机工作的物质基础。,以存储器为中心的计算机硬件系统结构框图,1.3 微型计算机系统的组成与结构,微型计算机系

5、统的硬件组成： 在微型计算机中，通常是将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理器CPU 将CPU、主存储器以及连接输入/输出设备的接口（不包括实际的输入/输出设备）组装在一块主板上，合称为主机 在微机系统中，为了连接方便和便于进行功能扩充，是通过三组总线将各功能部件连接起来的,1.3 微型计算机系统的组成与结构,微型计算机系统的硬件组成,1.3 微型计算机系统的组成与结构,1.3.2 微型计算机系统的软件组成 计算机软件（Software）是指计算机程序以及有关程序的技术文档资料 软件与硬件是相互依存的关系。软件的运行依赖于硬件提供的物质基础，硬件只有在软件的配合下才能有效地工作,1.3 微型计算机系统的组成与结构,软件按其功能可以划分为系统软件和应用软件两大类 系统软件是指管理、监控、维护计算机正常工作和供用户操作、使用计算机的软件。主要包括以下两类： 面向计算机本身的软件，如操作系统、诊断程序等； 面向用户的软件，如各种语言处理程序（C，Pascal，Delphi等）、标准库程序、各种服务性程序等。 应用软件是指为解决某种具体应用问题而编制的程序,1.3 微型计算机系统的组成

6、与结构,1.3.3 Intel 8086微处理器的结构 Intel 8086 CPU有16根数据线和20根地址线，内部总线和ALU都是16位，可寻址的内存空间为1MB。 Intel 8088 CPU是一种准16位的微处理器，其内部主要结构与8086 CPU相同，内部数据总线及运算器字长都是16位，但外部数据总线只有8位。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,1. 8086 CPU的内部结构 8086 CPU的内部结构分为两个部件，执行单元EU和总线接口单元BIU。 （1）执行单元EU EU的功能是负责执行指令，即负责全部指令的译码和执行，同时管理CPU内部的有关寄存器。 EU由一个16位的算术逻辑单元（ALU）、16位的标志寄存器、8个16位的通用寄存器，以及数据暂存器和EU控制器等组成。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU是16位的运算器，可进行8位或16位的二进制算术运算或逻辑运算，运算结果可通过片内数据总线送到通用寄存器或标志寄存器，也可经总线接口单元BIU写入存储器。16位的暂存器用来暂存参加起算的操作数。,1.3 微型计算机系统的组成与

7、结构,标志寄存器 标志寄存器也叫程序状态字（Program State Word，PSW）寄存器，简称状态寄存器。其作用是用来存放ALU运算后的结果特征或计算机的当前运行状态。标志寄存器字长16位，目前实际使用了9位。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,通用寄存器组 通用寄存器组包含8个寄存器，每个都是16位，其中有4个数据寄存器（即AX、BX、CX、DX）既可以进行16位的字操作，也可以将每个寄存器拆开为两个8位的寄存器进行字节操作。这些寄存器主要用以存储各种数据，也可以用来存储各种寻址方式下的偏移地址。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,（2）总线接口单元BIU 总线接口单元BIU负责CPU对外的联络任务，CPU与存储器以及各种外设的通信都是由BIU完成的。 BIU提供了16位双向数据总线、20位地址总线和若干条控制总线。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,总线接口单元BIU主要由以下部件构成： 4个段寄存器（CS、DS、SS、ES）、1个指令指针寄存器（IP）、1个与EU通信的内部寄存器（暂存器）。 长度为6个字节的指令队列（8088 CPU的指令队列为4个字节）。 用于计

8、算20位物理地址的地址加法器。 总线控制逻辑。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,物理地址形成 20位物理地址是由专门的地址加法器将有关段寄存器内容（段的起始地址）左移4位后，与16位的偏移地址相加而形成的。 在取指令时，由16位指令指针寄存器（IP）提供一个偏移地址（逻辑地址），将代码段寄存器（CS）的内容左移4位后，在地址加法器中将上述两项内容相加，从而形成20位物理地址。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,2. 8086 CPU的寄存器结构 8086微处理器内部具有14个16位的内部寄存器，按功能不同可分为3组。 通用寄存器组 段寄存器组 控制寄存器组,1.3 微型计算机系统的组成与结构,（1）通用寄存器组 通用寄存器组包括两组不同类型的寄存器：数据寄存器、指针和变址寄存器。 4个数据寄存器是AX、BX、CX和DX，它们每个都是16位，而且都可以拆成两个8位寄存器使用，分别用H和L表示一个字寄存器中的高、低字节寄存器。 4个16位寄存器分别是堆栈指针SP、基址指针BP、源变址指针SI和目的变址指针DI。它们可以用来暂存数据，但主要用途是在对存储器访问时提供段内偏移地址。,1.

9、3 微型计算机系统的组成与结构,数据寄存器的特殊用途： AX（累加器）：一般用来存放参加运算的数据和结果，在乘除法运算、I/O操作、BCD数运算中有不可替代的作用。 BX（基址寄存器）：除了可以作为数据寄存器外，还可存放内存的逻辑偏移地址，而AX、CX、DX则不能。 CX（计数寄存器）：既可以作为一般的数据寄存器使用，又可以在串指令和移位指令中作为计数器使用。 DX（数据寄存器）：除了可以作为通用数据寄存器外，还在乘除法运算、带符号数的扩展指令中有特殊用途。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,SP（Stack Pointer，堆栈指针）：用于存放堆栈栈顶的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在堆栈段寄存器SS中）。 BP（Base Pointer，基址指针）：用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在堆栈段寄存器SS中）。 SI（Source Index，源变址寄存器）：多用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在数据段寄存器DS中），也可存放数据。 DI（Destination Index，目标变址寄存器）：多用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在数据段寄存器DS中），也

10、可存放数据。,1.3 微型计算机系统的组成与结构,（2）段寄存器组 总线接口单元BIU中设置了4个16位的段寄存器。 CS（Code Segment，代码段寄存器）：存放程序代码段起始地址的高16位。 DS（Data Segment，数据段寄存器）：存放数据段起始地址的高16位。 SS（Stack Segment，堆栈段寄存器）：存放堆栈段起始地址的高16位。 ES（Extended Segment，扩展段寄存器）：存放扩展数据段起始地址的高16位,1.3 微型计算机系统的组成与结构,【例】某指令在代码段内的偏移地址为0100H，当前代码段寄存器CS的值是2000H，则该指令在主存储器中的物理地址PA为： PA = (CS)左移4位 + (IP) = 20000H + 0100H = 20100H,1.3 微型计算机系统的组成与结构,（3）控制寄存器组 包括指令指针IP和标志寄存器Flag。 指令指针寄存器（IP）的作用是用来存放下一条要执行的指令在当前代码段中的偏移地址。 标志寄存器也是一个16位寄存器，目前使用的有效位有9位，其中6位为条件码标志（OF、SF、ZF、AF、PF、CF

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