微处理器结构及基本工作原理
微机原理是什么
微机原理是什么微机原理是一种基于微处理器的计算机系统工作原理的概述。
微机原理基于冯·诺依曼体系结构，其中包括一个中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出设备。
CPU是微机的核心部件，它由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责指挥各个部件的工作，并根据存储器中的指令执行操作。
寄存器是CPU内部用于存储数据的快速存储单元。
微机的存储器分为主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储CPU当前正在执行的程序和数据，是CPU与外部设备之间进行信息交换的地方。
辅助存储器则用于长期存储程序和数据，如硬盘、光盘等。
输入/输出设备允许用户与系统进行交互，并将数据和程序输入到主存储器或将结果从主存储器输出。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、摄像头等，输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。
在微机系统中，CPU通过总线与存储器和输入/输出设备进行通信。
总线是一组电子线路，负责传输数据和控制信号。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据，地址总线用于指示存储器中的位置，控制总线用于传输控制信号。
微机系统的工作原理是，当用户输入指令或数据时，这些信息被传送到主存储器。
CPU从主存储器中读取指令并执行，根据指令所包含的操作码和操作数进行相应的算术和逻辑运算。
CPU还可以将结果存储回主存储器，或将结果发送到输出设备。
通过微处理器和微机原理，微机可以高效地执行各种计算和处理任务，并实现与用户的交互。
微机的工作原理不仅可用于个人电脑，还可以应用于嵌入式系统、工控系统、服务器等不同领域。
详细介绍微处理器的组成结构、功能模块及工作原理。
详细介绍微处理器的组成结构、功能模块及工作原理。
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微处理器的工作原理
微处理器的工作原理
微处理器是计算机的核心组件之一，它具有执行各种计算任务和控制计算机操作的功能。
微处理器的工作原理可以总结为以下几个关键步骤：
1. 取指令：微处理器从内存中读取指令，并将其存储在指令寄存器(IR)中。
2. 解码指令：微处理器解码指令以确定应该执行的操作。
3. 执行操作：根据解码后的指令，微处理器执行相应的操作，如加法、减法、逻辑运算等。
4. 访问存储器：在执行操作的过程中，微处理器可能需要从内存中读取数据或将结果写入内存。
5. 更新寄存器：微处理器利用寄存器来存储临时数据和运算结果。
在执行操作的过程中，微处理器将根据需要更新寄存器中的内容。
6. 控制流程：微处理器根据指令执行的结果来决定下一步应该执行的指令。
这包括跳转指令、条件分支等。
以上是微处理器的基本工作原理。
微处理器通过不断循环这些步骤，可以高效地执行各种计算任务，并控制计算机的运行。
随着技术的发展，微处理器的性能和功能不断提升，使得计算机能够进行更加复杂和高效的计算和操作。
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。
第2章微型计算机系统的组成及工作原理
2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成 信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、 状态、I/O命令 信息链：信息流在系统中流动的路径； 包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各 部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口 内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映 射到另一条总线上 北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥 南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路 保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应 不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念
