1.1概述世界上第一臺電子計算機誕生于1946年2月15日，它是美國賓夕法尼亞大學莫爾學院電機系莫克利(J.?Mauchly)教授及其同事們研制成功的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，電子數(shù)值積分和計算機)。ENIAC采用十進制運算，電路結構十分復雜，使用18?000多個電子管，運行時耗電量達150?kW，體積龐大，有85立方米，占地面積150平方米，重30噸。它只能存儲750條指令，每秒鐘只能進行360次乘法運算，價值40多萬美元。ENIAC的出現(xiàn)標志著人類的計算工具進入了一個新的時代，是人類文明發(fā)展史中的一個里程碑。從第一臺電子計算機問世至今，不過60多年的歷史。然而它發(fā)展之迅速，普及之廣泛，對整個人類社會和科學技術影響之深遠，是任何其他學科所不及的。60多年來，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(VLSI)計算機的發(fā)展歷程，運算速度達每秒數(shù)百億次甚至數(shù)千億次的巨型機也已投入運行。計算機已從早期的數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理發(fā)展到目前的進行知識處理的人工智能階段，不僅可以處理文字、字符、圖形圖像信息，而且可以處理音頻、視頻信息，它正向智能和多媒體計算機方向發(fā)展。微型計算機由微處理器、存儲器、輸入/輸出設備與接口和其他支持邏輯部件組成，完全包含了馮·諾依曼計算機體系結構中的五個部件，它們彼此通過系統(tǒng)總線(地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB)連接起來。將微型計算機配置相應的系統(tǒng)軟件、應用軟件及外部設備等，則可構成一個完整的微型計算機系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)。微型計算機的出現(xiàn)，為計算機技術的發(fā)展和普及開辟了嶄新的途徑，是計算機科學技術發(fā)展史上的又一個新的里程碑。

本書以典型的CPU8086作為研究學習對象。CPU8086是一個標準的16位CPU，與32位CPU的代表80386是一脈相承的，也是學習高檔微型計算機386、486、Pentium(中文譯名為奔騰)、PⅡ(奔騰二代)無法逾越的臺階。1.2微型計算機分類微型計算機可以從不同的角度進行分類，按微處理器的位數(shù)，可分為1位、4位、8位、16位、32位和64位機等；按功能和結構，可分為單片機和多片機；按組裝方式，可分為單板機和多板機。利用大規(guī)模集成電路工藝將微型計算機的三大組成部分?——?CPU、內(nèi)存和I/O接口集成在一片硅片上，這就是單片機(Single-ChipComputer)。使用專用開發(fā)裝置可以對它進行在線開發(fā)。單片機在工業(yè)過程控制、智能化儀器儀表和家用電器中得到廣泛的應用。若將微型計算機的CPU、內(nèi)存和I/O接口電路安裝在一塊印制電路板上就組成了單板機。單板機結構簡單，價格低廉，性能較好，經(jīng)過開發(fā)后，可用于過程控制、各種儀器儀表、單機控制、數(shù)據(jù)處理等。

多板機由主板及插在主板上的多個電路板(如：顯示卡、聲卡、多功能卡、網(wǎng)卡等)組成，微型計算機就是多板機。1.3微型計算機的系統(tǒng)目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復雜的個人計算機系統(tǒng)，從概念結構上來說都是由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出設備等幾個部分組成的。但在具體實現(xiàn)上，這些組成部分往往又合并或分解為若干個功能模塊，分別由不同的部件予以實現(xiàn)。從系統(tǒng)的組成上看，一個微型計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。1.3.1硬件系統(tǒng)

微型計算機的硬件主要由微處理器(CPU)、存儲器、I/O設備和I/O接口組成，各組成部分之間通過地址總線(AB，AddressBus)、數(shù)據(jù)總線(DB，DataBus)、控制總線(CB，ControlBus)連接在一起。AB、DB和CB這三者統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線，如圖1-1所示。圖1-1微型計算機的總線結構

