第一章微型计算机基础分解

为什么要学习《微机原理与接口技术》1.了解计算机的内部工作原理2.机电设备在过程控制的要求.3.实时数据（信息）处理和过程控制要求实时性，希望编写的程序精炼，运行起来更快课程目标工科专业的必修课微机原理是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：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念形成机电系统控制开发的初步能力•人与机器的机能对应关系图外界对象感官人脑肢体传感器微机执行器外部信息行动一.计算机的发展历程•1943年专用计算机用于破译德国军事密码•1946年通用计算机美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”•占地上百平方米•重量几十吨•功耗几十千瓦•5000次加法/秒150平方米大约是一间半的教室大30t六只大象重150kw一.计算机的发展历程•采用线路连接的方法来编排程序，每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际运算时间存储器容量太小，只能存20个字长的10位十进制数字冯•诺伊曼计算机基本结构(冯氏结构)•1.“存储程序”概念的产生及其重要意义。–ENIAC——不具备“存储程序”的功能–采用“存储程序”的概念，并付诸实现，“开创了整个程序设计时代的到来”•2.冯氏计算机5个基本部件：输入器,输出器,运算器,存储器和控制器•数据和程序存放在存储器中,采用了二进制一.计算机的发展历程•电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）一.计算机的发展历程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GordonE.Moore，Intel公司的创始人之一摩尔定律•摩尔定律让我们的爱机没几年就从身价过万到不值一文;•当然也让囊中羞涩的我们可以只是多一点忍心就能花很少的代价得到当初连想都不敢想的机器微处理器•微处理器（Microprocessor）–微型化的CPU，由1片或几片大规模集成电路组成的中央处理器。•严格讲，微处理器≠CPU。–CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的部件，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成。–现代微处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)。微处理器的发展•第1代：4位和低档8位微机4004→8008•第2代：中高档8位微机Intel8080，Motorola的MC6800，Zilog的Z80、Intel8085•第3代：16位微机8086→8088→80286，Z8000，MC68000•第4代：中高档32位微机Z80000，MC68020，80386→80486•第5代：高档32位微机Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium4•第6代：64位微机Itanium（1）第一代微处理器•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1.微处理器的分类和发展历程Intel4004•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。Intel80081.微处理器的分类和发展历程•1973年12月：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。Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的•1976年：Intel8085——Intel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。(2)第二代微处理器•1977年：Z80，Zilog公司，8位机，优于8080，80851.微处理器的分类和发展历程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(3)第三代微处理器8086成为一款真正的现代微处理器。（IntelX86系列微型计算机的发展）1.微处理器的分类和发展历程•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。1.微处理器的分类和发展历程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）。1.微处理器的分类和发展历程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可寻址空间达到4GB80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。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。4.第四代微处理器（IntelX86系列微型计算机的发展）1.微处理器的分类和发展历程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80386相兼容的数学协处理器8037一个8KB容量的高速缓冲存储器(Cache)。•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。1.微处理器的分类和发展历程第五代：Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器（1993年，P5）•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。5.第五代微处理器（Pentium系列微型计算机的发展）第二代Pentium处理器（1994年，P54C）高能奔腾采用0.6m工艺工作频率为90MHz/100MHz。1.微处理器的分类和发展历程第三代PentiumMMX（1997年，P55C，“多能奔腾”）•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1.微处理器的分类和发展历程PentiumIIPentiumIII•采用0.6m-0.18m工艺•集成度550万-950万晶体管•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1.微处理器的分类和发展历程PentiumIV(研发代号Willamette)（威廉斯塔得）•介于P6与IA64之间全新的NetBurst体系结构•采用0.18m工艺，时钟频率1.4GHz~2GHz•20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线1.微处理器的分类和发展历程第六代：64位处理器P7(IA64体系结构)•Itanium（研发代号:Merced），2001年5月发布•采用了EPIC（ExplicitParallelInstructioncomputer)•内部数据总线和外部总线及地址总线都是64位的•Itanium有2代产品Itanium1的某些性能不如32位的P5Itanium2系统性能提高了1.5-2倍；带有6MB的三级缓存，有出色的并行能力1.微处理器的分类和发展历程（1）低档微型计算机的发展（2）32位和64位微型计算机的发展（3）多微处理器系统的发展在多微处理器系统的猛烈冲击下，现有大型机市场摇摇欲坠，大型机厂商惶惶不可终日。为了求得生存，大型和巨型机厂商在加紧发展微型计算机的同时，纷纷改变策略，转而使大型和巨型机采用多微处理器系统类似的结构体系——并行结构。2.微型计算机的发展动向28•运算速度快•计算精度高•超强的记忆能力•具有逻辑判断功能•实现自动控制3.计算机的特征•（1）巨型机•巨型机是指那些运算速度在每秒亿次以上的计算机。巨型机目前在国内还不多，我国研制成功的“银河”计算机就属于巨型机。•（2）大、中型机•运算速度在每秒几千万次左右的计算机为大、中型机。•（3）小型机•小型机的运算速度在每秒几百万次左右。•（4）微型机•微型机也称为个人计算机（PC机），是目前应用最广泛的机型。。它们的运算速度也可达每秒百万次以上。•微型机与其它机型不同的特点是：巨、大、中、小型机的中央处理器CPU具有分时处理的能力，都是一个主机带有若干个终端或外设。而微型机往往都是由单个终端组成，体现了“个人计算机”的特点。4.计算机的分类•（5）工作站•工作站主要用于图形图像处理和计算机辅助设计中，是一台性能更高的微机。••今后，计算机的发展将走向两个极端：一个是巨型化，一个是微型化。31微处理器、微型计算机和微型计算机系统（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微处理器:集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能的中央处理器2.微型计算机：由CPU，半导体存储器，I/O接口和中断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成的计算机。•单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）•单板微型计算机（SingleBoardMicrocomputer）•多板微型计算机（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型计算机系统:在多板机基础上发展起来的,是高层次的微型计算机,有齐全的硬件和丰富的软件二.微型计算机的概念及它的组成和结构4.微型计算机系统的组成微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件二.微型计算机的概念及它的组成和结构核心级硬件系统级系统级33核心级——微处理器•微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器ALU控制器CU寄存器组Registers•实现运算功能和控制功能34硬件系统级——微型计算机•以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。•将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。35系统级•以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。•微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机•软件分为系统软件和应用软件两大类。使用和管理计算机有机器的设计者提供的软件用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件