微机原理和接口技术-1-2绪论-微机系统zqppt课件

1、华中科技大学计算机学院微机原理与接口技术授 课：左琼时 间：2019年微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论2第一章第一章 绪论主要内容绪论主要内容微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论1.1 总结回想总结回想1计算机的开展史计算机的开展史从运用的角度看：加法器从运用的角度看：加法器乘法器乘法器科学计算科学计算人口普查人口普查、破解密码、家用、破解密码、家用从元器件开展的角度看：机械式从元器件开展的角度看：机械式电气式电气式机电式机电式电子电子数字计算机：电子管数字计算机：电子管晶体管晶体管中小规模集成电路中小

2、规模集成电路大、大、超大规模集成电路超大规模集成电路从进位制开展的角度：十进制从进位制开展的角度：十进制二进制；二进制；二进制、存储程度和数据、按程序顺序执行指令二进制、存储程度和数据、按程序顺序执行指令冯冯.诺伊诺伊曼机型曼机型2微型计算机开展史微型计算机开展史微型计算机与其他机型计算机的区别：其微型计算机与其他机型计算机的区别：其CPU采用了采用了大规模、超大规模集成电路技术，微处置器大规模、超大规模集成电路技术，微处置器MPU。CPU：2的的n次方。次方。E.g.：4、8、16、32、64位机器位机器3微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论41.

3、2.1 微型计算机硬件构造微型计算机硬件构造主机主机外围设备外围设备CPU运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入设备接口输入设备接口输出设备接口输出设备接口系统总线系统总线 微型计算机组成框图微型计算机组成框图微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论5 1.2.2 微处置器微处置器微处置器也称作中央处置单元，简称微处置器也称作中央处置单元，简称CPUCentral Processing Unit,本身具有运算和控本身具有运算和控制功能制功能 控制器：担任全机的控制任务控制器：担任全机的控制任务 运算器：执行一切的算术和逻辑运算运算器：执行一切的算术和逻

4、辑运算微处置器是微型计算机的中心，多数微处置器是微型计算机的中心，多数CPU是单是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个完成一个CPU的功能。的功能。微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论68086 CPU的的组成表示图组成表示图 1. 控制器控制器 从内存取出从内存取出一条一条指令指令,并指出并指出下条指下条指令的地址令的地址; 对指令进对指令进展译码展译码,产生相应的产生相应的控制信号控制信号; 指挥并控指挥并控制制CPU,内存和内存和I/O设设备之间备之间的数据传送的数据传送. 2.运算器运算器

5、 加工信息加工信息.包括包括:算术运算，算术运算， 逻辑运算逻辑运算留意：留意：存放器、总存放器、总线的位宽线的位宽/字长字长微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论7CPU的内部构造组成的内部构造组成算术逻辑部件算术逻辑部件ALU： 处置各种数据信息，可以进展算术和逻辑运算处置各种数据信息，可以进展算术和逻辑运算累加器和通用存放器组累加器和通用存放器组GR： 用来保管参与运算的数据以及运算的中间结果，或存放用来保管参与运算的数据以及运算的中间结果，或存放地址地址 程序计数器程序计数器PC指令指针：指向下一条要取出的指令指令指针：指向下一条要取出的指令指

6、令存放器指令存放器IR：存放从存储器中取出的指令码：存放从存储器中取出的指令码指令译码器指令译码器ID： 对指令码进展译码和分析，从而确定指令的操作，并确对指令码进展译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。时序和控制部件时序和控制部件TG： 指令译码器对指令进展译码时，产生相应的控制信号送指令译码器对指令进展译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需求的时序和到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需求的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制控制信号。这些信号送

7、到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调任务。这些部件协调任务。 微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论8CPU高速缓冲高速缓冲存储器存储器主存主存 外存外存辅存辅存存放器存放器主机主机内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件, ,存放数据包存放数据包括原始数据，中间结果和最终结果和程序括原始数据，中间结果和最终结果和程序1.2.3 存储器存储器存储系统分级构造存储系统分级构造存储单位存储单位存储地址存储地址微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论9存储系统分级构造存储系

8、统分级构造磁带、光盘磁带、光盘磁盘磁盘Cache高速缓存高速缓存主存主存CPU存放器存放器存储速度存储速度单位本钱单位本钱存储容量存储容量外存外存/ /辅存辅存内存内存微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论101.内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容内存中存放的数据和程序，从方式上看都是二进制内存中存放的数据和程序，从方式上看都是二进制数。数。二进制有关的数据单位：二进制有关的数据单位：位位(Bit)(Bit)： 1 1位二进制数据，计算机存储信息的位二进制数据，计算机存储信息的根本单位根本单位字节字节(Byte): (Byte): 每每8 8位组

