微机原理刘兆瑜版.docx

1、微机原理刘兆瑜版微机原理绪论： 1. 计算机的发展：计算机的发展概况 1946年，第一台计算机在美国诞生，至今已有近60年的历史。60年来，计算机经历了迅猛的发展，得到了广泛的普及， 对整个社会的进步和科学的发展产生了极其深远的影响。在此期间，计算机经历了电子管计算机时代、晶体管计算机时代、 集成电路计算机时代、大规模及超大规模集成电路计算机时代。 计算机的功能已经从早期的数值计算、 数据处理发展到可以进行知识处理的人工智能阶段，不仅可以处理文字、 字符、 图形图像信息，而且可以处理音频、视频信息，形成了智能化的多媒体计算机。 在推动计算机技术发展的诸多因素中，除了计算机的系统结构和计算机的软

2、件技术发展起到了重要的作用之外，电子技术特别是微电子技术的发展也起到了决定性的作用。 20世纪70年代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器（CPU）电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片， 称为微处理器（MPU）。 微处理器的出现，开创了微型计算机的新时代。以微处理器为核心，再配上半导体存储器（RAM、ROM）、输入/输出接口电路（I/O接口电路）、系统总线以及其他支持逻辑，这样组成的计算机称为微型计算机。微型计算机的出现，是计算机技术发展史上的一个新的里程碑，为计算机技术的发展和普及开辟了崭新的途径。 第一代，电子管；第二代，晶体管第四代，大和超大规模集成电路；（巨型机

3、，微型机）第五代，非冯.诺依曼；第六代，人工智能； 第一代（19711973年）是4位微处理器和低档8位微处理器时代。 在这一时期，典型的产品有Intel 4004、 Intel 8008。 其中Intel 8008是第一个8位通用微处理器，以4004、8008为CPU构成的微型计算机分别是MCC-4和MCS-8。 第一代微处理器的特点是：芯片采用PMOS工艺，集成度仅为2000只晶体管/片， 主时钟频率为1 MHz，平均指令执行时间为120 s，指令系统简单，运算功能单一，只能进行串行十进制运算。采用机器语言编程，价格低廉，使用方便，主要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域。

4、 第二代（19731978年）是成熟的8位微处理器时代。 1973年Intel公司推出了性能更好的8位微处理器8080。它的出现加速了微处理器和微型计算机的发展。这时，很多公司对微处理器产生了极大的兴趣，纷纷加入这一行业。从此，微处理器和微型计算机像雨后春笋般蓬勃发展起来，先后推出了一批性能优良的8位微处理器产品，如Motorola公司的MC6800，Zilog公司的Z-80，Intel公司的8085等。这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，微处理器的生产普遍采用NMOS工艺， 集成度已高达9000管/片，性能有明显的改进，主时钟频率为24 MHz， 平均指令执行时间为12 s，指令

5、系统较为完善。这一时期推出的微型计算机在系统结构上已具有典型的计算机体系结构以及中断、 DMA等控制功能，在系统设计上考虑了机器间的兼容性， 接口的标准化和通用性；外围配套电路种类齐全，功能完善。在系统软件方面， 除可使用汇编语言外，还配有高级语言和操作系统，广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域。 第三代（19781983年）是16位微处理器时代。 20世纪70年代后期，超大规模集成电路的成熟，进一步推动了微处理器和微型计算机生产技术向更高层次发展。1978年，Intel公司率先推出了新一代16位微处理器8086。随后，Intel公司的8086/8088，Motorola公司

6、的MC68000和Zilog公司的Z-8000， 这些高性能的16位微处理器成为当时国内外市场上流行的典型产品，集成度高达29 000管/片。其中，MC68000集成了68000个元件，采用HMOS高密度制造工艺技术，时钟频率为 510 MHz ， 平均指令执行时间为0.5 s，数据总线宽度为16位，地址线为20位，最大可寻址空间为1 MB， 具有丰富的指令系统，CPU内部结构有很大改进，如Intel 8086/8088内部采用流水线结构，设置了指令预取队列，使处理速度大大提高。 在软件方面使用多种高级语言，有完善的操作系统，支持构成多处理器系统。 总之，以这些高性能的16位微处理器为CPU构

