微机原理与接口技术(1).ppt

1、19:05,1,朱亚萍,杭州电子科技大学自动化学院,微机原理与接口技术,19:05,2,内容提要,课程框架结构、学习特点 微型计算机的发展概况 微型计算机系统简介,第一章 绪论,19:05,3,1-1 课程框架结构和学习特点,一、课程体系结构,8086/8088CPU虽然是80 x86系列的原始型，但80 x86汇编语言及高档微处理器均以8086/8088为基础发展起来，因此，本课程以8086/8088为背景介绍微处理器的结构、微型计算机系统的组成、存储器、接口技术以及汇编语言程序设计，为学习高档微型计算机技术打下基础。,19:05,4,1-1 课程框架结构和学习特点,8086系统结构,一、课

2、程体系结构,寻址方式和指令系统,程序设计,存储器,接口芯片,CPU的内部结构和工作原理.,编写程序的基础,介绍程序设计的方法,存储芯片的结构和运用,接口芯片的结构和运用,19:05,5,1-1课程框架结构和学习特点,二、学习特点,难点 整体概念建立困难 指令较多，难记难用 外围芯片多，容易混淆,要求 课前预习，课后复习 有问题及时解决，勿产生堆积 多交流，多讨论 独立完成作业,19:05,6,1-1 课程框架结构和学习特点,三、参考书,微型计算机原理与接口技术（第4版），周荷琴 吴秀清编著，中国科学技术大学出版社 微型计算机原理及接口技术，李伯成 编著，电子工业出版社 微型计算机技术，田艾平

3、王力生 卜艳萍 编著，清华大学出版社,19:05,7,1-2 微型计算机的发展概况,1946年第一代电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美国（宾夕法尼亚大学）诞生。,一、计算机的发展简史,它装有 18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦 。,19:05,8,1-2 微型计算机的发展概况,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。,操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有不同的机器语言，功能受限，速度慢

4、。 使用真空管和磁鼓储存数据。 主要元件：18800个电子管，70000个电阻，500万个焊接点。 其他：重30吨，占地150m2，耗电150kw，5000次/秒的加法运算 。,19:05,9,1-2 微型计算机的发展概况,一、计算机的发展简史,第二代计算机：晶体管计算机，1958年，以晶体管为逻辑元件。,与电子管相比、晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、功耗低等特点。晶体管计算机，降低了成本和体积，提高了运算速度。 高级语言（Fortran，Cobol）的出现，使计算机从原来的“科学计算”扩展到“数据处理、过程控制”。,19:05,10,1-2 微型计算机的发展概况,一、计算机的发展简

5、史,第三代计算机：集成电路计算机，1965年，以中、小规模集成电路为逻辑元件。,与晶体管相比，集成电路的体积更小，功耗更低，可靠性更高。第三代计算机由于采用了集成电路，计算速度从几十万次提高到上千万次，体积大大缩小，价格也不断下降。 配上各类操作系统，性能大大提高。 出现了交互式语言Basic、结构化程序设计方法。,19:05,11,1-2 微型计算机的发展概况,一、计算机的发展简史,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。,大规模集成电路（LSI）计算机，降低了成本和体积，提高了运算速度 。 在实现微型化的同时，还实现了巨型化计算机网络、分布式处理技术、

6、数据库管理等。,微型计算机是第四代计算机的典型代表！,19:05,12,1-2 微型计算机的发展概况,二、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）,微型计算机的发展通常以微处理芯片CPU的发展为基点，微处理器作为微型计算机的核心，其技术的快速发展推动着整个微型计算机的进步和更新换代。微处理器发展经历五代：,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：1983年 （32位微处理器）,第五代微处理器：1993年 （64位微处理器）,19:05,13,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第一

