微機原理與應用課件

微機原理與接口技術(shù)

微機原理與接口技術(shù)

1微機

原理及接口

技術(shù)課程介紹典型機型：IBMPC系列機基本系統(tǒng)：8086CPU和半導體存儲器I/O接口電路及與外設的連接硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法微機原理及接口技術(shù)課程介紹典型機型：IBMPC系列2課程目標微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設計方法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，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力課程目標微型計算機的基本工作原理3學習解決問題的思路硬件系統(tǒng)設計注意事項，軟件設計技巧電力系統(tǒng)中的應用各種設備、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進一步深造（學習方法更為重要）上位機軟件、嵌入式軟件（DSP、ARM）課程意義學習解決問題的思路課程意義4第1章微型計算機基礎概論1.1微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.2微型計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3微型計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第1章微型計算機基礎概論1.1微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展5微型計算機系統(tǒng)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五代，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。微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1946年，世界上出現(xiàn)第一6計算機鼻祖——ENIAC計算機鼻祖——ENIAC7微型計算機代數(shù)劃分準則：字長；頻率基礎：大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展特征：密度工藝微型計算機的代數(shù)及劃分微型計算機代數(shù)劃分準則：字長；頻率微型計算機的代數(shù)及劃分8第一代(1971-1973,PMOS工藝，

2300晶體管，1MHz)：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。威廉.肖克利（1956年諾貝爾獎得主）摩爾及諾伊斯（

TraitorousEight）摩爾定律——哥創(chuàng)建的是1968的Intel造就了1969AMD（桑德斯）只有偏執(zhí)狂才能生存（安迪.格魯夫）第一代(1971-1973,PMOS工藝，2300晶體管，9第三代(1978-1984):16位微機(HMOS,29000只晶體管，5，8，10MHz)以8086、8088、80286、MC68000、Z800微處理器組成的微機為代表如IBMPC機系列第二代(1974-1978):8位中檔微機（NMOS,4500晶體管,2MHz）以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的MC6800,

Zilog公司的Z80微處理器組成的微機為代表（費金）。如Apple-II微機第三代(1978-1984):16位微機(HMOS,29010第五代：64位微機Itanium、64位RISC微處理器芯片，酷睿（65nm）微機服務器、工程工作站、圖形工作站四核Q,E系列、六核處理器X5680第四代(1985-至今):32位微機（CHOMS,27.5萬只，120萬只晶體管）。80386、80486、Pentium、PentiumII（亞微米CMOS）、PentiumIII（0.25微米）

、Pentium432位PC機、Macintosh機、PS/2機第五代：64位微機第四代(1985-至今):32位微機（C11第一代微機代表—40041971年，Intel開創(chuàng)微型計算機新紀元第一代微機代表—40041971年，Intel開創(chuàng)微型計算機12第二代微機代表—8080Bornin1974第二代微機代表—8080Bornin197413大樹下面好乘涼—80881978年，Intel公司首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086，一年后推出8088。大樹下面好乘涼—80881978年，Intel公司首次生產(chǎn)出14第三代CPU領導核心—802861982年Intel推出了劃時代的最新產(chǎn)品80286芯片PLCC封裝（PlasticLeadedChipCarrier），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。第三代CPU領導核心—802861982年Intel推出了劃15哈勃：一個80486引發(fā)的血案1985年Intel推出了80386芯片,1989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、50MHz。哈勃：一個80486引發(fā)的血案1985年Intel推出了8016一顆奔騰的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采用PGA（PinGridArrayPackage，格柵陣列封裝）封裝方式。一顆奔騰的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采1764位新紀元—Itanium2001年英特爾發(fā)布了Itanium(安騰)處理器。Itanium處理器是英特爾第一款64位元的產(chǎn)品，Itanium

2具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、高達3MB的L3緩存。

64位新紀元—Itanium2001年英特爾發(fā)布了Itani1832納米的強人—X5680

首批采用32nm第二代高K金屬柵極(HKMG)工藝制造的服務器和工作站芯片，集成11.7億個晶體管，核心面積248平方毫米。六核心十二線程、主頻3.33GHz、三級緩存12MB、QPI總線頻率6.40GT/s、熱設計功耗130W32納米的強人—X5680

首批采用32nm第二代高K金屬柵19內(nèi)核照片—六核心

內(nèi)核照片—六核心

20IBMPC系列機8088CPUIBMPC機IBMPC/AT機IBMPC/XT機IBMPC系列機8088CPUIBMPC機IBMPC/21Apple微型計算機Apple-IApple-IIApple微型計算機Apple-IApple-II22微型計算機系統(tǒng)的應用及意義用于數(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、工控機游戲2010年規(guī)模為21億美元微型計算機系統(tǒng)的應用及意義用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方23微型計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼(JohnvonNeumann)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“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?！俺绦蚩刂啤敝赣嬎銠C自動取出并執(zhí)行存儲器中的指令、完成預定的操作。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)：微型計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼(JohnvonNeum24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。微型計算機主要組成部分（1）運算器控制器存儲器微型計算機主要組成部分（1）25微型計算機主要組成部分（2）輸入設備

