冯博琴微机原理教学课件

微机原理与接口技术课程大纲基础理论处理器架构微机发展历程与冯·诺依曼结构8086/8088微处理器体系结构详解编程基础存储系统指令系统与汇编语言程序设计存储器分类、层次及接口设计接口技术技术前沿I/O接口、中断系统与DMA控制第一章微机发展与冯诺依曼结构·年19461ENIAC（电子数值积分计算机）诞生，重达30吨，包含18,000个电子管，每秒可执行5,000次加法运算，标志着电子计算机时代年的开始21945冯·诺依曼在《EDVAC报告》中提出存储程序计算机架构，奠定了现代计算机的理论基础至今1947-3计算机从第一代（电子管）发展到第五代（人工智能），摩尔定律指导半导体技术飞速发展，计算能力每18-24个月翻一番计算机之父冯诺依曼——·约翰·冯·诺依曼（John vonNeumann，1903-1957），匈牙利裔美国数学家，在1945年撰写的关于EDVAC设计的报告中，首次提出了存储程序概念他提出的计算机设计原理被称为冯·诺依曼架构，成为现代计算机的基础理论，使他获得了计算机之父的美誉冯诺依曼结构五大组成部分·控制器运算器（）ALU解释指令并发出控制信号，协调计算机各部件工作包括指令寄存器、指令译码器、时序发执行算术运算和逻辑运算，是处理器的核心部生器和操作控制器等件包括加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算功能存储器存储程序和数据，包括内部存储器和外部存储器具有读/写功能，可按地址访问输出设备输入设备将计算机处理结果转换为人类可理解的形式如显示器、打印机、扬声器等将人类可理解的信息转换为计算机可处理的二进制形式如键盘、鼠标、扫描仪等第二章微处理器体系结构8086/8088Intel8086/8088微处理器是早期16位微处理器的典型代表，奠定了x86架通用寄存器构的基础其主要特点包括AX（累加器）、BX（基址）、CX（计数）、DX（数据）·16位数据总线

（8086）或8位数据总线

（8088）·20位地址总线，可寻址1MB（2^20）内存空间指针寄存器·分段存储管理模式，将物理地址空间分为多个64KB的段·丰富的寄存器组，提高数据处理效率SP（栈指针）、BP（基址指针）、SI（源变址）、DI（目的变址）段寄存器CS（代码段）、DS（数据段）、SS（栈段）、ES（附加段）微处理器内部结构8086执行单元控制单元总线接口单元EU BIU包含ALU和寄存器组，负责指令执行和数据处解码指令并产生各种控制信号，协调执行单元理ALU执行算术和逻辑运算，寄存器暂存数与总线接口单元的工作，同步微处理器内部操据和地址作与的区别80868088数据总线宽度808616位数据总线，一次可传送2字节80888位数据总线，一次只能传送1字节性能差异8086数据传输效率更高，适用于需要更高性能的场合8088硬件设计更简单，成本更低，与8位外设兼容性更好指令队列80866字节指令队列80884字节指令队列第三章指令系统与汇编语言基础指令格式寻址方式常用指令分类8086指令由操作码和操作数组成，操作数包括立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、·数据传送指令MOV,PUSH,POP,可以是寄存器、内存地址或立即数指令寄存器间接寻址、基址变址寻址等多种方XCHG等长度可变，从1到6字节不等式，灵活高效·算术逻辑指令ADD,SUB,MUL,DIV,AND,OR,NOT等·控制转移指令JMP,CALL,RET,JZ,JNZ等汇编语言程序示例解析程序结构分析;简单加法程序示例DATA SEGMENTNUM1DW1234H;第一个操作数NUM2DW5678H;第二个操作数RESULT DW;存放结果DATA ENDSCODESEGMENT ASSUME CS:CODE,数据段（DATA）定义了操作数和结果变量DS:DATASTART:MOV AX,DATA;初始化数据段MOV DS,AX MOV AX,NUM1;加载第一个数到AX ADDAX,NUM2;加上第二个数MOV RESULT,AX;保存结果MOV代码段（CODE）包含实际执行的指令序列AH,4CH;DOS退出功能INT21H;调用DOS中断CODE ENDSENDSTARTASSUME指令建立段寄存器与段名的关联程序执行流程

