微机原理第1章微型计算机系统基本组成原理2019.ppt
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课程介绍
• 课程在计算机课程体系中的位置 • 课程教学目的 • 课程要求 • 课程学习方法 • 课程内容组织 • 课程考核要求
2020/10/29
课程在计算机课程体系中的位置
算 法 算设 机计 理、 论数 课值 程分 、析 数、 学信 基号 础与 课 软
下来,从而改变被写单
元的内容。
FFFFFH 01110010
内存示意图
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
③ 内存分类
按工作方式的不同，内存分为两大类：
特点
➢ 随机存取存储器(RAM) 可被CPU随机的读
和写,断电后所有信息
➢ 只读存储器(ROM) 会消失。
特点 只能被CPU随机读取， 不能任意写入。断电后信 息不会丢失。
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
多层总线结构示意图(以双层为例):
真正实现了多层总线上的并行工作。这
对等M效PU总线带宽的局部增I加/O，系统数据处理和
数据传输效局率的提高，效果更明全显。
总线控 部
局部M
全
制逻辑 总
线
局 局
缓冲器
M I/O
DMA控制器
全局总线
1.1.2 各大组成部分概述
微机系统由硬件和软件两大部分组成的，在 硬件上主要由以下几部分组成：
➢ 微处理器（MPU) ➢ 存储器 ➢ I/O设备及接口
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
1. 微处理器
---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，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，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 及缓冲器三大部分，每部分又各由一些基本部件 组成。
2020/10/29
第七章重点
• 中断的响应条件和中断处理过程； • 两种多中断源服务判决方法的原理、特点及其带
来的优缺点 ； • 8259内部寄存器的读/写控制方法，命令字格式和
编程； • 用户中断入口地址的设置； • 计数器用作计数和定时的原理； • 8254的工作方式及初始化编程； • 并行接口和串行接口的异同； • 8255的三种工作方式及编程使用。
累加（ACC） 累加锁存器
暂存器
算 术 逻 辑 单 元 （ A LU )
运算器 标志寄存器（FR）
1.1.2 各大组成部分概述
2. 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。
① 内存单元的地址和内容
➢ 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(8位) 的二进制信息。内存单元的总数 目叫内存容量。
4. 从系统的角度弄清楚“软件发出I/O写指令→CPU及译码 电路产生数据/控制信号→接口电路产生对外设的数据信 号和控制信号”的过程，以及“外设的数据和运行状态→ 接口电路→ CPU → I/O读指令将数据或状态送到软件” 的过程；
5. 学会分析与设计接口电路的基本方法 分析接口两侧的情况 合理选择接口芯片 正确分析相关芯片的时序搭配 进行正确的信号转换
2020/10/29
课程考核要求
总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩 • 考试成绩（课堂教学内容）50％ • 实验成绩（实验出勤、实验报告完成及操作
情况）30％ • 平时成绩（作业等学习情况） 20％
2020/10/29
第一章 微型计算机系统基本组成原理
重点：
1.微机系统的三个层次和主要性能指标； 2.三总线结构和各大组成部分的功能； 3.MPU的主要硬件组成及各部分功能； 4.指令和指令执行过程； 5.计算机工作过程的实质； 6.现代主流微机系统的主板结构。
2020/10/29
课程学习方法
特点：本课程涉及的知识范围广，内容多
1. 抓住x86系列微机基本结构这条主线，分析其基本结构，掌 握各接口电路及可编程接口芯片的应用。
2. 进一步扩展和延伸 CPU—从Pentium~Core 2 Duo，实模式~保护模式； 汇编语言－CPU及接口直接控制，16位~32位汇编； 总线—PCI，USB，PCI-Express等； 中断—从实模式下的中断向量～保护模式下的中断描述符； 从传统中断～PCI中断～串行中断 芯片组—从中大规模集成电路(8237、8254、8255、 8259等）~ 超大规模集成电路(MCH、ICH)。 存储管理－从实地址模式到保护模式存储管理
它作原加码对减表值原运示表码•算示简的原不。最单码方高、的位便直定表,义观且示：,0符与有号真两，值种数间值表转位示换用方二方法进便。制,但绝用
2020/10/29
课程学习方法
3. 理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。 掌握汇编语言编程方法 掌握x86系列寻址方式 掌握x86常用指令 学会x86汇编程序编写方法 掌握PC机接口程序的编写方法 充分利用课程实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分 析能力。
2020/10/29
课程学习方法
• 多层总 线结构