通過I/O接口將程序和數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存。輸出設備

CPU通過I/O接口將運行結(jié)果及程序、數(shù)據(jù)送到輸出設備上。I/O接口是CPU與輸入/輸出設備進行數(shù)據(jù)交流的中介電路。微型計算機主要組成部分（2）輸入設備26馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機以運算器為核心、以存儲程序原理為基礎運算器輸出設備控制器輸入設備存儲器指令驅(qū)動指令流控制命令數(shù)據(jù)流馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機以運算器為核心、以存儲程序原理為基礎運算27指令的執(zhí)行過程1、指令地址賦給PC并發(fā)送到地址寄存器AR2、PC自動加13、AR->地址總線，選中相應單元4、CPU的控制器發(fā)出讀命令5、地址中的指令讀到數(shù)據(jù)總線上6、讀出的內(nèi)容

數(shù)據(jù)寄存器7、譯碼，指令寄存器IR,指令譯碼器ID指令的執(zhí)行過程1、指令地址賦給PC并發(fā)送到地址寄存器A28幾個主要概念的區(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)幾個主要概念的區(qū)別微處理器（Microprocessor）29微機的主要指標(1)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。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）1T=240byte1KB=210byte1P=250byte1MB=220byte1GB=230byte運算速度以每秒執(zhí)行的機器指令數(shù)作為運算速度指標，計量單位為

MIPS（MillionInstructionPersecond

－每秒百萬條指令）微機的主要指標(1)字長30微機的主要指標(2)內(nèi)核數(shù)目即機器的主時鐘頻率，取決與微處理器的頻率。高速緩存L1CacheL2CacheL3Cache微機的主要指標(2)內(nèi)核數(shù)目31微機的主要指標(3)主頻率即機器的主時鐘頻率，取決與微處理器的頻率。平衡軟件與硬件的平衡性能與價格的平衡應用與性能的平衡平均無故障時間超級計算機嵌入式系統(tǒng)微機的主要指標(3)主頻率32星云超級計算機（工具or玩具）峰值達到每秒3000萬億次（3PFlops），Linpack達到1.27petaflop每秒鐘可進行1270萬億次浮點運算光信息產(chǎn)業(yè)（北京）有限公司、中國科學院計算技術(shù)研究所、國家超級計算深圳中心共同研制核模擬、航母、大飛機、氣象、超新星等等星云超級計算機（工具or玩具）峰值達到每秒3000萬億次（333星云超級計算機星云超級計算機34美洲豹超級計算機美洲豹超級計算機35微型計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CPU存儲器ROM存儲器RAMI/O接口I/O設備地址總線(AB)數(shù)據(jù)總線(DB)控制總線(CB)微型計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CPU存儲器存儲器I/OI/O地址總368086CPU的結(jié)構(gòu)16位外部總線ΣALUAHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISICSDSSSESIP

內(nèi)部暫存器154236運算暫存器標志寄存器EU控制單元ALU數(shù)據(jù)總線（16位）總線控制邏輯地址總線(20位)指令隊列數(shù)據(jù)總線隊列總線8位通用寄存器執(zhí)行部件（EU）總線接口部件（BIU）8086CPU的結(jié)構(gòu)16位外部總線ΣALUAH37微處理器微處理器（CPU）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；時序和控制部件微處理器微處理器（CPU）38輸入/輸出接口串行接口輸入接口并行接口

輸出接口數(shù)字接口模擬接口數(shù)據(jù)緩沖寄存；信號電平或類型的轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)主機與外設間的運行匹配。輸入/輸出接口串行接口輸入接口數(shù)字接口數(shù)據(jù)緩沖39總線連接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?？偩€可分為三類：地址總線（addressbus）它傳輸?shù)刂沸畔ⅲ糜趯ぶ反鎯卧虸/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?？偩€連接CPU與存儲器I/O接口的公共導線。采用總線40總線特征及分類特征：1、物理特征：總線物理連接的方式2、功能特征：總線的功能是什么3、電氣特征：信號傳遞方向及有效電平范圍4、時間特征：每根信號線在什么時間有效分類：內(nèi)部總線元件級總線系統(tǒng)總線外部總線總線特征及分類特征：41內(nèi)存儲器的相關概念用來存儲程序和數(shù)據(jù)（無論對誰來說,640K內(nèi)存都足夠了?！薄葼枴どw茨(1981)）可分為只讀存儲器（