微型计算机第一章课件资料

2020年4月8日 西南民族大学电气信息工程学院 计算机原理与接口技术西南民族大学电信学院授课教师 杜诚联系方式mail duch stu 2020年4月8日 教材 微型计算机原理与接口技术 杜诚西南交通大学出版社2002年参考书微型计算机技术及应用 从16位到32位第二版戴梅萼等清华大学出版社1996年从8086到PentiumIII 微型计算机及接口技术马维华等科学出版社2000年微型计算机系统原理及应用第三版上册周明德清华大学出版社1998年 2020年4月8日 1 课程性质及教学目的 微型计算机原理 是工科计算机及其相关专业的一门重要的专业技术基础课程 本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用 学会运用汇编语言进行程序设计 树立起计算机体系结构的基本概念 为后继的软 硬件课程做好铺垫 课程简介及要求 2020年4月8日 2 课程教学安排教学参考学时 60学时考试形式 笔试 2020年4月8日 第一章概述 2020年4月8日 1946年2月 美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机 埃尼阿克 ENIAC 即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator 电子数字积分计算机 重量30吨 占地176平方米 每小时耗电150千瓦 价值约40万美元 采用18000只电子管 70000个电阻 10000支电容 研制时间近三年 运算速度为每秒5000次加减法运算 ENIAC的不足 运算速度慢 存储容量小 全部指令没有存放在存储器中 机器操作复杂 稳定性差 2020年4月8日 2020年4月8日 计算机的基本结构 2020年4月8日 冯 诺依曼体系结构 VonNeumann 程序和数据计算机中用二进制数表示 计算机的工作过程是由存储程序控制的 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备所组成 2 计算机的发展 2020年4月8日 桌上型 台式电脑便携型 笔记本 掌上电脑等 2020年4月8日 2020年4月8日 2020年4月8日 主板 2020年4月8日 采用875芯片组的主板 Socket478插槽 AGP插槽 PCI总线插槽 北桥芯片 南桥芯片 DDR内存插槽 鼠标 键盘 USB 2020年4月8日 CPU 8088CPU 2020年4月8日 CPU 2020年4月8日 蓝宝石X1950PRO显卡 2020年4月8日 金士顿512MBDDR400 2020年4月8日 希捷160GB 酷鱼 2020年4月8日 外设及输入输出接口 2020年4月8日 根据电子元器件不同分类 第一代 1946年至1958年 电子管 几千次 秒 处理信息的位数 位第二代 1958年至1964年 晶体管 几十万次 秒 处理信息的位数 位第三代 1964年至1972年 小规模集成电路 几百万次 秒 处理信息的位数16位第四代 1972年代中期以后 大规模 超大规模集电路 上亿次 秒 处理信息的位数32位 2020年4月8日 3 计算机的发展趋势 1 多极化 微型化和巨型化 2 网络化 如银行系统 商业系统 交通运输系统等 3 多媒体化 文本 图形 声音 图象等信息的载体4 智能化 具有人的某些智能处理 进行 看 听 说 想 做 具有逻辑推理 学习与证明的能力 智能化研究领域很多 其中最有代表性的领域是专家系统和机器人 5 嵌入化 在汽车电脑 智能电话等移动环境以及INTERNETTV SET TOPBOX等家庭环境中的应用 2020年4月8日 1 1 2微型计算机主要性能指标 微处理器的性能指标基本上确定了由其组成的微机的功能 描述微处理器的性能 通常用到下面的一些概念 1 CPU类型CPU类型是指微机系统所采用的CPU芯片型号 它决定了微机系统的档次 2020年4月8日 各类微处理器的字长不同 例如有四位的 八位的 十六位的 三十二位的等 字长长 位数多的机器处理的精度和速度都更高 因此 字长是微处理器最重要的指标之一 2 字长微处理器的字长是指它在交换 加工和存放信息时 其信息位的最基本的长度 它决定一次传送的二进制的位数 2020年4月8日 一个16位的数 对八位微处理器 需进行二次传送处理 而对十六位的微处理器则需一次 这就是字长长的机器在处理速度上带来的优越性 字长由微处理器对外数据通路的数据总线的条数决定 同时字长又确定了微处理器的内部结构 现代的CPU为了提高内部运算能力 加宽了内部数据通道的宽度 使得内部字长和对外数据总线宽度不一致 2020年4月8日 3 时钟频率和机器周期 称为16位的微处理器 是指数据总线条数和内部结构均为16位 