微机系统组成及工作原理解析课件.ppt

1、计算机组成技术计算机组成技术哈工大计算机学院哈工大计算机学院硬件基础教研室硬件基础教研室徐冰徐冰2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理2 讲解讲解计算机的计算机的硬件系统硬件系统的的组成原理与组成原理与运行机制运行机制：非多机系统，非多处理机结构：非多机系统，非多处理机结构：计算机：计算机，全部的硬件功能部，全部的硬件功能部件件：不一定是最高性能，最合理的组：不一定是最高性能，最合理的组成成,而是而是的必要的组成部分的必要的组成部分2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理3以计算机硬件知识为主：按照CPU(中央处理器)MM(主存)I/O(外设)的顺序，从内核向外围过渡讲述

2、。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理4教学环节与成绩评定教学环节与成绩评定 48考试成绩占分。22，实验成绩占分。作业成绩占 10分。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理5课程特点课程特点 知识单元和知识点多，而学时数相对少知识单元和知识点多，而学时数相对少 理论性系统性和工程性实践性都很强理论性系统性和工程性实践性都很强 数学推导、证明少，逻辑推理、判断多数学推导、证明少，逻辑推理、判断多 （所以既好学，又难学）（所以既好学，又难学）2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理6（2）理论与实践紧密结合，重视上机实验）理论与实践紧密结合，重视上机实验（3）

3、适当淡化内部结构原理，而强化外部接）适当淡化内部结构原理，而强化外部接口应用口应用 （内外分界是各级总线）（内外分界是各级总线）（4）适应课件教学（课前预习课堂会神）适应课件教学（课前预习课堂会神 课后复习阶段小结）课后复习阶段小结）（1）注意抓重点：注意抓重点：基本概念的熟悉；基本概念的熟悉；基本原理的理解；基本原理的理解；基本方法技能的掌握。基本方法技能的掌握。学习方法学习方法计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础第一章第一章 微型计算机系统组成及工作原理微型计算机系统组成及工作原理第二章第二章 微处理器和指令系统微处理器和指令系统第三章第三章 汇编语言程序设计基础汇编语言程序设计基础第四章

4、第四章 存储器存储器第五章第五章 I/OI/O接口接口第六章第六章 总线与总线标准总线与总线标准第七章第七章 中断与中断控制中断与中断控制-微机原理部分微机原理部分第一章第一章 微型计算机系统概论微型计算机系统概论1.1 1.1 微型计算机系统的概述微型计算机系统的概述1.2 1.2 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构1.3 1.3 微型计算机的运算基础微型计算机的运算基础1.4 1.4 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理1.5 1.5 高档微机中应用的现代先进计算机技术高档微机中应用的现代先进计算机技术1.6 1.6 典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统计算机

5、发展的历史计算机发展的历史19461946年年 ENIACENIAC的诞生标志着人类进入的诞生标志着人类进入了一个新的时代了一个新的时代 .2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理101.先驱的探索机械式计算机 第一台真正的计算机是著名科学家第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡帕斯卡（B.PascalB.Pascal）发明的机械计算机。）发明的机械计算机。帕斯卡 加法器2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理111.先驱的探索机械式计算机16731673年，德国数学家莱布尼兹发明年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机乘法机，这是第一台可以运行完整的这是第一台可以运行完整的四则运算

6、四则运算的计算的计算机。机。莱布尼兹 乘法器2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理121.先驱的探索机械式计算机18221822年巴贝奇花了近年巴贝奇花了近1010年时间，构想、研制成功了年时间，构想、研制成功了第一台差分机第一台差分机。英国著名诗人拜仑的女儿爱达英国著名诗人拜仑的女儿爱达拉夫拉夫斯基伯爵夫人被誉为世界第拉夫拉夫斯基伯爵夫人被誉为世界第一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言AdaAda紧紧地联系紧紧地联系在一起。在一起。巴贝奇的差分机与分析机巴贝奇的差分机与分析机 2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原

7、理132.从机械到电的飞跃 美国人赫尔曼美国人赫尔曼霍勒瑞斯，根据提霍勒瑞斯，根据提花织布机的原理发明了花织布机的原理发明了穿孔片计算机穿孔片计算机，赫尔曼赫尔曼霍勒瑞斯公司名称为霍勒瑞斯公司名称为“计算计算-制表制表-记录公司记录公司”，即原，即原“数据处理数据处理”公司这就是公司这就是IBMIBM的前身。的前身。赫尔曼赫尔曼霍勒斯霍勒斯 制表机制表机2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理142.从机械到电的飞跃19041904年，英国人年，英国人弗莱明弗莱明发明发明真空电子二极管真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于。电子管的诞生，是人