微型计算机原理与应用三
3.3 8086的寄存器结构
8086CPU内部具有14个16位寄存器，用于 提供运算、控制指令执行和对指令及操作数寻 址，也就是以前提到的工作寄存器组，基本分 为通用寄存器组、控制寄存器组和段寄存器组。
• 通用寄存器组
8个16位通用寄存器组分为两组：数据寄 存器及地址指针和变址寄存器。
1. 数据寄存器
数据寄存器包括AX、BX、CX和DX。在指 令执行过程中既可用来寄存操作数，也可用于 寄存操作的结果。它们中的每一个又可将高8 位和低8位分成独立的两个8位寄存器来使用。 16位寄存器可以用来存放数据，又可以用来存 放地址。而8位寄存器(AH、AL、BH、BL、CH 、CL、DH和DL)只能用于存放数据。
A L U
标志寄存器
执行 控制
电路
指令对列
1
2
3
4
8086为 6 字节
执行单元（EU）
总线接口单元
（BIU）
• 总线接口单元(BIU)
BIU包括４个段寄存器、指令指针IP(PC)、 指令队列寄存器(IR)、完成与EU通讯的内部寄 存器、地址加法器和总线控制逻辑。它的任务 是执行总线周期，完成CPU与存储器和I/O设备 之间信息的传送。具体地讲，就是取指令时， 从存储器指定地址取出指令送入指令队列排队； 执行指令时，根据EU命令对指定存储单元或I/O 端口存取数据。
决定I/O地址空间的容量。例如在8086CPU系统 中，地址总线的条数为20条，则存储器的最大 容量为220，即1MB字节；它的地址总线的低16 位用来对I/O端口编址，则I/O地址空间的容量为 216，即64K个I/O端口地址。
• 存储器和I/O端口的组织
地址 存储器中的字节 0 1
接 口 CPU 数 据 线 控 制 线 地 址 线 高位决定模块 I/O接口 I/O端口 I/O设备 01
微机原理第三章：8086微处理器结构
4．8086 和8088 二者的指令系统完全兼容
（1）有24 种寻址方式，具有乘、除法指令等。 （2）取指令和执行指令的操作并行运行，运行速度大大提高。
（3）具有最小模式和最大模式，应用领域宽广，适应性强。
（4）可方便地和数据处理器8087、I/O 处理器8089 或其它处理器 组成多处理机系统，提高数据处理能力和输人输出能力。
代码段寄存器 CS 标 志 寄 存 器
数据段寄存器 DS
堆栈段寄存器 SS
附加段寄存器 ES
由于8086/8088 CPU 可直接寻址的存储器空间是1M字节，直接寻址需要 20位地址码，而所有的内部寄存器都是16位的，用这些寄存器只能寻址 64K字节，为此需要采取分段技术来解决这个问题。
表3.1
通用寄存器的隐含使用
程序调试过程中。
3.1.2 8086/8088 的寄存器结构
四、指令指针寄存器 IP ★ 16 位的指令指针寄存器 IP 用来存放将要执行的下一条 指令在代码段中的偏移地址。 ★ 在程序运行过程中，BIU 可修改 IP 中的内容，使它始终 指向将要执行的下一条指令。 ★ 程序不能直接访问 IP，但可通过某些指令修改 IP 内容。 ★ 如遇到转移类指令，则将转移目标地址送人IP中，以实 现程序的转移。
★ 规则字的读／写操作可以一次完成。由于两个存储体上的地址
线 A19～A1 是连在一起的，只要使 A0＝０，BHE＝０，就可 以实现一次在两个存储体中对一个字的读／写操作。 ★ 读写的是从奇地址开始的字（高字节在偶体中，低字节在奇体 中），这种字的存放规则称为“非规则字”或“非对准字”。 ★ 非规则字的读／写，需要两次访问存储器才能完成。 第一次访问存储器读／写奇地址中的字节；
三、标志寄存器 FR
微机原理第二章8086微处理器
▪ 这些引脚就是微处理器级总线。微处理器通过微处理器 级总线沟通与外部部件和设备之间的联系。这些总线及 其信号必须完成以下功能：
▪ （1）和存储器之间交换信息； ▪ （2）和I/O设备之间交换信息； ▪ （3）为了系统工作而接收和输出必要的信号，如输入
▪ 时钟信号输入端。19 CLK（输入） ▪ 8086和8088为5MHz。 ▪ 8086/8088的CLK信号必须由8284A时钟发生器产生。 ▪ 微处理器是在统一的时钟信号CLK控制下，按节拍进行
工作的。
