第二章 微处理器与系统构成原理

《微机原理与接口技术》教案第一章：微机系统概述1.1 教学目标1. 了解微机系统的概念和发展历程。

2. 掌握微机系统的组成和各部分功能。

3. 理解微机系统的工作原理。

1.2 教学内容1. 微机系统的概念和发展历程。

2. 微机系统的组成：微处理器、存储器、输入输出接口等。

3. 微机系统的工作原理：指令执行过程、数据传输等。

1.3 教学方法1. 采用讲授法，讲解微机系统的概念和发展历程。

2. 采用案例分析法，分析微机系统的组成和各部分功能。

3. 采用实验演示法，展示微机系统的工作原理。

1.4 教学评价1. 课堂问答：了解学生对微机系统概念的掌握情况。

2. 课后作业：巩固学生对微机系统组成的理解。

3. 实验报告：评估学生对微机系统工作原理的掌握程度。

第二章：微处理器2.1 教学目标1. 了解微处理器的概念和结构。

2. 掌握微处理器的性能指标。

3. 理解微处理器的工作原理。

2.2 教学内容1. 微处理器的概念和结构：CPU、寄存器、运算器等。

2. 微处理器的性能指标：主频、缓存、指令集等。

3. 微处理器的工作原理：指令执行过程、数据运算等。

2.3 教学方法1. 采用讲授法，讲解微处理器的概念和结构。

2. 采用案例分析法，分析微处理器的性能指标。

3. 采用实验演示法，展示微处理器的工作原理。

2.4 教学评价1. 课堂问答：了解学生对微处理器概念的掌握情况。

2. 课后作业：巩固学生对微处理器性能指标的理解。

3. 实验报告：评估学生对微处理器工作原理的掌握程度。

第三章：存储器3.1 教学目标1. 了解存储器的概念和分类。

2. 掌握存储器的性能指标。

3. 理解存储器的工作原理。

3.2 教学内容1. 存储器的概念和分类：随机存储器、只读存储器等。

2. 存储器的性能指标：容量、速度、功耗等。

3. 存储器的工作原理：数据读写过程、存储器组织结构等。

3.3 教学方法1. 采用讲授法，讲解存储器的概念和分类。

2. 采用案例分析法，分析存储器的性能指标。

微处理器的原理与应用1. 引言微处理器（Microprocessor），又称CPU（Central Processing Unit），是计算机的核心部件，负责执行计算机指令并处理数据。

微处理器的原理及其应用广泛应用于现代计算机系统、嵌入式系统以及各类电子设备中。

本文将介绍微处理器的原理和应用，并探讨其在现代科技领域的重要性。

2. 微处理器的原理微处理器是由大量的晶体管组成的集成电路，通过电子信号的控制来实现数据的计算和处理。

微处理器的原理主要包括指令集架构、运算单元、控制单元和存储器等几个核心方面。

•指令集架构：微处理器通过指令集架构来定义其支持的指令和数据格式。

常见的指令集架构包括x86、ARM等，不同的架构对应不同的指令集和寄存器组织方式。

•运算单元：微处理器的运算单元负责执行算术和逻辑运算。

它包括算术逻辑单元（ALU）和浮点运算单元（FPU），能够完成加减乘除等基本运算。

•控制单元：微处理器的控制单元负责解析和执行指令序列。

它包括指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和指令解码器等组件，能够将指令翻译为对应的控制信号，驱动运算单元和存储器进行数据处理。

•存储器：存储器是微处理器的重要组成部分，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM用于存储数据和程序，而ROM中存储了微处理器的固件和指令集。

3. 微处理器的应用微处理器的应用已经渗透到各个领域，包括个人电脑、服务器、手机、智能家居、汽车等等。

下面将以几个典型的应用领域为例进行介绍。

3.1 个人电脑个人电脑（PC）是微处理器最常见的应用之一。

微处理器在个人电脑中扮演着核心的角色，负责执行和处理用户的指令和数据。

随着技术的发展，个人电脑的处理能力越来越强大，微处理器的性能也得到了持续的提升。

3.2 嵌入式系统嵌入式系统是指把微处理器嵌入到各种电子设备中，以实现特定功能的电子系统。

例如，智能手机、智能手表、家用电器等都使用了微处理器来实现各种功能。

第二章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用作用：①速度快，通用性强②具有多种多样的信息处理能力，不仅能进行复杂的数学运算，而且能对图像，文字和声音等多种形式的信息进行获取，编辑，转换，存储，展现等处理③信息存储容量大，存取速度高④具有互联，互通和互操作的特性，计算机网络不仅能进行信息的交流与共享，还可借助网络上的其他计算机协同完成复杂的信息处理任务。

