微机系统组成及工作原理
微机原理(杭州电子科技大学【4】8086系统结构[2-3]
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二、系统的复位与启动
【8086CPU时序】
① 复位信号：通过RESET引脚上的触发信号来引起8086系统复位和启
动，RESET至少维持4个时钟周期的高电平。
② 复位操作：当RESET信号变成高电平时，8086／8088CPU结束现行
操作，各个内部寄存器复位成初值。
标志寄存器
清零
指令寄存器 CS寄存器 DS寄存器 SS寄存器 ES寄存器
的比例倍频后得到CPU的主频，即： CPU主频 = 外频 × 倍频系数
⑥ PC机各子系统时钟(存储系统，显示系统，总线等)是由系统频率按 照一定的比例分频得到。
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内频 550MHz Pentium III
倍频系数5.5
L1 Cache
L2 550MHz Cache
处理机总线 100MHz
微机原理与接口技术
第四讲
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第二章 8086系统结构
内容提要
z微型计算机的发展概况 z8086CPU内部结构 z8086CPU引脚及功能 z8086CPU存储器组织 z8086CPU系统配置 z8086CPU时序
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※有关概念介绍
z 主频，外频，倍频系数 z T状态 z 总线周期 z 指令周期 z 时序 z 时序图
总线操作
读存储器操作 (取操作数)
写存储器操作 (将结果存放到内存)
读 I/O 端口操作 (取 I/O 端口中的数)
写 I/O 端口操作 (往 I/O 端口写数)
中断响应操作
总线周期
存储器读周期 存储器写周期 I/O 端口读周期 I/O 端口写周期 中断响应周期
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微机原理知识点总结
微处理器:简称μP或MP(Microprocessor)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，又称为微处理机。
微型计算机:简称μC或MC，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(又称主机或微电脑)。
微型计算机系统（主机+外设+软件配置）(Microcomputer system) 简称μCS或MCS，是指以微型计算机为中心, 以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件) 以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。
2.微机系统结构（三种总线结构）：数据总线，地址总线，控制总线3.8086cup内部结构由两部分组成：总线接口单元BIU; 执行单元EU.(1).总线接口单元BIU组成：4个16位的段寄存器（CS、DS、ES、SS）；1个16位的指令指针寄存器IP；1个20位的地址加法器；1个指令队列（长度为6个字节）; I/O控制电路（总线控制逻辑）；内部暂存器。
BIU的功能：根据EU的请求负责CPU与内存或I/O端口传送指令或数据。
①BIU从内存取指令送到指令队列②当EU执行指令时，BIU要配合EU从指定的内存单元或I/O端口中读取数据，或者把EU的操作结果送到指定的内存单元或I/O端口去。
（2）执行单元EU 组成：①ALU（算术逻辑单元）；②通用寄存器组AX,BX,CX,DX（4个数据寄存器）,BP(基址指针寄存器),SP(堆栈指针寄存器), SI(源变址寄存器), DI(目的变址寄存器),③数据暂存寄存④标志寄存器FR ⑤EU控制电路作用：负责执行指令，执行的指令从BIU的指令队列中取得；运算结果和所需数据，则由EU向BIU发出请求，经总线访问内存或I/O端口进行存取。
4．物理地址与逻辑地址有什么区别？答：逻辑地址是指未定位之前在程序中存在的地址，由段地址和偏移地址组成。
物理地址是实际访问存储器时的地址（通过20位地址总线传递）。
微机原理课件第二章 8086系统结构
但指令周期不一定都大于总线周期，如MOV AX，BX
操作都在CPU内部的寄存器，只要内部总线即可完成，不 需要通过系统总线访问存储器和I/O接口。
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• 8086CPU的典型总线时序，充分体现了总 线是严格地按分时复用的原则进行工作的。 即：在一个总线周期内，首先利用总线传 送地址信息，然后再利用同一总线传送数 据信息。这样减少了CPU芯片的引脚和外 部总线的数目。
• 执行部件（EU）
• 功能：负责译码和执行指令。
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• 联系BIU和EU的纽带为流水指令队列
• 队列是一种数据结构，工作方式为先进先出。写入的指令 只能存放在队列尾，读出的指令是队列头存放的指令。
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•BIU和EU的动作协调原则 BIU和EU按以下流水线技术原则协调工作，共同完成所 要求的任务： ①每当8086的指令队列中有空字节，BIU就会自动把下 一条指令取到指令队列中。 ②每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU部件的指令 队列前部取出指令的代码，然后译码、执行指令。在执 行指令的过程中，如果必须访问存储器或者I／O端口， 那么EU就会请求BIU，完成访问内存或者I／O端口的操 作； ③当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求时，BIU 便进入空闲状态。（BIU等待，总线空操作） ④开机或重启时，指令队列被清空；或在执行转移指令、 调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了 变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，BIU会 接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。 （EU等待）
•CF（Carry Flag）—进位标志位，做加法时最高位出现进位或 做减法时最高位出现借位，该位置1，反之为0。
微机原理
第一章ENIAC 的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。
冯·诺依曼（Johe V on Neumman ）提出了“存储程序”的计算机设计方案。
特点是： 1、采用二进制数形式表示数据和计算机指令。
2、指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。
由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。
工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。
一型计算机的分类字长：有4位、8位、16位、32位、64位微型计算机等 工艺：可分成MOS 工艺、双极型TTL 工艺的微处理器 结构类型：有单片机、单板机、位片机、微机系统等 用途：个人计算机、工作站/务器、网络计算机 体积大小：台式机、携机。
二．微型计算机的性能指标介绍位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。
字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。
