微机原理与接口技术(版).pptVIP

1,微机原理与接口技术,大家好！,2,课程目标,掌握：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术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,计算机发展至今有这种趋势:组成越来越复杂、功能越来越强、应用越来越容易,这是建立在无数专业软件开发者艰苦努力所开发出的大量语言、软件工具基础之上,电子、信息类专业的大学生，不能停留在与普通用户一样仅会“使用”计算机的层面，而应能创造性地利用计算机的硬件、软件资源,开发、设计出高效的解决实际应用问题的系统。,要达此目的，除需学习高级语言外，还必须对计算机的组成、工作原理以及计算机与外部的信息交换方式、对外部系统的接口技术有深入的了解,本课程涉及了两大部分：,1.硬件部分：微型计算机的组成（要具体到寄存器的层次）及各部分的功能（以8086为例）,微型计算机的工作原理,微型计算机与外设间的信息交换技术及对外设的控制、接口技术、系统扩展方法,2.软件部分：,汇编语言及其程序设计（面对寄存器层次硬件的编程）,在如此深入的层面上理解计算机的工作原理，不单纯是为了知识，而是很多应用必须建立在此基础上，掌握了汇编语言编程技术才能充分利用计算机的潜力。,计算机是由各种电子器件组成的能够自动、高速、精确地进行算术运算、逻辑控制和信息处理的现代化设备，被广泛应用于科学计算、数据（信息）处理和过程控制等领域。,计算机在科学计算中的应用有以下特点：,1、完成科学计算一般用高级语言编程。,2、科学计算没有很强的实时性要求。,3、计算中需要的数据通常不是从现场实时采集的，计算结果一般也不完成对外界的控制功能，因而不需要有完成数据采集任务的输入设备，也不需要有控制功能的输出设备与其计算机相连。,计算机在信息处理和过程控制应用领域较复杂，有如下特点:,实时性要求高，则要求程序更精练，运行更快。,1、对系统的实时性要求很高,要将专用输入输出设备与计算机连接并编程控制（称为接口）,2、通常需用专门的输入设备将有关信息输入计算机，用专门的输出设备输出处理结果或对被控对象实施控制。,汇编语言编的程序比用高级语言编的效率高,仅具备高级语言编程方面的知识而不了解计算机硬件不能胜任,7,教材及实验指导书,教材：微机原理与接口技术（第3版）.冯博琴，吴宁主编.清华大学出版社实验指导书微机原理与接口技术实验指导书（讲义）陈文革，吴宁，夏秦编.西安交通大学微机原理与接口技术题解及实验指导（第3版）.吴宁，陈文革编.清华大学出版社,第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它是电子数值积分计算机(TheElectronicNumbericalIntergratorandComputer)。,引言计算机和微处理器发展概述,ENIAC用了17468个真空电子管,耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨,每秒钟可进行5000次加法运算。,计算机的发展与电子技术，特别是微电子技术密切相关。通常按照构成计算机的电子器件及其电路的变革，把计算机划分为若干“代”来标志计算机的发展。,电子管计算机（1946-1956）、晶体管计算机（1957-1964）、中小规模集成电路计算机（1965-1970）和大规模、超大规模集成电路计算机（1971-至今）。,计算机的发展已经历了哪几代?,目前，各国正研制和开发第五代“非冯诺依曼”计算机和第六代“神经”计算机。,微型计算机属于第四代计算机，它和其他计算机的主要区别在于：它的中央处理器CPU采用了超大规模集成电路技术，将CPU的各功能部件集成在一块硅片上。,20世纪70年代初期，由于微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，导致了以微处理器为核心的微型计算机的诞生。,微处理器(MicroprocessorUnit，MPU)，是微计算机中的中央处理单元(CentralProcessingUnit)，简称CPU。它是将计算机的控制逻辑和运算单元集成在一个芯片上实现的。通常，微处理器中不包含内存储器及输入/输出接口电路。内存储器是独立于CPU之外的芯片或芯片组；输入/输出接口电路也常独立地做在一个芯片上。由于输入/输出设备的多样性，使得接口电路各有特色。,从外表看，微型计算机的CPU是矩形或方形的块状物，通过众多管脚与主板相连。不过这是CPU的外衣CPU的封装。而内部，CPU的核心是一片不到1/4英寸的薄硅晶片(英文名称为die，核心)。,左边是揭了盖可以看到核心的处理器,在这小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。,微处理器和微机发展极快，几乎每两年集成度翻一番，每24年更新换代一次，现已进入第五、六代。,Intel发布的第一颗处理器4004仅包含2千多个晶体管，而前三年发布的Pentium8400EE处理器包含超过2.3亿万个晶体管，集成度提高了十万倍.,单个CPU的核心硅片大小没有增大，甚至更小了，这要求不断改进制造工艺，以便能生产出更精细的电路结构。