8、类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的爱迪生发现的“爱迪生效应爱迪生效应”。19061906年，美国人德弗雷斯特发明年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了用价值大大提高，从而促成了无线电通信无线电通信技术的迅速发展。技术的迅速发展。德弗雷斯特因发明三极管而被称为德弗雷斯特因发明三极管而被称为“无线电之父无线电之父”。二极管、三极管的发明2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理153.技术的飞跃早在早

9、在18471847和和18541854年，英年，英国数学家国数学家布尔布尔发表了两发表了两部重要著作部重要著作逻辑的数逻辑的数学分析学分析和和思维规律思维规律的研究的研究，创立了逻辑，创立了逻辑代数。逻辑代数系统采代数。逻辑代数系统采用二进制，是现代电子用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基计算机的数学和逻辑基础。础。19391939年，阿塔纳索夫提出计算年，阿塔纳索夫提出计算机三原则；采用二进制进行运机三原则；采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。储功能相分离的结构。19391939年，年

10、，阿塔纳索夫还设计并试制数字阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机电子计算机的样机“ABCABC机机”，但未能完工。但未能完工。19361936年，年，2424岁的英国数学家图灵岁的英国数学家图灵发表著名论文发表著名论文论可计算数及其在密码论可计算数及其在密码问题的应用问题的应用，提出了，提出了“理想计算机理想计算机”，后人称之为后人称之为“图灵机图灵机”。图灵通过数学。图灵通过数学证明得出理论上存在证明得出理论上存在“通用图林机通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图灵机成为现代通用数字计算机定义，图灵机成为现代通用数字计算机的数学模型，

11、它证明通用数字计算机是的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。可以制造出来的。19401940年，美国科学家年，美国科学家维纳维纳阐述了自己对现代计算机的五点设阐述了自己对现代计算机的五点设计原则：数字式而不是模拟式；以计原则：数字式而不是模拟式；以电子元件电子元件构成并尽量减少构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。部存储数据。1944194519441945年间，美籍匈牙利科学家年间，美籍匈牙利科学家冯冯诺伊曼诺伊曼在第一台在第一台现代计算机现代计算机ENIACENIAC尚未问世时注意到其弱

12、点，并提出一尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型个新机型EDVACEDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和用二进制和“存储程序存储程序”。这两个设想对于现代计算。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯机至关重要，也使冯诺伊曼成为诺伊曼成为“现代电子计算机之现代电子计算机之父父”，冯，冯诺伊曼机体系延续至今。诺伊曼机体系延续至今。19381938年，信息论的创始人、美国科年，信息论的创始人、美国科学家学家仙农仙农发表论文发表论文继电器和开关继电器和开关电路的符号分析电路的符号分析，首次阐述了如，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠何将布

13、尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理定了现代电子计算机开关电路的理论基础。论基础。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理16计算机的数学模型计算机的数学模型-图灵机图灵机 图灵机（英语：图灵机（英语：Turing Machine，又称确定型图，又称确定型图灵机）是英国数学家阿灵机）是英国数学家阿兰兰图灵图灵于于1936年提出的年提出的一种一种抽象计算模型抽象计算模型，其，其更抽象的意义为一种数更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机过程的终极强大逻辑机器。器。2022-11-16第一章

14、 微机系统组成及工作原理17图灵机的艺术表示 2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理18Turing Machine 图灵机解决了一个长期困扰我们的问题图灵机解决了一个长期困扰我们的问题什么是计算什么是计算?图灵机为实现自动计算提供了一个可以图灵机为实现自动计算提供了一个可以实施的数学模型实施的数学模型.物理上如何实现该模型物理上如何实现该模型?冯冯.诺依曼为我们提供了另一个模型诺依曼为我们提供了另一个模型.2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理19第一台电子计算机的诞生19431943年在美国费城年在美国费城的穆尔工程学院，约翰的穆尔工程学院，约翰.莫奇莱、普里斯泊莫

