第一章微处理机概论

微机原理与接口技术微机原理与接口技术 任课教师：赵武锋任课教师：赵武锋信息与电子工程学系信息与电子工程学系联系方法联系方法n 赵武锋：浙江大学信息与电子工程学赵武锋：浙江大学信息与电子工程学系，电路所系，电路所n 办公室地址：玉泉校区老行政楼办公室地址：玉泉校区老行政楼 527n 电子邮件：电子邮件： 课程学习概论课程学习概论n 一、为什么要学习微处理机原理课程一、为什么要学习微处理机原理课程n 二、如何学习微处理机原理课程二、如何学习微处理机原理课程n 三、本课程教学实施方法三、本课程教学实施方法n 四、课程结构和学习形式四、课程结构和学习形式一、为什么要学习微处理机原理课程一、为什么要学习微处理机原理课程（ 1）微处理机微处理机 的作用（什么是微处理机？）：的作用（什么是微处理机？）：n 构成巨型计算机构成巨型计算机n 构成微型计算机构成微型计算机n 台式计算机台式计算机n 笔记本计算机笔记本计算机n 掌上计算机掌上计算机n 构成专用控制器构成专用控制器以单片机构成的应用小板以单片机构成的应用小板 一、为什么要学习微处理机原理课程一、为什么要学习微处理机原理课程（ 2）n 构成专用控制器：构成专用控制器：n 家电控制：空调器、电冰霜、洗衣机、电视机等家电控制：空调器、电冰霜、洗衣机、电视机等n 交通设施：汽车、交通控制等交通设施：汽车、交通控制等n 通讯设施：手机、传呼机、电话机、交换机等通讯设施：手机、传呼机、电话机、交换机等n 工业控制：温度控制、顺序控制、过程控制等各种自工业控制：温度控制、顺序控制、过程控制等各种自动控制设施动控制设施n 仪器仪表：测试仪器、计算机外设、各种附加仪表等仪器仪表：测试仪器、计算机外设、各种附加仪表等n 医疗设施：保健设备、检查设备、治疗设备等医疗设施：保健设备、检查设备、治疗设备等n 娱乐设施：音响设备、声像设备、游戏设备等娱乐设施：音响设备、声像设备、游戏设备等n 军事应用，航空航天（举例）军事应用，航空航天（举例）一、为什么要学习微处理机原理课程一、为什么要学习微处理机原理课程（ 3）微处理机原理课程的作用微处理机原理课程的作用n 信息工程专业的基础工具信息工程专业的基础工具n 现代电子技术的必要技能现代电子技术的必要技能n 适应各行各业的通用技术适应各行各业的通用技术二、如何学习微处理机原理课程二、如何学习微处理机原理课程n 1、 注重概念和原理的理解注重概念和原理的理解 （现在不理解，以（现在不理解，以后交学费）后交学费）n 2、 重视实践环节重视实践环节 1： 作业、编程、实验作业、编程、实验n 3、 重视实践环节重视实践环节 2： 实验室项目、实验室项目、 STRP、设、设计竞赛等计竞赛等n 4、 教材与参考书：教材与参考书：n 脱开书本的索缚，学会自主学习。脱开书本的索缚，学会自主学习。三、本课程教学实施方法三、本课程教学实施方法n 学习成绩评定学习成绩评定n (1)平时实验占平时实验占 40%n 到课、纪律、作业；到课、纪律、作业；n 课程提问、回答和课程提问、回答和 答疑积极性；答疑积极性；n 实验到课、完成情况和实验报告实验到课、完成情况和实验报告n (2)期末考试占期末考试占 60%n 期末考试卷面成绩期末考试卷面成绩三、本课程教学实施方法三、本课程教学实施方法n 课堂纪律课堂纪律n 不得旷课、迟到、早退，发现一次总成绩不得旷课、迟到、早退，发现一次总成绩中扣除中扣除 1分；分；n 上课不能讲话、听耳机、接手机；上课不能讲话、听耳机、接手机；n 每堂课以课内作业形式全部每堂课以课内作业形式全部 点名点名 或部分人或部分人员抽点；员抽点；n 作业必须作业必须 按时交按时交 ，迟交等于没交，三次以，迟交等于没交，三次以上未交作业者不得参加考试。上未交作业者不得参加考试。