9、成一个字节位组成一个字节字字(Word): 16(Word): 16位位双字双字(DWord):32(DWord):32位位微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论111.内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容 一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容，每一一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容，每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为无符号整数，书写格式为1616进制，如以下图所示：进制，如以下图所示：微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学

10、院 Chapter1 绪论1215 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 015 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 高位字节高位字节 低位字节低位字节 字字1.内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容1616位时，低位字节存入低地址，高位位时，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址字节存入高地址 ：两个字节单元构成一个字单元，字单两个字节单元构成一个字单元，字单元的地址采用它的低地址表示元的地址采用它的低地址表示微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论13字节字节 34H 12H 1EH 2

11、FH0004H0005H1234H1235H (0004)=1234H (1234)=2F1EH ( (0004H) )=2F1EH 1.内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容如用如用X表示某存储单元的地址，那么表示某存储单元的地址，那么X单元的单元的内容用内容用(X) 表示，假设表示，假设X单元中存放着单元中存放着Y, 那么那么(X)=Y,而而Y又是一个地址，那么可用又是一个地址，那么可用(Y)=(X)来来表示表示Y单元的内容。如：单元的内容。如：微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论14存储器地址与内容有关阐明存储器地址与内容有关阐明存储器以字节

12、存储器以字节8bit为单位存储信息为单位存储信息每个字节单元有一个地址，从每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加编号，顺序加1地址也用二进制数表示无符号整数，写成十六地址也用二进制数表示无符号整数，写成十六进制进制地址是地址是16位位,可表示可表示216=65536=64K个地址，即个地址，即0000H0FFFFH字长字长16位，一个字要占用相继的两个字节位，一个字要占用相继的两个字节低位字节存入低地址，高位字节存入高地址低位字节存入低地址，高位字节存入高地址机器以偶地址访问读机器以偶地址访问读/写存储器写存储器字单元地址用它的低地址来表示字单元地址用它的低地址来表示微机原理与接口2015.

13、9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论152.内存操作内存操作CPU对内存的操作有读、写两种对内存的操作有读、写两种 ：1.读操作是读操作是CPU将内存单元的内容取入将内存单元的内容取入CPU内部内部2.写操作是写操作是CPU将其内部信息传送到内存将其内部信息传送到内存单元保管起来单元保管起来微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论163.内存分类内存分类按任务方式不同，内存可分为两大类：按任务方式不同，内存可分为两大类： 随机存取存储器随机存取存储器RAM (Random Access Memory) RAM可以被可以被CPU随机地读

14、和写，所以又称为读写随机地读和写，所以又称为读写存储器；存储器； 易失性，暂时存放程序和数据。易失性，暂时存放程序和数据。 只读存储器只读存储器ROM (Read Only Memory) ROM中的信息只能被中的信息只能被CPU随机读取，而不能由随机读取，而不能由CPU恣意写入；恣意写入； 非易失性，永久或半永久性存放信息。非易失性，永久或半永久性存放信息。微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论171.2.4 输入输出设备和输入输出接口输入输出设备和输入输出接口输入输出设备是指微型计算机上配备的输入输出设备是指微型计算机上配备的I/O设备，设备，也称

15、为外部设备或外围设备简称外设，其功也称为外部设备或外围设备简称外设，其功能是为微型计算机提供详细的输入能是为微型计算机提供详细的输入/输出手段输出手段为理处理微型计算机与种类繁多的外设之间的信为理处理微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都经过相应的息交换，各种外设都经过相应的I/O接口接口(Interface)电路与主机系统相连。电路与主机系统相连。CPUI/O接口接口外设外设微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论181.2.5 总线总线总线是系统部件间传送信息的公共通路。总线是系统部件间传送信息的公共通路。总线的特点总线的特点规定了各引

16、线的信号、时序、电气和机械特性规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了规范的公共信息通路间提供了规范的公共信息通路采用总线规范设计、消费的计算机模板和设备具有很强的采用总线规范设计、消费的计算机模板和设备具有很强的兼容性兼容性总线分类：总线分类：内部总线内部总线CPU内各功能单元间的连线内各功能单元间的连线系统总线系统内各部件间的连线系统总线系统内各部件间的连线含含 I/O设备间的衔接总线设备间的衔接总线I/O总线总线处置器之间总线处置器之间总线微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技

