第1章 微型計(jì)算機(jī)概述

微機(jī)原理與接口技術(shù)主講：陳飛

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安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院課程簡(jiǎn)介及要求

1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是工科自動(dòng)化及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。本課程幫助學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用；學(xué)會(huì)運(yùn)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；樹(shù)立起計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念；為后繼的軟、硬件課程做好鋪墊。

2.課程教學(xué)安排教學(xué)參考學(xué)時(shí)：72學(xué)時(shí)其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：14學(xué)時(shí)考試形式：筆試3.教材內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)基本知識(shí)與基本概念計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理微處理器與微型計(jì)算機(jī)的概念微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成及其應(yīng)用計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示、數(shù)制與編碼的應(yīng)用80X86微處理器微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器和I/O組織總線(xiàn)周期與操作時(shí)序指令系統(tǒng)與匯編語(yǔ)言指令的概念與尋址方式8086指令系統(tǒng)介紹匯編語(yǔ)言格式、基本表達(dá)、偽指令介紹匯編語(yǔ)言源程序的建立、編輯、運(yùn)行、調(diào)試匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的方法和步驟順序程序、分支程序、循環(huán)程序、子程序的設(shè)計(jì)中斷調(diào)用程序設(shè)計(jì)宏匯編與重復(fù)匯編存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的分類(lèi)存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)CPU與存儲(chǔ)器的連接輸入輸出和中斷技術(shù)I/O端口的編址輸入輸出的基本方法中斷基本概念8086/8088中斷系統(tǒng)8259中斷控制器常用數(shù)字接口電路接口電路概述可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253可編程并行接口8255可編程串行通信接口8251模擬量的輸入輸出模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉(zhuǎn)換器0832A/D轉(zhuǎn)換器08091.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況第1章微型計(jì)算機(jī)概述

1.2

計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3

微型計(jì)算機(jī)的基本概念1.5

微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.4

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1．第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

1946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）。重量30噸，占地170平方米，每小時(shí)耗電150千瓦，價(jià)值約40萬(wàn)美元。采用18000只電子管，70000個(gè)電阻，10000支電容，研制時(shí)間近三年，運(yùn)算速度為每秒5000次加減法運(yùn)算。

ENIAC的不足：運(yùn)算速度慢、存儲(chǔ)容量小、全部指令沒(méi)有存放在存儲(chǔ)器中、機(jī)器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差。2．馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

1946年6月，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（JoheVonNeumman）提出了“存儲(chǔ)程序”的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案。其特點(diǎn)是：采用二進(jìn)制數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)指令。指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，能自動(dòng)依次執(zhí)行指令。由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部分組成計(jì)算機(jī)硬件。工作原理的核心是“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”。按照這一原理設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑。

3．按邏輯部件化分的計(jì)算機(jī)發(fā)展階段按電子部件的演變經(jīng)歷了四代：（1）第一代（1946年~1958年）：電子管計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：體積大、耗電多、運(yùn)算速度慢，存儲(chǔ)容量?。?）第二代（1959年~1964年）：晶體管計(jì)算機(jī)

特點(diǎn)：體積減小，重量輕、省電、壽命長(zhǎng)、可靠性提高，運(yùn)算速度可達(dá)每秒百萬(wàn)次。（3）第三代（1965年~1970年）：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：存儲(chǔ)容量1~4兆字節(jié)。運(yùn)算速度每秒幾百萬(wàn)至千萬(wàn)次，可靠性有較大提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步降低，出現(xiàn)了向大型化和小型化發(fā)展的趨勢(shì)。（4）第四代（1971年-）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：大規(guī)模集成電路使計(jì)算機(jī)發(fā)生了巨大的變化，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的集成度越來(lái)越高。Intel公司推出了微處理器，誕生了微型計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度、可靠性、性能價(jià)格比等方面都比上一代計(jì)算機(jī)有較大突破。1.2計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)各部分的主要功能：（1）輸入設(shè)備：用于輸入原始信息和處理信息的程序。如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器和掃描儀等。（2）輸出設(shè)備：用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果及程序清單。如顯示器和打印機(jī)。（3）存儲(chǔ)器：用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器交換信息，是計(jì)算機(jī)中各種信息存儲(chǔ)和交流的中心。（4）運(yùn)算器：用來(lái)對(duì)信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。也稱(chēng)為算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心，用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)各部件的操作，使其協(xié)調(diào)一致地工作。計(jì)算機(jī)中的兩類(lèi)信息：一類(lèi)是采用雙線(xiàn)表示的數(shù)據(jù)信息流，它包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、計(jì)算結(jié)果和程序中的指令；另一類(lèi)是采用單線(xiàn)表示的控制信息流，它是控制器發(fā)出的各種操作命令。2計(jì)算機(jī)的工作原理

（1）存儲(chǔ)程序原理把事先編制好的由計(jì)算機(jī)指令組成的程序存放到存儲(chǔ)器內(nèi)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算時(shí)依次取出指令，根據(jù)指令的功能進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，這就是存儲(chǔ)程序原理。（2）程序的自動(dòng)執(zhí)行程序在執(zhí)行前先裝入內(nèi)存儲(chǔ)器，CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，分析識(shí)別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。程序的執(zhí)行流程：取指令—分析指令—執(zhí)行指令。1.3微型計(jì)算機(jī)的基本概念

1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展

將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡(jiǎn)稱(chēng)為微處理器（Microprocessor）。微型計(jì)算機(jī)是以微處理器為核心，再配上存儲(chǔ)器、接口電路等芯片構(gòu)成的。按照計(jì)算機(jī)CPU、字長(zhǎng)和功能劃分，經(jīng)歷了5代的演變:第一代（1971年～1973年）：4位和8位低檔微處理器第二代（1974年～1978年）：8位中高檔微處理器第三代（1978年～1980年）：16位微處理器第四代（1981年～1992年）：32位微處理器第五代（1993年以后）：全新高性能奔騰系列微處理器2微型計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

