级微机原理微型计算机概论.ppt

1,微机原理,Email:ykchen2010年8月,2,教学目的与方式,本课程讲授方式将计算机组成原理、微型计算机原理、8086汇编语言程序设计合在一起讲，讲授顺序及章节独立编排讲授内容根据物理系课程设置做适当增加，以保证与前导课程的衔接和知识体系的完备性汇编语言程序设计实验下学期与“接口技术”一起进行本课程的目的理解微处理器的内部结构和工作原理深入理解微型计算机系统的组成和工作原理具有汇编语言程序设计的初步能力掌握常用接口芯片的使用方法对微机当前的发展动向和水平有明确的概念,3,教学内容,课程总学时：54，学分：3内容80 x86微处理器体系结构（组成结构、寄存器组织）80 x86指令系统与汇编语言程序设计微型计算机系统组织（CPU与其他部件的连接时序、总线）接口组织根据教学情况，讲授一部分，其余部分在下学期“接口技术”课程中讲,4,教材,教材：“微型计算机技术”，孙德文，高教出版社主要参考书戴梅萼等编，“微型计算机技术及应用”，清华大学出版社戴梅萼编，微型计算机技术及应用习题与实验题集，清华大学出版社王正智编著，宏汇编语言程序设计教程，电子工业出版社教育部考试中心编，全国计算机等级考试-三级A类教程，高等教育出版社其他有关参考书及参考资料自由选择,5,成绩考核,期末考试：70（闭卷）期中测验：20平时作业、考勤：10作业考察理解与综合应用能力，要求独立完成，不能抄袭随机考勤5次，3次缺席，取消考试资格学习参考资料来源：教材、参考书、Internet,6,第一章微型计算机概论,7,电子计算机,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电子计算机的发展电子管计算机（VacuumTubes）晶体管计算机（Transistors）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：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机,8,9,10,11,12,13,微处理器,CPU=运算器+控制器微处理器=CPU+寄存器CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的部件，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成把CPU和一组称为寄存器（Registers）的特殊存储器集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器（Microprocessor）Intel8080,8085;Intel8086,80286,80386,80486;Pentitum,PentiumII(P6),PentiumIII,PentiumIV.ZilogZ80;Z8000;Z80000.MotorolaMC6800(8位),MC68000（16位）,MC68020(32位)PowerPC620(64位),14,15,16,17,18,19,1.Moore定律：“晶体管的大小将以指数速率变小，而集成到芯片上的晶体管数目将1824个月翻一番。”GordonMoore，1965*GordonMooreInter公司的创始人，著名半导体科学家。,20,现代计算机以大规模，超大规模集成电路为基本物理构件。标志集成电路水平的是它的集成度和电路速度。发展到现在，计算机运算速度已达到每秒数万亿次，单片集成度达到数亿只晶体管，能耗不断降低，运行速度不断提高，单片CPU主时钟频率达数G，线宽已接近70nm，逐渐趋近了物理线性极限，量子效应将凸现出来，集成度的提高很快就会遇到量子效应这个约束。,21,微型计算机,以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机（Microcomputer）。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。,22,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（MicrocomputerSystem）。软件分为系统软件和应用软件两大类。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机,23,常见的微型计算机系统,24,微机系统的组成,25,微型计算机的相关术语（1）,字长：指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、32位和64位等等。8088称为准16位微处理器，而80386以上称为32位微处理器。,26,微型计算机的相关术语（2）,主频：也称为时钟频率，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和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。,27,微型计算机的相关术语（3）,MIPS（MillionsofInstructionPerSecond）MIPS用来表示微处理器的性能，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,28,微型计算机的相关术语（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0.04m。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，目前的CPU集成度已经达到十亿个晶体管，集成度提高了50万倍。,29,微型计算机的发展,第一代：4位机1971年，Intel4004，寻址空间为4096个半字节,指令系统包括45条指令第二代：8位机8008、Z80、M6800、AppleII1972年，8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz第三代：16位机8086（8088）、IBM-PC，80286、IBM-PC/AT1978年，8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列1979年，8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。8088称为准16位微处理器（内部16位，外部8位）。1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。,30,微型计算机的发展（续）,第四代：32位机80386、80486、PentiumPro、PentiumIIV、32位PC机、Macintosh、PS/21985年，80386采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。1996年，P6采用0.6m-0.18m工艺，集成度550万-750万晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令第五代：64位机Itanium，E2K等,31,1978年80862.9万（3万）1982年8028613.5万1985年8038632万1990年80486120万1993年Pentium320万1996年PentiumPro550万1997年2月PentiumII750万，300MHz1999年PentiumIII2000年(4季度)PentiumIV4200万，1.4GHz(0.18um工艺)假若Moore定律能再持续20年.其他新型技术，如激光计算机。从计算机结构及信息理论方面，“非冯结构”（神经网络仿人脑的思维和记忆模型），更便于处理某些智能型问题。,32,说明：80286以后的CPU新增了总线部件、存储器管理部件、浮点运算部件等，采用RISC技术、超标量流水线技术、高速cache、分支预测、多媒体增强（MMX）技术、动态执行（指令流分析、预测）技术等新型技术，使得CPU性能大为提高，但在原理上是完全一致的，所以，课程讲授内容以8086为主。后续CPU系列的有关内容作为扩展知识，留给同学自学（作为一般了解，不是必修内容）。,33,微型计算机的典型应用,数值计算、数据管理、信息处理通用微机要求功能强、使用方便过程控制、智能化仪器仪表、数据通讯专用微机：单片机（MCS51等）、单板机（Z80）、工控机要求可靠性高、实时性强应用程序相对简单、数据处理量较小,34,智能计算机是指具有人工智能特征的，能够进行逻辑思维的，运行速度极快的并行计算机。它应具有支持高度并行计算和逻辑推理的硬件和处理知识信息的软件系统。具有学习能力，联想记忆能力、高速推理能力、寻找优化解的能力，它主要研究问题的求解，感知，推理，执行，学习，优化这些方面的课题，这是目前计算机的一个前沿研究方向。由于光具有速度快，信息量大，并行处理性好的特点，人类很早就有光计算机的设想，并大力开发，90年代光电子集成电路问世，近年发展很快，许多科学家正在这个前沿课题努力寻求突破，这一发展方向具有广阔的前景。,35,生物计算机是另一个更为诱人的前沿课题，其思想是：利用血红蛋白做逻辑电路，用DNA作存储器，基本原理和功能实验已经完成。一旦生物计算机研究成功后，它的元件密度将比人脑的神经元密度高100万倍，速度比人脑思维快100万倍，体积只是电子芯片的10万分之一，更重要的是，它具有生物活性，可以直接植入人体，并与人体神经系统和大脑有机地连接在一起，直接接受人类脑电波的指挥，成为人脑的一部分，而且直接从人体细胞中吸取营养作为运行的能量，不用外加能源。这是一个神奇而充满着无限可能性的科学领域。,36,微机的组成部件,37,微型计算机(主机)的基本结构,“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”,38,CPU功能,算术逻辑运算指令译码、执行数据暂存与MEM、I/O交换数据提供整个系统所需的定时和控制响应中断请求,39,总线,微型计算机的各个部件之间通过三组不同的总线相连数据总线（DataBus-DB）-双向地址总线（AddressBus-AB）-单向控制总线（ControlBusCB）-双向总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。总线不仅仅是一组传输线，它还包括与数据传输有关的控制逻辑。所以，在一个计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。,40,总线结构,4