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8086/8088微处理器——微处理器的引脚功能
▪ 工作方式控制线 33
指令执行示例
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第二章：8086/8088微处理器
1. 微处理器ห้องสมุดไป่ตู้结构 2. 微处理器的内部寄存器 3. 微处理器的引脚功能 4. 微处理器的存储器组织 5. 最大模式和最小模式 6. 微处理器的时序
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▪ 存储器分段
▪ 由于CPU内部的寄存器都是16位的，为了
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第二章：8086/8088微处理器
1. 微处理器的结构 2. 微处理器的内部寄存器 3. 微处理器的引脚功能 4. 微处理器的存储器组织 5. 最大模式和最小模式 6. 微处理器的时序
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8086/8088微处理器——微处理器的引脚功能
▪ 一、微处理器的外部结构
时钟脉冲、复位信号、电源和接地等。
微机工作的基本原理
微机工作的基本原理
微机工作的基本原理是指微处理器的运行原理。
微机的基本组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。
其中，中央处理器是整个系统的核心，负责进行数据的处理和指令的执行。
具体来说，中央处理器由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责指令的解码和调度，通过时钟控制执行各个指令。
算术逻辑单元则负责进行数据的运算和逻辑判断。
中央处理器通过总线与其他部件进行通信，实现数据的传输和交互。
微机的内存用于存储程序和数据。
其中，随机存储器（RAM）用于临时存储程序和数据，而只读存储器（ROM）用于存储
不可更改的程序和数据。
中央处理器可以从内存中读取指令和数据，并将处理结果写回内存。
输入输出设备用于与外部环境进行数据的交互。
例如，键盘、鼠标等输入设备用于接收用户的输入，显示器、打印机等输出设备用于向用户显示结果。
中央处理器通过输入输出控制器与输入输出设备进行通信，实现数据的输入和输出。
微机的工作过程可以简化为以下几步：首先，中央处理器从内存中读取指令。
然后，控制单元对指令进行解码，并调度算术逻辑单元执行相应的运算和逻辑操作。
处理结果存储到内存中或通过输出设备展示给用户。
整个过程通过时钟信号进行同步。
总之，微机工作的基本原理可以概括为指令的解码和执行、数据的传输和存储，以及与外部设备的交互等关键步骤。
通过这些操作，微机能够完成各种应用程序的运行和数据处理。
第2章 微型计算机和微处理器的结构
2.1.1 微处理器（微处理机）
微处理器：是微型计算机的中央处理部件，是由一片 或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称 CPU（Center Process Unit）。其内部通常包括算术逻辑 部件，累加器、通用寄存器组，程序计数器，时序和控制 逻辑部件，内部总线等等。 2.1.2 存储器
存储结果 1
取指令 4
……
EU
……
译码 1
执行 1
译码 2
执行 2
……
（b）流水处理
如图： 8086/8088 CPU 由于指令执行部件EU和总线接口 部件BIU相互独立，可并行操作，进行流水线处理。若一条指 令执行过程中不需要从存储器取操作数和向存储器存储结果， 即不占CPU总线时间，总线接口部件便可对下一条要执行的指 令预取。可见。采用流水线技术提高了指令执行速度。
2.2.3 8086/8088微处理器的功能结构 从功能上来看，8086/8088 CPU可分为两部分，即总线接 口部件BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（Execution Unit）。
图2.3 8086/8088CPU内部功能结构图
(1) 执行部件（EU）
功能：负责指令的执行。(主要进行8位及16位的各种运算) 组成：①ALU(算术逻辑单元)； ②通用寄存器组； ③标志寄存器（ FLAGS ）。 ①通用寄存器（AX、BX、CX、DX） 8086 有4个16位的通用寄存器（AX、BX、CX、DX）， 可以存放16位的操作数，也可分为8个8位的寄存器（AL、AH； BL、BH；CL、CH；DL、DH）来使用。其中AX称为累加器， BX称为基址寄存器，CX称为计数寄存器，DX称为数据寄存 器。这些寄存器在具体使用上有一定的差别，如表2-1所示。