17、大学计算机学院 Chapter1 绪论19主存主存A15A0MREQ#CPU1D7D0R/W#扫描仪扫描仪IO-REQINT-REQCBUSABUSDBUSDR1D R2ALUR1R2内部总线内部总线系统总线系统总线磁盘磁盘I/O总线总线CPU2处置器总线处置器总线微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论总线的分类按位置分总线的分类按位置分 外部总线外部总线 是微机与外部设备之间或几个微机系统之间的通讯总线，如是微机与外部设备之间或几个微机系统之间的通讯总线，如： IDE (Integrated Drive Electronic)总线，公用于衔接硬盘总线

18、，公用于衔接硬盘 SCSI (Small Computer System Interface)，公用于衔接硬盘，公用于衔接硬盘 Centronics总线，用于与并行打印机衔接总线，用于与并行打印机衔接 USB (Universal Serial Bus)总线，用于衔接总线，用于衔接USB设备设备微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论21总线按功能划分总线按功能划分地址总线地址总线AB：用来传送：用来传送CPU输出的地址信号，确输出的地址信号，确定被访问的存储单元、定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数端口。地址线的根数决议了决议了CPU的寻址范围

19、。的寻址范围。 CPU的寻址范围的寻址范围 = 2n， n-地址线根数地址线根数数据总线数据总线DB：在：在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间数据接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决议传送的公共通路。数据总线的条数决议CPU一一次最多可以传送的数据宽度。次最多可以传送的数据宽度。控制总线控制总线CB：用来传送各种控制信号。：用来传送各种控制信号。微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论22CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 030ADD 3

20、0CLA指令译码器操作控制器时序产生器程序计数器PC地址存放器AR缓冲存放器DR累加器AC指令存放器IR执行指令控制地址总线ABUS数据总线DBUSSTA 40+1000 004000 006微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论23总线特性总线特性 物理特性物理特性物理衔接方式根数，插头、座的物理衔接方式根数，插头、座的外形，引线的陈列方式外形，引线的陈列方式 功能特性功能特性地址地址,数据数据,控制总线三类控制总线三类 电气特性电气特性单单/双向双向,电平高有效电平高有效/低有效及范围低有效及范围 时间特性时间特性各线的有效时间各线的有效时间微机原

21、理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论24PCPC总线的开展历程总线的开展历程 XT总线总线以以8088/8086为为CPU的的IBM/XT机机ISA总线总线以以80286为为CPU的的IBM/AT机机MCA总线总线以以80386为为CPU的计算机的计算机EISA总线总线以以80486为为CPU的计算机的计算机PCI-Express总线总线PCI总线总线奔腾系列计算机奔腾系列计算机微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论25总线性能目的总线性能目的微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter

22、1 绪论26几种微型计算机总线性能参数几种微型计算机总线性能参数 名称名称ISAEISASTDMCAPCI适用机型适用机型80286,386,486系列机系列机386,486,586 IBM系列机系列机Z-80，IBM-PC系列机系列机IBM个人个人机与机与工作站工作站586个人机个人机, PowerPC, Alpha工作站工作站最大传输率最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s总线宽度总线宽度8/16位位32位位8/16位位32位位32位位总线频率总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz2033MHz同步方式同步方式半同步半同步同步同步同步同步异步异步同步

23、同步地址宽度地址宽度2432243232/64负载能力负载能力86无限制无限制无限制无限制3信号线数信号线数981435610912064位扩展位扩展不可不可无规定无规定不可不可可可可可微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论27总线衔接方式总线衔接方式总线的陈列以及与其它各类部件的衔接方式总线的陈列以及与其它各类部件的衔接方式影响计算机系统性能影响计算机系统性能 单总线构造单总线构造 双总线构造双总线构造 三总线构造三总线构造微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论28单总线构造单总线构造CPU主存设备接口设备

24、系统总线适配器设备系统总线含系统总线含DBUS，ABUS，CBUS 。特点：构造简单，一致编址，易于扩展，外设之间可以交特点：构造简单，一致编址，易于扩展，外设之间可以交换信息换信息; 省去了专门的省去了专门的I/O指令，简化指令系统指令，简化指令系统; 多部件共用多部件共用一根总线，分时任务，传输效率较低。一根总线，分时任务，传输效率较低。微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论29双总线构造双总线构造CPU内存设备接口设备 系统总线适配器设备CPU与内存有公用高速总线与内存有公用高速总线,减轻系统总线的负担减轻系统总线的负担;内存可经过系统总线与外设

