第一章微型計算機基礎(chǔ)

微機原理與接口技術(shù)為什么要學習《微機原理與接口技術(shù)》1.了解計算機的內(nèi)部工作原理2.機電設備在過程控制的要求.3.實時數(shù)據(jù)（信息）處理和過程控制要求實時性，希望編寫的程序精煉，運行起來更快課程目標工科專業(yè)的必修課微機原理是學習和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設計的入門課程：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設計微型計算機接口技術(shù)建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念形成機電系統(tǒng)控制開發(fā)的初步能力人與機器的機能對應關(guān)系圖外界對象感官人腦肢體傳感器微機執(zhí)行器外部信息行動一.計算機的發(fā)展歷程1943年專用計算機用于破譯德國軍事密碼1946年通用計算機美國賓夕法尼亞大學設計制造的”ENIAC”占地上百平方米重量幾十噸功耗幾十千瓦

5000次加法/秒150平方米大約是一間半的教室大30t六只大象重150kw一.計算機的發(fā)展歷程采用線路連接的方法來編排程序，每次解題都要靠人工改接連線，準備時間大大超過實際運算時間存儲器容量太小，只能存20個字長的10位十進制數(shù)字馮?諾伊曼計算機基本結(jié)構(gòu)(馮氏結(jié)構(gòu))1.“存儲程序”概念的產(chǎn)生及其重要意義。ENIAC——不具備“存儲程序”的功能采用“存儲程序”的概念，并付諸實現(xiàn)，“開創(chuàng)了整個程序設計時代的到來”2.馮氏計算機5個基本部件：輸入器,輸出器,運算器,存儲器和控制器數(shù)據(jù)和程序存放在存儲器中,采用了二進制一.計算機的發(fā)展歷程電子計算機的發(fā)展：電子管計算機（1946-1956）晶體管計算機（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）一.計算機的發(fā)展歷程微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的微處理器的集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍

------摩爾定律GordonE.Moore，Intel公司的創(chuàng)始人之一摩爾定律摩爾定律讓我們的愛機沒幾年就從身價過萬到不值一文;當然也讓囊中羞澀的我們可以只是多一點忍心就能花很少的代價得到當初連想都不敢想的機器微處理器微處理器（Microprocessor）微型化的CPU，由1片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。嚴格講，微處理器≠CPU。CPU指的是計算機中執(zhí)行運算和控制功能的部件，由算術(shù)邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要部分組成?，F(xiàn)代微處理器集中了更多的功能。Intel8086,80286,80386,80486;Pentium,PentiumII,PentiumIII,PentiumIV,Itanium，……。MotorolaMC6800(8位),MC68000(16位),MC68020(32位)。微處理器的發(fā)展第1代：4位和低檔8位微機4004→8008第2代：中高檔8位微機Intel8080，Motorola的MC6800，Zilog的Z80、Intel8085第3代：16位微機8086→8088→80286，Z8000，MC68000第4代：中高檔32位微機Z80000，MC68020，80386→80486第5代：高檔32位微機Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium4第6代：64位微機Itanium（1）第一代微處理器1971年：Intel4004，是世界上第一片單片微處理器4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié),指令系統(tǒng)包括45條指令1.微處理器的分類和發(fā)展歷程Intel40041972年：Intel8008，是世界上第一片8位微處理器。8008采用了10m生產(chǎn)工藝，集成度為3500個晶體管，工作頻率為200KHz。Intel80081.微處理器的分類和發(fā)展歷程1973年12月：Intel8080采用了6m生產(chǎn)工藝，集成度為6000個晶體管，主頻為2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080為CPU的世界上第一臺個人計算機Altair8800。Altair8800的BASIC語言解釋器是BillGates編寫的1976年：Intel8085——Intel公司生產(chǎn)的最后一種8位通用微處理器，8085的工作頻率提高到5MHz，指令系統(tǒng)的指令數(shù)上升到246條。(2)第二代微處理器1977年：Z80，Zilog公司，8位機，優(yōu)于8080，80851.微處理器的分類和發(fā)展歷程8086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工藝，集成了29,000個晶體管，工作頻率為4.77MHz。它的寄存器和數(shù)據(jù)總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空間達1MB。同時，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大的改進，采用了流水線結(jié)構(gòu)，并設置了6字節(jié)的指令預取隊列(3)第三代微處理器8086成為一款真正的現(xiàn)代微處理器。（IntelX86系列微型計算機的發(fā)展）1.微處理器的分類和發(fā)展歷程1979年—8088除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位數(shù)據(jù)總線是為了利用當時現(xiàn)有的8位設備控制芯片。由于8088內(nèi)部支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位，故8088稱為準16位微處理器。1981年8月，IBM公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微型計算機IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。1.微處理器的分類和發(fā)展歷程80286（1982年-1984年）采用1.5m工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機IBMPC/AT，并制定了一個新的開放系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，這就是的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)（ISA）。該結(jié)構(gòu)提供了一個16位、高性能的I/O擴展總線。80年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。1.微處理器的分類和發(fā)展歷程80386（1985年-1988年）第一個實用的32位微處理器采用了1.5m工藝集成了275,000個晶體管工作頻率達到16MHz可尋址空間達到4GB80386的內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的。這時由32位微處理器組成的微型計算機已經(jīng)達到超級小型機的水平。4.第四代微處理器（IntelX86系列微型計算機的發(fā)展）1.微處理器的分類和發(fā)展歷程80486（1989年-1992年）采用1m工藝集成了120萬個晶體管工作頻率為25MHz80486微處理器由三個部件組成：一個80386體系結(jié)構(gòu)的主處理器一個與80386相兼容的數(shù)學協(xié)處理器8037一個8KB容量的高速緩沖存儲器(Cache)。80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內(nèi)完成，而不是原來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。1.微處理器的分類和發(fā)展歷程第五代：Pentium處理器的發(fā)展分成三代第一代Pentium處理器（1993年，P5）采用0.8m工藝技術(shù)集成了310萬個晶體管工作頻率為60MHz/66MHz。5.第五代微處理器（Pentium系列微型計算機的發(fā)展）第二代Pentium處理器（1994年，P54C）高能奔騰采用0.6m工藝工作頻率為90MHz/100MHz。1.微處理器的分類和發(fā)展歷程第三代PentiumMMX（1997年，P55C，“多能奔騰”）增加了57條多媒體指令在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技術(shù)，可以說它是CISC和RISC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物1.微處理器的分類和發(fā)展歷程PentiumIIPentiumIII采用0.6m-0.18m工藝集成度550萬-950萬晶體管時鐘頻率166MHz-1GHz采用二級高速緩存，2級超標量流水線結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行3條指令1.微處理器的分類和發(fā)展歷程PentiumIV(研發(fā)代號Willamette)（威廉斯塔得）介于P6與IA64之間全新的NetBurst體系結(jié)構(gòu)采用0.18m工藝，時鐘頻率1.4GHz~2GHz20段的超級流水線、高效的亂序執(zhí)行功能、2倍速的ALU、新型的片上緩存、SSE2指令擴展集和400MHz的前端總線1.微處理器的分類和發(fā)展歷程第六代：64位處理器P7(IA64體系結(jié)構(gòu))Itanium（研發(fā)代號:Merced），2001年5月發(fā)布采用了EPIC（ExplicitParallelInstructioncomputer)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和外部總線及地址總線都是64位的Itanium有2代產(chǎn)品Itanium

1的某些性能不如32位的P5Itanium

2系統(tǒng)性能提高了1.5-2倍；帶有6MB的三級緩存，有出色的并行能力1.微處理器的分類和發(fā)展歷程（1）低檔微型計算機的發(fā)展

（2）32位和64位微型計算機的發(fā)展

（3）多微處理器系統(tǒng)的發(fā)展

在多微處理器系統(tǒng)的猛烈沖擊下，現(xiàn)有大型機市場搖搖欲墜，大型機廠商惶惶不可終日。為了求得生存，大型和巨型機廠商在加緊發(fā)展微型計算機的同時，紛紛改變策略，轉(zhuǎn)而使大型和巨型機采用多微處理器系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)體系——并行結(jié)構(gòu)。2.微型計算機的發(fā)展動向28運算速度快計算精度高超強的記憶能力具有邏輯判斷功能實現(xiàn)自動控制3.計算機的特征（1）巨型機巨型機是指那些運算速度在每秒億次以上的計算機。巨型機目前在國內(nèi)還不多，我國研制成功的“銀河”計算機就屬于巨型機。（2）大、中型機運算速度在每秒幾千萬次左右的計算機為大、中型機。（3）小型機小型機的運算速度在每秒幾百萬次左右。（4）微型機微型機也稱為個人計算機（PC機），是目前應用最廣泛的機型。。它們的運算速度也可達每秒百萬次以上。微型機與其它機型不同的特點是：巨、大、中、小型機的中央處理器CPU具有分時處理的能力，都是一個主機帶有若干個終端或外設。而微型機往往都是由單個終端組成，體現(xiàn)了“個人計算機”的特點。4.計算機的分類（5）工作站工作站主要用于圖形圖像處理和計算機輔助設計中，是一臺性能更高的微機。

