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第2章 计算机硬件基础,2.1 计算机发展简史四代,2.1 计算机发展简史Intel 微处理器,微处理器芯片 微型计算机用微处理器,Intel公司为龙头,32/64位 数值计算、数据处理、信息管理 嵌入式微处理器或控制器(MCU)，Freescale公司为龙头，8/16/32位 控制、仪表、通信 数字信号处理器(DSP),TI公司为龙头,16/24/32位 微处理器内核研究开发的新秀，ARM，32位 片上系统(SOC)，CPU、存储器与I/O接口部件全部集成在一个芯片上,2.2 微型计算机系统概述,微处理器几个特色部件 协处理器，提高运算精度，主要解决浮点运算 高速缓冲存储器，Cache，提高运算速度 存储器管理部件，MMU，解决虚拟存储器 的管理，实模式DOS保护模式Windows 嵌入式实时操作系统 微型计算机的操作系统在磁盘等外设中 嵌入式系统的操作系统写入芯片内部存储器,SOC,1. 微型计算机的硬件组成,微处理器 主存储器 I/O接口 输入、输出设备 系统总线,(一) 微处理器或称CPU主要技术参数 1位和字长 8/16/32/64 2CPU主频或称内频 2MHz3GHz以上 3外部总线频率 2MHz800MHz 4片内高速缓冲存储器( Cache)的容量01MB,（二）主存储器或主存，内存储器或内存，或存储器 同微处理器系统总线直接相连 以字节为基本存储单元，每个存储单元都编以地址号，以便微处理器寻址(访问) 多字节数据的存放格式同厂家型号有关 Intel 高端地址放高字节，低端地址放低字节 外部存储器，磁盘、光盘、U盘同微处理器系统总线不相连，仅通过I/O接口相连。,特点,高高低低,（三）输入/输出接口或I/O接口，I/O端口 微处理器同外部设备连接的桥梁， 1/O端口同微处理器直接相连，外设同微处理器系统总线不直接相连, 为什么？ 每个端口都有地址编号，以便微处理器寻 址，访问不同的外设 8/16/32位的端口,还有1位的串行通信设备 I/O传输比主存储器慢,特点,（四）输入、输出设备或外围设备、外设,输入设备 将人们熟悉的信息变换成计算机能识别的格式 输出设备 过程相反 常用输入设备：键盘、鼠标、话筒、数码相机、扫描仪、模数转换器 常用输出设备：显示器、音箱、打印机、绘图仪、数模转换器,（五）系统总线,总线是指传递信息的一组公用导线 系统采用总线结构连接系统功能部件 总线信号可分成三组 地址总线AB： 传送地址信息 数据总线DB ：传送数据信息 控制总线CB ：传送控制信息,总线信号,地址总线AB 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址 地址线多少决定系统寻址存储器的范围,单向 数据总线DB CPU读操作时,外部数据通过该总线送往CPU CPU写操作时,CPU数据通过该总线送往外设 数据线多少决定一次能传送数据的位数,双向 控制总线CB 协调各部件的操作,有输出控制/输入状态信号 控制总线决定系统传输的性质,双向,各线异向,2 . 微处理器基本结构,为什么要使用寄存器！,3、大体操作过程 存储器分指令存储器与数据存储器; 上电初始化各寄存器,指令指针指向指令存储器的首地址; 取指令到指令寄存器; 译码器对指令译码; 译码结果将驱动控制逻辑发出相关信号，执行指令，例如到指定的数据存储器单元中取数据到寄存器，在累加器中完成运算;, 到指令存储器取下一条指令，经译码后执行，例如将运算结果送到数据存储器指定单元中保存。 实际机器中是流水线作业，以上过程是重叠进行的。 指令代码中含操作码与操作数，操作码是本次操作的操作目的，例如“做加法”，操作数是被操作的对象，例如“加法指令” ADD AX,6688H ;将AX寄存器作为被加数的操作码为05H， 加数操作数为6688H， 该条指令的机器码为058866H,2.3 8086/8088/80286 16位微处理器,1、8086的内部结构,2、8086的寄存器,标志寄存器 8086/8088的标志寄存器Flags是一个16位的专用寄存器，如P21图2.7所示。 图中标注“r”的 7位表示未使用,这里只定义了 9个标志位， 其中3个控制标志，用户指令可控制。 6个状态标志，用户指令可检测。,6个状态标志位分别反映指令执行以后ALU的状态结果，它们只能由用户指令检测,不能控制： ·进位标志C(carry flag)， 加法与减法等算术运算指令执行后， 最高位 有进位或借位，C=1； 无进位或借位，C=0。 ·辅助进位标志A(auxiliary carry flag)， 用于BCD数的算术运算调整指令。 低4位D3D0向高4位D7D4进位或借位，A=1; 无进位或借位，A=0。 二进制是F+1发生进位，BCD是9+1产生进位,·溢出标志O(overflow flag)， 带符号数的加法与减法等算术运算指令执行后，结果超出了累加器所能表示的数值范围，置O=1; 反之，则O=0。 例如对于16位来说，7FFFH(32767)加01H后结果为8000H(32768)，此时即置O1。 但进位C并无变化 对于无符号数的处理则应忽略溢出标志的影响。 ·符号标志S(sign flag)， 该标志表示运算结果的符号， S与结果数的符号位相同，即若结果为负数，S=1; 结果为正数，S=0,·零标志Z(zero flag)， 用于数值的大小比较。 指令执行后的结果为0，Z=1； 结果不为0，Z=0。 ·奇偶标志P(parity flag)， 用于数据传送过程中的奇偶校验错误。 指令执行后结果的低8位中1的个数为偶数，P=1; 若为奇数，P=0。 字节数据加奇偶校验位后成为9位,3个控制标志位用于控制CPU的操作： ·方向标志D(direction flag)， 该标志用于控制数据块串操作的地址步进方向。 例如拷贝一个数据块， 目的数据块源数据块 若D=0，地址自动增量，从低值地址向高值地址实现拷贝操作； 若D=1，地址自动减量，从高值地址向低值地址实现拷贝操作。,·中断允许标志I(interrupt enable flag)， I=1，允许CPU响应外部中断； I=0，禁止CPU响应外部中断。 允许中断又称开中断，禁止中断又称关中断。 ·跟踪标志T(trap flag)， 又称陷阱标志， T=1，CPU每执行一条指令都将自动地转去执行一个中断子程序,以便检查该条指令执行的结果。此时称CPU处于单步工作方式，用于程序的调试； T=0，CPU连续不断地正常执行程序，执行完后再检测程序功能。,3、存储器物理地址的形成 所有的寄存器都只有16位，但地址却有20位，一个寄存器装不下，地址信息不好处理，怎么办？,必须采用2个寄存器 将存储器实施分段管理，段的大小按需而定，最小段为16B，最大段为64KB 两个寄存器的16位都用上，彼此相对独立，一个称段寄存器，另一个称(段内距离)偏移量寄存器; 在指令中用逻辑地址段:偏移量表示， 例如CS:0819H 或者 DS:0010H等,段为1000H,偏移量为0010H CS:0010H 段为2001H,偏移量为0018H CS:0118H 段为0800H,偏移量为6010H CS:6010H 运算由CPU硬件自动完成,段基地址,0,3,6,存储器,逻辑地址如何生成物理地址?,地址生成(加法)器为20位 装入段寄存器的16位内容，将其全体16位左移4位构成A19A4，移位空出的右边4位A3A0补0，生成的地址为该段的首地址，又称段基地址 加上偏移量(同基地址的距离)即生成所需的物理地址,A0,A15,A19,段地址,段基址,物理地址,偏移量,两个寄存器共有32位，但实质的地址只有20位，1个物理地址可以用多个逻辑地址来表示，出现了地址重叠现象,段的起点不同，段内的距离(偏移量)也就不同,CS:IP,SS:SP,DS:××,ES:××,程序占用存储器示意图,CPU内部4个段寄存器 指令段寄存器CS 数据段寄存器DS 堆栈段寄存器SS 附加数据段寄存器ES,多字节数据存放格式 存储器以字节为单位，存放多字节数据时，IA体系规定: 低值地址单元放低字节，高值地址单元放高字节，简言之,字数据1234H 双字数据12345678H,00010H,00011H,34,12,12,34,56,78,01003H 01002H 01001H 01000H,高高低低,2.4 32位微处理器发展,80286(16,24)的内部由4个功能部件组成:总线部件,指令部件,地址部件(BIU), 执行部件.即在8088的基础上增加了指令部件和地址部件;四个部件分别进行同步,独立,并行地进行总线操作,实现流水线作业,避免顺序处理,最大限度地发挥了处理器的性能.,80386(32,32)的内部由6个功能部件组成:总线接口部件,指令译码部件,指令预取部件,执行部件,段管理部件,页管理部件.即在80286的基础上增加了指令译码和页管理两个部件.6部分分别进行同步,独立,并行操作,实现了高效的流水线化作业. 80486(32,32)的内部由8个功能部件组成.增加浮点处理单元（FPU）和高速缓存（Cache memory） Pentium(32,32)的内部由10个功能部件组成.cache分为指令Cache和数据Cache ，二级cache。