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
双总线结构示意图:
I/O总线 M
存储总线
外
I/O
设
接口
P
U
M
➢ 特点：MPU可分别在两套总线上同时与 M和I/O口交换信息。
➢ 优点：展宽了总线带宽，提高了数据传 输速率。
• 单总线 结构
• 双总线 结构
• 多层总 线结构
(以双层 为例）
散据
件
数 结 C++ JAVA VB … 工
学 构 数据库 操作系统 编译系统 程
BIOS与接口驱动程序设计 汇编语言
外围接口电路设计
嵌入式/单片机系统 SOC芯片设计
CPU及整机设计（计算机组成原理） 模拟电路、数字逻辑电路设计
软件类
计 算计 机算 系机 统系 综统 合结 设构 计 硬件类
2020/10/29
2020/10/29
第一章重点
• 微机系统的三个层次和主要性能指标； • 三总线结构和各大组成部分的功能； • MPU的主要硬件组成及各部分功能； • 指令和指令执行过程； • 计算机工作过程的实质； • 现代主流微机系统的主板结构。
2020/10/29
第二章重点
• Intel系列微处理器的演变历史； • Pentium的内部基本寄存器功能及应用； • 操作数寻址方式； • 通用整数指令。
2020/10/29
第三章重点
• 汇编语言程序结构； • 基本结构程序和子程序设计方法；
2020/10/29
第五章重点
• 各类存储器芯片的接口特性和选用原则； • 由存储芯片构成存储系统时，位数、字数的扩
展和片选控制方法。
2020/10/29
第六章重点
• 接口的基本功能和基本结构； • 两种I/O编址方式的特点和优缺点； • 几种I/O同步控制方式的特点和优缺点。
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
3. I/O设备及接口
微机通过I/O设备与外部交换信息,但两者 处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不能 直接兼容,必须在两者之间引入连接电路,即 I/O接口电路。
2020/10/29
1.2 微机的运算基础
1.2.1 计算机中数的表示方法 1.2.2 计算机中有符号数的运算 1.2.3 计算机中无符号数的运算 1.2.4 计算机中的乘除法运算
● 机器数所表示的真实值则叫真值。
例1.1： 机器数
1011010 1 0010101 0
2020/10/29
真值（十进制） -53 +42
1.2.1 计算机中数的表示方法
2.有符号数的机器数表示方法 常用的表示方法有三种:
(1) 原 码 (2) 反 码 (3) 补 码
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
不仅要学习微机各种接口电路的原理与作用，熟悉 PC系列机接口电路，而且还要掌握常用接口的设 计与分析方法，学会使用汇编语言（C语言）对接 口进行编程，并具有一定的动手实验能力和接口应 用程序的编写能力，为微机的深入应用和嵌入式系 统SOC设计等的学习与实践打下良好基础。
下载电子讲义，课堂上注意听讲并及时记录教师课 堂上补充的内容，认真独立完成作业，做好课程实 验、做好课前预习和课后复习。
2020/10/29
第一章 微型计算机系统基本组成原理
1.1 微型计算机系统组成结构 1.2 微型计算机的运算基础 1.3 微型计算机基本工作原理 1.4 目前主流微机系统的硬件配置与主板结构 1.5 微机系统的主要性能指标
2020/10/29
1.1 微型计算机系统组成结构
1.1.1 总的系统结构 1.1.2 各大组成部分概述
课程教学目的
掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技 术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应 用编程方法；
掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访 问的方法。
了解微机技术新的发展趋势，系统科学地获得分 析问题和解决问题的训练；提高分析和设计接口 的能力。
2020/10/29
课程要求
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
微处理器典型结构示意图
地址总线（AB）
数据总线（DB)
地址缓冲器
数据缓冲器 内部总线及缓冲器
指令寄存（IR） 指令译码（ID）
寄 通用寄存器组
存 器 堆栈指针（SP）
组
（RS）
程序计数（PC）
操作控（OC）
… 控制总…线（CB）
2020/10/29
控制器
➢ 多层总线结构
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
单总线结构示意图:
• 单总线 结构
• 双总线 结构
• 多层总 线结构
M
P
U
M
I/O 接口
外 设
➢ 特点：MPU对M和I/O的读写只能分时进行 。
➢ 优点：逻辑结构简单，成本低，实现容易。
2020/10/29
• 单总线 结构
• 双总线 结构
➢ 控制器按指令流驱动的原理工作。
2020/10/29
微 型 计 算 机 系 统
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
1. 三总线结构
硬件
运算器 控制器 存储器 输入/输出设备
各部分间通过三条 总线相连，故这种 系统结构也称为三 总线结构。
软件
系统软件 应用软件
1.1.1 总的系统结构
微型计算机三总线结构示意图:
