微机原理前言和第一章微机概论.ppt

1、1,微机原理与接口技术,2010年8月26日,2,1.教学内容和目标 1.1 教学内容 掌握微计算机基本概念的基础上，学习、了解微计算机发展的新技术。课程以Intel微处理器为背景，围绕“基础”、“主线”和“关键技术”开展教学。 掌握微型计算机的基本概念，以8086为例，介绍CPU、存储器、I/O接口、总线的结构、原理、时序、系统设计与编程，作为教学的基础； 2) 结合微处理器的发展历程，了解微型计算机在性能和速度方面不断克服瓶颈效应，采用的新技术和方法。如386的虚拟存储、Pentium的超标量流水线、指令分支预测技术、PCI总线等，将微型计算机的技术发展作为贯穿教学的主线； 3) 将微型计

2、算机的关键技术如存储管理、中断、DMA、系统总线、与外设的接口等，作为教学的重点，掌握微型计算机关键技术的要点和应用方法。,序 言,3,通过本课程的学习，将会有以下目的。 1) 对微型计算机有整体概念，而不是拘泥某一代处理机，在掌握基本概念和原理的基础上了解最新技术。 2) 掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术。接口设计和编程方法。 3) 通过本课程的课堂教学、实验、课程设计，培养几种能力：时序分析及接口设计能力、系统设计编程以及硬软件调试能力、自学能力 。,1.2 教学目标培养能力,4,1.3 本课程在计算机科学与技术专业课程的位置,5,2.1 注意基本能力的培养; 通过本课程学习建立微

3、型计算机的整体概念，在掌握 基本概念和原理的基础上了解微机发展的最新技术。 熟练掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术, 接口设计和编程方法。提高时序分析及接口设计能 力、系统设计编程以及硬软件调试能力。 2.2 课程教学安排 1.教学学时：60学时 2.实验学时：14学时 3.微型机接口技术课程设计:2周;成绩(独立计算),2 教学要求,6,4、微机原理与接口技术课程N+2的N的内涵,1.期中阶段考试;2. 阶段测验; 3.课程小论文,7,3.1 戴梅萼微型计算机技术与应用从16位到32位（第五版） 清华大学出版社 3.2 田艾平等,微型计算机技术清华大学出版社 3.3 艾德才Pentiu

4、m系列微型计算机原理与接口技术,高等教育出版社 3.4 杨全胜现代微机原理与接口技术(第二版),电子工业出版社 3.5 孙德文微型计算机技术， 高等教育出版社 3.6 潘新民微型计算机原理.汇编.接口技术,希望电子出版社 3.7 马维华微型计算机及接口技术科学出版社 3.8 易先清微型计算机原理与应用电子工业出版社,3 参考书,8,第1章 微型计算机概述,9,人们通常按照计算机的功能、体积和价格将它们分为微型机、小型机、中型机和大型机。微型机的产生与发展是与大规模集成电路的发展分不开的。由于采用了集成度相当高的大规模集成电路和超大规模集成电路，使得微型机的体积小，重量轻，价格也相对低廉，因此应

5、用更加广泛。但从基本工作原理和系统结构上说，微型机和小型机、中型机、大型机等几类计算机没有本质上的区别。,第一章 概述,10,最早的电子计算机由电子管组成，被称为第一代计算机，那时电子计算机的一台主机，就要占用几个房间。第二代计算机是晶体管计算机，它也有衣柜大小。集成电路的诞生，不仅使计算机的体积大大缩小，计算速度和功能也大大增强。如果将集成电路计算机归为第三代，那么第四代就是基于大规模和超大规模集成电路的计算机。在微处理器刚刚起步的七十年代，人们将基于微处理器的计算机称作微计算机，随着技术的进步，微处理器被广泛应用在各种类型的计算机中，多个Pentium处理器组成的工作站，功能比普通PC强出

6、很多。这种按照组成计算机的元器件来界定的方法又模糊了。目前，严格界定什么是微型计算机变得有些困难。但是，不约而同，大家把台式计算机一类的个人计算机、结构相对简单的工业控制计算机等等统称为微型计算机。,1.1 什么是微型计算机,11,微处理器是微型计算机控制和处理的核心。如图 所示，微处理器的组成主要有个三部分： 算术逻辑部件ALU，执行算术运算和逻辑操作。 控制部件，产生一定的时序，控制指令所规定的 操作的执行。 寄存器，用于存放指令、操作数和中间结果等。 这三个部分通过微处理器的内部总线相连。 随着微电子技术的发展，特别是超大规模集成电 路技术的发展，微处理器的性能越来越强，工作频率 越来越

