7第01章 微型计算机基础知识

微机原理及应用任课教师:李健勇联系方式:13938426721电子信箱:[e-mail]课程性质学习和掌握计算机硬件知识和汇编语言程序设计入门课程。课程目标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。建立微机系统整体概念，使学生具有应用微机系统进行软、硬件开发的初步能力。课程内容以Intel8086为学习平台，阐述微机基本组成、工作原理及典型应用。微机计算机基础–数制与编码–微机组成、分类–微处理器汇编语言–指令系统–汇编语言程序设计计算机硬件–存储器–输入/输出接口–中断、并行、串行、计数/定时等常用接口参考教材谢维成，微机原理与接口技术，华中科技大学出版社课程特点理论与实验相结合课程基础数字电路基础课程安排68学时上课：60学时实验：8学时课程考核出勤、平时作业：20%实验：10%期末考试成绩：70%第1章微型计算机系统概述1.1概述1.2数制与编码1.3微机结构及工作原理1.1概述世界上第一台计算机ENIAC巴贝奇分析机世界上第一位程序员约翰·冯·诺依曼发展：电子管、晶体管、集成电路1971：Intel4004，改进为4040（4位）1972：Intel8008（8位）1973-1977：多家生产（8位）1978-1979：多家生产（16位）1980之后：多家生产（32位，64位，...）处理器简史Intel处理器图示ENIAC全称：通用型计算机（ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）生日：1946年2月15日投资者：美国军方研制者：美国宾州大学研制目的：计算弹道中的各种复杂的非线性方程组“程序设计”ENIACENIAC档案ENIAC用了18800个电子管，每个电子管有一个普通家用25瓦灯泡那么大。整部电脑有8英尺高、3英尺宽、100英尺长，重30吨，耗电140千瓦。每秒能进行5000次加法运算（人的运算速度每秒5次加法），能进行平方、立方、正弦和余弦等运算。它代表1946年运算速度的最高水平。ENIAC中没有太明晰的CPU概念。巴贝奇分析机全称：巴贝奇分析机生日：1991投资者：英国肯圣顿(Kensington)科学博物馆研制者：巴贝奇教授，CharlesBabbage研制目的：发明创造后人完成的巴贝奇分析机巴贝奇分析机部件巴贝奇教授，CharlesBabbage（1792-1871）巴贝奇把继承银行家父亲的财富都用于科学研究，剑桥大学毕业，1817年获硕士学位，1828年受聘担任剑桥大学“卢卡辛讲座”的数学教授，这是只有牛顿等科学大师才能获得的殊荣。巴贝奇将他设想的通用计算机命名为“分析机”，每个数达25位，速度达到每秒钟运算一次。分析机包括齿轮式“存贮仓库”、“运算室”（作坊）还有他未给出名称的“控制器”装置以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。这种天才的思想，划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构，也为后世的通用处理器诞生奠定了坚实的基础。英国皇家学会会员剑桥大学数学教授爱达∙拉夫拉斯伯爵夫人英国著名诗人拜伦的女儿爱达∙拉夫拉斯伯爵夫人，是唯一能理解巴贝奇的人，也是世界计算机先驱中的第一位女性。她建议用二进制数代替原来的十进制数，指出分析机可能像雅各织布机一样编程，并发现了编程的要素。她预言计算机总有一天会演奏音乐。1981年，美国国防部花了10年的时间，研制了一种计算机全功能混合语言，并成为军方数千种电脑的标准。为了纪念爱达夫人，这种语言被正式命名为ADA语言，并赞誉她是“世界上第一位软件工程师”。想象中的Ada约翰·冯·诺依曼美籍匈牙利人，1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯，父亲是一个银行家。冯·诺依曼是普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、哈佛大学、伊斯坦堡大学、马里兰大学、哥伦比亚大学和慕尼黑高等技术学院等校的荣誉博士。他是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院士。1954年他任美国原子能委员会委员；1951年至1953年任美国数学会主席。现在使用的计算机，其基本工作原理是存储程序和程序控制，由冯·诺依曼提出。因些，他被称为“计算机之父”。