而对外数据总线只有8条的16位内部结构又称为准16位机 时钟频率又称主频 它是指CPU内部晶振的频率 常用单位为兆 MHz 它反映了CPU的基本工作节拍 一个机器周期由若干个时钟周期组成 在机器语言中 使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度 2020年4月8日 4 运算速度处理器完成一件具体任务所需的指令叫做程序 执行程序所花的时间就是完成该任务的时间指标 时间愈短 机器速度愈高 为了衡量微处理器的速度 选用实现同一操作的指令寄存器的加法指令作为基本指令 它的运行时间就作是基本指令执行时间 基本指令执行时间由时钟周期及所用时钟周期数决定 单位有MIPS 每秒百万条指令 MFLOPS 秒百万条浮点指令 2020年4月8日 为了衡量微处理器的速度 将选用实现同一操作的指令寄存器加法指令作为基本指令 它的执行时间就作为基本指令执行时间 基本指令执行时间由时钟周期及所用时钟周期数决定 基本指令执行时间愈短 表示微处理器工作速度愈高 现代CPU的运算速度以主频的大小衡量 2020年4月8日 5 存取速度是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间 称为存储器的存取时间或访问时间 而连续启动两次写操作所需间隔的最短时间 称为存储周期 2020年4月8日 6 访存空间访存空间是指由该微处理器构成的系统所能访问 Access 的存储单元数 此单元数是由传送地址信息的地址总线的条数决定的 八位微处理器有16条地址总线 所能编出的地址码有216 65536种 即由它区分的存储空间就有65536个单元 2020年4月8日 计算机中常称1024为1K 因此把65536简称为64K单元 十六位微处理器有20条地址线 访存空间为 220 1048576 1024K 比之八位机大16倍 计算机中常用字节 页面 KB MB GB TB表示存储量 2020年4月8日 2020年4月8日 一 微处理器 Microprocessor简称 P或MP 原来体积很大的中央处理器CPU的复杂电路 包括运算器和控制器做在一片或几片大规模集成电路的芯片上 把这种微缩的CPU大规模集成电路称为微处理器或微处理机 其职能是执行算术 逻辑运算和控制整个计算机自动地 协调地完成操作 1 2计算机的基本结构和工作原理 2020年4月8日 这种微缩CPU的芯片尺寸只有十几到几十平方毫米大小 Intel公司于1971年首先制成了第一种微处理器4004 同年研制成由4004组成的第一台微计算机 2020年4月8日 Intel4004和采用4004的计算器 2020年4月8日 二 微计算机 Microcomputer简称 C或MC 一块 P片子不可能具有一台完整的计算机的功能 它只是计算机中核心的运算器和控制器 因此 必须配上其它的片子 如随机存储器 只读存储器 输入和输出接口电路 以及其它一些辅助电路 如发生器 各类译码器 缓冲器等 这些片子通过一定的联系围绕 P有机地连在一起 才能构成一台微计算机 起到计算机的作用 2020年4月8日 所谓 微计算机就是以微处理器为核心 配上大规模集成电路的随机存储器RAM 只读存储器ROM 输入 输出接口以及相应的辅助电路而构成的微型化的计算机装置 三 微处理器系统 MicroprocessingSystem简称 PS或MPS 微计算机有它独自的特点 它不象小型和大型计算机那样 完全是由计算机生产厂家组装计算机系统 2020年4月8日 提供用户使用的 微计算机由于是由大规模集成电路片子构成 用户则可以根据不同的用途 选购某种微处理器为核心和相应数量的系列大规模集成电路 自行设计 装配成满足需要的特殊微计算机装置 用户也可在选购生产厂家生产成一定规模的微计算机后 再自行设计特殊需要的部分以构成某种特殊用途的系统 我们称这种以微处理器为核心构成的某种特殊用途的系统为微处理器系统 PS 微处理器系统和外部世界的联系更加广泛 在结构上更具有灵活性 2020年4月8日 2020年4月8日 1 2 2微计算机系统的组成 计算机的基本组成部分是 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五个部分 系统总线是各部件之间传送信息的公共通道 包括地址总线AB 数据总线DB和控制总线CB 2020年4月8日 2020年4月8日 2020年4月8日 1 2 3冯 诺依曼型计算机原理 电子计算机共同遵循的计算机结构原理和程序存储及程序控制的原理 1945年由冯 诺依曼提出 故称为冯 诺依曼型计算机原理 冯 诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了 程序存储 的概念 他的全部设计思想 实际上是对 程序存储 要领的具体化 