今后，計算機的發(fā)展將走向兩個極端：一個是巨型化，一個是微型化。

31微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微處理器:集成在同一塊芯片上的具有運算和控制功能的中央處理器2.微型計算機：由CPU，半導體存儲器，I/O接口和中斷系統(tǒng)集中裝在同一塊或數(shù)塊印刷電路板上所構(gòu)成的計算機。單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）單板微型計算機（SingleBoardMicrocomputer）多板微型計算機（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型計算機系統(tǒng):在多板機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是高層次的微型計算機,有齊全的硬件和豐富的軟件二.微型計算機的概念及它的組成和結(jié)構(gòu)4.微型計算機系統(tǒng)的組成微處理器存儲器I/O接口總線硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)微型計算機(主機)外設ALU寄存器控制器鍵盤、鼠標顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機、掃描儀系統(tǒng)軟件應用軟件二.微型計算機的概念及它的組成和結(jié)構(gòu)核心級硬件系統(tǒng)級系統(tǒng)級33核心級——微處理器微處理器簡稱CPU，是計算機的核心，主要包括：

運算器ALU

控制器CU寄存器組Registers實現(xiàn)運算功能和控制功能34硬件系統(tǒng)級——微型計算機以微處理器為核心，配上只讀存儲器(ROM)、讀寫存儲器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構(gòu)成了微型計算機。將CPU、存儲器、I/O接口、總線等集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。35系統(tǒng)級以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。使用和管理計算機有機器的設計者提供的軟件用戶利用計算機以及計算機所提供的各種系統(tǒng)軟件,編制解決用戶各種實際問題的程序.36微型計算機(主機)的基本結(jié)構(gòu)

“CPU+存儲器+I/O接口+系統(tǒng)總線”。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口地址總線AB輸出設備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口6.微機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)37微機的各個部件之間的信息傳送和處理器內(nèi)部信息的傳送，通過三組不同的總線進行的?？偩€：是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。是計算機的部件與部件之間傳輸信息的公共通路，它能分時地發(fā)送和接收各部件的信息。數(shù)據(jù)總線（DataBus--DB）--雙向地址總線（AddressBus---AB）--單向控制總線（ControlBus—CB）--雙向總線不僅僅是一組傳輸線，它還包括與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的控制邏輯。在一個計算機系統(tǒng)中，總線應被看成一個獨立的部件。ROMRAMI/O接口微處理器CPU輸出設備輸入設備地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB定時電路39存放程序和數(shù)據(jù)的記憶裝置用途：存放程序和要操作的各類信息（數(shù)據(jù)、文字、圖像、。。。）內(nèi)存：ROM、RAM特點：隨機存取，速度快，容量小外存：磁盤、光盤、半導體盤、…特點：順序存取/塊存取，速度慢，容量大8.存儲器概述有關(guān)內(nèi)存儲器的幾個概念內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量8.存儲器概述內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存包含有很多存儲單元(每個內(nèi)存單元包含8bit)，為區(qū)分不同的內(nèi)存單元，計算機對每個內(nèi)存單元進行編號，內(nèi)存單元的編號就稱為內(nèi)存單元的地址1011011038F04H內(nèi)存單元地址內(nèi)存單元內(nèi)容......765432108.存儲器概述42內(nèi)存容量和內(nèi)存空間注意：內(nèi)存空間與內(nèi)存容量的區(qū)別

內(nèi)存容量：某微機配置2條128MB的SDRAM內(nèi)存條，內(nèi)存容量為256MB

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)內(nèi)存容量和內(nèi)存空間內(nèi)存單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位。存儲器的組成讀/寫過程45微型計算機的主要技術(shù)指標

(1)字長:參與運算的數(shù)的位數(shù).它決定著計算機的內(nèi)部寄存器、加法器及數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)通路）的位數(shù)。有4位，8位，16位，32位，64位等。(2)主存容量:主存儲器所能存儲信息的總量。通常以字節(jié)數(shù)(Byte)來表示。例：內(nèi)存512MB。(3)運算速度:有不同的計量方法和測試標準。MIPS(MillionInstructionPerSecond)(4)平均無故障運行時間(可靠性)

MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均無故障間隔時間(5)性能/價格比46習題與思考：1．微型計算機系統(tǒng)有哪些功能部件組成？它們各自具有什么結(jié)構(gòu)？采用什么樣的結(jié)構(gòu)？2．什么是微處理器？什么是微型計算機？什么是微機系統(tǒng)？它們之間的關(guān)系如何？3.什么是總線,總線的分類及它們之間的作用和關(guān)系?計算機中常用術(shù)語Bit1Kb=1024bit=210bit1Mb=10241024bit=220bit1Gb=230bit=1024Mb1Tb=240bit=1024Gb1Byte=8bit1KB=1024Byte表示字長，一般情況下為2Byte(16bit)WordByte位(bit)：二進制數(shù)中的一位，其值不是“1”，就是“0”。字節(jié)(byte)：一個8位的二進制數(shù)為一個字節(jié)。字節(jié)是計算機數(shù)據(jù)的基本單位。字(word)：兩個字節(jié)就是一個字，又叫雙字節(jié)。有時還會用到“半字節(jié)”，即4位二進制。例如：1000111011001011B=8ECDH半字節(jié)

字節(jié)

字（雙字節(jié)）位字節(jié)字節(jié)位-字節(jié)-字

單片機常用的數(shù)制有十進制、二進制、十六進制。例如：

十進制：0～9；規(guī)則：逢十進一，后綴為D，但可忽略。一般表達式為：基數(shù)加權(quán)數(shù)0～91.數(shù)制定義

二進制：0、1；規(guī)則：逢二進一，后綴為B。一般表達式為：

其中，基數(shù)為2，各位加權(quán)數(shù)為0，1。例如：

十六進制：0~9、A~F。規(guī)則：逢十六進一，后綴為H。一般表達式為：

其中，基數(shù)為16，各位加權(quán)數(shù)為0~9、A~F。例如：二進制轉(zhuǎn)換成十進制轉(zhuǎn)換規(guī)則：按進制的表達式展開，然后按照十進制運算求和。例如：111111118421163264128記憶：1100B=121001B=91111B=1511111111B=255舉例：數(shù)制轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換規(guī)則：按進制的表達式展開，然后按照十進制運算求和。例如：十六進制轉(zhuǎn)換成十進制二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1010B=0AH1101B=0DH1011B=0BH1110B=0EH1100B=0CH1111B=0FH記憶：從低位起由右到左，每四位二進制數(shù)對應一位十六進制數(shù)。例如：（最后一組不足時左邊添0湊齊4位）轉(zhuǎn)換規(guī)則：轉(zhuǎn)換規(guī)則：“除基取余”。十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。例如：十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制整數(shù)

二進制數(shù)的正、負號需用“0”和“1”來表達。一般最高位為符號位，“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。例如：真值+123→01111011B

真值-123→11111011B有符號數(shù)：最高位為符號位，“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。無符號數(shù)：最高位不作為符號位，而當成數(shù)值位。真值11111011B→？=251=-123有符號數(shù)的表示方法二進制數(shù)有三種編碼形式原碼、反碼和補碼原碼：

二進制數(shù)的原形，可以是無符號數(shù)，也可以是有符號數(shù)例如:8位無符號原碼數(shù)的范圍是：

00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）

8位有符號數(shù)的范圍是：

11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）58原碼的例子

=00010010=10010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼[X]原[X]原符號符號位n位原碼表示數(shù)值的范圍是對應的原碼是1111～0111。59數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=00000000-0=10000000即：數(shù)0的原碼不唯一。60反碼[X]反定義

若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對應原碼的符號位不變，數(shù)值部分按位求反61[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101162反碼的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反碼[X]反=00010010[X]反=11101101符號符號位n位反碼表示數(shù)值的范圍是對應的反碼是1000～0111。630的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。64補碼定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+165[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100n位補碼表示數(shù)值的范圍是對應的補碼是1000～0111。660的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進位被舍掉∴[+0]補=[-0]補=0000000067特殊數(shù)10000000該數(shù)在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數(shù)：(10000000)２=128688位有符號數(shù)的表示范圍：對8位二進制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127想一想：16位有符號數(shù)的表示范圍是多少？69補碼加減法的運算規(guī)則通過引進補碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。規(guī)則如下：[X+Y]