字节（Byte ）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。
字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。
主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。
访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。
指令数：构成微型计算机的操作命令数。
基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。
可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。
兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。
性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。
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型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 ：1.中央处理单元CPU （Control Processing Unit ）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。
微处理器是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型机的各项关键指标。
微机原理
1.1微型计算机主要包括那几个组成部分？各部分的基本功能是什么？答：微型计算机由CPU，存储器，输入/输出接口及系统总线组成CPU是微型计算机的核心部件，一般具有下列功能：进行算术和逻辑运算，暂存少量数据，对指令译码并执行指令所规定的操作，与存储器和外设进行数据交换，提供整个系统所需要的定时和控制信号，响应其他部件发出的中断请求；总线是计算机系统各功能模块间传递信息的公共通道，一般由总线控制器，总线发送器，总线接收器以及一组导线组成；存储器是用来存储数据，程序的部件；I/O接口在CPU和外设之间起适配作用，是微型计算机的重要组成部件1.2简述CPU执行指令的工作过程答：CPU执行指令的工作过程可以归纳为3个阶段：取指令，分析指令，执行指令执行指令的基本过程：1、开始执行程序时，程序计数器中保存第一条指令的地址，指明当前将要执行的指令存放在存储器的哪个单元2控制器将程序计数器中的地址送至地址寄存器MAR，并发出读命令。
存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线进入指令寄存器IR3指令译码器译码，控制逻辑阵列发出操作命令，执行指令操作码规定的操作。
4、修改程序计数器的内容2.1、8086/8088CPU的功能结构由哪两部分组成？它们的主要功能是什么？答：8086/8088CPU的功能结构由以下两部分组成：总线接口单元BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（Execution Unit）总线接口单元BIU的主要功能是负责与存储器，I/O端口进行数据传送。
具体讲：取指令，即总线接口部件从内存中取出指令后送到指令队列；预取指令；配合EU执行指令，存取操作数和运算结果。
执行部件EU主要功能是负责指令执行。
2.4、什么是总线周期？8086/8088CPU的基本总线周期由几个时钟周期组成？若CPU主时钟频率为10MHz，则一个时钟周期为多少？一个基本总线周期为多少？答：BIU通过系统总线对存储器或I/O端口进行一次读/写操作的过程成为一个总线周期。
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
微机系统组成及工作原理
VS
输出设备
是计算机硬件系统的终端设备，用于接收 计算机数据的输出显示、打印、声音、控 制外围设备操作等。也是把各种计算结果 数据或信息以数字、字符、图像、声音等 形式表现出来。常见的输出设备有显示器 、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音 输出系统、磁记录设备等。
总线与接口
总线
是各种功能部件之间传送信息的公共通信干 线，它是由导线组成的传输线束， 按照计 算机所传输的信息种类，计算机的总线可以 划分为数据总线、地址总线和控制总线，分 别用来传输数据、数据地址和控制信号。总 线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、 输出设备传递信息的公用通道，主机的各个 部件通过总线相连接，外部设备通过相应的 接口电路再与总线相连接，从而形成了计算 机硬件系统。
微机系统组成及工作原理
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目 录
• 微机系统概述 • 微机硬件组成 • 微机软件组成 • 微机工作原理 • 典型微机系统举例分析 • 总结回顾与拓展延伸
目 录
• 微机系统概述 • 微机硬件组成 • 微机软件组成 • 微机工作原理 • 典型微机系统举例分析 • 总结回顾与拓展延伸
设备驱动程序
连接和控制系统硬件设备的软件，如显卡驱动 、打印机驱动等。
数据库管理系统
存储、管理和检索数据的软件，如MySQL、 Oracle等。
系统软件
操作系统
管理硬件资源，提供程序运行环境，如 Windows、Linux等。
设备驱动程序
连接和控制系统硬件设备的软件，如显卡驱动 、打印机驱动等。
数据库管理系统
开发工具
辅助程序员进行软件开发和调试 的工具，如集成开发环境（IDE）、
编译器、调试器等。
版本控制工具
计算机组成与工作原理电子教案第1章
的输入/输出设备必须通过输入/输出接口电路与系统总线相连，然后才能通
过系统总线与CPU进行信息交换。接口在系统总线和输入/输出设备之间传 输信息，提供数据缓冲，以满足接口两边的时序要求。具体地说，接口应 具有数据缓冲及转换功能、设备选择和寻址功能、联络功能、解释并执行 CPU命令功能、中断管理功能、错误检测功能等。 微型计算机的输入/输出接口一般使用大规模、超大规模集成电路技术 做成电路板的形式，插在主机板的扩展槽内，常称作适配器，也称作
图1-5 CPU
(二) 内存储器
内存储器简称内存，用来存放CPU运行时需要的程序和数据。内 存分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两类，我们平时
所说的内存一般指RAM，RAM中保存的数据在电源中断后将全部丢失。
由于内存直接与CPU进行数据交换，所以内存的存取速度要求与CPU的 处理速度相匹配。
2．接口的功能
⑴ 控制--接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。
⑵ 缓冲—接口内部设有缓冲寄存器，可实现数据缓冲作用，使主机与外设在工作速度 上达到匹配，避免数据丢失和错乱。
⑶ 状态--接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就 绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。 ⑷ 转换--接口可以完成任何要求的数据转换，主机与接口间传输的数据是数字信号， 但接口与外设间传输的数据格式却因外设而异，为满足各种外设的要求，接口电 路中必须实现各种数据格式的相互转换。例如：并一串转换、串一并转换、模一 数转换、数一模转换等。 ⑸ 整理--接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存 地址寄存器。 ⑹ 程序中断--每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到 CPU。
