第1章 微機(jī)原理(講)

上本課之前電子電氣和計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域在20世紀(jì)經(jīng)歷了四次重大的技術(shù)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移：一是由電力傳輸與旋轉(zhuǎn)機(jī)械向電子學(xué)轉(zhuǎn)移；二是由電子管向半導(dǎo)體以及由分立元件向集成電路轉(zhuǎn)移；三是由模擬電子向數(shù)字電子轉(zhuǎn)移；四是由固定的向可編程的數(shù)字硬件轉(zhuǎn)移。電子信息科學(xué)及其基礎(chǔ)知識(shí)領(lǐng)域主要由四個(gè)知識(shí)領(lǐng)域組成1電路與電子知識(shí)領(lǐng)域電路原理、電子電路基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信電子線路等2電磁學(xué)知識(shí)領(lǐng)域電磁場(chǎng)與電磁波等3信號(hào)處理知識(shí)領(lǐng)域信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、數(shù)字信號(hào)處理等4計(jì)算機(jī)知識(shí)領(lǐng)域面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（C＋＋）、微機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用電子信息類（非計(jì)算機(jī)類）人才對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)體系的基本要求集中在兩個(gè)方面：軟件開發(fā)和微機(jī)系統(tǒng)（包括嵌入式系統(tǒng)）應(yīng)用。電類專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該長(zhǎng)于硬件。清華大學(xué)電子信息學(xué)科基礎(chǔ)教程研究組著第一章微型計(jì)算機(jī)概述

微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)

理論學(xué)時(shí)：７０實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：１２

適用專業(yè)：電子信息工程

1.1計(jì)算機(jī)的(組成）基本工作原理

(1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出五大部分組成。(2)指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放與存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪。(3)計(jì)算機(jī)具有自動(dòng)區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的本領(lǐng)，且數(shù)據(jù)和指令均以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存放。(4)編好的程序，事先放入存儲(chǔ)器，在指令計(jì)數(shù)器的控制下高速、自動(dòng)地執(zhí)行。一計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)硬件(機(jī)器系統(tǒng))軟件(程序系統(tǒng))?硬件基本結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果運(yùn)算器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器控制器原始數(shù)據(jù)?軟件基本結(jié)構(gòu)：軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件?軟、硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各種系統(tǒng)軟件各種應(yīng)用軟件用戶二、程序存儲(chǔ)和程序控制原理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)遵循馮?諾依曼工作原理，所以計(jì)算機(jī)工作的步驟為：即：操作意圖指令序列存放到存儲(chǔ)器第一步：程序存儲(chǔ)即：取指令執(zhí)行（取指令執(zhí)行）停機(jī)第二步：程序控制三、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1、字長(zhǎng)

---字長(zhǎng)越長(zhǎng)表示計(jì)算機(jī)運(yùn)行的精度越高。2、存儲(chǔ)容量

---能夠存放信息的最大字節(jié)數(shù)。3、指令系統(tǒng)

---讓計(jì)算機(jī)完成基本操作的命令集合。4、運(yùn)算速度

---指微機(jī)每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)。5、系統(tǒng)配置

---軟、硬件的配置。6、性能/價(jià)格比

---性能和價(jià)格的合理性。1.2微型計(jì)算機(jī)

——廣泛采用集成度極高的器部件，且體積小的計(jì)算機(jī)，稱微型計(jì)算機(jī)

——微處理器和微型計(jì)算機(jī)的問世是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上新的里程碑。

一、微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微處理器的發(fā)展

?第一代（1971-1973）4位、低檔8位，Intel4004?第二代（1973-1978）8位，Intel8080/8085、ZilogZ80?第三代（1978-1982）16位，Intel8086/8088、ZilogZ8000?第四代（1982-1993）32位，Intel80386/80486

?第五代（1993-）64位，IntelPentium(80586)

1996PentiumPRO1997PentiumⅡ1999PentiumⅢ2000Pentium41、微處理器（Microprocessor)

---職能是執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算和控制整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、協(xié)調(diào)地完成操作。（主要由運(yùn)算器和控制器組成）I/OBUS外圍設(shè)備AddressBus（AB）DataBus（DB）ControlBus（CB）CPU存儲(chǔ)器

I/O

接口Control微型計(jì)算機(jī)的組成2、微型計(jì)算機(jī)（MicroComputer__MC)

--由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成。3、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（MicroComputerSystem_MCS)

--以微型計(jì)算機(jī)為主體，配上外設(shè)和系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)算器控制器

寄存器組

RAMROMI/O端口

I/O端口

I/O設(shè)備

I/O設(shè)備

系統(tǒng)軟件

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)微處理器微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成微型機(jī)算計(jì)系統(tǒng)硬件微型計(jì)算機(jī)（單片、單板）微處理器—ALU、控制器、寄存器組存儲(chǔ)器—ROM、RAMI/O接口

—并行、串口、輔助接口系統(tǒng)總線

—數(shù)據(jù)、地址、控制總線外圍設(shè)備外部設(shè)備過程I/O接口模擬量I/O接口—A/D、D/A開關(guān)量接口鍵盤、顯示器、打印機(jī)外存儲(chǔ)器—軟/硬磁盤、光盤電源軟件系統(tǒng)軟件

—監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)、編譯程序、診斷程序程序語言

—機(jī)器、匯編、高級(jí)語言應(yīng)用軟件

—程序包、數(shù)據(jù)庫、窗口軟件三、微機(jī)的形態(tài)分類1、單片微機(jī)

--CPU、RAM、ROM、I/O接口電路都集成制作在單塊芯片上.

2、單板微機(jī)

--CPU、一定容量的RAM、ROM、I/O接口電路制作在一塊印刷電路板上。3、多板微機(jī)

--將包含CPU、RAM、ROM、I/O接口電路的主板、各類功能板、電源都組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1.3微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、總線結(jié)構(gòu)1、微機(jī)的總線內(nèi)總線系統(tǒng)總線?內(nèi)總線—專指的是微處理器芯片內(nèi)部的總線，大部分采用單總線結(jié)構(gòu)，并分時(shí)使用總線。CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器I/0接口I/0接口外圍設(shè)備控制總線（CB）數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）系統(tǒng)總線連接示意圖

·

系統(tǒng)總線—以為處理器芯片為核心的、芯片與芯片之間的連接總線。數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）控制總線（CB）系統(tǒng)總線按功能分二、微處理器的引腳功能復(fù)用特點(diǎn)：

?在微處理器的一條引腳上有一個(gè)以上的用途，以此來起到“擴(kuò)充”引腳數(shù)目的目的。

?功能復(fù)用的引腳必須分時(shí)使用總線，以區(qū)分功能。8086引腳功能的復(fù)用

8086CPU總線控制邏輯A19---A0A15---A0A19---A16

地址鎖存控制

D15---D0

D15---D0AD15-AD0

三、流水線技術(shù)

就是一種能同時(shí)(同步)進(jìn)行若干操作處理的方式,這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)須增加硬件電路,且該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于16位以上的微機(jī)中.串行工作方式

取指令

指令譯碼地址生成

存取操作數(shù)

執(zhí)行指令

流水線工作方式

取指令/執(zhí)行指令指令譯碼地址生成

存取操作數(shù)

四、微機(jī)系統(tǒng)的基本數(shù)字部件2、三態(tài)門

--0態(tài)、1態(tài)、高阻（斷開/懸浮輸