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。
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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