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
1.机器数和真值 2.有符号数的机器数表示方法 3.数的定点和浮点表示 4.无符号数的机器数表示方法
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
1. 机器数和真值
● 在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了的 数，称为机器数。通常用一个数的最高位作为符 号位：0表示正数，1表示负数。
1.1.2 各大组成部分概述
② 内存操作
CPU对内存的操作有读、写两种。 将内存单元的内容
取入CPU内部,不改变
地址 内容
被读单元的内容。
00000H 00001H 00002H
F0000H
10110010
11000111
00001100
• • •
01111110
• • •
读操作
写操作
CPU 将 其 内 部 信 息 传送到内存单元保存
6.网络学习辅助： 物理与电子工程系-微机原理与接口技术（2019级） 登录密钥：201912
2020/10/29
课程内容组织
• 第1章微型计算机系统基本组成原理 • 第2章微处理器和指令系统 • 第3章汇编语言及编程 • 第4章总线和总线技术 • 第5章存储器 • 第6章I/O接口 • 第7章典型可编程接口芯片及应用 • 第8章常用交互设备及接口 • 第9章模拟I/O 器件及接口 • 第10章多媒体设备及接口
AB
M
DB
P U
CB
三总线
RAM ROM I/O接口
外设
模块间的双向依赖关系变为各模块面向总线的 单向依赖关系，简化了微机的结构。使微机系统 易于扩充和维护。
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
2.总线结构分类
根据总线组织方法的不同，总线结构可分为 以下三类：
➢ 单总线结构 ➢ 双总线结构
➢ 内存中存放的数据和程序形式上 都是二进制数。
➢ 微机通过给每个内存单元规定不 同的地址来管理内存。
地址
00000H 00001H 00002H
F0000H
FFFFFH
内容
10110010 11000111 00001100
• • •
01111110
• • •
01110010
内存示意图
2020/10/29
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结 构——冯·诺依曼结构。结构特点是：
➢ 硬件上由运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备五大部分组成；
➢ 数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在 存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进 制形式；
• 课程在计算机课程体系中的位置 • 课程教学目的 • 课程要求 • 课程学习方法 • 课程内容组织 • 课程考核要求
2020/10/29
课程在计算机课程体系中的位置
算 法 算设 机计 理、 论数 课值 程分 、析 数、 学信 基号 础与 课 软
下来,从而改变被写单
元的内容。
FFFFFH 01110010
内存示意图
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
③ 内存分类
按工作方式的不同，内存分为两大类：
特点
➢ 随机存取存储器(RAM) 可被CPU随机的读
和写,断电后所有信息
➢ 只读存储器(ROM) 会消失。
特点 只能被CPU随机读取， 不能任意写入。断电后信 息不会丢失。
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
多层总线结构示意图(以双层为例):
真正实现了多层总线上的并行工作。这
对等M效PU总线带宽的局部增I加/O，系统数据处理和
数据传输效局率的提高，效果更明全显。
总线控 部
局部M
全
制逻辑 总
线
局 局
缓冲器
M I/O
DMA控制器
全局总线
1.1.2 各大组成部分概述
微机系统由硬件和软件两大部分组成的，在 硬件上主要由以下几部分组成：
➢ 微处理器（MPU) ➢ 存储器 ➢ I/O设备及接口
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
1. 微处理器
---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，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，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 及缓冲器三大部分，每部分又各由一些基本部件 组成。
2020/10/29
第七章重点
• 中断的响应条件和中断处理过程； • 两种多中断源服务判决方法的原理、特点及其带
来的优缺点 ； • 8259内部寄存器的读/写控制方法，命令字格式和
编程； • 用户中断入口地址的设置； • 计数器用作计数和定时的原理； • 8254的工作方式及初始化编程； • 并行接口和串行接口的异同； • 8255的三种工作方式及编程使用。
累加（ACC） 累加锁存器
暂存器
算 术 逻 辑 单 元 （ A LU )
运算器 标志寄存器（FR）
1.1.2 各大组成部分概述
2. 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。
