微机原理与接口技术课件微机原理课件第一章课件

2020 2 23 1 本课程的性质和任务 本课程是计算机科学与技术专业的专业基础课 必修课 本课程的任务是以PC机技术为核心 通过本课程的学习 学生可以全面掌握微机的工作原理 组成原理 设计原理 应用原理与方法 2020 2 23 2 课程简介 微型系统与接口技术 微机原理 汇编语言 接口技术本课程的前续专业基础课为 数字电路 计算机组成原理 2020 2 23 3 计算机组成原理 主要讲述CPU的构造与设计原理 CPU与存储器之间的接口技术 本课程以PC机为例 重点讲述CPU同外围部件之间的接口技术 输入 输出 I O 接口技术等 2020 2 23 4 本课程授课64学时实验16学时 使用的教材和主要参考书 教材 微型计算机原理与接口技术 周荷琴编著中国科学技术大学出版社参考书 微型计算机技术 王培进主编 石油大学出版社 微型计算机技术及应用 戴梅萼编清华大学出版社 微型计算机原理 接口技术及应用 史新福编西北工业大学出版社 微型计算机原理及应用 刘晋编大连理工大学出版社 接口课程设计1周 2020 2 23 5 考试方式初步定为 笔试 平时作业及实验成绩教师联系方式 TELmail qxq0910 2020 2 23 8 主要掌握内容1 基本概念 CPU 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 单片机 单板机等 2 PC机的产生与发展 2020 2 23 9 1 1微型计算机的发展概况 特点 硬件价格昂贵 CPU速度低 内存容量小 根据需要 人们按个人风格编制一些可以运行的程序 特点 CPU速度和内存容量有很大提高 为计算机在众多领域的应用提供了潜在的可能 如出现了多种高级语言 以及大型操作系统的研制 以便更好地发挥硬件的效率和潜在的功能 特点 高性能 低成本的微机大量涌现 计算机的应用有了进一步的深化和普及 为开发大规模 高复杂度的软件系统提供了广阔的舞台 关键技术 超大规模集成电路 VLSI 结构 并行处理 基于关系数据库的知识库 人工智能和模式处理的应用 主要目标 具有问题求解和推理能力 能进行知识库管理 具有智能接口 第一代 电子管时代 第二代 晶体管时代 第三代 集成电路时代 第四代 大规模集成电路时代 第五代计算机 具有人工智能知识信息处理和非数值计算能力的高性能的智能计算机 80年代开始研制 定义 广义地说 计算机泛指任何一种能进行计算的装置 它来源于拉丁文Computare 机械式 电动式 电子数字式 演示 演示 计算机发展简史 2020 2 23 10 集成技术的发展 摩尔定律 集成电路内芯片的晶体管数目每隔18 24个月 其集成度就要翻一番 1965年 摩尔 G Moore 经统计发现 2020 2 23 11 2 微型计算机的发展概况 微型计算机是第四代计算机的典型代表 具有体积小 重量轻 可靠性高 结构配置灵活 价格低廉的优点 微处理器的发展 第一代微处理器 1971年开始 特点 4位和8位 Intel4004和Intel8008时钟频率小于1MHz 平均指令执行时间为10 15 采用机器语言编程 第二代微处理器 1974年开始 特点 8位 Intel8080 Intel8085 MotorolaMC6800和ZilogZ80时钟频率2MHz 平均指令执行时间为1 2 寻址64KB内存空间 用它构成的微型计算机在结构上已具有计算机的体系结构 有中断和DMA等功能 指令系统较为完善 软件上也配备了汇编语言 BASIC和FORTRAN语言 使用但用户操作系统 CPU CentralProcessingUnit 运算器 控制器微处理器 Microprocessor微处理器就是大规模集成电路的CPU 它由几片或一片大规模集成电路芯片组成 2020 2 23 12 第三代微处理器 1978年开始 特点 16位 Intel8086 Intel80286 ZilogZ8000 MotorolaMC68000和MC68010时钟频率5 8 10 平均指令执行时间为0 5 具有丰富的指令系统 采用多级中断 多重寻址方式 同时也促进了个人计算机的推广和发展 PC XT PC AT 第四代微处理器 