15、奇莱、普里斯泊.艾克艾克特提出了建造特提出了建造ENIACENIAC的计的计划，并邀请了很多的数划，并邀请了很多的数学家参加其中包括著名学家参加其中包括著名的数学家的数学家约翰约翰.冯诺依曼冯诺依曼(Von.Neumann)(Von.Neumann)2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理20第一台电子计算机的诞生1946年初在年初在Von.Neumann等人的努等人的努力下力下ENIAC研制成功。研制成功。ENIAC由由20,000个开关个开关元件、重元件、重30吨、耗电吨、耗电150千瓦。千瓦。首次应用即参与了在新首次应用即参与了在新墨西哥州的洛斯阿拉莫墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行

16、的斯进行的原子弹爆炸试原子弹爆炸试验的计算验的计算。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理21电子管计算机的问题电子管计算机的问题 ENIAC的研制成功，奠定了一个新的时代。的研制成功，奠定了一个新的时代。但是，电子管遇到了巨大的障碍：但是，电子管遇到了巨大的障碍：体积庞大，无法缩小。体积庞大，无法缩小。会发出很多的热量，管间间距需要很大。会发出很多的热量，管间间距需要很大。到了到了20世纪世纪60年代，晶体管的问世促进了计年代，晶体管的问世促进了计算机革命性的进步。算机革命性的进步。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理22晶体管的发明人约翰约翰.巴丁、沃尔特巴丁、沃

17、尔特.布拉布拉顿和威廉顿和威廉.肖克利肖克利三人因三人因在晶体管技术上的革命性在晶体管技术上的革命性突破突破,被共同授予被共同授予1965年年的诺贝尔物理奖。的诺贝尔物理奖。右图是他们中的代表威右图是他们中的代表威廉廉.肖克利肖克利,以它的名字命以它的名字命名的名的“肖克利半导体公司肖克利半导体公司”是当时最了不起的公司是当时最了不起的公司2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理23硅谷(silicon valley)肖克利半导体公司衍生出仙童半导体肖克利半导体公司衍生出仙童半导体公司公司,而而仙童半导体公司仙童半导体公司又衍生出许多公司又衍生出许多公司,包括包括Motorola、德

18、州仪器公司、德州仪器公司、RCA等公等公司司，这些公司与很多半导体公司都位于圣，这些公司与很多半导体公司都位于圣克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围内，而此时所有的半导体几乎都是用硅制内，而此时所有的半导体几乎都是用硅制造的，所以这个地区被人们称为造的，所以这个地区被人们称为“硅谷硅谷”(silicon valley)2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理24计算机发展历史计算机发展历史 从晶体管技术的出现到现在，计算机走过从晶体管技术的出现到现在，计算机走过了四个时代：了四个时代：电子管时代电子管时代 晶体管晶体管时代时代中小规模集成电路中小规

19、模集成电路（Integrate Circus）时代时代超大规模集成电路时代超大规模集成电路时代2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理25时期时期元器件元器件代代 表表 机机 器器第一代第一代电子管电子管第一台计算机第一台计算机ENIAC第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机EDVAC第二代第二代晶体管晶体管IBM公司生产的公司生产的IBM-7904CDC公司生产的公司生产的CDC1604第三代第三代集成电路集成电路DEC公司研制成功的公司研制成功的PDP-8，PDP-11，VAX-11第四代第四代大规模集大规模集成电路成电路Cray公司公司1976年推出的年推出的Cray-120

20、22-11-16第一章 微机系统组成及工作原理26时期时期体积体积 重量重量 成本成本 耗电耗电 可靠性可靠性运算速度运算速度第一代第一代 大大重重高高高高低低5000次次/秒秒第二代第二代几万次几万次-几十几十万次万次/秒秒第三代第三代几百万几百万-几千几千万次万次/秒秒第四代第四代 小小轻轻低低低低高高几亿次几亿次/秒秒2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理27微型电子计算机的发展 第一代（第一代（1971-1972）4位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 4004 2300个晶体管个晶体管2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理28 第

21、二代（第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 8008 3300个晶体管个晶体管Intel 8080 4900个晶体管个晶体管M6800 6800个晶体管个晶体管Z80 10000个晶体管个晶体管2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理29 第三代（第三代（1978-1983）16位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 8086 29000个晶体管个晶体管M68000 68000个晶体管个晶体管Z8000 37500个晶体管个晶体管2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理30 第四代（第四