1.初始化数据段寄存器DS

2.执行加法运算

3.保存结果汇编语言与机器码对比汇编语言特点机器码特点·使用助记符表示操作码，如MOV,·由二进制数字组成，通常以十六进制ADD,JMP等表示·支持标号和符号名，提高程序可读性·直接被CPU识别和执行·可使用伪指令进行程序组织，如·人类难以直接阅读和编写SEGMENT,PROC等·与特定处理器架构紧密相关·需要通过汇编器转换为机器码才能执行第四章存储系统原理与设计寄存器CPU1容量极小，速度极快，直接集成在CPU内部缓存Cache2小容量、高速度、高成本的SRAM，弥补CPU与主存速度差距主存储器RAM3中等容量和速度，系统运行时的工作存储区，掉电数据丢失只读存储器ROM4存储BIOS等固件程序，断电数据不丢失外部存储器5硬盘、光盘、闪存等，容量大、速度慢、成本低的永久存储设备存储器地址映射与分段机制逻辑地址与物理地址转换8086/8088采用分段寻址方式，使用16位的段值和16位的偏移量来表示20位的物理地址或表示为不同段寄存器对应不同类型的内存访问·CS:IP-指令访问这种设计使8086/8088能够突破64KB（2^16）的寻址限制，访问高达1MB（2^20）的内·DS:偏移-数据访问存空间·SS:SP-栈操作技术简介Cache工作原理利用程序的局部性原理（时间局部性和空间局部性），将可能被CPU访问的数据提前从主存调入Cache性能影响Cache命中率通常在85%-95%之间，显著提高系统性能提高Cache容量和优化替换算法可提高命中率映射方式直接映射、全相联映射和组相联映射三种方式，各有优缺点，影响Cache的使用效率第五章输入输出接口技术程序查询方式中断驱动方式方式DMACPU通过轮询方式检查设备状态，等待设备设备就绪时向CPU发送中断请求，CPU暂停数据传输由DMA控制器直接管理，无需CPU就绪后进行数据传输实现简单，但CPU利当前程序执行中断服务程序提高CPU利用干预大大提高数据传输效率，适用于高速用率低，适用于简单系统率，是常用的I/O控制方式大容量数据传输场景常用接口芯片8255A并行接口芯片8251A串行接口芯片·提供24个可编程I/O引脚·支持异步和同步两种通信方式·三种工作模式基本I/O、选通I/O和双向I/O·可编程的波特率和数据格式·广泛应用于键盘、打印机等并行设备接口接口芯片结构与工作模式8255A基本结构8255A8255A是一种可编程并行接口芯片，内部包含·数据总线缓冲器·读/写控制逻辑·三个8位并行端口（A、B、C）·控制寄存器工作模式模式（基本）0I/O简单输入输出，无握手信号模式（选通）1I/O带握手信号的输入输出模式（双向）2I/O端口A可双向传输，带握手信号串行通信接口8251A基本功能8251A是一种可编程串行通信接口芯片（USART），可实现·异步通信（如终端通信）·同步通信（如高速数据传输）·可编程的波特率和数据格式·错误检测功能寄存器功能控制寄存器设置通信参数（波特率、奇偶校验、停止位等）状态寄存器反映当前通信状态（发送就绪、接收就绪、错误标志等）8251A常用于实现RS-232串行接口，连接计算机与外部设备如调制解调器、串行打印机等中断系统与中断控制器8259A中断的概念与分类中断是指CPU暂停当前程序的执行，转而处理某个突发事件的机制按来源可分为硬件中断由外部设备引起（如键盘输入、时钟）软件中断由程序指令引起（如INT指令）异常由程序执行错误引起（如除零错误）中断控制器8259A8259A是可编程中断控制器，具有以下特点·支持8个中断请求输入·可级联扩展至64个中断源·可编程的中断优先级·支持中断屏蔽和轮询模式中断响应流程与优先级管理中断请求外设通过中断请求线向8259A发出中断请求信号优先级判断8259A根据预先设定的优先级策略，决定是否处理当前中断请求通知CPU8259A通过INTR线向CPU发出中断信号，CPU完成当前指令后响应中断中断确认CPU通过INTA信号确认中断，8259A返回中断类型号中断处理CPU根据中断类型号，从中断向量表中获取中断服务程序地址并执行中断返回执行完中断服务程序后，通过IRET指令返回到被中断的程序继续执行控制器介绍DMA8237A工作原理DMA直接存储器访问（Direct MemoryAccess）是一种无需CPU干预，外设与内存之间直接传输数据的机制DMA传输过程

