第01章 微型计算机基础知识2资料

KMUFWJ1/69第1章微型计算机基础知识微型计算机和单片机发展概述计算机中的数制及数的转换计算机中二进制数的运算计算机中有符号数的表示方法计算机中的字符编码微型计算机组成原理KMUFWJ2/691.1微型计算机和单片机发展概述1.1.1微型计算机的发展1．电子计算机的发展1945年12月，在美国宾夕法尼亚大学，世界上第一台电子数字积分计算机ENIAC研制成功。这台计算机总共安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多电阻器，10000多只电容器和6000只继电器，占地面积为170平方米左右，总重量达30吨，耗电约140千瓦，运算速度达到每秒能进行5000次加法运算、300次乘法运算。标志着人类电子计算机时代的到来。KMUFWJ3/69第一代：电子管电子计算机（1946年～1958年）基本逻辑元件：电子管内存储器：水银延迟线外存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带程序设计语言：机器语言，汇编语言应用：科学计算第二代：晶体管电子计算机（1958年～1965年）基本逻辑元件：晶体管内存储器：磁芯外存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带程序设计语言：机器语言，汇编语言高级语言应用：科学计算、数据处理、事务处理、工业控制1960年贝尔实验室使用800只晶体管组装的世界上第一台晶体管计算机TRADICKMUFWJ4/69第三代：中、小规模集成电路电子计算机（1965年～1970年）基本逻辑元件：中、小规模集成电路内存储器：磁芯、半导体存储器外存储器：磁盘、磁带程序设计语言：汇编语言、高级语言应用：科学计算、数据处理、自动控制、文字处理基本逻辑元件：晶体管内存储器：半导体存储器外存储器：磁盘、磁带、光盘程序设计语言：汇编语言、高级语言应用：科学计算、数据处理、自动控制各类辅助设计、图像识别、语言识别、通信、家用电器等第四代：大规模、超大规模集成电路电子计算机（1971年开始）1964年4月7日，IBM公司研制成功世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM360系统KMUFWJ5/69第五代：智能计算机（20世纪80年代中期至今）第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构将突破传统的冯•诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。现正在研制发展中，工作原理、结构至今尚未统一。2．微型计算机的发展1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。划分阶段的标志：一般以CPU字长和微处理器型号。KMUFWJ6/69第一代（1971～1973年）4位和低档8位微处理器Intel4040—4位微处理器，集成了2250个晶体管，频率为108KHz。Intel8008—低档8位微处理器集成了9000个晶体管，时钟频率0.5/0.8MHzIntel4004Intel8008第二代：晶体管电子计算机Intel8080、MC6800、R6502—8位微处理器Intel8085、Z80、MC6809—高档8位微处理器指令比较完善，有中断与DMA，频率2～4MHz程序设计：汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M后期配备CP/M操作系统Intel8080Z80KMUFWJ7/69第三代（1978～1982年）16位微处理器Intel8086、Z8000、MC68000—16位CPU字长16位，16位数据线，20位地址线Intel8088—准16位CPU字长16位，8位数据线，20位地址线1981年，IBM公司采用Intel8088微处理器生产了第一台通用微型计算机IBMPC，从此IBMPC系列微机成为个人计算机的主流机之一。Intel8086Intel80286Intel80286、MC68010—高档16位CPU字长16位，16位数据线，24位地址线KMUFWJ8/69第四代（1982～1992年）32位微处理器Intel80386—32位微处理器数据总线32位，地址总线32位实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚拟空间时钟频率12.5MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel80486—32位微处理器80386+80387+8KBCache=80486部分采用RISC技术、突发总线技术、时钟倍频技术Intel80386Intel80486KMUFWJ9/69第五代（1993～1995年）32位奔腾微处理器Pentium（奔腾）—32位微处理器CPU字长32位，64位数据线，32位地址线，内存寻址能力为4GB8KB的代码和数据Cache，时钟频率120MHzPentiumMMX（多能奔腾）—32位微处理器增加了57条MMX（多媒体增强指令集）指令采用了SIMD（单指令流多数据流）技术同时处理8个字节的数据IntelPentiumIntelPentiumMMXAMDK5KMUFWJ10/69第六代（1995～1999年）加强型Pentium微处理器PentiumPro(高能奔腾)—32位微处理器CPU字长32位，64位数据线、36位地址线，L116KB，L2256/512KB，时钟频率300MHz。PentiumII—32位微处理器CPU字长32位，L116KB，L2256/512KB增加MMX技术。PentiumIII—32位微处理器CPU字长32位，L132KB，L2512KB。时钟频率500MHz,2000年高达1GHZ。