第01章 微处理器(1)
第一章微型计算机基础
（2）反码表示法
数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数 同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法 就叫反码表示法。
1．对于正数： 符号位用0表示，数字位同真值 2．对于负数： 符号位用1表示，数字位为真值 按位取反。
例 x＝+91＝+10l1011B [x]反=01011011B 例 y＝-91＝-1011011B [y]反=10100100B “0”的表示：[+0]反=00000000B [-0]反 =11111111B 对于8位机，反码可表示的数的范围：-127～ +127。
0⊕1＝1 读作0“异或”1等于1
1⊕0＝1 读作1“异或”0等于1
1⊕1＝0 读作1“异或”1等于0
例：
10101111
⊕11000010
01101101
1.2.2计算机中带符号数的表示方法
几个概念: 无符号数 机器数
带符号数 真值
机器数的三种表示方法: 原码表示法 反码表示法 补码表示法
（1）原码表示法
将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大 规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微 处理器(CPU),微型计算机是以微处理器为核心，再 配上存储器、接口电路等芯片构成的。
微处理器按照其功能可以分为两大部分：总线接口单元 （BIU）和执行单元（EU）。 按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变: ➢ 第一代（1971年～1973年）：4位和8位低档微处理器 ➢ 第二代（1974年～1978年）：8位中高档微处理器 ➢ 第三代（1978年～1980年）：16位微处理器 ➢ 第四代（1981年～1992年）：32位微处理器 ➢ 第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理
01-第一章Cortex-M3处理器简介 共25页
1.2 Cortex-M3 处理器基本结构
• 处理器核Cortex-M3 • NVIC • Bus Matrix • FPB（Flash Patch and Breakpoint） • DWT • ITM • MPU • ETM • TPIU • SW/SWJ-DP
Cortex-M3核的主要特点
1.3.3 STM32 系列MCU 的优点
• 性能出众而且功能创新的片上外设：STM32 处理 器片上外围的优势来源于双APB 总线结构，其中 有一个高速 APB（速度可达CPU 的运行频率）， 连接到该总线上的外设能以更高的速度运行。针 对 MCU 应用中最常见的电机控制，STM32 对片 上外围设备进行一些功能创新。
• 6 个可独立配置的指令比较器，用于转换从 代码空间到系统空间的指令预取，或执行 硬件断点；
• 2 个常量比较器用于转换从代码空间到系统 空间的常量访问。
数据观测与跟踪单元（Data Watchpoint and Trace、DWT）
• DWT 有 4 个比较器可配置为硬件断点、 ETM 触发器、PC 采样事件触发器或数据 地址采样触发器；
• 高度的集成整合：STM32 处理器最大程度地实现 集成，尽可能地减少对外部器件的要求。
• 易于开发，可使产品快速进入市场。
1.3.4 STM32 处理器开发工具
谢谢！
• 硬件跟踪：DWT 产生信息包，由ITM 向外发送；
• 时间戳：ITM 可产生与所发送信息包相关的时间
戳包，并向外发送。
存储器保护单元（Memory Protection Unit，MPU）
• MPU 提供以下支持： • 存储保护；保护区域重叠； • 访问允许控制；向系统传递存储器属性。
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。
第一章微型计算机系统概述
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
《微型计算机系统原理及应用》课后答案_(第3版)清华大学出版社__杨素行
第一章 微型计算机基础题1-1 计算机发展至今，经历了哪几代？答：电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机、非冯诺伊曼计算机和神经计算机。