① 内存单元的地址和内容
➢ 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(8位) 的二进制信息。内存单元的总数 目叫内存容量。
4. 从系统的角度弄清楚“软件发出I/O写指令→CPU及译码 电路产生数据/控制信号→接口电路产生对外设的数据信 号和控制信号”的过程，以及“外设的数据和运行状态→ 接口电路→ CPU → I/O读指令将数据或状态送到软件” 的过程；
5. 学会分析与设计接口电路的基本方法 分析接口两侧的情况 合理选择接口芯片 正确分析相关芯片的时序搭配 进行正确的信号转换
2020/10/29
课程考核要求
总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩 • 考试成绩（课堂教学内容）50％ • 实验成绩（实验出勤、实验报告完成及操作
情况）30％ • 平时成绩（作业等学习情况） 20％
2020/10/29
第一章 微型计算机系统基本组成原理
重点：
1.微机系统的三个层次和主要性能指标； 2.三总线结构和各大组成部分的功能； 3.MPU的主要硬件组成及各部分功能； 4.指令和指令执行过程； 5.计算机工作过程的实质； 6.现代主流微机系统的主板结构。
2020/10/29
课程学习方法
特点：本课程涉及的知识范围广，内容多
1. 抓住x86系列微机基本结构这条主线，分析其基本结构，掌 握各接口电路及可编程接口芯片的应用。
2. 进一步扩展和延伸 CPU—从Pentium~Core 2 Duo，实模式~保护模式； 汇编语言－CPU及接口直接控制，16位~32位汇编； 总线—PCI，USB，PCI-Express等； 中断—从实模式下的中断向量～保护模式下的中断描述符； 从传统中断～PCI中断～串行中断 芯片组—从中大规模集成电路(8237、8254、8255、 8259等）~ 超大规模集成电路(MCH、ICH)。 存储管理－从实地址模式到保护模式存储管理
它作原加码对减表值原运示表码•算示简的原不。最单码方高、的位便直定表,义观且示：,0符与有号真两，值种数间值表转位示换用方二方法进便。制,但绝用
2020/10/29
课程学习方法
3. 理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。 掌握汇编语言编程方法 掌握x86系列寻址方式 掌握x86常用指令 学会x86汇编程序编写方法 掌握PC机接口程序的编写方法 充分利用课程实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分 析能力。
2020/10/29
课程学习方法
• 多层总 线结构
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
双总线结构示意图:
I/O总线 M
存储总线
外
I/O
设
接口
P
U
M
➢ 特点：MPU可分别在两套总线上同时与 M和I/O口交换信息。
➢ 优点：展宽了总线带宽，提高了数据传 输速率。
• 单总线 结构
• 双总线 结构
• 多层总 线结构
(以双层 为例）
散据
件
数 结 C++ JAVA VB … 工
学 构 数据库 操作系统 编译系统 程
BIOS与接口驱动程序设计 汇编语言
外围接口电路设计
嵌入式/单片机系统 SOC芯片设计
CPU及整机设计（计算机组成原理） 模拟电路、数字逻辑电路设计
软件类
计 算计 机算 系机 统系 综统 合结 设构 计 硬件类
2020/10/29
2020/10/29
第一章重点
• 微机系统的三个层次和主要性能指标； • 三总线结构和各大组成部分的功能； • MPU的主要硬件组成及各部分功能； • 指令和指令执行过程； • 计算机工作过程的实质； • 现代主流微机系统的主板结构。
2020/10/29
第二章重点
• Intel系列微处理器的演变历史； • Pentium的内部基本寄存器功能及应用； • 操作数寻址方式； • 通用整数指令。
2020/10/29
第三章重点
• 汇编语言程序结构； • 基本结构程序和子程序设计方法；
2020/10/29
第五章重点
• 各类存储器芯片的接口特性和选用原则； • 由存储芯片构成存储系统时，位数、字数的扩
展和片选控制方法。
2020/10/29
第六章重点
• 接口的基本功能和基本结构； • 两种I/O编址方式的特点和优缺点； • 几种I/O同步控制方式的特点和优缺点。
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
3. I/O设备及接口
微机通过I/O设备与外部交换信息,但两者 处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不能 直接兼容,必须在两者之间引入连接电路,即 I/O接口电路。
2020/10/29
1.2 微机的运算基础
1.2.1 计算机中数的表示方法 1.2.2 计算机中有符号数的运算 1.2.3 计算机中无符号数的运算 1.2.4 计算机中的乘除法运算
● 机器数所表示的真实值则叫真值。
例1.1： 机器数
1011010 1 0010101 0
2020/10/29
真值（十进制） -53 +42
1.2.1 计算机中数的表示方法
2.有符号数的机器数表示方法 常用的表示方法有三种:
(1) 原 码 (2) 反 码 (3) 补 码
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
