计算机原理第一章ppt课件

.,1,计算机原理与应用,马永锋mayongfeng讲义：,北京理工大学电子工程系,.,2,课程概述,目标计算机原理与应用是非计算机专业工科学生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，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。非计算机专业的角度；内容简介与举例；与最新技术的差距大，重点是原理、方法和应用；对后续学习、科研的作用；,.,3,特点软件与硬件结合；理论与实践结合；具体与抽象结合；学习方法课堂学习；课后作业；认真实验；及时答疑；了解课程性质、特点、学习方法，尽快入门！与其它课程对比，与汇编语言的联系；考试:平时考勤作业10%+实验20%+闭卷考试70%。,课程概述,.,4,主要参考资料,1尹建华微型计算机原理与接口技术（v2）2戴梅萼，史嘉权微型计算机技术及应用3蒋本珊计算机组成原理4芯片数据手册HennessyandPattersonComputerArchitecture-AQuantitativeApproach4thedComputerOrganizationandDesignTheHardwareSoftwareInterface3rdEd,.,5,教学内容,第一章微型计算机系统概论（1）第二章微处理器的结构与工作原理（2）第五章存储器及其接口技术（5）第六章微型计算机输入输出接口技术（6.16.3）第七章常用可编程接口芯片及其应用（8.3/8.2）第八章中断技术及控制芯片（6.46.5）第九章DMA技术及控制芯片（8.4）第十章串行通信技术（9）第十一章微型计算机总线（7）第十二章模拟接口技术（10）,括号内为对应教材章节,.,6,实验内容,实验1基于并行接口的键盘控制（并行接口8255）实验2利用中断方式设计数字时钟（中断技术8253）实验3串行通信（串行通信8250）实验4AD和DA转换器（模/数、数/模转换）,.,7,第一章微型计算机系统概论,1.1微型计算机概述1.1.1微型计算机的发展1.1.2微型计算机的常用术语1.2微型计算机的基本组成1.2.1微型计算机的三个层次1.2.2微型计算机的硬件组成1.2.3微型计算机的硬件结构1.3微型计算机的工作原理,.,8,1.1微型计算机概述,计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的-ENIAC电子计算机。,1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学莫奇来（Mauchly）博士和他的学生爱克特（Eckert）设计以真空管取代继电器的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分器与计算器），用来计算炮弹弹道。用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大）。它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。,.,9,1.1微型计算机概述,.,10,1.1微型计算机概述,1948年，贝尔实验室研制出晶体管。1958年，得克萨斯仪器公司发明了集成电路。电子计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机大规模/超大规模集成电路计算机；电子计算机按其性能分类：巨型计算机，大型计算机，中型计算机，小型计算机，微型计算机：应用广泛；,.,11,1.1微型计算机概述,1948年，贝尔实验室研制出晶体管。1958年，得克萨斯仪器公司发明了集成电路。电子计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机大规模/超大规模集成电路计算机；电子计算机按其性能分类：巨型计算机，大型计算机，中型计算机，小型计算机，微型计算机：应用广泛；,.,12,1.1微型计算机概述,微型机其工作原理，与其它几类计算机并没有本质上的差别。不同的是：采用了集成度较高的器件；组成计算机硬件系统的两大核心部分运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。,.,13,1.1.1微型计算机的发展,微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的；微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。-摩尔定律软件是一种可以膨胀到充满整个容器的气体。-Nathan软件第一定律,.,14,微型计算机的发展0,第零代机械计算机（1642-1945）中国的算盘：成型于元朝中叶。第一台计算机器（1642）：法国科学家BlaisePascal纯机械设备、齿轮传动、手柄驱动;只能加、减法；莱布尼兹，德国数学家，还能做乘除法的机械计算机；查尔斯巴贝奇，剑桥大学数学教授，差分机、分析机；20世纪30年代后，用继电器控制计算机器；,.,15,微型计算机的发展1,第一代电子管计算机（1945-1955）ENIAC二战期间破译密码的需求；第一台电子管计算机；18000多个电子管、1500个继电器、重30t、耗电140kW；冯诺依曼二进制计数；将程序用数字形式表示，和数据一起存储；现代计算机的基本结构；此时，IBM还是热衷于制造打孔机的小公司,.,16,微型计算机的发展2,第二代晶体管计算机（1955-1965）1948年，贝尔实验室发明晶体管；JohnBardeen,WalterBrattain,WillianShockely1956诺贝尔物理奖MIT林肯实验室推出TX系列晶体管计算机；DEC公司推出PDP-1计算机；IBM开始统治计算机领域；,.,17,微型计算机的发展3,第三代集成电路计算机（1965-1980）1958年，TI公司杰克基尔比（JackKilby）发明硅集成电路；1958年，RobertNoyce发明硅集成电路；发明集成电路创办仙童半导体公司创办Intel公司IBM占据领头位置IBM360系列机,1971年：Intel4004，是世界上第一片单片微处理器,.,18,INTELCPU系列,1971年Intel4004,1972年Intel8008,ZilogZ80,.,19,微型计算机的发展4,第四代超大规模集成电路计算机（1980-？）