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4004
4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计 算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。
8008
1972年4月，霍夫等人开发出 第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P 沟道MOS微处理器，因此仍 属第一代微处理器。
8080 第二代微处理器
1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微 处理器就此诞生。
主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍， 可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000 个晶体管，处理速度为0.64MIPS。
Intel 8086 第三代微处理器
收获与时间成正比, 花时间越多，收获将越大
第一章 微型计算机系统组成 及工作原理
教学内容
1.微机发展简史、分类 2.微机的运算基础 3.微机系统的硬件结构 4.微机的基本工作原理 5.典型的微型计算机系统
微机的发展简史、分类
发展简史
计算机的发展简史 微机系统的三个层次
微机的发展简史、分类 计算机的发展简史
第四代计算机中 微处理器的发展：Intel 4004
1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位 芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器 和微机时代从此开始。
1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括 4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯 片和4004微处理器）
特
(1965—1970)
提高运行速度
出现操作系统、诊断程序等软件
点
超大规模集成 采用半导体存储器 电路计算机 采用图形界面操作系统 (1971—至今) 器件速度更快, 软件、外设更加丰富
世界上第一台电子数字计算机
ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，由美国宾夕 法尼亚大学于1946年研制成功并投入使用。
1. 根据使用的基本电子器件，计算机经历了四个阶段：
电子管计算机 用机器语言、汇编语言编写程序 (1946—1956) 用于军事和国防尖端技术
晶体管计算机 开始使用高级语言编写程序 (1957—1964) 开始用于工程技术、数据处理和
主
其它科学领域
要
集成电路计算机 采用微程序、流水线等技术，
计算机的发展日新月异
从CPU的发展来看
4004－>8008->8086->8088->80186>80286->80386->80486-586>pentium->PII->PIII->P4
从计算机的规模，运算速度上看，
巨型机、大型机、中型机、小型机、 微型机、单片机
我国计算机技术的发展
1953年开始研究，1958年研究出第一台计算机，103型通用计算机 50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。 80年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河I,II,其他如曙光天演(清华
BBS,学校高性能计算中心)。1985年6月，中国第一台自行研制的微 机长城0520研制成功，其广告词是：“一台我们自己制造的能够处 理中文的电脑”。 在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部 件CPU技术还远远落后。 中科院研究开发的龙芯／GODSON
第一台微型计算机：Altair 8800
1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375 美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。
Altair定位在青年电脑迷市场 Paul Allen和Bill Gates在三周内为Altair开发出BASIC语言，
MITS成为两个未来富翁的第一个客户
1981-PC元年
早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗 里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC 诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。
第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088 操作系统是Microsoft提供的MS-DOS IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）
学习方法很重要
课堂：听讲与理解、适当笔记（参与、发现） 课后：认真读书、完成作业（独立） 实验：充分准备、勇于实践（分析问题和解决问
题的能力）
收获与时间成正比
本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。 只能采用解剖麻雀方法，教师在这里只起到抛砖引玉 的作用。 老师:指导者
同学们学习过程中，要花时间去学习、思索、实 践，有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际 系统，解决实际问题。 学生:主体地位
3．软件实验：针对本课程的特点，配合主教材的使用。软件实验 由指令系统与汇编语言程序设计两部分组成。从简单指令入手， 逐步熟悉和掌握汇编语言的编程方法和调试方法。
4．教材具体内容的取舍，我们作了如下安排：淡化汇编语言程序 设计的内容；增加实用性的内容；介绍前沿内容和流行技术； 精选例题和习题。
学习要求
Apple
1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计 算机Apple I，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple 计算机公司。
Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300 美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成 为微型机时学内容
1．教材内容：教材以8086/8088作为主线，讲述8086/8088微 处理器组成原理、体系结构、汇编语言及程序设计技术、接口 技术及应用的有关内容。
2．新技术介绍：同时考虑到学生对计算机知识学习的系统性和完 整性，我们将当前高性能微机系统采用的新技术融合到各相关 章节中进行介绍
1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标 志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数 据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。
Z80微处理器
Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型 计算机和工业自动控制设备。当时，zilog、Motorola和 Intel在微处理器领域三足鼎立。