《微型计算机技术》PPT课件.pptVIP

微机原理与接口技术,主讲：刘 博 Email: ,2,教学目的,随着微型计算机在各行各业中应用的不断扩大，包括单片机在内的微型计算机的应用已随处可见，理工科学生有必要了解掌握该领域的理论知识及专业技术,微型计算机技术是计算机科学与技术专业重要的专业课程。本课程系统地介绍微型计算机系统的基本组织结构及基本工作原理，微型计算机接口原理及应用技术。重点阐述微处理器与外界连接技术，包括硬件接口电路的设计和相关应用软件的设计。,3,具体要求,1.微型计算机系统的组织结构及工作原理 微处理器芯片、微型计算机、微型计算机系统的基本组织结构和基本工作原理； 2.微型计算机接口原理及应用技术 接口的基本概念；定时计数器、并行接口、串行接口、中断控制器、DMA控制器、A/D和D/A转换器接口等接口电路的工作原理、硬件设计及软件驱动程序的编程方法；I/O端口地址译码电路设计。 3.微型计算机技术现状与发展趋势,4,与其它课程的关系,计算机系统结构：重点论述计算机系统的各种基本结构、设计技术和性能定量分析方法等； 计算机组成原理：侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现； 微型计算机技术：突出应用，详细讲述微处理器芯片、计算机主板、接口技术和应用编程方法。,5,教材与教学参考书,教 材： 微型计算机技术，孙德文，高等教育出版社，2010.7。 参考书： 1微机原理及接口技术，陈建铎编著，高等教育出版社，2008。 2微型计算机原理及应用，周明德，清华大学出版社，2010.2。,6,计算机发展的回顾与展望 1第一台电子计算机 1946年2月 美国 埃尼阿克（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机） 重量30吨，占地170平方米， 每小时耗电150千瓦， 价值约40万美元， 运算速度为每秒5000次加减法运算。,7,2.计算机的发展阶段 按电子部件的演变经历了四代： （1）第一代（1946年1958年）： 电子管计算机 （2）第二代（1959年1964年）： 晶体管计算机 （3）第三代（1965年1970年）：中小规模集成电路计算机 （4）第四代（1971年-）： 大规模和超大规模集成电路计算机,8,3冯诺依曼结构计算机 1946年 冯诺依曼 “存储程序”计算机设计方案。,9,4新一代计算机 神经网络计算机 用硬件实现或用软件模拟的方法、按照人工神经网络的基本原理而研制的计算机系统。,日本：神经网络声音识别系统，能够识别出任何人的声音，正确率达99.8。 纽约、迈阿密、伦敦的机场用神经电脑来检查爆炸物，每小时可查600700件行李，检出率为95，误差率为2。,10,生物计算机 以生物电子元件（DNA分子）构建的计算机。 生物计算机具备生物体的某些机能，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，模拟人脑的思考机制。,硅时代的终结者,以色列科学家研制出诊治癌症的DNA计算机模型,11,光计算机 用光束代替电子进行运算和存储：以不同波长的光代表不同的数据，程序和数据永远以光的形式在行动之中。,量子计算机 与传统计算机的原理（遵循经典力学规律）不同，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息（量子比特/昆比特），利用质子、电子等亚原子构成计算机的各种硬件。,12,5.未来计算机的发展趋势,朝着微型化和巨型化两级方向发展。 当前开发和研究的热点是多媒体计算机。 今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术。 未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。,13,摩尔定律,芯片的容量每18-24个月增加一倍,14,课程研究对象,巨型机（超级计算机） 大型机 中型机 小型机 微型机（简称微机）,计算机分类,优点：体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、结构灵活、适应性强和应用面广。,特点：将组成计算机的核心部件运算器和控制器（CPU，Central Processing Unit），集成在一片硅片上，通常称为微处理器。,15,1.1 关于微型计算机的简单介绍,1.2 微型计算机系统的组成,1.3 微型计算机的典型配置,第1章 微型计算机系统的组成,16,1.1 关于微型计算机的简单介绍,1.1.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统,17, 微处理器（Microprocessor Unit） 利用大规模集成电路技术，将运算器和控制器集成在一块硅片上的集成电路。,三个层面上的典型结构, 微型计算机（Microcomputer） 以微处理器为核心，配以内存储器、输入/输出（I/O）接口电路，通过总线（Bus）结构连接而构成的裸机。, 微型计算机系统（Microcomputer System） 由微型计算机配以相应的外围设备（如键盘、显示器、打印机、外存储器等）、电源和其他辅助设备，及足够的软件而构成的系统。,18,1.1.2 微处理器和微型计算机的发展,1.第一代（1971-1973）4位及低档8位微处理器 1971年 4位的Intel4004 1972年 8位的Intel8008,19,2.第二代（19741977）中、高档8位微处理器 1974 Intel8080、MC6800、Z80,全球第一台PC机Altair。,20,3.第三代（19781984）16位微处理器 1978年 8086/8088 1979年，IBM-PC和IBM-PC/XT，个人计算机PC时代从此诞生。,21,80286,22,4.第四代（19851993）低档32位微处理器 1985 32位CPU80386DX, 1989 80486,23,5.第五代（1993） 高档32位微处理器：Pentium系列 1993 80586Pentium（奔腾）,24, 1996 Pentium Pro（高能奔腾）,25, 1997年 Pentium MMX(多能奔腾),26, 1997年 Pentium AMD的K6和Cyrix的6X86MX,27, 1998年，赛扬（Celeron）处理器,28, 1999年 Pentium III 增加了音频、视频和3D处理能力，并大大优化了网络功能 。 8月，AMD的Athlon（速龙），成为最快的处理器。,29, 2000年6月 Pentium IV（简称P4）拥有更高的主频（高达3.8GHz）,30,6.64位处理器 Intel Itanium（安腾） 用于服务器，缺点是不兼容32位计算，市场份额不理想。 AMD Opteron（傲龙） 兼容32位计算、用于服务器。 2003年9月 AMD推出面向台式机的Athlon 64。 2005年2月 Intel推出64位的Pentium4。