7、高。从Intel公司的世界上第一个四位微处理 器4004，到今天功能强大的Pentium 4，其功能已经 与小型、中型乃至大型机相差无几。,1.2 微处理器、微计算机、微计算机系统,12,图1-1 微处理器,13,微计算机是微计算机系统的主体。微计算机的组成可以分为4个基本部分： 1.微处理器。微处理器是微计算机执行指令的核心部件。 2.主存储器。存储器是存储信息的部件，用来存储当前正在使用的程序和数据。 3.I/O接口。微计算机和外部设备之间的联系是通过I/O接口实现的。如显示器的接口、外存储器的接口等。 4.总线。总线是联系微处理器和其他部件的链路。总线分为地址总线、数据总线和控制总线，分

8、别用于传输地址、数据和控制信息。,14,图1-2 微计算机,15,微型计算机系统可以分为硬件系统和软件系统。硬件系统是由微型计算机所包含的基本硬件， 和为用户提供人机交互手段以及大规模数据存储能力 所配置的外部设备组成。常见的外部设备如键盘、鼠 标、显示器、硬盘、打印机等等。软件系统包括系统软件、编译程序、数据库管理 软件和各种应用软件等。系统软件用于有效地管理计 算机系统的各种资源，合理地组织计算机的工作流程, 并为用户提供友好的人机接口。最常见的系统软件如 操作系统。微计算机系统只有在硬件系统与软件系统相互 配合下才能正常而有效地工作。,16,图1-3 微计算机系统,17,随着微电子技术的

9、发展，微型计算机的技术日新月异。微 处理器和其它功能单元遵循摩尔定律，每隔两年集成度和性能 增长一倍，价格却下降一半。70年代初期,Intel公司推出第一 个通用的8位微处理器8080，它由三片集成电路组成，总的晶 体管数约为5千个，数据线宽度为8位，地址线为16位，最大寻 址空间64K字节。它共有78条指令，主频只有1MHz。当时微处 理器组成的微机系统价格十分昂贵,微处理器控制的电器还十 分鲜见。仅仅十几年后的今天， 单片的Pentium 4集成了大约 4千2百万个晶体管。P4是32位微处理器，外部数据总线的宽度 为64位，最大寻址空间为64G字节，主频高达2200MHz，运行速 度约为每

10、秒30亿条指令。组成的系统远远超出了早期中型乃至 大型机的性能。由于价格低廉，使得基于P4的微型计算机可以 在中小学校以及大学生中普及。谈及微处理器的应用，小至微 处理器控制的玩具、家电、通信设备，大至互联网、用于航空 航天的卫星、火箭控制，在当前信息时代微计算机中无处不 在。下面以Intel系列微处理器为例，回顾微计算机发展的历 程。,1.3 微型计算机的发展概况,18,1.3.1 Intel 系列微处理器,Intel在1969年第一次开始开发微处理器。该微处理器是Intel为日本计算器制造商Busicom（上图左）开发的一套可编程计算器项目的一部分。Busicom最初为这个计划提供12种定

11、制的芯片。但一位Intel的工程师Ted Hoff（下图）提出了多功能逻辑设备的概念，它可能是一个更好更有效的解决方案。正是由于他的提议才使4004微处理器得以开发。,19,1. Intel 4004,Intel于1971年11月15日将4004微处理器推向了世界市场。当时每个4004微处理器的售价是299美元。,1972年4月1日，Intel推出了8008微处理器，此处理器拥有相当于4004两倍的处理能力。当时此处理器使用在Mark-8的设备用中，而这个Mark8也恰恰是世界上首批家用电脑的一种型号。但按照现在的标准，Mark-8是一个难以制造、维护和操作的电脑。8008处理器的晶体管数量为

12、3500个，工作频率为200KHz。,2. Intel 8008处理器,1974年4月1日，Intel推出了8080处理器，这种处理器成为世界上首台个人电脑“Altair”的“大脑”。Altair这个名称按照星际旅行电视节目的说法是源于一个星际飞船计划的目的地的名称。电脑爱好者可以花395美元购买一套Altair。在短短数月内，Altair销售了成千上万台，因销量远超预计而造成了历史上首次个人电脑销售的延期交货。Intel 8080处理器晶体管数量为6000个，工作频率为2MHz。,3. Intel 8080A处理器,22,1978年：Intel成功的研发了8086-8088微处理器，并成功地

