位微型計算機原理接口技術(shù)及其應(yīng)用第章

1、大家好主講人 祝 軒微型計算機原理與接口技術(shù)32位微型計算機原理接口技術(shù)及其應(yīng)用課程介紹：1、本課程教學目的和任務(wù) 本課程為信息學院電子信息工程、電子信息科學與技術(shù)、通信工程、電子科學與技術(shù)等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。它的任務(wù)是使學生掌握微型計算機的基本原理和結(jié)構(gòu)，匯編語言程序設(shè)計方法，內(nèi)存擴展方法，I/O口與CPU數(shù)據(jù)交換方式及中斷技術(shù)。為專業(yè)技術(shù)課所需的微機知識打下基礎(chǔ)。2、本課程的教學環(huán)節(jié) 本課程由理論教學和實驗教學兩部分組成： 理論教學：3學分（ 54學時）基礎(chǔ)理論課堂教學，配以習題的方式。 實驗教學：1學分（ 36學時）驗證、綜合和設(shè)計型實驗相結(jié)合的方式。（獨立考試）微型計算機原理與接

2、口技術(shù)3、本課程的學習方法 軟件與硬件的結(jié)合和交叉 前、后內(nèi)容的結(jié)合和交叉4、本課程的考核方法 筆試: 80%（期中20% +期末60% ） 考查: 20%（作業(yè)、到課等平時成績）5、 教材和教學參考書 教材： 史新福，32位微型計算機原理接口技術(shù)及其應(yīng)用，西北工業(yè)大學出版社。（第17,9章） 教參： 楊素行，微型計算機系統(tǒng)原理及應(yīng)用(第2版)，清華大學出版社 戴梅萼，微型計算機技術(shù)及應(yīng)用，清華大學出版社 周明德，微機原理與接口技術(shù)，人民郵電出版社 雷麗文，微機原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社微型計算機原理與接口技術(shù)32位 微機 原理 及 接口 技術(shù)課程介紹典型機型：IBM PC系列機基本系統(tǒng)：

3、80486 CPU和半導(dǎo)體存儲器I/O接口電路及與外設(shè)的連接硬件接口電路原理軟件接口編程方法字長：CPU與I/O設(shè)備、存儲器之間 一次傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)微型計算機原理與接口技術(shù)第一章 緒 論 1.1 概 述 1.2 運算基礎(chǔ)（自己復(fù)習） 1.3 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)（重點）第一章 緒 論 1.1 概述7 運算器 寄存器組 控制器 內(nèi)部總線 總線接口 緩存器 內(nèi)存儲器 系統(tǒng)總線 輸入輸出 接口電路外部設(shè)備 軟件微處理器微機系統(tǒng)微型計算機 回顧：微處理器、微型計算機和微機系統(tǒng)第一章 緒 論 1.1 概 述 8 一、計算機的發(fā)展 1、近代計算機1812年差分機1834年設(shè)計的分析機 由許多輪子組成

4、的保存數(shù)據(jù)的存儲庫；運算裝置；能對操作順序進行控制，并選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。查爾斯.巴貝奇 （英國） 第一章 緒 論1.1.1 微機計算機的發(fā)展概況9 現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼機：“存儲程序”的概念幾十年來，計算機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)沒有變。 英國數(shù)學家艾蘭.圖靈建立圖靈機（Turing machine）模型，奠定了可計算理論的基礎(chǔ)；提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念 。美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼論可計算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用（On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem）(1936年5

5、月28日提交） (19121954） 存儲程序通用電子計算機方案-EDVAC(Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter的縮寫),1945 第一章 緒 論2、電子計算機的問世1946年2月由賓州大學研制成功的ENIAC （電子數(shù)字積分計算機）- 電子計算機時代的到來 Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計算機重30噸占地170m2啟動工耗150千瓦18800個電子管70000個電阻1000個電容6000個開關(guān)保存80個字節(jié) 第一章 緒 論 11 3、 計算機的分代時代年份器件軟

6、件應(yīng)用一 1946-1958電子管機器語言 匯編語言 科學計算二1958-1964晶體管高級語言數(shù)據(jù)處理 工業(yè)控制 三1964-1971中、小規(guī)模集成電路操作系統(tǒng)文字處理 圖形處理四1971年迄今大規(guī)模集成電路數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等社會的各個領(lǐng)域（微型計算機時代）第一章 緒 論12 二、 微機的發(fā)展 發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第四代，產(chǎn)生了微型計算機。1971年Intel公司設(shè)計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，開創(chuàng)了一個全新的計算機時代。 第一代：4位及低檔8位微處理器及微型計算機 400440408008 第二代：中、低檔8位微處理器及微型計算機 Z80、I8085、M6800