题1-2 微机系统由哪几部分组成？微处理器、微机、微机系统的关系是什么？ 答：1、微机系统分硬件和软件，硬件包括CPU、存储器、输入输出设备和输入输出接口，软件包括系统软件和应用软件。
2、微处理器是指微机的核心芯片CPU；微处理器、存储器和输入输出设备组成微机；微机、外部设备和计算机软件组成微机系统。
题1-3 微机的分类方法包括哪几种？各用在什么应用领域中？答：按微处理器的位数，可分为1位、4位、8位、32位和64位机等。
按功能和机构可分为单片机和多片机。
按组装方式可分为单板机和多板机。
单片机在工业过程控制、智能化仪器仪表和家用电器中得到了广泛的应用。
单板机可用于过程控制、各种仪器仪表、机器的单机控制、数据处理等。
题1-4 微处理器有哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：微处理器包括运算器、控制器和寄存器三个主要部分。
运算器的功能是完成数据的算术和逻辑运算；控制器的功能是根据指令的要求，对微型计算机各部分发出相应的控制信息，使它们协调工作，从而完成对整个系统的控制；寄存器用来存放经常使用的数据。
题1-5 微处理器的发展经历了哪几代？Pentium系列微处理器采用了哪些先进的技术？答：第一代4位或低档8位微处理器、第二代中高档8位微处理器、第三代16位微处理器、第四代32位微处理器、第五代64位微处理器、第六代64位高档微处理器。
Pentium系列微处理器采用了多项先进的技术，如：RISC技术、超级流水线技术、超标量结构技术、MMX技术、动态分支预测技术、超顺序执行技术、双独立总线DIB技术、一级高速缓冲存储器采用双cache结构、二级高速缓冲存储器达256KB或512KB、支持多微处理器等。
题1-6 何为微处理器的系统总线？有几种？功能是什么？答: 系统总线是传送信息的公共导线，微型计算机各部分之间是用系统总线连接的。
习题参考答案1章
习题参考答案1章第1章单片机概述1．除了单片机这一名称之外，单片机还可称为和答：微控制器，嵌入式控制器。
2．单片机与普通微型计算机的不同之处在于其将、、和3部分集成于一块芯片上。
答：CPU、存储器、I/O口。
3．8051与8751的区别是A．内部数据存储单元数目不同B．内部数据存储器的类型不同C．内部程序存储器的类型不同D．内部寄存器的数目不同答：C。
4．在家用电器中使用单片机应属于微计算机的A．辅助设计应用；B．测量、控制应用；C．数值计算应用；D．数据处理应用答：B。
5．微处理器、微计算机、微处理机、CPU、单片机它们之间有何区别？答：微处理器、微处理机和CPU都是中央处理器的不同称谓；而微计算机、单片机都是一个完整的计算机系统，单片机特指集成在一个芯片上的用于测控目的的单片微计算机。
6．MCS-51系列单片机的基本型芯片分别为哪几种？它们的差别是什么？答：MCS-51系列单片机的基本型芯片分别是8031、8051和8751。
它们的差别是在片内程序存储器上。
8031无片内程序存储器，8051片内有4KB的程序存储器ROM，而8751片内集成有4KB的程序存储器EPROM。
7．为什么不应当把51系列单片机称为MCS-51系列单片机？答：因为MCS-51系列单片机中的“MCS”是Intel公司生产的单片机的系列符号，而51系列单片机是指世界各个厂家生产的所有与8051的内核结构、指令系统兼容的单片机。
8．AT89C51单片机相当于MCS-51系列单片机中的哪一种型号的产品？答：相当于MCS-51系列中的87C51，只不过是AT89C51芯片内的4KBFlah存储器取代了87C51片内的4KB的EPROM。
第2章AT89C51单片机片内硬件结构1．在AT89C51单片机中，如果采用6MHz晶振，一个机器周期为答：2μ2．AT89C51单片机的机器周期等于个时钟振荡周期。
答：12。
3．内部RAM中，位地址为40H、88H的位，该位所在字节的字节地址分别为和答：28H；88H。
名词解释微处理器
微处理器
微处理器是一种集成电路芯片，用于执行计算机程序中的指令和数据处理任务。
它是现代计算机系统中的核心组件之一。
微处理器通常由一个或多个中央处理单元（CPU）核心、内部高速缓存、控制单元和输入/输出接口等组成。
微处理器负责解码和执行计算机程序中的指令，这些指令包括算术、逻辑、数据移动和控制操作。
它通过与主存储器和其他外部设备进行交互，实现数据的读取、写入和传输。