1．微處理器

微處理器(CPU)是微型計算機的核心部件，它的性能在很大程度上決定了微型計算機的性能。

2．存儲器

存儲器(Memory)用來存放程序指令、處理數(shù)據(jù)和運算結果及各種需要計算機保存的信息(統(tǒng)稱為信息)。存儲器分為隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。隨機存儲器(RAM)中的內(nèi)容可以讀出，也可以寫入，所以也稱為讀/寫存儲器。它里面存放的信息會因斷電而消失，因此又叫做易失性存儲器。只讀存儲器(ROM)是一種一旦寫入信息之后，就只能讀出而不能改寫的固定存儲器。斷電后，ROM中存儲的信息仍保留不變，所以，ROM是非易失性存儲器。

3．I/O設備和I/O接口

I/O設備是指微型計算機上配備的輸入/輸出設備(稱為I/O設備或外設)，其功能是為微型計算機提供具體的輸入/輸出手段。

常見的I/O設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、麥克風、CRT顯示器、打印機、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)器、軟/硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等。

I/O接口是用于連接I/O設備的接口。

4．系統(tǒng)總線

總線是傳輸信號的一組導線，作為微機各部件之間信息傳輸?shù)墓猛ǖ?。一個部件只要符合總線標準，就可以連接到使用這種總線標準的系統(tǒng)中。這樣的結構使得系統(tǒng)中各功能部件之間的相互關系變成了各個部件面向總線的單一關系，這樣不僅簡化了整個系統(tǒng)，而且使系統(tǒng)的進一步擴展變得非常方便?？偩€結構這種模塊化(或稱為積木化)特點使得微機系統(tǒng)部件的組成相當靈活，實現(xiàn)起來也相當簡捷?？偩€對微機系統(tǒng)的構成產(chǎn)生了很大影響，稱做微機系統(tǒng)的“規(guī)則”或“結構法”。微機的核心部件是微處理器，所以微機的總線以微處理器為核心可以分為：

(1)內(nèi)總線，泛指芯片內(nèi)部總線，這里專指微處理器芯片內(nèi)部的總線，由它實現(xiàn)微處理器內(nèi)部各功能單元電路之間的互相連接。

(2)系統(tǒng)總線，是指微機主板或單板機上以微處理器芯片為核心的、芯片與芯片之間的連接總線。圖1-1所示的就是微機的系統(tǒng)總線結構，簡稱為總線結構。

微處理器通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)和其他組成部分的聯(lián)系?？偩€就好似整個微機系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，把微處理器、存儲器和I/O接口電路(外部設備與微型計算機相連的協(xié)調(diào)電路)有機地連接起來，所有的地址、數(shù)據(jù)和控制信號都經(jīng)過總線傳輸。

微機的系統(tǒng)總線按功能分成三組，即數(shù)據(jù)總線(DB，DataBus)、地址總線(AB，AddressBus)和控制總線(CB，ControlBus)。所以系統(tǒng)總線結構也稱為三總線結構。

1)數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線(DB)是傳輸數(shù)據(jù)或代碼的一組通信線，其寬度(總線的根數(shù))一般與微處理器的字長相等。例如，16位微處理器的DB有16根，分別以D15～D0表示，D0為最低位數(shù)據(jù)線。DB上的數(shù)據(jù)信息在微處理器與存儲器或I/O接口之間的傳送可以是雙向的，即DB上既可以傳送讀信息，也可以傳送寫信息(注意：微型計算機講到的“讀”或“寫”都是以微處理器為主導地位而言的)。

2)地址總線

地址總線(AB)是傳輸?shù)刂沸畔⒌囊唤M通信線，是微處理器訪問外界時用于尋址的總線。AB總線是單向的，其根數(shù)決定了可以直接尋址的范圍。例如，8位微處理器的AB有16根，分別用A15～A0表示，A0為最低位地址線。A15～A0可以組合成216=65?536(64K)個不同地址值，可尋址范圍0000H～FFFFH。

3)控制總線

控制總線(CB)是傳送各種控制信號的一組通信線?？刂菩盘柺俏⑻幚砥骱推渌酒g相互聯(lián)絡或控制時使用的。其中包括微處理器發(fā)給存儲器或I/O接口的輸出控制信號，如，讀信號RD、寫信號WR等，還包括其他部件送給微處理器的輸入控制信號，如時鐘信號CLK、中斷請求信號INTR和NMI、準備就緒信號READY等?？刂菩盘栭g是相互獨立的，其表示方法采用能表明含義的縮寫英文字母符號。若符號上有一橫線，表示負邏輯有效，否則為正邏輯有效。1.3.2微處理器的內(nèi)總線結構