13、将8088销售给IBM，使8088芯片成为了IBM新一代主打产品-IBM PC的中央处理器。也正是因为8088的这次关键的销售使Intel进入世界企业500强的行列。同时，Intel入选财富杂志70年代商业胜利者之一。8088芯片的晶体管数量为29000个，工作频率为5MHz, 8MHz, 10MHz共三个档次。,4. Intel8086/8088处理器,1982年：Intel再接再厉推出了80286微处理器，80286微处理器就是我们俗称的286处理器，是Intel的首个具有完全兼容性的处理器。即所有为286以前的Intel的处理器写的程序均可运行在286上。这种软件的兼容是Intel微处理

14、器发展过程中的一个里程碑。经过6年的销售，在全世界估计有1500万装有286微处理器的个人电脑。80286处理器的晶体管数量为134000个，工作频率为：6MHz, 8MHz, 10MHz和12.5MHz。,5. Intel 80286微处理器,1985年：为适应企业的全球化发展，Intel于1985年秋以一种特殊的形式在伦敦、慕尼黑、巴黎、旧金山和东京同时发布了Intel 80386微处理器。该处理器不是一种由以前的Intel微处理器进化而来的一个产品，相反，它是一种革命性的产品。它是一个32位的芯片，拥有275000个晶体管，每秒可以处理500万条指令，并且可以运行所有流行的操作系统包括W

15、indows。同时，它还是一个多任务的微处理器，也就是说，它可以同时处理多个程序。80386处理器的工作频率为：16MHz, 20MHz, 25MHz和33MHz。,6. Intel 80386微处理器,1989年Intel推出了80486CPU微处理器，486处理器的应用意味着用户从此摆脱了命令形式的计算机，进入到一个选中和点击的计算机时代。Intel的486处理器首次增加了一个内置的数学处理器。由于这个数学协处理器可以将复杂的数学运算功能从中央处理器中分离出来，所以它可以增加微处理器的运算速度。80486处理器的晶体管数量为120万个，工作频率为：25MHz, 33MHz或者50MHz。,

16、7.Intel 486处理器,1993年：Intel推出了拥有310万个晶体管的奔腾处理器，当时被Intel称为可以使真实世界的数据很容易地被包括进计算机内的产品由于奔腾处理器与早期的Intel微处理器兼容，所以它被期望的名字是Intel 586处理器。然而，Intel不能阻止模仿者使用相同的命名系统来命名他们的产品，因此，Intel决定选择一个更容易被保护的名字，最终选择了Pentium 奔腾，其工作基频为、60MHz或者66MHz。,8. 划时代的Pentium处理器,1997年:Intel推出了整合750万晶体管的Pentium II处理器，而此处理器采用了在Pentium MMX处理器

17、中得到一致好评的MMX多媒体预处理器技术，该技术可以是视频、音频和图象更有效地被处理。同时，奔腾II还采用了一种创新的单边接触(S.E.C)的封装设计。在封装中除了搭载微处理器芯片，并且同时整合了高速的缓冲存储芯片。Pentium II处理器的工作基频为66Mhz或者100Mhz。,9. Pentium II处理器,1999年: Intel的Pentium III处理器可以说是Intel一个全新的产品，其采用了创新的0.25生常工艺，并支持70条SSE（互联网或多媒体扩展）新指令。这些指令极大促进了处理器处理高级影像、三维、流音频、视频和语音识别的能力。Pentium III处理器的晶体管数量

18、为950万个，工作频率从450Mhz一直到目前最高的1.26GHz,10. Pentium III处理器,2000年：Intel推出了最新一代的产品Pentium 4处理器，此处理器拥有4200万个晶体管，制造工艺了提高到了0.18微米。Intel的第一代的微处理器4004的频率只为108000赫兹，而现在的奔腾4处理器的最初速度就高达1.5千兆赫兹。因此其综合的性能都是较前几代产品有本质的变化的，也正是Pentium 4处理器的推出，Intel才真正让我们步入了Ghz处理器的时代。Pentium 4处理器的工作频率为：1.30GHz, 1.40GHz, 1.50GHz, 1.70GHz, 1