1983年开始 特点 32位 Intel80386 Intel80486 ZilogZ80000 MotorolaMC68020和MC6804080386 时钟频率16 33 平均指令执行时间小于0 1 寻址能力高达4GB 采用段页式存储管理机制 提供带有存储器保护的虚拟存储 可管理64TB的虚拟存储空间 还增加了一种 虚拟86 的工作方式 可以同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力 运算速度超过600万条指令 秒 6级流水线 快速局部总线 协处理器80387加快了浮点操作苏促 开发高速缓存解决内存速度瓶颈 有丰富的外围配件支持 如DMA82258 中断控制器8259A 磁盘控制器8272 Cache控制器82385 硬盘控制器82062等 80386时32位CPU成为PC工业的标准 2020 2 23 13 80486 25 33 50 DX4达到66 75 和100 片内集成了浮点运算部件和8KB的片内高速缓存 内部数据总线宽度为64位 80486的整数处理部件采用了RISC技术 芯片内部其它方面保留了CISC指令系统 用以处理复杂的指令 以保证兼容性 它还采用了突发总线方式 大大提高了与内存的数据交换速度 由于这些改进 80486的性能比80386DX性能提高了4倍 80486引进了时钟倍频技术 使主频超过100 成为可能 第五代微处理器 1993年开始 Pentium PentiumPro Pentium Pentium Pentium4Pentium 1993 采用了全新的体系结构 运用超标量流水线设计 将Cache分为指令Cache和数据Cache 提高了CPU的存取速度 浮点运算部件重新设计 采用8级流水线和部分固化指令 提高了浮点运算速度 采用动态转移预测的新概念 PentiumPro 1995 在将原有指标提高的前提下 增加了新的技术 如采用两级Cache 新增加57条MMX多媒体指令 专门用来处理音频 视频数据 采用了双电压设计 Pentium 1997 双重独立总线 内置MMX技术 增加了高速缓存L1和L2的容量 动态执行 封装和接口标准进行了改进 2020 2 23 14 Pentium 1999 增加了能够增强音频 视频和3D图形效果的SSE StreamingSIMDExtersions 数据流单数据多指令扩展 指令集 增强了MMX指令 使浮点运算和三维处理方面的能力明显增强 Pentium4 2000 主频为1 4GHz和2GHz 集成度高达4200万个管子 片 20级的超级流水线 高效的乱序执行功能 2倍数的ALU整数运算单元以双倍主频的速度工作 新型片上跟踪缓存能存储x86指令解码后的微操作指令 SSE2指令扩展能处理128位 SIMD的整数和浮点双精度数 400MHz前端总线FSB使用100MHz外频X4倍频方式实现CPU和内存的配合 2020 2 23 15 微处理器的发展第一代1971年CPUIntel40044040 4位 8008 8位 2000个晶体管 片时钟频率1Mhz20 s 平均每条指令第二代1973 1977年Intel80808085ZilogZ80 8位 5000 1万晶体管 片时钟频率2 4Mhz1 2 s 平均每条指令第三代1978 1983年Intel8086808880286 16位 2 10万晶体管 片时钟频率4 10Mhz0 2 s 平均每条指令第四代1983 1993年Intel386486DX486DX2486DX4 32位 第五代1993年 现今IntelPentium 166MHZ PentiumII 333MHZ PentiuIII处理器1999年2月面世 CPU主频从400M到2GHz不等 其集成度最高为2800万个管子 片 Pentium4处理器于2001年6月面世 主频为1 4GHz和2GHz 集成度高达4200万个管子 片20级的超级流水线高效的乱序执行功能2倍数的ALU整数运算单元以双倍主频的速度工作新型片上跟踪缓存能存储x86指令解码后的微操作指令SSE2指令扩展能处理128位 SIMD的整数和浮点双精度数400MHz前端总线FSB使用100MHz外频X4倍频方式实现CPU和内存的配合 