《微机原理与接口技术》教案

第 1 章微型计算机概述1.1微型计算机的特点和发展1.电子计算机的分类：按体积、性能和价格可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机五类。

2.微型机的特点(1)体积小、重量轻。

(2)价格低廉。

(3)可靠性高，结构灵活。

(4)应用面广。

3.微型机的发展(1)1971年~1972年的Intel 4004、4040、8008微处理器。

4位或8位，集成度2千管/片。

时钟频率1MHz。

(2)1973年~1977年的Intel 8080/8085，Zilog的Z80、Motorola的6800/6802、Rockwell的6502微处理器。

8位，集成度5千~1万管/片。

时钟频率2~4MHz。

(3)1977年~1979年的Intel 8086/8088，Zilog的Z8000、Motorola的68000微处理器。

16位高性能，时钟频率4~8MHz左右。

集成度2万~6万管/片。

(4)1980年~1983年的Intel 80286、M68010微处理器。

16位高性能，时钟频率10MHz左右。

集成度10万管/片。

(5)1983年~1993年的Intel 80386、80486、Motorola的68020微处理器等。

32位，时钟频率16~80MHz左右。

集成度15万~1百万管/片。

(6)1993年~1995年的Intel Pentium（586级）处理器，32位或64位数据线（内部为32位），36位或64位地址线。

集成度310万管/片。

(7)1995年~2004年的Pentium Pro（686级）处理器、Pentium MMX、PII、PIII、PⅣ等处理器。

32位或64位数据线（内部为32位），36位或64位地址线。

时钟频率66~3.08GHz左右。

集成度几百万~几千万管/片。

(8)2004年的Itanium（安腾）处理器，全64位架构，集成度2.2亿管/片。

(9)多媒体计算机、微型机网络等。

1.2微型机的分类微型机按组成可分为：位片式、单片式、多片式。

微型机按处理器的字长（最通常的分类法）来分类。

微处理器有：1.4位微处理器：Intel 4004、4040。

2.8位微处理器：Intel 8080/8085，Zilog的Z80、Motorola的6800/6802、Rockwell的6502等微处理器。

3.16位微处理器：Intel 8086/8088，Zilog的Z8000、Motorola的68000/68010、Intel 80286等。

其中IBM PC/XT是Intel 8088为CPU的16位微型机。

4.32位微处理器：Intel 80386、80486、Motorola的68020微处理器等。

Intel Pentium（586级）处理器、Pentium Pro（686级）处理器、PII、PIII等。

5.位片式微处理器：Intel 3000系列（2位）、AM2900系列（4位）、MC10800系列（4位）、F100220系列（8位）等。

1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统1.3.1微处理器微处理器是微型计算机的核心，又叫中央处理器CPU，是控制器和运算器的合称。

1.CPU一般具有下列功能(1)可以进行算术和逻辑运算；(3)能对指令进行译码并执行规定的动作；(4)能和存储器、外设交换数据；(5)提供整个系统所需要的定时和控制；(6)可以响应其他部件发来的中断请求。

2.CPU在内部结构上都包含下面这些部分(1)CPU内部的算术逻辑部件：专门用来处理各种数据信息。

它可以进行加、减、乘、除算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算。

(2)累加器和通用寄存器组：用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址。

(3)程序计数器：指向下一条要执行的指令。

指令寄存器：存放从存储器中取出的指令码。

指令译码器：对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。

(4)时序和控制部件：指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，从而，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。

(5)32位的CPU芯片中还集成了浮点运算器、存储管理器和高速缓存等部件。

3.CPU的控制信号(1)一类是通过指令的译码，由CPU内部产生的。

由CPU送到内存、I/O接口电路和其他部件。

(2)另一类是微型机系统的其他部件送到CPU的，通常用来向CPU发出请求。

1.3.2微型计算机1.微型计算机：由CPU、存储器、输入/输出接口电路和系统总线构成。

(1)CPU：微型计算机的心脏，它的性能决定了整个微型机的各项关键指标。

(2)存储器：包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

(3)输入/输出接口电路：用来使外部设备和微型机相连。

(4)总线：为CPU和其他部件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道。

2.三种不同功能的总线(1)数据总线：用来传输数据（包括指令、状态量等）。

双向三态。

(2)地址总线：专门用来传送地址信息。

单向输出。

地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存范围。

(3)控制总线：用来传输控制信号。

1.3.3微型计算机系统由作为主体的微型计算机、配上系统软件和外设组成。

1.系统软件：包括操作系统和一系列系统实用程序。

2.外设：用来使计算机实现数据的输入/输出的外部设备。

1.4微型计算机的应用1.微型机的优点：体积小、价格低、耗电少、可靠性高等优点。

2.微型计算机的应用：(1)科学计算(2)信息处理(3)过程控制；(4)仪器、仪表控制(5)家用电器和民用产品控制3.微型计算机的当前发展方向：(1)一个是高性能、多功能的方向，从这方面不断取得的成就使微型机逐步代替价格昂贵、功能卓越的中、小型机；(2)另一个是价格低廉、功能专一的方向，这方面的发展使微型机在生产领域、服务部门和日常生活中得到越来越广泛的应用。

