微型计算机原理与应用课件 01.ppt

1 微型计算机原理及应用 中国水利水电出版社 刘建成主编 2 课程目标微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程 微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念 形成微机系统软硬件开发的初步能力 3 教学大纲第一章微型计算机系统概述第二章微机运算基础第三章8086 8088CPU体系结构和指令系统第四章8086 8088汇编语言程序设计第五章微型机中的存储器第六章中断系统第七章可编程接口芯片及应用第八章A D和D A转换器第九章从8086 8088到Pentium的技术变迁第十章微型计算机在工业控制中的应用 4 第一章微型计算机系统概述 1 1微机系统的组成1 2微型计算机硬件系统的组成1 2 1系统总线1 2 2微处理器1 2 3存储器1 2 4输入输出 I O 接口和外设1 3微处理器组成1 4存储系统概述1 4 1内存储器单元的地址和内容1 4 2内存操作1 4 3内存分类1 5微机工作过程1 6微机系统的主要技术指标 5 1 1微机系统的组成 世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC 6 电子计算机的发展 电子管计算机 1946 1956 晶体管计算机 1957 1964 中小规模集成电路计算机 1965 1970 超大规模集成电路计算机 1971 今 电子计算机按其性能分类 大型计算机 中型计算机小型计算机微型计算机 微型计算机是第四代计算机的典型代表 7 微型计算机系统的三个层次微处理器严格讲 微处理器 CPUCPU由算术逻辑部件 ALU 和控制部件两大主要部分组成 实现运算功能和控制功能微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外 还包含一组寄存器 Registers 以及高速缓冲存储器 Cache 等特殊的存储器 将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中 这个器件才被称为微处理器 8 微型计算机系统的三个层次微型计算机以微处理器为核心 配上由大规模集成电路制作的只读存储器 ROM 读写存储器 RAM 输入 输出接口电路及系统总线等所组成的计算机 称为微型计算机 将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上 称为单片微型计算机 简称单片机 9 微型计算机系统的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心 配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件 就构成了完整的微型计算机系统 微型计算机如果不配有软件 通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类 10 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 11 微型计算机的常用术语 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 12 微型计算机的常用术语 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 13 微型计算机的常用术语 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 14 微型计算机的常用术语 4 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832MIPS5 iCOMP指数iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标 它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的 iCOMP指数包含的指标有整数数学计算 浮点数学计算 图形处理以及视频处理等 这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关 所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能 15 iCOMP指数 16 微型计算机的常用术语 6 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 目前微处理器的生产工艺已经达到0 18 m 7 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750万个晶体管以上 集成度提高了3000多倍 17 微型计算机的发展 微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番 芯片的性能也随之提高一倍 摩尔定律 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3000 10000晶体管 片 微处理器的主频为0 1 5MHz 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1972年 Intel8008 是世界上第一片8位微处理器 8008采用了10 m生产工艺 集成度为3500个晶体管 工作频率为200KHz 18 1974年 Intel8080采用了6 m生产工艺 集成度为6000个晶体管 主频为2MHz 1975年4月 MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800 值得一提的是 Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年 Intel8080Intel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 微型计算机的发展 19 第一代 8086 8088 1978年 1981年 1978年 8086采用了3 m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 1981年8月 IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer 即著名的IMBPC X86系列微型计算机的发展 20 第二代 80286 1982年 1984年 采用1 5 m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 1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC AT 并制定了一个新的开放系统总线结构 这就是的工业标准结构 ISA 该结构提供了一个16位 高性能的I O扩展总线 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 X86系列微型计算机的发展 21 第三代 80386 1985年 1988年 第一个实用的32位微处理器 采用了1 5 m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 80386的其他一些版本 80386SX 包含16位数据总线和24位地址总线 寻址空间为16MB 80386SL 80386SLC 包含l6位数据总线和25位地址总线 寻址空间为32MB 由于这些微处理器由于与I O之间传输为16位 故也称为准32位微处理器 X86系列微型计算机的发展 22 第四代 80486 1989年 1992年 采用1 m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 Intel公司还生产过80486的其他一些版本 80486SX 工作频率20MHz 不包含数学协处理器 80486DX2 采用双倍时钟 内部执行速度达到66MHZ 内存存取速度为33MHz 80486DX4 采用三倍时钟 内部执行速度达到100MHZ 内存存取速度为33MHz X86系列微型计算机的发展 23 第五代 Pentium 1993年 1997年 Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器 以P5代称 1993年 采用0 8 m工艺技术 集成了310万个晶体管 工作频率为60MHz 66MHz 第二代Pentium处理器 以P54C代称 1994年 采用0 6 m工艺 工作频率为90MHz 100MHz 第三代PentiumMMX 以P55C代称1997年 增加了57条多媒体指令在体系结构上 Pentium在内核中采用了RISC技术 可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物 X86系列微型计算机的发展 24 第六代 P6 1996 今 PentiumPro PentiumII PentiumIII采用0 6 m 0 18 m工艺 集成度550万 750万晶体管 时钟频率166MHz 1GHz 采用二级高速缓存 2级超标量流水线结构 一个时钟周期可以执行3条指令 X86系列微型计算机的发展 第七代 未来 64位Mecerd P7 25 1 2微型计算机的组成 微型计算机的组成 由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五大部分组成 26 微型计算机的结构 各部件通过总线连接 总线 连接多个功能部件的一组公共信号线 27 微型计算机的结构 地址总线AB 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 地址总线的条数决定微处理器的寻址能力 数据总线DB 用来在CPU与存储器 I O接口之间进行数据传送数据总线的条数决定微处理器一次最多可以传送的数据宽度 控制总线CB 以来传送各种控制信号 28 1 3微处理器组成 微处理器是微型计算机硬件系统中的核心部件 它有运算器 控制器 数据和地址缓冲器四大部分组成 而每部分又各由一些基本部件组成 29 1 算术逻辑单元ALU ArithmeticLogicunit 2 累加器ACC 累加锁存器和暂存器3 标志寄存器FR FlagsRegister 4 寄存器组RS RegisterSet或Registers 5 堆栈和堆栈指针SP6 程序计数器PC ProgramCounter 7 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 和操作控制器OC OperationController 8 处理器地址缓冲器 处理器数据缓冲器 30 1 4存储系统概述 存储器用来存储程序和数据 它是微型计算机系统不可缺少的重要部件 微型机中的存储器分为内存储器 主存 和外存储器 辅存 内存储器称主存储器 它与CPU以及各种接口电路组成微型机的主机 外存储器属微型机的外部设备 通常用于存放CPU当前操作暂时不用的程序和数据 它存储的信息要通过接口电路输入到内存储器后才能供CPU处理 31 1 4 1内存储器单元的地址和内容1 4 2内存操作1 4 3内存分类按工作方式不同 内存可分为两大类 随机存取存储器RAM RandomAccessMemory 和只读存储器ROM ReadOnlyMemory RAM可以被CPU随机地读和写 又称为随机读写存储器 这种存储器用于存放用户装入的程序 数据及部分系统信息 当机器断电后所存信息消失 因此RAM归于易失性存储器 ROM中的信息只能被CPU随机读取 而不能由CPU任意随机写入 机器断电后 信息并不丢失 显