知識就是力量。電子計算機是這種力量的放大器。而把人類知識予以擴大的機器也會把一切方面的力量予以擴大。

－－費根鮑姆（美）知識就是力量。電子計算機是這種力量的放大器。而

微型計算機原理鄭州大學物理工程學院

微型計算機原理課程內(nèi)容、地位、作用課程內(nèi)容、地位、作用第1章微型機系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識1·1微型機概述

1·2

微型機系統(tǒng)的組成1·3微機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1·4微處理器模型的組成1·5存儲器概述1·6微機的工作原理與程序執(zhí)行過程1·7微機中的幾個主要性能指標1·8微型機系統(tǒng)的配置1·9計算機的運算基礎(chǔ)第1章微型機系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識1·1微型機1

微型機概述

1.1.1微型機的發(fā)展簡史計算機（Computer）又稱電腦，是20世紀最重要的科技成果。計算機是一種能夠自動地、高速地、精確地進行信息處理的現(xiàn)代化電子設(shè)備，是一種幫助人類從事腦力勞動（包括記憶、計算、分析、判斷、設(shè)計、咨詢、診斷、決策、學習與創(chuàng)作等思維活動）的工具。1944年哈佛大學和IBM公司合作,在美國首次制造出了現(xiàn)代計算機的雛形——馬克Ⅰ。

1942年美國物理學家毛希利（John·Mauchely）提出了一個名曰“高速電子管計算裝置”的現(xiàn)代計算機制造方案。該機于1946年正式交付使用，取名ENIAC——電子數(shù)字積分機和計算機。1微型機概述

1.1.1微型機的發(fā)展簡史計算機（Co世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學設(shè)計制造的ENIAC1946年由美國賓夕法尼亞大學研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），裝有18,000個電子管，總重量達30噸，運算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2

，造價100萬美元。不過它還沒有引入CPU的概念馬克Ⅰ世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大計算機的發(fā)展

第一代電子計算機稱為電子管計算機。第二代計算機稱為晶體管計算機，其主要邏輯元件采用的是晶體管。第三代計算機的內(nèi)存儲器采用了半導體存儲器，可靠性和存取速度有了明顯的改善。第四代計算機以采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為標志。關(guān)于第五代計算機人們正在進行著多方面的探索。從計算機結(jié)構(gòu)及信息理論方面，“非馮結(jié)構(gòu)”（神經(jīng)網(wǎng)絡－－仿人腦的思維和記憶模型），更便于處理某些智能型問題。計算機的發(fā)展第一代電子計算機稱為電子管計算機。微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的微處理器的集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍

------摩爾定律GordonE.Moore，Intel公司的創(chuàng)始人之一

微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的GordonE.第一階段1971~1973：典型的微型機以Intel4004和Intel4040為基礎(chǔ)。微處理器和存儲器采用PMOS工藝，工作速度很慢。微處理器的指令系統(tǒng)不完整；存儲器的容量很小，只有幾百字節(jié)；沒有操作系統(tǒng)，只有匯編語言。主要用于工業(yè)儀表、過程控制或計算器中。第一階段1971~1973：典型的微型機以Intel400第二階段1974~1977：以8位微處理器為基礎(chǔ)，典型的微處理器有Intel8080/8085、Zilog公司的Z80及Motorola公司的6800。微處理器采用高密度MOS（HMOS）工藝，具有較完整的指令系統(tǒng)和較強的功能。存儲器容量達64KB，配有熒光屏顯示器、鍵盤、軟盤驅(qū)動器等設(shè)備，構(gòu)成了獨立的臺式計算機。配有簡單的操作系統(tǒng)（如CP/M）和高級語言。第二階段1974~1977：以8位微處理器為基礎(chǔ)，典型的微處4位、8位微處理器Intel4004Intel8008Intel80854位、8位微處理器Intel4004Intel8008Int第三階段1978~1981：以16位和準32位微處理器為基礎(chǔ)，如Intel公司的8086、Motorola的68000和Zilog的Z8000。微處理器采用短溝道高性能NMOS工藝。在體系結(jié)構(gòu)方面吸納了傳統(tǒng)小型機甚至大型機的設(shè)計思想，如虛擬存儲和存儲保護。第三階段1978~1981：以16位和準32位微處理器為基礎(chǔ)第四階段20世紀80年代：80年代初，IBM公司推出開放式的IBMPC，這是微型機發(fā)展史上的一個重要里程碑。IBMPC采用Intel80x86（當時為8086/8088、80286、80386）微處理器和Microsoft公司的MSDOS操作系統(tǒng)并公布了IBMPC的總線設(shè)計。第四階段20世紀80年代：80年代初，IBM公司推出開放式的Intel8086與Intel8088Intel8086與Intel8088Intel80286（1982年-1984年）采用1.5

