微机原理与接口技术第1章微型计算机概述

微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 第 1章 微型计算机概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 第 1章 微型计算机概述 本章要点 型计算机的发展与应用 型计算机组成 算机的分类和性能指标 媒体技术 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 本章要点 了解微型计算机的发展 掌握计算机系统组成 掌握计算机系统的层次结构 理解微型计算机的工作原理及指令执行过程 掌握微型计算机常用术语 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 本章重点与难点 重点： 微型计算机的基本组成 微型计算机的工作原理 微型计算机常用术语 难点： 微型计算机的工作原理 返回本章首页 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 述 算机的发展简史 型计算机的特点 型计算机的应用 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 算机的发展简史 1946年，第一台计算机在美国诞生。60多年来，根据计算机采用的逻辑元件来分，计算机经历了电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时代、大规模及超大规模集成电路计算机时代，如图 1 图 1算机采用的逻辑元件 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 算机的发展简史 20世纪 70年代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片，其称为 微处理器 。微处理器的出现，开创了微型计算机的新时代。微型计算机是第四代计算机的典型代表。 微处理器是计算机的核心部件，它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能。因此，微型计算机的发展是以 微处理器的发展 来更新换代的。 第一代 4位和低档 8位机 004/8008 第二代 中高档 8位机 8080/8085、 三代 16位机 086、 80286 第四代 32位机 80386、 80486 第五代 32位机 1971要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域 （ 1973泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域 （ 1978 （ 1984 （ 1993 特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强。 第六代 64位机和双核 、 E、 （ 2000年以后） 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的特点 计算机的主要特点表现在以下几个方面。 1. 运算速度快 运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒万亿次甚至更高。 2. 计算精度高 在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字 (如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等 )，而计算机对数据的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，根据需要甚至可达到任意的精度。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的特点 3. 存储容量大 计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。目前计算机的存储容量越来越大，已高达千兆数量级的容量。 4. 具有逻辑判断功能 计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具备比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机能处理逻辑推理问题的前提。 5. 自动化程度高，通用性强 由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内，工作时按程序规定的操作，一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所不具备的。计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用各个领域。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的应用 1. 科学计算 早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机的一个重要应用领域。由于计算机具有很高的运算速度和运算精度，使得过去用手工无法完成的计算变为可能。随着计算机技术的发展，计算机的计算能力越来越强，计算速度越来越快，计算精度也越来越高。利用计算机进行数值计算，可以节省大量时间、人力和物力。 2. 过程检测与控制 利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统。但一般来说，实际的工业生产过程是一个连续的过程，往往既需要用计算机进行检测，又需要用计算机进行控制。例如：在化工、电力和冶金等生产过程中，用计算机自动采集各种参数，监测并及时控制生产设备的工作状态；在导弹、卫星的发射中，用计算机随时精确地控制飞行轨道与姿态；在热处理加工中，用计算机随时检测与控制炉窑的温度；在对人有害的工作场所，用计算机来监控机器人自动工作等。特别是微型计算机进入仪器仪表后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。利用计算机进行控制，可以节省劳动力、减轻劳动强度、提高劳动生产效率，并且还可以节省生产原料、减少能源消耗、降低生产成本。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3. 信息管理 信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。所谓信息管理，是指利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算和信息情报检索等。当今社会是一个信息化的社会，将计算机用于信息管理，为办公自动化、管理自动化和社会自动化创造了最有利的条件。