四、课程结构和学习形式四、课程结构和学习形式n 课程结构：微机原理（程序设计），秋学期课程结构：微机原理（程序设计），秋学期接口技术（硬件设计），冬学期接口技术（硬件设计），冬学期n 学习形式：课堂学习（每周学习形式：课堂学习（每周 3学时）学时）实验（微机原理与接口实验室，双周实验（微机原理与接口实验室，双周2学时）学时）n 教材：王汀，微处理机原理与接口技术，浙江大教材：王汀，微处理机原理与接口技术，浙江大学出版社，学出版社， 2008年年 9月第月第 1版（高等学校规划教材版（高等学校规划教材）n 实验教材：光电系自编，实验教材：光电系自编， ZDGDTH-1型型80C51/C8051/嵌入式（嵌入式（ ARM9） /CPLD/实验开发实验开发系统实验指导书系统实验指导书 (80C51分册分册 ) n 实验从第实验从第 x周开始，共四次课，每次周开始，共四次课，每次 4个学时，其个学时，其中前两次为软件实验，后两次为硬件实验中前两次为软件实验，后两次为硬件实验第一章第一章 微处理机概论微处理机概论n1.1 微处理机的产生与发展微处理机的产生与发展n1.2 微处理机的基本概念微处理机的基本概念n1.3 微处理机的系统开发微处理机的系统开发n1.4 微处理机的硬件基础微处理机的硬件基础n1.5 微处理机的数据表达微处理机的数据表达1.1 微处理机的产生与发展微处理机的产生与发展应用范围应用范围n 通用计算机：通用计算机：n 构成巨型计算机构成巨型计算机n 构成微型计算机构成微型计算机n 台式计算机台式计算机n 笔记本计算机笔记本计算机n 掌上计算机掌上计算机n 构成专用计算机（控制器）构成专用计算机（控制器）举例？举例？微处理机的产生与发展微处理机的产生与发展（ 1）n 1、 数字式电子计算机的产生：数字式电子计算机的产生：n 1946年产生第一台数字式电子计算机年产生第一台数字式电子计算机n 电子管电子管 晶体管晶体管 集成电路集成电路 大规模集成电大规模集成电路路 超大规模集成电路超大规模集成电路n 第一代第一代 第二代第二代 第三代第三代 第四代第四代 n （ 46-57）（）（ 58-64）（）（ 65-71）（）（ 72-今）今）微处理机的产生与发展微处理机的产生与发展（ 2）n 2、微处理器的产生：、微处理器的产生：n 1968年年 3个从美国仙童（个从美国仙童（ Fairchild）公司）公司跳槽的学者成立跳槽的学者成立 Intel公司公司n 1969年日本一公司要求年日本一公司要求 Intel公司为其设公司为其设计一组用于高性能可编程计算器的芯片，日计一组用于高性能可编程计算器的芯片，日本客户的原始设计方案至少需要本客户的原始设计方案至少需要 12块专用芯块专用芯片，片， Intel公司的公司的 Hoff工程师拒绝了这种笨拙工程师拒绝了这种笨拙的设计方案，代之以四块芯片构成：的设计方案，代之以四块芯片构成：n 4001 RAM、 4002 ROM、n 4003 寄存器、寄存器、 4004 4位位 CPUn 该四块芯片的组合即可达简单通用计算该四块芯片的组合即可达简单通用计算机的功能。机的功能。微处理机的产生与发展微处理机的产生与发展（ 3）n3、 Intl架构架构 PC机的产生：机的产生：n 1975年美国年美国 MITS公司用公司用 8080CPU芯片制造了世界上第一台芯片制造了世界上第一台 PC机机n 1981年美国年美国 IBM公司用公司用 8088CPU芯芯片制造了世界上第一台片制造了世界上第一台 Intl架构架构 PC机：机：IBM PC微处理器的分类与特点微处理器的分类与特点（ 1）n 1、按微处理器的字长特征分类：、按微处理器的字长特征分类： n 位片式（位片式（ 1位）位）n 4位位n 8位位n 16位位n 32位位n 64位位 微处理器的分类与特点微处理器的分类与特点（ 2）n 2、按微处理器的结构特征分类：、按微处理器的结构特征分类：n 