22、代（1984-1993）32位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型：Intel 80286Intel 80386Intel 80486MC680202022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理31 第五代微处理器：第五代微处理器：1993年，年，Intel公司推出了微处理器公司推出了微处理器Pentium（中文译名为奔腾）。（中文译名为奔腾）。1996年年Intel公司将其微处理器正式命名为公司将其微处理器正式命名为Pentium Pro（奔腾），（奔腾），Pentium Pro最合适的位置是作为高性能服务器和工作站最合适的位置是作为高性能服务器和工作

23、站 2000年年11月，月，Intel推出了微处理器：奔腾推出了微处理器：奔腾4（Pentium 4，或简，或简称奔称奔4或或P4），这一新的架构称做），这一新的架构称做NetBurst。第六代微处理器第六代微处理器 酷睿（酷睿（core）系列微处理器时代）系列微处理器时代 早期的酷睿是基于笔记本处理器的早期的酷睿是基于笔记本处理器的 2010年年6月，月，Intel再次发布革命性的处理器再次发布革命性的处理器第二代第二代Core i3/i5/i7 在在2012年年4月月24日下午北京天文馆，日下午北京天文馆，intel正式发布了正式发布了ivy bridge（IVB）处理器）处理器 计算机的

24、形态 计算机在今天已经是千差万别，显计算机在今天已经是千差万别，显现或隐藏在我们周围的很多角落，不注现或隐藏在我们周围的很多角落，不注意你根本不能发觉，其实你一时一刻都意你根本不能发觉，其实你一时一刻都离不开计算机离不开计算机 .2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理33计算机发展史及发展方向 计算机发展方向计算机发展方向 巨型化巨型化:用于军事用于军事科学计算科学计算 微型化微型化:手持电脑手持电脑 HPC 多媒体多媒体:声声,图图,文文,动画动画,音频音频,视频视频 智能化智能化:模拟人的功能模拟人的功能,识别声音识别声音,文字文字,图像图像,各种语言互译各种语言互译,使计使计

25、算机具有推力联想等功能算机具有推力联想等功能.网络化网络化:使世界成为一体使世界成为一体,无种族无种族,无货币无货币,无国界无国界.2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理34计算机发展史及发展方向当今的个人计算机当今的个人计算机2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理35计算机发展史及发展方向CPU2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理36计算机发展史及发展方向2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理37微处理器微处微处理器理器 微型计算机系统微型计算机系统微型计算机微型计算机微处理器微处微处理器理器 微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统

26、1.11.1.2.2微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的三个层次微型计算机系统从局部到全局存在三个层次微型计算机系统从局部到全局存在三个层次微处理器微处理器本身不是计算机，本身不是计算机，不能独立工作不能独立工作,它是微型它是微型计算机的核心部件计算机的核心部件,包括包括算术逻辑部件算术逻辑部件ALU,ALU,控制部控制部件和寄存器组三个基本部件和寄存器组三个基本部分。分。微型计算机微型计算机是以微处理器是以微处理器为核心，加上由大规模集为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器（成电路制作的存储器（ROMROM和和RAMRAM）、）、输入输入/输出接口输出接口和系统总线组成的。它不和系统总

27、线组成的。它不是完整的计算系统，也不是完整的计算系统，也不能独立工作。能独立工作。微型计算机系统微型计算机系统是以微型是以微型计算机为核心，再配以相计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整工作的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工计算系统。它可以独立工作，有实用意义。作，有实用意义。微处理器微处微处理器理器 微型计算机系统微型计算机系统微型计算机微型计算机微处理器微型计算机微型计算机微处微处理器理器 微型计算机系统微型计算机系统2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理381.1.3 1.1.