7、成的微型机的性能指标已达到和超过了当时的中档小型机的水平，传统的小型机受到严峻的挑战，激烈的竞争又促使微型计算机技术以更快的速度发展，特别是1982年，Intel公司推出了16位微处理器中的高档芯片80286，它具有多任务系统所必须的任务切换功能、存储器管理功能和多种保护功能，支持虚拟存储体系结构， 地址总线从20位增加到24位，存储器直接寻址空间达到16 MB，时钟频率提高到510 MHz。 从20世纪80年代中、后期到90年代初，80286一直是个人计算机IBM PC/AT机的主流型CPU。 同期的产品还有Motorola的MC68010。 第四代（19831993年）是32位微处理器时代

8、。这一时期的典型产品有Zilog公司推出的Z-80000, Motorola公司推出的MC68020, Intel公司推出的80386、 80486, Motorola公司推出的68040等。其中，Intel公司推出的与8086向上兼容的80386具有32位数据总线和32位地址总线，存储器寻址空间可达到4 GB，时钟频率达到1633 MHz， 平均指令执行时间0.1 s， 运算速度达到300400万条每秒，CPU内部采用6级流水线结构，使取指令、译码、内存管理、执行指令和总线访问并行操作。使用二级存储器管理方式， 支持带有存储器保护的虚拟存储机制， 虚拟存储空间高达264 B。 随着集成电路工

9、艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出了性能更高的32位微处理器80486，其集成度约120万管/片，是80386的4倍。80486 CPU内除了含有一个80386体系结构的主处理器外，还增加了一个与80387兼容的片内数字协处理器和一个8 KB容量的片内高速缓存（即一级Cache），内部数据总线宽度可为32位、64位和128位，分别用于不同单元间的数据交换。 80486还采用了RISC（即精简指令集计算机）技术和突发（Burst）总线技术， 缩短了每条指令的执行时间， 在相同频率下，80486的处理速度一般要比80386快23倍。同期推出的高性能32位微处理器产品还有MC680

10、40和V80等。由这些高性能32位微处理器为CPU构成的微型机的性能指标已达到或超过当时的高档小型机甚至大型机的水平，被称为高档超级微型机。第五代（1993年至今）是Intel推出的Pentium微处理器（简称P5或586）。Pentium微处理器的推出，使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段，标志着微处理器完成从CISC向RISC时代的过渡，也标志着微处理器向工作站和超级小型机冲击的开始。 作为Intel系列微处理器的新成员，Pentium不仅继承了其前辈的所有优点， 而且许多方面都有新的突破。它采用亚微米（0.8 m）CMOS工艺技术，集成度为310万管/片，数据总线64位， 地址总线36

11、位，CPU内部采用超标量流水线设计，有U、V两条流水线并行工作，使Pentium在单个时钟内执行两条整数指令； Pentium片内采用双Cache结构（指令Cache和数据Cache），每个Cache容量为8 KB，数据宽度为32位，数据Cache采用回写技术， 大大节省了处理时间； Pentium处理器为了提高浮点运算速度，采用8级流水线和部分指令固化技术； 片内设置分支目标缓冲器（BTB），可动态预测分支程序的指令流向，节省了CPU判断分支的时间，大大提高了处理速度。Pentium系列处理器有多种工作频率，最低为60 MHz，工作在60 MHz和66 MHz时, 其速度分别可达1亿次/秒和