25、进展内存可经过系统总线与外设进展DMA操作操作,而不用经过而不用经过CPU.主存总线微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论30三总线构造三总线构造CPU内存 系统总线设备接口设备适配器设备主存总线通道I/O总线特点特点:双总线根底上添加双总线根底上添加I/O总线总线,它是多个外设与通道间传送信息它是多个外设与通道间传送信息的公共通路的公共通路;通道的运用通道的运用,进一步提高了进一步提高了CPU的效率的效率.“通道是一台具有特殊功能的通道是一台具有特殊功能的处置器处置器,它分担了一部分它分担了一部分CPU的的功能功能.一致管理外设及实现外设一致管理外设

26、及实现外设与内存间的数据传送与内存间的数据传送.微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论31总线构造与系统性能关系总线构造与系统性能关系最大存储容量最大存储容量 单总线系统中单总线系统中,内存要为外设保管一些地址内存要为外设保管一些地址.指令系统指令系统 单总线系统中单总线系统中,无须专门的无须专门的I/O指令指令; 双总线系统中双总线系统中,设有专门的设有专门的I/O指令指令.吞吐量吞吐量 吞吐量是指流入、处置和流出计算机系统吞吐量是指流入、处置和流出计算机系统的信息量的信息量. 主要取决于内存的存取周期主要取决于内存的存取周期. 双端口存储器比单口的

27、大双端口存储器比单口的大. 三总线系统比单总线系统要大得多三总线系统比单总线系统要大得多.微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论32总线的内部构造总线的内部构造CPU内存 地址总线设备接口设备数据总线控制总线锁存器微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论33当代总线内部构造当代总线内部构造CPU/Cache内存设备接口设备数据传输总线，地址数据传输总线，地址/ /数据数据/ /控制线控制线仲裁总线仲裁总线总线控制中断与同步总线中断与同步总线公用线公用线微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Ch

28、apter1 绪论微机的层次化总线微机的层次化总线微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论35微型计算机的总线构造CPU北桥北桥南桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD，Mouse串行串行/并行接口并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISA前端总线前端总线/CPU总线总线接口卡接口卡外设外设总线扩展槽总线扩展槽图 Pentium计算机主板的总线构造框图亦称为CPU-存储器总线：64位数据线和32位地址线的同步总线.总线时钟频率：66.6MHZ(或60MHZ)CPU内部时钟是此时钟频率的倍频用于衔接高速的 1/O设备模块； 32

29、(或64位)的同步总线；数据/地址分时复用；总线时钟频率：33.3MHz总线带宽：132Mbps与低速 1/O设备衔接微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论36技嘉技嘉 965P-DS3CPU 种类：种类：Core2 Extreme/赛扬赛扬D/奔奔腾腾4/Core 2 Duo/PentiumD总线频率总线频率 ：FSB 1333MHz显卡插槽显卡插槽 ：PCI-E 16XPCI插槽插槽 ：3条条PCI 插槽插槽,3条条PCI-E 1X 硬盘插槽硬盘插槽 ：IDE 1个，个，SATAII 2个个Giga-Byte案例：案例：微机原理与接口2015.9

30、Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论37案例：奔腾至尊版和奔腾案例：奔腾至尊版和奔腾D Intel 945和和955系列芯片组目前可提供系列芯片组目前可提供800MHz用于奔腾用于奔腾D和和1066MHz用于奔腾至尊前端总线用于奔腾至尊前端总线 加强了对加强了对PCI-Express总线的支持，添加了对更高速总线的支持，添加了对更高速DDR2内存内存的支持，对的支持，对SATA(串行串行ATA)的支持速度添加了一倍由的支持速度添加了一倍由1.5Gb/s晋晋级级3Gb/s，进一步添加了磁盘阵列，进一步添加了磁盘阵列RAID 5 和和 RAID 10的支持的支持 共享前端总线共享前端总线双核双核超线程超线程APIC：Advanced Programmable Interrupt Controller微机原理与接口2015.9 Zuo华中科技大学计算机学院 Chapter1 绪论381.2.6 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 一台完好的计算机必需由硬件和软件这两大部分组成，一台完好的计算机必需由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是根底，软件是灵魂，二者缺一不可：其中硬件是根底，软件是灵魂，二者缺一不可： 微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。硬件是软件的物质根底。和外围设备。硬件是软件的物