微机原理第一章

1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术博学 审问 慎思 明辨 笃行22021-11-4微机原理与接口技术课程特点：微机原理与接口技术课程特点： 内容多，学时少，进度快内容多，学时少，进度快 难度大，应用广难度大，应用广讲课内容讲课内容: :计算机系统基本组成和工作机制计算机系统基本组成和工作机制 三部分：三部分：CPUCPU工作原理、指令系统、接口技术工作原理、指令系统、接口技术讲课学时讲课学时: : 共共5656学时，学时，4 4学时学时/ /周，共周，共1414周周专业基础课专业基础课课程介绍课程介绍总成绩总成绩考试成绩作业平时出勤成绩考试成绩作业平时出勤成绩32021-11-4教材：教材：

2、 微机计算机技术及应用微机计算机技术及应用 戴梅萼编著戴梅萼编著 清华大学出版清华大学出版参考书：参考书： 3232位微型计算机原理、接口技术与应用位微型计算机原理、接口技术与应用 史新福编著史新福编著 清华大学出版清华大学出版 微型计算机原理微型计算机原理 姚燕南姚燕南 薛钧义主编薛钧义主编 西安电子科技大学出版西安电子科技大学出版 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 邹逢兴邹逢兴 主编主编 清华大学出版清华大学出版 教材、参考书：教材、参考书：42021-11-4 联系方式联系方式: 电话电话: 51682420-8221 (实验室实验室) email: 任课教师：张歆东（副

3、教授）任课教师：张歆东（副教授）52021-11-4 1.1 微型计算机的特点和发展微型计算机的特点和发展 1.2 微型计算机的分类微型计算机的分类 1.3 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统 1.4 微型计算机的应用微型计算机的应用 1.5 微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 教学重点： CPU功能和内部模块、功能和内部模块、 微型计算机的基本结构、微型计算机的基本结构、 数据总线、地址总线、控制总线。数据总线、地址总线、控制总线。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述62021-11-4 1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机年，世界上

4、出现第一台数字式电子计算机 ENIAC（电子数据和计算器）（电子数据和计算器） 在六十多年的发展历程，从采用电子管、晶体管、在六十多年的发展历程，从采用电子管、晶体管、 中小规模集成电路、大规模以至超大规模集成电中小规模集成电路、大规模以至超大规模集成电 路为主要部件的第四代，才产生了路为主要部件的第四代，才产生了微型计算机微型计算机 1971年，年，Intel公司设计了世界上第一个微处公司设计了世界上第一个微处 理器芯片理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算，开创了一个全新的计算 机时代机时代第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述1.1 微型计算机的特点和发展微型计算机的特点和

5、发展v 体积小、重量轻。体积小、重量轻。v 价格低廉价格低廉 v 可靠性高、结构灵活可靠性高、结构灵活v 应用面广应用面广72021-11-4 1946年年2月由美国宾夕法尼亚大学研制成功月由美国宾夕法尼亚大学研制成功第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述世界上第一台计算机世界上第一台计算机82021-11-4ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑(2010)第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述发展对比发展对比92021-11-4和采用4004的计算器第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述102021-11-4 自从自从1971年美国年美国Intel公司首先研制成公司首先研制成

6、功世界上第一块微处理器芯片功世界上第一块微处理器芯片4004以来，以来，微处理器的发展已经经历了六代，发展速微处理器的发展已经经历了六代，发展速度异乎寻常，大约每隔度异乎寻常，大约每隔2年换代一次年换代一次. 这种换代一般是以这种换代一般是以CPU的的字长位数字长位数和和典型功能的微处理器芯片作为各阶段的发典型功能的微处理器芯片作为各阶段的发展标志来划分的。展标志来划分的。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述微处理器的发展微处理器的发展112021-11-4第一代第一代1971-19731971-1973第二代第二代1973-19771973-1977第三代第三代1978-1981197

