东大微机原理及接口技术(1-1))

1、微机(wi j)原理与接口技术主讲人 杨钢共七十三页国家教委提出计算机基础教学(jio xu)分三个层次如图所示： 计算机基础(jch)教学三层次结构课程背景共七十三页其中：第一层次：计算机文化基础学习计算机基本知识，及基本技能。第二层次：计算机技术基础 学习计算机硬件、软件的工作(gngzu)原理与相关知识。第三层次：计算机应用基础学习计算机信息管理基础和多媒体。本课程属于第二层次中“计算机技术基础”课程课程(kchng)背景共七十三页本课程地位(作用(zuyng)和任务 本课程是一门实践性非常强的计算机及相关专业的专业基础(jch)课程，是掌握微机硬件技术的入门课程之一。本课程的开设，旨在

2、培养学生有关微机应用系统设计的思维能力、实际动手能力，以及独立分析问题和解决问题的能力等。 通过该课程的学习，要求学生认识微机系统的基本工作原理和组成，掌握常用接口电路设计技术及基本应用程序设计方法，认识微机接口技术在工程中的实际应用，了解微机及其接口技术的最新发展，从而达到能独立从事微机应用系统开发的最终目的。共七十三页讲课内容: 微处理器芯片、指令系统、接口技术课程学时(xush): 共56学时,其中: 讲课40学时，实验16学时(8次） 考核办法采取平时、实验和期末考试综合(zngh)评定成绩平时成绩不低于总成绩的10%实验成绩不低于总成绩的20%共七十三页复习并掌握先修课的有关内容课堂

3、：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于(yngy)实践学习(xux)方法很重要共七十三页教材： 微机计算机技术及应用(yngyng) （第三版）2003 戴梅萼 史嘉权 编著 清华大学出版社出版参考书： 微型计算机技术 孙德文编著 高等教育出版社出版 微机原理与接口技术 邵鸿余 北京航空航天大学出版社 教材(jioci)、参考书共七十三页第一章 微型(wixng)计算机概述1-1关于微型计算机的简单(jindn)介绍1-2微型计算机系统组成共七十三页1-1-1 什么(shn me)是微机？微机就是PC机吗？ PC机只是微机中的一种，是我们(w men)最熟悉、最典型

4、的微机产品 微机的覆盖范围 任何电子产品，只要包含了CPU、存储器及I/O，且价格不高，都可以看作是微机 典型例子 电子词典、电视机、洗衣机、手机、mp4 关于微型计算机的简单介绍共七十三页1-1-2 微型(wixng)计算机的特点体积小、重量轻价格低廉可靠性高、结构灵活应用面广 科学计算，数据处理，事务管理，教学培训计算(j sun)辅助设计和制造，家庭娱乐，网络通信关于微型计算机的简单介绍共七十三页微处理器、微机和微机系统 微处理器：一般亦指CPU 严格地讲，微处理器 CPU CPU：ALU+控制部件 微处理器：CPU+寄存器组 微机：微处理器+存储器+输入(shr)/输出接口+总线微机系

5、统：微机+外围设备+软件1-1-3 微计算机系统的层次(cngc)关于微型计算机的简单介绍共七十三页关于微型计算机的简单(jindn)介绍1-1-4 微机(wi j)简史共七十三页微机(wi j)简史(1)前传巴贝奇分析机 采用了三个具有现代意义的装置：保存数据的寄存器（齿轮式装置）；从寄存器取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法以累次加法来实现；控制操作顺序(shnx)、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。 共七十三页1939年，阿塔纳索夫提出(t ch)计算机三原则：采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫还设计并试制

6、数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。微机(wi j)简史共七十三页微机(wi j)简史1940年，美国科学家维纳阐述(chnsh)了自己对现代计算机的五点设计原则数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。共七十三页微机(wi j)简史冯诺依曼 计算机体系电子计算机应该以二进制为运算基础，是电子计算机应采用“存储程序”方式工作，整个计算机的结构应由五个部分组成(z chn)：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。 输入设备输出设备控制器运算器存储器共七十三页微机(wi j)简史埃克特为ENIAC换电子管 ENIAC