由于受到大規(guī)模集成電路工藝的約束，微處理器在芯片面積、引腳、速度等方面受到嚴格限制。因此，絕大多數(shù)微處理器內(nèi)部均采用單總線結構，即內(nèi)部所有單元電路都掛在內(nèi)部總線上，分時使用總線。圖1-2給出了一個典型的8位微處理器的內(nèi)部結構。圖1-2典型的8位微處理器的內(nèi)部結構微處理器是微型計算機的核心。盡管各種微處理器的內(nèi)部結構和性能指標有所不同，但都具有基本的共同點。

首先，微處理器一般都具備下列功能：

(1)可以進行算術運算和邏輯運算；

(2)可以保存少量數(shù)據(jù)；

(3)能對指令進行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動作；

(4)能提供整個系統(tǒng)所需要的定時和控制時序；

(5)可以響應其他部件發(fā)來的中斷請求。另外，微處理器在內(nèi)部結構上除了內(nèi)總線外還包括下面這些部分：

(1)算術邏輯部件(ALU)；

(2)累加器和寄存器陣列；

(3)程序計數(shù)器(指令指針)、指令寄存器、譯碼器和狀態(tài)寄存器；

(4)時序和控制部件；

(5)總線緩沖器。

ALU由并行加法器和其他邏輯電路組成，能完成二進制信息的算術、邏輯運算和其他一些操作。它以累加器、暫存器中的內(nèi)容為操作數(shù)，有時還包括狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容。操作結果送回累加器，與此同時把表示操作結果的一些標志保存到狀態(tài)寄存器中。

寄存器陣列是微處理器的內(nèi)部臨時存儲單元，用來暫時存放微處理器可以直接處理的數(shù)據(jù)或地址，減少訪問存儲器的次數(shù)，提高處理速度。每個寄存器都和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進行雙向連接，由多路轉(zhuǎn)換器確定哪個寄存器參加工作。寄存器數(shù)目的多少，由微處理器的體系結構而定。程序計數(shù)器是專門用來存放下一條執(zhí)行指令的地址。由于程序一般存放在內(nèi)存的一個連續(xù)區(qū)域，每當取出現(xiàn)行指令后，程序計數(shù)器自動加1(轉(zhuǎn)移時除外)，以指向下一條指令的地址。僅當執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，程序計數(shù)器內(nèi)容才由轉(zhuǎn)移地址取代，從而改變程序執(zhí)行的正常次序，實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。指令寄存器存放從內(nèi)存中取出的指令碼。指令譯碼器則對指令碼進行譯碼和分析，從而確定指令的操作性質(zhì)，產(chǎn)生相應操作的控制電位，送到時序和控制邏輯電路。時序和控制部件將譯碼產(chǎn)生的各種控制電位按時間或節(jié)拍發(fā)出執(zhí)行指令所需要的控制信號，指揮微型計算機的相應部件有條不紊地完成指定的操作。

總線緩沖器是微型計算機數(shù)據(jù)或地址信號的進出口，用來隔離微處理器的內(nèi)部總線和外部總線，并提供附加的總線驅(qū)動能力。數(shù)據(jù)總線緩沖器是雙向三態(tài)緩沖器，地址總線緩沖器是單向三態(tài)緩沖器。1.3.3引腳的功能復用