7、8-1981第四第四/ /五五/ /六代六代1982-1982-现在现在典型的典型的微处理器芯片微处理器芯片Intel4004Intel4004Intel8008Intel8008Intel8080M6800M6800Z80Z80Apple-II微机微机Intel8086/Intel8086/88Intel80286Intel80286M68000/Z8000M68000/Z8000Intel80386Intel80486Intel80486PentiumPentium系列系列Core 2 QuadCore 2 Quad字长字长( (位位) )4/84/88 8161632/6432/64芯片

8、集成度芯片集成度( (晶体管晶体管/ /片片) )1200-20001200-20005000-90005000-90002-72-7万万1515万万-45-45万万时钟频率时钟频率(Hz)(Hz)0.5-0.8M0.5-0.8M1-4M1-4M5M-10M5M-10M16M-20M16M-20M以上以上上上GHzGHz数据总线数据总线( (位位) )4,84,88 8161632,6432,64地址总线地址总线( (位位) )4,84,8161620-2420-2432-3632-36存储器容量存储器容量16kB16kB64kB64kB1-16MB1-16MB4GB4GB软件水平软件水平机器

9、语言机器语言汇编语言汇编语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言操作系统操作系统汇编语言汇编语言高级语言高级语言操作系统操作系统高级语言高级语言操作系统操作系统应用软件应用软件第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述122021-11-4晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,300 将电脑浓缩在一颗芯片上将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述0.045微米芯片微米芯片132021-11-4微处理器8080 8080芯片外观第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述INTEL 早期微处理器早期微处理器1

10、42021-11-4Apple-IApple-IIApple早期微型计算机早期微型计算机第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述152021-11-48088CPUIBM PC机（机（80286）IBM PC/XT机机IBM PC系列机系列机第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述162021-11-480386PentiumPentium 4英特尔微处理器芯片英特尔微处理器芯片第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述172021-11-480386803868048680486奔腾奔腾奔腾奔腾II奔腾奔腾4802868028680868086奔腾奔腾III酷睿酷睿40044004IA-

11、32处理器处理器安腾安腾第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述182021-11-4 当前微型计算机和微处理器的种类繁多、功能各异，当前微型计算机和微处理器的种类繁多、功能各异，人们可以从不同的角度对它进行分类。人们可以从不同的角度对它进行分类。1.2 微型计算机的分类：微型计算机的分类： 单片机单片机l 将将CPU、内存、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上，接口电路全部集成一块芯片上， 构成完整计算机功能的电路，称单片机。构成完整计算机功能的电路，称单片机。l 特点：超小型、高可靠性、价廉特点：超小型、高可靠性、价廉l 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等应用：智能仪表、工业实时

12、控制、家用电器等l 产品：产品：Intel 的的8051、8096/8098系列系列 Motorola 的的6801、6805系列系列 Hitachi (日立日立) 的的 H8S、SH系列系列 按系统规模来分：按系统规模来分：单片机、微型计算机、笔记本电脑等。单片机、微型计算机、笔记本电脑等。 第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述192021-11-4 桌上型桌上型：台式电脑：台式电脑便携型便携型：笔记本、掌上电脑等：笔记本、掌上电脑等第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述 微型计算机、笔记本电脑微型计算机、笔记本电脑202021-11-4 按微处理器的字长来分：按微处理器的字长来分

13、： 微计算机的性能很大程度上取决于微处理器，通常把微计算机的性能很大程度上取决于微处理器，通常把CPU的的字长字长作为微计算机分类的标准。作为微计算机分类的标准。 处理器每个时间单位处理的二进制数据位数（例如处理器每个时间单位处理的二进制数据位数（例如一次进行运算、传输的位数）一次进行运算、传输的位数）,指示处理器的数据处理能指示处理器的数据处理能力力.l 按按CPU 的字长，微机可分为：的字长，微机可分为： 4位机位机、8位机位机、16位机位机、32位机位机、64位机位机.第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述212021-11-4 以以Intel公司生产的公司生产的80 x86为例为例