最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，即常说的0.065微米线宽。,目前Intel正设计六核心处理器Dunnington来替代目前的45nm四核心处理器Harpertown。Dunnington在一块邮票大小的芯片内部封装了三个双核处理器核心。,Intel的65nm四核安腾处理器（Tukwila）达到20亿个晶体管。,1.第一代4位或低档8位微处理器典型产品是Intel公司1971年研制成功的4004（4位CPU）及1972年推出的低档8位CPU8008。,集成度约为2300只晶体管/片。指令系统较简单，运算能力差，速度慢（平均指令执行时间为1020s,每秒执行6万条指令）。软件主要用机器语言及简单的汇编语言编写。,这是Intel4004,2第二代中高档8位微处理器,典型产品有1974年Intel公司生产的8080，Zilog公司生产的Z80、Motorola公司生产的MC6800以及Intel公司1976年推出的8085。它们均具有16位地址总线。,集成度为9千余只晶体管/片，指令的平均执行时间为12s,速度比第一代快10倍,指令系统相对较完善，已具有典型的计算机体系结构以及中断、存储器直接存取(DMA)功能。可使用汇编语言及BASIC、FORTRAN等高级语言编程。,这是Intel8080,3第三代16位微处理器,典型产品是1978年Intel公司的8086、Zilog公司的Z8000和Motorola公司的MC6800。它们均具有20位地址总线。,集成度为29000个晶体管/片,可用时钟频率为4.77、8、10MHz,每秒可执行80万条指令,寻址范围1M,有近300条指令。,具有丰富的指令系统、多级中断系统、多处理机系统、段式存储器管理以及硬件乘除法器等。,这是Intel8086,1982年，Intel公司在8086基础上研制出性能更优越的16位微处理器芯片80286。,集成了13.4万个晶体管，有24位地址总线,主频20MHz,每秒可执行270万条指令。并具有多任务系统所必须的任务切换功能、存储器管理功能以及各种保护功能，支持1GB以上的虚拟内存。,一年后Intel公司推出8088.其指令系统与8086完全兼容，内部结构仍为16位，但外部数据总线是8位的。,以8088为CPU组成了IBMPC、PC/XT等准16位微型计算机,由于其性能价格比高，很快占领了市场。,以80286为CPU组成IBMPC/AT高档16位微机,4第四代32位高档微处理器,1985年，Intel推出32位微处理器80386，集成了275000个晶体管，每秒可执行6百万条指令,32位地址总线,指令系统与80286兼容。,80386有两种结构80386SX和80386DX，SX内部结构为32位，外部数据总线为16位，采用80287作为协处理器。DX内部结构、外部数据总线皆为32位，采用80387作为协处理器。,1990年，Intel在80386基础上研制出新一代32位微处理器芯片80486，集成了120万个晶体管，地址总线仍然为32位，主频25MHz(后继型号可达100MHz)，指令执行速度可达20MIPS(百万条/每秒)以上。,80486相当于把80386、80387及8KBCache集成在一块芯片上，性能比80386有较大提高。,5.第五代64位高档微处理器,Pentium集成了300多万个晶体管，数据总线64位，地址总线36位，其主频有50MHz、66MHz、133MHz、和166MHz等，指令执行速度可达100MIPS(每秒1亿条)以上。,典型产品是1993年Intel推出的Pentium(奔腾，Intel586)以及IBM、Apple和Motorola三家公司联合生产的PowerPC。,Pentium芯片,精简指令集计算机的特点是指令规整，这使指令译码电路简单，译码速度快；指令系统中只设置了使用频率较高的指令，因而指令条数少，指挥指令执行的控制逻辑电路简单，执行速度快。,与精简指令集计算机对应的是复杂指令集计算机CISC，Intel的Pentium微处理器及其以前的微处理器产品都属于CISC。,Pentium有两条超标量流水线，两个并行执行单元及双高速缓冲存储器。,PowerPC是一种精简指令集计算机（RISC），也是一种性能优异的64位微处理器，它也采用了先进的超标量流水线技术及双高速缓冲存储器。,1995年11月,Intel发布PentiumPro,其主频为160MHz、200MHz，指令执行速度可达440MIPS(每秒4.4亿条)。,1997年1月,Intel发布PentiumMMX,主频有166MHz、200MHz、233MHz、266MHz,它在以前的X86指令基础上增加了57条多媒体指令.,PentiumPro,PentiumMMX,1997年5月,Intel发布PentiumII,主频可达266MHz(后继型号可达333MHz)，执行速度可达466MIPS(每秒4.66亿条)以上,PentiumII内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术。此时，并首次引入了S.E.C封装(SingleEdgeContact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。,1999年2月,Intel发布PentiumIII,主频有450MHz、800MHz执行速度可达1000MIPS(每秒10亿条).