m工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機IBMPC/AT，并制定了一個新的開放系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，這就是的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)（ISA）。該結(jié)構(gòu)提供了一個16位、高性能的I/O擴展總線。80年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。Intel80286Intel80286（1982年-1984年）Intel8080386的其他一些版本：80386SX，包含16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線，尋址空間為16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位數(shù)據(jù)總線和25位地址總線，尋址空間為32MB。由于這些微處理器由于與I/O之間傳輸為16位，故也稱為準32位微處理器。

80386（1985年-1988年）第一個實用的32位微處理器，采用了1.5

m工藝，集成了275,000個晶體管，工作頻率達到16MHz。80386的內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的。通過32位的地址總線，80386的可尋址空間達到4GB。這時由32位微處理器組成的微型計算機已經(jīng)達到超級小型機的水平。Intel8038680386的其他一些版本：80386SX，包含16位數(shù)據(jù)總線

80486（1989年-1992年）采用1

m工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為25MHz。80486微處理器由三個部件組成：一個80386體系結(jié)構(gòu)的主處理器，一個與80387相兼容的數(shù)學協(xié)處理器和一個8KB容量的高速緩沖存儲器。80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內(nèi)完成，而不是原來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司還生產(chǎn)過80486的其他一些版本：80486SX,工作頻率20MHz，不包含數(shù)學協(xié)處理器；80486DX2，采用雙倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達到66MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz；80486DX4，采用三倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達到100MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz。Intel8048680486（1989年-1992年）Intel第五階段20世紀90年代開始：RISC（精簡指令集計算機）技術(shù)的問世使微型機的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。第五階段20世紀90年代開始：RISC（精簡指令集計算機）技PentiumMMX（以P55C代稱1997年）增加了57條多媒體指令在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技術(shù)，可以說它是CISC和RISC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物第五代：Pentium

PentiumMMX（以P55C代稱1997年）增加了57

微型計算機的分類從不同的角度對微型機進行分類:4位微處理器1.單片機8位微處理器2.單板機16位微處理器3.個人計算機32位微處理器4.多用戶系統(tǒng)64位微處理器5.微型機網(wǎng)絡微型計算機的分類從不同的角度對微型機進行分類:微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

微處理器：運算器、控制器的合稱，指由大規(guī)模集成電路構(gòu)成的中央處理器。微型計算機(Microcomputer)：指以微處理器為基礎(chǔ)，配以內(nèi)存儲器以及輸入/輸出接口電路和相應的輔助電路而構(gòu)成的裸機。微型計算機系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)：指由微型計算機配以相應的外部設(shè)備（如打印機、顯示器、磁盤機、磁帶機和鍵盤等），足夠的軟件、電源、面板和機架而構(gòu)成的計算機系統(tǒng)。微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)微處理

微型計算機的系統(tǒng)組成運算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲器總線輸入輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機的系統(tǒng)組成運算器控制器1.2微型機系統(tǒng)的組成1.2.1硬件系統(tǒng)(見P6圖1.2)1.2.2軟件系統(tǒng)

操作系統(tǒng)