IBM开始采用8088作为处理器；INTEL8080/8086/8088主流处理器；IBM采用微软公司的MS-DOS操作系统；INTEL1985年推出386，体系结构的创新；1980s中期，RISC体系开始取代CISC；1990s，超标量计算机出现；,.,20,INTELCPU系列,1978年8086,.,21,INTELCPU系列,1982年：80286,1985年：8038632位,1989年：80486,.,22,INTELCPU系列,奔腾系列,.,23,微型计算机的发展5,第五代无所不在的计算机人工智能？微缩计算机？UbiquitousComputing无所不在的计算PervasiveComputing普适计算嵌入式设计、软硬件协同设计不代表新结构的产生，而是应用的创新；从一次性计算机（RFID）到工作站群集、大型机。云里云计算，雾里物联网。,.,24,现代数字计算机发展里程碑,.,25,INTELCPU系列,.,26,微型计算机的发展方向,从单处理器向多处理器发展80486有一个定点处理器，一个浮点处理器；Pentium有二个定点处理器，一个浮点处理器；PentiumPro有四个定点处理器，二个浮点处理器;指令系统由复杂指令系统向精简指令系统发展复杂指令系统（CISCComplexInstructionSetComputer）精简指令系统（RISCReducedInstructionSetComputer）Intel80486以上均支持精简指令嵌入式处理器应用前景广阔单片机；ARM；PowerPC；DSP数字信号处理器。微电子、存储、网络的发展,.,27,1.1.2微型计算机的常用术语,（1）位和字节位（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BK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。,.,28,微型计算机的常用术语,（2）字和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。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。在Intel系列计算机中，一个字为2个字节，16bit。,.,29,微型计算机的常用术语,（3）主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，如酷睿CPU主频3.4GHz。主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz、GHz。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称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。,.,30,微型计算机的常用术语,（4）MIPSMIPS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；主频为200MHz的C6201的性能为1600MIPS。,.,31,微型计算机的常用术语,（5）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、nm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。目前酷睿微处理器的生产工艺已经达到22nm。功耗、发热是大问题。（6）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。,.,32,1.2微型计算机的基本组成,1.2.1微型计算机的三个层次微处理器微型计算机是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机（又称主机）。（将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。）微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。,.,33,1.2微型计算机的基本组成,.,34,1.2微型计算机的基本组成,1.2.2微型计算机的硬件组成微型计算机硬件系统组成：（1）微处理器（2）存储器（3）输入/输出子系统（4）系统总线,.,35,微型计算机的硬件组成,.,36,微型计算机的硬件组成,.,37,（1）微处理器,微处理器主要用途是产生时序控制信号、指令译码、执行算术运算和逻辑运算等，一般主要由以下几部分组成。运算器：算术逻辑单元ALU；控制器：指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路；内部寄存器组：累加器、数据缓冲寄存器、地址缓冲寄存器、程序计数器、状态标志寄存器、通用寄存器组、暂存器等；输入输出控制逻辑；微处理器外部一般采用三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。