2020年4月8日 根据冯 诺依曼的设计 计算机应能自动执行程序 而执行程序又归结为逐条执行指令 执行一条指令又可分为以下4个基本操作 取出指令 分析指令 执行指令 为执行下一条指令作好准备 即取出下一条指令地址 2020年4月8日 8086 8088微处理器 取指和执行可以重迭 大大减少了等待取指所需的时间 提高CPU的利用率 重迭操作技术 一方面提高了整个执行速率 另一方面降低了与之相配的存储器的存取速度 2020年4月8日 补充 微处理器的产生和发展 以大规模集成电路工艺和计算机技术为基础的微处理器和微计算机的问世是计算机发展史上的新的里程碑 标志着计算机步履了前三代 电子管一晶体管一中小规模集成电路 的演变 而进入第四代 微处理器和微计算机的发展速度异乎寻常 大约每隔2 4年换代一次 这种换代通常是按CPU字长位数和功能来划分的 2020年4月8日 以字长和典型的微处理器芯片作为微型计算机发展的标志 那么微机从1971年至今已经历了六个阶段 第一阶段 1971 1973 主要产品是4位和低档8位微型计算机 1971年4004诞生后 改进为4040 1972年公司研制出8位微处理器芯片8008 8008采用PMOS工艺 基本指令48条 基本指令周期为20 50us 时钟频500kHz 集成度每片约3500个晶体管 2020年4月8日 第二阶段 1974 1977 主要产品为中 高档8位微机 中档机有Intel公司的8080等 高档 位机 1975 1977 有Intel公司的8085等 以8086为例 它采用NMOS工艺 基本指令70多条 指令周期2 10us 时钟频率 MHz 能够访问216 64KB 个存储单元 集成度每片约6000个晶体管 2020年4月8日 第三个阶段 1978 1984 各公司相继推出一批16位的微处理器芯片 如Intel公司推出X86系列第一代产品8086 8088 8086采用HMOS工艺 其集成度达到每片约2 9万晶体管 基本指令执行时间约0 5us 第四阶段 1985 1992 1985年Intel公司首次推出32位微处理器芯片80386 它拥有32位数据线和32位地址线 集成度达到每片27 5万晶体管 每秒钟可以完成600万条指令 MIPs 2020年4月8日 同期 其他一些微处理器生产商业推出了80386系列的芯片 80386按工作时钟频率的不同可分成16MHz 20MHz 33MHz 40MHz等 按内部结构的差异可分成80386SX 80386DX等 80386采用总线速度不同的分级总线结构 使微机整体性能的到进一步提高 2020年4月8日 第五阶段 1993 1996 主要是奔腾系列产品时代 1993年 Intel公司发布奔腾芯片 集成度达到每片310万晶体管 速度达到100MIPS 它拥有32位寄存器 64位数据总线 内置16KB超高速缓存和高性能浮点处理单元 第六阶段 1997年至今 1997年Intel公司将MMX多媒体技术用于PentiumPro 推出了Pentium 芯片 不同厂商的微处理器内部结构开始出现较大的差异 80X86系列处理器参见P3表1 2020年4月8日 8008 8085 2020年4月8日 8086 2020年4月8日 80286 intel最后一块16位cpu 2020年4月8日 80386 intel第一代32位cpu 486 这是intel最后一代以数字编号的cpu 2020年4月8日 pentium 传说中的586 pentiumpro pentiummmx 2020年4月8日 pentium celeron 引发超频热潮 2020年4月8日 pentium katmai pentium Intelpentium tualatin coppermine 2020年4月8日 intelpentium 423 intelpentium 478 2020年4月8日 微型计算机系统的组成图 2020年4月8日 1 3微型计算机的数据存储和表示 1 3 1数据存储 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 字节是指相邻的8个二进制位 计算机中存储器单元的容量 内容 用字节表示 字节作为单位时记作B 2020年4月8日 基本数据类型为字节 字 双字 四字 基本数据类型 长度 位 Bit 字节 Byte 字 Word 双字 Doubleword 四字 Quardword 2020年4月8日 1Byte 8Bits1Word 2Bytes1Doubleword 2Words 4Bytes1Quardword 4Words 8Bytes 数据在计算机中存放的原则 低地址放低字节 高地址放高字节 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0