微机原理与接口技术第01章(XP).ppt

微机原理及应用 主讲 杨建军 jianjun yang999 QQ 1379459141 微机原理及接口技术 课程介绍 微机 IBM PC系列机 原理 8088CPU和半导体存储器及其指令系统 接口 I O接口电路及其与外设连接 硬件 接口电路原理软件 接口编程方法 技术 课程介绍 微机原理及接口技术 参考教材 书名 微机原理与接口技术教程作者 王克义鲁守智蔡建新王文保出版社 北京大学出版社 微机原理及接口技术 网站资源 CSDNCSDN社区论坛 微机原理及接口技术 课程内容 章节目录计划学时第1章微型计算机系统概述6第2章80 x86微处理器8第3章80 x86指令系统10第4章汇编语言程序设计12第5章半导体存储器8第6章输入输出技术4第7章微计算机的中断系统6第8章可编程通用接口芯片及应用8 微机原理及接口技术 预期目标 本课程以Intel8086 8088CPU和典型机IMBPC系列机为蓝本展开微型计算机系统的基本原理 学习并熟悉CPU外部特性及其与半导体存贮器 I O接口电路的连接方法 以及与外设进行数据传送的方式 掌握微机基本接口的工作原理及应用技术 微机原理及接口技术 课堂讲授 64学时 1 16周 实验学时 视情况2 4学时总成绩 考试成绩 40 60 考勤成绩 20 30 平时成绩 30 纪律 旷课1次扣10 缺勤三次重修 如何培养自己的职业素能 Ourmainbusinessisnottoseewhatliesdimlyatadistance buttodowhatliesclearlyathand 第1章 第1章 微型计算机系统概述 教学重点微型计算机的概念微型计算机的系统组成微型计算机的工作原理 伟人 美藉匈牙利科学家冯 诺依曼 JohnvonNeumann 于1946年提出了计算机的结构体系和工作原理 迄今为止所有进入实用的电子计算机都是按冯 诺依曼的提出的设计制造的 现代计算机之父 第1章 存储程序通用计算机设计方案 计算机中信息的存储 冯 诺依曼结构 第1章 存储程序通用计算机设计方案 计算机的组成 冯 诺依曼结构 原始数据和指令 输入设备 输出设备 计算结果 哈佛结构 存储程序通用计算机设计方案 采用 存储程序 方法 由程序控制计算机按照顺序从一条指令到另一指令 自动完成规定的任务 课本例子P3 第1章 1 1 2初级计算机 冯 诺依曼结构计算机工作原理 1 计算机完成任务是由事先编好的程序完成的 2 计算机的程序被事先输入到存储器中 程序运算的结果 也被存放在存储器中 3 计算机能自动连续地完成程序 4 程序运行的所需要的信息和结果可以通过输入 输出设备完成 5 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备所组成 第1章 1 280X86微型计算机的概要历史 1946年 世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndComputer Background The2ndWorldWarBirthday 2 15 1946 第1章 计算机分类 按照性能 价格 体积分为 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 计算机发展年代划分依据 第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展的序幕 半个多世纪来 计算机技术已呈 万马奔腾 之势 一日千里 迅猛发展计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征 硬件特征 是指电子计算机所采用的物理器件软件特征 是指计算机所使用的软件环境 计算机已发展了四代 第一代 电子管计算机时代第二代 晶体管计算机时代第三代 集成电路计算机时代第四代 大规模集成电路计算机时代 计算机走向新时代 第五代 非冯 诺依曼 计算机时代第六代 神经网络计算机时代光计算机时代生物技术计算机时代 计算机的发展方向 微型计算机诞生 微型计算机诞生与20世纪70年代微型计算机特点 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 价格便宜 使用方便 软件丰富微型计算机的核心是微处理器 CPU 每出现一个新的微处理器 就会产生新一代的微型计算机 微型计算机系统概述 微机的概念 什么是微机 即微型计算机 它是以大规模 