7、代微处理器：1971年 （4位和8位微处理器）,典型产品： Intel 4004（1971年，4位微处理器） Intel 8008（1972年，8位微处理器） 特点： 工艺 ：PMOS 集成度： 2000只晶体管/片 时钟频率：小于1MHz 平均指令执行时间：1015s 采用机器语言编程。,19:05,14,1-2 微型计算机的发展概况,二、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：Intel 8080（73年），Motorola MC6800（74年），Zilog Z80（75年），Intel 8085（76年） 特点： 工艺 ：NMOS 集成度： 9000只

8、晶体管片 时钟频率：14MHz 平均指令执行时间：12s 有中断和DMA等功能，指令系统相对完善，配备了汇编语言和高级语言（BASIC、FORTRAN语言），使用单用户操作系统。,19:05,15,1-2 微型计算机的发展概况,二、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：Intel 8086（1978年），Zilog Z8000（1979年），Motorola 68000（1979年），Intel 80286（1983年），Motorola 68010（1983年） 特点： 工艺 ：HMOS 集成度： 27万只晶体管/片 时钟频率：425MHz 平均指令执行

9、时间：0.5s,19:05,16,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第三代微处理器：1978年 （16位微处理器）,8086微处理器时钟频率为5MHz，数据总线16位，地址总线20位，可寻址1MB内存空间。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。,19:05,17,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第三代微处理器：1978年 （16位微处理器）,80286微处理器时钟频率为25MHz，地址总线24位，可寻址16MB内存空间。提出了实模式和保护模式两种

10、存储器管理模式，使之突破了8086访问1MB存储空间的限制；引进了段描述符表的概念，可访问1GB的虚拟地址空间；支持虚拟存储器体系，满足了多用户和多任务的工作需要。,19:05,18,1-2 微型计算机的发展概况,二、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：Zilog Z80000（1983年），Motorola 68020（1984年），Intel 80386（1985年），Intel 80486（1989年），Motorola 68040（1989年） 特点： 工艺 ：CHMOS 集成度： 1550万只晶体管片 时钟频率：1640MHz 平均指令执行时间

11、：0.1s,19:05,19,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第四代微处理器：1983年 （32位微处理器）,80386CPU数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高达4GB，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。,19:05,20,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第四代微处理器：1983年 （32位微处理器）,80486CPU不仅将浮点运算部件集成进芯片之内，又增加了8KB的片内高速缓存（Cache），内部数据总线宽度为64位。80

12、486的整数处理部件采用了RISC技术（Reduced Instruction Set Computer，简化指令集合计算机），可以在一个时钟周期内执行一条指令，使80486的处理速度极大提高。芯片内部其它方面保留CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统 ）用以处理复杂的指令，以保证兼容性。它还采用突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。80486引进了时钟倍频技术，使主频超过100MHz成为可能。,19:05,21,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,第五代微处理器：1993年开始 （32位向64位微处理器过渡）,典型产品

13、：Pentium （1993年）， Pentium Pro（1995年） Pentium （1997年）， Pentium （1999年）， Pentium 4（2000年），Core（2006年）,Pentium处理器不仅保留了与80486的兼容，而且在内部集成了浮点运算器和两个8KB的Cache，分别用于保存指令与数据；还提供了两条并行的流水线，形成超标量的体系结构，大大提高了指令的并行运算速度。CPU的内部工作频率为60100MHz，使Pentium处理器可在一个机器周期内执行完两条指令。,特点,19:05,22,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,Pentium Pro

14、内部数据总线与地址总线均为64位，采用3路超标量体系结构，14级超级流水线，非顺序执行指令，进行分支指令预测技术和数据流分析，可实现指令的动态执行； Pentium 双重独立总线结构（二级高速缓存总线及处理器到主存的系统总线分别独立）；内置多媒体扩展技术；将256512KB的L2 Cache集成到CPU中，优化了L2 Cache到系统总线的输入队列和数据缓冲器； Pentium 主频为450MHz，系统总线频率为100MHz；增加了70余条三维图像处理指令SSE指令集； Pentium 主频为450700MHz。,19:05,23,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,Penti

15、um 4主频可达1.5GHz3.6GHz，它采用了一系列新技术，包括400MHz的系统总线和双通道的DRAM、专用的跟踪缓冲器（用来保存已解码的指令和转移高速处理所需的数据）、超线程技术（为每个CPU设置两个入口，相当于两个逻辑CPU），以及20级的超长流水线技术和高级动态分支技术，同时引入了为加速执行各种应用程序而设计的包括144条多媒体及图形指令（SSE2），从而使Pentium 4 CPU能够更好地满足互联网用户的要求。,特点,19:05,24,1-2 微型计算机的发展概况,二、微型计算机的发展,Core（酷睿）处理器采用先进的双核架构，将两个微处理器内核封装在一起，共享二级缓存和系统总

16、线，可以根据工作负载情况，将共享二级高速缓存动态分配到每个处理器内核。,特点,19:05,25,INTEL微处理器性能演进表,性能,芯片,19:05,26,INTEL微处理器性能演进表（续）,性能,芯片,19:05,27,1-3 微型计算机系统,微型计算机的基本结构属于冯诺依曼型计算机。它包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个组成部分，基本工作原理是存储器存储程序控制的原理。,早期的冯诺依曼机结构上以运算器和控制器为中心，随着计算机系统的发展，现已演化为以存储器为中心的结构。,19:05,28,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微处理器(Microp

17、rocessor) 只是一个中央处理器(CPU)，由算术逻辑部件(ALU)、累加器和寄存器组、指令指针寄存器IP 、段寄存器、时序和控制逻辑部件、内部总线等组成。 算术逻辑部件(ALU)：主要完成算术运算及逻辑运算。 数据寄存器和变址及指针寄存器：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。 指令指针寄存器IP：指向要执行的下一条指令的偏移地址。,19:05,29,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微处理器(Microprocessor) 段寄存器：给出存储单元的段地址，与偏移地址组成20位物理地址对存储器寻址。 时序和控制逻辑部件：负责对整机的控制，使CPU内部、

18、外部协调工作。 内部总线：总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。,微处理器不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上存储器、外部输入/输出接口构成一台微型计算机方能工作。,19:05,30,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微处理器(Microprocessor),19:05,31,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微型计算机,微型计算机的组成： CPU 存储器 I/O接口电路 系统总线,具有运算能力，能独立执行程序，但若没有输入/输出设备，数据和程序不能输入，运算结果无法显示或输出，仍不能正常工作，因此必须构成一个微

19、型计算机系统才能方便人们应用。,19:05,32,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微型计算机,19:05,33,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微型计算机系统,微型计算机系统的构成：微型计算机外部输入输出设备系统软件,19:05,34,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微型计算机系统,19:05,35,1-3 微型计算机系统,ALU 寄存器 控制部件,系统软件：DOS、Windows 95/98/2000 应用软件：WPS 、 Word、Photoshop,微 处 理 器 CPU 存储器(RAM

20、,ROM) I/O接口 总线,硬 件 软 件,微型计算机系统,微 型 计算机,外 设,键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪,概念对照 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,19:05,36,1-3 微型计算机系统,二、存储器,存储器：内部存储器（内存或主存）和外部存储器。,1.内部存储器,内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，CPU可以直接访问。 内存主要是半导体存储器，分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。,19:05,37,1-3 微型计算机系统,二、存储器,1.内部存储器,随机存取存储器RAM,RAM可以随机读写，断电后存储内容消失。RAM又可分为动态RAM（