第 2 章16位和32位微处理器微处理器的性能指标最主要的是以下两项：1.字长：这是指CPU能同时处理的数据位数，也称为数据宽度。

字长越长，计算能力越高，速度越快，但集成度要求也越高，工艺越复杂。

(1) 8086/80286处理器是16位字长。

(2) 80386/80486/ Pentium系列处理器是32位字长。

(3)最新的Itanium（安腾）处理器是64位字长。

2.主频：即CPU的时钟频率，这和CPU的运算速度密切相关，主频越高，运算速度越快。

2.116位微处理器80862.1.18086的编程结构1. 8086简介(1) 8086是Intel系列的16位微处理器。

集成度约29000个晶体管。

(2) 8086有16根数据线和20根地址线。

寻址能力为220=1MB。

(3) 8086工作时，只要一个电源（+5V）和一相时钟，时钟频率为5MHz。

2.8088简介：除对外的数据线只有8条（准16位微处理器）外，其他同8086。

3.编程结构：指从程序员和使用者的角度看到的CPU结构。

即编制程序时所需了解的结构。

4.8086 CPU的编程结构图：见书第9页图2.1所示。

包括两个部分：(1)总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）；(2)执行部件EU（Execution Unit）。

1.总线接口部件(1)总线接口部件的功能：负责与存储器、I/O端口传送数据。

(2)总线接口部件的组成部分1)4个段地址寄存器CS——16位的代码段寄存器；DS——16位的数据段寄存器；ES——16位的扩展段寄存器；SS——16位的堆栈段寄存器。

2)16位的指令指针寄存器IP；3)20位的地址加法器；4)6字节的指令队列。

(3)8086/8088 BIU的特点1)8086指令队列为6个字节，8088指令队列为4个字节。

它们在执行指令的同时，从内存中取下一条或下几条指令，放在指令队列中。

2)地址加法器用来产生20位的物理地址。

物理地址（PA）=段基址×10H+偏移地址（EA）2.执行部件(1)执行部件的功能：负责指令的执行。

将指令译码并利用内部寄存器和ALU对数据进行所需的处理。

(2)执行部件的组成部分1)4个通用寄存器，即AX，BX，CX，DX；2)4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器SI，目的变址寄存器DI；3)标志寄存器（PSW）；4)算术逻辑部件（ALU）。

(3)8086/8088 EU的特点1)4个通用寄存器既可以作为16位寄存器使用，也可作为8位寄存器使用。

8位寄存器用时，取名为：AH和AL、BH和BL、CH和CL、DH和DL。

3)算术逻辑部件主要是加法器。

4)标志寄存器PSW共有16位（7位未用），所用的各位含义如下：的操作。

状态标志共6个，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF。

①符号标志SF：它和运算结果的最高位相同。

它指出前面的运算执行后的结果是正（SF=0）还是负（SF=1）。

②零标志ZF：如果当前的运算结果为0，则ZF=1；如果当前的运算结果不为0，ZF=0。

③奇偶标志PF：如果运算结果的低8位中所含的1的个数为偶数，则PF=1；否则PF=0。

④进位标志CF：执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，则CF=1；否则CF=0。

另外循环指令也影响CF。

⑤辅助进位标志AF：当加法运算时，第三位往第四位（即半字节）有进位，或减法运算时第三位从第四位有借位，则AF=1；否则AF=0。

用于BCD码的调整依据。

⑥溢出标志OF：当运算过程中产生溢出时，OF=1；否则OF=0。

溢出：当字节运算的结果超出了范围–128~+127，或者当字运算的结果超出了范围–32768~+32767时称为溢出。

ii)控制标志：是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。

控制标志有3个：DF、IF、TF。

①方向标志DF：控制串操作指令用的标志。

DF=0，则串操作过程中地址会不断增值；DF=1，则串操作过程中地址会不断减值。

②中断标志IF：控制可屏蔽中断的标志。

IF=0，则CPU不能对可屏蔽中断做出响应；IF=1，则CPU可以接受可屏蔽中断请求。

③跟踪（单步）标志TF：TF=1，则CPU按跟踪（单步）方式执行指令。

附注（第1版和第2版中的内容）：总线接口部件和执行部件的动作管理每当8086的指令队列中有2个空字节（8086按字取指令），或者8088的指令队列中有一个空字节（8088按字节取指令）时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。

每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU的指令队列前部取出指令代码，然后去用几个时钟周期去执行指令。

在执行指令的过程中，若必须访问内存和外设，则EU就会请求BIU进入总线周期去完成访问内存或外设端口的操作；若此时BIU正好处于空闲状态，则会立即响应EU的请求。