微机原理第1章

微机原理及应用主讲人

温淑焕在70年代后期，我国在部分高校中的自动化专业开始设置计算机原理课程。其内容主要是针对国产小型机如：DJS－130，DJS－154来讲授微机原理。随着微机技术的应用与发展，大量新技术的引入《微机原理》课程在高校自动化专业中陆续开设，且教学地位很快得到了加强和重视。原先的教材大都以Z80单板机（8位CPU）为教学模型机。

一、《微机原理》课程的发展在这些教材中，以清华大学出版社出版的由周明德教授编著的《微型计算机硬件软件及其应用》最为著名。与该课程相对应的实验也在各高校陆续开出。其实验设备以北京工业大学TP801单板机为主。随着16位机和32位机等高档微机的出现。以Z80为模型机的微机原理教材与实验成为了历史（15年），以Intel公司的80X86为CPU的微型计算机系统是最有代表性的主流机型。它所拥有的用户在计算机世界首屈一指。目前，自动化专业的微机原理的教材、实验基本上采用以8086/8088CPU为模型机，这些教材从教学深度和内容上也都有了较大的变更和扩充。8086/8088系统与286、386、486、586系统基本兼容，选用8086/8088系统能与目前应用最普及的计算机相应，以8086/8088CPU为模型机的微机教材和实验机型仍将在自动化专业起主导作用。二、本书的内容：

此书重点介绍微机工作原理，落脚点在于微机应用，不懂工作原理就不可能应用。此书基本原理的篇章有：指令系统（第三章），CPU的时序（第五章），主存储器（第六章）。

应用篇章：第七章的输入输出，第十章、第十一章的接口技术。其中接口技术的内容又有：并行接口（第十章）、串行接口（第十一章）、定时和计数（第九章）、ADC/DAC（第十二章）。

三、学好此门课的意义

前继课程具有数字电子/模拟电子的知识，同时这门课又为以后的单片机原理、PLC、计算机控制技术奠定基础，通过此门课的学习，可以使学生在软、硬件方面得到初步训练，为今后进一步学习打好基础。

微机

原理及接口

技术课程

介绍典型机型：IBMPC系列机基本系统：8086CPU和半导体存储器I/O接口电路及与外设的连接硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：复习、理解实验：认真去做学习

方法第1章第1章微型计算机系统概述教学重点

微型计算机的系统组成1.1微型计算机的发展和应用1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代1.1.1微型计算机的发展第1代：4位和低档8位微机4004→4040→8008第2代：中高档8位微机Z80、I8085、M6800，Apple-II微机第3代：16位微机8086→8088→80286，IBMPC系列机1.1.1微型计算机的发展（续）第4代：32位微机80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium432位PC机、Macintosh机、PS/2机第5代：64位微机Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站Intel486（1989）

Pentium（586）Intel于1993年3月推出奔腾（Pentium）处理器PentiumMMX，支持多媒体技术的奔腾PentiumMMX是英特尔在Pentium内核基础上改进，最大的特点是增加了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。PentiumPro，面向工作站的处理器

11月1日，Intel推出PentiumPro微处理器，采用了一种新的总线接口Socket8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。PentiumII，芯片封装有着巨大的改变

PentiumII首次引入了S.E.C封装(SingleEdgeContact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。

1999年1月，Intel推出奔腾III处理器，其身份代码可通过Internet读取。

2000年英特尔发布了Pentium4处理器。用户使用基于Pentium4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。微处理器主要特点摩尔定律

摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是著名的摩尔定律。这个趋势一直延续至今。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾®II处理器的750万个。1.1.2微型计算机的应用计算机应用通常分成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1.1.2微型计算机的应用用于数值计算、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、实时性强程序相对简单、处理数据量小

将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-961.1.3、发展的两大方向

提高性能内存增大，硬盘速度变快，如现在的理论上构造的基因型计算机。价格降低成本低，产品价格便宜。购买的人多。如：Intel民意调查表明，中国有5000万人想买微机，并且能买得起，占全世界想买微机人数的1/3。微软的比尔.盖茨专门针对中国制定的“维纳斯计划”，想使微软的操作系统买的象VCD(DVD)好，VCD发展的很快，主要是价格上的不断降低，性能不断变好。微型计算机的系统组成运算器

控制器寄存器组

内存储器总线输入输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统区别外频是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速度。前端总线(FSB)频率实质上表示了CPU和外界数据传输的速度。数据交换速度＝（FSB×数据带宽）/8。1微处理器的几个概念（了解）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100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。2主板类型

由于主板在系统中的特殊地位，因此它的种类是和CPU密切相关的。一般来说，现在市场上的主板类型主要有下面几类。一种是Pentium级主板，它的特点是采用Socket7的插座，可以供IntelPentium、PentiumMMX和与之管脚兼容的CyrixMII、AMDK5／K6／K6一2／K6—III等