,Itanium,Athlon 64,Opteron,31,Pentium D,32,Core 2 Duo（酷睿2双核）,33,Core i（酷睿i）,34,Pentium E,35,Pentium G,36,Celeron系列,37,2 AMD,38,AMD Athlon II（速龙2）,39,AMD Phenom II（羿龙2）,40,按构成分类 按CPU的字长分类 按主机装置分类,1.1.3 微型计算机的分类,41,1. 按构成分类,（1） 单片机,将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上，构成具备基本功能的计算机。 特点：超小型、高可靠性、价廉 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等 产品： Intel 的8051、8096/8098系列 Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列,42,（2）单板机,将CPU、内存、I/O接口及其它辅助电路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。 特点：结构简单、价廉 应用：过程控制、数据处理 产品：TP-801 以Z80CPU为核心的单板机 80年代各院校“微机原理”的实验机,43,（3）个人计算机（多板机）,把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上， 各印刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统总线连接起来，构成多板机。 产品：IBM PC/XT、486机、Pentium机等 90年代以来各院校“微机原理”和计算机硬件的实验机,44,2. 按CPU的字长分类,45,以Intel公司生产的80x86为例：,46,3. 按主机装置分类 桌上型：台式电脑 便携型：笔记本、掌上电脑等,47,1.2.1 微处理器的结构 1.2.2 微型计算机硬件系统,1.2 微型计算机系统的总线结构,48,CPU(Central processing unit) 计算机的核心部件，用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。 构成： 算术逻辑部件(ALU) 累加器和通用寄存器组 程序计数器、指令寄存器、译码器 时序和控制部件 功能： 算术与逻辑运算 保存少量数据 对指令译码及执行规定的操作 和存储器、外设交换数据 提供系统定时及控制 响应中断请求,1.2.1 微处理器的结构,49,50,51,1.2.2 微型计算机硬件系统,52,1.基本结构,53,2.总线,总线是连接多个功能部件的一组公共信号线 微机中各功能部件之间的信息通过总线传输,54,按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线,55,地址总线 AB ( Address Bus) ：单向 用来传送CPU输出的地址信号， 确定被访问的存储单元、I/O端口。,地址总线 AB,56,地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。 10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M 32根 232 22 230 4G 36根 236 26 230 64G,57,数据总线 DB ( Data Bus )：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,数据总线 DB,58,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8 根 一次传送 8位数据 16 根 一次传送 16位数据 32 根 一次传送 32位数据 64 根 一次传送 64位数据,59,控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。,有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。,60,3. 内存 内存是存储程序和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。,C P U,内存结构示意图,61,4. 外设和输入/输出接口（I/O接口） 外设的电信号、运行速度与CPU不匹配， 不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。,62,I/O接口结构示意图,CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。,63,5.微机的工作过程 计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制”,64,取指令 执行指令,微机的工作过程分两阶段：,65,取指令阶段（ CPU读内存操作）：,地址经地址寄存器 地址总线 地址译码器, 选中指令所在的内存单元,CPU发出内存读控制信号,指令从内存 数据总线 数据暂存器 指令寄存器,指令译码器对指令进行译码,由IP给出指令在内存的地址,标 志 寄存器,地址总线 AB,程序 数据,数据总线 DB,控制总线 CB,地 址 译 码 器,、 指令1 指令2 指令3 指令4 、 、 数据1 数据2 数据3 、,指令寄存器,数据暂存器,控制电路,指令译码器,地 址 寄存 器,指 令 指 针 寄存器,R1,R2,R3,R4,寄存器组,运 算 器,IP,66,67,不同的指令，CPU的具体执行过程不同。 CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。,当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时; CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。,68,例 指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。,指令1在CPU 内部即可完成,69,例 指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中,指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。,70,例 指令3：将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中,指令3的执行阶段包括一个向内存存数(即写内存)的过程。,71,当一条指令取走后， 指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址， 这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段， 如此不断的重复。,72,取指令 执行指令 取指令 执行指令 ,微机的工作过程：,73,主机,显示器