TP-3282微机原理与接口技术及实训1.ppt

1 第一章微型计算机系统概述 1 1计算机的发展与应用1 1 1微型计算机的发展与分类1 1 2微型计算机的应用1 2微型计算机系统的构成1 2 1微型计算机的硬件系统1 2 2微型计算机的软件系统1 3PC机系列体系结构1 3 1基于8088PC总线的微机结构1 3 2基于80286ISA总线的微机结构1 3 3基于80386ISA总线的微机结构1 3 4基于80486EISA总线的微机结构1 3 5基于PentiumISA PCI总线的微机结构 2 1 1计算机的发展与应用 人类第一台数字电子计算机 1946年 美国宾夕法尼亚大学研制出 取名为 ENIAC Electronicnumericalintegratorandcalculator 由著名数学家 冯 诺依曼 推出了新的计算机系统结构 提出采用二进制 存储程序及在程序控制下执行的理念 第一代 1946年 1957年 器件 电子管 磁芯和磁鼓存储器 软件采用 机器语言和汇编语言 没有OS 内存容量 仅为几KB 运算速度 每秒5000次的加法运算 体积 非常非常庞大 用6楼计算机大楼 造价昂贵性能 非常非常很差 3 第二代 1957年 1965年采用晶体管 磁芯内存 磁盘外存 内存容量增至几十KB运算速度 每秒十万次 体积 大大减小 用1层楼 计算机中心 造价 价格降低 昂贵 性能 大大提高 软件采用高级言 COBOL FORTRAN ALGOL等高级高级语言 第三代 1965年 1971年采用集成电路 内存采用磁芯和半导体 磁盘外存运算速度 可达每秒几十万次到每秒几百万次 体积 更进一步大大减小 只用1个大房间 价格更低 软件 广泛采用了操作系统 4 第四代 1971年 现在采用 超 大规模的集成电路 微机诞生 1972年 4004 INTEL BILL 盖次运算速度 每秒上亿次的浮点运算除了操作系统广泛采用外 产生了网络操作系统 数据库管理系统 5 1 1 1微型计算机的发展及分类 1 微型计算机的发展第一代 1971年 1972年 71年推出了4位低档微机 其代表产品有Intel400472年推出了8位Intel8008 只有48条指令 时钟频率500KHz 集成度每片3500个晶体管 第二代 1973年 1977年推出8位中高档微机 Intel公司代表产品8080 8085Motorola公司的M6800Zilog公司的Z80 6 第三代 1978年 1984年推出16位微机Intel公司代表产品8086 8088Motorola公司的M68000Zilog公司的Z8000 1981年著名的IBM公司 推出了IBM PC XT1984年将之扩展为IBM PC AT AdvanceTechnology 1984年Intel公司推出了新的一代16位80286微处理器 7 第四代 1985年 1999年1985年Intel公司推出了32位的80386微处理器每片的集成度每片达27 5万晶体管运行速度 每秒完成500万指令 MIPS 1989年Intel公司推出了80486微处理器每片的集成度达25万晶体管1993年Intel公司推出了Pentium芯片每片的集成度达310万晶体管运行速度 每秒完成90MIPS指令1995年Intel公司推出了PentiumPro芯片 8 每片的集成度达550万晶体管其内装有125KB 512KB高速缓存CACHE运行速度每秒完成300MIPS指令1996年将多媒体技术MMX用于Pentium 推出多能奔腾芯片MMXPentium 1997年又将MMX技术用于PentiumPro 推出PentiumII1999年Intel公司 推出了PentiumIII 2000年3月推出Pentium4 第五代2000年 现在 新一代64位的微处理器芯片已经诞生 9 2 微型计算机的分类常见的分类方式生要有4种 按字长来分 8位微机 16位微机 32位微机和64位微机 按用途来分 自动控制机和数据处理机 按芯片型号分 286微机 386微机 486微机和Pentium微机 按组装的形式分 单片机 单板机和多板机 10 1 单片机 将CPU RAM ROM 定时器 并行接口 串行接口 有的芯片还集成了A D D A转换电路 集成在一块大规模集成电路的芯片上 这个芯片就是一台微型机器 简称为单片机 其程序一般固化在ROM中直接运行 一般采用标准总线和总线插板组成方式 由厂方提供大量的系列化的总线功能模板 供用户自己选择 主要用于工业自动化控制 仪器仪表及家用电器 产品有Intel公司的MCS8051 8096P Motorola公司的MC68HC05 MC68HC11等 11 2 单板机 CPU 存储器 I O接口及简单输入输出设备 主要是指小键盘和LED 装在同一块印刷电路板上而组成的一台微型机器 简称为单板机 有简单的I O设备 用机器语言 汇编语言进行编程常用于一些较为简单的控制系统和进行教学用Z80芯片装配成TP801 国内常见 3 多板机 将CPU 存储器 I O接口 驱动电路 