《微機原理與應用》第1章概述課件

《微機原理與接口技術(shù)》

1第0章

本課程介紹

21.本課程在計算機課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機設(shè)計（計算機組成原理）BIOS與接口驅(qū)動程序設(shè)計模擬電路、數(shù)字邏輯電路設(shè)計嵌入式/單片機系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外圍接口電路設(shè)計操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++JAVA離散數(shù)學計算機系統(tǒng)綜合設(shè)計電子商務多媒體技術(shù)…算法設(shè)計、數(shù)值分析、信號與系統(tǒng)、計算機理論課程、數(shù)學基礎(chǔ)課程匯編語言軟件工程VB…SOC

（

SystemOnAChip）

系統(tǒng)級芯片3課程介紹微機

原理及接口

技術(shù)典型機型：IBMPC系列機基本系統(tǒng)：8086CPU和半導體存儲器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42.本課程的教學目的掌握先進微處理器芯片結(jié)構(gòu)、微型計算機實現(xiàn)技術(shù)、計算機主板構(gòu)成、各種接口技術(shù)原理及其應用編程方法；掌握匯編語言程序的編寫方法，尤其掌握接口訪問的方法。了解微機技術(shù)新的發(fā)展趨勢，提高分析和設(shè)計接口的能力。為微機的深入應用和嵌入式系統(tǒng)SOC設(shè)計等的學習與實踐打下良好基礎(chǔ)。53.本課程的要求學習微機各種接口電路的原理與作用，熟悉PC系列機接口電路；掌握常用接口的設(shè)計與分析方法；學會使用匯編語言和C語言對接口進行編程；具有一定的動手實驗能力和接口應用程序的編寫能力；64.本課程的學習方法特點：本課程涉及的知識范圍廣，內(nèi)容多1）以IBMPC/XT機基本結(jié)構(gòu)這條主線，分析其基本結(jié)構(gòu)，掌握各接口電路及可編程接口芯片的應用。2）進一步擴展和延伸74.本課程的學習方法CPU—從8086~Pentium4，從實模式~系統(tǒng)管理模式；匯編語言－CPU及接口直接控制，16位~32位匯編；總線—PCI，USB等；中斷—從實模式下的中斷向量～保護模式下的中斷描述符；從傳統(tǒng)中斷～PCI中斷～串行中斷芯片組—從中大規(guī)模集成電路(8237、8254、8255、8259、8250、8251等）84.本課程的學習方法3）理論與實踐相結(jié)合，鍛煉實驗動手能力。掌握匯編語言編程方法掌握x86系列尋址方式掌握x86常用指令學會x86匯編程序編寫方法掌握PC機接口程序的編寫方法充分利用課程實驗和自修實驗鍛煉自己的編程能力和接口設(shè)計與分析能力9第一章

微型計算機概述

10111.1微型計算機的發(fā)展1946年，世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC（電子數(shù)據(jù)和計算器）發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第四代，產(chǎn)生了微型計算機微型計算機自20世紀70年代問世以來伴隨著微電子學的發(fā)展，按CPU的字長和功能劃分，她大致經(jīng)歷了5代演變12第一代(1971-1973)：4位和8位低檔微機以INTEL公司的4004、4040、8008微處理器組成的微機為代表。第二代(1974-1978):8位中檔微機以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的的MC6800,

Zilog公司的Z80微處理器組成的微機為代表。如Apple-II微機13第三代(1978-1984):16位微機以8086、8088、80286、MC68000、Z800微處理器組成的微機為代表如IBMPC系列機第四代(1985-1992):32位微機。80386、8048632位PC機、Macintosh機、PS/2機14第五代：高檔32位機及64位微機（1993后）以Pentium