超大规模集成电路为主要部件 以集成了计算机主要部件 控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统 其核心是微处理器 Microprocessor 简称MPU 微机就是PC机吗 PC机只是微机中的一种 是我们最熟悉 最典型的微机产品微机的覆盖范围任何电子产品 只要包含了CPU 存储器及I O 且价格不高 都可以看作是微机典型例子电子词典 电视机 全自动洗衣机 手机 mp3 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 Q 每个概念的英文缩写 第1章 1 2微型计算机的系统组成 WhoamI WhoamI Opps WhoamI 第1章 1 280X86微型计算机的概要历史 发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代 产生了微型计算机1971年 Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004 开创了一个全新的计算机时代 第1章 1 2 3微型计算机的发展 第1代 4位和低档8位微机4004 4040 8008从1971年到1973年代表产品 Intel4004和MCS 4微型机Intel8004和MCS 8微型机字长 4位或者8位特点 指令系统比较简单 运算功能较差 价格低廉应用 面向家电 计算器和二次仪表 第1章 1 2 3微型计算机的发展 第2代 中高档8位微机Z80 I8085 M6800 Apple II R6502 Z80微机1973 1977年字长 8位特点 指令系统比较完善 运算速度提高了一个数量级 寻址能力有所增强应用 面向家电 智能仪表 工业控制 第1章 1 2 3微型计算机的发展 第3代 16位微机8086 8088 80286 IBMPC系列机从1978 1985年代笔产品 Intel8086 8088 80186 80286 MC68000 Z8000字长 16位特点 指令系统丰富 采用多级中断 多种寻址方式 段式存储结构 配有功能强大的系统软件应用 工业控制 第1章 1 2 3微型计算机的发展 第4代 32位微机80386 80486 Pentium PentiumII III 4从1985到1992年字长 32位特点 内存容量已达1MB以上 硬盘技术不断提高 发展了32位的总线结构 各种品牌机涌向市场 如COMPAQ DELL等 这些微型机在性能上已经赶上超级小型机 可执行多用户操作应用 办公自动化 网络环境 第1章 1 2 3微型计算机的发展 第5代 64位微机从1992年到现在Itanium AMD64 64位RISC微处理器芯片字长 64位特点 外部数据线64位字长 32位以上地址线 增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的应用办公自动化 网络服务器 微型计算机发展趋势 中央处理器更小的布线宽度和更多的晶体管 目前CPU采用的布线宽度有一下的一些 180nm 130nm 90nm 65nm 45nm 32nm Intel酷睿i3 i5系列 而AMD则表示 自己的产品将会直接跳过32nm工艺 2010年第三季度生产少许32nm产品 如Orochi Llano 于2011年中期初发布28nm的产品 64位cpu成为主流更高的总线速度 有希望达到1GHz 微型计算机发展趋势 系统存储器CPU集成更大的高速二级缓存内存容量更大 速度更快硬盘容量也更大 速度更快DVD RAM普及 微型计算机发展趋势 多媒体系统显卡的性能更高图形技术进一步发展大尺寸显示器成为主流数字式音箱占领市场 微型计算机发展趋势 网络光纤直接接入将替代现在的ADSL计入用户获得更大的接入带宽 微型计算机发展趋势 整机更加趋于个性化 利用红外或者蓝牙无线接入技术将减少机箱的背后布线 使得主机与外设进行无线通信 微计算机系统组成 计算机系统 硬件系统 软件系统 主机 外设 外存储器 软盘 硬盘 光盘 优盘等输入设备 键盘 鼠标 麦克风 扫描仪等输出设备 显示器 打印机 绘图仪 音响等 操作系统 DOS Windows UNIX Linux等语言处理程序 C VisualBasic Java等数据库管理系统 Oracle SQLServer Access等实用程序 系统优化和维护软件 杀毒软件等 通用应用软件 办公自动化软件 游戏软件等专用应用软件 