2020 2 23 16 1 2 微型计算机系统 从大型计算机到微型计算机 其基本结构属于冯 诺依曼型计算机 如图1 1所示 图1 1计算机基本结构 2020 2 23 17 冯 诺依曼理论 微型 小型 大中型计算机的功能没有本质区别 它们的基本结构也一样 称为冯 诺依曼理论 计算机的经典理论 2020 2 23 18 1 CPU CentralProcessingUnit 运算器 控制器 2 微处理器 Microprocessor 微处理器就是大规模集成电路的CPU 它由几片或一片大规模集成电路芯片组成 3 微型计算机 Micro Computer 由微处理器构成的计算机叫做微型计算机 4 微型计算机系统 微型计算机再加上相应的输入 输出设备 就构成微型计算机系统 2020 2 23 19 微型计算机 CPU存储器ROMRAM输入 输出接口电路 I O 总线D BUSA BUSC BUS 单片机 微处理器 Microprocessor 是计算机系统的核心 也称CPU 主要功能 从存储器中取出指令 指令译码 简单的算术逻辑运算 在处理器和存储器或I O接口之间传送数据 程序流向控制 存储器分为RAM和ROM 存储器的主要用来存放程序和数据 CPU从存储器中读取指令 通过指令译码 执行相应的操作 必要时再从存储器或I O设备中取操作数 结果送入存储器或I O设备 输入 输出接口电路用于将外部设备与CPU 或存储器 相连接 用于匹配信息的格式 电平 速度等 总线将CPU 存储器及I O接口电路相连接 使负责在CPU与存储器和I O之间传送地址 数据和控制信息的公共通道 根据传送信息的种类可分为 DB AB CB 2020 2 23 20 微处理器 微型计算机和微型计算机系统 微处理器微型计算机微型计算机系统 2020 2 23 21 微机系统典型硬件结构 2020 2 23 22 2020 2 23 23 2020 2 23 24 2020 2 23 25 微处理器微处理器是一个中央处理器CPU 由算术逻辑部件ALU 累加器和寄存器组 指令指针IP 程序计数器 段寄存器 时序和控制逻辑部件 内部总线等组成 典型的结构如图1 4所示 主要用来完成算术运算和逻辑运算 给出存储单元的段地址 与偏移地址组成20位物理地址对存储器寻址 负责对整机的控制 包括取指 译码 发出控制信号和时序 2020 2 23 26 存储器用来存储程序和数据 分为两大类 内存 主存 和外存 辅存 内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据 CPU可以直接访问 外存存放 海量 数据 相对来说不经常使用 CPU不能够直接访问 需要通过接口电路 相当于外设 存储器的体系结构如图1 5所示 容量小 存储速度快 分为RAM和ROM 硬盘 软盘和光盘等 2020 2 23 27 存储器组织微型计算机中物理存储器系统随着微机系统而有不同的配置 图1 6给出了8086 80486微处理器的物理存储器系统 16位微机系列配置有两个存储体 32位微机系列配置4个存储体 2020 2 23 28 存储器的性能指标存储器的性能指标主要用存储容量 存取速度来衡量 存储容量之存储器有错捎个存储单元 一般以字节 Byte 或字 Word 来计算 常用的单位为KB MB GB和TB 存取速度是指从存储器中读出数据或写入数据所需要的时间 2020 2 23 29 I O接口输入 输出接口用于CPU 或存储器 与外设之间的信息交换 由于外设种类繁多 这些设备与CPU之间的工作速度不同 信号电平不同 因此要配备不同的I O接口电路来辅助CPU工作 主要用于速度匹配 信号电平匹配 数据格式匹配 时序控制 中断控制等 主要的接口芯片有 锁存器74LS373 缓冲器74LS245 可编程中断控制器8259A 可编程定时 计数器8254 可编程并行 串行接口8255 8251A DMA控制器8237A 数 模和模 数转换芯片等 在现在的计算机系统中 这些芯片的功能被集成在大规模集成电路芯片中 2020 2 23 30 总线在计算机系统中 各个部件之间传送信息的公共通路叫总线 