7、1946：ENIAC永载史册(2)第一代计算机共七十三页微机(wi j)简史长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10件普通(ptng)房间的大小，重达30吨，它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关，耗电量150千瓦，。每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。 (而人最快的运算速度每秒仅5次加法运算)，还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。这样的速度在当时已经是人类智慧的最高水平。 共七十三页1959-1964：晶体管造就(

8、zoji)第二代计算机肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同(gngtng)获得诺贝尔物理学奖。微机简史共七十三页第二代计算机TRADIC 美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地(zhn d)也只有3立方英尺。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。 微机(wi j)简史共七十三页微机(wi j)简史IBM 7090 晶体管电脑(dinno) 第二代电子计算机的典型代表 共七十三页1964-1970：集成电路(jchng-dinl)使第三代计算机脱胎换

9、骨 1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时(tngsh)发明集成电路。 1969年，法庭判决基尔比(左)和诺伊斯（右）为集成电路的共同发明人 ，他们都因此成为微电子学创始人并获得巴伦坦奖章。 微机简史共七十三页微机(wi j)简史IBM S/360 -1964S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。开发S/360被称为(chn wi)“世纪豪赌”，IBM为此投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。共七十三页微机(wi j)简史1970：第四代计算机 从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用

10、大规模和超大规模集成电路(jchng-dinl)。随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、小型机和微型机。 格鲁夫、诺依斯和摩尔Intel公司成立于1968年， Intel这个字是由“集成/电子(Integrated Electronics)两个英文单词组合成的，象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达 共七十三页1971：微处理器时代(shdi)的开端1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国(yn u)经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”

11、之一。 微机简史共七十三页4004的样子(yng zi)很像小虫子4004的集成度只有2300个晶体管，功能其实比较弱，且计算速度较慢，以致(yzh)只能用在Busicom计算器上，更不用说进行复杂的数学计算了。不过比起第一台电子计算机ENIAC来说，它已经轻巧太多太多了。而且最大的历史意义是，它是第一个通用型处理器 微机简史共七十三页1972年4月，霍夫等人开发(kif)出第一个8位微处理器Intel 8008。 微机(wi j)简史共七十三页1973年8月，霍夫等人研制(ynzh)出8位微处理器Intel 8080 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器

12、，使用了基于6微米(wi m)技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。 微机简史共七十三页80861978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术(jsh)的晶体管，售价360美元。 微机(wi j)简史共七十三页8088：IBM PC的御用(yyng)之选 1979年，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088。它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有(xin yu)的8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问1MB内存地址，速度为0.33M

13、IPS。 微机简史共七十三页第一台IBM PC 早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来(huli)被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生 第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088，操作系统是Microsoft提供(tgng)的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。 微机简史共七十三页PC之父 IBM微电脑技术总设计师埃斯特利奇（Don Estri

14、dge）负责整个跳棋计划的执行，他的天才和辛勤工作直接导致了IBM PC的成功，并被后人尊称为“PC之父”。不幸的是，4年后“PC之父”因乘坐的班机遭台风(tifng)袭击而英年早逝，没能够亲眼目睹他所开创的巨大辉煌。 微机(wi j)简史共七十三页Intel 80286 1983年,Intel推出6MHz的Intel 80286微处理器，采用16位数据总线。它提供了保护模式操作(cozu)功能，最初的批发价为360美元。 微机(wi j)简史共七十三页80386进入(jnr)了32位机的时代 1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微处理器 微机(wi j)简史共七十三页I

15、ntel 486（1989） 微机(wi j)简史共七十三页Pentium（586）Intel于1993年3月推出奔腾(bntng)（Pentium）处理器 微机(wi j)简史共七十三页Pentium Pro，面向(min xin)工作站的处理器 （1995） 1995年11月1日，Intel推出Pentium Pro微处理器，采用(ciyng)了一种新的总线接口Socket 8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。 微机简史共七十三页Pentium MMX，支持(zhch)多媒体技术的奔腾（1996）Pentium MMX是英特尔在Pentium内核基础上改进，最大的特点(tdin)是

16、增加了57条MMX指令。这些指令专门用来处理音视频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。 微机简史共七十三页Pentium II，芯片(xn pin)封装有着巨大的改变（1997） Pentium II首次(shu c)引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。微机简史共七十三页 1999年1月，Intel推出奔腾(bntng)III处理器，其身份代码可通过Internet读取。 Pentium III ，增加(zngji)SSE指令（1999）微机简史共七十三页 2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户

17、使用(shyng)基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。这是目前空前强大的个人电脑处理器产品，仍然在继续销售中。微机(wi j)简史共七十三页 64位机2000年底推出P7（Iantium）：安腾 2001年底推出Mckinley：安腾2 主要(zhyo)应用：面向工作站和服务器 2003年9月 AMD公司发布了面向台式机的64位处理器：Athlon 64和Athlon 64 FX 微机(wi j)简史共七十三页共七十三页发展趋势：更宽、更

18、快、更强 更宽：字长(z chn) 更快：时钟更强：集成度，IC芯片内晶体管的数量共七十三页处理器型号高速缓存工作频率（MHz）晶体管数(万)工艺（m）发布年代8086无5-102.9319788088无5-82.93197980286无6-2513.41.5198280386DX片外16-4027.51198580486DX8KB25-661201-0.81989Pentium16KB60-2003300.8-.351993Pentium MMX32KB166-2334500.35-.281996Pentium Pro16KB+512 KB133-2005500.6-.351995Penti

19、um II32KB+512 KB233-4507500.35-.251997Pentium III32KB+256 KB450-140028000.181999Pentium 420KB+512 KB1300-3800125000.18-.092000Pentium D56KB+4MB2800-3600376000.09-.0652005Core 2 Duo64KB+4MB1600-3000291000.0652006共七十三页1-1-5 微型(wixng)计算机的分类1) 按构成分类2) 按CPU的字长分类3) 按主机装置分类关于微型计算机的简单(jindn)介绍共七十三页1) 按构成(gu

20、chng)分类单片机、单板机、多板机 单片机 将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上， 构成具备基本功能的计算机，称单片机。 特点：超小型、高可靠性、价廉 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等 产品：Intel 的8051、8096/8098系列 Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列关于微型计算机的简单(jindn)介绍共七十三页计算机应用通常分成(fn chn)如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人工智能，由于微型计算机具有如下特点体积小、价格低工作可靠、使用方便、通用性强所以，可以分为两个主要应用方向共

21、七十三页用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：单片机、工控机可靠性高、实时性强程序相对(xingdu)简单、处理数据量小共七十三页 单板机将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。 特点：结构简单、价廉 应用：过程控制、数据处理 产品：TP-801 以Z80CPU为核心的单板机 80年代各院校“微机原理”的实验机关于(guny)微型计算机的简单介绍共七十三页 多板机 把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上， 各印刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统

22、总线连接起来，构成多板机。 特点：见前面微型计算机的特点 产品：IBM PC/XT/AT、486机、Pentium机等 90年代以来各院校“微机原理”和计算机硬件 的实验机关于微型计算机的简单(jindn)介绍共七十三页2) 按CPU的字长(z chn)分类CPU的性能可以用两个(lin )主要参数来描述：速度：用CPU的工作频率表示，单位MHzCPU内部寄存器宽度：寄存器的位数宽度： 外部数据总线宽度：数据线的根数 地址总线宽度：地址线的根数 按CPU 的字长，微机可分为： 4位机、8位机、16位机、32位机、64位机CPU内部的寄存器宽度可用字长描述关于微型计算机的简单介绍共七十三页3)

23、按主机(zhj)装置分类桌上型：台式电脑便携型：笔记本、掌上电脑等关于微型(wixng)计算机的简单介绍共七十三页1-2 微型(wixng)计算机系统组成存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输出设备CPU共七十三页输入设备运算器控制器输入(shr)信息输出设备输出信息读出读出外存储器写入内存储器写入取出指令数据(shj)信息控制信息微型计算机CPU+内存+I/O接口外围设备中央处理器 CPU微型计算机系统组成共七十三页1-2-1 硬件(yn jin)部分微处理器：CPU 功能：取指令、分析指令、执行指令 组成： ALU：算术逻辑运算单元 控制(kngzh

24、)部件：控制(kngzh)核心 寄存器组：一种特殊的存储器件，其存储二进制数的位数通常与字长一致 内部数据通路：其宽度通常与字长一致 主要参数：字长、速度微型计算机系统组成共七十三页外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行(ynxng)速度。前端总线(FSB)频率实质上表示了CPU和外界数据(shj)传输的速度。数据(shj)交换速度（FSB数据(shj)带宽）/8。微处理器的几个重要概念主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU内数字脉冲信号震荡的速度。CPU的主频外频倍频系数。CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的 外频与前端总线(FSB)频

25、率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s。微型计算机系统组成共七十三页IORQRESET数据总线缓冲器/锁存器D15D0双向数据总线标志(biozh)寄存器指令(zhlng)寄存器寄存器选择锁存器算术逻辑单元ALU十进制调整多路转换开关通用寄存器阵列堆栈指针SP(16)指令指针IP(16)加1/减1地址锁存器地址缓冲器A19A0地址总线累加器（16位）暂寄存器（16位） 指

26、令译码器定时与控制中断请求写读I/O请求存储器请求等待时钟INTWRRDMREQWAIT内部数据总线微处理器典型结构共七十三页存储器： 功能：存放程序与数据 分类： 三级存储体系：内存、外存、缓存Cache RAM与ROM：分别存放数据和程序 虚拟存储器：通常由硬盘构成 组织形式： 存储单元：以字节为单位 单元(dnyun)地址：一组二进制数 地址宽度与单元数量的关系：2n 主要参数 容量(rngling) 速度微型计算机系统组成共七十三页微型(wixng)计算机系统组成各种( zhn)存储设备共七十三页I/O： 几个容易混淆的概念： I/O设备：具体实现功能的外设，如显示器 I/O接口：CP

27、U与外设之间的缓冲电路，如显卡 I/O端口：接口电路中的一些寄存器 为什么要使用I/O接口？ 因为外设与CPU存在速度(sd)、信息种类、格式以及信号电平高低上的差异 端口地址：与存储单元地址本质相同 端口种类：由CPU与外设之间传送信息的类型决定 三类端口：数据端口、控制端口、状态端口 端口宽度：由外设传输数据的能力决定微型(wixng)计算机系统组成共七十三页 按信号的作用，总线分为(fn wi)三类： 地址总线、数据总线、控制总线 存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输出设备CPU总线：BUS，就是(jish)计算机各部件之间传送信息的公共通道微型

28、计算机系统组成共七十三页地址总线 AB ( Address Bus) ：单向用来传送(chun sn)CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输出设备CPU微型(wixng)计算机系统组成共七十三页地址总线的条数(tio sh) 决定CPU的寻址能力。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M32根 232 22 230 4G36根 236 26 230 64G微型(wixng)计算机系统组成共七十三页数据总线 DB ( Data Bus )：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口

29、之间进行(jnxng)数据传送。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输出设备CPU微型(wixng)计算机系统组成共七十三页数据总线的条数决定(judng)一次可最多传送数据的宽度。 8 根 一次传送(chun sn) 8位16 根 一次传送 16位 32 根 一次传送 32位 64 根 一次传送 64位微型计算机系统组成共七十三页控制总线(zn xin)CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。 有的是CPU发出，如读控制(kngzh)信号、写控制(kngzh)信号； 有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。存储器I/O接口输