7、，Apple-II微機 第三代：高、中檔8位微處理器及微型計算機 8086808880286，IBM PC系列機 第四代：16及低檔32位微處理器及微型計算機 8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 4；32位PC機、Macintosh機、PS/2機 第五代：高檔32位微處理器及微型計算機 Itanium、64位RISC微處理器芯片、微機服務(wù)器、工程工作站、圖形工作站 第一章 緒 論集成度、時鐘頻率Intel 4004Intel 8008Intel 8086Intel 80286Intel 80386Intel 80486第一章 緒 論P

8、entiumPentium MMXPentium ProPentium Pentium Pentium 第一章 緒 論奔騰系列：AMD K7 AthlonAMD K7 AthlonAMD K7 Athlon XP第一章 緒 論AMD (美國先進微電子器件公司)微處理器：CPU市場上的占有率僅次于Intel 摩爾定律:CPU性能平均每18個月增加一倍(主頻) 第一章 緒 論摩爾定律 晶體管數(shù)目每兩年增加一倍4200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931

9、995199719992000年萬晶體管第一章 緒 論18 4、 計算機的分類 按綜合性能指標分類巨型機：速度最快、處理能力最強. 大型、通用、較快、較強大型機：作“客戶機/服務(wù)器”的服務(wù)器 作“終端/主機”的主機 小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短 工藝先進、使用維護簡單 工作站：介于PC與小型機之間. 高分辨率、大容 量內(nèi)外存，圖形功能較強微型計算機：小、巧、輕、使用方便、價格便宜 中央處理器：一個芯片網(wǎng)絡(luò)計算機：基于Java技術(shù)的客戶機系統(tǒng) 第一章 緒 論19 5、 未來新型計算機1光計算機 利用光作為信息的傳輸媒體 2生物計算機（分子計算機） 生物計算機在20世紀80年代中期開始

10、研制，其最大的特點是采用了生物芯片3量子計算機 是指利用處于多現(xiàn)實態(tài)下的原子進行運算的計算機，這種多現(xiàn)實態(tài)是量子力學的標志。 第一章 緒 論20 一、微型計算機的特點 (1) 體積小，重量輕，耗電省；(2) 可靠性高；(3) 結(jié)構(gòu)靈活，使用方便；(4) 價格低；(5) 維護方便。二、微型計算機的分類 (1) 按字長：4位、8位、16位、32位、64位微處理器；(2) 按組裝形式：單片、單板、多板微機；(3頁)(3) 按應(yīng)用領(lǐng)域：控制、數(shù)據(jù)處理等；(4) 按制造工藝：MOS型、雙極型。第一章 緒 論1.1.2 微型計算機的特點和分類第一章 緒 論 字長: 是計算機字所含二進制位數(shù)。計算機字也就是

11、作為一個整體被一次傳送或運算最多的二進制位。 字節(jié)：八位二進制信息。1.1.3 微處理器的字長1.3 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)運算器 控制器 寄存器組 內(nèi)存儲器 總線輸入輸出接口電路外部設(shè)備 軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)第一章 緒 論 微型計算機系統(tǒng) 操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件 語言處理程序 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運算器控制器 主 機硬件 軟件中央處理器 內(nèi)存儲器 外存儲器外部設(shè)備 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 科學計算程序 信息管理程序 應(yīng)用軟件 輔助設(shè)計程序 文字處理程序 過程控制程序等第一章 緒 論微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.1 微型計算機的總體結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備 CPU 存儲器運算器ALU表示數(shù)據(jù)流表示控制

12、流第一章 緒 論微型計算機的組成 是計算機中最關(guān)鍵的部件，它由控制器、運算器、寄存器組和輔助部件組成。 運算器：用來進行算術(shù)運算和邏輯運算的元件。 控制器：從存儲器中取出指令、分析指令、確定指令類型并對指令進行譯碼，負責向其他各部件發(fā)出控制信號。 寄存器：用來存放當前運算所需的各種操作數(shù)、地址信息、中間結(jié)果等內(nèi)容。 1、微處理器CPU第一章 緒 論 一、微型計算機各組成部分功能 2、存儲器存儲器是計算機存儲數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，每個記憶單元由8位二進制位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。存儲器存儲器通常分為內(nèi)存儲器和外存儲器第一章 緒 論存放大量信息外存儲器 信息交流中心內(nèi)存儲器1110110111