电源分别制作成不同的印刷电路板 将这些电路板插在主板上的插槽上 由系统总线相连 所构成的计算机系统 多板机的应用程序 系统程序 存放在硬盘上功能很强 广泛应用的多板机有 IBMPC XT IBMPC AT PC286 PC386 PC486 Pentium系列 12 1 1 2微型计算机的应用 1 科学计算和数据处理科学研究领域 如卫星轨道的计算 天气预报和地震勘探 工程设计 如大水坝的设计 社会经济管理 如进行经济普查 2 生产控制和试验控制工农业生产的自动化 国防 交通实时监测 控制和管理 利用计算机可大大地高生产效率 3 计算机辅助设计飞机制造 机械制造 建筑工程设计 集成电路设计 这些复杂的设计活中 使用计算机来进行辅助设计可以极在地提高设计的效率 提高质量 提高自化的水平 4 办公自动化政府事业单位 军队部门的信息化 企业的材料管理 生产管理 金融系统贷业务 证券市场的电子化 采用计算机和计算机网络技术 可实现管理的自动化和无纸化 13 5 文化教育多媒体的教学已经成为学校进行教学的一个重要手段 网络教学 网络医疗网络会议都是计算机和计算机网络技术的应用 6 娱乐多媒体技术在电影电视节目的设计 制作 合成 是计算机应用的很好事例 返回本章目录 14 1 2微型计算机的系统构成 1 2 1微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统的构成框图 包括微处理器CPU子系统 系统总线 存储器 I O接口及I O设备 见图1 1 1 微处理器子系统微处理器 MPU 也称为中央处理机CPU 采用大规模集成电路技术制作的芯片 CPU内有控制器 运算器和寄存器 CPU执行指令 进行运算 控制协调整个微机系统 2 存储器用来存放程序和数据信息 分为主存储器 内存 和辅存储器 外存 主存由半导体制成 存放当前正在执行的程序 数据和已经处理过的数据 它造价高 速度快 容量小 辅存包括硬盘和光盘 用来存放暂不运行的程序和暂不处理的数据 它造价低 速度慢 容量大 可长期保存 15 3 I O设备 见图1 1输入设备和输出设备简称为I O设备 也称为外围设备或外设 是微机进行输入和输出的工具和手段 通常微机配制标准的I O设备 包括显示器CRT和键盘 合称为控制台 微机上可选配鼠标 打印机 绘图仪 扫描仪等 作为外存的硬盘可看成输入设备 也可看成输出设备 4 I O接口众多的外部设备 其工作速度差别很大 其驱动的方法不相同 无法直接与CPU进行连接 它们必须通过I O接口电路来与CPU相连 I O接口的作用 在外设与CPU之间进行数据缓冲 配匹速度 变换信号 各种外设接口 均作成相应的电路插板 俗称 卡 通常所说的显卡 声卡 打印卡 16 1 2 2微型计算机的软件系统 见图1 2 1 应用软件系统软件本身不能解决用户自己的应用问题 人们针对某项应用所编制的 解决用户实际问题的程序 如财会软件 2 系统软件系统软件最重要的当属操作系统OS OperatingSystem 基本作用是 负责管理整个系统的全部资源 指硬件资源和软件资源 具体为CPU 微机的软件系统由系统软件和应用软件组成 存储器 I O设备等硬件资源 管理文件 目录 任务 进程等软件资源 方便用户 用户通过操作系统提供的各种功能来使用计算机 而不需要熟悉计算机的硬件 操作系统通常由生产厂家提供 如早期的单用操作系统MSDOS 多用户的UNIX和基于图形用户界面的Window 17 系统软件中还有语言处理程序 计算机语言是使用者与计算机之间进行交流的工具 人们将要计算机来完成的事件编写成程序输入给计算机 计算机通过执行用户的程序来完成用户的工作 其中广泛使用的语言有C语言 VB VC Java等 机器只能运行机器语言 返回本章目录 18 1 3PC机系列体系结构 1 3 1基于8088PC总线的微机结构8088微处理机 作为第一代机的CPU 通过地址总线 数据总线和控制总线对整个机器进行调试和控制 其体系结构 如图1 3 1 8088处理器 采用4 77M的工作频率 该频率通过8284对14 31818MHz的晶体振荡3分频而得到的 每个时钟周期210nm 2 8087协处理器 8088在最大模式下可配接8087协处理器用来进行浮点运算 使浮点运算速度提高100倍 3 存储器 64K的ROM早期存放32K的Basic解释程序 另32K固化BIOS 包括上电自检程序 系统引导程序 日时钟管理程序和基本的I O设备的驱动程序4 RAM内存 IBMPC XT的主板上可接插640K的内存 5 8253 8254可编程定时计数器 该片提供3个通道 通道0每55ms向CPU发一个时钟中断信号 通过计数 用来计算时钟的时间 通道1用于DRAM的刷新 通道2输出方波到扬声器 19 见图1 3 6 8259可编程的中断控制器 用于8级中断优先权的控制 负责对外部的中断进行优先排队 将最高级中断求发向CPU 7 8250串行通信控制器 实现串行到并行 并行到串行的转换 8 8237DMA控制器 提供有4个通道起先高速数据传送 