12、1.116亿次/秒。尽管如此，它已作为经典的Pentium被淘汰。1996年，Intel公司正式公布其高档Pentium产品Pentium PRO，该处理器采用0.35 m工艺， 片内集成有550万个晶体管， 具有8 KB指令和8 KB数据的一级Cache， 256 KB的二级Cache，它在CISC/RISC中混合使用，程序执行等方面都有新的特点，时钟频率为200 MHz， 运算速度高达2亿次/秒。同期的产品还有AMD公司的K5， IBM、 Apple、 Motorola三家联合推出的PowerPC继Pentium PRO之后，Intel公司又推出了Pentium 、 Pentium 、 P

13、entium等微处理器的极品，成为PC机的主流CPU。 随着LSI和VLSI技术的进一步发展， 微处理器的集成度越来越高，芯片功能越来越强。从微型机总的发展情况看，为了使微处理器获得高性能， 一方面提高集成度； 另一方面在系统设计上追求综合性能的提高，更加全面地采用中、 大型计算机体系结构中的先进技术，如流水线技术、高速缓存技术、虚拟存储管理技术、RISC技术、并行处理技术，更好地支持多处理器运行环境、 多媒体技术和计算机网络应用等。 计算机的分类 如今，微处理器和微型计算机的种类繁多、功能各异, 人们可以从不同角度对其进行归纳分类，如按照微型机的组装形式、 应用范围、微处理器制造工艺或性能等

14、来分类。通常，人们习惯按照微处理器的字长和按照微型机的组装形式这两种情况对微型机进行分类。 微处理器的字长也就是微型机的字长，字长是最能反映机器性能的技术指标之一。微处理器按照字长分类，一般可分为4位、8位、16位、32位和64位机等几种。 4位机目前多做成单片机形式，即在一个芯片上集成有4位的微处理器（CPU）、 14 KB 的ROM、64256 B的RAM以及I/O接口和时钟发生器等。 由于4位机的运算能力弱，存储能力小，无软件开发功能，但它价格低廉，使用方便，所以广泛应用于各类袖珍或台式计算机、家用电器、娱乐产品或简单过程控制。 8位微处理器推出时，微型计算机技术已经相当成熟，因此， 由

15、8位微处理器为CPU构成的8位微型机系统有较强的通用性， 指令系统完善，已具有典型计算机体系结构以及中断、DMA等控制功能，考虑了机器间的兼容性，接口的标准化，有较为齐备的外围配套电路，这些因素使得8位微型机广泛应用于工业自动控制、事物管理、通信、教育、仪器仪表、家电等领域。特别是8位单片机已经广泛应用于汽车、电子等行业和智能终端产品中。 20世纪70年代后期推出的16位微处理器不仅在集成度、运行速度、数据总线宽度等主要指标方面比8位机高得多，而且在体系结构、处理方法、功能和软件配备等方面都有质的改进。典型的产品有Intel 8086/8088，MC68000，Z-8000，特别是以Intel

16、 8088、80286为CPU构成的微型计算机IBM PC/XT和PC/AT机型曾在相当长的一段时间内是世界上最流行的个人计算机， 以至后续推出的高档微处理器都保持对其兼容。它们在功能和性能上已达到了20世纪70年代中档小型机的水平，广泛应用于科学计算、实时数据处理、分布式计算机控制、企业管理、网络和多处理机系统等 如果将微型计算机按照其组装形式来分，可将其分为单片机、单板机和多板微型计算机。 单片机就是在一块半导体硅芯片上集成有CPU、小容量ROM、RAM、I/O接口以及时钟发生器等，一块芯片就是一台完整的计算机。单片机以其体积小、功耗低、指令系统简单、可靠性高、性能价格比高等优点，被广泛应

17、用于汽车、家电、工业过程控制、 智能仪器仪表等领域，可以方便地构成控制系统， 特别是高性能的单片机字长可达32位，片内带有A/D、D/A转换器， ROM容量可达32 KB。 单板机就是将微处理器、 存储器（ROM、 RAM）、 I/O接口芯片和简单的输入、输出设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中）， 就构成了一台单板计算机，简称单板机。 它具有完全独立的微型计算机操作功能，但是，由于I/O设备简单，系统软件少，只能用机器语言编程，通常用于简单控制场合。 多板微型计算机也叫系统机。它是根据系统要求把微处理器、存储器（ROM、 RAM）芯片、I/O接

