微型计算机系统概述.ppt

微机原理,中北大学计算机科学与技术系,（微机原理及接口技术）（微机原理与汇编语言）,啊！计算机,年月日，一条新闻让全世界都目瞪口呆：公司的“深蓝”计算机出奇制胜，以：总比分击败人类最伟大的棋手-国际象棋特级大师卡斯帕罗夫!这一非凡之战不但使国际象棋大师们心悦诚服和拱手认输,更使全世界关注这一赛事有人们惊叹不已:啊!计算机(256块CPU,200万步/秒/块,存储棋谱),微机原理及接口技术,课程介绍,典型机型：IBMPC系列机,基本系统：8086/8088CPU和半导体存储器,I/O接口电路及与外设的连接,硬件接口电路原理软件接口编程方法,先修课程数字逻辑（数字电路）提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能掌握计算机工作原理汇编语言程序设计建立必备软件基础掌握指令系统、程序格式,先修课程,微机原理课程目标,1.在总体上建立起微机系统的整体概念；2.掌握微型机硬件系统各部分的构成及工作原理；3.掌握Intel8086基本指令系统；4.掌握微型机的输入输出技术及常用接口电路；5.掌握基本的汇编语言编程方法；最终目标：要求学生通过课堂教学和实验训练后，初步具有微机应用系统硬件、软件的开发能力。,课程介绍,第一章微型计算机概述第二章计算机中的数制与码制第三章8086/8088微处理器第四章8086/8088指令系统第五章汇编语言程序设计第六章半导体存储器第七章输入输出接口(包括微机应用系统举例)I/O接口、中断、定时器/计数器并行口8255A、A/D和D/A转换,微机原理教学内容,教学内容,1.我一定要把这门课学好，摩拳擦掌，磨刀霍霍向牛羊2.老师讲的很容易呀，专业课也不过如此，还是老套路3.大学，不需要预习，更不需要复习，重要的是练习，不要为了学习而学习4.这个问题有点难度，不过没问题，我下了课好好看肯定没问题【太忙了没看】5.（课程进行到了1/3）基本听不懂，没关系，我计划好了，下个周我一定把它补习好了【太忙了还是没看】6.（课程进行到了2/3）这课真没有意思，根本没有啥用，还不如看看电脑报呢【基本放弃了】7.（课程结束，面临考试）啊，上完了！这门课还真挺有用的，后悔没跟上【考试结果惨不忍睹】8.下学期开始-转到1,畸形学习曲线,学习方法,课程特点与学习方法,1.综合性强：涉及电子电路、计算机原理、程序设计等课程内容。2.实践性强：软硬件结合，需重视实验环节。3.理解性强：需灵活学习、应用。不能死记硬背、临时突击。4.联系实际：注意平时学习，不断积累知识。,学习方法,课程教学和考核情况,非电类电类计算机1.教学：54学时(60学时48学时)2.实验：10学时(12学时8学时)3.学分：4学分(4.5学分3.5学分)4.考试：平时上课10%；实验20%期末考试70%任课教师：李顺增联系电话：392231713754884970LishunzengNUC.EDU.CN,课程考核,学习资源要利用微服网,学习资源,第1章,微型计算机系统概述,第1章微型计算机系统概述,本章的重点：了解计算机的基本概念、特点和分类；理解微型计算机系统的基本组成和各模块的功能以及计算机的常用术语。本章的难点：理解微型计算机的硬件和软件是如何协调工作。,世界上第一个微处理器(微型机的核心部件)是美国Intel公司1971年生产的Intel4004，从那时到现在，微型计算机已经历了五个发展时代。,1.1.1微型计算机的发展,1.1微型计算机的发展和特点,!注意!,计算机是1946年在美国发明的。而微机的出现是20世纪70年代。计算机核心部件CPU简称中央处理器微型计算机核心部件CPU简称微处理器,第一代(19711973)4位和低档8位微处理器时代400440408008（示例）第二代(19741977)8位微处理器时代Z80、I8085、M6800，Apple-II微机(示例）第三代(19781984)16位微处理器时代8086808880286，IBMPC系列机（示例）,1.1.1微型计算机的发展,1.1微型计算机的发展和特点,第四代(19851999)32位微处理器时代8038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4（示例）32位PC机、Macintosh机、PS/2机第五代(2000年至今)64位高档微处理器时代Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站,1.1.1微型计算机的发展,1.1微型计算机的发展和特点,（1971-1973）,（1974-1978）,（1978-1981）,（1981-1992）,（1993后）,特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、集成度越来越高。4、功能越来越强。,微型计算机广泛采用了大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路，除了具有一般计算机的运算速度快，计算精度高，记忆功能和逻辑判断力强，自动工作等常规功能外，还具有独特的优点。,1.1.2微型计算机的特点,1.1微型计算机的发展和特点,1.体积小、质量轻功耗低2.可靠性高、使用环境条件要求低3.结构简单灵活、系统设计方便、适应性强4.性能价格比高,1.1.2微型计算机的特点,1.1微型计算机的发展和特点,微型计算机可以从不同角度对其进行分类。按微处理器的位数可分为1位、4位、8位、16位、32位和64位机等。按功能和结构可分为单片机和多片机。按组装方式可分为单板机和多板机。,1.2微型计算机分类,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300010000晶体管/片，微处理器的主频为0.15MHz。1971年：Intel4004，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,Intel4004,1972年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。,Intel8008,Intel4004和采用4004的计算器,返回,1974年：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。1976年：Intel8085Intel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。,Intel8085,Apple微型计算机,Apple-I,Apple-II,返回,1978年8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。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。,Intel8086,1979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。,Intel8088,80286（1982年-1984年）采用1.5m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。,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）。,IBMPC系列机,8088CPU,IBMPC机,IBMPC/AT机,IBMPC/XT机,IBMPC/XT/AT机主机板组成,返回,微处理器子系统8088：16位内部结构、8位数据总线、20位地址总线、4.77MHz主频存储器ROM-BIOS、主体为RAMI/O接口控制电路8259A、8253、8237A、8255等I/O通道62线的IBMPC总线,80386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m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。