14、：推出推出年代年代CPU芯片芯片寄存器寄存器位位 数数数据线数据线宽宽 度度地址线地址线宽宽 度度最大主频最大主频M/Hz1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.221978.61979.61982.2808680888028616161616816202024108161985.101989.4803868048632323232323233661993.31995.111997.51999.2PentiumPentium ProPentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010

15、00第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述222021-11-41.3 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器微处理器(Microprocessor)(Microprocessor)微型计算机微型计算机(Microcomputer)(Microcomputer)微计算机系统微计算机系统(Microcomputer system)(Microcomputer system)第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述232021-11-4一、微处理器一、微处理器 微处理器微处理器(Microprocessor)(Microprocessor)一般称为一

16、般称为CPUCPU， 虽虽然具有运算能力和控制功能，但是它并不是微型计然具有运算能力和控制功能，但是它并不是微型计算机，算机，不包含微型计算机硬件的全部功能，它是微不包含微型计算机硬件的全部功能，它是微型计算机控制、处理的核心。型计算机控制、处理的核心。 微处理器包括算术逻辑部件微处理器包括算术逻辑部件 ALUALU、控制部件和、控制部件和寄存器组三个基本部分，寄存器组三个基本部分，主流主流微处理器具有通用性，微处理器具有通用性，不仅用于微型机也用于工作站及超级计算机。不仅用于微型机也用于工作站及超级计算机。算术逻辑部件算术逻辑部件累加器和寄存器组累加器和寄存器组控制器控制器主要三部分：主要三

17、部分：第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述242021-11-4二、微型计算机二、微型计算机 微型计算机微型计算机 (Microcomputer)(Microcomputer) 是以是以微处理器微处理器为核心，加上存储器、输入为核心，加上存储器、输入/ /输输出接口电路和系统总线组成的。（主机）出接口电路和系统总线组成的。（主机） 微处理器微处理器的性能决定了整个微型计算机的各的性能决定了整个微型计算机的各项关键指标，项关键指标，存储器存储器包括随机存储器包括随机存储器RAMRAM和只读存和只读存储器储器ROMROM，输入输入/ /输出接口电路输出接口电路是用来使外部设备是用来使外部设备

18、和微型计算机相连的，和微型计算机相连的，系统总线系统总线为为 CPUCPU和其它部和其它部件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道。件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述252021-11-4 微型计算机的硬件主要由微处理器、内存、微型计算机的硬件主要由微处理器、内存、I/OI/O接口和外部设备组成，它们之间是用接口和外部设备组成，它们之间是用系统总线系统总线连接连接的。系统总线就是传送信息的公共导线，一般有三的。系统总线就是传送信息的公共导线，一般有三组总线。组总线。地址总线地址总线ABAB传送传送CPUCPU发出的地址信息，是单发出的地址信息，

19、是单向总线。向总线。数据总线数据总线DBDB传送数据信息，是双向总线，传送数据信息，是双向总线，CPUCPU既可通过既可通过DBDB从内存或输入设备读入数据，又可通从内存或输入设备读入数据，又可通过过DBDB将将CPUCPU内部数据送至内存或输出设备。内部数据送至内存或输出设备。控制总线控制总线CBCB传送控制信息，有些是传送控制信息，有些是CPUCPU向内存及外设发出的信向内存及外设发出的信息，有些是外设等发送给息，有些是外设等发送给CPUCPU的信息，因此，的信息，因此，CBCB中每中每一根线的传送方向是一定的。一根线的传送方向是一定的。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述系统总线系

20、统总线262021-11-4微计算机基本结构微计算机基本结构第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述272021-11-4三、微型计算机系统三、微型计算机系统 微型计算机系统微型计算机系统 (Microcomputer System)(Microcomputer System) 是以微型计算机为主体，再配以相应的外部设是以微型计算机为主体，再配以相应的外部设备和软件组成的。备和软件组成的。 微计算机：微计算机：微处理器、存储器、外围接口电路、微处理器、存储器、外围接口电路、 系统总线。系统总线。 软件：软件：系统软件、中间软件、应用软件。系统软件、中间软件、应用软件。 外部设备：外部设备：软