微处理器概述
每段最大64KB。 4．存储器中保留两个固定的区域，一个是初始化程序区FFFFFH—
FFFF0H，另一个为中断向量表003FFH—00000H。 5．4特权级，在实地址方式下，程序在最高级0级上执行，指令集
除少数指令外，绝大多数指令在实地址方式下都有效。
2022年3月14日星期一1.5 Intel处理器的命源自方法Pentium 处理器号
处理器号如3XX（赛扬系列处理器）、5XX （Pentium 4系列）和7XX（Pentium M系列）等。
处理器号描述了处理器的体系架构、高速缓存、主 频、前端总线以及其它技术。处理器号用于区分某 一处理器家族内部的相关总体特性。
时钟频率
3.80 GHz 3.60 GHz 3.60 GHz 3.40 GHz 3.40 GHz 3.20 GHz 3.20 GHz
3 GHz 3 GHz 3.40 GHz 3.20 GHz 3 GHz 2.80 GHz
前端总线 频率
800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz
Cure 2 Duo Xnmmm
X:热功耗E(≥50W);T(25-49W)L(15-24)U(≤14) n:处理器类型(奇数为移动机,偶数为台式机用) mmm:产品型号 如Intel Core 2 Duo E6600;Core 2 Duo T7600
Pentium4系列
处理器号
670 661 660 651 650 641 640 631 630 551 541 531 521
微型计算机原理范文
微型计算机原理范文一、硬件原理1.数据传输：微型计算机通过数据总线、地址总线和控制总线来实现数据的传输。
数据总线用于传输数据信息，地址总线用于传输存储器或外设的地址，控制总线用于传输控制信号。
2.运算：中央处理器是微型计算机的核心组件，主要负责数据的处理和运算。
它由算术逻辑单元（ALU）和控制单元组成。
ALU用于进行算术和逻辑运算，控制单元用于控制指令的执行顺序。
3.存储：主存储器用于存储数据和程序。
它的存取速度较快，但容量较小。
微型计算机还可以连接辅助存储器，如硬盘、光盘和闪存，用于存储大量的数据和程序。
4.控制：微型计算机通过控制单元来控制指令的执行。
控制单元根据指令寄存器中的指令来产生相应的控制信号，实现指令的取指、译码、执行和访存等过程。
5.外围设备：微型计算机可以连接各种外围设备，如显示器、打印机、键盘、鼠标、扫描仪等。
它们通过输入输出端口与计算机系统进行通信。
二、软件原理1.系统软件：系统软件包括操作系统和语言处理程序等。
操作系统是微型计算机的核心软件，负责管理计算机的硬件资源和提供给应用软件的环境。
语言处理程序用于将高级语言转换为计算机可以执行的机器语言。
2.应用软件：应用软件包括各种办公软件、设计软件、娱乐软件等。
它们是根据用户需求来开发的，用于解决特定的实际问题。
三、微型计算机的工作原理1.初始化：当微型计算机通电时，控制单元首先从BIOS（基本输入输出系统）中读取并执行一段特定的程序，进行系统的初始化。
2.取指：控制单元从主存储器中按照程序计数器指定的地址读取指令，存放在指令寄存器中。
3.译码：控制单元对指令进行译码，确定指令的执行类型和操作对象。
4.执行：根据指令的类型和操作对象，控制单元产生相应的控制信号，使算术逻辑单元和主存储器执行相应的操作。
5.存取数据：微型计算机通过数据总线和地址总线将数据和地址传输到相应的部件，实现对数据的存取。
6.结果输出：微型计算机将运算结果通过数据总线和输出接口传输到相应的外围设备，如显示器或打印机。
微型计算机原理与应用第3章微机系统中的微处理器
n位，
则可有2n个地址(0～2n-1)。对于单地址空间的微处理器， 若
地址总线的数目为n字节。
第3章 微机系统中的微处理器
第3章 微机系统中的微处理器
对于存储器和I/O地址空间独立的微处理器来说，地址总线 的条数决定了存储器地址空间的容量，而地址总线中用于I/O 端口编址的条数决定I/O地址空间的容量。通常 8 位微处理器 (如 8080 CPU和Z80 CPU)的地址总线为 16条，这就意味着存 储器最大容量为216(65536)字节，地址总线的低 8 位用来对 I/+O端口编址，所以I/O地址空间容量为28(256)字节。16 位微 处理器，如 8086 CPU地址总线 20 条，存储器的最大容量为：
