1、第1章 微型计算机系统导论 1.1 引言引言 1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况1.3 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.4 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统 1.5 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程 2022-10-1911.1 引 言计算机本身你知多少计算机本身你知多少?字长字长内存容量内存容量CPU速度速度串串并行口并行口USB接口接口 2022-10-192022-10-19 基于上述的事实，我们再重新思考一下“什么是计算机？”、“什么是PC机？”计算机：是用来计算的仪器，尤指可进行高速数学或逻辑运算或汇编、存储、整理或处理信息的可编程的电子机器。PC机（P
2、ersonal Computer）：是指面向个人用户而设计的没有个性的通用计算机。“计算机计算机”与与“PC机（个人计算机）概念上的区别机（个人计算机）概念上的区别 2022-10-19计算机应用你又知多少计算机应用你又知多少?1、科学计算：复杂方程、微积分方程、科学计算：复杂方程、微积分方程-天气预报天气预报 2、数据处理：地震勘探，科技情报及图书管管理、数据处理：地震勘探，科技情报及图书管管理 3、计算机辅助设计与制造：、计算机辅助设计与制造：CAD、CAE、CAI 4、资源共享：网络、资源共享：网络 5、过程控制：实时性（速度快）的要求很高。、过程控制：实时性（速度快）的要求很高。1.1
3、 引 言2022-10-191.1 引 言过程控制你又知多少过程控制你又知多少?过程控制又称为自动化控制、智能控制等，主要有：过程控制又称为自动化控制、智能控制等，主要有：1、生产过程生产过程：广泛应用于工厂、企事业单位（如轧钢厂、炼广泛应用于工厂、企事业单位（如轧钢厂、炼油厂、发射机等现代化设备）中，是人类改造自然的主要、有油厂、发射机等现代化设备）中，是人类改造自然的主要、有力工具。力工具。2、仪器仪表仪器仪表：数字万用表、频率计、频谱仪等等。：数字万用表、频率计、频谱仪等等。3、民用工业民用工业：显示屏、空调、电视、豆浆机等等。：显示屏、空调、电视、豆浆机等等。4、军事方面军事方面：单片
4、机、嵌入式系统：单片机、嵌入式系统 广泛应用于工厂、企事业单位中，是人类改造自然的主要、广泛应用于工厂、企事业单位中，是人类改造自然的主要、有力工具。有力工具。本课程软件、硬件知识相结合，对后续课程、毕业设计和本课程软件、硬件知识相结合，对后续课程、毕业设计和今后工作都具有重要的意义。今后工作都具有重要的意义。2022-10-191.1 引 言-学习本课程的意义1、本课程知识与其他计算机知识的区别、本课程知识与其他计算机知识的区别 其他计算机知识侧重于计算机的应用，计算机作为其他计算机知识侧重于计算机的应用，计算机作为工具工具。本课程侧重于对计算机工作原理的学习，面向机器，计算机本课程侧重于对
5、计算机工作原理的学习，面向机器，计算机本身是应用的一个重要组成部分，如工业控制本身是应用的一个重要组成部分，如工业控制(上位机上位机下位机下位机)等。等。2022-10-1972、汇编语言与其他高级编程语言的区别、汇编语言与其他高级编程语言的区别 （1）、高级语言是面向用户的，而汇编语言是面向机器的。）、高级语言是面向用户的，而汇编语言是面向机器的。（2）、与其他高级编程语言相比汇编语言实时性、现场性强。）、与其他高级编程语言相比汇编语言实时性、现场性强。（3）、汇编程序占用内存空间少，执行速度快。但开发时间）、汇编程序占用内存空间少，执行速度快。但开发时间较多，出错的可能性大。较多，出错的可
6、能性大。（4）、某些控制（如专用的输入）、某些控制（如专用的输入/输出设备与计算机的连接和输出设备与计算机的连接和编控制（接口），高级语言是不能胜任的。编控制（接口），高级语言是不能胜任的。2022-10-1981.1 引 言-学习汇编语言的意义 学习汇编语言，我们能够感知计算机的运行过程和原理，从而能够对计算机硬件和应用程序之间的联系和交互形成一个清晰的认识。汇编语言是计算机其它语言的基础。之所以说汇编重要，其一个重要的原因就是，汇编语言能够让你更好的理解高级语言，尤其是高级语言中的C语言。如指针的概念，编译原理等。汇编语言的应用。直接控制计算机硬件部件，可以编写在“时间”和“空间”两方面最