国内外大量的机构已经建立了自己的管理信息系统 (一些生产企业开始采用制造资源规划软件 (商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统 (即所谓的无纸贸易。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 4. 计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造和辅助教学统称为计算机辅助系统。计算机辅助设计 (指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。用计算机进行辅助设计，不仅速度快，而且质量高，为缩短产品的开发周期与提高产品质量创造了有利条件。计算机辅助制造 (指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本以及缩短生产周期，并且还大大改善了工作人员的工作条件。计算机辅助教学 (指利用计算机帮助学习的系统，它将教学内容、教学方法以及学习情况等信息存储在计算机中，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微型计算机的组成 微型计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件（ 指构成计算机的实在的物理设备，是看得见、摸得着的物体，就像人的躯体。软件（ 般是指在计算机上运行的程序（广义的软件还包括由计算机管理的数据和以及有关的文档资料），是指示计算机工作的命令，就像人的思想。微型计算机主要是指微型计算机的硬件系统，当然其核心是微处理器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机系统的组成 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 1微处理器 微机的核心是微处理器，也就是微机的中央处理器。它是采用大规模集成电路技术生产的半导体芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储单元（即寄存器）。高性能微处理器内部非常复杂，例如运算器中不仅有基本的整数运算器、还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元，控制器包括存储管理单元、代码保护机制等。微处理器及其支持电路构成了微机系统的控制中心，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2存储器 存储器（ 存放程序和数据的部件。高性能微机的存储系统由微处理器内部的寄存器（ 高速缓冲存储器（ 主板上的主存储器和以外设形式出现的辅助存储器构成。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3 I/ I/备和输出（ 备，也称外部设备或外围设备，简称外设（ 其作用是让用户与微机实现交互。 微机上配置的标准输入设备是键盘，标准输出设备是显示器，二者又合称为控制台。微机还可选择鼠标器、打印机、绘图仪、扫描仪等 I/为外部存储器驱动装置的磁盘驱动器，既是输出设备，又是输入设备。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 4系统总线 总线（ 指传递信息的一组公用导线。这里的系统总线（ 指微机系统中，微处理器与存储器和 I/ 总线有几十条到百十条信号线， 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 （续） 这些总线信号一般可分为 3组： （ 1）地址总线（ （ 2）数据总线（ （ 3）控制总线（ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 个人微机结构 主要由 4部分组成。 （ 1）微处理器 （ 2）主存储器 （ 3） I/ （ 4）系统总线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的分类 微型计算机按照它的应用对象可以分为以下三类： 单片机 ：将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就构成了一台计算机，它被广泛应用于汽车、家电、工业过程控制、智能仪器仪表等领域。 单板机 ：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器 /存储器 /输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。它适于进行生产过程的控制，也可以直接在实验板上操作，适用于教学。 目前人们广泛使用的个人计算机 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 件系统 央处理器的组成 储器 线（ 入输出接口 (返回本章首页 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 央处理器的组成 中央处理器（ 运算器 、 控制器 和 寄存器阵列 组成，是整个硬件系统的核心。微型机中将运算器、控制器和寄存器等相关部件集成在一块芯片中，又叫微处理器，通过专门的 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 央处理器的组成 计算机中加工和处理数据的功能部件。主要包括算术逻辑部件（ 用于对数据进行加工处理，进行算术和逻辑运算。 据寄存器 1# 数据寄存器 2# 存储器 外设 图 1算器的逻辑结构 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 央处理器的组成 控制器具有控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序的功能。它包括： 程序计数器 （ 存放下一条将要执行的指令所在存储单元的地址。 指令寄存器 （ 保存当前正在执行的一条指令。 指令译码器 （ 将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。 时序信号发生器 ：根据指令译码器（ 生的命令信号产生具体的控制信号。 包括一组通用寄存器组和专用寄存器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 储器 存储器是计算机系统中的一种记忆设备，用来存放程序、数据、运算结果以及各种需要保存的信息。包括： 内存 高速缓存 外存 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 线（ 1. 按总线的层次结构 微处理器级总线 系统级总线 外设总线 2按总线传送信息的类别 地址总线 数据总线 控制总线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 入输出接口 ( 主机与外部设备之间的信息交换是通过输入 /输出接口来进行的。