CPU使用。所有种类的Socket7结构的CPU是否支持，主要由芯片组、BIOS版本等决定。

3主板的结构中央处理单元CPU主存MEMORY主板接口卡总线插槽存储子系统输入输出子系统3主板结构

根据主板不同结构和种类，主板上的部件的种类有所区别。但是主要部件都是一样的。具体来说，主板上的部件有：（1）CPU插座

（2）内存插槽（3）板卡扩展槽板卡扩展槽是用来接插各种板卡的，如显卡、声音卡、Modem卡以及网卡等等。板卡插槽目前尚在使用的有PCI、ISA和AGP这几种。

主板：总线主板：接口4、BIOS与CMOSBIOS：通常指用于修改CMOS内容的工具程序，这个程序固化在主板上的ROM中。它也包括如下程序：基本输入输出程序，系统信息设置，开机上电自检程序和系统自举程序。CMOS：用以存储BIOS设定内容的一颗IC元件。BIOS与CMOS的区别采用的存储材料不同

BIOS采用ROM芯片虽然现在采用了可擦写只读存储器（flashROM），即使更新也需要用特殊的方法，或者用紫外线照射擦写窗口，才能修改。

CMOS本身采用低供电电压可读写的RAM，需要不间断的电源供电，以维持其存储数据，否则，一旦掉电数据将丢失。存储的内容不同

BIOS中始终固定保存微机正常运行所必须的基本输入输出程序（BIOSsetupprogram）、系统信息设置（systemsetup）、开机上电自检程序（POST）和系统启动自举程序（systembootprogram）。

CMOS中存储着被固化工具程序BIOS修改过的系统的硬件配置和用户对某些参数的设定值。5硬盘的选购

(1)选购原则更大的单碟容量：能够实现的硬盘容量也越大。更快的硬盘速度：速度越快，噪音和发热量也会大，会相应增加制造成本。对于多数用户来说，选择主流的5400转高速硬盘已可满足需要。

更短的平均寻道时间：寻找相应数据所用的时间。目前主流产品平均寻道时间多在10ms以下。更多的数据缓冲：数据传输也相应要快。现在缓冲容量达到2MB。安全的防震系统和先进的数据保护技术。

（2）主流产品介绍

昆腾(Quantum)：火球七代(FireballEX)，火球八代(FireballCR)，火球九代(FireballPlusKA),火球九代是目前最好的超高速硬盘之一，值得购买。希捷：新产品之一是金牌MedalistST38420a，如果追求性价比，是不错的选择。缺点是发热量大。迈拓(Maxtor)：钻石六代、金钻二代，后者存取速度非常快，工作稳定性好，但整体发热量较大，噪音也不小。西部数据：此公司的WD产品具有良好的性能和先进的技术，是非常不错的选择。软盘早期使用的8英寸软盘已经淘汰，5.25英寸软盘基本上也已经被淘汰了，现在常使用的是3.5英寸软盘。

显示卡显卡是计算机的一个重要组成部分，它负责对来自CPU的数据进行处理，然后将其转化为模拟信号传给显示器，以达到控制显示器上每点的颜色和亮度的目的。现在的显卡（又称图形加速卡）更象一个协处理器，它能够对来自CPU的数据进行加速处理，以减轻CPU的负担。

目前的显卡按接口分为PCI和AGP两种。PCI(PeripheralComponentInterconnect)性能良好，兼容性好，使用方便、价格低，因而广泛应用于图形控制器（显卡）中。AGP(AcceleratedGraphicsPort)目前有两个显著特点：一是具有3D加速功能；二是支持视频输出。使得AGP取代PCI成为必然。显卡已经经历四代，未来显卡的发展方向：

技术参数NvidiaTNT2NvidiaTNT2-LCVoodooIII2000VoodooIII30003DlabsP3Savage2总线速度4X4X2X2X2X2X最大显存32MB32MB16MB16MB32MB32MB显存速度150MHZ125MHZ125MHZ166MHZ125MHZ125MHZRAMDAC250MHZ250MHZ300MHZ350MHZ270MHZ300MHZ芯片速度125MHZ100MHZ125MHZ166MHZ125MHZ125MHZ芯片带宽128bit128bit128bit128bit128bit128bit芯片型号如何正确选择显卡：首先考虑的是显卡的芯片类型，它决定了显卡的性能。如果只是做文字处理，用S3365即可；如果是普通家庭用户，玩游戏、看影碟，用SIS6326即可。其次是显卡的类型，早期的AGP显卡多为DMA方式，这种显卡只在速度上有所提高，但在性能上改进不大，DIME方式的显卡大幅度的提高显示性能。有些厂商为了节约成本，将AGP显卡上的视频输出端口拿掉了，所以购买时一定要看清是否带有此端口。第三考虑的是显卡所带的显存大小和能否扩充。第四应考虑的是显卡的生产厂家。最后还应看显卡上是否配有风扇。

显示器在计算机配件中，显示器无疑是和使用者关系最密切、寿命最长的部件了。在倡导健康、环保的今天，一台好的显示器尤为重要。因此，显示器领域一直是各大厂家竞争之地，相关的技术革新也从未停止过。从15英寸到17英寸，从球面到平面再到纯平，从CRT到LCD，在短短的几年里，显示器技术发生了翻天覆地的变化。比较有代表性的是以下几款高亮度的显示器产品：

