第1章微机基础.

湖南科技大学信息与电气工程学院电子信息工程系2006年8月作者：周明辉联系电话：[phone]QQ：106050931《微机原理与接口技术》课是工科学生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，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接建立微机系统的整机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。课程目标1、雷丽文主编，《微机原理与接口技术》，电子工业出版社，2002.62、戴梅萼主编，《微型计算机技术及应用》，清华大学出版社，19913、周明德主编，《微型计算机系统原理及应用》，清华大学出版社，1991主要参考书平时作业30%期末考试70%考核方式学习《微机原理与接口技术》应注意的问题1、学习《微机原理及应用》课程首先要打破软件、硬件的神秘感。程序设计和大型软件的开发不是特技，而是规范、稳定、别人看得懂以及便于维护。微机的发展使软件设计“平民化”，作软件的终极目的是要从别人口袋里掏钱，不是自娱和愚人，软件设计早已走过了裘伯君那个编码英雄的年代，程序员已经是个坐办公室的“蓝领”了。你具备拧好一颗“螺丝钉”的能力就可以了，Code是“最低级”的事情了。2、团结协作尤其重要，WindowsXP是微软四千人团结协作的结果，要是有四千中国人哪怕是一千人团结在一起，彼此信任，相互不设“暗钉子”，什么样的大型软件和操作系统编不出来呢？！3、善于利用“前人”的成果，踩在“巨人”的肩膀上，开拓创新是成功的捷径。通过本门课程的学习，应树立两方面的勇气：第一是要有敢于将不太完善的产品向外发布的勇气，先让别人熟悉、喜欢你的产品，并发现你的不足，进而促进你不断完善。Windows不正是这样作的吗！发布时吹得天花乱坠，事后不断加补丁，不是吗？十全十美的东西可能就没有生命力，就没有市场；第二是要有敢于接“半拉子”工程的勇气，不是另搞一套，而是在“前人”的基础上完成、完善和升级，要尊重“前人”的成果，而不是把前任的工作贬损一通，然后自己再开发有更多问题的代码来替代，还美其名曰“我们这样有创造性”，这样的“创造性”是没有财力和时间来耗的，宁可不要。4、要使产品在市场上有较长久的生命力，除了不断完善和升级外，最好能在升级软件的同时将硬件也同时升级，当然最好是在不增加硬成本的基础上，所以在讲述本课程时要使学生明白：设计系统时，在资源的配置和占用上要留有余地，为以后的升级做准备，而且要向下兼容。如何不增加硬成本呢？可以设计专用CPU及应用CPLD/FPGA技术，“硬件狗”的应用也是专利产品的可行方案。软件产品的开发可以多人协作但不能依赖于任何一个人，定期交出设计文档很有必要。谁都可以立即辞职，产品的开发还是会正常进行。软件设计早已走过了个人英雄主义的“神密”年代，已经是团队作业、分工协作的“普通”工作了。你不是“菜鸟”，必将成为Code高手。计算机行业是朝阳产业，计算机世界是年青人的天堂，朋友，你可以一试！1.1微计概述•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ENIAC•电子计算机的发展：电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机大规模超大规模集成电路计算机•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第一章微机基础1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。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1.1.1微型计算机的发展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3000～10000晶体管/片，微处理器的主频为0.1～5MHz。•1971年：Intel4004，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：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。微型计算机的发展•1974年：Intel8080采用了6m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Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的•1976年：Intel8080Intel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。微型计算机的发展第一代：8086/8088（1978年-1981年）•1978年--8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。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IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。X86系列微型计算机的发展第二代：80286（1982年-1984年）•采用1.5m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IBMPC/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第三代：80386（1985年-1988年）•第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m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；80386SL／80386SLC，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第四代：80486（1989年-1992年）•采用1m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0.8m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0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。•第三代PentiumMMX（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第六代：P6（1996-今）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII•采用0.6m-0.18m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条指令第七代：64位ItaniumItaniumIIX86系列微型计算机的发展代字长(bit)型号工艺(um)集成度(万个)主频(MHz)速度(MIPS)1168086334.77-101216802861.513.46-161-2332803861.527.516-336-1243280486112025-6620-40532P50.8-0.632060-133100-200632P60.18-0.6550-950133-1G300X86系列微型计算机的发展X86系列微型计算机的发展1.1.2微型计算机的特点和应用范围1.1.2.1微型计算机的特点1.1.2.2微型机的应用范围返回本章首页1.1.2.1微型计算机的特点1．体积小、重量轻、价格低廉2．简单灵活、可靠性高、使用环境要求不高3．功耗低返回本节1.1.2.2微型计算机的应用1．科学计算2．数据处理3．办公自动化4．过程控制5．辅助系统6．仿真返回本节进位计数制及其相互转换•十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位计数制，进位计数制中用少量数码按次序排列成数位，并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位十进制的两个基本要素。•基数是进位计数制中所用数码的个数，基数为r的进位计数制中需要r个数码，每个数位计满r就向高位进一，即逢r进一。•在进位计数制表示的数中，同一数字处在不同位置表示不同的值，它所表示的值是该数字乘以一个由它所处位置所决定的常数，这一常数就是该数位所具有的权。r进制数各位的权是以r为底的幂。1.2计算机中数的表示和编码进位计数制及其相互转换任何一个r进制数N可以表示为：1-nmiiimm1100111n1nrKrKrKrKrK...rKN•若r=10，则十进制数，其各位的权是以10为底的幂；•若r=2，则是二进制数，其各位的权是以2为底的幂；•若r=8，则是八进制数，其各位的权是以8为底的幂，八进制中共有八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7；•若r=16，则是十六进制数，其各位的权是以16为底的幂，十六进制中共有16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。•为了明确表示一个数所采用的进位计数制，可以该数的后面加上下标(B)、(O)、(D)、(H)，分别表示该数为二进制、八进制、十进制和十六进制进位计数制及其相互转换r进制数转换为十进制数按照公式展开求和例1.分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示十进制数转换为r进制数整数部分和小数部分分别进行转换整数部分的转换步骤：①把r写成十进制数；②将N除以r，记录商和余数，并用r进制表示余数，这余数便是用r进制表示的数的最低位数字；③把上次的商进行②中所述除以r取余的运算，用r进制表示余数；重复这种运算直到商为0，这时的余数即为十进制数N用r进制表示时的最高位数字。十进制数转换为r进制数例2.把十进制数103用二进制表示例3.把十进制数506用十六进制表示小数部分的转换步骤：①把r写成十进制数；②将N乘以r，记录积的整数部分和小数部分，并用r进制表示整数部分，该整数即为转换后r进制小数