21、驱、硬驱、光驱、键盘、鼠标、软驱、硬驱、光驱、键盘、鼠标、 显示器，及电源、机箱、控制面板。显示器，及电源、机箱、控制面板。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述282021-11-4 算术逻辑单元 寄存器阵列 控制器电路数据总线地址总线控制总线只读存储器随机访问存储器串行输入输出接口并行输入输出接口外存储器接口显示器接口等等键盘、鼠标显示示器、打印机软磁盘驱动器硬磁盘驱动器光盘驱动器等等微处理器微处理器系统总线系统总线内存储器内存储器外围接口电路外围接口电路电源、机箱、控制面板电源、机箱、控制面板系统软件程序设计语言应用软件软件软件外围设备外围设备微型计算机系统微型计算机系统微型计算机微

22、型计算机微处理器，微计算机，微处理器，微计算机，微计算机系统三者关系微计算机系统三者关系 C C P P292021-11-4第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述302021-11-4ISA插插槽槽PCI插槽插槽AGP插插槽槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯片组内存插槽内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口软驱接口软驱接口并口连接器并口连接器串口连接器串口连接器ROM BIOS鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板主板电源电源插座插座第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述312021-11-4Intel “4”系列原装主板系列原装主板 PCI插槽插槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯

23、片组内存插槽内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板电源主板电源插座插座第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述322021-11-4 1.4 微型计算机的应用（略）微型计算机的应用（略） 1.5 微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标 相关术语相关术语1. 位位 ( bit )2. 字节字节 ( Byte )3. 字和字长字和字长 (word)位编号位编号 微处理器的性能基本上决定了以它为核心组成的微计微处理器的性能基本上决定了以它为核心组成的微计算机的性能，描述微处理器的性能，通常要用到下面的一算机的性能，描述微处理器的性能，通常要用到下面的一些概念。些概

24、念。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述332021-11-41. 位位 ( bit)l 指指计算机能表示的最基本最小的单位计算机能表示的最基本最小的单位l 在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位就是一个二进制位，有两种状态，位就是一个二进制位，有两种状态，“0” 和和 “1”2. 字节字节 ( Byte )l 相邻的相邻的8位二进制数称为一个字节位二进制数称为一个字节 1 Byte = 8 bit 如：如： 1100 0011 0101 0111 第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述342021-11-43. 字和字长字和字长( Wor

25、d )l 字字是是CPU内部进行数据处理的基本单位。内部进行数据处理的基本单位。l 字长字长是每一个字所包含的二进制位数。计算机内部一次可以是每一个字所包含的二进制位数。计算机内部一次可以处理的二进制数的位数。处理的二进制数的位数。常与常与CPUCPU内部的寄存器、内部的寄存器、 运算装置、运算装置、总线宽度一致。总线宽度一致。 一般计算机的字长取决于它的通用寄存器、内存储器、一般计算机的字长取决于它的通用寄存器、内存储器、ALUALU的的位数和数据总线的宽度。微型计算机字长有位数和数据总线的宽度。微型计算机字长有 4 4位、位、8 8位、位、1616位，高位，高档微机字长为档微机字长为323

26、2位或位或6464位。位。第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述352021-11-4字长是衡量字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。工作性能的一个重要参数。 不同类型的不同类型的CPU有不同的字长。有不同的字长。 如如: Intel 4004 是是 4 位位 8080 是是 8 位位 8088/ 8086/80286 是是 16 位位 80386/80486、Pentium 是是 32 位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数被加数 + + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数加数进位进

27、位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和 4位位 8次次 8位位 4次次16位位 2次次32位位 1次次第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述362021-11-4位位 1 或或 0 1位位字节字节 1100 0011 8位位字字 1100 0011 0011 1100 16位位双字双字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位位高字节高字节低字节低字节 高高 字字 低低 字字把一个把一个字字定为定为16 位位， 1 Word = 2 Byte 一个一个双字双字定为定为32位位 1 DWord = 2 Word= 4 Byte第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述372021-