28、3 计算机的性能分类计算机的性能分类 按微处理器的位数分：按微处理器的位数分：4位机、位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、64位机位机 按性能分：按性能分：微型计算机，微型计算机，小型计算机，小型计算机，中型计算机，中型计算机，大型计算机；大型计算机；按结构分：按结构分：单片机、多片机单片机、多片机 2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理39 按用途分按用途分：个人计算机，工业控制计算：个人计算机，工业控制计算机，军用计算机，嵌入式计算机；机，军用计算机，嵌入式计算机；按设计目的分按设计目的分：专用计算机，通用计算：专用计算机，通用计算机；机；按网络用途分按网络用途

29、分：客户端计算机，服务器。：客户端计算机，服务器。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理401.1.4 1.1.4 计算机的性能评价计算机的性能评价基本字长基本字长：计算机在同一时间内处理的一组二进：计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的制数称为一个计算机的“字字”，而这组二进制数的，而这组二进制数的位数就是位数就是“字长字长”。在其他指标相同时，字长越大。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。计算机处理数据的速度就越快。主存容量主存容量：主存储器的存储单元个数乘以存储单：主存储器的存储单元个数乘以存储单元宽度来表示。如元宽度来表示。如10241024

30、 1616表示主存储器有表示主存储器有10241024个个单元，每个单元的宽度是单元，每个单元的宽度是1616位。计算机系统主存储位。计算机系统主存储器的最大存储单元个数取决于器的最大存储单元个数取决于处理器地址总线的线处理器地址总线的线数（宽度）数（宽度）存取周期存取周期：内部存储周期：几十到几百：内部存储周期：几十到几百nsns，外部，外部存储周期：零点几到几十个微秒。存储周期：零点几到几十个微秒。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理41运算速度运算速度：一般用每秒钟能够执行几百万条指令来衡量，一般用每秒钟能够执行几百万条指令来衡量，称为称为MIPS(Million Inst

31、ructions Per Second)；主频主频：即即CPUCPU内核工作的时钟频率（内核工作的时钟频率（CPU Clock SpeedCPU Clock Speed）。通）。通常所说的某某常所说的某某CPUCPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPUCPU的的主频主频”。很多人认为。很多人认为CPUCPU的主频就是其运行速度，其实不然。的主频就是其运行速度，其实不然。CPUCPU的主频表示在的主频表示在CPUCPU内数字脉冲信号震荡的速度，与内数字脉冲信号震荡的速度，与CPUCPU实际的实际的运算能力并没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，运算能力并

32、没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPUCPU实际运算速度实际运算速度较低的现象。较低的现象。外部存储器容量外部存储器容量：外存储器容量通常是指硬盘容量（包外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。就越多，可安装的应用软件就越丰富。1.1.4 计算机的性能评价计算机的性能评价1.2 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构 1.2.1 1.2.1 三总线结构及框图三总

33、线结构及框图1.2.2 1.2.2 微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理431.2 1.2 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构1.2.1 1.2.1 三总线结构及框图三总线结构及框图 目前各种微型计算机系统采用的基本上是计算机目前各种微型计算机系统采用的基本上是计算机的经典结构的经典结构-冯冯诺依曼结构诺依曼结构。p由由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备设备五大部分组成；五大部分组成；p数据和程序数据和程序以以二进制代码二进制代码的形式不加区别地存的形式不加区别地

34、存 放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码 也为二进制形式；也为二进制形式；p控制器根据存放在存储器中的控制器根据存放在存储器中的指令序列指令序列即程序即程序 来工作来工作,并由一个并由一个程序计数器程序计数器控制指令的执行。控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不 同的动作流程。同的动作流程。结构特点结构特点2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理441.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图 微微型型计计算算机机系系统统硬件硬件软件软件运算器运算器控制器控制器存储器存储器输

35、入输入/输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件各部分间通各部分间通过三条总线过三条总线相连，故这相连，故这种系统结构种系统结构也称为也称为三总三总线结构线结构。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理451.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图 微型计算机的结构框图微型计算机的结构框图MPURAM外设外设ABDBCBROMI/OI/O接口接口三总线三总线2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理46根据总线组织方法的不同，总根据总线组织方法的不同，总线结构可分为以下三类：线结构可分为以下三类：p单总线结构单总线结构p双总线结构双总线结构p双重总线结构双重

36、总线结构1.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理471.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图 系统存储器系统存储器M M和和I/OI/O使用同一条信息通路，使用同一条信息通路，MPUMPU对对M M和和I/OI/O的读写要分时进行。它逻辑结构简单，成的读写要分时进行。它逻辑结构简单，成本低，实现容易。本低，实现容易。大部分中低档微机均采用这种结构。大部分中低档微机均采用这种结构。MPUMI/OI/O接口接口外外设设单总线结构单总线结构单总线结构单总线结构双总线结构双总线结构双重总线结构双重总线结构2022-11-16第一

37、章 微机系统组成及工作原理48 I/O I/O和和M M各自具有到各自具有到MPUMPU的总线通路，的总线通路，MPUMPU可分别在可分别在两套总线上同时与两套总线上同时与M M和和I/OI/O口交换信息。它展宽了总线口交换信息。它展宽了总线带宽，提高了数据传输速率。带宽，提高了数据传输速率。有的单片机和高档微机采用了这种结构。有的单片机和高档微机采用了这种结构。双总线结构双总线结构1.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图存储总线存储总线I/OI/O总线总线I/O接口M外外设设MPU单总线结构单总线结构双总线结构双总线结构双重总线结构双重总线结构2022-11-16第一章 微机系统

38、组成及工作原理49双重总线结构双重总线结构MPUMPU或或DMADMA控制器控制器1.2.11.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图全局总线全局总线全全局局M全全局局I/OMPU总线控总线控制逻辑制逻辑局部局部I/OI/O局部局部M M缓冲器缓冲器局局部部总总线线单总线结构单总线结构双总线结构双总线结构双重总线结构双重总线结构2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理50 1.2.1 1.2.1三总线结构及框图三总线结构及框图 MPUMPU通过通过局部总线局部总线访问局部访问局部M M和局部和局部I/OI/O。当某当某MPUMPU需对全局需对全局M M和全局和全局I/OI/O访问时，

39、由总线访问时，由总线控制逻辑统一安排进行，实现双重总线上控制逻辑统一安排进行，实现双重总线上并行并行工作工作。这对等效总线带宽的增加、系统数据处。这对等效总线带宽的增加、系统数据处理和数据传输效率的提高，效果更明显。理和数据传输效率的提高，效果更明显。目前各种高档微机和工作站基本都采用此目前各种高档微机和工作站基本都采用此结构。结构。双重总线结构双重总线结构2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理511.2.2 1.2.2 微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能 微机的主要组成部分有微处理器（微机的主要组成部分有微处理器（MPU),MPU),存储器存储器,I/OI/

40、O设备接口和总线。设备接口和总线。1.1.微处理器微处理器-微型计算机的运算和指挥控制中心微型计算机的运算和指挥控制中心 不同型号微机性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，不同型号微机性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，而微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。每种微而微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。每种微处理器有其特有的指令系统，但无论哪种微处理器，处理器有其特有的指令系统，但无论哪种微处理器，其内部基其内部基本结构总是相同的，都有控制器、运算器和内部总线及缓冲器本结构总是相同的，都有控制器、运算器和内部总线及缓冲器三大部分三大部分，每部分又各由一些基本部件组成。，

41、每部分又各由一些基本部件组成。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理521.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能微处理器典型结构示意图微处理器典型结构示意图指令寄存器指令寄存器IRIR指令译码器指令译码器 IDID操作控制器操作控制器OCOC累加器累加器 ACC累加锁存器累加锁存器暂存器暂存器 算算 术术 逻逻 辑辑 单单 元元（A LU)标志寄存器（标志寄存器（FR）地址总线（地址总线（AB）地址缓冲器地址缓冲器控制总线（控制总线（CBCB）寄寄 存存 器器 组组（RS）堆栈指针（堆栈指针（SP）程序计数器程序计数器 PC通用寄存器组通用寄存器

42、组内部总线及缓冲器内部总线及缓冲器数据总线（数据总线（DB)数据缓冲器数据缓冲器运算器运算器控制器控制器2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理531.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能2 2、存储器（内存或主存）、存储器（内存或主存）-微机的存储记忆部件，用以存放数据和程序。微机的存储记忆部件，用以存放数据和程序。内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容 内存由一个个内存单元组成，内存由一个个内存单元组成，每个单元中一般存放一个字节每个单元中一般存放一个字节(8(8位位)的二进制信息，叫的二进制信息，叫内容内容。内存单元的总数目叫内存单元的总数

43、目叫内存容量内存容量。微机通过给每个内存单元规微机通过给每个内存单元规定不同的地址定不同的地址(码）来管理内存。码）来管理内存。注意：注意：内存单元的地址和内存单元的地址和内存单元的内容是两个完全内存单元的内容是两个完全不同的概念。不同的概念。1011001000000010000011001100011101110010。内容内容地址地址00000H00002HF0000H00001HFFFFFH2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理541.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能内存操作内存操作CPUCPU对内存的操作有对内存的操作有读、写读、写