2.1.2 计算机的逻辑组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。

硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。

软件是指计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。

CPU，内存存储器，总线等构成计算机的“主机”输入/输出设备和外存储器称为“外设”承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”总线是用于在CPU，内存，外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连2.1.3计算机的分类巨型机，大型机，服务器，个人计算机，嵌入式计算机微处理器（µP或MP），通常指使用单片大规模集成电路制成的，具有运算和控制功能的部件SOC：单个集成电路芯片中包含微处理器，存储器，输入/输出控制与接口电路，电子系统模拟电路，数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路2.2 CPU的结构与原理2.2.1 CPU的作用与组成匈牙利数学家冯·诺依曼的“存储程序控制”原理CPU的根本任务是执行指令CPU的组成：寄存器组（用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间结果），运算器：也称算术逻辑部件（ALU），控制器：指令计数器（用来存放CPU正在执行的指令的地址）和指令寄存器（用来保存当前正在执行的指令）2.2.2 指令与指令系统指令是构成程序对的基本单位，采用二进制表示，指令由操作码和操作数地址组成，CPU所能执行的全部指令称为指令系统2.2.3 CPU的性能指标字长，主频，CPU总线速度，高速缓存的容量与结构，指令系统，逻辑结构，内核个数 TFLOPS（万亿条浮点指令/秒）MIPS（百万条定点指令/秒），MFLOPS（百万条浮点指令/秒）2.3 PC主机的组成2.3.1 主板，芯片组与BIOSCPU芯片和内存条分别通过主板上的CPU插座和存储器插槽安装在主板上，PC机常用外围设备通过扩充卡或I/O接口与主板相连，扩充卡借助卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是闪烁存储我，其中存放的是BIOS，它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动，另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放者与计算机系统相关的一些参数（称为配置信息），包括当前的日期和时间，开机口令，已安装的光驱和硬盘的个数及类型等，CMOS 芯片是一种易失性存储器，它由主板上的电池供电，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息芯片组由北桥芯片（MCH）和南桥芯片（ICH）组成，CPU时钟信号由芯片组提供芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量，速度及可使用的内存条的类型每次机器加电时，CPU首先执行BIOS程序，它具有诊断计算机故障和加载操作系统并启动其运行的功能BIOS:加电自检程序，引导装入程序，CMOS设置程序，基本外围设备的驱动程序内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成，RAM目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成DRAM:电路简单，集成度高，功耗小，成本低SRAM:电路复杂，集成度低，功耗大，成本高每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问存储器的存取时间指的是从CPU给出存储器地址开始到存储器读出数据并送回到CPU所需要的时间解决主存速度慢的方法是：①采用cache存储器②改进存储器芯片的电路与工艺，并对DRAM的存储控制技术进行改进2.3.3 I/O总线与I/O接口CPU芯片与北桥芯片相互连接总线称为CPU总线（前端总线FSB），I/O设备控制器与CPU，存储器之间相互交换信息，传输数据的一组公用信号线称为I/O总线，总线上有三类信号：数据信号，地址信号和控制信号总线带宽（MB/S）=(数据线宽度/8)X总线工作频率（MHZ）X每个总线周期的传输次数PCI-E是PC机I/O总线的一种新标准，采用高速串行传输USB电源（5V,100mA～500Ma） USB3.0的电流是1A2.4常用输入设备扫描仪的性能指标：①扫描仪的光学分辨率：普通家用扫描仪分辨率在1600～3200dpi②色彩位数③扫描幅面④与主机的接口2.5 常用输出设备显示器的刷新频率越高，图像的稳定性越好，响应时间越小越好。

