《微型计算机技术》PPT课件.ppt

微机原理与接口技术 主讲 刘博Email liubojsj 2 教学目的 随着微型计算机在各行各业中应用的不断扩大 包括单片机在内的微型计算机的应用已随处可见 理工科学生有必要了解掌握该领域的理论知识及专业技术 微型计算机技术 是计算机科学与技术专业重要的专业课程 本课程系统地介绍微型计算机系统的基本组织结构及基本工作原理 微型计算机接口原理及应用技术 重点阐述微处理器与外界连接技术 包括硬件接口电路的设计和相关应用软件的设计 3 具体要求 1 微型计算机系统的组织结构及工作原理微处理器芯片 微型计算机 微型计算机系统的基本组织结构和基本工作原理 2 微型计算机接口原理及应用技术接口的基本概念 定时计数器 并行接口 串行接口 中断控制器 DMA控制器 A D和D A转换器接口等接口电路的工作原理 硬件设计及软件驱动程序的编程方法 I O端口地址译码电路设计 3 微型计算机技术现状与发展趋势 4 与其它课程的关系 计算机系统结构 重点论述计算机系统的各种基本结构 设计技术和性能定量分析方法等 计算机组成原理 侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式 基本运算的操作原理和单元的设计思想 操作方式及其实现 微型计算机技术 突出应用 详细讲述微处理器芯片 计算机主板 接口技术和应用编程方法 5 教材与教学参考书 教材 微型计算机技术 孙德文 高等教育出版社 2010 7 参考书 1 微机原理及接口技术 陈建铎编著 高等教育出版社 2008 2 微型计算机原理及应用 周明德 清华大学出版社 2010 2 6 计算机发展的回顾与展望1 第一台电子计算机1946年2月美国埃尼阿克 ENIAC 即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator 电子数字积分计算机 重量30吨 占地170平方米 每小时耗电150千瓦 价值约40万美元 运算速度为每秒5000次加减法运算 7 2 计算机的发展阶段按电子部件的演变经历了四代 1 第一代 1946年 1958年 电子管计算机 2 第二代 1959年 1964年 晶体管计算机 3 第三代 1965年 1970年 中小规模集成电路计算机 4 第四代 1971年 大规模和超大规模集成电路计算机 8 3 冯 诺依曼结构计算机1946年冯 诺依曼 存储程序 计算机设计方案 9 4 新一代计算机神经网络计算机用硬件实现或用软件模拟的方法 按照人工神经网络的基本原理而研制的计算机系统 日本 神经网络声音识别系统 能够识别出任何人的声音 正确率达99 8 纽约 迈阿密 伦敦的机场用神经电脑来检查爆炸物 每小时可查600 700件行李 检出率为95 误差率为2 10 生物计算机以生物电子元件 DNA分子 构建的计算机 生物计算机具备生物体的某些机能 如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障 模拟人脑的思考机制 硅时代的终结者 以色列科学家研制出诊治癌症的DNA计算机模型 11 光计算机用光束代替电子进行运算和存储 以不同波长的光代表不同的数据 程序和数据永远以光的形式在行动之中 量子计算机与传统计算机的原理 遵循经典力学规律 不同 遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算 存储及处理量子信息 量子比特 昆比特 利用质子 电子等亚原子构成计算机的各种硬件 12 5 未来计算机的发展趋势 朝着微型化和巨型化两级方向发展 当前开发和研究的热点是多媒体计算机 今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术 未来计算机发展的总趋势是智能化计算机 13 摩尔定律 芯片的容量每18 24个月增加一倍 14 课程研究对象 巨型机 超级计算机 大型机中型机小型机微型机 简称微机 计算机分类 优点 体积小 重量轻 价格低廉 可靠性高 结构灵活 适应性强和应用面广 特点 将组成计算机的核心部件 运算器和控制器 CPU CentralProcessingUnit 集成在一片硅片上 通常称为微处理器 15 1 1关于微型计算机的简单介绍 1 2微型计算机系统的组成 1 3微型计算机的典型配置 第1章微型计算机系统的组成 16 1 1关于微型计算机的简单介绍 1 1 1微处理器 微型计算机和微型计算机系统 17 微处理器 MicroprocessorUnit 利用大规模集成电路技术 将运算器和控制器集成在一块硅片上的集成电路 三个层面上的典型结构 微型计算机 Microcomputer 以微处理器为核心 配以内存储器 输入 输出 I O 接口电路 通过总线 Bus 结构连接而构成的裸机 微型计算机系统 MicrocomputerSystem 由微型计算机配以相应的外围设备 如键盘 显示器 打印机 外存储器等 电源和其他辅助设备 及足够的软件而构成的系统 18 1 1 2微处理器和微型计算机的发展 1 第一代 1971 1973 4位及低档8位微处理器 1971年4位的Intel4004 1972年8位的Intel8008 19 2 第二代 1974 1977 中 高档8位微处理器 1974Intel8080 MC6800 Z80 全球第一台PC机 Altair 20 3 第三代 1978 1984 16位微处理器 1978年8086 80881979年 IBM PC和IBM PC XT 个人计算机PC时代从此诞生 21 80286 22 4 第四代 1985 1993 低档32位微处理器 198532位CPU 80386DX 198980486 23 5 第五代 1993 高档32位微处理器 Pentium系列 199380586 Pentium 奔腾 24 1996PentiumPro 高能奔腾 25 1997年PentiumMMX 多能奔腾 26 1997年Pentium AMD的K6和Cyrix的6X86MX 27 1998年 赛扬 Celeron 处理器 28 1999年PentiumIII增加了音频 视频和3D处理能力 并大大优化了网络功能 8月 AMD的Athlon 