采用0.25微米制造工艺，拥有32K一级缓存和512K二级缓存.包含MMX指令和Intel自己的“3D”指令SSE,2000年11月,Intel发布PentiumIV,主频有1.4GHz、1.5GHz(后继型号已达3.4GHz).采用0.18微米铝导线工艺，配合低温半导体介质技术制成，是一颗具有超级深层次管线化架构的处理器。,PentiumIV设计中采用了很多新技术,在理论上，PentiumIV是完美无缺，可是实际状况却远非Intel想象的那么简单。第一代PentiumIV可以说是Intel近几年内的最大失败。P4耗电惊人,其最致命的硬伤是发热量很大,频率提升困难.,第二代0.09微米制程的PentiumM处理器将二级缓存（L2Cache）倍增到2MB，是第一代PentiumM数量的两倍，晶体管数量也暴增到1亿4千万个。,2003年Intel发布了PentiumM处理器,一种专为移动计算而优化的全新体系结构，是兼顾高性能和低功耗的创新设计。,PentiumM主频有1.4GHz、1.5GHz、1.6GHz等，后继型号已达2.13GHz，采用的是0.13微米制造技术,集成了7700万个晶体管.频率为2.13GHz采用了2MB二级缓存的PentiumM770在05年1月上市。,2006年2月,Intel公司的比单核心P4还便宜的廉价双核心CPUPD805上市.,为了加强竞争的砝码，Intel处理器正进行一次新的换代，从2005年起到2006年中期，处理器的生产工艺全面转向65nm制程。生产出更小的核心芯片，芯片散热问题得到缓解，时钟频率也有新的提升。,1940年由数学家冯.诺依曼首先提出的计算机体系结构，其基本设计思想为：,以二进制形式表示指令和数据。,程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。,到目前为止，计算机仍沿用冯.诺依曼的体系结构。,30,第1章微型计算机基础概论,主要内容：微机系统的组成计算机中的编码、数制及其转换无符号二进制数的运算算术运算和逻辑运算运算中的溢出机器数的表示及运算基本逻辑门及译码器,31,一、微型计算机系统,微型机的工作原理微机系统的基本组成,32,1.计算机的工作原理,冯诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理,33,存储程序原理,将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,34,冯诺依曼计算机体系结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,35,冯诺依曼机的工作过程,内存中的程序,指令1,指令2,指令n,分析,获取操作数,执行,存放结果,程序计数器PC,地址,CPU,取出,操作数,36,冯诺依曼机的工作过程,取一条指令的工作过程：将指令所在地址赋给程序计数器PC；PC内容送到地址寄存器AR，PC自动加1；把AR的内容通过地址总线送至内存储器，经地址译码器译码，选中相应单元。CPU的控制器发出读命令。在读命令控制下，把所选中单元的内容（即指令操作码）读到数据总线DB。把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR。指令译码因为取出的是指令的操作码，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器ID,冯诺依曼机的特点和不足,特点：程序存储，共享数据，顺序执行属于顺序处理机，适合于确定的算法和数值数据的处理。不足：与存储器间有大量数据交互，对总线要求很高；执行顺序有程序决定，对大型复杂任务较困难；以运算器为核心，处理效率较低；由PC控制执行顺序，难以进行真正的并行处理。,37,典型的非冯诺依曼机结构,数据流驱动的计算机结构当指令具有所需数据、且输出端没有数据时就可执行。,38,DataflowImageProcessingSystem,39,2.系统组成,主机硬件系统外设微机系统系统软件软件系统应用软件,CPU存储器输入/输出接口总线,微型计算机硬件系统采用总线结构，系统中的各部件与CPU以及各部件之间均通过系统总线连接。,微型计算机硬件系统结构框图,主机,三总线,外设,何谓总线？,42,微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心。主要包括：运算器控制器寄存器组,43,存储器,定义：用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。,44,有关内存储器的几个概念,内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类,45,内存单元的地址和内容,内存按单元组织每单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址,10110110,38F04H,内存地址,单元内容,46,内存容量,内存容量：所含存储单元的个数，以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址能力而定实地址模式下为CPU地址信号线的位数,47,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,48,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）,按工作方式可分为,49,输入/输出接口,接口是CPU与外部设备间的桥梁,CPU,I/O接口,外设,50,接口的分类,串行接口并行接口,数字接口模拟接口,输入接口输出接口,51,接口的功能,数据缓冲寄存；信号电平或类型的转换；实现主机与外设间的运行匹配。