微机原理精第一章ppt课件

.,1,微型计算机原理,我：王锋办公室:6309Cellphonemail：wfmailPulicEmail：wjylcoursePassword:weijiyuanli,.,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目的：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,教材王忠民主编，微型计算机原理，西安电子科技大学出版社,课程情况教学：46学时实验：8学时总成绩考试成绩实验成绩平时成绩,参考书目,郑学坚.微型计算机原理及应用.清华大学出版社.钱晓捷,陈涛.16/32位微型计算机原理及接口技术（第二版）.机械工业出版社，2005.,共54学时,.,4,课程框架结构和学习特点,一、课程体系结构,8086系统结构,CPU内部结构和工作原理,寻址方式和指令系统,编写程序的基础,程序设计,汇编程序设计方法,存储器,存储芯片的使用方法,接口芯片,接口芯片的原理及应用,.,5,课程框架结构和学习特点,二、学习特点,1、特点：,涉及概念多，整个体系结构比较复杂硬、软结合来学习，汇编语言不好掌握全部由大规模集成器件组成，具有相当的不透明性，接口技术应用面广，又涉及到许多相关知识,2、要求：,课前预习，课后复习有问题及时解决，切勿堆积多交流，多讨论独立完成作业和实验,.,6,内容提要,Chp1.微型计算机系统导论,计算机的发展概况微型计算机硬件系统微型计算机软件系统微型计算机的工作过程,.,7,1.1计算机的发展概况,一、计算机的发展简史,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（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。,装有18,000个电子管，总重量达30吨，运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。,.,8,1.1计算机的发展概况,一、计算机的发展简史,第一代计算机：电子管计算机1946年以电子管为逻辑元件第二代计算机：晶体管计算机1954年以晶体管为逻辑元件第三代计算机：集成电路计算机1964年以中、小规模集成电路为逻辑元件第四代计算机：大规模集成电路计算机1970年以超大规模集成电路为逻辑元件第五代计算机：智能计算机（非冯.罗依曼机）,计算机发展经历五代,微型计算机是第四代计算机的典型代表,.,9,1.1计算机的发展概况,第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）第二代微处理器：1973年（8位微处理器）第三代微处理器：1978年（16位微处理器）第四代微处理器：1985年（32位微处理器）第五代微处理器：2001年（64位微处理器）,.,10,1.1计算机的发展概况,一、微型计算机的发展,第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）,典型产品：Intel4004（71年，4位微处理器）Intel8008（72年，8位微处理器）特点：工艺：PMOS集成度：2300只晶体管片时钟频率：小于1MHz平均指令执行时间：10-15s采用机器语言编程。,1.1计算机的发展概况,一、微型计算机的发展,第二代微处理器：1973年（8位微处理器）,典型产品：Intel8080（1973年），MotorolaMC6800（1974年），ZilogZ80（1975年），Intel8085（1976年）特点：,工艺：NMOS集成度：4500只晶体管片时钟频率：l-4MHz平均指令执行时间：1-2s有中断和DMA等功能，指令系统相对完善，并具有汇编语言和高级语言（BASIC、FORTRAN语言）的（单用户）操作系统,Intel8008,1.1计算机的发展概况,一、微型计算机的发展,第三代微处理器：1978年（16位微处理器）,典型产品：Intel8086（1978年）ZilogZ8000（1979年）Motorola68000（1979年）Intel80286（1983年）Motorola68010（1983年）特点：,工艺：HMOS集成度：2万-7万只晶体管片时钟频率：4-25MHz平均指令执行时间：0.5s具有丰富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，数据库管理系统和多种高级语言，性能超过了70年代的中低档小型机水平。,Intel8086,1.1计算机的发展概况,一、微型计算机的发展,第四代微处理器：1983年（32位微处理器）,典型产品：ZilogZ80000（1983年），Motorola68020（1984年），Intel80386（1985年），Intel80486（1989年）Motorola68040（1989年）Pentium:奔腾，PentiumMMX,特点：,工艺：CHMOS集成度：15万-50万只晶体管片时钟频率：16-100MHz平均指令执行时间：0.1s其中，80386CPU数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高达4G字节，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。有快速局部总线，有一套支持的配件。,.,14,Intel80386,Intel80486,Pentium,PentiumMMX,PentiumPRO,.,15,1.1计算机的发展概况,一、微型计算机的发展,第五代微处理器：2001年（64位微处理器）,Itanium（安腾），2001年5月发布采用0.18微米工艺制造，工作频率为733MHz/800MHz，Itanium处理器的内部/外部数据总线及地址总线都是64位,AMD的Athlon64,.,16,什么叫双核CPU?,双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。双核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。