微处理器还具有时钟系统，用于同步各个组件的操作，并确保指令按照正确的顺序执行。
微处理器的性能通常通过其时钟频率、指令集架构和核心数量等参数来衡量。
随着技术的不断进步，微处理器的速度和功能也得到了显著提升，使得计算机能够更快地执行复杂的任务，如图形渲染、视频编码和科学计算等。
微处理器广泛应用于各种计算设备，包括个人电脑、服务器、移动设备和嵌入式系统等。
它们在计算机领域扮演着至关重要的角色，推动了信息技术的发展和计算能力的提升。
1。
《计算机原理与应用》习题(1-4章)
《计算机原理与应用》习题（1-4章）第1章微机系统导论1.2 微处理器、微型计算机和微型计算机系统之间有何联系与区别?答：微处理器是微型计算机的中央处理器，微型计算机是微型计算机系统硬件部分的核心部件。
微处理器是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件。
微型计算机又称主机，是指以微处理器为核心，配上存储器、输入／输出接口电路及系统总线所组成的计算机。
微型计算机系统是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备（如硬盘、显示器、键盘、鼠标等）、电源和辅助电路（统称硬件）以及指挥微型计算机工作的软件系统（如系统软件、应用软件）所构成的系统。
1.3 微机硬件系统的组成部分包括哪几部分?目前流行的实际微机硬件系统一般都由哪些部件组成?答：微机硬件系统一般都是由主机板（包括CPU、CPU外围芯片组、主存储器RAM、BIOS芯片与总线插槽）、外设接口卡、外部设备（如硬盘、光驱、显示器、打印机、键盘、鼠标与调制解调器）以及电源等部件所组成。
目前流行的实际微机硬件系统一般包括CPU、主板、内存、显卡、声卡、显示器、硬盘、光驱、键盘、鼠标、音箱、调制解调器、机箱以及电源等。
1.7 一个最基本的微处理器由哪几部分组成？它们各自的主要功能是什么？答：一个最基本的微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3个部分组成。
运算器又称为算术逻辑单元（ALU），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作；控制器包括指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、可编程逻辑阵列（PLA），三者共同作用完成取指控制、执指控制等操作；内部寄存器阵列包括若干个功能的寄存器和寄存器组，用以存放对应的数据，供控制器和运算器使用。
1.11 试说明位、字节、字长的基本概念及三者之间的关系。
1答：在计算机内部，程序和数据都是用0、1二进制代码的形式来表示的。
每一个二进制代码0或1就叫做1位（bit）信息，8位二进制代码作为一个字节（Byte），2个字节组成一个字（Word），字长表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数，1个字长=2个字节=16个位。
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1.1 微型计算机 • 1.1.3 微型计算机系统的三个层次
• 微型计算机系统（Microcomputer System） 由微型计算机配以相应的外围设备（如键盘、鼠标、 显示器、外存储器等）、电源和其他辅助设备，及控制微 型计算机工作的软件而构成的完整的系统。 •
通常说的“电脑”、“微机”等，准确地讲应 该叫“微型计算机系统”。
8088微处理器：准16位微处理器，推出的目的是为了与
当时已有的Intel外设接口芯片直接兼容使用。
25
1.2 8086/8088微处理器结构
• 1.2.1 8088/8086微处理器内部结构 • CPU的任务——执行程序（取指令+执行指令） 指令，直至全部指令执行完毕。 • 存在的不足：CPU工作效率低
CPU的性能指标 字长 • CPU按照其处理信息的字长可以分为：8位、16位、32位及 64位等。 • Intel 系列CPU • 16位 8086、80286 • 32位 386、486、Pentium、PII、PIII、P4 • 64位 Itanium(安腾)、P4 F、Pentium D/E 主频 8086 5MHz
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1.2.1 8088/8086微处理器内部结构