18、口电路和总线接口等组装在一块主机板上，再通过系统总线和各种外设的适配器和适配卡连接键盘、打印机、显示器、软/硬盘驱动器、光驱，并配置上电源。将主机板、电源、软/硬盘驱动器等安装在同一机箱内，将各种适配器/适配卡插在总线扩展槽上，通过总线相互连接，就构成了一台多板微型计算机， 再配上足够的系统软件， 就构成一台完整的微型计算机系统。目前人们广泛使用的个人计算机（PC机）都是多板微型计算机。 多板微型机一般功能强、通用性好、组装灵活，选择不同的插件（功能部件适配卡）便可构成不同功能和要求的微型计算机系统或升级为高一档微机。 2. 微型机的发展CPU基本符合摩尔定律发展（每18个月CPU内集成的晶体

19、管数翻一番。）第一代，4或抵挡8位微处理器。时钟频率：1MHz；第二代，8位微处理器。时钟频率：24MHz；第三代（8086）理器。线宽采用3m工艺 工作频率：4.77MHz，寄存器和数据总线均为16位，地址总线20位，寻址空间1MB，采用流水线结构，并有6字节指令预取队列。第四代，32位微处理器，1.5m工艺，时钟频率16MHz，内部寄存器，数据总线，地址总线，都是32位，寻址空间4GB；第五代，64位微处理器（pentium/80586）pentium1.（P5）0.8m，工作频率：6066MHz有2条流水线，pentium2（P54C）0.6m工艺，工作频率：90100MHz；penti

20、um3（P55C）增加了57条多媒体指令在在体系结构上，在内核中采用了，RISC技术，是CASC和RISC结合的产物，第六代，pentium Pro（高能奔腾）采用0.60.13m工艺，时钟频率：166MHz2.8GHz采用2级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个周期可执行3条指令，（创新：1.cache集成到封装内，2.无序行技术）pentium具有MMX技术的pentium pro微处理器，从P5内核向P6转向。Pentium基于P6内核，具有MMX技术，提供数据流SIMD(SSE)扩展指令。进一步支持多媒体信息处理，由于采用先进的半导体工艺技术，工作频率在1000MHz以上，前沿总线频率

21、为100MHz或133MHz。Pentium采用全新的Net.Burst的微结构，20级的超长流水线，跟先进的动态执行技术，双倍速ALU部件，SSE2指令集，微型计算机的基本结构及工作原理1. 计算机基本组成 1946年，在美籍匈牙利数学家冯诺依曼领导的研制小组提出的计算机设计方案中，明确了计算机的五大基本组成，即运算器、 逻辑控制装置（控制器）、存储器、输入和输出设备， 并描述了五部分职能关系及基于存储程序的基本工作原理。 图为计算机基本组成框图。1) 存储器 存储器是用来存放数据和程序的部件，其基本功能是按要求向指定的位置写入或取出代码信息。 存储器采用按地址存取的工作方式，它由许多存储单

22、元组成， 每一个存储单元可以存放一个数据代码，为了区分不同的存储单元，把全部存储单元按照一定的顺序编号，这个编号就称为存储单元的地址。当计算机要把一个数据代码存入某存储单元， 或从某存储单元中取出时，首先要提供该存储单元的地址，然后查找相应的存储单元， 查到后，才能进行数据的存取。因此，能存储大量信息的存储体是存储器的核心。 存储器的工作就是在运算之前，接收外界送来的程序和数据； 在运算过程中，向计算机提供指令和数据信息，保存中间结果； 运算结束后，保存运算结果。 2) 运算器 运算器是对信息进行加工、运算的部件，具体就是执行二进制代码的基本逻辑运算和算术运算。运算器的运算能力并不高，但计算机