输人 /输出接口简称I/图 1口在这里起着主机与外部设备之间数据通信的“桥梁”的作用。 图 1型计算机的硬件系统功能模块 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的一般工作原理 序和指令 储程序工作原理 型计算机的工作过程 返回本章首页 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 序和指令 冯 诺依曼提出计算机由 5个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备；计算机内采用二进制；计算机采用程序存储和程序控制的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当机器加电并启动后，计算机便会自动按照程序的要求进行工作。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 序和指令 所谓 程序 ，就是为实现某项既定的任务而向计算机发出的一组有一定顺序的基本操作命令的集合。这些基本操作命令就称为 指令 。 指令由操作码和操作数两部分组成 ，即操作性质（如加、减、乘、除、比较大小等）和参加操作的对象（如数据或数据存放的地址等）。机器指令的集合称为 指令系统 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 储程序工作原理 存储程序和程序控制原理的基本点就是指令驱动，即按照任务要求事先编好程序，然后把程序和所需的数据输入计算机存储器中保存起来。当机器启动时，根据内部指令指针给出的程序第一条指令的地址，控制器就可依据程序指定的逻辑顺序从存储器中一条条周而复始地读取指令、分析指令、执行指令，直到完成全部指令操作为止。这样就能自动连续地完成程序所描述的全部工作，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 计算机每执行一条指令，都包含着两个基本的步骤，即取指令、译码和执行指令。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 在进行计算前，应做如下工作： （ 1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； （ 2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序； （ 3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 完成 5+6=？的程序： ， 05H /05H ； 把 05送入累加器 A ， 06H /04H 06H ； 06与 结果存入累加器 A / ；停止所有操作。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 1、取指令阶段的执行过程：（设程序从 00 （ 1）、将程序计数器（ P）的内容送地址寄存器 （ 2）、程序计数器 变为 01H，为取下一条指令作好准备。 （ 3）、地址寄存器 0中 00 （ 4）、 ”命令。 （ 5）、所选中的 00单元的内容 （ 6）、经数据总线 出的 R。 （ 7）、数据寄存器 过译码 别”出这个操作码为“ ， 05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 R B R 0H 1 00H 2 00 1 05H 02 04H 03 06H 04 4 读命令 6 控制信号 （取第一条指令操作示意图） 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 2、执行指令阶段的执行过程： （ 1）、将程序计数器（ P）的内容送地址寄存器 （ 2）、程序计数器 变为 02H，为取下一条指令作好准备。 （ 3）、地址寄存器 1中 01 （ 4）、 ”命令。 （ 5）、所选中的 015 （ 6）、经数据总线 出的 05R。 （ 7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器 以数据寄存器 5中。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 R B R 2H 1 01H 2 00 1 05H 02 04H 03 06H 04 4 读命令 05H 5 6 7 控制信号 05H （执行第一条指令操作示意图） 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 例：计算 1+2=? 汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作 L, 1 10110000 将立即数 1传送到累加寄存器 00000001 l, 2 00000100 计算两个数的和，结果存放到 00000010 0008, 10100010 将 008 00001001 00000000 11110100 停机 型计算机的工作过程 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 型计算机的工作过程 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微型计算机常用术语 1数据单位 位 （ b）：“位”是计算机所能处理的最小数据单位，它只能有两种状态：“ 0”或“ 1”。 字节 （ B）： 1个字节包含 8个二进制位(8 ，通常缩写为 B 1 210=1024 B 1 220=1024 1 230=1024 1 240=1024 字 （ 微处理器一次可以直接处理的二进制数码位数的基本单位。微处理器的字长有 4位、 8位、 16位、 32位和 64位等 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微型计算机常用术语 系统兼容 向上兼容 向下兼容 主频 外频 倍频系数 4 秒钟能执行多少百万条指令。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微型计算机常用术语 5微处理器的生产工艺 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 前微处理器的生产工艺已经达到 6微处理器的集成度 微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 7. 寻址空间与实际存储容量 寻址空间由 际存储容量是主板上实际插的内存芯片的存储容量，小于或等于寻址空间，根据需要进行选择。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 计算机的性能指标 评价计算机性能是一个复杂的问题，早期只限于字长、运算速度和存储容量 3大指标。目前要考虑的因素有如下几个方面。 (1) 主频 主频很大程度上决定了计算机的运行速度，它