第3章 微机系统中的微处理器
工作寄存器：暂存用于寻址和计算过程的信息。工作寄存 器分为两组：数据寄存器组和地址寄存器组。但有的寄存器兼 有双重用途。数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。由 于通过外部总线的传送操作是限制计算速度的主要因素，存取 寄存器要比访问存储器快得多，所以如要对一组数据执行几种 操作时，最好将数据存入数据寄存器，进行必要的计算，然后 将结果送回存储器。一般情况下，CPU所含的数据寄存器越多， 计算速度越快。地址寄存器组用于操作数的寻址。寻址方式通 常有：指令所处理的数据是指令的一部分，操作数的地址是指 令的一部分，操作数在寄存器中，操作数的地址在寄存器中， 或者操作数的地址可以是指令的一部分与一个或两个寄存器内 容之和。 这些寻址方式中，有几种寻址方式都是把操作数的地 址的全部或部分存放在地址寄存器中，这就增加了寻址方式的 灵活性，也为处理数组元素提供了方便。这些问题将在本章 3.6 节和第 4 章进一步说明。
某些微处理器用单地址空间。 某些微处理器用单地址空 间(即对存储单元和I/O端口统一编址)来对存储器单元和I/O端 口进行存取，读写控制信号用来区分CPU是进行读(输入)操作 或写(输出)操作。这种方式下， 对存储单元和I/O端口的存取 指令是一样的。而大多数微处理器则是有两个独立的地址空 间， 即存储器地址空间和I/O地址空间。此时，某存储单元和 I/O端口可能对应于同一地址。在这种情况下，则必须利用地 址总线和控制总线中的某些控制线一起共同确定CPU访问存 储器地址空间和I/O地址空间中的哪个地址空间。例如用存储 器读写信号和I/O读写信号分别控制对同一地址的存储器单元 和I/O端口进行存取操作。显然，该方式下对存储器读写指令 和对I/O端口输入输出指令是不同的。
第02章 微型计算机系统中的微处理器
主要引线（最小模式下）：
8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX端状态决 定。MN/MX=0工作于最大模式，反之工作于最小模式
AD7---AD0：低8位地址和数据信号分时复 用。在传送地址信号时为单 向，传送数据信号时为双向。 A19--- A16：高4位地址信号，分时复用。 A15--- A8 ：输出8位地址信号。
第2章 微型计算机系统中的微处理器
2.1 微型计算机的组成及工作原理 2.1.1微型计算机基本结构（冯诺依曼结构）
存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内， 使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组 成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行 程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能 的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条 指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指 令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到 完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流 的串行驱动实现程序控制
2.1.2微处理器CPU
1、寄存器组 2、算术逻辑单元ALU 3、控制器 （1）程序计数器PC （2）地址寄存器AR （3）数据寄存器DR （4）指令寄存器IR和指令译码器ID （5）时许部件
2.1.3 总线
1、DB 2、AB 3、CB
2.1.4 存储器----P11 通常指内存，有读、写操作
图2-13 8086CPU最小模式下的典型配置
2．最大工作模式
由图2-4可知， 最大模式配 置和最小模 式配置有一 个主要的差 别： 最大模 式下多了 8288总线控 制器。
图2-4 8086CPU最大工作 模式下的典型配置
2.6 8086的总线时序
1．读周期的时序 2．写周期的时序
1．读周期的时序（图2-9）
第2章
CPU的基本工作原理.