微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的 总线的标准特性 物理特性 指总线的物理连接方式 功能特性 描写总线中每一根线的功能 地址总线 数据总线 控制总线 电器特性 信号线上的信号传递方向和有效电平范围 INOUT时间特性 定义了每根线上的信号在什么时间有效 2020 2 23 31 总线的分类内部总线 微处理器内部各个部件之间传送信息的通路 元件级总线 连接计算机系统中两个主要部件的总线 包括 地址总线 数据总线和控制总线 系统总线 是微处理机机箱内的底板总线 用来连接构成微处理机的各个插件板 例 ISA总线 工业标准体系结构 主要用于IBMPC XT AT及兼容机上 也可用在80386 80486机上 EISA总线 扩展工业标准体系结构 用于32位机 VESA总线 视频电子标准协会 联合多家公司推出的全开放通用局部总线 适用于80486 PCI总线 外设互联局部总线 PCI总线允许任何微处理器通过桥接口连接到PCI总线上 外部总线 用于微处理机系统与系统之间 系统与外部设备之间的信息通路 有并行和串行方式 例如 RS 232串行通信总线 IEEE 488总线 USB总线等 CPU用来向存储器和I O端口传送地址的 三态 单向 CPU用来与存储器及外设交换数据的 三态 双向 用来传送CPU发出的控制信号或存储器及外设的反馈信息的 传送信号就具体控制信号而定 2020 2 23 32 总线的结构单总线结构 系统的内存和I O接口均挂在单总线上 图1 7 面向CPU的双总线结构 在CPU和主存储器之间 CPU与I O设备之间分别设置一组总线 图1 8 提高了CPU与存储器及I O设备之间的数据传送效率 但外设与主存之间的数据交换要通过CPU 降低了CPU的工作效率 面向主存储器的双总线结构 结合了前两种总线的特点 所有部件和设备均挂到总线上 可通过总线交换信息 同时又在CPU与主存储器之间一组告诉存储总线 使CPU与主存之间可直接告诉交换信息 通常在高档机上采用 图1 9 外部总线 用于微处理机系统与系统之间 系统与外部设备之间的信息通路 有并行和串行方式 例如 RS 232串行通信总线 IEEE 488总线 USB总线等 2020 2 23 33 微型计算机的外部结构 微机的单总线结构 2020 2 23 34 2020 2 23 35 2020 2 23 36 微型计算机的性能指标主频 微型计算机中CPU的时钟频率 微机运行的速度与主频有关 字长 微型计算机能够直接处理的二进制数的位数 字长越长 运算精度越高 功能越强 目前微机字长以32位为主 但已推出64位 内存容量 指微机存储器能存储信息的字节数 存取周期 指主存完成一次读写所需的时间 与存储器的指标有关 运算速度 指每秒钟能执行指令的条数 单位MIPS 百万条指令 秒 2020 2 23 37 1 3计算机数据格式 数据 文字符号 图形 声音 图像等各种信息都要经过编码 成为计算机可以识别和处理的数字信息 因此 计算机选择哪种数字系统 如何表示数据 将直接影响机器的性能和结构 计算机进制选择重要性 二进制的特征 二进制只有 0 和 1 两个数码 正好与大部分电子器件的两种状态相对应 易于物理实现 运算规则简单 另一方面 采用二进制能方便地使用逻辑代数这一数学工具进行逻辑电路的设计 分析 综合 并使计算机同时具有数字运算和逻辑运算功能 2020 2 23 38 几种数值的表示方式 B Q或O D或省略 H数值的转换 计算机数据格式 补码 原码 反码和移码 BCD码 压缩BCD码 非压缩BCD码 ASSCII码 数据类型 DBDWDD 2020 2 23 39 数字逻辑电路基本知识回顾 1 三态门 一 NMOS的三态门电路分析 T为低电平时输出为高阻抗 三态 T为高点平时输出为输入的反相 表示反相或低电平有效 2020 2 23 40 2 三态门符号三态门具有单向导通和三态的特性 3 常用集成电路芯片74LS系列的74LS244 74LS245 Intel系列的8286等 2020 2 23 41 74LS244TTL8位单向缓冲器分成4位的两组 每组的控制端连接在一起 控制端低电平有效输出与输入同相 2020 2 23 42 74LS245TTL8位