通道0用于动态存储器的刷新 通道1留给用户 通道2用于软盘与内存的DMA传送 通道3用于硬盘与内存的DMA传送 9 8255并行接口 提供3个8位的并行端口 A端口用于读取键盘按键的扫描码 B端口用于控制 包括键盘接口电路的串行并行之间的转换和扬声器的发声 C端口用于读取系统状态 包括系统配置信息 如内存容量 显示器的类型 软盘驱动器的个数等 10 I O扩展槽 PC XT上有8个62线的扩展槽 20 1 3 2基于80286的ISA总线的微机结构 PC AT为PC XT的扩展型 采用80286作CPU 80286微处理器有24根地址线 物理寻址空间64K 16根数据线 软盘驱动电路作在主板上 可选择5 25英寸的软盘驱动3 5英寸的软盘驱动器 20M以上的硬盘驱动器 其体系结构见图1 4 1 数字运算协处理器80287 进行浮点运算 2 定时控制器8254 有3个16位的定时计数通道 3 中断控制器重8259 两个联级可管理15个外中断源 其中IRQ0级中断分配给定时器0 用来维持系统时钟的运行 IRQ1级中断用于键盘 IRQ8用于实时时钟 IRQ13级用于协处理器 其余的中断连到I O通道 如IRQ3用于串行口COM1 IRQ4用于串行口COM2 IRQ7用于打印机 21 见图1 44 DMA控制器8237 PC AT微机 在PC XT的基础上又连了一个DMA控制器 又得到了3个DMA通道 即通道5 通道7 支持16位的数据DMA传送 而其它通道仍用于8位数据的DMA传送 5 CMOS芯片 采用Motorola公司生产的M146818芯片 其内含的实时时钟为系统提供年 月 日 星期 时 分 秒信息 防止丢失信息保证实时时钟的准确性 该芯片由后备电池供电 6 内存 系统板上安装了256K或512K的RAM 以后扩展为640K 7 ROMBIOS 系统板上安装了64K的ROM 可扩展到128K 8 I O扩展槽 为保持与PC机的兼容性 保留了原来62线的总线插槽 在插槽的另一端增加了36线 新插槽 合拼成98线的称为 AT总线 就是ISA总线 这样在80286即AT的主板上有6个98线的ISA总线 有2个62线的XT总线 9 并行接口 没有采用8255芯片 为保持与PC XT的兼容 键盘接口电路由8042微控制器 系统信息由CMOSROM146818芯片提供 22 1 3 3基于80386的ISA总线的微机结构 采用了Intel公司的80386微处理器的80386机器 80387协处理器用于浮点运算 采用ISA总线来连接系统中的各个部件 具有高速缓冲器CACHE 采用一组多功能芯片代替原来的单功能的接口控制芯片 80386微机体系结构见图1 51 采用ISA总线 代替原来的PC总线 性能上兼容PC AT总线 并且是一个公开的总线协议 2 系统系统芯片由几个多功能芯片组成 芯片组代替PC XT机中的多个单功能芯片组 由85C320AT总线信号控制器 85C310Cache存储器控制器 85C330数缓冲器 82C206集成外围控制器组成的芯片组 3 支持24位地址线 16位数据线 15级硬件中断 7个DMA通道 23 见图1 5 4 采用单列式SIMM存储组件 进行封装的动态存储器作为内存条 主板支持单条256K 1M 总容量可达到16M 5 80386微机有8个8位的扩展槽 6个6位的扩展槽 6 核心逻辑芯片 将CPU的局部总线与ST ISA XT总线进行隔离 速度慢的ROMBIOS 键盘 鼠标连接到系统核心逻辑上 高速的主存储 高速缓存Cache直接连接到CPU的局部总线上 核心逻辑将2个DMA控制器8237以级联方式组合 2个中断控制器也以级联方式组合 24 1 3 4基于80486的EISA总线的微机结构 80486微机采用了Intel公司的80486微处理器 内集成了协处理器80387 前期采用总线ISA其结构 后来采用了EISA 扩展的工业标准结构 总线标准 功能上 电气上能连接PC XT微机 PC AT微机的ISA总线相兼容 其体系结构框图见图1 6 1 总线 时针为8M 总线宽度32位 最高的数据传输率为33M 2 采用单列式存储器组件 SIMM封装的DRAM内存条 支持256K 1M 4M的单条 3 采用一组多功能芯片 系统系统芯片由几个多功能芯片组成的芯片组 代替PC XT机中的多个单功能芯片 由82C461 系统控制器 82C362总线控制器 82C465Cache控制器等集成外围控制组成芯片组 4 80486采用单项列式存储器 组件SIMM封装的动态存储器内存条 支持单项条256KB 1MB 4MB 总容量可达32MB 25 见图1 65 机内除有多个ISA总线标准8位 16位扩展槽外 还有多个EISA标准的32位扩展槽 VESA总线插槽较贵 一般用于高档的微机和服务器中 6 地址线支持32位 可寻址4GB的存储空间 也支持64KB的I O端口寻址 支持11级中断 7 32位数据线 支持8位 16位 32位的数据存取 26 1 3 5基于Pentium的ISA PCI总线 南桥北桥的微机体系结构 Pent