专升本《微机原理》微机原理是计算机专业的一门重要课程，旨在培养学生对微机原理的理论与实践知识。

本文将从微机原理的基本概念、微机系统的组成、微处理器的工作原理以及微机系统的应用四个方面进行论述。

首先，微机原理是指计算机硬件系统中微处理器和微型计算机组成的基本原理。

微机原理包括两个层次，一是微机硬件系统基本组成和工作原理，二是微型计算机的结构和设计原理。

微机的基本概念包括硬件和软件两个方面。

硬件包括主机系统和外部设备两个部分，主机系统由中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）以及系统总线组成，外部设备包括输入设备、输出设备和存储设备等。

软件包括系统软件和应用软件，系统软件包括操作系统和公用软件，应用软件是用户根据自己的需要进行选择和安装的。

其次，微机系统的组成是指微机硬件系统中各部分组成的方式和相互连接的方式。

微机硬件系统由中央处理器、存储器（RAM和ROM）、输入输出接口和系统总线等部分组成。

中央处理器是微机的核心，负责指令的执行和数据的处理。

存储器是用于存放程序和数据的地方，其中RAM是随机存储器，用于临时存储数据和程序，ROM是只读存储器，用于存放固化程序。

输入输出接口是微机与外部设备之间进行数据交换的接口，可以通过接口将用户输入的数据传输到微机内部，也可以将微机内部的数据传输到外部设备上。

系统总线是微机内部各个部件之间进行数据传输和通信的通道，包括地址总线、数据总线和控制总线。

再次，微处理器是微机硬件系统中最重要的部件，也是微机原理中最核心的内容之一、微处理器是一个集成电路芯片，包括控制单元和算术逻辑单元两个部分。

控制单元负责控制微机执行指令的操作，通过时钟信号驱动指令的执行。

算术逻辑单元负责执行算术和逻辑运算，对数据进行加减乘除等操作。

微处理器的工作原理是通过时钟信号和时序控制来实现的，时钟信号是微处理器内部的节拍信号，用于同步各个部件的工作。

时序控制是通过控制单元的指令译码和执行来实现的。

第二章微处理器及其结构2-7 什么是逻辑地址? 什么是物理地址? 在实地址方式下,如何求存储器的物理地址? 设一个16字的数据区,它的起始地址为70A0H:DDF6(段基址:偏移地址).写出这个数据区的首字单元和末字单元的物理地址.解:1). 实模式下,逻辑地址由段基址和偏移地址组成.物理地址是真正的存储单元的地址.2). 物理地址=段基址*16 + 偏移地址3). 首字单元地址:70A0H*16 +DDF6H = 70A00H + DDF6H = 7E7F6H末字单元地址:7E7F6H + (16-1)*2 = 7E7F6H + 1EH = 7E814H注意:相邻两个存储单元可构成一个字长为16位的字,在对准字时,用偶地址表示字的地址.1EH1CH 2H20H16H14H18H4H1AH10H0H12HEHCH8HAH6H第三章指令系统3-6 分别指出下列指令中源操作数和目标操作数的寻址方式. 若是存储器寻址,用表达式表示EA=?（1）AND AX, 00FFH（2）ADD BX, [00FFH]（3）MOV AX, [BX+10H]（4）ADD AX, [ESI*8]（5）SUB [BP][SI], AX（6）MOV AX, [BX+DI+20H]（7）CMP [SI], AX（8）OR AX, DX（9）MOV EAX, [ESI][EDI*2]（10）PUSH DS解:（1）立即数寻址（2）直接寻址EA=00FFH（3）基址寻址EA=(BX)+10（4）比例间址EA=ESI*8（5）基址加间址寻址EA=(BP)+(SI)（6）带位移的基址加间址寻址EA=(BX)+(DI)+20H（7）间址寻址EA=(SI)（8）寄存器寻址（9）基址加比例间址寻址EA=(ESI)+(EDI)*2（10）寄存器寻址注意:◆16位寻址: BX和BP作为基址寄存器.BX以DS作为默认段寄存器,BP以SS为默认段寄存器.SI和DI作为间址寄存器. 默认DS为段寄存器◆32位寻址: 8个32位通用寄存器均可作为基址寄存器,其中ESP,EBP以SS为默认段寄存器,其余均以DS为默认段寄存器.除ESP外的其它7个寄存器均可作间址寄存器,EBP默认SS作段基址寄存器,其它以DS作段基址寄存器3-7 32位微机工作在实地址模式下, 已知(DS) = 1000和(SS) = 2000H, (SI) =007FH, (BX) = 0040H, (BP) = 0016H, 变量TABLE的偏移地址为0100H. 指出下列指令中源操作数的寻址方式,求它的有效地址(EA)和物理地址(PA).（1）MOV AX, [1234H]（2）MOV AX, TABLE（3）MOV AX, [BX+100H]（4）MOV AX, TABLE[BP][SI]解:（1）直接寻址EA=1234H PA=(DS)*16 + EA = 11234H（2）直接寻址EA=（TABLE）=0100H PA=（DS）*16+EA=10100H（3）基址寻址EA=（BX）+100H=0140H PA=（DS）*16+EA=10140H（4）带位移的基址加间址寻址EA=(BP)+(SI)+TABLE=0195H PA=(SS)*16+EA=20195H注意: 当基址寄存器和间址寄存器默认的段寄存器不同时,一般规定,由基址寄存器来决定默认的段寄存器为段基址寄存器. 