1、2019年5月26日 1,西安邮电学院计算机系 系统结构教研室 2008.7,微机原理与汇编语言,教材及参考书 微机原理与汇编语言王钰 李育贤 王晓婕 编著 微机原理与汇编语言实验指导 王钰 编著,2019年5月26日 2,第1章 微型计算机概述,主要内容:微型计算机系统的组成微型计算机发展概况微型计算机的工作原理,2019年5月26日 3,1.1 引言 自1946年世界上第一台电子计算机问世以来，计算机的发展已经历了四代，即：电子管计算机，晶体管计算机，中小规模集成电路计算机，大规模、超大规模集成电路计算机。但是到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯诺依曼首先提出的体系结构。其基本设计思想为
2、：机器内部以二进制形式表示指令和数据；程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行；计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成。,2019年5月26日 4,图1-1 计算机硬件组成框图,2019年5月26日 5,运算器和控制器是计算机的核心部件，这两部分合称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。随着微电子技术的发展，运算器和控制器的主要功能部件被合二为一，集成到一个集成电路芯片里，成为一个独立的部件，该部件称为微处理器（Microprocessor/Micro Processing Unit，MP/
3、MPU）。微处理器的问世标志着微型计算机（微机）时代的到来。,2019年5月26日 6,1.2 微型计算机系统的组成,1.2.1 微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的组成可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次。微处理器是微型计算机的核心芯片，它实际上完成着运算器和控制器的功能，因此一般仍用CPU来表示微处理器。,2019年5月26日 7,微型计算机(Microcomputer)是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路以及系统总线所组成的计算机(又称为主机)。若将微处理器、存储器和输入/输出接口电路等组装在一块印制电路板上或集成在一个芯片中，就构成了单板微型计算机(单
4、板机)和单片微型计算机（单片机）。,2019年5月26日 8,微型计算机系统(Microcomputer system)是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路（统称硬件）以及指挥计算机工作的系统软件所构成的系统。因此，微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图1-2所示。,2019年5月26日 9,图1-2 微型计算机系统的组成,2019年5月26日 10,1.2.2 微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统主要由微处理器 （CPU）、存储器（RAM，ROM）、输入/输出（Input/Output，I/O）接口、输入/输出设备、系统总线等构成。总线结构是微机体系结构
5、的特点之一，微处理器、存储器、I/O接口电路等通过系统总线连接起来，构成了主机部分，I/O设备通过I/O接口实现与主机的信息交换。典型的微型计算机的硬件系统结构如图1-3所示。,2019年5月26日 11,图1-3 微型计算机硬件系统结构,2019年5月26日 12,1微处理器微处理器的主要功能是实现算术逻辑运算以及对全机进行控制。运算器又称算术逻辑部件（Arithmetic Logic Unit，ALU），可以完成各种算术运算、逻辑运算以及移位、传输等操作。控制器又称控制部件（Control Unit，CU），它向计算机的各部件发出相应的控制信号，使CPU内、外各部件间协调工作，是全机的指挥
6、控制中心。寄存器阵列（Registers Array，RA）主要包括通用寄存器组和专用寄存器组。通用寄存器组用来存放参与运算的数据、中间结果或地址，专用寄存器组中各寄存器往往有固定用途。内部总线位于CPU内部，是CPU内部各部件之间传递信息的通路，由各部件分时使用。,2019年5月26日 13,2存储器存储器是计算机的存储和记忆装置，用来存储程序或数据，由存储单元构成。此处介绍的存储器是指内存储器（又称为主存或内存）。计算机要执行的程序以及要处理的数据都要事先装入到内存中才能被CPU执行或访问。对内存的操作有两种，即读操作和写操作。读操作是将内存单元存放的信息读取出来，而写操作是将信息送到内存
7、单元保存起来。显然，写操作的结果改变了被写内存单元的内容，是破坏性的，相当于覆盖；而读操作是非破坏性的，即该内存单元的内容在信息被读出之后仍保持原信息不变，相当于复制。,2019年5月26日 14,在微型计算机中，通常用半导体存储器作为内存储器。根据工作方式的不同，内存可分为两大类：随机读写存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。随机读写存储器可以进行读或写操作，用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序，断电后其中存放的所有信息将丢失。只读存储器中的信息只能被读取，而不能任意写入，断电后其中的信息不会丢