23、运算速度快得惊人，它是用高速度赢得了出色的工作能力。 运算器的核心部件是加法器。运算过程中，它在控制器控制下，从存储器中取数，进行运算后，将结果暂存或送到存储器保存。 2) 运算器 运算器是对信息进行加工、运算的部件，具体就是执行二进制代码的基本逻辑运算和算术运算。运算器的运算能力并不高，但计算机运算速度快得惊人，它是用高速度赢得了出色的工作能力。 运算器的核心部件是加法器。运算过程中，它在控制器控制下，从存储器中取数，进行运算后，将结果暂存或送到存储器保存。 3) 控制器 控制器是整个机器的控制中心，存储器进行信息的存取， 运算器进行各种运算，信息的输入和输出都是在控制器的控制下进行的。 控

24、制器的指挥工作是通过程序进行的。程序中安排好计算机工作的顺序，对可能遇到的各种情况进行处理。运算前，程序被送到存储器保存起来。 开始运算后，控制器便自动地到存储器中按顺序逐条取出指令，经过分析后，按指令的要求， 向各部件发出执行指令的控制信号， 执行指令中规定的操作。 在控制器工作过程中，还要接收执行部件的反馈信息， 例如运算器送来的运算结果、状态等。这些反馈信息为控制器判断下一步如何工作提供了依据。 因此，控制器的工作就是根据存储器中存储的程序，周而复始地取指令、分析指令、执行指令，向运算器、存储器、输入/输出设备发出控制命令， 控制计算机工作。 4) 输入设备 人们编写好的程序是经过输入设

25、备送到计算机中去的。输入设备要将程序和数据转换为计算机能识别和接受的信息，如电信号等。 目前常用的输入设备是键盘和鼠标。 5) 输出设备 输出设备是把运算器中信息处理结果转换成人们所需要的易于理解、阅读的形式。例如在显示终端屏幕上显示或用打印机打印在纸上。2. 微型机的工作原理 1) 微处理器CPU的一般结构 要了解微型机的工作原理，首先要讨论微处理器的结构。 CPU是组成微机系统的核心部件，它具有运算和控制的功能， 具体有： 进行算术和逻辑运算， 执行数据处理。 可暂存数据。 实现程序控制，即可取指令，对寄存器存取，译码分析并执行指令所规定的操作，还要能提供整个系统所需要的定时和控制信号及响

26、应设备发出的中断请求。 尽管各种微处理器的内部结构不尽相同，但为了实现上述基本功能要求，典型的CPU结构均由控制器、工作寄存器、算术逻辑单元和I/O控制逻辑组成。 算术逻辑运算单元是微处理器的核心，所有的算术运算、 逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的，ALU在控制信号控制下，完成不同的操作，ALU输出经内部总线送工作寄存器接收或输出到外部数据总线上。控制器是CPU的指挥机构，实现指令的取出、寄存、译码和执行。控制器为实现取指令，要设计程序计数器PC和指令寄存器IR。PC中存放即将执行的指令地址，提供给存储器取出该条指令。由于程序中指令是顺序存放的，故当出现程序转移时， 就必须改变PC的内容。

27、指令寄存器IR用于保存从存储器中取出的当前要执行的指令。分析指令是由指令译码器ID完成的，ID发出相应译码输出，使控制逻辑部件产生相应的控制信号去完成指令相应操作，执行指令。为判断指令执行情况，了解数据处理有关结果，程序状态字寄存器（PSW）暂存处理器程序执行的当前状态，例如指示运算结果是否为0，是否溢出，是否进（借）位，或结果为正还是负等。该寄存器在许多微型机中称为状态字寄存器。 2) 微处理器工作的 基本过程 从图中看出，CPU加电工作后，程序计数器PC被置入程序的首条指令地址(这是硬件设计保证）。PC中的地址送到CPU地址总线上，发动相应控制信号启动主存读，取出该单元内容，即首条指令，送

