《微机原理与应用》课件

1、微机原理与接口技术主讲 易凡 武汉大学物理学院电子科学与技术系,第0 章本课程介绍,1. 本课程在计算机课程体系中的位置,硬件类,软件类,CPU及整机设计（计算机组成原理）,BIOS与接口驱动程序设计,模拟电路、数字逻辑电路设计,嵌入式/单片机系统,SOC芯片设计,计算机系统结构,外围接口电路设计,操作系统,编译系统,数据库,数据结构,C+,JAVA,离散数学,计算机系统综合设计,电子商务,多媒体技术,算法设计、数值分析、信号与系统、 计算机理论课程、数学基础课程,汇编语言,软件工程,VB,SOC（System On A Chip）系统级芯片,课程介绍,微机 原理 及 接口 技术,典型机型：I

2、BM PC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,2.本课程的教学目的,掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应用编程方法； 掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。 了解微机技术新的发展趋势，提高分析和设计接口的能力。 为微机的深入应用和嵌入式系统SOC设计等的学习与实践打下良好基础。,3.本课程的要求,学习微机各种接口电路的原理与作用，熟悉PC系列机接口电路； 掌握常用接口的设计与分析方法； 学会使用汇编语言和C语言对接口进行编程； 具有一定的动手实验能力和接口

3、应用程序的编写能力；,7,4.本课程的学习方法,特点：本课程涉及的知识范围广，内容多 1）以IBM PC/XT机基本结构这条主线，分析其基本结构，掌握各接口电路及可编程接口芯片的应用。 2）进一步扩展和延伸,4.本课程的学习方法,CPU从8086Pentium4，从实模式系统管理模式； 汇编语言CPU及接口直接控制，16位32位汇编； 总线PCI，USB等； 中断从实模式下的中断向量保护模式下的中断描述符；从传统中断PCI中断串行中断 芯片组从中大规模集成电路(8237、8254、8255、8259、8250、8251等）,4. 本课程的学习方法,3）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。 掌握

4、汇编语言编程方法 掌握x86系列寻址方式 掌握x86常用指令 学会x86汇编程序编写方法 掌握PC机接口程序的编写方法 充分利用课程实验和自修实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分析能力,第一章微型计算机概述,1.1 微型计算机的发展,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 微型计算机自20世纪70年代问世以来伴随着微电子学的发展，按CPU的字长和功能划分，她大致经历了5代演变,第一代(1971-1973)：4位和8位低档微机 以INTEL公司的4004、4040、8008微处理器组成的微机为代表。,

5、第二代(1974-1978): 8位中档微机 以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的的MC6800,Zilog公司的Z80微处理器组成的微机为代表。 如Apple-II微机,第三代(1978-1984): 16位微机 以8086、8088、 80286、 MC68000、 Z800微处理器组成的微机为代表 如IBM PC系列机,第四代(1985-1992): 32位微机。 80386、80486 32位PC机、Macintosh机、PS/2机,第五代：高档32位机及64位微机（1993后）,以 Pentium 、 Pentium II、 Pentium III 、Pent

6、ium 4为核心处理器的微机 其它芯片，如 AMD 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,微机发展概况,摩尔（ Gordon Moore ）定律,摩尔定律：“晶体管的大小将以指数速率变小，而集成到芯片上的晶体管数目将23年（1824个月）翻一番。”Gordon Moore，1965 * Gordon MooreInter公司的创始人，著名半导体科学家。,Gordon Moore 1965的预言已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？,1971/11 Intel 4004 2300 Transistors,1978/6 Intel 8086 29000

7、 Transistors 3m,2002/4 Pentium 4-2.2G 55Million Transistors 0.13m,2004/2 Prescott 3.4G P4125Million Transistors 90nm,Gordon Moore made his famous ,摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍,摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍,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， 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,1.1.2 微型计算机的应用,用于数值计算

8、、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-96,1.3 微型计算系统的组成,1.3.1 冯.诺伊曼( John von Neumann )计算机的结构,“存储程序”概念 ENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具备“存储程序”的功能 EDVAC（Electron

9、ic Discrete Variable Automatic Computer） 采用“存储程序”的概念，并付诸实现， “开创了整个程序设计时代的到来”,2.冯氏计算机结构：,冯.诺伊曼提出的“存储程序”、“程序控制”的概念奠定了现代计算机结构的基础 “存储程序”指将指令、数据以二进制形式存入计算机的存储器中。 “程序控制”指计算机自动取出并执行存储器中的指令、完成预定的操作。 计算机的硬件系统基本上由运算器、存储器、输入/输出( I/O )接口、和输入/输出设备、电源系统等组成, 如图1.1所示。,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成； 数据和程序以二进制代码形式存放；