处理器简史微处理器的发展方向是：处理信息的容量更大、速度更快、集成度更高、功能更强、性价格比更高。第四、五、六、七代1981年以后,32位,64位Intel,IBM,Motorala,Zilog等第三代1978年,16位Intel,Motorala,Zilog第二代1973年,8位Intel,Motorala第一代1971年4位IntelIntel4004外形和核心电路照片1971年英特尔诞生了第一个微处理器——4004。该芯片其实是为日本一家公司Busicomcalculator专门设计制造的，但已经可以看到个人电脑的影子在里面了。Intel4004全家福Intel8008Intel8080Intel8086Intel80186Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentium（奔腾）IntelPentiumPro（高能奔腾）1.2数制与编码不同数制之间转换任意数制转换为十进制如公式：其中，n为整数位总数，m为小数位总数，b为基数，i为位数。二进制、八进制和十六进制之间转换分组查表，一一对应十进制转换为二进制整数部分“除2倒取余”小数部分“乘2顺取整”十进制转换为十六进制方法一–整数部分“除16倒取余”；小数部分“乘16顺取整”方法二–权值转换法mniiibdN11.3微机结构及工作原理1.3.1微机的基本结构1.3.2常用基本概念1.3.3微机总线结构和工作原理1.3.4计算机的硬件和软件1.3.1微机的基本结构微机的基本组成存储程序的工作原理微机的基本组成微机为冯·诺依曼结构，要求如下功能：把需要的程序和数据送至计算机；长期记忆程序、数据、中间结果和最终结果的能力；完成算术、逻辑和数据传送的能力；能用指令来控制程序走向和机器各部件协调操作；能按照要求将处理结果输出给用户。结构如图1.1所示。冯·诺依曼结构计算机存储程序的工作原理“存储程序”和“程序控制”是的核心。计算机的任务是事先编好的程序完成的；存储器中存放事先输入的程序和程序运算结果；能自动连续完成程序运行；程序运行所需信息和结果通过输入输出设备完成；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备所组成。执行程序即“程序控制”，循环以下操作：取出指令：存储器到CPU的指令寄存器；分析指令：CPU把指令分解为微操作；执行指令：微操作转化为数字电路动作；为下一指令做好准备，即形成下一指令地址。1.3.2常用基本概念•信息单元–位–字和字长–字节•实体–微处理器–微机–微机系统•信息存储载体–寄存器–存储器•指令、指令系统和程序•性能指标–MIPS–主频–外频–缓存•制造工艺•封装形式•摩尔定律摩尔定律1965年，作为英特尔公司的创始人之一，摩尔应邀为《电子》杂志撰写了一篇名为《让集成电路填满更多元件》的文章，摩尔在文中对未来半导体元件工业的发展趋势做出了预测。他指出，单块硅芯片上所集成的晶体管数目大约每年增加1倍。1975年，他又将原来的预测更新为每两年增加1倍，后来预测的时间更准确，是两者的平均数:18个月。摩尔的变化年轻时刚刚过去的现在1.3.3微机的总线结构和工作原理微机的总线结构微处理器结构存储器结构及其操作微机的工作原理微机的总线结构按总线所处位置分（图1.3,另图示）片内总线片级总线系统总线外部总线按总线功能分（图示）地址总线(addressbus,AB)数据总线(databus,DB)控制总线(controlbus,CB)总线性能指标总线时钟频率总线宽度总线传输速率微型计算机的总线硬件结构片内总线内部数据总线运算器控制器寄存器阵列控制总线地址总线数据总线按总线所处位置分片总线片总线片总线公共存储器模块４通道I/O部件CRT显示器测试仪表系统外部总线RS-232IEEE-488系统总线按总线功能分微处理器地址总线I/O接口数据总线控制总线内存储器I/O设备微处理器结构•运算器–算术逻辑单元–累加器–通用寄存器组–标示寄存器•控制器–程序计数器PC–指令寄存器IR–指令译码器ID–定时与控制逻辑•其他–堆栈寄存器–地址寄存器–内部总线•性能指标–字长–主频•微处理器典型结构图微处理器典型结构图存储器结构及其操作存储器结构图存储器操作读操作写操作存储器结构图存储器读操作存储器写操作微机的工作原理存储程序用助记符号指令（汇编语言）编写源程序；用汇编软件将源程序转换成机器语言程序；将数据和程序通过输入设备送入存储器存放。程序控制取第一条指令操作过程；执行第一条指令操作过程；执行第二条指令操作过程。取第一条指令操作过程执行第一条指令操作过程执行第二条指令操作过程1.3.4计算机的硬件和软件