,80386/80486内外数据总线与地址总线各为32位，486区别386的最大特色是它的内部集成了协处理器与Cache，而386必须外接协处理器80387 自奔腾开始，外部数据总线扩宽到64位，以改善存储器和各设备争用总线发生的“瓶颈”效应，分时占用的传输效率加倍 自高能奔腾(奔腾2)开始，地址总线扩展到36位，存储器空间扩至64GB,2.4 32位微处理器,486以前是单条流水线，奔腾系列都是多条流水线(超标量)结构，一个时钟内可执行多条指令 自多能奔腾开始拥有多媒体(MMX)信息处理的专用指令功能 无论发展到何种先进水平，新品都要全面兼容先前的产品，使得自己的用户队伍不断壮大，事业久盛不衰！,信号与引脚不是一一对应的！ 其中有大量同电位的地与电源引脚，降低干扰，便于散热！,8个通用的32位寄存器兼容了16位和8位的寄存器,6个16位的段寄存器 代码段寄存器 CS 数据段寄存器 DS 堆栈段寄存器 SS 附加段寄存器 ES 附加段寄存器 FS 附加段寄存器 GS,标志寄存器Eflags的bit 11bit 0这12位是8086定义的 进位(C) 指令执行后结果最高位产生进位或借位置1; 保留(r) 保留未用，留给今后开发新品使用; 奇偶(P) 指令执行后结果的低8位中“1”的个数为偶数置 1,为奇数置0; 辅助进位(A) D3D0低4位向D4进位或借位置1,便于 处理BCD数,因为二进制中这4位大于15产生自 然进位,BCD中这4位表示09的十进制数, 大于9应进位,需作BCD调整;,Flags,Eflags,零(Z) 结果为0置1,非0置0; 符号(S) 结果为负数置1,正数置0 溢出(O) 结果超出2进制补码范围时置1 (字节128127， 字3276832767， 双字21474836482147483647) 以上都是由结果来确定的状态位，供程序员检查 下面是程序员可以主动控制CPU的控制位 跟踪/陷阱(T) 当该位置1时,CPU每执行一条指令(单步跟踪)后即进入内部中断服务，此时可检查指令执行的各项结果,便于调试程序,该位置0时CPU正常(全速)运行程序;,方向(D) 控制数据块(如拷贝)操作时地址的 步进方向, 为0时地址由低值向高值自动增量, 置1时地址由高值向低值自动减量 中断(I) 为0时禁止CPU响应外部中断请求 为1时允许CPU响应外部中断请求 CPU在处理某事务时，另一事务要求中止当前服务，请求更加紧急的事务处理，称中断服务处理,80286新定义了以下2个标志但实模式下不使用 bit12,bit13为IOPL(I/O protection level),I/O保护级定义了在保护模式操作时访问I/O寻址空间的4个特权级，在多数场合下，IOPL受操作系统控制。 bit14为NT(nested task),嵌套任务 在保护模式下一个多任务操作系统使用嵌套任务标志，以便知道目前是否同时装载了多个任务，某个任务是否被中断，当NT置1时意味着至少有一个任务切换。,80386新定义了以下2个标志 bit16为R (resume),恢复,它与调试寄存器的断点一起使用,控制断点中断后的任务通过调试寄存器重新启动。 bit17为VM (virtual 8086 mode),虚拟8086模式,通过设置VM标志为1可令处理器在保护模式下进入虚拟8086模式。如果VM位后来又被复位为0，那么处理器又会返回到保护模式。 实模式下VM标志没有意义。,80486新定义了以下一个标志 bit18为AC (alignment check),对准检测,如果AC标志为1,则当出现对准错误时处理器就会输出异常中断。,奔腾增加了以下3个标志 bit19为VI (virtual interrupt),虚拟中断允许，它是在虚拟8086模式下中断允许位 I 的一种虚拟方式。 实模式下不使用该标志。 bit20为VIP (virtual interrupt pending),虚拟中断挂起，它与虚拟中断标志一起使用，使得虚拟8086模式下具有中断允许标志 I 的虚拟方式。通过如此处理，中断过程就会明显加速。 实模式下不使用该标志。 bit21为ID (identification),识别标志位，它表示是否支持CPU识别指令CPUID。如果置1，则支持该指令，从而获得处理器的版本与特性等信息。 bit 31bit 22保留，待今后进一步开发,2.5 主板,微处理器(CPU) 主板 主机箱 微型计算机系统(PC),奔腾4 875主板,微星875P NEO, 带卡的CPU插座(Socket)或插槽(Slot)， 分离式结构方便用户在同一块主板上可以配置不同的微处理器。 