位微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)32位微型計(jì)算機(jī)原理接口技術(shù)及其應(yīng)用課程介紹：1、本課程教學(xué)目的和任務(wù) 本課程為信息學(xué)院電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子科學(xué)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(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法，內(nèi)存擴(kuò)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(jī)知識(shí)打下基礎(chǔ)。2、本課程的教學(xué)環(huán)節(jié) 本課程由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分組成： 理論教學(xué)：3學(xué)分（ 54學(xué)時(shí)）基礎(chǔ)理論課堂教學(xué)，配以習(xí)題的方式。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)：1學(xué)分（ 36學(xué)時(shí)）驗(yàn)證、綜合和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。（獨(dú)立考試）微型計(jì)算機(jī)原理與接

2、口技術(shù)3、本課程的學(xué)習(xí)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(shí)成績(jī)）5、 教材和教學(xué)參考書 教材： 史新福，32位微型計(jì)算機(jī)原理接口技術(shù)及其應(yīng)用，西北工業(yè)大學(xué)出版社。（第17,9章） 教參： 楊素行，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用(第2版)，清華大學(xué)出版社 戴梅萼，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社 周明德，微機(jī)原理與接口技術(shù)，人民郵電出版社 雷麗文，微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)32位 微機(jī) 原理 及 接口 技術(shù)課程介紹典型機(jī)型：IBM PC系列機(jī)基本系統(tǒng)：

3、80486 CPU和半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(zhǎng)：CPU與I/O設(shè)備、存儲(chǔ)器之間 一次傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第一章 緒 論 1.1 概 述 1.2 運(yùn)算基礎(chǔ)（自己復(fù)習(xí)） 1.3 微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）第一章 緒 論 1.1 概述7 運(yùn)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(chǔ)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(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī) 回顧：微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微機(jī)系統(tǒng)第一章 緒 論 1.1 概 述 8 一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展 1、近代計(jì)算機(jī)1812年差分機(jī)1834年設(shè)計(jì)的分析機(jī) 由許多輪子組成

4、的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)；運(yùn)算裝置；能對(duì)操作順序進(jìn)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(guó)） 第一章 緒 論1.1.1 微機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況9 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼機(jī)：“存儲(chǔ)程序”的概念幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)沒有變。 英國(guó)數(shù)學(xué)家艾蘭.圖靈建立圖靈機(jī)（Turing machine）模型，奠定了可計(jì)算理論的基礎(chǔ)；提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念 。美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼論可計(jì)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(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案-EDVAC(Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter的縮寫),1945 第一章 緒 論2、電子計(jì)算機(jī)的問世1946年2月由賓州大學(xué)研制成功的ENIAC （電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）- 電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái) Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)重30噸占地170m2啟動(dòng)工耗150千瓦18800個(gè)電子管70000個(gè)電阻1000個(gè)電容6000個(gè)開關(guān)保存80個(gè)字節(jié) 第一章 緒 論 11 3、 計(jì)算機(jī)的分代時(shí)代年份器件軟

6、件應(yīng)用一 1946-1958電子管機(jī)器語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言 科學(xué)計(jì)算二1958-1964晶體管高級(jí)語(yǔ)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(kù)、網(wǎng)絡(luò)等社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域（微型計(jì)算機(jī)時(shí)代）第一章 緒 論12 二、 微機(jī)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(jì)算機(jī)。1971年Intel公司設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)微處理器芯片Intel4004，開創(chuàng)了一個(gè)全新的計(jì)算機(jī)時(shí)代。 第一代：4位及低檔8位微處理器及微型計(jì)算機(jī) 400440408008 第二代：中、低檔8位微處理器及微型計(jì)算機(jī) Z80、I8085、M6800

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

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(guó)先進(jìn)微電子器件公司)微處理器：CPU市場(chǎng)上的占有率僅次于Intel 摩爾定律:CPU性能平均每18個(gè)月增加一倍(主頻) 第一章 緒 論摩爾定律 晶體管數(shù)目每?jī)赡暝黾右槐?200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931