复杂指令集复杂指令集 CISC结构结构n （ Intel8086、 MC6800及及 MCS-51系列等）系列等）n 精简指令集精简指令集 RISC结构结构n （ PIC16系列、系列、 AVR单片机等单片机等 ）n CISC、 RISC两种结构相兼容两种结构相兼容 n （由（由 8086系列发展过来的如系列发展过来的如 P 、 P 等）等）微处理器的分类与特点微处理器的分类与特点（ 3）n 3、按微处理器的应用特征分类：、按微处理器的应用特征分类：n 通用微处理器通用微处理器n 目前主流的奔腾目前主流的奔腾 型微处理器型微处理器 n 专用微处理器专用微处理器n 8位的位的 MCS-51、 32位的位的 ARM系列等系列等 n 特殊微处理器特殊微处理器 n 数字信息处理器数字信息处理器 DSP、模糊逻辑微控制器、模糊逻辑微控制器FMC 微处理机的发展趋势微处理机的发展趋势n 微处理器的发展特点：微处理器的发展特点： 向着高速度和高集成度方向发展向着高速度和高集成度方向发展：n 年年 份份 型型 号号 位数位数 集成度集成度 运算速度运算速度n 1946 ENIAC （ 18000个电子管、个电子管、 70000个电阻个电阻 0.005 MIPSn 1000个电容、个电容、 1500个继电器）个继电器）n 1970 4004 4位位 2000个晶体管个晶体管 0.06 MIPSn 1971 4040 4位位 2250个晶体管个晶体管n 1972 8008 8位位 3300个晶体管个晶体管 0.03 MIPSn 1974 8080 8位位 4500个晶体管个晶体管 0.2 MIPSn 1976 8085A 8位位 6200个晶体管个晶体管 0.3 MIPSn 1978 8086 16位位 25000个晶体管个晶体管 1 MIPSn 1979 8088 准准 16位位 29000个晶体管个晶体管 1 MIPSn 80186 以以 8086为核的单片机为核的单片机n 80188 以以 8088为核的单片机为核的单片机n 1982 80286 16位位 13.4万个晶体管万个晶体管 1.5 MIPSn 1985 80386 32位位 27.5万个晶体管万个晶体管 5 MIPSn 1989 80486 32位位 160万个晶体管万个晶体管 7 MIPSn 1993 80586 64位位 330万个晶体管万个晶体管 90 MIPSn 1995 P- 64位位 550万个晶体管万个晶体管 300 MIPSn 1998 P- 64位位 ？万个晶体管？万个晶体管 800 MIPSn 2001 P- 64位位 4200万个晶体管万个晶体管 2000 MIPSn 注：注： MIPS即为：百万条指令即为：百万条指令 /秒秒微处理机的发展趋势微处理机的发展趋势n 计算机的发展方向：计算机的发展方向：n 微型化：微型化：n 目标是：缩小体积、降低功耗、减少成本；目标是：缩小体积、降低功耗、减少成本；n 巨型化：巨型化：n 目标是：提高速度、增强功能、追求效率；目标是：提高速度、增强功能、追求效率；n 网络化：网络化：n 目标是：资源共享、使用方便、减小空间；目标是：资源共享、使用方便、减小空间；n 智能化：智能化：n 目标是：知识总结、工作辅助、思维方式。目标是：知识总结、工作辅助、思维方式。