NESO极光特丽珑（它的来头不小，采用的是SONY特丽珑显像管）。

三星的MagicBright：三星的显示器走的是平民路线，其销量一直名列前茅，采用的是自家的丹娜显像管。飞利浦显亮（LightFrame）二代三菱M2高亮度显像管

纵观显示器市场，纯平显示器已经在2001年出尽了风头，在消费群中日益普及，不再具有神秘感。就技术而言，纯平显示器发展到今天已经趋于成熟，难有革命性的突破。而LCD一下子还无法普及，如果经济比较宽裕，液晶显示器才是首选。光盘存储器光盘存储器是光盘和光盘驱动器的统称。只读型光盘（CD-ROM）近年来广泛用于办公和家庭中。光盘一般分为三种：只读型光盘、一次性写入光盘、可擦写型光盘，当然它也必须配备专用的可擦写光驱，但价格相对也贵了许多。现在技术的发展集中在了数字化视频光盘（DVD-ROM）上。机箱、鼠标、键盘机箱：在选择时要注意它的散热条件，电源系统是否稳定可靠，最近更考虑机箱的美观性。鼠标分为机械式、光电式等。机械式鼠标是通过鼠标下面的小球与桌面摩擦，来确定屏幕上的光标位置；键盘近年来已经研制出无线键盘。

1.2计算机基础微型计算机系统的三个层次微处理器CPU（寄存器（Registers））的特殊存储器集成在一片大规模集成电路之中微型计算机以微处理器+RAM/ROM+I/O接口（冯.诺伊曼结构）微型计算机系统以微型计算机＋硬件（外围设备）＋软件（控制微型计算机工作的）微机结构输入设备运算器控制器输入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电脑里有什么？位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B,是衡量计算机所容纳信息量多少的单位。位和字节（8页）数字编码1、二-十进制编码（BCD）例：83.1232.ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准代码） 采用7位二进制代来对一个字符进行编码，可表示128个字符。3.汉字编码：

CPU读操作、写操作（p14)

简单程序举例（p15)

例如：一张3.5英寸的软盘容量为1.44MB，它是否能存储1500000字节的内容？即表示该软盘可存储：1.44×1024×1024≈1509949字节1M＝1024×1024＝10485761.3计算机的硬件和软件微型计算机系统硬件软件微型计算机外围设备----系统软件程序设计语言应用软件、软件包、数据库微处理器内存储器输入/输出接口电路系统总线运算器控制器RAMROM数据总线地址总线控制总线键盘/显示器、打印机、磁带机、磁盘机、D/A、A/D转换监控程序、操作系统汇编程序解释程序编译程序机器语言汇编语言高级语言微型计算机的软件系统

操作系统MS-DOS

汇编程序MASM和LINK

文本编辑程序EDIT.COM

调试程序DEBUG.EXE（1）硬件是基础，软件依赖于硬件的存在而发生作用。（2）软件是灵魂，是硬件功能的扩充和完善。（3）硬件和软件相互渗透，相互促进，并可以相互转化。软硬件之间的相互关系图微型计算机的系统组成控制总线CB数据总线DB地址总线AB系统总线形成处理器子系统I/O设备I/O接口存储器系统总线BUS1.4微型计算机的结构微处理器子系统存储器I/O设备和I/O接口系统总线1.4.1微型计算机的外部结构总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组地址总线AB：传送地址信息数据总线DB：传送数据信息控制总线CB

：传送控制信息1、系统总线2、总线信号地址总线AB输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等举例举例特点内部数据总线控制总线数据总线地址总线暂存器累加器ALU标志寄存器指令寄存指令译码时序和控制逻辑通用寄存器组地址寄存器组地址总线控制数据总线控制1.4.2微处理器的内部结构算术逻辑单元（运算器）寄存器组指令处理单元（控制器）8086/8088的功能结构8086的内部结构从功能分成两个单元总线接口单元BIU——管理8086与系统总线的接口，负责CPU对存储器和外设进行访问执行单元EU——负责指令的译码、执行和数据的运算两个单元相互独立，分别完成各自操作两个单元可以并行执行，实现指令取指和执行的流水线操作1.5多媒体计算机多媒体技术利用计算机来综合、集成地处理文字、图形、图像、声音、视频、动画等媒体，而形成的一种全新的信息传播和处理技术。这种技术包括计算机屏幕显示、视频光盘、CD-ROM以及语言和声音的综合，同时在这些部件之间建立逻辑连接，从而使整个系统具有交互性。显然，多媒体技术使计算机进一步摆脱了“计算工具”的传统观念，成为处理各种信息的强有力工具。多媒体计算机世界上第一台计算机ENIAC返回长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。什么是微型计算机以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统微处理器（Microprocessor）微型计算机（Microcomputer）返回Intel4004和采用4004的计算器返回1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。

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