• 1、指令执行部件EU
运算器
ALU： 可完成16位或8位 的二进制运算，运 算结果通过内部总 线送到通用寄存器， 或者送往BIU的内 部暂存器中，等待 写入内存储器。 ALU运算结果的特 征（如有无进位） 置入标志寄存器中。
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1.2.1 8088/8086微处理器内部结构
数据总线
（16位）
CS DS SS ES IP 内部暂存器 总线 控制 逻辑
DB
8086总线
ALU数据总线（16位）
暂 存 器
AB 内存储器 或 CB I/O接口
ALU
EU 控制器
队列 总线 （8位）
指令队列 1 2 3 4 5 6
标志寄存器 指令执行部件（EU） 总线接口部件（BIU）
图1-3 8086微处理器内部结构
3
1.1 微型计算机
• 1.1.1 电子计算机的基本组成
• 电子计算机的基本结构特点： 计算机硬件由五大功能模块组成： 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
计算机内部采用二进制数来表示数据和计算机指令； （软件） 存储程序原理（工作原理） 把事先编制好的由计算机指令组成的程序和原始数据先 存储在计算机内部(存储器)，计算机通过执行程序实现 高速数据处理。
传统做法：依次从存储器先取出一条指令，然后执行
CPU
取指令1
执行1
存结果1
取指令2
取操 作数2
执行 2
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1.2 8086/8088微处理器结构
• 1.2.1 8088/8086微处理器内部结构 • 改进：从8086/8088CPU开始，取指令和执行指令操作被分配给 两个独立的单元进行处理—— • 指令执行部件EU 总线接口部件BIU EU和BIU能相互独立工作，使得大部分取指令操作和执行指令 的操作重叠进行。 • 优点：大大提高CPU的工作效率
BIU不断地从存储器取 指令送入指令队列， EU不断地从指令队列 取出指令执行。
指令队列
-EU和BIU构成了一个简单 的2工位流水线（指令队 列是实现流水线操作的关 键，类似于工厂流水线的 传送带） -大部分取指令操作和执 行指令操作重叠进行，大 大提高了CPU的工作效率
38
1.2.1 8088/8086微处理器内部结构
21
CPU的发展过程
Intel CPU 分代 开始年代 1978 8086/8088 第一代 1984 80286 第二代 1987 80386 DX/SX 第三代 第四代 第五代 1990 1993
80486 SX/DX/DX2/DX4 Pentium Pentium MMX
AMD K5 Cyrix 6X86/6x86MX IDT WinChip C6 WinChip2 3D
微型计算机系统的三个层次：
微处理器、微型计算机和微型计算机系统
• • • 微型计算机系统 （Microcomputer System——MCS） 由微型计算机配以相应的外围设备（如键盘、显示器、 打印机、外存储器等）、电源和其他辅助设备，及足够的软 件而构成的系统。
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微型计算机的主要性能指标
CPU的位数 CPU位数越多，功能越强，并可使内存配置的容 量越大 CPU的主频 决定微机系统的运算速度（MHz→GHz）
Pentium 4 4GHz
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1.2 8086微处理器结构
1.2.1 8086微处理器内部结构 1.2.2 8086微处理器的寄存器 【学习要求】
掌握8086CPU内部结构， 了解其工作特点。
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1.2 8086/8088微处理器结构
8086微处理器：1978年推出，全球首款16位微处理器，
芯片上集成了2.9万只晶体管。
其他CPU
第六代
第七代
1996
2000
Pentium Pro AMD K6 Pentium II Celeron AMD K6-2 AMD K6-3 Pentium III
Pentium 4 Pentium D/EE
AMD K7 (Athlon) / (64) AMD Thunderbird
22