19、.80GHz和最新的2GHz。,11. Pentium 4处理器,31,12. Core Duo 2 微处理器,Core Duo 2（中国译为酷睿2）是英特尔推出的第8代X86架构微处理器，它采用全新的Intel Core微架构，取代由2000年起大多数英特尔处理器采用的NetBurst架构。Core 2亦同时显示出英特尔自2003年起出现Pentium M以来，于行动处理器及台式机处理器两个品牌的重集成。 Core Duo处理器内核芯片中内含1.51亿个晶体管，包含分享所搭载的2MiB L2高速缓存。此一L2高速缓存与两颗独立运算内核之间沟通、协调的方式，乃是通过一称为“仲裁总线单元”进行数

20、据或信号的访问，,33,Intel Core 2 Duo 微处理器,摩尔定律，是由Intel的创始人戈登摩尔通过长期的对比，研究后发现：CPU中的部件（我们现在所说的晶体管）在不断增加，其价格也在不断下降。“随着单位成本的降低以及单个集成电路集成的晶体管数量的增加；到1975年，从经济学来分析，单个集成电路应该集成65000个晶体管。”Intel此后几年的发展都被摩尔提前算在了纸上，使人们大为惊奇，“摩尔定律”也名声大振。为了让人们更直观地了解摩尔定律，摩尔及其同事总结出一句极为精练的公式 “集成电路所包含的晶体管每18个月就会翻一番”。,摩尔定律,之后的芯片内集成的晶体管数量也证实了他的这句

21、话，并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看，在1965年推出的10微米（m）处理器后，经历了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米，而0.045微米的制造工艺将是目前CPU的最高工艺。以下我们就来简单的见证一下Intel CPU工艺制程一路走来的风雨历程。,36,一、选择题 1.8086是( )。 A.单片机 B.单板机 C.微处理器 D.微机系统,分析：8086是Intel公司80X86系列微处理器的最早产品。 答案：C,2.单片机是( )。 A.微处理器B.微型计算机 C.微机系统D.中央处理器,分析：单片

22、机是单片微型计算机，它集成了构成一个微型计算机所必备的微处理器(CPU)、内存储器以及I/O接口。答：B,课堂练习与思考：,37,二、填空题 1.计算机由五大部分组成，分别是 、 、 和 。,2.70年代初，美国Intel公司在世界上首先推出了4位并行运算的单片处理器 和8位处理器 。,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,4004,8008,5.微处理器由三大部分组成，它们是 、 和 ，这三部分之间的信息交换是通过 来实现的。,ALU,控制器,寄存器阵列,总线,38,通用微型计算机的硬件由五个部分组成： 中央 处理器、 内存储器、 外存储器、 输入/输出设备和 总线。图 1- 3 所示

23、为通用微型计算机系统结构。 1. 内存储器 微型计算机系统的内存储器由大规模集成电路芯 片（LSI）或超大规模集成电路芯片(VLSI)构成,主要 用来存储数据和程序。内存储器中存放着两类信息： 一类是待处理的数据和运算结果，另一类是处理数据 的程序。 待处理的数据有不同类型: 数值计算的原 始数据为一般数值型数据；文字处理的原始数据为字 符型数据； 而图像处理方面的原始数据则为像素等 等。 程序也依用途、 功能和数据类型不同而不同。,1.4 微型计算机的硬件系统,39,40,1. 内存储器,41,2. 外存储器,42,3. 微处理器,整个微机的核心是微处理器(up, MPU)，也称CPU。它包

24、含算术逻辑部件ALU、寄存器组及控制部件。,ALU ： 算术运算、逻辑运算,寄 存 器：存放操作数、中间结果、地址、标志等信息,控制部件：整个机器控制中心，包括程序计数器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制信息产生电路。,43,4. 输入设备,微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。,44,5. 输出设备,微型计算机常用的输出设备有CRT显示器、打印机和绘图仪等。,45,注意：由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能把它们简单地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的缓冲、

25、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为“卡(Card)”，由卡的一侧 引出连接外界的插座，另一侧 做成插入端，只要将它们插入总线槽(I/O通道)就连到了系统总线。,46,6. 系统总线,所谓“总线”，是指传递信息的一组公用导线。系统总线(System Bus)是指从处理器子系统引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：,数据总线：DB(Data Bus),地址总线：AB(Address Bus),控制总线：CB(Control Bus),47,地址总线(Address Bus)：,传送地址信息、

26、CPU在AB总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口地址、该总线为单向，地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存单元范围。,48,数据总线(Data Bus)：,传送数据信息的总线。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过DB总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过DB总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。,49,控制总线(Control Bus)：,传送控制信息的总线。其中，有些信号线将CPU的控制信号和状态信号送往外设，外设请求或联络信号送往CPU，个别信号线兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号，它们可能是输出、输入或者双向的。,50,系