CPU描座的周围通常都不再安装较大体积的元器件，尽量留出较大的空间使空气对流，便于微处理器散热。 带卡的长条形主存储器插槽， 分离式结构方便用户在同一块主板上可以配置不同容量与性能的内部主存储器。 为了方便安装与拆除内存条，这个位置的空间容量也比较大。 焊接了多块IC构成芯片组，选定了主板也就选定了芯片组。, 有多个长条形白色的PCI总线扩展槽， 提供给用户配插相关的设备板卡，添加或增强PC的功能。 早期主板配置ISA总线扩展槽,呈黑色长条形。 仅有一个AGP显示卡插槽，呈褐色， 没有这个插槽的主板则内含了显示卡， 内含显示卡的主板也可能带AGP插槽，以便给用户一个更灵活的选择，可以将内含显示卡关闭掉而插入所希望的AGP显示卡。 连接硬盘与光盘的连接座EIDE1与EIDE2， 双排40个针脚， 还有一个连接软盘驱动器的双排34针脚FDC接口连接座。, 双排20个引脚的电源连接座，一般呈白色。 提供±12V、±5V、3.3V与待机电源，面板电源开关只能关断主电池， 待机电源始终工作,以便实现自动开机等遥控功能 背侧面有键盘和鼠标连接座各1个， USB连接座两个， COM串行连接座DB9两个， 打印机连接座DB25一个， 内含显示卡还有显示器连接座DB15一个， 内含声卡则有耳机与话筒座及游戏棒连接座 前侧有连接机箱面板的复位按键、指示灯等连接座。, 钮扣电池及其他大量分立元器件， 改善各类芯片供电性能的滤波以及抗干扰 同步时钟发生器， 由高稳定度的晶体产生基频，经发生器处理后输出多种基准时钟送往CPU、芯片组、存储器和扩展槽等部件。 11 无论何种PC主板，除主存储器外，其上还有ROM与RAM两种不同的存储器芯片 BIOS 是一片ROM，程序代码 CMOS RAM则由电池供电，存放数据,BIOS功能综述 1POST上电自检 机器接通电源后，运行BIOS中的上电自检程序POST（Power On Self Test）,它包括对主板上的CPU、芯片组、主存储器、CMOS存贮器、在板I/O接口以及显示卡、软盘/硬盘子系统和键盘/鼠标等的测试。自检中若发现问题，系统将会给出屏幕提示信息并鸣笛报警。,2系统启动自举程序 完成POST自检后，BIOS将按照系统CMOS RAM中设置的启动顺序搜寻操作系统启动程序，例如 先看软盘驱动器A是否可启动， 不行再看硬盘驱动C是否可启动， 仍不行则检查CD-ROM、 网络服务器等有效的启动驱动设备。 这一过程读入操作系统的引导记录，然后将系统控制权移交给引导记录，由引导记录完成操作系统的启动。,3BIOS功能调用程序 这是系统软、硬件之间的一个接口子程序库， INT 10H ;视频 INT 11H ;外设报告 INT 12H ;存储器尺寸 INT 13H ;软盘/硬盘 INT 14H ;COM串行通信 INT 15H ;其它I/O设备 INT 16H ;键盘中断 INT 17H ;并行打印机 INT 33H ;鼠标 各自都有子功能，子功能号置于AH中，用户程序就可以方便地调用这些功能子程序，从而方便与简化了应用程序的设计。,4BIOS系统参数设置程序 同一型号主机板装配的PC，各个部件的配置也可以差别极大，因此应对每台机器的具体配置首先进行登记才能达到识别、诊断与管理的目的。 这些配置信息放在一块可读可写的CMOS RAM芯片中，它除了保存着系统的CPU识别、存储器容量、软盘/硬盘驱动器容量规格、显示器型号、键盘和鼠标等部件的各类信息外，还有年月日时分秒等日期和时间信息、用户上机口令与密码。 为了在关机后不致丢失这些数据，系统主板上通过一块后备电池向CMOS RAM供电。, BIOS ROM芯片中有一个“BIOS SETUP”程序专门用来设置CMOS RAM中的上述参数。 如有些PC在开机时提示按下DEL键即可进入。机器装配成功后都要完成BIOS 设置，以后不必重入 奔腾系列主板的ROM BIOS多采用Flash型EEPROM芯片，有些主板还配带BIOS改写驱动程序,可以对它进行在板改写,方便用户对BIOS升级 在许多其他的设备中也可以见到BIOS芯片，只是功能不同且有局限性而已。例如，显示卡上有视频管理BIOS，硬盘控制器中也有自身的BIOS，无盘工作站网卡上的启动ROM也可称为BIOS。, 随着微型计算机技术的不断发展，需要设置的系统参数也在逐步增加，使得现在的CMOS RAM空间容量一般都有128字节甚至256字节。为了保持同先前产品的兼容性，各BIOS厂商都将前面64个字节的基本设置保持同MC146818A的格式一致，而在扩展出来的后面一部分空间定义自己的特殊设置。表2.4给出了CMOS RAM空间前面20个字节的定义与空间分配。,