由于工藝技術和生產(chǎn)成本的考慮，微處理器的封裝尺寸和引腳數(shù)受到限制，影響了微處理器使用的方便性。8086之前的微處理器引腳數(shù)一般是40條。隨著微處理器字長和尋址能力的增加，引腳越來越不夠用了。為了彌補引腳的不足，微處理器的部分引腳設計采用了功能復用技術，即一條引腳有一個以上用途，以此達到“擴充”引腳數(shù)的目的。比如，DB的雙向傳送能力就是引腳功能復用的一例。再比如，只有40個引腳的16位微處理器8086，它可直接尋址1?MB存儲器，那么AB總線需要20根。如果DB總線再單獨占用16根，再加上CB總線，顯然芯片的引腳就不夠用了。系統(tǒng)將AB、DB分時使用微處理器的同一組引腳，也就是讓微處理器8086的20條引腳具有兩個功能，即在某時刻它們傳送地址信息，而在另一時刻它們其中的16條引腳傳送數(shù)據(jù)信息。圖1-3給出了8086微處理器引腳功能復用的示意圖。圖1-38086微處理器引腳的功能復用功能復用的引腳必須分時使用總線才能區(qū)分功能，以達到節(jié)約引腳的目的。然而，引腳的功能復用卻延長了信息傳輸時間，同時要增加相應的輔助電路，增加了系統(tǒng)的復雜性。1.3.4流水線技術

隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片集成度顯著提高，使得過去在大、中、小型計算機中采用的一些現(xiàn)代技術，例如，流水線技術、高速緩沖存儲器、虛擬存儲器等，下移到微機系統(tǒng)中。特別是流水線技術的應用，使得微機的運行模式發(fā)生了變革。

所謂流水線技術就是一種同時(或稱同步)進行若干操作的處理方式。這種方式的操作過程類似于工廠的流水線作業(yè)裝配線，故形象地稱之為流水線技術。計算機都采用程序存儲和程序控制的運行方式。傳統(tǒng)上，程序指令順序地存儲在存儲器中，當執(zhí)行程序時，這些指令被相繼地逐條取出并執(zhí)行，也就是說指令的提取和執(zhí)行是串行進行的。這種串行運行方式的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分有時會出現(xiàn)空閑而利用率不高，這是傳統(tǒng)計算機工作模式的主要局限。為了使運行速度更高，除了采用更高速度的半導體器件和提高系統(tǒng)時鐘頻率以外，另一個解決方法是使CPU采用同時進行若干操作的并行處理方式。如果把計算機CPU的一個操作過程(分析指令、加工數(shù)據(jù)等)進一步分解成多個單獨處理的子操作，使每個子操作在一個專門的硬件站(Stage)上執(zhí)行。這樣一個操作順序地經(jīng)過流水線中的多個站的處理，而且前后連續(xù)的幾個操作依次流入流水線后，可以在各個站間重疊進行得以完成。這種操作的重疊性提高了CPU的工作效率。

下面以“取指令—執(zhí)行指令”一個工作周期中要完成的若干個操作為例來說明流水線工作流程。在串行運行方式中，一個工作周期順序完成以下操作：

(1)取指令?——?CPU根據(jù)指令指針所指到的存儲器尋址，讀出指令并送入指令寄存器；

(2)指令譯碼?——?指令進行譯碼，而指令指針進行增值，指向下一條指令地址；

(3)地址生成?——?很多指令要訪問存儲器或I/O接口，那就必須給出存儲器或I/O接口的地址，地址在指令中或者經(jīng)過某些計算得到；

(4)存取操作數(shù)——當指令要求存取操作數(shù)時，按照生成的地址尋址，并存取操作數(shù)；

(5)執(zhí)行指令——由ALU完成指令操作。流水線運行方式就可能使上述某些操作重疊。比如，把取指令和執(zhí)行指令(甚至再加上指令譯碼)操作重疊起來進行，但可以預先取若干指令，并在當前指令尚未執(zhí)行完時，提前啟動另一些操作。這樣并行操作可以加快一段程序的運行。

流水線技術的實現(xiàn)必須要增加硬部件。例如，上述“取指令—執(zhí)行指令”的重疊，要采用預取指令操作，就需要增加硬部件來取指令，并把它存放到一個排隊隊列中，使微處理器能同時進行取指令和執(zhí)行指令操作。再比如，讓微處理器中含有兩個ALU，一個主ALU僅用于進行算術、邏輯等操作，另一個ALU專用地址生成，這樣可以使地址的計算和其他操作同時進行。流水線技術已廣泛應用于16位以上的微型機，有指令流水線技術、運算操作流水線技術、尋址流水線技術等一系列應用。它主要是加快了取指令和訪問存儲器的操作，在某些情況下，使運行的速度達到數(shù)量級增長。但是由于不同的指令運行時間不一樣長，流水線技術受到最長步驟所需時間的限制。此