1．按照CPU的字長(zhǎng)來(lái)分類(lèi)有4位、8位、16位、32位、64位微型計(jì)算機(jī)等。2．按照微處理器器件的工藝來(lái)分類(lèi)可分成MOS工藝、雙極型TTL工藝的微處理器。3．按照微型計(jì)算機(jī)的利用形態(tài)來(lái)分類(lèi)

有單片機(jī)、單板機(jī)、多板機(jī)等。

3微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)介紹

位：這是計(jì)算機(jī)中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。字長(zhǎng)：是計(jì)算機(jī)在交換、加工和存放信息時(shí)的最基本的長(zhǎng)度。字節(jié)（Byte）：是計(jì)算機(jī)中通用的基本單元，由8個(gè)二進(jìn)制位組成。字：是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。主頻：也稱(chēng)時(shí)鐘頻率，是指計(jì)算機(jī)中時(shí)鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。訪(fǎng)存空間：是該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)單元數(shù)。指令數(shù)：構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的操作命令數(shù)?；局噶顖?zhí)行時(shí)間：計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所花的時(shí)間?？煽啃裕褐赣?jì)算機(jī)在規(guī)定時(shí)間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價(jià)格比：是衡量計(jì)算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成：

硬件微計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備微處理器內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線(xiàn)外部設(shè)備過(guò)程I/O通道軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序硬件系統(tǒng)是由電子部件和機(jī)電裝置所組成的計(jì)算機(jī)實(shí)體。硬件的基本功能是接受計(jì)算機(jī)程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務(wù)。軟件系統(tǒng)是指為計(jì)算機(jī)運(yùn)行工作服務(wù)的全部技術(shù)資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計(jì)算機(jī)硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶(hù)提供一個(gè)寬松的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作。2微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

微處理器CPU存儲(chǔ)器RAM接口電路時(shí)鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)總線(xiàn)（雙向）地址總線(xiàn)（單向）控制總線(xiàn)各組成模塊及其功能：

1．中央處理單元

中央處理單元CPU（ControlProcessingUnit）是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，是包含有運(yùn)算器、控制器、寄存器組以及總線(xiàn)接口等部件的一塊大規(guī)模集成電路芯片，俗稱(chēng)微處理器。

2．主存儲(chǔ)器

主存儲(chǔ)器是微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等各種信息的部件。按其功能和性能，可以分為：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnlyMemory）

3．系統(tǒng)總線(xiàn)

系統(tǒng)總線(xiàn)是CPU與其他部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道。根據(jù)傳送內(nèi)容可分成以下3種：數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB（DataBus）：用于CPU與主存儲(chǔ)器、CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。地址總線(xiàn)AB（AddressBus）：用于CPU訪(fǎng)問(wèn)主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備時(shí)，傳送相關(guān)的地址?？刂瓶偩€(xiàn)CB（ControlBus）：用于傳送CPU對(duì)主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備的控制信號(hào)。4．輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路也稱(chēng)為I/O（Input/Output）電路，即通常所說(shuō)的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計(jì)算機(jī)外部設(shè)備交換信息的橋梁。5．主機(jī)板

主機(jī)板也稱(chēng)為系統(tǒng)主板或簡(jiǎn)稱(chēng)主板。主機(jī)板上有CPU芯片、內(nèi)存槽、擴(kuò)展槽、各種跳線(xiàn)和一些輔助電路。

6．外存儲(chǔ)器

分為軟磁盤(pán)、硬磁盤(pán)、光盤(pán)存儲(chǔ)器。磁盤(pán)存儲(chǔ)器由磁盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器接口電路組成，統(tǒng)稱(chēng)為磁盤(pán)機(jī)。光盤(pán)存儲(chǔ)器是由光盤(pán)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和接口電路組成。7．輸入/輸入設(shè)備

計(jì)算機(jī)最常用的輸入設(shè)備是鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。計(jì)算機(jī)最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機(jī)。

3微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件是指支持計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序，以及開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)這些程序的各種技術(shù)資料的總稱(chēng)。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，它們形成層次關(guān)系。處在內(nèi)層的軟件要向外層軟件提供服務(wù)，外層軟件必須在內(nèi)層軟件支持下才能運(yùn)行。

系統(tǒng)軟件的主要功能是簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供服務(wù)。應(yīng)用軟件處于軟件系統(tǒng)的最外層，直接面向用戶(hù)，為用戶(hù)服務(wù)。應(yīng)用軟件是為了解決各類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題而編寫(xiě)的程序，包括用戶(hù)編寫(xiě)的特定程序，以及商品化的應(yīng)用軟件和套裝軟件。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言也稱(chēng)為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是人機(jī)交流信息的一種特定語(yǔ)言。在編寫(xiě)程序時(shí)用指定的符號(hào)來(lái)表達(dá)語(yǔ)義。

1.5微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

通常，微型計(jì)算機(jī)具備以下特點(diǎn)：功能強(qiáng)可靠性高價(jià)格低適應(yīng)性強(qiáng)周期短，見(jiàn)效快體積小、重量輕、耗電省維護(hù)方便

2微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

微型計(jì)算機(jī)按其復(fù)雜程度的不同，可適用于各種行業(yè)，從儀器儀表和家電的智能化，到科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)和事務(wù)處理、輔助設(shè)計(jì)、辦公自動(dòng)化、生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、人工智能、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算機(jī)輔助教育等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用