,80486（1989年-1992年）采用1m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。,英特尔微处理器芯片,80386,Pentium,Pentium4,返回,利用大规模集成电路工艺将微型计算机的三大组成部分CPU、内存和I/O接口集成在一片硅片上，这就是单片计算机(Single-ChipComputer)。例如：常用的MCS-51、AVR、ARM若将微型计算机的CPU、内存、I/O接口电路安装在一块印刷电路板上就组成了单板计算机。,单片机和单板机,微处理器主要由运算器和控制器、少量存储器组成，是微型计算机的核心，具有运算和控制功能。具有以下功能：可以进行算术和逻辑运算；可保存少量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器，外设交换数据；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其它部件发来的中断请求。,1.3微型计算机系统的构成,1.3.1微处理器,掌握,微型计算机由CPU、存储器、输入/输出接口电路和系统总线构成。微型计算机的基本结构如图所示,1.3微型计算机系统的构成,1.3.2微型计算机,掌握,系统总线,系统总线,总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机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端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等,举例,举例,特点,Intel80 x86CPU的地址线条数,Intel80 x86地址条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MB80386Pentium4324GB,返回,Intel80 x86CPU的数据线条数,Intel80 x86数据位数80861680888802861680386Pentium432,返回,系统总线的使用特点,除了CPU外，还有DMA控制器和协处理器都具有控制系统总线的能力。它们被称为“总线主控设备”在某一个时刻，只能由一个总线主控设备来控制系统总线在连接系统总线的各个设备中，某一个时刻只能有一个发送者向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获得信号,返回,以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就构成了微型计算机系统，微型计算机系统的基本组成如图所示。,1.3微型计算机系统的构成,1.3.3微型计算机系统,掌握,微型计算机系统组成,明确3个概念的区别,微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、微型机微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,微型计算机系统的三个层次：微处理器微型计算机微型计算机系统,系统软件应用软件,微处理器存储器I/O接口总线,硬件软件,微型计算机系统,微型计算机,外设,ALU寄存器控制部件,键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪,微型计算机的常用术语和指标,1位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是kelo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240。,2字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。,3主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。,4微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。目前主流微处理器的生产工艺已经达到0.13m。5微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到950万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。,6运算速度MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS，主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS,微机的工作原理,1.4微型计算机的工作原理,主要内容：1.4.1冯诺依曼存储程序工作原理1.4.2微型计算机的工作过程,以运算器为核心、以存储程序原理为基础,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令驱动,指令流,控制命令,数据流,1.4.1冯诺依曼存储程序工作原理,存储程序计算机称为冯诺依曼型计算机数据和程序均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；程序由多条有逻辑关系的指令组成；指令的长度不等（一般为14字节）。,1.4.1冯诺依曼存储程序工作原理,程序预先存放在计算机的存储器中，计算机按程序的流程自动地连续取出指令并执行之。为实现自动连续地执行程序，控制器设置一程序计数器PC，它可根据指令的长度自动增量（总是指向下一条指令）。只要给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。,1.4.1冯诺依曼存储程序工作原理,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,1.4.2微型计算机的工作过程,微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。,1.4.2微型计算机的工作过程,1.4.2微型计算机的工作过程,执行指令的三个基本步骤：取指、译码和执行,指令执行过程,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,问题：1.CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统2.CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器3.CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式,例：计算5+8,汇编语言程序对应的机器指令对应的操作-MOVAL,510110000；将立即数1传送到累加寄存器AL中00000101；ADDAL,800000100；计算两个数的和，结果存放到AL中00001000；HLT11110100；停机,指令执行过程(取指/译码/执行),地址寄存器AR,累加器A,加法器,数据寄存器DR,指令寄存器IR,指令译码器ID,时序逻辑电路,时序控制信号（控制命令）,10110000,00000101,00000100,00001000,11110100,内部总线,存储器,01234,程序计数器PC,地址,MOVAL,5ADDAL,8HLT,地址总线,地址译码器,读写控制电路,10110000,锁存,输出,微机启动的过程（DOS）,第五节微型计算机的应用,1.5微型计算机的应用,科学计算天气预报、石油勘探、。数据处理统计、管理、银行、。计算机控制（自动控制）工业控制、遥控遥测、机器人、。人工智能思维、行为、推理、。计算机辅助系统-设计/制造/教学/,计算机应用通常分成如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人