第1章 微型计算机基础知识资料

∧∧微机原理及应用∨∨你了解微机多少?1-1∧∧微机原理及应用∨∨第1章微型计算机基础知识本章主要内容：微型计算机的发展微型计算机基本原理微型计算机的运算基础1-2∧∧微机原理及应用∨∨微机发展概况从上世纪五十年代诞生第一台电子计算机以来，计算机的发展很快，不仅有运算速度高达万亿次的并行计算机，也有应用于学习和实验室工作的微机，还有广泛应用于工业生产和人们日常生活的嵌入式微处理器和系统。又叫PC机。严格意义来讲，微机并不等同于电子计算机，也不等同于PC机，但是在中国，却可以被称作PC机、电脑。因为，电子计算机发明之始，一般均呈巨型机形态，微型机只是在80年代后在全球流行，进入中国大规模流行则是在1992年以后。因此，中国的微机可以用来代替计算机、电脑这些名称1-3∧∧微机原理及应用∨∨1943年美国为解决复杂的导弹计算而开始研制电子计算机。1946年2月，由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制小组，研制成了世界上第一台数字式电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。这台计算机使用了约18000个电子管、1500个继电器，耗电量达150kW，占地面积167m2，重量约30吨，计算速度每秒5000次，采用字长10位的十进制计数方式，编程通过接插线进行。1-4∧∧微机原理及应用∨∨1944年，著名的数学家冯·诺依曼获知ENIAC的研制，在以后的10个月里，他参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的系统结构。在由他执笔的报告里，提出了采用二进制计算、存储程序，并在程序控制下自动执行的思想。按照这一思想，新机器将由运算、控制、存储、输入、输出等五个部件构成，报告还描述了各部件的职能和相互间的联系，以后这种模式的计算机称为冯·诺依曼机运算器存储器控制器输入设备输出设备原始数据计算结果数据结果地址指令冯·诺依曼逻辑结构1-5∧∧微机原理及应用∨∨运算器是计算机对各种数据进行运算，对各种信息进行加工、处理的部件，是计算机数据处理的中心。存储器是存放各种数据、信息和程序的部件，不管是输入待处理的数据、中间运算结果、还是待输出的最终结果以及计算机执行的程序代码，都存放在存储器中，存储器分为主存储器（又称内存）和辅助存储器（又称外存）。输入设备为计算机输入各种原始信息，包括：数据、程序和文字等，并将他们转换成计算机能识别的二进制代码。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、手写板及数码相机等。输出设备将计算机运算处理的各种结果送出供判读和识别。常用的输出设备有显示器、打印机、音箱等。控制器对程序代码进行解释并产生各种控制信号，从而进一步控制计算机中的各个部件的协调运行。程序代码是程序员根据具体要求而编制的。1-6∧∧微机原理及应用∨∨电子计算机发展的四个阶段是：•第一代（1946～1957），以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件上采用机器语言，后期采用汇编语言。•第二代（1958～1965），以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。•第三代（1966～1971），以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络。•第四代（1971至今），以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。另外，网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。1-7∧∧微机原理及应用∨∨微处理器的发展每当一款新型的微处理器出现时，就会带动微机系统的其它部件的相应发展，如微机体系结构的进一步优化，存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高，外围设备性能的不断改进以及新设备的不断出现等根据微处理器的字长和功能，可将微型计算机的功能划分为以下几个阶段:1-8∧∧微机原理及应用∨∨第一阶段（1971～1973年）是4位和8位低档微处理器时代。通常称为第一代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。基本特点是采用PMOS工艺，集成度低（￡4000个晶体管/片），系统结构和指令系统都比较简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少（20多条指令），基本指令周期为20～50μs，用于家电和简单的控制场合。第二阶段（1974～1977年）是8位中高档微处理器时代。通常称为第二代，其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等，以及各种8位单片机，如Intel公司的8048、Motorola公司的MC6801、Zilog公司的Z8等。它们的特点是采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约10~15倍（基本指令执行时间1～2μs），指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统，如CM/P就是当时流行的操作系统。1-9∧∧微机原理及应用∨∨第三阶段（1978～1984年）是16微处理器时代。通常称为第三代，其典型产品是Intel公司的8086/8088、80286，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（20000~70000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5μs）都比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期的著名微机产品有IBM公司的个人计算机PC（PersonalComputer）。