增加128位的SIMD（SingleInstructionMultipleData，单指令多数据流）寄存器和72条指令，流式SIMD扩展SSE（StreamingSIMDExtensions），IntelPentiumProIntelPentiumIIIKMUFWJ11/69Pentium4—32位微处理器集成4200万个晶体管，采用超级流水线技术和快速执行引擎2000年，时钟频率1.3GHz2001年，钟钟频率2GHz2002年，钟钟频率3.06GHz2003年，钟钟频率3.2GHz2004年，钟钟频率3.4GHz，最高3.8GHz在此阶段AMD公司的类似产品有：AMDK6、AMDK7、AMDAthlonXP等。IntelPentium4AMDK6AMDAthlonXPKMUFWJ12/69第六代后（2000年至今）和多核处理器64位微处理器IntelItanium2—IA-64架构64位微处理器，采用0.18μm工艺，集成约2.2亿个晶体管，集成L1、L2和L3Cache到芯片内，主频为1GHz。由于IA-64与原x86架构的软件天生不兼容，应用不是很成功。IntelItanium2AMDOpteronAMDOpteron、AMDAthlon64—AMD64架构64位微处理器，采用0.13μmSOI(SiliconOnInsulator)工艺，集成1亿多个晶体管，主频为1.6GHz。由于AMD64架构完全兼容X86-32指令集，代表了微处理器的发展方向，Opteron和Athlon64获得了成功。KMUFWJ13/69多核心微处理器（典型产品）IBMPower7(2010年2月)—8核处理器，采用45nmSOI工艺，集成了12亿个晶体管，拥有8个处理器内核，12个执行单元、每核256KBL2缓存和32MB共享片上L3缓存，主频在3.0～4.14GHz之间。IBMPower7AMDMagny-CoursIntelCorei7(2010年2月)—4核处理器，拥有8MB三级缓存，支持三通道DDR3内存，主频2.66～3.06GHz，功耗130W，片上集成7.31亿晶体管。AMDMagny-Cours(2010年3月)—12核处理器，采用AMDG34Maranello平台，支持四通道DDR3内存，通过四个多线程互连总线连接2个六核芯片，共拥有12MB三级缓存，每核心二级缓存为512KB。采用45nmSOI工艺，主频1.9～2.2GHz，功耗65～105W。IntelCorei7KMUFWJ14/691.1.2单片机的发展将CPU、ROM、RAM、定时器/计数器以及输入/输出(I/O)等接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。称为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，简称单片机。为满足工业测控的应用需求，单片机出现和迅速发展，更能反映单片机本质的名称应是微控制器(Microcontrollor，MCU)。单片机只是一块集成电路，从组成和功能上看，已具有微机系统的含义。单片机的特点：性价比高。高性能、低价格；控制功能强。工作任务针对性强，适用于专门的控制用途；高集成度、高可靠性、体积小；低电压、低功耗；品种多样，型号繁多，发展更新快。KMUFWJ15/691．单片机的发展简史自从1974年美国仙童（Fairchild）公司生产的世界上第一块单片机（FS）以来，单片机的发展特别迅速，各种新型和高性能单片机不断推陈出新。迄今为止已有30多年历史，大致经历了五个发展阶段。第一阶段(1971～1974)：单片机萌芽阶段典型代表：仙童公司的FS系列单片机，8位的CPU、64B的RAM和两个并行端口，需外接ROM。第二阶段(1974～1978)：初级单片机阶段以IntelMCS-48系列为代表。集成8位CPU、2个8位并行I/O口、和8位定时器/计数器和64字节的RAM。寻址范围不大于4KB。这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，它以体积小，功能全，低价位赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。KMUFWJ16/69第三阶段(1978～1983)：高性能单片机阶段这时期代表产品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC6801系列、Zilog公司的Z80系列、TI公司的TMS7000系列等。其中以1980年推出的MCS-51系列单片机为典型代表。MCS-51系列单片机：8位CPU、4个8位并行I/O口、2个8位定时器/计数器、128字节的RAM，4KB的ROM，1个全双工的串行口，5个中断源，寻址范围64KB。MCS-51系列单片机具有良好兼容性，为新一代微控制器奠定了良好的基础。在MCS-51技术实现开放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司纷纷推出了基于MCS-51内核的微控制器。KMUFWJ17/69第四阶段(1983～):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段这一阶段8位单片机巩固发展，各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种。特点：单片机真正单片化，集成较多RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，有的还带A/D转换器，功能越来越强大，寻址空间达64KB。同时16位的单片机也逐步推出。代表产品有Intel公司的MCS-96系列、TI公司的TMS9900、NEC公司的783XX系列和NS公司的HPC16040等。KMUFWJ18/69现阶段：32位单片微机系列继16位单片机出现后不久，几大公司相继推出代表当前最高性能和技术水平的32位单片微机系列。特点：极高的集成度，采用RISC(精简指令系统)，主频可达33MHz以上，具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统和同步/异步通信控制系统。代表产品有Intel公司的MCS-80960系列、Motorola公司的M68300系列、Hitachi公司的SuperH(简称SH)系列等等在今后相当长的时期内，主流机型仍是8位单片机。一方面8位单片机已能满足一般的控制要求，另一方面8位增强型单片机在速度及功能上能向16位单片机挑战。故今后的机型很可能是8位机与32位机共同发展的时代。但从应