8、失，因此用于存放永久性的程序和数据，如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（BIOS）等。,2019年5月26日 15,3I/O接口与I/O设备I/O接口是计算机与I/O设备之间信息交换的桥梁。 I/O设备又称外围设备（简称外设），是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。一般来说，与CPU相比，外设的工作速度较低。外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而计算机只能处理数字量。另外，外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。由于上述原因，计算机与外设之间的连接及信息的交换不能直接
9、进行，而需要通过I/O接口电路来实现速度匹配和信号转换等功能。在微型计算机中，较复杂的I/O接口电路常制成独立的电路板，也常被称为适配器或接口卡，使用时将其插在主板上。,2019年5月26日 16,4系统总线总线（Bus）是指传递信息的一组公用导线。这里的系统总线（System Bus）是指微机系统中，微处理器与存储器和I/O接口进行信息交换的公共通道。根据所传输信息的内容与作用不同，总线可分为3类：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线（Address Bus，AB）：在该组信号线上，CPU输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址信息。地址线的多少决定了系统能够直接寻址的内存空间的大小和外设
10、端口范围。地址总线是单向总线。,2019年5月26日 17,数据总线（Data Bus，DB）：CPU进行读操作时，主存或外设的数据通过该组信号线输入到CPU内部；CPU进行写操作时，CPU内部的数据通过该组信号线输出到主存或外设。数据线的多少决定了一次能够传输数据的位数。数据总线是双向总线。 控制总线（Control Bus，CB）：控制信号线用于协调系统中各部件的操作。控制总线决定了总线的功能强弱、适应性的好坏。各类总线的特点主要取决于它的控制总线。控制总线中每根线的传输方向是一定的。计算机采用总线结构，各部件均挂接在系统总线上，使得系统结构简单，易于维护，并为系统功能的扩充或升级提供了很
11、大的灵活性。,2019年5月26日 18,1.2.3 微型计算机的软件系统软件系统是所有程序、数据和相关文件的集合，是计算机系统不可缺少的组成部分。微型计算机的软件系统包括系统软件和应用软件两部分。系统软件是为了计算机能正常、高效工作所配备的各种管理、服务、监控和维护系统的程序及有关资料。系统软件的主要任务包括：一是更好地发挥计算机的效率，二是方便用户使用计算机。系统软件主要包括操作系统（Operating System，OS）和系统应用程序。应用软件就是用户为解决各种实际问题而编写的计算机应用程序及有关资料。,2019年5月26日 19,1.3 微型计算机的发展 1971年，美国Intel（
12、英特尔）公司推出了世界上第一个微处理器4004。以它为核心组成的MCS-4计算机就是世界上第一台微型计算机。1972年，Intel公司研制出字长8位的微处理器芯片8008。1978年开始，各公司相继推出一批16位字长的微处理器。1985年，Intel公司推出了32位微处理器80386。从这时起，微处理器步入快速发展阶段。就Intel公司来说，就陆续研制生产了80486、Pentium（奔腾）、Pentium Pro（高能奔腾）、MMX Pentium（多能奔腾）、Pentium 、Pentium 和Pentium 4等微处理器。 2000年，Intel公司在微机高端产品服务器中使用了字长64位
13、的新一代微处理器Itanium（安腾）。2003年4月，AMD公司推出首款兼容32位80x86结构的64位微处理器，被称为x86-64结构。2004年3月，Intel公司也发布了首款扩展64位能力的32位微处理器。2005年，64位PC初露端倪，逐渐获得用户青睐。2006年，Intel全线产品以64位双核微处理器为主。,2019年5月26日 20,1.4 微型计算机的工作原理在对微型计算机的组成有了基本了解之后，本节将通过在一个模型机上运行一个简单的程序说明微型计算机的工作原理。图1-4给出了一个模型机的基本结构。图中虚线框内为微处理器模型，存储器（内存）通过系统总线与CPU相连，简化起见没有
14、给出I/O接口的连接。,2019年5月26日 21,2019年5月26日 22,表1.1为在某模型机上完成“6+5”操作所需的机器语言程序和汇编语言程序，假设该机器语言程序从内存中地址为0000H单元开始存放。,2019年5月26日 23,假定完成“6+5”操作所需的机器语言程序(表1.1所示)已由输入设备存放到内存中(如图1-5所示)，下面进一步说明微机内部执行该程序的具体操作过程。开始执行程序时，首先将第一条指令的首地址0000H送程序计数器（PC），然后就进入第一条指令的取指令阶段，其操作过程如图1-5所示。,2019年5月26日 24,2019年5月26日 25,接着进入第一条指令的执行阶段。经过对操作码B1H的译码，CPU知道这是一条把下一单元中的操作数送累加器A的双字节指令，所以执行该指令的操作就是从下一个存储单元中取出指令第二个字节中的操作数06H，并送入累加器A，执行过程如图1-6所示。,2019年5月26日 26,2019年5月26日 27,此时，程序计数器PC的值为0002H，指向第二条指令在存储器中的首地址，计算机再次重复取指令和执行指令的过程，完成第二条指令的执行。这样周而复始地循环，直到遇到暂停指令为止。,