这里BP为基址寄存器,所以默认SS为段基址寄存器.3-8 指出下列指令的错误,并加以改正.（1）MOV DS, 100（2）MOV 1020H, DX（3）SUB [1000H], [SI]（4）PUSH AL（5）IN AL, [80H]（6）MOV DS, ES（7）JMP BX（8）SHR DX, 4（9）OUT 380H, AX（10）ADD AL, BX（11）POP CS（12）MOV CL, 3300H解:（1）立即数不能直接传送到段寄存器中去应改为: MOV AX, 100MOV DS, AX（2）立即数只能出现在源操作数位置应改为: MOV DX,1020H（3）源操作数和目标操作数不能同时为寄存器寻址应改为: MOV AX, [1000H]SUB AX, [SI]（4）PUSH指令不能操作8位数据应改为: PUSH AX（5）[80H ]不是端口IN AL ,80H应改为: IN AL, 80H（6）两个段寄存器之间不能直接传送应改为: MOV AX, ESMOV DS,AX（7）对（8）移位次数超过1的时候，要把移位次数放入CL中应改为: MOV CL, 4SHR DX, CL（9）端口地址大于255时，要把地址放入DX中应改为: MOV DX, 380HOUT DX, AX（10）源操作数和目标操作数不匹配应改为: ADD AX, BX（11）POP指令只能使用在存储器或通用寄存器可改为: POP AX（12）源操作数和目标操作数不匹配应改为: MOV CX, 3300H3-9 已知: (DS) = 091DH, (SS) = 1E4AH, (AX) = 1234H, (BX) = 0024H, (CX) = 5678H, (BP) = 0024H, (SI) = 0012H, (DI) = 0032H, [09226H] = 00F6H, [09228H] = 1E40H, [1E4F6H] = 091DH. 试求下列各指令单独执行后的结果.（1）MOV CL, 20H[BX][SI] ; (CL) = ?（2）MOV [BP][DI], CX ; [IE4F6H] = ?（3）LEA BX, 20H[BX][SI] : (BX) = ?MOV AX, 2[BX] : (AX) = ?（4）LDS SI, [BX][DI]MOV [SI], BX ; (SI]) = ?（5）XCHG CX, 32H[BX] ; (AX) = ?XCHG 20[BX][SI], AX ; [09226H] = ?解:（1）(CL) = 00F6H（2）[IE4F6H] = 5678H（3）(BX) = 0056H(AX) = 1E40H（4）(SI)= 0024H（5）(AX) = 5678H[09226H] = 1234H3-10 已知(AL) = 0C4H, DATA单元中内容为5AH, 写出下列每条指令单独执行后的结果（ODITSZAPC：0---xxux0）（1）AND AL, DATA（2）OR AL, DATA（3）XOR AL, DATA（4）NOT DATA（5）AND AL, 0FH（6）OR AL, 1H（7）XOR AL, 0FFH（8）TEST AL, 80H解:（1）(AL)= 40H CF=0,OF=0,SF=0,ZF=0,PF=0,AF无定义（2）(AL)= DEH CF=0,OF=0,SF=1,ZF=0,PF=1,AF无定义（3）(AL)= 9EH CF=0,OF=0,SF=1,ZF=0,PF=0,AF无定义（4）(AL)= A5H 不影响任何标志位（5）(AL)= 04H CF=0,OF=0,SF=0,ZF=0,PF=0,AF无定义（6）(AL)= C5H CF=0,OF=0,SF=1,ZF=0,PF=1,AF无定义（7）(AL)= 3BH CF=0,OF=0,SF=0,ZF=0,PF=0,AF无定义（8）(AL)不变=0C4H CF=0,OF=0,SF=1,ZF=0,PF=0,AF无定义3-12 (AL)=8EH,(BL)=72H，执行以下指令后，标志位OF、SF、ZF、AF、PF和CF的值是什么？（1）ADD AL,BL（2）AND BL,AL（3）CMP AL,BL（4）SHL AL,1解：（1）OF=0,SF=0,ZF=1,AF=1,PF=1,CF=1（2）OF=0,SF=0,ZF=0,AF=（未定义）,PF=0,CF=0（3）OF=1,SF=0,ZF=0,AF=0,PF=0,CF=0（4）OF=1,SF=0,ZF=0,AF=（未定义）,PF=0,CF=13-15 试用CMP指令和无条件指令实现以下判断（1）AX和CX中的内容均为无符号数①（AX）>（CX）则转至BIGGER标号执行②（AX）<（CX）则转至LESS标号执行（2）BX和DX中的内容均为有符号数①（BX）>（DX）则转至BIGGER标号执行②（BX）<（DX）则转至LESS标号执行解：（1）CMP AX,CXJA BIGGERJB LESS（2）CMP BX,DXJG BIGGERJL LESS第四章汇编语言程序设计4-9 试用伪指令编写一数据段与下面程序等效。