一CPU的原始工作模式在了解CPU工作原理之前,我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。
CPU 是在特别纯净的硅材料上制造的。
一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。
人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。
因此,从这个意义上说,CPU正是由晶体管组合而成的。
简单而言,晶体管就是微型电子开关,它们是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开和OFF(关。
这一开一关就相当于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。
但你不要以为,只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单,其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。
在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。
后来,科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。
看到这里,你一定想知道,晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢?其实,所有电子设备都有自己的电路和开关,电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果你将开关设置为OFF,电子将停止流动,如果你再将其设置为ON,电子又会继续流动。
晶体管的这种ON与OFF 的切换只由电子信号控制,我们可以将晶体管称之为二进制设备。
这样,晶体管的ON状态用“1”来表示,而OFF状态则用“0”来表示,就可以组成最简单的二进制数。
众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况,将其定义为字母、数字、颜色和图形。
举个例子,十进位中的1在二进位模式时也是“1”,2在二进位模式时是“10”,3是“11”,4是“100”,5是“101”,6是“110”等等,依此类推,这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。
成组的晶体管联合起来可以存储数值,也可以进行逻辑运算和数字运算。
微处理器系统原理与应用
计算机系统结构
计算机系统结构是计算机科学的一个 重要分支，主要研究计算机硬件和软 件的组成、设计和实现。微处理器作 为计算机系统的核心部件，是计算机 系统结构的重要组成部分。
功耗、成本等因素。
设计合理的存储器层次 结构，包括高速缓存、 主存和辅助存储器等。
输入输出接口
设计合适的输入输出接 口，以满足与外部设备
的通信需求。
总线设计
设计高效的总线结构， 实现微处理器与各模块
之间的数据传输。
软件设计
操作系统
选择或设计适用于微处理器的操作系统，管 理硬件资源、调度任务等。
调试工具
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微处理器的发展推动了计算机系统结 构的不断演进。随着技术的进步，微 处理器的性能不断提高，功能越来越 强大，使得计算机系统的性能和功能 也得到了极大的提升。
人工智能与机器学习
人工智能和机器学习是当前计算机科学领域最热门的研究方向之一，它们的目标是让计算机能够像人 类一样具有智能和学习能力。微处理器作为人工智能和机器学习应用的硬件基础，发挥着至关重要的 作用。
微处理器的发展历程
01
1970年代初，微处理器诞生，如Intel 4004，主要用于计算器和控制 器。
02
1980年代，随着8位和16位微处理器的出现，微处理器开始广泛应用 于家用电器、工业控制等领域。
03
1990年代，32位微处理器逐渐成为主流，如Intel Pentium系列，广 泛应用于个人计算机和服务器。
04
进入21世纪，64位微处理器和多核处理器成为趋势，广泛应用于高 性能计算、云计算等领域。
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4位
8080
8位
8088/ 8086/80286
16 位Байду номын сангаас
80386/80486、Pentium 32 位
Itanium（安腾）
64 位
1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011
+ 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000
1 1 1111 1 111 1
在循环指令和字符串指令中作为循环次数计数器,每 作一次循环，CX的内容自动减1
CL 在移位/循环指令中作移位次数计数器使用
在字乘法/除法指令中存放乘积高位或被除数高位或 DX 余数；在间接寻址的输入/输出指令中作地址寄存器
使用
SI
在字符串运算指令中作源变址寄存器使用；在间接寻 址的指令中作变址寄存器使用
通 用 寄 存 器
TMP TMP
16 16 ALU
标志寄存器 FR
20
地址产
生器
16
CS ES
16
SS
DS
16 IP