28、入指令寄存器。然后通过指令译码器进行译码分析后， 就可确定指令长度（以字节为单位），对多字节指令分几次取入，PC内容增加相应值，然后由控制逻辑执行指令， 若不是转移指令，则重复上述过程，取下条指令执行； 若遇到转移指令，则转移地址取代PC中的内容，从转移的目标地址开始执行新的指令序列。 对条件转移必须检查处理器当前状态是否满足转移条件，当前状态由前面一条指令执行的结果决定， 状态标志组成程序状态字，记作PSW，存放在处理机状态字寄存器中，如状态条件满足转移条件，则实行条件转移，将转移地址置入PC， 从所转移的目标地址执行新指令序列。 1 微型计算机系统硬件 所谓硬件， 是指组成计算机的物理实体

29、。对微型计算机系统来说，硬件包括主机箱及其内部电子线路、 键盘、 CRT显示器、打印机等。按逻辑功能将内部部件分为微处理器CPU、存储器（主存、 辅存）、 I/O接口及I/O设备。 信息传送由总线和总线控制部件实现。 在当前的微机系统中， 通常采用的组织方法如下：把微处理器、总线控制逻辑、定时逻辑、部分存储器等构成基本系统所必要的逻辑组装在一块较大的印刷电路板上。该印刷电路板称为系统板或主机板，它固定在机箱内。系统板上还装有多个多接点的长形插座（IBM-PC机的插座有62个接点）， 每个插座都可以插入另一块印刷电路板与系统板垂直。所谓系统级总线就是系统板上接到这些插座接点上的全部信号线。各插座

30、是并联的，各插座上信号线的排列是相同的。构成完整的微机系统所包括的外部设备，如显示器、打印机、磁盘存储器等接口逻辑和扩充容量的存储器， 都装在印刷电路板（小插板）上，插入主板插座内，然后通过系统级总线与主机板相接。 任何新增加的外部设备，只要遵照插座接点的信号约定（总线标准）设计接口的电路，均可“挂”在总线上成为微机系统硬件的一部分，硬件配置比较灵活，可以适用于许多应用领域的不同要求， 图是系统硬件配置的简单概括。 2 微型计算机系统软件 1) 软件概述 软件，尚无严密而确切的定义，一般认为软件是指程序和有关的数据和文档。 当代计算机离开软件，则成为无实用价值的裸机，因此软件和硬件一样成为计算

31、机系统不可缺少的部分， 并与硬件一样影响着计算机的功能。 软件按其功能可分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件是对整个计算机系统的硬件、软件资源进行调度管理和服务， 为用户使用机器提供方便，扩大机器功能和提高机器使用效率的各种程序。 系统软件一般由计算机厂商提供。 而应用软件则是计算机用户在各自应用领域中为解决特定问题的需要而设计或购买的程序。目前应用软件可分为解决某一特定问题的专用程序以及把专用程序分析其规律和相同部分，使之成为具有一定通用性的应用软件。 通用应用软件也可商品化，随机器提供给用户。 随着计算机的发展， 系统软件配置越来越丰富， 按其用途可分为三种类型： 对计算机进行管理操作

32、的软件， 主要有操作系统及一些管理程序。 用于进行计算机维护操作的软件，例如故障诊断程序， 自动纠错程序， 测试及调试程序等。 为用户提供服务的程序。语言处理程序是最早出现的软件。程序设计语言是人机交互的工具，由于面向机器的语言（机器语言、 汇编语言）无法脱离对机器硬件的依赖，而且程序本身编制麻烦，难以阅读和交流。故从20世纪50年代中期开始， 人们便开始研制各种面向过程的高级程序设计语言，如FORTRAN、BASIC、PASCAL等，至今已经形成数百种计算机语言系统。 为实现将这些语言编制的源程序转换为机器能理解的二进制机器语言程序，就必须为计算机配置各种“翻译”程序， 这就是各种语言处理系统软件。通常厂商配置各种语言的翻译程序，由用户选购。 即使使用比较容易记忆的面向机器的汇编语言，