如PentiumD，90nm工艺,.,17,Intel酷睿i5750(盒)45nm工艺，四核，主频2660MHz,AMD羿龙IIX496545nm工艺，四核，主频3400MHz,.,18,X86系列微型计算机的发展小结,代,字长,型号,工艺,集成度,(,万个,),主频,速度,(MIPS),1,16,8086,3,3,4,.77-10,300,芯片时间时钟DBR(位)AB寻址空间K个数(每片)技术备注808678年4.771616201MB2900个引入实模式808879年4.77816201MB2900个第一用于2BMP8028681年616162416MB13万个引入保护模式80386DX85年12.53232324096MB25万个多任务8086模式80386SX88年1616322416MB25万个8048689年203232324096125万个内含协处理器和8KB缓存奔腾93年603232324096310万个分支预测16K缓存流水线和超标量结构高能95年1503232324096550万个指令优化调度执行奔腾P797年30064643240961400万个超流指令体系结,.,19,IntelX86系列微型计算机的发展,性能功能,1972197419761978198019821985198919931995,4004,8008,8080,8085,8086,80286,80386,80486,80586,8088,80186,8096,Intel公司微处理器,奔腾,.,20,1.1计算机的发展概况,摩尔定律（MoorsLaw）1965年,微处理器的集成度每隔18-24个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍,四大定律主导网络时代贝尔定律（BellsLaw）：性能相同的计算机价格将持续下降。吉尔德定律（Gilderslaw）：网络的带宽每个月翻一番。麦特卡夫定律（MetcalfesLaw）：对网络投入N,可以收到的回报是N的平方。,.,21,1.1计算机的发展概况,二、微型计算机的特点,体积小，功耗低可靠性高，使用环境要求低系统外部芯片配套，系统设计灵活性能优良，价格低廉,.,22,1.1计算机的发展概况,三、微型计算机的应用,科学计算信息处理计算机控制智能仪器计算机通信家用电器CAD/CAM/CAl,.,23,内容提要,Chp1.微型计算机系统导论,计算机的发展概况微型计算机硬件系统微型计算机软件系统微型计算机的工作过程,.,24,区别,1.2微型计算机硬件系统,.,25,微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、微型机微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,返回,明确3个概念的区别,.,26,微处理器存储器I/O接口总线,硬件系统软件系统,微型计算机系统,微型计算机(主机),外设,ALU(运算器)寄存器控制器,软驱、硬盘、光驱,系统软件,输入设备,输出设备,键盘、鼠标、扫描仪,显示器、打印机,存储设备,应用软件,通过I/O接口与主机相连接的设备,1.2微型计算机硬件系统,.,27,一、基于总线的微型计算机硬件系统,1.2微型计算机硬件系统,微型计算机的组成：,CPU存储器输入输出接口电路系统总线,“存储程序”+“程序控制”以二进制表示数据和指令(程序)先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行,冯.诺依曼计算机的工作原理：,存储器,I/O接口,输入设备,I/O接口,输出设备,CPU,控制总线CB,I/O接口,系统总线：AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus,一、基于总线的微型计算机硬件系统,1.2微型计算机硬件系统,.,29,1、系统总线,总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组地址总线AB：传送地址信息数据总线DB：传送数据信息控制总线CB：传送控制信息,2、总线信号,地址总线AB输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等,举例,举例,.,31,Intel80 x86CPU的地址线条数,Intel80 x86地址条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MB80386324GBPentium4,返回,.,32,Intel80 x86CPU的数据线条数,Intel80 x86数据位数80861680888802861680386Pentium432,返回,累加器A,ALU,数据寄存器DR,指令寄存器IR,指令译码器ID,时序逻辑电路,时序控制信号（控制命令）,10110000,00000101,00000100,00001000,11110100,内部总线,存储器,01234,程序计数器PC,地址,地址总线,地址译码器,读写控制电路,10110000,地址寄存器AR,二、微处理器,1运算器（ALU）,运算器又称算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)，用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。,2.控制器,是全机的指挥控制中心,指令寄存器IR(InstructionRegister)：存放从存储器取出的将要执行的指令码。,指令译码器ID(InstructionDecoder)：对IR中的指令操作码进行译码，以确定该指令应执行什么操作。,可编程逻辑阵列PLA(ProgrammableLogicArray)：产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线CB送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。,3.