微型计算机原理与应用课件 01

中国水利水电出版社刘建成 主 编1课程目标微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入 门课程：F微型计算机的基本工作原理F汇编语言程序设计F微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的 初步能力2教学大纲第一章 微型计算机系统概述 第二章 微机运算基础 第三章 8086/8088CPU体系结构和指令系统 第四章 8086/8088汇编语言程序设计 第五章 微型机中的存储器 第六章 中断系统 第七章 可编程接口芯片及应用 第八章 A/D和D/A转换器 第九章 从8086/8088到Pentium的技术变迁 第十章 微型计算机在工业控制中的应用3第一章第一章 微型计算机系统概述微型计算机系统概述1.1 微机系统的组成 1.2 微型计算机硬件系统的组成 1.2.1 系统总线 1.2.2 微处理器 1.2.3 存储器 1.2.4 输入输出（I/O）接口和外设 1.3 微处理器组成 1.4 存储系统概述 1.4.1 内存储器单元的地址和内容 1.4.2 内存操作 1.4.3 内存分类 1.5 微机工作过程 1.6 微机系统的主要技术指标41.1 微机系统的组成 世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾 夕法尼亚大学设计制造的ENIAC5电子计算机的发展： 电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能分类： 大型计算机 中型计算机小型计算机 微型计算机 微型计算机是第四代计算机的典型代表6微型计算机系统的三个层次微处理器严格讲，微处理器 CPUCPU由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄 存器（Registers）以及高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模 集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器7微型计算机系统的三个层次微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读 存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接 口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上， 称为单片微型计算机，简称单片机。8微型计算机系统的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型 计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。9微型计算机系统的三个层次： 微处理器微型计算机 微型计算机系统系统软件 应用软件微处理器 存储器 I/O接口 总线 硬 件软 件微 型 计算机 系 统微 型 计算机外 设ALU 寄存器 控制部件键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪10微型计算机的常用术语1位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位， 它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单 位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储 容量的单位。字节作为单位时记作BK是kelo的缩写，1K=1024=210； M是mega的缩写，1M=1024K=220； G是Giga的缩写，1G=1024M=230； T是tera的缩写，1T=1024G=240。11微型计算机的常用术语2字长 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数， 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线 的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理 器。12微型计算机的常用术语3主频 主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主 频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2 开始，主频=外部总线频率倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz， 外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因 而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称 主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。13微型计算机的常用术语4MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微 处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常 是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均 值。 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS， 主频为400MHz的Pentium II的性能为832 MIPS 5iCOMP指数iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制 的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算 机中的重要性来确定的，iCOMP指数包含的指标有整数数学 计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标 的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP 指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。 14iCOMP指数15微型计算机的常用术语6微处理器的生产工艺 指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的 宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进， 微处理器的功耗和发热量越小。 目前微处理器的生产工艺已经达到0.18m。7微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，Pentium III的集 成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多 倍。16微型计算机的发展微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的 性能也随之提高一倍 -摩尔定律1971年1977年是微处理器发展的早期阶段: 字长为4位或8位，集成度约为300010000晶体管/片，微 处理器的主频为0.15MHz。 1971年：Intel 4004，是世界上第一片单片微处理器 4位微处理器，寻址空间为4096个半字节, 指令系统包 括45条指令 1972年：Intel 8008，是世界上第一片8位微处理器。 8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管， 工作频率为200KHz。171974年：Intel 8080 采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频 为2MHz。 1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第 一台个人计算机Altair 8800。值得一提的是，Altair 8800 的BASIC语言解释器是Bill Gates编写的 1976年： Intel 8080 Intel公司生产的最后一种8位通用微 处理器， 8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上 升到246条。微型计算机的发展18第一代：8086/8088（1978年-1981年） 1978年-8086 采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率 为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址 总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的 内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设 置了6字节的指令预取队列 1979年-8088 除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。 8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备 控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间 传输为8位，故8088称为准16位微处理器。 1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台 16位微型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的 IMB PC。X86系列微型计算机的发展19第二代：80286（1982年-1984年） 采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为 6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加 到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBM PC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的 工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能 的I/O扩展总线。80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流 CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（ chipsets）。X86系列微型计算机的发展20第三代：80386（1985年-1988年） 第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了 275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄 存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址 总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理 器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。 80386的其他一些版本：80386SX，包含16位数据总线和 24位地址总线，寻址空间为16MB；80386SL80386SLC ，包含 l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB 。由于这些微处理器由于与I/O之间传输为16位，故也称 为准32位微处理器。X86系列微型计算机的发展21第四代：80486（1989年-1992年） 采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为 25MHz。80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系 结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和 一个8KB容量的高速缓冲存储器。80486把80386的内部结 构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成， 而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快 2到3倍。 Intel公司还生产过80486的其他一些版本：80486SX，工 作频率20MHz，不包含数学协处理器；80486DX2，采用 双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为 33MHz；80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到 100MHZ，内存存取速度为33MHz。X86系列微型计算机的发展22第五代：Pentium（1993年-1997年） Pentium处理器的发展分成三代 第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用0.8m 工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为 60MHz/66MHz。第二代Pentium处理器（以P54C代称，1994年）采用 0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。第三代Pentium MMX（以P55C代称1997年）增加了57条 多媒体指令 在体系结构上， Pentium在内核中采用了RISC技术，可以 说它是CISC和RISC技术相结合的产物X86系列微型计算机的发展23第六代：P6（1996-今） Pentium Pro、Pentium II、Pentium III 采用0.6 m -0.18m工艺，集成度550万-750万晶体管， 时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量 流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令X86系列微型计算机的发展第七代：未来-64位Mecerd（P7）241.2 微型计算机的组成微型计算机的组成 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25微型计算机的结构存 储 器I/O 接 口输 入 设 备I/O 接 口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输 出 设 备CPU各部件通过总线连接， 总线连接多个功能部件的一组公共信号线26微型计算机的结构地址总线AB：用来传送CPU