MS-DOS

匯編程序

MASM和LINK

文本編輯程序

EDIT.COM

調(diào)試程序

DEBUG.EXE1.2微型機系統(tǒng)的組成1.2.1硬件系統(tǒng)(1.3微機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)P9三大部分(CPU、存儲器、I/O）通過三總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）連接而成。微型機中有三股信息流：地址信息、數(shù)據(jù)信息、控制信息。單總線、雙總線、雙重總線。1.3微機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)P9三大部分(CPU、存儲1.4微處理器模型的組成微處理器由運算器、控制器、內(nèi)部寄存器陣列組成。1.4.1運算器(ALU)

進行算術(shù)運算、邏輯運算以及移位操作的器件。1.4.2控制器指令寄存器IR:存放從存儲器中取來將要執(zhí)行的指令。指令譯碼器ID:對指令進行譯碼。定時與控制電路：產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需的控制信號，每條指令對應控制信號的某種組合。1.4.3內(nèi)部寄存器—存放參加運算的數(shù)或地址、運算結(jié)果的狀態(tài)、微機的工作狀態(tài)。如：A、PC、F、數(shù)據(jù)寄存器等。1.4微處理器模型的組成微處理器由運算器、控制器、內(nèi)1.5存儲器概述1.5.1基本概念存儲器----微機中存儲程序、數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果）的部件。字節(jié)單元----8位二進制數(shù)為一個字節(jié)，一個存儲單元存儲一個字節(jié)。存儲容量----存儲單元的總數(shù)量。1.5存儲器概述1.5.1基本概念1.5.2存儲器組成譯碼器A5A4A3A2A1A03F0001MMNN存儲單元64個單元存儲單元的地址:由CPU發(fā)出,存儲單元的編號。存儲單元的內(nèi)容：存儲單元的存儲信息。地址內(nèi)容1.5.2存儲器組成譯碼器A53F0001MMNN存儲單1.5.3讀寫操作過程P13圖1.9讀操作過程：1.CPU經(jīng)地址總線發(fā)出地址信息，如04H，選中編號為04H的存儲單元。2.CPU發(fā)出讀控制信號，打開該存儲單元的相應的門電路。3.地址為04H的存儲單元的存儲內(nèi)容(信息)被送到數(shù)據(jù)總線上，進入CPU相應的寄存器，即讀入CPU。讀操作進行后，該單元的原內(nèi)容不變。1.5.3讀寫操作過程P13圖1.9

寫操作過程：1.CPU經(jīng)地址總線發(fā)出地址信息，如08H，選中地址為08H的存儲單元。2.CPU把數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容（如26H）送到數(shù)據(jù)總線上。3.CPU發(fā)出寫控制信號，打開相應的門電路，將數(shù)據(jù)總線上的信息寫入該存儲單元。寫操作進行后，該單元的原內(nèi)容被新寫入的數(shù)據(jù)代替，原內(nèi)容被沖掉。寫操作過程：1.6微機的工作原理與程序執(zhí)行過程1.6.1微機的工作原理馮?諾依曼型計算機:1.計算機中的數(shù)據(jù)和指令采用二進制數(shù)。2.存儲程序。3.程序控制。1.6.2程序執(zhí)行過程(P14)編寫計算3+2的程序B003MOVAL,03H;把立即數(shù)03送AL0402ADDAL,02H;將AL的內(nèi)容和02相加F4HLT;暫停1.6微機的工作原理與程序執(zhí)行過程1.6.1微機的工1.7微機中的幾個主要性能指標1.7.1主板的結(jié)構(gòu)與性能1.主板的結(jié)構(gòu)集中了微機的主要部件和接口，如CPU、存儲器（包括高速緩沖存儲器）、系統(tǒng)芯片組等。硬盤、光驅(qū)、軟驅(qū)通過總線接在主板上。鼠標、鍵盤等通過接口或擴充槽與主板相連接。系統(tǒng)芯片組：超大規(guī)模繼承電路，含并行接口、串行接口、定時器/計數(shù)器、DMA等。1.7微機中的幾個主要性能指標1.7.1主板的結(jié)構(gòu)與