,52,总线,基本概念分类工作原理常用系统总线标准及其主要技术指标（具体内容见后续课程）,53,软件系统,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,操作系统编译系统网络系统工具软件,软件,54,二、计算机中的数制和编码,数制和编码的表示各种计数制之间的相互转换,55,1.常用计数法,十进制（D）二进制（B）十六进制（H）,56,例：,234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H,57,2.各种进制数间的转换,非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换,58,非十进制数到十进制数的转换,按相应的权值表达式展开例：1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2=8+2+1+0.5+0.25=11.755B.8H=5161+11160+816-1=80+11+0.5=91.5,59,十进制到非十进制数的转换,到二进制的转换：对整数：除2取余；对小数：乘2取整。到十六进制的转换：对整数：除16取余；对小数：乘16取整。,60,二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数例：25.5=11001.1B=19.8H11001010.0110101B=CA.6AH,61,3.计算机中的编码,BCD码用二进制编码表示的十进制数ASCII码西文字符编码,62,BCD码,压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数每4位之间有一个空格扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数，每4位之间有一个空格。,63,BCD码与二进制数之间的转换,先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）B,64,ASCII码,西文字符的编码，一般用7位二进制码表示。D7位为校验位，默认情况下为0。要求：理解校验位的作用熟悉0-F的ASCII码,65,ASCII码的奇偶校验,奇校验加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。例：A的ASCII码是41H（1000001B）以奇校验传送则为C1H（11000001B）偶校验加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。上例若以偶校验传送，则为41H。,66,三、无符号二进制数的运算,算术运算逻辑运算,无符号数有符号数,二进制数的运算,67,主要内容,无符号二进制数的算术运算无符号数的表达范围运算中的溢出问题无符号数的逻辑运算基本逻辑门和译码器,68,1.无符号数的算术运算,加法运算1+1=0（有进位）减法运算0-1=1（有借位）乘法运算除法运算,69,乘除运算例,000010110100=00101100B000010110100=00000010B即：商=00000010B余数=11B,70,2.无符号数的表示范围：,0X2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,71,例：,最高位向前有进位，产生溢出,72,3.逻辑运算,与、或、非、异或掌握：与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；与非门、或非门的应用。,73,“与”、“或”运算,“与”运算：任何数和“0”相“与”，结果为0。“或”运算：任何数和“1”相“或”，结果为1。,74,“非”、“异或”运算,“非”运算按位求反“异或”运算相同则为0，相异则为1,75,4.译码器,掌握74LS138译码器各引脚功能输入端与输出端关系（真值表）,76,74LS138译码器,主要引脚及功能,77,三、机器数（有符号数）的运算,78,计算机中符号数的表示,机器数计算机中的数据构成：符号位+真值,“0”表示正“1”表示负,79,例,+52=+0110100=00110100符号位真值,-52=-0110100=10110100符号位真值,80,1.符号数的表示,机器数的表示方法：原码反码补码,81,原码,最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表示负），其余为真值部分。优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用