微型计算机技术微型计算机技术任课老师：洪璇 Email:HONGSHNU.EDU.CN1教学要求教学要求必须建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力，会看芯片说明，会看时序图，会设计基本的应用。从应用角度出发，掌握微型计算机系统的特点、工作原理和组织结构，掌握微型计算机接口技术的基本原理和方法，具有分析和设计接口的能力。原理软件硬件2主要参考书目主要参考书目凡与汇编程序设计、与80X86硬件接口有关的书与资料教材：微型计算机技术，孙德文， 高等教育出版社3学习方法课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践4微型计算机技术本课程主要内容：（微机原理、汇编语言）1微型计算机系统的构成28086微处理器38086汇编语言程序设计4内存储器的基本技术5输入/输出基本技术 6.1 并行接口与串行接口56常见的微机形式背景介绍：微机实物介绍微型计算机技术什么是计算机？什么是微机？什么是微机系统？什么是单片机？第一章 微型计算机概论1.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统1.1.1 传统定义1.1.2 主机和外围设备1.2 微型机算计系统的总线结构1.2.1 微处理器的典型结构1.2.2 微型计算机的基本结构1.2.3 用三类总线构成的微机系统8电子计算机的发展电子管计算机（1946）晶体管计算机（1958）集成电路计算机（1965）大规模集成电路计算机（1971）越来越大：小中大巨越来越小：微型计算机 第一代第二代第三代第四代存储器运算器 控制器输入 输出按照冯.诺依曼的计算机体系结构思想存储器输入/输出 接口电路运算器 控制器CPU微处理器 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 把CPU和一组称为寄存器（ Registers）的特殊存储器集成在 一片大规模集成电路或超大规模 集成电路封装之中，这个器件才 被称为微处理器（ Microprocessor）微型计算机 以微处理器为核心，配上内存储器、输入输出 接口电路、系统总线及相应的辅助电路所组成的 计算机，称为微型计算机（Microcomputer）。 将这些组成部分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。微处理器 微型计算机微型计算机系统微型计算机系统 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（Microcomputer System）。 软件分为系统软件和应用软件两大类。 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。 将微型计算机与简单的外设集成在一块电路板上 ，称为单板机。微型计算机系统基本构成运算器寄存器组控制器ROMIO端口IO端口系统软件IO设备IO设备RAM系统总线微处理器微型计算机微型计算机系统微处理器的发展 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300010000晶体管/片 ，微处理器的主频为0.15MHz。 1971年：Intel 4004，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Intel 4004微处理器的发展 字长为4位或8位，集成度约为300010000晶体 管/片，微处理器的主频为0.15MHz。 1972年：Intel 8008，是世界上第一片8位微处 理器。 8008采用了10m生产工艺，集成度为2000个晶体管，工作频率为200KHz。 Intel 8008 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Altair 8800。 1976年：Intel 8085Intel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 。1977年：Z80， Zilog公司，8位机， 优于8080，808516位微处理器8086/8088（1978年-1981年） 1978年-8086 采用了3m工艺，集成 了29,000个晶体管，工作频 率为4.77 MHz。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。 Zilog的Z8000 Motorola的MC6800032位微处理器 80386（1985年-1988年） 第一个实用的32位微处理器，采用了1.2m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。64位微处理器 Itanium（安腾） 2001年5月发布 采用0.18微米工艺制造，工作 频率为733MHz/800MHz， Itanium处理器的内部/外部数 据总线及地址总线都是64位微型计算机的分类概述按组装形式和系统规模划分，常见的微型计算 机有：单片机单板机个人计算机23单片机 将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成 在一个芯片上 l特点：超小型、高可靠性、价廉 l应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等常用的单片机MCS-48系列8048MCS-51系列 8051 8031 8751MCS- 96系列8096单板机 将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备 安装在一个印刷线路板上 l特点：结构简单、价廉 l应用：过程控制、数据处理常用的单板机 以CPU命名Z808位M6800Intel 8085Z800016位M68000Intel 8088Intel 80186微型计算机的分类概述按组装形式和系统规模划分，常见的微型计算 机有：单片机单板机个人计算机 面向个人使用的一类微机，实现各种计算 、数据处理及信息管理等。28微型计算机的硬件主机和外围设备Cache和虚拟存储概念的引入CPU中功能部件的扩展各种新的总线、芯片组和新的I/O接口技术29微型计算机系统基本构成运算器寄存器组控制器ROMIO端口IO端口系统软件IO设备IO设备RAM系统总线微处理器微型计算机微型计算机系统微处理器典型结构这三部分之间的信息交换是采用总线结构 来实现的，总线是各组件之间信息传输的 公共通道，这里的总线被称为内部总线（ 片内总线），用户无法直接控制内部总线 的工作，对于用户而言是透明的微型计算机的组成 CPU+MEM+BUS+I/O接口 A BusCPUI/O 接口ROMRAMC BusD Bus系统总线（片总线） 数据总线（DB：Data Bus） 处理器与存储器或外设交换信息的通道 地址总线（AB：Address Bus） 指定存储器或外设的具体单元 控制总线（CB：Control Bus） 控制处理器数据传送等操作 存储器读信号（MEMR）、存储器写（MEMW） 外设读（IOR）、外设写（IOW）用三类总线构成的微机系统三类总线 片总线：又称元件级总线； 内总线（IBUS）：又称“系统总线”， “微机总线”或“板级总线”； 外总线（EBUS）：又称“通信总线”； 第二章 8086微处理器2.1 8086微处理器的结构 2.2 8086微处理器的引脚功能 2.4 8086微处理器的基本时序8086/8088（1978年-1981年）1978年-8086 采用了3m工艺，集成了 29,000个晶体管，工作频率为4.77 MHz。采用40引脚DIP封装。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80x8680x86系列发展史系列发展史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。 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IBM 5150 Personal Computer， 即著名的IMB PC。8086处理器结构总线接口部件BIU (Bus Interface Unit)组成4个16位的段寄存器（CS、DS、ES、SS）指令指针地址形成逻辑6个字节的指令队列（ISQ）：FIFO总线控制逻辑功能为执行部件完成全部的中线操作做好准备并计算、形成20位的物理地址执行部件EU(Execution Unit)组成 ALU（算术逻辑单元）：、and、or、xor 、增量（inc）、减量（dec）、求补、移位等执行部件的控制电路（完成指令译码等） 通用寄存器组（16位/8位）：AX，BX，CX， DX标志寄存器FR功能从BIU的指令队列中获得指令并执行指令8086的2级流水线EU与BIU协同工作每当ISQ中有2bytes空闲空间，BIU自动 取指，一次读两个字节转移、调用、返回指令会造成ISQ排空EU通过BIU取指和读写数据ISQ满且EU无申请时BIU空闲80286（1982年-1984年）采用1.5m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。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）。8086向上兼容80286的内部结构框图四个功能部件80386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器，采用了1.2m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。六个功能部件总线接口部件（BIU）指令预取部件（IPU）指令预译码部件（IDU）执行部件（EU）分段部件（SU）分页部件 （PU）80386的结构框图80486（1989年-1992年）采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作 频率为25MHz。集成浮点部件（80387协处理器）集成8KB的Cache采用RISC技术八个功能部件80486的内部结构框图Pentium（1993年-1997年）1993年3月Intel推出Pentium（奔腾）微处理器， 片内L1 Cache分为指令Cache和数据Cache，设有 两条流水线，提高了指令执行的并行性，是一种 超标量结构（Super scalar)集成了超过100万个晶体管，主振频率达25- 200MHzPentium微处理器的结构特点超标量流水线（U,V两条指令流水线）重新设计的浮点部件执行过程是分为8段的流水线。分离的指令和数据Cache80846片内有8KB的指令和数据合一的Cache，而 Pentium则是将指令cache和数据cache分立，各为 8KB。指令cache是只读的指令代码。数据cache是可 读写的。分支预测采用动态转移预测技术，来减少由于过程相关性引起 的流水线性能损失。64位外部数据总线Pentium CPU版图 Pentium CPU结构框图 Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium IV采用0.6 m -0.18m工艺，集成度550万-950 万晶体管，时钟频率166MH