27、统总线使用特点：,(1) 在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。,(2) 在连接系统的各个设备中，某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可以有多个设备从总线同时获得信号。,51,是一种用于控制的微处理器芯片，其组成实际是由微型计算机的CPU、部分存储器和输入/输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。,(1).单片微型机(单片机)：,常用于家用电器、智能化仪表、工业测量。,7. 微型机类型,52,(2).单板微型机(单板机)：,把微处器芯片、存储器芯片、

28、I/O接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入/输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。,常用于过程控制。,53,计算机软件系统（简称软件）应包括计算机运行所需的各种程序、数据、文件、手册和有关资料。凡不配软件的计算机称为“裸机”。 软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件用来支持应用软件的开发与运行，它包括操作系统、实用程序和语言处理程序。应用软件是用来为用户解决某种应用问题的程序及有关的文件和资料。 硬件、系统软件和应用软件相互之间的关系如图 1- 6 所示。 图中表明计算机的基础是硬件，在此基础上建造了一层系统软件（操作系统和应用程序），再在系统软件的基础上又建造各

29、种语言处理程序。在此基础上，应用软件的开发与运行就十分方便。 最外层是用户，用户通过应用软件使用计算机。 用户与应用软件之间通过键盘、显示器等设备与计算机通信。,1.5 微型计算机的软件系统,54,图1-5 微型计算机层次结构,55,1. 操作系统 在管理计算机各模块协调动作的程序中，规模较大、功能较强、结构复杂的程序称为操作系统（Operating System）。而简单一些的管理程序（如单板机管理程序）称为监控程序（Monitor Program）。不管是操作系统还是监控程序， 其主要作用有两点： (1) 方便用户使用计算机。操作系统为使用者提供一套方便地使用整个系统的手段， 因此，可把操

30、作系统看作是用户和计算机系统间的接口。 (2) 提高计算机使用效率。用户通过操作系统提供一套功能很强的命令（操作系统语言），调用有关程序来使用计算机。 为此，用户在不需要熟悉计算机硬件的情况下，只要熟悉操作系统的各种命令就能方便高效地使用计算机。,56,操作系统实际上是一个相当大的程序系统， 它本身又由许多程序组成， 这些程序分别管理磁盘、输入输出、CPU、内存储器以及处理中断等等。此外，各种实用程序、语言处理程序以及应用程序都在操作系统的管理和控制下运行。 操作系统把所有的硬件和软件都协调地管理起来使计算机各个部件协调地按要求发挥自己的作用。 操作系统通常都由生产厂家提供，例如常用单用户操作

31、系统MSCD*2DOS，分时、多用户UNIX系统以及基于图形用户界面的Windows 95、 Windows 98和Windows 2000等。,57,2. 语言处理程序 计算机语言是人与计算机进行交流的工具。人们将需要计算机完成的工作编成程序，准确地告诉计算机。计算机只懂得机器语言，而用机器语言编制程序非常麻烦，且效率低，易出错， 读起来也非常困难。为此，人们很自然想到利用计算机本身的分析处理能力，让它承担繁琐乏味的工作。最初人们把指令的操作码和地址码都用易于记忆的助记符表示，以摆脱二进制的麻烦， 这就是汇编语言。它比直接采用机器语言编制程序要方便些， 但还不够，于是人们又想到一种接近人的思

32、维习惯，易于人所理解和描述解题方法的程序设计语言，这就是所谓高级语言。机器语言和汇编语言称为低级语言。经过不断完善发展，高级语言有两百多种，其中被广泛使用的有BASIC、FORTRAN、COBOL、 PASCAL、C语言、VB、Java和C+等十多种语言。 ,58,3. 应用软件 操作系统和语言处理程序均属系统软件范围， 它为用户提供了一个良好的开发和使用环境，使应用软件的开发、使用更容易，效率也更高。但系统软件本身不能用于解决某些特定的应用问题。专为解决某些特定问题而设计的软件称为应用软件。 不管计算机的硬件和系统软件多么好，若没有完成特定任务的应用软件，整个计算机系统将毫无用处。要开发具有实用意义的应用软件并不容易，编制一个较复杂的应用软件要花费相当可观的人力、物力和时间。较好的方法是尽量选用商品化的应用软件包，以避免重复劳动。,59,微型计算机性能优劣由它的系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配备是否齐全等因素决定。只有综合各项