n 多媒体技术：多媒体技术：1.2 微处理机的基本概念微处理机的基本概念-冯冯 诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 （ 1）n 冯冯 诺依曼计算机的五大部件（书本）诺依曼计算机的五大部件（书本） ：n 运算器、控制器、存储器、输入设备、输运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备出设备运 算 器存 储 器控 制 器输入设备输出设备数据指令数据指令采样文字图表控制冯冯 诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 （ 2）n 冯冯 诺依曼计算机的六大特点：诺依曼计算机的六大特点：n 存储器是按地址访问的按顺序线性编址存储器是按地址访问的按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数固定；的一维结构，每个单元的位数固定；n 指令由操作码和地址码构成，前者指定指令由操作码和地址码构成，前者指定指令操作类型，后者指明操作数存放地址；指令操作类型，后者指明操作数存放地址；n 指令在存储器中按顺序存储，由指令计指令在存储器中按顺序存储，由指令计数器指明取指地址，每取完一字节指令，指令数器指明取指地址，每取完一字节指令，指令计数器一般按顺序自动加计数器一般按顺序自动加 1；n 在存储器中，指令与数据同等对待，本在存储器中，指令与数据同等对待，本身不能区别；身不能区别； 统统 一编址，一编址， v.s. 哈佛结构哈佛结构冯冯 诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 （ 3）n 机器以运算器为中心，输入、输出设备机器以运算器为中心，输入、输出设备与存储器间数据传送都必须途经运算器，这四与存储器间数据传送都必须途经运算器，这四者操作及联系都由控制器集中控制；者操作及联系都由控制器集中控制； -DMAn 数据以二进制编码表示，采用二进制运数据以二进制编码表示，采用二进制运算。算。冯冯 诺依曼计算机的一个根本：诺依曼计算机的一个根本：n 即存储程序控制形式即存储程序控制形式冯冯 诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 （ 4）n 冯冯 诺依曼计算机的工作过程：诺依曼计算机的工作过程：获取指令 译码指令执行指令控制器从存储器在寄存器运算器指令与程序（指令与程序（ 1）n 1、 微处理机设计过程：微处理机设计过程：n 要让一台计算机为人类解决某一个实际问要让一台计算机为人类解决某一个实际问题，必须经过以下几个方面：题，必须经过以下几个方面：n 建立数学模型：建立数学模型： 以数学方法来描述某以数学方法来描述某个需要解决的实际问题；个需要解决的实际问题；n 设计计算方法：设计计算方法： 针对数学模型，考虑针对数学模型，考虑计算机本身的特点，提出实现解决某个实际问计算机本身的特点，提出实现解决某个实际问题的具体方法；题的具体方法；n 编制应用程序：编制应用程序： 用计算机的指令把算用计算机的指令把算法表达成计算机能够操作的控制过程，指令通法表达成计算机能够操作的控制过程，指令通常以助记形式语句表示；常以助记形式语句表示；指令与程序：（指令与程序：（ 2）n 翻译机器代码：翻译机器代码： 将助记形式表达的计将助记形式表达的计算机程序翻译成计算机所能接受的机器代码算机程序翻译成计算机所能接受的机器代码，该过程可以人工完成，也可以借助计算机，该过程可以人工完成，也可以借助计算机完成。对高级语言翻译过程称为编译，对汇完成。对高级语言翻译过程称为编译，对汇编语言翻译过程称为汇编；编语言翻译过程称为汇编；n 装入机器代码：装入机器代码： 把机器代码按一定顺把机器代码按一定顺序装入计算机能够访问的内部存储器中，以序装入计算机能够访问的内部存储器中，以便下一步的计算机执行。装入机器代码的过便下一步的计算机执行。装入机器代码的过程可以有多种形式：程可以有多种形式： EPROM的固化、由键的固化、由键盘输入到盘输入到 RAM中、由监控程序将外存中的程中、由监控程序将外存中的程序读入到内存中、用通讯方式从另一台计算序读入到内存中、用通讯方式从另一台计算机中机中 获取机