,.,38,累加器和算术逻辑运算部件,累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术（/）和逻辑（与/或/非/异或）运算。ALU有2个输入端和2个输出端一端接收由累加器送来的一个操作数；另一端接收数据总线上的第二个操作数；参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算；运算结束后，将结果送至累加器；操作结果的特征状态送标志寄存器。,.,39,累加器,累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同；累加器具有输入输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算；所有运算的数据都要通过累加器，累加器在微处理器中占有很重要的位置。,.,40,通用寄存器组,.,41,控制器,指令寄存器IR(InstructionRegister)用来存放当前正在执行的指令代码；指令译码器ID(InstructionDecoder)用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号；时序逻辑产生出各种操作电平、不同节拍的信号、时序脉冲、中断操作等执行此条命令所需的全部控制信号。,.,42,内部总线和总线缓冲器,内部总线把CPU内各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传送。分为：内部数据总线和地址总线通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。,.,43,（2）存储器1,内部存储器，简称内存或主存，指CPU可以通过地址直接读写的那些存储单元，存放当前要执行的程序和要处理的数据。分为：RAM随机存取存储器：SRAM、DRAM；ROM只读存储器：PROM、EPROM、EEPROM；CACHERAM；外部存储器，简称外存，硬盘、软盘、磁带、光盘。其中硬盘接口的作用是将硬盘中的数据传输到主机内存或其他应用系统中。典型的硬盘接口有：IDE（IntegratedDriveElectronics)；SCSI（SmallComputerSystemInterface)；SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment）；,.,44,存储器2,CPU,Cache,主存,辅存,海存,内存,外存,与CPU连接,.,45,存储器3,所有的存储单元和I/O寄存器总是以字节为单位，每个字节都有与之相联系的辨识地址。地址是由多位组合而成，所有可能的组合，形成了一个地址空间。地址线的多少决定了地址空间的大小，假设地址为n位宽，那么将有2n个地址（即02n-1），假设有20根地址线，则占有的存储容为220=1MB；,.,46,（3）输入/输出单元,实现微处理器与外设之间的信息交换，实现二者之间的速度匹配、信号电平匹配、信号格式匹配、时序控制、中断控制等。常用的输入输出接口芯片主要有：缓冲器：74LS244、74LS245；锁存器：74LS373；可编程中断控制器8259A；可编程计数器/定时器8253；可编程并行/串行接口芯片8255A/8250A；DMA控制器8237A模/数和数/模转换器；,.,47,（4）系统总线,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。总线标准有以下四个特性：物理特性：指总线物理连接的方式。功能特性：描写这一组总线中每一根线的功能。包括：地址总线、数据总线和控制总线。电器特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：定义每一根总线上的信号在什么时候有效。,.,48,系统总线,按照传送的信息类型和功能可将总线分为：地址总线AB（AddressBUS）地址总线是专门用来传送地址信息的总线，一般为单向传送，即由MPU发出。数据总线DB（DataBUS）数据总线用于传送数据，具有双向传送功能。控制总线CB（controlBUS）控制总线用于传送各种控制信号。总线上的信号必须与总线相连的各个元件产生的信号相一致。,.,49,1.2.3微型计算机的硬件结构,（1）冯诺依曼结构：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式；控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程,.,50,微型计算机的硬件结构,冯诺依曼结构,约翰冯诺依曼（JohnvonNeumann，19031957），20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论和核武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被称为“计算机之父”和“博弈论之父”。,.,51,微型计算机的硬件结构,（2）哈佛结构与改进的哈佛结构：利用相互独立的存储器模块分别存储指令和数据，以便实现并行处理；具有独立的程序总线和数据总线，可以同时取指令和操作数，提高了处理速度。改进的哈佛结构增加了可以混合存放数据和指令的存储模块。,哈佛结构,.,52,微型计算机的硬件结构,.,53,微型计算机的硬件组成,.,54,1.3微型计算机的工作原理,微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行