1981年推出的IBMPC机采用8088CPU。紧接着1982年又推出了扩展型的个人计算机IBMPC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。1984年IBM推出了以80286处理器为核心组成的16位增强型个人计算机IBMPC/AT。由于IBM公司在发展PC机时采用了技术开放的策略，使PC机风靡世界1-10∧∧微机原理及应用∨∨第四阶段（1985～1992年）是32位微处理器时代，又称为第四代。其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M68030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（MIPS，MillionInstructionsPerSecond）。微机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片第五阶段（1993年以后）是奔腾（Pentium）系列微处理器时代，通常称为第五代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（MultiMediaeXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。2000年3月，AMD与Intel分别推出了时钟频率达1GHz的Athlon和PentiumIII。2000年11月，Intel又推出了PentiumⅣ微处理器，集成度高达每片4200万个晶体管，主频1.5GHz，400MHz的前端总线，使用全新SSE2指令集。2002年11月，Intel推出的PentiumⅣ微处理器的时钟频率达到3.06GHz，而且微处理器还在不断地发展，性能也在不断提升。1-11∧∧微机原理及应用∨∨微型计算机的系统性能的提高一方面，提高微处理器的性能提高大规模集成电路的集成度和速度，采用流水线技术，高速缓冲存储器技术、虚拟存储器管理技术、并行处理技术以及精简指令集RISC等技术一方面，提高整个微型计算机系统的性能采用多处理机并行处理技术，提高系统可靠性、充分利用资源及进行分布处理等1-12∧∧微机原理及应用∨∨微型计算机的特点：功能强、产量大、体积小、价格便宜、性能可靠、适应性强等微型计算机的应用：主要有科学与工程计算、数据处理和信息加工、实时控制、计算机辅助设计、智能模拟等1-13∧∧微机原理及应用∨∨1.1.2微型计算机系统的组成微型计算机系统μCS硬件软件微型计算机μC(单片、单板、多板)外围设备电源微处理器内存储器I/O接口电路系统总线系统软件程序设计语言应用软件机器语言汇编语言高级语言机器语言和汇编语言的区别？1-14∧∧微机原理及应用∨∨1.1.3微型计算机的典型结构及工作原理以实际系统为基础经过简化的8位微机的典型模型开始1、微机硬件系统连接右图所示为一种典型微机硬件系统的结构。存储器CPU存储器接口电路接口电路外围设备外围设备总线1-15∧∧微机原理及应用∨∨1-16∧∧微机原理及应用∨∨微机的核心部件CPU是靠三组总线(又称板间总线或内总线)将存储器、I/O接口连接起来。总线包括：地址总线、数据总线和控制总线。CPU、存储器和所有I/O设备之间的信息交换都是通过总线进行。各部件均以同一形式挂在总线上，结构简单，易于扩充。目前绝大多数微机硬件均采用这种结构。1-17∧∧微机原理及应用∨∨总线(Bus)1)数据总线DB(DataBus):用于传送数据信息，其位数与处理器字长相等。“数据”，在计算机中有较广的涵义，可以是真正的数据，也可以是指令代码、某些状态信息等数据总线是双向的，它即可以供处理器送出数据，也可供其他部件将数据送至微处理器内部。8位微机的8根数据线分别表示为D7~D0,D0为最低位。1-18∧∧微机原理及应用∨∨2)地址总线AB(AddressBus):传送地址信息，是微处理器用来寻址存储器单元或I/O接口用的总线。总线宽度(位数)将决定微处理器当前可寻址的内存储器容量范围。如16条地址线可寻址216=65536个不同的地址，即：0000H~FFFFHDB和AB的倍数与CPU的位数是否有必然联系？1-19∧∧微机原理及应用∨∨3)控制总线CB(ControlBus):传送控制信息，有微处理器送往存储器和外围设备的输出控制信号，如读、写、访问请求等，也有外设通过接口反馈给微处理器的输入控制信号，如中断信号、总线请求信号、等待信号等。总线宽度(位数)将决定微处理器当前可寻址的内存储器容量范围。如16条地址线可寻址216=65536个不同的地址，即：0000H~FFFFH8086数据总线是16位，8088数据总线是8位，地址总线都是20位。1-20∧∧微机原理及应用∨∨2、存储器组织存储器用来存储数据和程序。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象，它们都用二进制代码的形式表示，存放在存储器中。存储器由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据缓冲器以及控制电路组成，其结构如下图：1-21∧∧微机原理及应用∨∨ABCBDB地址寄存器地址译码器数据缓冲器控制电路存储单元...地址内容70位00H01H…FEFFH…FFFFH来自CPU的地址信号1616来自CPU的控制信号至CPU数据总线存储器结构81-22∧∧微机原理及应用∨∨存储器由很多存储单元组成，每个存储单元存放一个数据或一条指令，每个存储单元有一个唯一的编址。当CPU要对存储器进行读操作时，CPU通过16条地址总线将存储单元的地址送入地址寄存器，再经地址译码器译码后，寻找到指定的存储单元。CPU再发来读信号RD，将其中存放的8位数据读出到数据缓冲器，然后通过数据总线输入到CPU中。1-23∧∧微机原理及应用∨∨写操作时，CPU通过16条地址总线将存