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

10、研制，其最大的特點(diǎn)是采用了生物芯片3量子計(jì)算機(jī) 是指利用處于多現(xiàn)實(shí)態(tài)下的原子進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，這種多現(xiàn)實(shí)態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。 第一章 緒 論20 一、微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) (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(jià)格低；(5) 維護(hù)方便。二、微型計(jì)算機(jī)的分類 (1) 按字長(zhǎng)：4位、8位、16位、32位、64位微處理器；(2) 按組裝形式：?jiǎn)纹?、單板、多板微機(jī)；(3頁(yè))(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(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和分類第一章 緒 論 字長(zhǎng): 是計(jì)算機(jī)字所含二進(jìn)制位數(shù)。計(jì)算機(jī)字也就是

11、作為一個(gè)整體被一次傳送或運(yùn)算最多的二進(jìn)制位。 字節(jié)：八位二進(jìn)制信息。1.1.3 微處理器的字長(zhǎng)1.3 微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算器 控制器 寄存器組 內(nèi)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第一章 緒 論 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件 語(yǔ)言處理程序 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)算器控制器 主 機(jī)硬件 軟件中央處理器 內(nèi)存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器外部設(shè)備 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 科學(xué)計(jì)算程序 信息管理程序 應(yīng)用軟件 輔助設(shè)計(jì)程序 文字處理程序 過程控制程序等第一章 緒 論微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.1 微型計(jì)算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備 CPU 存儲(chǔ)器運(yùn)算器ALU表示數(shù)據(jù)流表示控制

12、流第一章 緒 論微型計(jì)算機(jī)的組成 是計(jì)算機(jī)中最關(guān)鍵的部件，它由控制器、運(yùn)算器、寄存器組和輔助部件組成。 運(yùn)算器：用來(lái)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的元件。 控制器：從存儲(chǔ)器中取出指令、分析指令、確定指令類型并對(duì)指令進(jìn)行譯碼，負(fù)責(zé)向其他各部件發(fā)出控制信號(hào)。 寄存器：用來(lái)存放當(dāng)前運(yùn)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(jì)算機(jī)各組成部分功能 2、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，每個(gè)記憶單元由8位二進(jìn)制位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器通常分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器第一章 緒 論存放大量信息外存儲(chǔ)器 信息交流中心內(nèi)存儲(chǔ)器1110110111

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

14、110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:讀數(shù)據(jù)11001101存儲(chǔ)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(gè)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)有一個(gè)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(jī)系統(tǒng)中常用輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀微機(jī)系統(tǒng)中常用輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、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(jì)算機(jī)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(jī)各組成部分之間的連接方式系統(tǒng)總線（第八章）存儲(chǔ)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(jī)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(jìn)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(yè)） D0D7為數(shù)據(jù)雙向端口，由“讀/寫”控制信號(hào)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(hào)串?dāng)_，不工作的器件所連的三態(tài)電路處于高阻。4、總線分時(shí)復(fù)用（節(jié)約管腳）。8086將A0A15 和D0D15共用管腳，以延長(zhǎng)傳送時(shí)間為代價(jià)一、微處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(biāo)志寄存器指令寄存指令譯碼時(shí)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(yùn)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(yè))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(gè)步驟 取指令：按照指令計(jì)數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出指令，并送往指令寄存器。 分析指令：對(duì)指令寄存器中存放的指令進(jìn)行分析，由譯碼器對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號(hào)，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(jì)數(shù)器加1 或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計(jì)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(jì)算機(jī)的常用術(shù)語(yǔ)和指標(biāo) 位和字節(jié)位（bit）是計(jì)算機(jī)所能表示的最小基本數(shù)據(jù)單位字節(jié)（byte）由8個(gè)二進(jìn)制位組成，通常用作計(jì)算存儲(chǔ)容量的單位，記作B.K是kelo的縮寫，計(jì)算存儲(chǔ)容量單位，1K=1024B；M是mega的縮寫，計(jì)算存儲(chǔ)容量單位， 1M=1024K；G是giga的縮寫，計(jì)算存儲(chǔ)容量單位， 1G=1024M；T是tera的縮寫，計(jì)算存儲(chǔ)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(shí)際配置的內(nèi)存大小，即內(nèi)存單元的個(gè)數(shù)，以字節(jié)為單位。 內(nèi)存空間：又稱為存儲(chǔ)空間、尋址范圍，是指微機(jī)的尋址 能力，與CPU的地址總線寬度有關(guān)。 例：某微機(jī)配置2條128MB的SDRAM內(nèi)存條，其內(nèi)存容量256MB。(SDRAM是同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器: Memory工作需要同步時(shí)鐘，存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)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(shí)鐘頻率，用來(lái)表示微處理器的運(yùn)行速度，主頻