1.外设向DMA控制器发出请求特点

2.DMA控制器向CPU申请总线控制权8237A

3.CPU暂时释放总线控制权·支持4个独立DMA通道

4.DMA控制器接管总线，执行数据传输·可级联扩展

5.传输完成后，DMA释放总线，CPU恢复控制·多种传输模式·16位地址计数器第六章现代微机技术展望位处理器时代321以80386为代表，引入保护模式，32位地址总线可寻址4GB内存空间，支持虚拟内存和多任务位处理器时代264扩展地址空间至64位，理论上可寻址16EB内存，提供更多通用多核处理器寄存器，增强并行处理能力3单芯片集成多个处理器核心，通过并行处理提高性能，降低功耗异构计算4CPU、GPU、专用加速器协同工作，针对不同类型任务优化性能新型接口技术位微处理器寄存器与指令扩展32寄存器扩展新增指令示例32位处理器增加了许多新指令，大大增强了处理能力·位操作指令BT,BTS,BTR,BTC·字符串操作指令扩展·双精度移位指令SHLD,SHRD·条件设置指令SETcc·系统控制指令LGDT,LIDT,LLDT等8086的16位寄存器扩展为32位·AX→EAX（Extended AX）·BX→EBX·CX→ECX·DX→EDX·SP→ESP保护模式下的内存管理分段机制保护模式下的段不再是简单的段基址加偏移，而是通过段描述符表（GDT/LDT）进行管理每个段描述符包含段基址、段界限、访问权限等信息分页机制将线性地址空间分割为固定大小的页（通常为4KB），通过页目录和页表将线性地址映射到物理地址，支持虚拟内存管理特权级保护实现4个特权级（Ring0-3），操作系统运行在最高特权级（Ring0），应用程序运行在较低特权级（通常为Ring3），防止应用程序直接访问关键资源任务切换现代接口技术发展趋势接口标准演进发展USB PCIExpress12Mbps480MbpsUSB

1.11998USB

2.02000第一代广泛应用的USB标准显著提高传输速率，广泛用于存储设备5Gbps20GbpsUSB

3.02008USB

3.22017十倍速率提升，引入蓝色接口进一步提高速率，支持多通道40GbpsUSB42019基于Thunderbolt3协议，高速数据传输PCIe采用点对点串行连接，每一代带宽翻倍·PCIe

1.0每通道

2.5GT/s·PCIe

2.0每通道5GT/s·PCIe

3.0每通道8GT/s·PCIe

4.0每通道16GT/s微机系统设计实例分享基于的简单计算器设计8086系统组成1包含8086CPU、存储器（ROM和RAM）、键盘输入接口（8255A）、LCD显示输出（8255A）和电源模块硬件连接28086与存储器通过地址总线和数据总线连接，输入输出设备通过8255A接口芯片与系统总线相连软件设计3系统程序存储在ROM中，包括键盘扫描、按键解码、算术运算和显示输出等功能模块功能实现4支持基本的加减乘除运算，带小数点计算，具有错误检测和清除功能教学难点与重点解析指令系统复杂寻址方式中断与的协同工作存储器分段机制理解DMA难点8086处理器支持多种寻址方式，组合难点中断和DMA各自机制复杂，二者协同难点8086分段机制与物理地址计算，逻辑方式繁多，初学者容易混淆工作涉及多个控制信号和时序关系地址与物理地址的对应关系解决策略通过分类记忆和大量实例练习，解决策略使用时序图辅助理解，分步骤分解决策略使用图形化方式展示段-偏移地建立直观理解先掌握基本寻址方式，再学析信号变化，结合实例说明典型应用场景址转换过程，提供计算实例和重叠段分析习组合应用课堂互动汇编语言编程实战设计一个数据传送程序实现简单的中断响应;数据块传送程序DATA SEGMENTSRC DB10H,20H,30H,40H,50H;源数据块DEST DB5DUP;目标数据块DATA ENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATA,ES:DATASTART:MOVAX,DATA MOVDS,AX MOVES,AX LEASI,SRC;源地址LEA DI,DEST;目标地址MOV CX,5;数据长度CLD;方向标志清零REP MOVSB;重复传送字节MOV AH,4CH INT21HCODE ENDSENDSTART复习与总结处理器架构微机发展历史8086/8088内部结构与寄存器组实地址模式与保护模式从ENIAC到现代计算机的演进现代处理器架构发展冯·诺依曼架构及其五大组成部分指令系统摩尔定律与技术发展趋势汇编语言基础与程序结构常用指令分类与功能接口技术寻址方式与实际应用存储系统I/O接口方式与控制中断系统与DMA机制存储器层次结构与分类典型接口芯片应用分段机制与地址转换Cache原理与性能优化参考书目与学习资源核心教材·冯博琴《微型计算机原理与接口技术》（清华大学出版社，2002）·Barry B.Brey《Intel微处理器结构、编程与接口》（第8版，电子工业出版社）·贾征《汇编语言程序设计教程》（清华大学出版社）·郑纬民《计算机组成与系统结构》（清华大学出版社）在线学习资源推荐实验平台中国大学MOOC平台https://www.icourse

163.org/·DOSBox运行16位汇编程序的模拟器·MIT开放课程Computer SystemArchitecture·MASM32现代Windows下的汇编开发环境GitHub开源笔记https://github.com/topics/assembly-language·Proteus电路设计与仿真软件Assembly LanguageTutorial:https://www.tutorialspoint.com/assembly_programming/谢谢聆听欢迎提问与交流。