不仅要学习微机各种接口电路的原理与作用，熟悉 PC系列机接口电路，而且还要掌握常用接口的设 计与分析方法，学会使用汇编语言（C语言）对接 口进行编程，并具有一定的动手实验能力和接口应 用程序的编写能力，为微机的深入应用和嵌入式系 统SOC设计等的学习与实践打下良好基础。
下载电子讲义，课堂上注意听讲并及时记录教师课 堂上补充的内容，认真独立完成作业，做好课程实 验、做好课前预习和课后复习。
2020/10/29
第一章 微型计算机系统基本组成原理
1.1 微型计算机系统组成结构 1.2 微型计算机的运算基础 1.3 微型计算机基本工作原理 1.4 目前主流微机系统的硬件配置与主板结构 1.5 微机系统的主要性能指标
2020/10/29
1.1 微型计算机系统组成结构
1.1.1 总的系统结构 1.1.2 各大组成部分概述
课程教学目的
掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技 术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应 用编程方法；
掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访 问的方法。
了解微机技术新的发展趋势，系统科学地获得分 析问题和解决问题的训练；提高分析和设计接口 的能力。
2020/10/29
课程要求
2020/10/29
1.1.2 各大组成部分概述
微处理器典型结构示意图
地址总线（AB）
数据总线（DB)
地址缓冲器
数据缓冲器 内部总线及缓冲器
指令寄存（IR） 指令译码（ID）
寄 通用寄存器组
存 器 堆栈指针（SP）
组
（RS）
程序计数（PC）
操作控（OC）
… 控制总…线（CB）
2020/10/29
控制器
➢ 多层总线结构
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
单总线结构示意图:
• 单总线 结构
• 双总线 结构
• 多层总 线结构
M
P
U
M
I/O 接口
外 设
➢ 特点：MPU对M和I/O的读写只能分时进行 。
➢ 优点：逻辑结构简单，成本低，实现容易。
2020/10/29
• 单总线 结构
• 双总线 结构
➢ 控制器按指令流驱动的原理工作。
2020/10/29
微 型 计 算 机 系 统
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
1. 三总线结构
硬件
运算器 控制器 存储器 输入/输出设备
各部分间通过三条 总线相连，故这种 系统结构也称为三 总线结构。
软件
系统软件 应用软件
1.1.1 总的系统结构
微型计算机三总线结构示意图:
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
1.机器数和真值 2.有符号数的机器数表示方法 3.数的定点和浮点表示 4.无符号数的机器数表示方法
2020/10/29
1.2.1 计算机中数的表示方法
1. 机器数和真值
● 在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了的 数，称为机器数。通常用一个数的最高位作为符 号位：0表示正数，1表示负数。
1.1.2 各大组成部分概述
② 内存操作
CPU对内存的操作有读、写两种。 将内存单元的内容
取入CPU内部,不改变
地址 内容
被读单元的内容。
00000H 00001H 00002H
F0000H
10110010
11000111
00001100
• • •
01111110
• • •
读操作
写操作
CPU 将 其 内 部 信 息 传送到内存单元保存
6.网络学习辅助： 物理与电子工程系-微机原理与接口技术（2019级） 登录密钥：201912
2020/10/29
课程内容组织
• 第1章微型计算机系统基本组成原理 • 第2章微处理器和指令系统 • 第3章汇编语言及编程 • 第4章总线和总线技术 • 第5章存储器 • 第6章I/O接口 • 第7章典型可编程接口芯片及应用 • 第8章常用交互设备及接口 • 第9章模拟I/O 器件及接口 • 第10章多媒体设备及接口
AB
M
DB
P U
CB
三总线
RAM ROM I/O接口
外设
模块间的双向依赖关系变为各模块面向总线的 单向依赖关系，简化了微机的结构。使微机系统 易于扩充和维护。
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
2.总线结构分类
根据总线组织方法的不同，总线结构可分为 以下三类：
➢ 单总线结构 ➢ 双总线结构
➢ 内存中存放的数据和程序形式上 都是二进制数。
➢ 微机通过给每个内存单元规定不 同的地址来管理内存。
地址
00000H 00001H 00002H
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内存示意图
2020/10/29
2020/10/29
1.1.1 总的系统结构
目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结 构——冯·诺依曼结构。结构特点是：
➢ 硬件上由运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备五大部分组成；
➢ 数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在 存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进 制形式；