微机原理与接口技术：01第1章 微型计算机概述

微机原理与接口技术

2022/11/15微机原理及接口技术2课程安排总学时：72学分：4课堂教学：52实验：20起止周次：1-122022/11/15微机原理及接口技术3课程内容简介：微机原理重点以Intel8086微处理器为基础，系统介绍16位微型计算机的基本结构、工作原理。汇编语言以8086指令系统为基础，介绍基本指令和方法接口技术详细阐述存储器接口、中断技术、定时/计数、DMA技术、并行接口、串行接口、总线技术、模拟通道接口的原理等。2022/11/15微机原理及接口技术4第1章微型计算机概述计算机技术是21世纪发展最为迅速、普及程度最高、应用最为广泛的科学技术之一。自1946年世界上第一台计算机ENIAC在美国诞生至今，经过半个多世纪的发展，计算机已经渗透到国民经济和社会生活的各个领域，它极大地改变着人们的工作和生活方式，并成为推动社会前进的巨大动力。计算机按照其性能、体积和价格等不同，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六大类。

微型计算机诞生于20世纪70年代。由于它体积小、价格低，尤其是日益提高的性价比，使其迅速在各个行业及家庭中得到广泛的应用。

《微机原理与接口技术》是学习和使用微型计算机的基础。2022/11/15微机原理及接口技术5ENIAC第一台电子计算机叫ENIAC（中文名：艾尼亚克）（电子数字积分计算机的简称，英文全称为ElectronicNumericalIntegratorAndComputer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。ENIAC：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间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468真空管7,200水晶二极管,1,500中转,70,000电阻器,10,000电容器，1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法

2022/11/15微机原理及接口技术61.0微型计算机的发展概况1.1微型计算机的基本结构1.2微型计算机系统1.3微型计算机的运算基础本章内容安排：2022/11/15微机原理及接口技术71.0.1微型计算机的发展历史

在50余年发展史中，计算机经历电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路的发展历程。

但计算机真正的辉煌时期是从1971年第一片微处理器(Microprocessor)诞生之日开始的，在此后的30多年时间里，计算机以惊人的速度发展。

美国Intel公司的微处理器从4004，8080，8085，8086，80286，80486发展到Pentium，Pentiumⅱ，Pentiumⅲ，Pentium4，就80x86系列微处理器而言已经经历8代产品的更新。

并行处理的数据位数从4位，8位，16位，32位到64位，主频也从1MHz提高到4GHz以上。1.0微型计算机的发展概况2022/11/15微机原理及接口技术8第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代第六代（1997至今）：加强型Pentium时代

第七代：64位CPU时代若以字长和典型的微处理器芯片作为微型计算机的发展标志，微型计算机经历了以下几个发展时期：2022/11/15微机原理及接口技术9第一代（1971-1973年）：4位和8位微处理器时代典型产品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。特点:1.字长：4位或8位2.时钟频率：1MHz

CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，主频和实际的运算速度是有关的，但是CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。3.

采用机器语言编程 类似于MOVAX,BX之类的汇编语言，编译器遇到MOV就把它变成类似10011110的机器码2022/11/15微机原理及接口技术10第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代Intel8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOSTechnology的6502等。特点:1.字长：8位2.时钟频率：2～4MHz3.平均指令执行时间：1～2μs4.集成度：5000～10000管/片5.汇编语言、高级语言和操作系统2022/11/15微机原理及接口技术11第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000特点:1.字长：16位2.时钟频率：

5～40MHz3.平均指令执行时间：0.5μs4.集成度：20000～60000管/片2022/11/15微机原理及接口技术12第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点:1.字长：32位2.时钟频率：10～120MHz3.平均执行指令时间：0.2μs4.集成度：几十万～上百万管/片2022/11/15微机原理及接口技术13第1～4代微处理器的对比2022/11/15微机原理及接口技术14第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）

时钟频率：60/66MHz

运行速度：100万条指令/秒

集成度：310万管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro

时钟频率：166MHz以上集成度：550万管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔腾）2022/11/15微机原理及接口技术15

第六代（1997至今）：加强型Pentium时代1997年到1999年，Intel公司的PentiumⅡ、PentiumⅢ、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2001年底，PentiumⅣ主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主频及2GHz主频。2022/11/15微机原理及接口技术16第七代：64位CPU时代2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置2～4MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K82022/11/15微机原理及接口技术17

歌登.摩尔（GordonMoore）是Intel公司奠基者之一，他在1964年提出一个摩尔定率，摩尔定律说每18个月半导体集成电路里面晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18个月其性能会提升一倍，但价格不变。这个非常著名的摩尔定率，从1964年提出以来（尽管当时计算机集成电路芯片还没有出现），到1971年Intel公司首次做出第一块CPU4004芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，CPU一直是遵循摩尔定理在发展的，后来到1995年歌登·摩尔对摩尔定理稍微修改了一下，原来是每一年半（18个月）后来改成两年，也就是说每两年芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。