通信寄
总线 控制
存器
逻辑
8
控制单
EU微元处理器结构及基本工作指 器原令理 队列缓冲
BIU
2.2 8086CPU内部结构框架
通 用 寄 存 器
TMP TMP
16 16 ALU
标志寄存器FR
SI
DI SP BP
四个16位通用寄存器、两个变址寄 存器、两个指针寄存器。
AX：累加器（Accumulator） BX：基址寄存器（Base Index） CX：计数寄存器（Count Index） DX：数据寄存器（Data Index） SI：源变址寄存器（Source Index） DI：目标寄存器（Destination Index） SP：堆栈指针（Stack Pointer） BP：微处基理器址结构指及基针本工（作原B理ase Pointer）
数据总线：16位 地址总线：20位，可直接寻址的地址空间为
1M字节。
8088：准16位机，CPU内部数据总路线为16位，外部8 位，20位地址总线，推出8088的目的是为了向下兼容以 前的8位微型机。
微处理器结构及基本工作原理
2. 8086/8088内部结构
8086CPU结构框图及分析
内
指令执行单元EU
10110101 + 10001111 进位 1 1 1 1 1 1 1
01000100
被加数8位 加数8位
和8位
被加数
运运 算算 器器
加数
和
进位
标PS志W 标寄志存寄存器器
微处理器结构及基本工作原理
▲字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。
不同类型的CPU有不同的字长。
如: Intel 4004
3.当指令队列已满而EU对BIU又无总线访问请求时，BIU进入
空闲状态；
4.在执行转移、调用和返回指令时，指令队列中原有内容被自
动清除。
微处理器结构及基本工作原理
2.3 8088CPU内部结构框架
微处理器结构及基本工作原理
2.4 寄存器－通用寄存器
15 8 7 0
AX AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL
1
0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011
微处理器结构及基本工作原理
被加数 加数 进位 和
4位 8次 8位 4次 16位 2次 32位 1次
8086/8088CPU性能指标
8086：是INTEL系列16位微处理器，采用HMOS（高密 度金属氧化物半导体）技术，集成度为29000个管／片。
第三章 8086/8088微机体系结构
微处理器性能指标 重点 ： 8086CPU的组成及
各部分的作用，8086存储器
8086/8088内部结构的分段、物理地址的形成 ，
8086工作时序，堆栈的概念
存储器结构
8086/8088CPU引脚及功能
8086/8088系统配置
难点：8086工作时序、 物理地址的形成
DI
在字符串运算指令中作目标变址寄存器使用；在间接 寻址中作变址寄存器使用
BP 在间接寻址的指令中作基址微处指理针器使结构用及基本工作原理 SP 在堆栈操作中作堆栈指针使用
8086/8088CPU内部时序
微处理器结构及基本工作原理
1.微处理器性能指标
字长 指令系统 基本指令执行时间 访问存储器能力 是否能构成多处理器系统 工艺形成及其它
微处理器结构及基本工作原理
1.1字长
字长：是微处理器在交换、加工、存储信息时， 其信息位的最基本的长度。与数据总线的 根数和内部寄存器的位数相同。
微处理器结构及基本工指作原令理队列缓冲器
EU
BIU
微处理器结构分析
总线利用率高。
串行结构：取指令[－>取操作数]－>执行指令－>存放结果
CPU利用率高，计算速度快。
两部分的动作管理遵循以下原则。
1.每当8086的指令队列中有2个空字节，BIU就会自动把指令
取到指令队列中；
2.同时EU从指令队列中取出一条指令并分析、执行指令；
执行部件EU2的0 作用：负责 执地行址指产令、形成有效地址EA。 EU 生包器括四部分：
16
运算器＝CESAS LU+T1E6MP
SS
通1用6 寄存DIP器S
通信寄存
总线 控制
标志寄存器器
逻辑
控制单元
控8 制单元
微处理器结构及基本工指作原令理队列缓冲器
EU
BIU
2.2 8086CPU内部结构框架
部
总线接口单元BIU
结
8088CPU的指令流水线
构
8086CPU内部寄存器
通用寄存器 段寄存器 标志寄存器 微处指理器令结构指及针基本寄工作存原理器
2.1 8086CPU工作方式
微处 理器
存
00000H
储
器
代码段
存储
数据段
器接 口电
堆栈段
路
附加段
代码段1
微处理器结构及基本工作原理
FFFFFH
2.2 8086CPU内部结构框架
AX 在输入/输出指令中用作数据寄存器；在乘法指令中 AL 存放被乘数或乘积；在除法指令中存放被除数或商
AH 在LAHF指令中作为目标寄存器使用
AL
在BCD码及ASCⅡ运算指令中作累加器使用；在 XLAT指令中作累加器使用
BX
在间接寻址方式中作基址寄存器使用；在XLAT指令 中作基址寄存器使用
CX
通总线接口部件BIU的作用是 预取指用令、形成实际地址PA、
地址产
20
输分入组输成寄 存 器出：数据。BIU主要由五部
生器
指令队列缓冲器 16
地址产生器
TMP TMP
段寄存器
CS ES
16
SS
DS
16 IP
通信寄存 器
总线 控制 逻辑
16 1指6 令指A针LU寄存器
8
总线标志控寄制存器逻FR辑 控制单元