为不同企业专门开发设计的软件 中央处理器 CPU 运算器控制器 只读存储器 ROM 随机存储器 RAM 高速缓冲存储器 Cache 内存 系统软件 应用软件 台式机 笔记本 第1章 系统总线 总线的概念 总线是指传递信息的一组公用导线 是传送信息的公共通道 第1章 系统总线 总线的概念 微机系统中采用总线结构 系统中主要部件通过系统总线相互连接 实现数据传输 并使微机系统具有组态灵活 易于扩展等诸多优点广泛应用的总线都实现了标准化 便于互连各个部件时遵循共同的总线规范 接口的任一方只需要根据总线标准的要求来实现和完成接口的功能 而不必了解对方的接口方式总线接口也是一种通用的接口技术 图例 第1章 总线的分类 总线连接方法广泛用于微机系统的各个连接层次上片内总线 大规模集成电路芯片内部 如微处理器的内部总线 片总线 元件级总线 是芯片与芯片之间的连接的总线 内总线 一般称为系统总线 又称微机系统总线 用于实现计算机系统中的插件板与插件板之间的连接 系统总线总是针对不同的计算机系统 外总线 微机系统之间以及微机系统与外部设备之间 例如U盘与系统连接的USB总线等 图示 第1章 片总线的主要类型 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 输入状态等控制总线决定了系统总线的特点 例如功能 适应性等电源线和地线等其他辅助信号备用线 举例 举例 第1章 微机中常见系统总线 在微机发展和应用中出现了许多种内 外总线标准第一个标准化的微机总线S 100总线面向工业控制领域的STD总线8位的PC总线32位PC机上的ISA系统总线 EISA总线 VESA总线 PCI总线 USB总线等 图示 第1章 微机中常见系统总线 PC总线也称为IBM PC总线 是IBM公司在推出其第一代个人机时 使用的一种系统总线 由于采用了开放的体系结构 公开其技术规范 因而得到了业界的广泛支持及应用 IBM PC总线是一个8位的总线 有62根信号线 其I O通道 即扩展槽 是系统总线的延伸 第1章 微机中常见系统总线 ISA总线当IBM推出AT机时 采用了80286作为其CPU 而286是一个16位的处理器 286的地址线也已变成了24根 因此原来定义的PC总线已经变得不再适合 IBM变通的办法是 在原来的PC总线的基础上 又增加了32根信号线 也就是说 AT机的I O通道 扩展槽 由两部分构成 上半部分为原来的62根信号线 下半部分为新增加32根信号线 这就是AT总线 它保证了新的总线规范与早期硬件的兼容性 由于IBM PC总线及AT总线的广泛应用 已经成了8位 16位数据传输的总线的工业标准 故而被命名为ISA总线 IndustryStandardArchitecture 工业标准结构 图示 第1章 微机中常见系统总线 MCA总线及EISA总线尽管IBM PC AT总线很成功 但IBM公司却未从中得到任何利益 为了能够独占市场 IBM公司又回到了非开放式系统结构的老路 推出了其32位个人计算机 PS 2 PS 2作为新一代的32位机 其系统总线为IBM公司重新严格定义的MCA总线 其中使用了很多先进的技术 包括一些小型机中的总线技术 这使得PS 2机具有很高的性能 然而 由于IBM的技术保护 以及它与早期的ISA外设完全不兼容 因此 PS 2及MCA均未能广泛应用 EISA ExtendedISA 扩展ISA总线 由Intel Compaq及HP联合其他的硬件厂商开发的32位总线 用以对抗IBM的MCA 第1章 微机中常见系统总线 PCI总线PCI总线 PeripheralComponentInterconnect 即外设部件互连 是一种新型的 同步的 高带宽的 独立于处理器的总线 早期作为一种局部总线存在 PCI总线之所以能在各类总线中脱颖而出 是因为其具有以下特点 高性能 传输速度快 最高工作频率33MHz 峰值吞吐率在32位时为132MB s 64位时为264MB s 低成本 数据线和地址线采用了复用结构 减少了针脚数 使用方便 支持即插即用功能 能实现自动配置 支持并行工作方式 独立于处理器 因此PCI总线可支持多种系列的处理器 并为处理器升级创造了条件 寿命长 提供四种规格 可定义32位 64位以及5V 3 3V电压信号 方便以后升级 第1章 微机中常见系统总线 USB总线USB UniversalSerialBus 通用串行总线 用于微机与外设之间的数据交换 USB允许外设在主机和其他外设工作时进行连接 配置 使用和移走 USB的应用可减少微机与外设连接的I