摩尔定律2022/11/15微机原理及接口技术18Intel的CPU的发展史Intel4004，Intel的发展史就是从这块CPU起步的。2022/11/15微机原理及接口技术19800880852022/11/15微机原理及接口技术20Intel80862022/11/15微机原理及接口技术2180286，Intel最后一块16位CPU2022/11/15微机原理及接口技术2280386，Intel第一代32位CPU486，这是Intel最后一代以数字编号的CPU2022/11/15微机原理及接口技术23IntelPentium，传说中的586IntelPentiumPRO2022/11/15微机原理及接口技术24IntelPentiummmx2022/11/15微机原理及接口技术25IntelPentiumⅱIntelCeleron，引发超频热潮2022/11/15微机原理及接口技术26IntelPentiumⅲ_KatmaiIntelPentiumⅲ2022/11/15微机原理及接口技术27IntelPentiumⅲTualatin/Coppermine2022/11/15微机原理及接口技术28最高8核？Intel最新桌面CPU路线图曝光顶级的Corei7-3960X将顶替原来Corei7990X的位置，Corei7-3960X同样拥有6个核心，默认频率3.33GHz，三级缓存达到15M，可通过TurboBoost加速至3.9GHz;集成的控制器支持四通道DDR3-1333内存，TDP为135W;同时Donanimhaber网站称Corei7-3980X有可能是Intel首个八核心桌面处理器。2022/11/15微机原理及接口技术29冯·诺依曼体系结构1.能把需要的程序和数据送至计算机中。(输入)2.必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。（存储）3.能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。（运算）4.能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。（控制）5.能够按照要求将处理结果输出给用户。（输出）1.1微型计算机的基本结构1.1.1微型计算机的结构特点2022/11/15微机原理及接口技术30微型计算机系统的工作是“取指令(代码)→分析指令(译码)→执行指令”的不断循环。这种结构的特点是：1、由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备五大部分组成；2、数据和程序以二进制代码不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制；3、控制器根据存放在存储器中的指令序列，即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能以计算结果选择不同的动作流程。2022/11/15微机原理及接口技术31图1-1微型计算机结构框图图1-1中微处理器MPU包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I/O接口和外设是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB联系在一起，统称为三总线结构。2022/11/15微机原理及接口技术32

1.1.2微处理器微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（CentralProcessingUnit）,本身具有运算和控制功能控制器：负责全机的控制工作；运算器：执行所有的算术和逻辑运算。微处理器是微型计算机的核心，多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能。2022/11/15微机原理及接口技术33CPU的功能：

1.进行算术和逻辑运算

2.能对指令进行译码并执行规定的动作

3.可暂存少量数据

4.提供整个系统所需要的定时和控制

5.能和存储器、外设交换数据

6.可以响应其他部件发来的中断请求2022/11/15微机原理及接口技术34CPU内部结构组成1.算术逻辑部件（ALU）处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算；2.累加器和通用寄存器组用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址；3.程序计数器（指令指针）指向下一条要取出的指令；2022/11/15微机原理及接口技术354.指令寄存器存放从存储器中取出的指令码；5.译码器对指令码进行译码和分析，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。6.时序和控制部件指令译码器对指令进行译码时，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要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。2022/11/15微机原理及接口技术36CPU的控制信号1.由CPU内部产生相应的控制信号：送到存储器、输入/输出接口电路和其他部件2.微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时候向CPU发出各种请求信号：如中断请求、总线请求等。2022/11/15微机原理及接口技术371.内存单元的地址和内容内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数：二进制有关的数据单位：位(Bit)：1位二进制数据，计算机存储信息的基本单位字节(Byte):每8位组成一个字节字(Word):16位双字(DoubleWord):32位1.1.3内存储器内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件,存放数据（包括原始数据，中间结果和最终结果）和程序。2022/11/15微机原理及接口技术38一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，为无符号整数，共20位，书写格式为16进制，如下图所示：2022/11/15微机原理及接口技术391514131211109876543210高位字节低位字节字存储内容为16位时，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址：

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2022/11/15微机原理及接口技术40字节34H12H

1EH2FH

0004H0005H1234H1235H

(0004)=1234H

(1234)=2F1EH((0004H))=2F1EH

如用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容用（X）表示，假如X单元中存放着Y,则（X）=Y,而Y又是一个地址，则可用（Y）=((X))来表示Y单元的内容。如：2022/11/15微机原理及接口技术41存储器地址与内容的重要知识点1.存储器以字节（8bit）为单位存储信息2.每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加13.地址也用二进制数表示（无符号整数，写成十六进制）4.若地址是16位，可表示216=65536=64K个地址，即0000H－FFFFH5.字长16位，一个字要占用相继的两个字节6.低位字节存入低地址，高位字节存入高地址7.机器以偶地址访问（读/写）存储器8.字单元地址用它的低地址来表示2022/11/15微机原理及接口技术422.内存操作CPU对内存的操作有读、写两种：1.读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部2.写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来2022/11/15微机原理及接口技术433.内存分类按工作方式不同，内存可分为两大类：随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)；

只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)；RAM可以被CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器；ROM中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入。2022/11/15微机原理及接口技术441.1.4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I/O设备，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具体的输入/输出手段；微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台；为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口(Interface)电路与主机系统相连。2022/11/15微机原理及接口技术451.1.5总线总线实际上由一组导线和相关电路组成，是各种公共信号线的集合，用作微机各部分之间传递信息所共同使用的“高速信息公路”。在CPU，存储器，I/O接口之间传输信息的总线称为“系统总线”。系统总线包括：数据总线(DB)，地址总线(AB)和控制总线(CB)。1.数据总线（databus,DB）数据总线用来传输数据信息，是双向总线；2022/11/15微机原理及接口技术462.地址总线（addressbus,AB）地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线；3.控制总线（controlbus,CB）控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等；其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但CB作为一个整体是双向的。2022/11/15微机原理及接口技术471.2.1微型计算机系统的组成一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，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，主要包括主机和外围设备。微型计算机软