速龙 成为最快的处理器 29 2000年6月PentiumIV 简称P4 拥有更高的主频 高达3 8GHz 30 6 64位处理器IntelItanium 安腾 用于服务器 缺点是不兼容32位计算 市场份额不理想 AMDOpteron 傲龙 兼容32位计算 用于服务器 2003年9月AMD推出面向台式机的Athlon64 2005年2月Intel推出64位的Pentium4 Itanium Athlon64 Opteron 31 PentiumD 32 Core2Duo 酷睿2双核 33 Corei 酷睿i 34 PentiumE 35 PentiumG 36 Celeron系列 37 2AMD 38 AMDAthlonII 速龙2 39 AMDPhenomII 羿龙2 40 按构成分类按CPU的字长分类按主机装置分类 1 1 3微型计算机的分类 41 1 按构成分类 1 单片机 将CPU 内存 I O接口电路全部集成一块芯片上 构成具备基本功能的计算机 特点 超小型 高可靠性 价廉应用 智能仪表 工业实时控制 家用电器等产品 Intel的8051 8096 8098系列Motorola的6801 6805系列Hitachi 日立 的H8S SH系列 42 2 单板机 将CPU 内存 I O接口及其它辅助电路全部装在一块印刷电路板上 组成单板机 特点 结构简单 价廉应用 过程控制 数据处理产品 TP 801以Z80CPU为核心的单板机80年代各院校 微机原理 的实验机 43 3 个人计算机 多板机 把CPU 内存 I O接口芯片装在多块电路板上 各印刷板插在主机板的总线插槽上 通过系统总线连接起来 构成多板机 产品 IBMPC XT 486机 Pentium机等90年代以来各院校 微机原理 和计算机硬件的实验机 44 2 按CPU的字长分类 45 以Intel公司生产的80 x86为例 46 3 按主机装置分类桌上型 台式电脑便携型 笔记本 掌上电脑等 47 1 2 1微处理器的结构1 2 2微型计算机硬件系统 1 2微型计算机系统的总线结构 48 CPU Centralprocessingunit 计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行 实现计算机本身的自动化 构成 算术逻辑部件 ALU 累加器和通用寄存器组程序计数器 指令寄存器 译码器时序和控制部件功能 算术与逻辑运算保存少量数据对指令译码及执行规定的操作和存储器 外设交换数据提供系统定时及控制响应中断请求 1 2 1微处理器的结构 49 50 51 1 2 2微型计算机硬件系统 52 1 基本结构 53 2 总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线微机中各功能部件之间的信息通过总线传输 54 按信号的作用 总线分为三类 地址总线 数据总线 控制总线 55 地址总线AB AddressBus 单向用来传送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AB 56 地址总线的条数决定CPU的寻址能力 10根 21010241K20根 2201024K1M32根 23222 2304G36根 23626 23064G 57 数据总线DB DataBus 双向用来在CPU与存储器 I O接口之间进行数据传送 数据总线DB 58 数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度 8根 一次传送8位数据16根 一次传送16位数据32根 一次传送32位数据64根 一次传送64位数据 59 控制总线CB ControlBus 用于传送各种控制信号 有的是CPU发出 如读控制信号 写控制信号 有的是发向CPU 如外设向CPU发出的中断申请信号 60 3 内存内存是存储程序和数据的部件 由地址译码器 内存单元等构成 CPU 内存结构示意图 61 4 外设和输入 输出接口 I O接口 外设的电信号 运行速度与CPU不匹配 不能与CPU直接相连 必须通过I O接口与CPU相连 62 I O接口结构示意图 CPU通过对I O端口进行读 写操作 实现对外设的控制 63 5 微机的工作过程计算机的工作原理是 存储程序 程序控制 64 取指令执行指令 微机的工作过程分两阶段 65 取指令阶段 CPU读内存操作 地址经地址寄存器 地址总线 地址译码器 选中指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号 指令从内存 数据总线 数据暂存器 指令寄存器 指令译码器对指令进行译码 由IP给出指令在内存的地址 标志寄存器 地址总线AB 程序数据 数据总线DB 控制总线CB 地址译码器 指令1指令2指令3指令4 数据1数据2数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地址寄存器 指令指针寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运算器 IP 66 67 不同的指令 CPU的具体执行过程不同 CPU可执行的操作通常有数据传送 算术逻辑运算等等 当一条指令需要从内存或I O端口取得或存放数据时 CPU在执行阶段 需对指令指定的内存单元或I O端口进行读 写操作 68 例指令1 将寄存器R1与R3的内容相加 结果存在R3中 指令1在CPU内部即可完成 69 例指令2 将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中 指令2的执行阶段包括一个到内存取数 即读内存 的过程 70 例指令3 将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中 指令3的执行阶段包括一个向内存存数 即写内存 的过程 71 当一条指令取走后 指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址 这样 当一条指令执行后 又进入取指令阶段 如此不断的重复 72 取指令 执行指令 取指令 执行指令 微机的工作过程 73 主机 显示器 音