CPU的档次决定了微机的档次。
地址总线AB 数据总线DB 微 处 理 器 控制总线CB
ROM
RAM
I/O接口
• 3． 输入输出接口电路 • ( I/O接口 )
外设
地址总线AB 数据总线DB 微 处 理 器 控制总线CB
ROM
RAM
I/O接口
• 4．总线
总线是一组公共的信号传输线，用于连接计算机各个部件。 外设 连接微处理器与存储器、输入输出接口，用以构成完整的微型计 控制总线：传送各种控制信号和状态信号，使微型计算机 • 数据总线：用于传送数据信息，数据总线是双向总线。 地址总线：用于发送内存地址和I/O接口的地址。 算机的总线称为系统总线（有时也称外部总线）。 各部件协调工作。 微型机的系统总线分为数据总线、地址总线和控制总线三组。
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1.1 微型计算机 • 1.1.3 微型计算机系统
微型计算机系统的三个层次：
微处理器、微型计算机和微型计算机系统
• • • • 微型计算机 （Microcomputer——MC） 以微处理器为核心，配以内存储器、输入/输出（I/O） 接口电路，通过总线（Bus）结构连接而构成的裸机
18
1.1 微型计算机 • 1.1.3 微型计算机系统
• 2、总线接口部件BIU
• • • • • 组成： 地址加法器 专用寄存器组 指令队列 总线控制逻辑
地址加法器
专用寄存器组Biblioteka 控制器DB AB CB
指令队列
内存储器 或 I/O接口
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1.2.1 8088/8086微处理器内部结构
• 2、总线接口部件BIU
DB AB CB
BIU的功能： 1）形成访问内存储器的 物理地址； 2）访问内存储器取得指 令,暂存到指令队列中等 待执行； 内存储器 3）访问内存储器或I/O 或 接口以读取操作数参与 I/O接口 EU运算，或存放运算结 果等.
• 2、总线接口部件BIU
DB AB CB
总线控制逻辑： 将CPU的内部总 线与CPU引脚所连接 的外部总线相连，是 CPU与外部交换信息 的必经之路。
内存储器 或 地址加法器： I/O接口 将段寄存器提供
的段基址与偏移地址 相加，产生20位物理 地址。
37
1.2.1 8088/8086微处理器内部结构 3、8086/8088CPU的工作方式 ——流水线操作
2
1.1 微型计算机
1.1.1 电子计算机的基本组成
• 存储程序概念的提出
• 1946年6月 以美籍匈牙利数学家冯· 诺依曼
为首的研制小组与参与研制ENIAC主要人员联名
发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上
著名的“101页报告”，提出了“存储程序控制”
的计算机结构(即冯· 诺依曼结构），奠定了现代 计算机的体系结构。
30
指令A
指令B
• 1、指令执行部件EU
• • • • • •
组成： 通用寄存器组 算术逻辑部件 标志寄存器 暂存器 EU控制器
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1.2.1 8088/8086微处理器内部结构
• 1、指令执行部件EU
控制器
EU控制器负责 从BIU的指令队 列中取出指令， 并对指令译码， 根据指令要求 向EU内部各部 件发出控制命 令以实现各条 指令的功能。
工作原理核心：存储程序 程序控制
4
1.1 微型计算机
• 1.1.2 微型计算机
•
• • •
采用大规模和超大规模集成电路技术，把 运算器、控制器及其附属电路集成在一个芯片上，构成微 型计算机的中央处理器—— 微处理器（MPU）。
5
1.1 微型计算机
• 1.1.2 微型计算机 • 微型计算机的组成： • 由微处理器、存储器、输入输出接口电路、总线构成，即 通常所说的主机。
3、8086/8088CPU的工作方式——流水线操作 新型CPU将一条指令划分成 更多的阶段，以便可以同时执 行更多的指令。 例如，P4为20个阶段 (超级流水线)
第1章 微型计算机与微处理器
1.1 微型计算机 1.2 8086/8088微处理器结构
1.3 8086/8088微处理器子系统
1.4 8086/8088 微处理器的工作时序
1
1.1 微型计算机
1.1.1 1.1.2 1.1.3 电子计算机的基本组成 微型计算机 微型计算机系统的三个层次