微处理器系统原理应用与开发微处理器系统是由微处理器、存储器、输入输出接口以及其他辅助设备构成的一种计算机系统。

它具有计算能力强、体积小、功耗低等特点，在现代电子产品中得到广泛应用。

微处理器系统的原理、应用与开发是现代计算机科学与技术的重要研究领域，下面将从这三个方面进行分析。

微处理器系统的原理主要涉及到微处理器的结构和工作原理。

微处理器是计算机的核心部件，它负责执行计算机指令、管理数据和控制各种外部设备的接口。

微处理器的结构包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器和总线。

ALU负责进行各种算术和逻辑运算，CU负责解析和执行指令，寄存器用于存储数据和指令，总线用于连接各个部件和传输数据。

微处理器通过时钟信号控制各个部件的操作和协调。

微处理器根据指令的类型和操作码执行不同的任务，包括加减乘除、逻辑运算、数据存取和控制流程等。

微处理器系统的原理研究对于提高微处理器的性能和可靠性具有重要意义。

微处理器系统的应用广泛涉及到各个行业和领域。

微处理器已经成为现代电子产品的核心部件，包括计算机、手机、平板电脑、智能家居、工业自动化等等。

在计算机行业中，微处理器是计算机的核心，它决定了计算机的性能和功能。

在移动通信领域，微处理器被广泛应用于手机和平板电脑中，实现了移动通信的功能和服务。

在智能家居领域，微处理器被用于控制各种家庭设备和系统，实现了智能化的家庭生活。

在工业自动化领域，微处理器被用于控制各种生产设备和机器人，提高了工业生产的效率和质量。

微处理器系统的应用研究对于推动技术创新和产业发展具有重要意义。

微处理器系统的开发主要包括硬件设计和软件编程两个方面。

硬件设计涉及到微处理器的电路设计、系统集成和测试验证等方面。

在微处理器的电路设计中，需要考虑电路的时序、功耗、可靠性等因素，通过逻辑门、寄存器、时钟等组件将电路连接在一起。

在系统集成中，需要将微处理器连接到其他部件和外围设备，并进行各种接口协议的设计和实现。