O端口 仅用一个USB接口来代替 使PC机与外设之间的连接更加容易 USB的物理连接是一种分层的星型结构 集线器 Hub 是每个星型结构的中心 PC机是根集线器 外设或附加的Hub与之相连 USB最多可支持5个Hub层 127个外设 USB通过4线电缆传输数据和电源 其中D 和D 是差模信号线 Vbus为 5V电源 GND为电源地 USB提供12Mbps高速模式和1 5Mbps低速模式传输数据 USB2 0的高速模式已达240Mbps 串口通信协议 RS232C是1969年由EIA公布的标准定义数据终端设备 DTE 与数据通信设备 DCE 之间的接口特性 第1章 总线使用特点 在某一时刻 只能由一个总线主控设备 例如CPU 来控制总线在连接系统总线的各个设备中 某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取信号微机系统采用 总线结构 具有组态灵活 扩展方便的优势 输入输出设备 输入输出设备 计算机与人之间进行信息交换的设备按功能分为三类 输入设备 输出设备和输入输出兼用设备输入设备 向主机输入程序 数据和命令信息的设备 如键盘 鼠标 触摸屏等输出设备 将计算机处理过的二进制代码信息 转换成人们能识别的形式输出的输出设备 如打印机等输入输出兼用设备 具有输入输出功能的设备 如键盘与CRT显示器组成一台终端设备 软件 软件 包括系统软件和应用软件 使计算机系统的灵魂微型机软硬件之间的关系 1 硬件是软件的物质基础 离开了硬件 软件不可能工作2 软件是硬件功能的扩充和完善 没有软件 硬件是废物一堆 如果说硬件提供了使用工具 那么软件为人民提供了使用方法和手段3 软件和硬件的逻辑等价性 软件和硬件的界面是浮动的 某些功能可以由硬件实现 也可以由软件实现 硬件和软件之间具有融合性和转化性 思考 Q1 什么是固件 Q2 什么是总线 片内总线 片总线 内总线 外总线 相关概念 单板机 将整个微型计算机的硬件集成在一块印刷电路板上 即为单板计算机 单片机 整个计算机的硬件 包括存储器 输入输出设备等 都集成在一个芯片上 即称为单片机 典型的如Intel8051以及现在流行的ARM芯片 嵌入式系统任何电子产品 只要包含了CPU 存储器及I O 都可以看作是嵌入式系统 也包括了PC机 发展趋势 功能强大的计算机无处不在的计算机 微机原理及接口技术 第1章教学要求 1 了解微机发展概况 熟悉典型微处理器和微机系统2 了解微机的硬件组成 理解总线及其应用特点 掌握地址 数据 控制总线的概念3 复习并掌握整数2 10 16进制数相互转换和补码 BCD ASCII码的概念4 理解计算机中如何实现地址译码 并能够设计简单的译码电路 5 重点掌握计算机的工作原理 重中之重 6 掌握微机系统的总线层次概念 补充内容 一 计算机中的数字电路基础 与 或 非门 最基本的门电路 将它们适当地连接 可得到任意复杂的逻辑功能 补充内容 一 计算机中的数字电路基础 与非 或非 异或门与非门 是数字集成电路中构成其它器件的基础异或门 是构成运算器的关键 补充内容 一 计算机中的数字电路基础 三态门 具有单向导通和三态的特性器件共用总线时 一般使用三态电路 需要使用总线的时候打开三态门 不使用的时候关闭三态门 使之处于高阻 T为低电平时 输出为高阻抗 三态 T为高电平时 输出为输入的反相 微型计算机系统由 五大部件组成 中央处理器简称 由 和 组成 计算机硬件指 计算机软件指 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 cpu 运算器 控制器 看得见摸得着的电子的或机械的部件 理指令而编制的程序以及有关的数据和文档的集合 为了对计算机发出运行 维护 管 自我检测 一 存储器用来 内存储器由 和 组成 总线是一组 线 用来 总线由 三类总线组成 第一台电子计算机于 年诞生于 叫做 存放输入设备送来的数据 程序以及运 算器送来的运算结果 随机存储器RAM 只读存储器ROM 信号 在各部件之间传递数据和信息 数据总线地址总线控制总线 1946 美国 ENIAC 自我检测 二 存储器分为 和 常见的外存储器有 内存储器分为 和 内存属于 存放 可与 直接交换信息 特点有 外存储器属于 设备 用来存放 特点有 内存储器 外存储器 软盘 硬盘 光盘 闪盘 磁带 CPU 随机存储器RAM 只读存储器ROM 容量小 速度快 主机 正在执行的程序和数据 运算的原始数据和运算的结果 外部 容量大