13、00110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111存儲單元11101101存儲器一個字節(jié)地址十六個單元的存儲器第一章 緒 論111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011

14、110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:讀數(shù)據(jù)11001101存儲器的訪問過程：讀0001單元的數(shù)據(jù)第一章 緒 論n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00.0000地址00.0001地址00.0010地址00.0011地址111111為區(qū)分各內(nèi)存單元，每個內(nèi)存單元對應(yīng)有一個地址。 地址線上的數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼

15、后只有唯一的內(nèi)存單元被選中第一章 緒 論3、I/O接口微機系統(tǒng)中常用輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標器、掃描儀微機系統(tǒng)中常用輸出設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖儀CPU接口外設(shè)0接口外設(shè)1接口外設(shè)n第一章 緒 論系統(tǒng)總線:連接計算機的各部分地址總線AB :傳輸?shù)刂沸畔?shù)據(jù)總線DB :傳輸數(shù)據(jù)信息控制總線CB :傳輸控制信息如何連接？總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)第一章 緒 論二、微機各組成部分之間的連接方式系統(tǒng)總線（第八章）存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設(shè)備 CPU微機的三總線結(jié)構(gòu)總線帶寬：總線的條數(shù)，每條線代表一位二進制位第一章 緒 論地址總線:傳送的是地址單向 第一章 緒

16、 論數(shù)據(jù)總線: 傳送的是指令和數(shù)據(jù)雙向 第一章 緒 論 制造工藝的原因CPU結(jié)構(gòu)受到限制：* 引腳數(shù)的限制* 芯片面積的限制* 器件速度的限制1、引腳功能復(fù)用；（30頁） D0D7為數(shù)據(jù)雙向端口，由“讀/寫”控制信號決定數(shù)據(jù)流的方向2、單總線，累加器結(jié)構(gòu)(多數(shù))；3、可控三態(tài)電路；為避免總線沖突和信號串擾，不工作的器件所連的三態(tài)電路處于高阻。4、總線分時復(fù)用（節(jié)約管腳）。8086將A0A15 和D0D15共用管腳，以延長傳送時間為代價一、微處理器的結(jié)構(gòu)特點1.3.2 微處理器的基本結(jié)構(gòu)第一章 緒 論內(nèi)部數(shù)據(jù)總線控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線暫存器累加器ALU標志寄存器指令寄存指令譯碼時序和控制邏輯通

17、 用寄存器組地 址寄存器組地址總線控制數(shù)據(jù)總線控制1、算術(shù)邏輯單元（運算器）2、寄存器組3、指令處理單元（控制器）二、微處理器的基本結(jié)構(gòu)(22頁)第一章 緒 論三、 微處理器的工作原理：指令的執(zhí)行過程分為以下4個步驟 取指令：按照指令計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并送往指令寄存器。 分析指令：對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號，由地址碼確定操作數(shù)地址。 執(zhí)行指令：由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，完成該指令所要求的操作。 一條指令執(zhí)行完成，指令計數(shù)器加1 或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到。第一章 緒

18、論CLK第一章 緒 論處理器的基本結(jié)構(gòu)4, 12, 15 ,16 ,17, 18 , 20, 28P26-27作 業(yè)：第一章 緒 論微型計算機的常用術(shù)語和指標 位和字節(jié)位（bit）是計算機所能表示的最小基本數(shù)據(jù)單位字節(jié)（byte）由8個二進制位組成，通常用作計算存儲容量的單位，記作B.K是kelo的縮寫，計算存儲容量單位，1K=1024B；M是mega的縮寫，計算存儲容量單位， 1M=1024K；G是giga的縮寫，計算存儲容量單位， 1G=1024M；T是tera的縮寫，計算存儲容量單位， 1T=1024G。第一章 緒 論 內(nèi)存容量、 內(nèi)存空間內(nèi)存容量：實際配置的內(nèi)存大小，即內(nèi)存單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位。 內(nèi)存空間：又稱為存儲空間、尋址范圍，是指微機的尋址 能力，與CPU的地址總線寬度有關(guān)。 例：某微機配置2條128MB的SDRAM內(nèi)存條，其內(nèi)存容量256MB。(SDRAM是同步動態(tài)隨機存儲器: Memory工作需要同步時鐘，存儲陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數(shù)據(jù)讀寫 ) 注意：內(nèi)存空間與內(nèi)存容量的區(qū)別第一章 緒 論 主頻主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