10、控制器根据存放在存储器中的程序来工作。,一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。,2. 冯氏计算机的基本结构,原始数据和指令,计算结果,运算器 进行算术和逻辑运算的部件（arithmetic logic unit，简称ALU）,控制器 产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。,存储器 用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器或内存。,CPU (central processing unit) 中央处理部件，由运算器与控制器共同构成。 “ 主机 ” CPU与存储系统I/O接口电源系统等组成了计算机系统的“ 主机 ” 。 输入/输出设备被称为外部设备。,微

11、型计算机（microcomputer）,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,1.3.2 微型机的结构,微处理器（microprocessor） 微处理器是将运算器和控制器以及其它部件集为一体的大规模集成电路。,微型机的硬件结构,以CPU为中心，加上只读存储器（ROM）读写存储器（RAM）I/O接口电路和系统总线缓冲器组成。如图1.2所示。,微型计算机的几个重要部件： 微处理器（microprocessor unit ；MPU） 计算机的核心部件。它包括：算术逻辑部件（ALU）；累加器及通用寄存器组；程序计数器指令寄存器

12、和指令译码器；时序和控制部件,主存储器 可分为只读存储器（Read Only Memory ROM ）和随机存储器（Random Access Memory RAM）,总线（BUS） 是连接CPU与存储器I/O接口的公共导线，采用总线结构是微型计算机的结构特点之一 总线可分为三类：,地址总线（address bus） 它传输地址信息，用于寻址存储单元和I/O端口。用“AB”表示； 数据总线（data bus） 用于传输数据。用“DB”表示； 控制总线（control bus) 它向系统各部件发出（或接收）控制信号。用“CB”表示。,I/O接口与I/O设备 I/O接口是CPU与输入 输出设备进行

13、数据交流的中介电路。 I/O设备（输入/输出设备）通过I/O接口将程序和数据输入内存。 CPU通过I/O接口将运行结果及程序、数据送到输出 设备上。,主机板组成,微处理器子系统 8088：16位内部结构、8位数据总线、20位地址总线、4.77MHz主频 存储器 ROM-BIOS、主体为RAM I/O接口控制电路 8259A、8253、8237A、8255等 I/O通道 62线的IBM PC总线,总线结构,MPU,单总线,双总线,双重总线,全局总线,1.3.3 计算机系统的软件组成,计算机的软件可分为系统软件和应用软件 系统软件 包括使用和管理计算机本身的软件。如： 操作系统： DOS，Wind

14、ows 等； 数据库管理系统：FOXPRO，； 计算机网络管理软件； 语言处理、服务性软件,它是计算机用户在各自的业务领域中开发和使用的各种软件，是为解决某一个实际问题而编制的程序。例如：Photoshop，Word，WPS，金山词霸等。,应用软件,微型计算机的系统组成,明确3个概念的区别,微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片,微型计算机（Microcomputer） 通常指微型计算机的硬件系统 一般的说法：微机、微型机 微型计算机系统（Microcomputer system） 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系

15、统,1.4 微型计算机的主要技术指标,字长 指参与运算的数的基本位数，它影响着计算机的计算精度和运算速度 计算机的字长取决于CPU的字长 微机的字长通常为4、8、16、32、64位。,Intel 80 x86CPU的地址线条数,Intel80 x86地址条数存储容量 8086 20 1MB 8088 20 1MB 80286 24 16MB 80386 32 4GB,Intel 80 x86CPU的数据线条数,Intel 80 x86数据位数 8086 16 8088 8 80286 16 80386Pentium 432,主存（内存）容量,内存容量通常以字节(byte)作为基本单位 1 by

16、te=8 bit （位） 1KB=210byte 1MB=220 byte （字节） 1GB=230byte,以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标 计量单位为 MIPS（Million Instruction per second 每秒百万条指令）,运算速度,主频率 即机器的主时钟频率，取决与微处理器的频率。目前pentium 4芯片的频率已达几个G。 性能价格比 平均无故障时间,世界上第一台计算机ENIAC,返回,1971年，当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器4004，这是第一个用于计算器的4位微处理器。,返回,Intel4004和采用4004的计算器,返回,19

17、78年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086 。,返回,1982年Intel推出了划时代的最新产品80286芯片，它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。,返回,1985年Intel推出了80386芯片，它是80 x86系列中的第一种32位微处理器。 80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。,返回,1989年， Intel推出80486芯片，它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。 80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。,返回,Intel的第一代品牌CPU，Pentium，中文名称“奔腾”，采用PGA（Pin Grid Array Package，格栅阵列封装）封装方式,返回,2000年11月，INTEL发布了旗下第四代的Pentium处理器，也就是Pentium 4。它采用了全新的设计，包括等效的400MHz前端总线(100MHz4)、 SSE2指令集、256512KB的二级缓存，全新的超管线技术及NetBurst架构，起步频率为1.3