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参考教材

微型计算机系统原理及应用(第五版)

周明德 主编

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从过时的8086芯片学起的原因 IA-32结构是完全兼容的 8088/8086是Intel 80x86系列芯片的基础 构造一个小型系统,要采用8086(8088) PC机的存储器容量已经很大,但是基本存储单元的工作原 理没有变,构成存储器的原理没有变,存储器与CPU的接口原 理、接口方法也没有变 PC机的外设越来越丰富，但是PC机与外设的接口方法并没 有变，中断的工作原理及中断处理方法也没有变 PC机主板上已用两块专用芯片代替以前大量的接口芯片和 中小规模集成电路，但是它们仍然具有8255A、8250、 8353(8254)、8259和8237等芯片的作用。并且在自行构 造系统时，仍然要使用这些通用的接口芯片

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第一章 概

述

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1.0 80X86系统结构的概要历史

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微型计算机的发展

微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的 性能也随之提高一倍 ------摩尔定律 1971年~1977年是微处理器发展的早期阶段:字长为4位或8位，集成度约为3000~10000晶体管/片，微 处理器的主频为0.1~5MHz。 1971年：Intel 4004,是世界上第一片单片微处理器 4位微处理器，寻址空间为4096个半字节, 指令系统包 括45条指令 1972年：Intel 8008,是世界上第一片8位微处理器。 8008采用了10 m生产工艺，集成度为3500个晶体管， 工作频率为200KHz。

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微型计算机的发展 1974年：Intel 8080 采用了6 m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频 为2MHz。 1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第 一台个人计算机Altair 8800。值得一提的是，Altair 8800 的BASIC语言解释器是Bill Gates编写的 1976年： Intel 8080 Intel公司生产的最后一种8位通用微 处理器， 8085的工作频率提高到5MHz,指令系统的指令数上 升到246条。

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X86系列微型计算机的发展第一代：8086/8088(1978年-1981年) 1978年--8086 采用了3 m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率 为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址 总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的 内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设 置了6字节的指令预取队列 1979年--8088 除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。 8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备 控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间 传输为8位，故8088称为准16位微处理器。 1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台 16位微型计算机IBM 5150 Personal Computer,即著名的 IMB PC。

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X86系列微型计算机的发展第二代：80286(1982年-1984年) 采用 1.5 m 工艺，集成了 134,000 个晶体管，工作频

率为 6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加 到24位，使存储器寻址空间达到16MB。 1985 年 IBM 公司推出以 80286 为 CPU 的微型计算机 IBM PC/AT,并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的 工业标准结构(ISA)。该结构提供了一个 16位、高性能 的I/O扩展总线。 80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流 CPU 。 在 这 一 时 期 ， 还 诞 生 了 世 界 上 最 早 的 芯 片 组 (chipsets)。

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X86系列微型计算机的发展第三代：80386(1985年-1988年) 第一个实用的32位微处理器，采用了1.5 m工艺，集成了 275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄 存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址 总线，80386 的可寻址空间达到 4GB 。这时由 32 位微处理 器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。 80386的其他一些版本： 80386SX,包含16位数据总线和 24 位地址总线，寻址空间为 16MB ;80386SL/ 80386SLC , 包含 l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。 由于这些微处理器由于与 I/O 之间传输为 16 位，故也称为 准32位微处理器。

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X86系列微型计算机的发展第四代：80486(1989年-1992年) 采 用 1 m 工 艺 ， 集 成 了 120 万 个 晶 体 管 ， 工 作 频 率 为 25MHz。80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系 结构的主处理器，一个与 80387相兼容的数学协处理器和 一个8KB容量的高速缓冲存储器。80486把80386的内部结 构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成， 而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快 2到3倍。 Intel 公司还生产过 80486 的其他一些版本： 80486SX ,工 作频率20MHz ,不包含数学协处理器； 80486DX2 ,采用 双倍时钟，内部执行速度达到 66MHZ ,内存存取速度为 33MHz ; 80486DX4 ,采用三倍时钟，内部执行速度达到 100MHZ,内存存取速度为33MHz。

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X86系列微型计算机的发展第五代：Pentium(1993年-1997年)

Pentium处理器的发展分成三代 第一代 Pentium 处理器(以 P5 代称， 1993 年)采用 0.8 m 工 艺 技 术 ， 集 成 了 310 万 个 晶 体 管 ， 工 作 频 率 为 60MHz/66MHz。 第 二 代 Pentium 处 理 器 ( 以 P54C 代 称 ， 1994 年 ) 采 用 0.6 m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。 第三代Pentium MMX(以P55C代称1997年)增加了57条 多媒体指令 在体系结构上， Pentium在内核中采用了RISC技术，可以 说它是CISC和RISC技术相结合的产物

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X86系列微型计算机的发展第六代：P6(1996-今) Pentium Pro、Pentium II、Pentium III 采用0.6 m -0.18 m工艺，集成度550万-750万晶体管， 时钟频率166MHz-1GHz,采用二级高速缓存，2级超标量 流水线结构，一

个时钟周期可以执行3条指令第七代：未来----64位Mecerd(P7)

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X86系列微型计算机的发展

代 1 2 3 4 5 6

字长 16 16 32 32 32 32

型号 8086 80286 80386 80486 P5 P6

工艺 3 1.5 1.5 1 0.8-0.6

集成度 (万个) 3 13.4 27.5 120 320

主频 4.77-10 6-16 16-33 25-66 60-133 133-1G

速度 (MIPS) <1 1-2 6-12 20-40 100-200 >300

0.18-0.6 550-950

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1.2 计算机基础:计算机系统构成框图外存储器读 出 微型计算机 CPU+内存+I/O接口

写 入

内存储器输入信息

输 入 设 备

读 出

写 入

运算器

输 出 设 备取 出 指 令

输出信息

控制器数据信息控制信息 中央处理器 CPU

外围设备

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1.2.1 冯· 诺依曼结构：控制器:负责控制并协调各部件的工作,使计算机能自动地执 行程序。 控制器从存储器顺序地取出指令，并对指令代 码进行翻译，然后向各部件发出相应的命令，使指令规 定的操作得以执行。 因此，控制器是统一指挥和控制

计算机各部件进行工作的中央机构。输入设备：负责把用户的程序和数据输入到计算机的存储 器中。 输出设备：负责从计算机中取出程序执行结果或其它信 息，供用户查看。 存储器： 是实现记忆功能的部件。数据和程序以二进 制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由 地址指定，地址码也是二进制形式 运算器： 负责数据的算术运算和逻辑运算，即数据的加 工处理。

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微型计算机系统的三个层次 微处理器 严格讲，微处理器≠ CPU CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算 术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成 把CPU和一组称为寄存器(Registers)的特殊存储器集成 在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这 个器件才被称为微处理器

微型计算机 以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读 存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出接 口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。

将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上， 称为单片微型计算机，简称单片机。