内部寄存器阵列,程序计数器PC(ProgramCounter),也被称为指令指针IP(InstructionPointer)它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址当执行指令时，CPU将自动修改PC内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址,地址寄存器AR(AddressRegister)：,地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。,数据缓冲寄存器DR(DataRegister),数据缓冲寄存器用来暂时存放指令或数据。是CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站，用来补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上存在的差异。,指令寄存器IR(InstructionRegister),保存从存储器取出的将要执行的指令码,累加器A(Accumulator),在执行算术逻辑运算时，它用来存放一个操作数和运算结果,标志寄存器FLAGS（FlagRegister）,存放执行算术运算指令、逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态码内容以及对CPU操作进行控制的控制信息。,包括：,6个状态标志位：CF、PF、AF、ZF、SF、OF3个控制标志位：TF、IF、DF,.,37,计算机中的记忆装置用途：存放程序和要处理的各类信息（数据、文字、图像、。）内存：RAM、ROM特点：随机存取，速度快，容量小外存：磁盘、光盘、便携式、特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大,三、存储器,1.2微型计算机硬件系统,.,38,内存单元的地址和内容数据在内存中的存放规则内存容量内存的操作内存的分类,与内存有关的几个概念,.,39,内存单元的地址和内容,内存中有许多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，需要对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。,Bit76543210,*内存单元有时又称为地址单元,内存,.,40,数据在内存中的存放规则,数据在内存中从低地址到高地址顺序存放；数据位数大于8位时，高字节存放在高地址处，低字节存放在低地址处。16位数据要占用连续两个内存单元，32位数据要占用连续四个内存单元，依此类推。数据的地址是指它的最低字节所在的内存单元的地址。例如：右图显示了一个16位数据1234H在内存中存放的形式。其地址为100H。,.,41,内存容量,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B,K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，P是Peta的缩写，1P=1024T=250。,字（Word）：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。,每个字包括的位数称为计算机的字长，是计算机的重要性能指标。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。,内存容量：即内存单元的个数，以字节为单位。与CPU的地址总线宽度有关：若地址总线的宽度为n，则存储空间为2n,.,43,内存操作（读、写）,读：将内存单元的内容取出，原来的内容仍保留；写：CPU将信息放入内存单元，原来的内容被覆盖；读/写操作过程：1.CPU把要读（写）的内存单元的地址放到AB上对于读操作：2.CPU发出读命令3.内存执行读操作，将指定单元的内容读出并放到DB上4.CPU从DB上取回数据，保存到某个寄存器中对于写操作：2.CPU把要写入的数据放到DB上3.内存执行写操作，将数据写入指定的存储单元中,.,44,内存储器的分类,读写存储器（RAM）可读可写易失性，临时存放程序和数据只读存储器（ROM）工作时只能读非易失性，永久或半永久性存放信息,.,45,简写为I/O接口，是主机（CPU）与外部设备之间进行数据传输的桥梁,四、I/O接口与输入/输出设备,1.2微型计算机硬件系统,.,46,接口的功能,协调主机与外设之间的操作；匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等；缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息；,.,47,1.2微型计算机硬件系统,五、微型计算机的物理结构,.,48,PCI,ISA,1.2微型计算机硬件系统,五、微型计算机的物理结构,.,49,技嘉P965（Intel965P）,.,50,微型计算机的物理硬件,.,51,六、微型计算机的常用术语和指标,1.2微型计算机硬件系统,1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。8086为16位微处理器,.,52,2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准主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。,.,53,3MIPSMIPS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832MIPS,.,54,4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0.18m。5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。,.,55,内容提要,Chp1.微型计算机系统导论,计算机的发展概况微型计算机硬件系统微型计算机软件系统微型计算机的工作过程,.,56,软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件,操作系统计算机语言软件平台系统维护软件系统管理软件,软件,1.3微型计算机软件系统,机器语言机器语言就是0，1码语言，是微型计算机唯一能理解并直接执行的语言。汇编语言用一些助