21、DRAM）和静态RAM（SRAM）。,DRAM用MOS电路和电容作为存储单元，由于电容放电要定时对其充电，称为刷新。特点是高密度，但存取速度慢。 SRAM用双极型电路或MOS电路组成触发器作存储单元，不需要刷新。特点是高速度，但存储容量小。,19:05,38,1-3 微型计算机系统,二、存储器,1.内部存储器,只读存储器ROM,ROM只能读出已存储的内容，不能写入，断电后存储内容不会消失。ROM又可分为可编程只读存储器PROM、可编程可擦除只读存储器EPROM 和EEPROM。,Cache存储空间较小、存取速度较高，位于CPU和主存之间。存放了处理机经常使用的程序和数据，使CPU可快速从Cac

22、he中读写所需的指令和数据，减少了访问主存的次数，提高了整个处理机的性能。,高速缓存存储器Cache,19:05,39,1-3 微型计算机系统,二、存储器,2.外部存储器,外存存放“海量”数据，相对来说不经常使用，CPU使用时要先调入内存。 典型的外存有软盘、硬盘、光盘、优盘等。,3. 存储器组织,16位微机系列配置2个存储体，分别连接数据总线D7D0和D15D8，一次数据总线传送16位数据。 32位微机系列配置4个存储体，分别连接数据总线D7D0、D15D8、D23D16及D31D24，一次数据总线传送32位数。Pentium以上的微机配置8个存储体，分别连接64位数据总线 。,19:05,

23、40,1-3 微型计算机系统,二、存储器,4. 存储器性能指标,存储容量：指存储器有多少，基本存储单元为位（bit）一般以字节（Byte）或字（Word）来计算，常用的单位为KB（1024Byte），MB（1024KB），GB （1024MB） ，TB （1024GB）。 存取速度：指从存储器中读出数据或数据写入存储器所需要的时间。包括CPU给出存储器地址，存储器的选通信号和读/写信号到存储单元数据读出或写入一次，存储器恢复阶段等时间的总和。,19:05,41,1-3 微型计算机系统,三、I/O接口,I/O接口电路用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与CPU之

24、间的工作速度不同，信号电平不同，数据格式不同，因此要配备不同的I/O接口电路来辅助CPU工作，实现CPU与外设之间的速度匹配，信号电平匹配，信号格式匹配，时序控制，中断控制等。,19:05,42,1-3 微型计算机系统,四、总线,总线：计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路。,总线分类：内部总线、元件级总线、系统总线（板级总线）、外部总线。,19:05,43,1-3 微型计算机系统,四、总线,1.总线标准的特性,物理特性：指总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等。 功能特性：总线中每一根线的功能是什么。 电气特性:定义每一根线上信号的传递方向及有

25、效电平范围。 时间特性：定义了每一根线上的信号在什么时间有效。,19:05,44,2.总线分类,内部总线：是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。有单总线结构、双总线、三总线结构等。其中单总线结构有利于集成度提高及成品率提高；双总线或三总线结构有利于内部数据传送速度加快。 元件级总线：连接计算机系统中两个主要部件的总线。,地址总线是CPU用来向存储器或I/O端口传送地址的，是三态单向总线。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存容量。 数据总线是CPU与存储器及外设交换数据的通路，是三态双向总线。 控制总线是用来传输控制信号的，传送方向就具体控制信号而定。,19:05,45,2.总线分类,

26、系统总线：是微处理机箱内的底板总线，用来连接构成微处理机的各个插件板。,在80 x86系列微机系统中，使用的系统总线主要有：ISA总线（工业标准体系结构总线）、EISA总线（扩展工业标准体系结构总线）、VESA总线（视频电子标准协会）、PCI总线（外设互连局部总线）。,外部总线：用于微处理机系统与系统之间，系统与外设之间的信息通路。这种总线数据的传送方式有并行方式和串行方式。如：RS-232总线（串行）、IEEE-488总线（并行）、USB总线（串行）。,19:05,46,1-3 微型计算机系统,四、总线,19:05,47,1-3 微型计算机系统,四、总线,19:05,48,1-3 微型计算机系统,四、总线,系统总线,19:05,49,1-3 微型计算机系统,四、总线,1