、PentiumII、PentiumIII、Pentium4為核心處理器的微機其它芯片，如AMD

Itanium、64位RISC微處理器芯片微機服務器、工程工作站、圖形工作站15微機發(fā)展概況1617摩爾（GordonMoore）定律摩爾定律：“晶體管的大小將以指數(shù)速率變小，而集成到芯片上的晶體管數(shù)目將2－3年（18－24個月）翻一番?！薄狦ordonMoore，1965*GordonMoore－－Inter公司的創(chuàng)始人，著名半導體科學家。18GordonMoore1965的預言已經(jīng)40年了，這條IT第一定律還能走多遠？1971/11Intel40042300Transistors1978/6Intel808629000Transistors3μm2002/4Pentium4-2.2G55MillionTransistors0.13μm2004/2Prescott3.4GP4125MillionTransistors90nmGordonMooremadehisfamous…19摩爾定律CPU性能每18個月增加一倍204200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年萬晶體管摩爾定律晶體管數(shù)目每兩年增加一倍211.2微型計算機的應用計算機應用通常分成如下各個領(lǐng)域科學計算，數(shù)據(jù)處理，實時控制計算機輔助設(shè)計，人工智能，……微型計算機具有如下特點體積小、價格低、工作可靠、使用方便、通用性強……221.1.2微型計算機的應用用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向通用微機，例如：PC微機功能越強越好、使用越方便越好用于過程控制及智能化儀器儀表方向?qū)Ｓ梦C，例如：單片機、工控機可靠性高、實時性強程序相對簡單、處理數(shù)據(jù)量小

將CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一個微處理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-96231.3微型計算系統(tǒng)的組成1.3.1馮.諾伊曼(JohnvonNeumann)計算機的結(jié)構(gòu)“存儲程序”概念ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具備“存儲程序”的功能EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）采用“存儲程序”的概念，并付諸實現(xiàn)，“開創(chuàng)了整個程序設(shè)計時代的到來”242.馮氏計算機結(jié)構(gòu)：馮.諾伊曼提出的“存儲程序”、“程序控制”的概念奠定了現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)“存儲程序”指將指令、數(shù)據(jù)以二進制形式存入計算機的存儲器中。“程序控制”指計算機自動取出并執(zhí)行存儲器中的指令、完成預定的操作。計算機的硬件系統(tǒng)基本上由運算器、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口、和輸入/輸出設(shè)備、電源系統(tǒng)等組成,如圖1.1所示。25由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式存放；控制器根據(jù)存放在存儲器中的程序來工作。一臺計算機是以運算器為中心，由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。2.馮氏計算機的基本結(jié)構(gòu)運算器存儲器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備原始數(shù)據(jù)和指令計算結(jié)果26運算器進行算術(shù)和邏輯運算的部件（arithmeticlogicunit，簡稱ALU）控制器產(chǎn)生整個指令系統(tǒng)所需的全部操作的控制信號。存儲器用于存放指令（代碼）和數(shù)據(jù)，也稱為主存儲器或內(nèi)存。27CPU(centralprocessingunit)中央處理部件，由運算器與控制器共同構(gòu)成?！爸鳈C”CPU與存儲系統(tǒng)I/O接口電源系統(tǒng)等組成了計算機系統(tǒng)的“主機”。輸入/輸出設(shè)備被稱為外部設(shè)備。28微型計算機（microcomputer）以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計算機主要部件——控制器和運算器的微處理器為核心所構(gòu)造出的計算機系統(tǒng)1.3.2微型機的結(jié)構(gòu)微處理器（microprocessor）微處理器是將運算器和控制器以及其它部件集為一體的大規(guī)模集成電路。29微型機的硬件結(jié)構(gòu)以CPU為中心，加上只讀存儲器（ROM）讀寫存儲器（RAM）I/O接口電路和系統(tǒng)總線緩沖器組成。如圖1.2所示。微型計算機的幾個重要部件：微處理器（microprocessorunit；MPU）計算機的核心部件。它包括：算術(shù)邏輯部件（ALU）；累加器及通用寄存器組；程序計數(shù)器指令寄存器和指令譯碼器；時序和控制部件30主存儲器可分為只讀存儲器（ReadOnlyMemory—ROM）和隨機存儲器（RandomAccessMemory—RAM）31總線（BUS）是連接CPU與存儲器I/O接口的公共導線，采用總線結(jié)構(gòu)是微型計算機的結(jié)構(gòu)特點之一總線可分為三類：32地址總線（addressbus）它傳輸?shù)刂沸畔?，用于尋址存儲單元和I/O端口。用“AB”表示；數(shù)據(jù)總線（databus）用于傳輸數(shù)據(jù)。用“DB”表示；控制總線（controlbus)它向系統(tǒng)各部件發(fā)出（或接收）控制信號。用“CB”表示。33I/O接口與I/O設(shè)備I/O接口是CPU與輸入輸出設(shè)備進行數(shù)據(jù)交流的中介電路。I/O設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備）通過I/O接口將程序和數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存。CPU通過I/O接口將運行結(jié)果及程序、數(shù)據(jù)送到輸出設(shè)備上。348088微處理器8087協(xié)處理器8288總線控制器I/O通道8259中斷控制器隨機存儲器RAM只讀存儲器ROM8253定時控制器8237DMA控制器8255并行接口控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址鎖存器數(shù)據(jù)收發(fā)器揚聲器接口8284時鐘發(fā)生器鍵盤接口系統(tǒng)配置開關(guān)主機板組成微處理器子系統(tǒng)8088：16位內(nèi)部結(jié)構(gòu)、8位數(shù)據(jù)總線、20位地址總線、4.77MHz主頻存儲器ROM-BIOS、主體為RAMI/O接口控制電路8259A、8253、8237A、8255等I/O通道62線的IBMPC總線35總線結(jié)構(gòu)MPUMI/O總線MPUM存儲器總線I/OI/O總線單總線雙總線全局M全局I/ODMA控制器雙重總線MPU局部I/O局部M緩沖器總線控制邏輯局部總線全局總線36371.3.3計算機系統(tǒng)的軟件組成計算機的軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件系統(tǒng)軟件包括使用和管理計算機本身的軟件。如：操作系統(tǒng)：DOS，Windows等；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：FOXPRO，…；計算機網(wǎng)絡(luò)管理軟件；語言處理、服務性軟件38它是計算機用戶在各自的業(yè)務領(lǐng)域中開發(fā)和使用的各種軟件，是為解決某一個實際問題而編制的程序。例如：Photoshop，Word，WPS，金山詞霸等。應用軟件39微型計算機的系統(tǒng)組成運算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲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算機微型計算機系統(tǒng)40明確3個概念的區(qū)別微處理器（Microprocessor）一個大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等微機中的核心芯片41微型計算機（Microcomputer）通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)一般的說法：微機、微型機微型計算機系統(tǒng)（Microcomputersystem）指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)421.4微型計算機的主要技術(shù)指標字長指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它影響著計算機的計算精度和運算速度計算機的字長取決于CPU的字長微機的字長通常為4、8、16、32、64位。43Intel80x86CPU的地址線條數(shù)Intel80x86 地址條數(shù) 存儲容量8086 20 1MB8088 20 1MB80286 24 16MB80386 32 4GB44Intel80x86CPU的數(shù)據(jù)線條數(shù)Intel80x86 數(shù)據(jù)位數(shù)8086 168088 880286 1680386~Pentium4 3245主存（內(nèi)存）容量內(nèi)存容量通常以字節(jié)(byte)作為基本單位1byte=8bit（位）1KB=210byte1MB=220byte（字節(jié)）1GB=230byte46以每秒執(zhí)行的機器指令數(shù)作為運算速度指標計量單位為MIPS（MillionInstructionper

second－每秒百萬條指令）運算速度主頻率即機器的主時鐘頻率，取決與微處理器的頻率。目前pentium4芯片的頻率已達幾個G。性能價格比平均無故障時間47世界上第一臺計算機ENIAC返回481971年，當時還處在起步階段的Intel公司推出了世界上第一顆微處理器4004，這是第一個用于計算器的4位微處理器。返回49Intel4004和采用4004的計算器返回501978年，Intel公司再次領(lǐng)導潮流，首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086。返回511982年Intel推出了劃時代的最新產(chǎn)品80286芯片，它仍舊是16位結(jié)構(gòu)，但是在CPU的內(nèi)部含有13.4萬個晶體管，時鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。返回521985年Intel推出了80386芯片，它是80x86系列中的第一種32位微處理器。80386內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz。80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位，地址總線也是32位，可尋址高達4GB內(nèi)存。返回531989年，Intel推出80486芯片，它實破了100萬個晶體管的界限，集成了120萬個晶體管。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz