微型计算机原理及应用,主讲人：周玉雪,一门研究微型计算机的基本工作原理以及微型计算机接口技术（如中断控制接口、定时/计数控制接口、DMA控制接口、并行/串行通信接口、模拟接口等）的课程,微机原理课程内容,微机原理课程学习目的,通过该课程的学习，应能掌握微型计算机系统的硬件基本知识及应用实验技能，具有一定的微机应用系统的系统分析能力，并且也为后继课程的学习，打下微型机系统硬件方面的基础知识。,本课程的考核说明,平时成绩（30%）：其中出勤占10%，平 时作业20% 考试成绩（70%）：闭卷考试（笔试） 出勤：平均每两周点一次名（机动） 作业：平均每两周会布置一次作业,教学内容与学时安排,先修课程： 数字电路和逻辑设计、C及C+语言程序设计 后续课程： 计算机接口技术、计算机应用系统设 计 总学时：80（理论）+16（实验） 总学分：5 实验学分：0.5,第一章 绪论,微型计算机的发展概述和特点 微处理器、微计算机和微计算机系统概述 微型计算机的应用 数的表示和编码,1.1 微型计算机的发展概况和特点,1.1.1微型计算机的发展历史 1.1.2 微型计算机的发展现状 1.1.3 微型计算机的特点,1.1.1 微型计算机的发展历史,电子计算机的发展史,电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机大规模集成电路计算机人工智能计算机（尚在研制）,1946年：第一代电子计算机（ENIAC）在美国研制成功，使用了18800个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电150千瓦，每秒完成5000次加法运算,电子计算机的发展史,电子计算机的发展史,1958年：第二代晶体管计算机推出，用晶体管代替了电子管， 大大降低了计算机的成本和体积，运算速度成百倍提高。,1956年诺贝尔物 理学奖得主,约翰巴丁 、威廉萧克利、 华特豪舍布拉顿,电子计算机的发展史,1965年：中小规模集成电路为主体的计算机（第三代计 算机）问世，使计算机的体积进一步缩小，配上各类操作系统，计算机性能极大提高。,1970年：大规模集成电路（LSI）研制成功，计算机发展到第四代， 微型计算机是第四代计算机的典型代表。,电子计算机的发展史,1971年：在美国硅谷第一块通用微处理器Intel 4004诞生， 从而开创了微型计算机的新时代。,电子计算机分类,Von Neumann(冯.诺依曼型）计算机,工作原理源于Alan Turing 算法求解思路：任何有效计算过程都可以使用有限步骤的符号串实现；它用Von Neumann命名，是主持设计程序存储式“离散变量型电子计算机”，用存储器程序和加法器构造了实现体系，顺序执行事先存放在存储器中的程序，它的结构为联结五大逻辑部件（输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器）的三总线（数据总线、地址总线、控制总线）结构。代表性的计算机：冯 诺依曼的存贮程序计算机,智能型计算机（正在研制之中）：工作原理、结构 尚未统一,微型计算机的发展历史 （以微处理器的发展为表征）,第一代（1971 1973年）： 4位和低档8位微处理器时代 第二代（1973 1978年）： 中高档8位微处理器时代 第三代（1978 1980年）： 16位微处理器时代 第四代（1983 1993年）： 32位微处理器时期 第五代（1993 1996年）： Pentium微处理器的时代 第六代（1997 至今） ： 加强型Pentium时代 第七代 64位CPU时代,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代,典型产品有Intel 4004(1971年、4位)和Intel 8008（1972年、8位）。 字长： 4位或8位 时钟频率：1MHz 平均执行指令时间：15-20s 集成度：2000管/片,Intel 4004,Intel 8008,第二代（19731978年）：中高档8位微处理器时代,Intel 8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOS Technology的6502等。 字长： 8位 时钟频率： 24MHz 平均执行指令时间： 12 s 集成度：5000 10000管/片,Motorola 6800,Intel 8085,第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代,Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog 公司的Z8000 字长： 16位 时钟频率： 540MHz 平均执行指令时间： 0.5 s 集成度：20000 60000管/片,Intel 8086,Intel 80286,第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期,1983年Zilog公司推出Z8000微处理器 1984年Motorola公司推出MC68020微处理器 1985年， Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386 1989年， Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040,字长： 32位 时钟频率： 10120MHz 平均执行指令时间： 0.2s 集成度：几十万上百万管/片,Intel 80386,Intel 80486,第五代（19931996）：Pentium微处理器的时代,1993年3月，Intel公司的奔腾（ Pentium） 时钟频率：60/66MHz 集成度：310万管/片 1995年2月，Intel公司的 Pentium Pro 时钟频率： 166MHz以上 集成度： 550万管/片 1996年 Intel公司的Pentium MMX （多能奔腾）,Intel公司的奔腾(Pentium，传说中的586）,Intel公司的 Pentium Pro(高能奔腾）,Intel公司的Pentium MMX （多能奔腾 ),第六代（1997至今）：加强型Pentium时代,1997年到1999年，Intel公司的Pentium 、Pentium 、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。 2001年底， Pentium 主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。 AMD公司的Athlon CPU，1.33GHz主频及2GHz主频。,Intel Pentium III,Intel Pentium IV,Intel Pentium ,Intel celeron,第七代：64位CPU时代,2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置24MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元,AMD公司的AMD-K8,1.1.2 微型计算机的发展现状 （微型化，网络化，智能化）,超级流水线技术将流水线深度增加了一倍 数据流单指令多数据扩展2(SSE2)指令集扩展 MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和3D图形数据处理，网络流数据处理等 采用了全新的一级（L1）指令高速缓存技术 采用先进的400MHz系统总线 具有双通道RDRAM，可实现更高性能,2.1 微处理器： 微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（Central Processing Unit）,本身具有运算和控制功能 控制器：负责全机的控制工作 运算器：执行所有的算术和逻辑运算 微处理器是微型计算机的核心（心脏），多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能.我们在评价CPU的指标时，最主要的是看它的主频，主频越高，其运算速度越快。其次还要看CPU的缓存有多大。,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,进行算术和逻辑运算 能对指令进行译码并执行规定的动作 可暂存少量数据 提供整个系统所需要的定时和控制 能和存储器、外设交换数据 可以响应其他部件发来的中断请求,CPU的功能：,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,2.2 微计算机 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成的裸机,内部存贮器，按照读写方式的不同，分为ROM(Read Only Memory)和RAM(Random Access Memory)两种类型； 输入/输出接口(I/O）电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用； 总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三种类型。,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,2.2 微计算机,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,微型计算机再加上外设、电源、软件等构成微机系统。 微机系统常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、编辑、汇编软件等。,2.3 微机系统,2 微处理器、微计算机和微型计算机系统概述,微处理器、微型计算机与微型计算机系统三者之间的关系：,3 微型计算机的应用,由于微型计算机具有体积小，价格低，性能可靠，结构灵活，使用方便等特点，所以广泛应用于科学计算，信息处理，工业过程控制，人工智能，计算机辅助设计与制造，商业流通等。主要有以下几个方面： 1.科学计算和信息处理 2.辅助设计和辅助制造 3 .测控领域 4 .网络通信,4 数的表示和编码,数的进制主要有十进制、二进制、八进制、十六进制 等等。 计算机内采用的是二进制数值或编码，不论是数值、 字符、图形、图像、声音等信息数据在计算机内 均用0和1表示。,汇编语言习惯使用十六进制，也可使用八进制、二进 制和十进制。 C语言等高级语言中也可使用二进制、八进制、十六进 制和十进制。 调试程序时要经常与进制和码元打交道。,4数的表示和编码,数制的表示方式 二进制数 不同数制间的转换 符号数的表示方式 定点数与浮点数,数制的表示方式,特点： 逢N进1 采用位权表示法,定义：按进位的原则进行计数称为 进位计数制，简称“数制”。,数制的表示方式,逢N进一 N：是指数制中所需要的数字字符的总个数，称为基数。 例如：人们日常生活常用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个不同的符号来表示十进制数值，即数字字符的总个数有10个，它是十进制的基数，表示逢十进一。,数制的表示方式,位权表示法 位权：是指一个数字在某个固定位置上所代表的 值，简称权，处在不同位置上的数字所代表的值不同，每个数字的位置决定了它的值。 例如：十进制数267.8可以用如下形式表示 (267.8)10 = 2(10)2 6(10)1 7(10)0 8 (10）-1 2在百位，表示200，即2(10)2；6在十位，表示60，即6(10)1；7在个位，表示7，即7(10)0；8在小数点后第1位，表示0.8，即8(10) -1。,数制的表示方式,位权表示法的特点,数字的总个数等于基数； 每个数字都要乘以基数的幂次，而该幂次由每个数所在的位置决定； 排列方式是以小数点为界，整数自右向左0次幂、1次幂、2次幂、，小数自左向右负1次幂、负2次幂、负3次幂、。,位权与基数的关系：各进位制中位权的值是基数 的若干次幂。因此，用任何一种数制表示的数都可以 写成按位权展开的多项式之和。,二进制数,在计算机系统中，各种数据的存储、加工、传 输都以电子元件的不同状态来表示，即用电信 号的高低表示，根据这一特点，在计算机中采用二进制。,采用二进制的原因：电路设计简单、运算简单、 工作可靠和逻辑性强。,注意：由于23=8、24=16，所以在计算机应用中 通常使用二进制、八进制、十六进制.,不同进制间的转换,常用数制的基数和数字符号,不同进制间的转换,