44、两种。两种。写操作：写操作：CPUCPU将其内部信息传送到内存单元保存下将其内部信息传送到内存单元保存下 来，从而改变被写单元的内容。来，从而改变被写单元的内容。读操作：读操作：CPUCPU将内存单元的内容取入将内存单元的内容取入CPUCPU内部，不内部，不 改变被读单元的内容。改变被读单元的内容。2 2、存储器（内存或主存）、存储器（内存或主存）2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理551.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能内存分类内存分类2 2、存储器（内存或主存）、存储器（内存或主存）按工作按工作方式分方式分随机存取存储器随机存取存储器(

45、RAM):RAM):只读存储器只读存储器(ROM):ROM):可被可被CPUCPU随机的读和写随机的读和写,断电后所有信息消失。断电后所有信息消失。只能被只能被CPUCPU随机读取随机读取,不能任意写入。断不能任意写入。断电后信息不会丢失。电后信息不会丢失。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理563 3、I/OI/O设备的接口设备的接口1.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能 微机通过微机通过I/OI/O设备与外部交换信息设备与外部交换信息,处处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不能理的信息从数据格式到逻辑时序一般不能直接兼容直接兼容,必须在两者

46、之间引入连接电路必须在两者之间引入连接电路,即即I/OI/O接口电路接口电路。2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理572022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理581.2.21.2.2微机主要组成部分的结构及功能微机主要组成部分的结构及功能4 4、总线、总线 -微机中各组成部分传输信息共同使用的微机中各组成部分传输信息共同使用的“公路公路”,是一是一 组组公共信号线公共信号线。双向总线，用来传输数据信息双向总线，用来传输数据信息单向总线，用于传送单向总线，用于传送CPUCPU发出的地址信息发出的地址信息 用来传送控制信号、时序信号和状态信息用来传送控制信号、时序信号和状态

47、信息等，每根线单向，整体双向。等，每根线单向，整体双向。数据总线数据总线DBDB：控制总线控制总线CBCB：地址总线地址总线ABAB：冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型：以存储器为中心连接在一起以存储器为中心连接在一起1.3 1.3 微型计算机的运算基础微型计算机的运算基础1.3.1 1.3.1 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法1.3.2 1.3.2 计算机的运算计算机的运算2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理611.3 1.3 微型计算机的运算基础微型计算机的运算基础1.3.11.3.1计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法1.1.机器数和真值机器数和真值2.2.有

48、符号的机器数表示方法有符号的机器数表示方法3.3.数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示4.4.无符号数的机器数表示方法无符号数的机器数表示方法2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理621.3.1 1.3.1 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法1.机器数和真值机器数和真值 在计算机中，无论数值还是数的符号，都只能在计算机中，无论数值还是数的符号，都只能用用0 0、1 1来表示。通常用一个数的最高位作为符号位：来表示。通常用一个数的最高位作为符号位：0 0表示正数，表示正数，1 1表示负数表示负数。在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了的

49、数，称为的数，称为机器数机器数。机器数所表示的真实值则叫。机器数所表示的真实值则叫真真值值。10110101101101010010101000101010例：例：机器数机器数真值（十进制）真值（十进制）-53+42带符号的数带符号的数 符号数字化的数符号数字化的数+0.10110 1011小数点的位置+11000 1100小数点的位置 11001 1100小数点的位置 0.10111 1011小数点的位置真值真值 机器数机器数 机器数与真值机器数与真值2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理642.2.有符号的机器数表示方法有符号的机器数表示方法常用三种常用三种原码原码反码反码补码

50、补码1.3.11.3.1计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法2022-11-16第一章 微机系统组成及工作原理65(1)(1)原码原码-最高位表示符号最高位表示符号,数值位用二进制绝对值表示。数值位用二进制绝对值表示。设机器数位长为设机器数位长为n n，则数则数X X的的原码定义原码定义为：为：n n位原码表示数值的范围位原码表示数值的范围:-(2-(2n-1n-1-1)-1)+(2+(2n-1n-1-1)-1)XX原原=0X0X1 1X X2 2X Xn-1n-1(X0)(X0)1X1X1 1X X2 2X Xn-1 n-1=2 2n-1n-1+X(X0+X(X0)1.3.11.3.1计