7、有效的程序。即在实时性和存储空间方面具有很大的优势。输入输出设备与计算机的编程控制。2022-10-19 1.2 计算机的发展概况 1.2.1 计算机的发展概况l 计算机诞生背景计算机诞生背景:第二次世界大战第二次世界大战l 计算机产生时间计算机产生时间:1946年年2月月15日日l 第一台计算机的名字第一台计算机的名字:ENIACl 特点：庞大特点：庞大笨重笨重2022-10-1910ENIAC描述描述2022-10-19计算机分类 计算机按性能价格、体积不同可分为六类：1、巨型机：主要用于模拟核武器的爆炸、巨型机：主要用于模拟核武器的爆炸 2、大型机：、大型机：3、中型机：较大型科研单位，
8、省计算中心、中型机：较大型科研单位，省计算中心 4、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替）、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替）5、微机（、微机（PC机）机）6、单片机、单片机2022-10-19计算机发展年代划分依据 第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以“万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征：硬件特征是指计算机采用的物理器件 软件特征是指计算机使用的软件环境2022-10-19计算机己发展了四代 第一代第一代:电子管计算机电子管计算机(机器语言、汇编语言机器语言、汇编语言)第二
9、代第二代:晶体管计算机（晶体管计算机（BASIC、FORTRAN）第三代第三代:集成电路计算机（集成电路计算机（FORTRAN、分时、分时、多用户操作系统多用户操作系统）第四代第四代:大规模、超大规模集成电路计算机大规模、超大规模集成电路计算机 （软件工程、数据库（软件工程、数据库）2022-10-19计算机走向新时代 计算机的发展方向:第五代：非冯.诺依曼计算机时代 第六代：神经计算机时代 光计算机时代 生物计算机时代2022-10-191.2.2 微型计算机的发展 微型计算机属于第四代计算机 微型计算机诞生于20世纪70年代 微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用
10、方面、软件丰富 微型计算机核心是微处理器（CPU）每出现一个新的处理器就会出现新一代的微型计算机2022-10-192022-10-192022-10-192022-10-192022-10-192005年年2022-10-19微型计算机发展趋势（1）1、中央处理器 更小的布线宽度和更多的晶体管 减少布线宽度是提升CPU速度的关键，0.18微米技术、0.13微米技术、0.07微米技术、65纳米技术.届时CPU主频将达到5GHZ,晶体管数量将达到2亿个.更高的总线宽度，超过2GHZ 64位CPU成为主流 双核或多核将成为发展的趋势2022-10-19微型计算机发展趋势（2）2、系统存储器 CPU
11、集成更大的高速二级缓存 内存容量更大 速度更快 硬盘容量也更大 速度更快 DVD-RAM普及2022-10-19微型计算机发展趋势（3）3、多媒体系统 显卡的性能更高 图形技术进一步发展 大尺寸显示器成为主流 数字式音箱占领市场2022-10-19微型计算机发展趋势（4）4、网络 电信网、计算机网（IP网）和广播电视网将 进一步融合 更高速率宽带 无线接入 5、整机 更加趋于个性化。利用蓝牙技术或红外无线技术将减少机箱背后的连线，使主机与外设进行无线通信。2022-10-19 1.3 微型计算机硬件系统图1.1 微型计算机系统的组成硬件微型机系统外围设备过程控制I/O通道A/D,D/A转换器开
12、关量等外部设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备 软驱、硬盘及磁带等外存储器主 机输入输出(I/O)接口电路微处理器(CPU)运算器(算术逻辑运算单元ALU)控制器(控制单元CU)寄存器阵列(RA)内存储器RAM,ROM,EPROMEEPROM,Cash等系统软件软件用户（应用）软件2022-10-1926计算机体系结构计算机体系结构 一、冯一、冯诺依曼体系：程序存储器和数据存储器不分开诺依曼体系：程序存储器和数据存储器不分开,共用一存储设备。如个人电脑等。共用一存储设备。如个人电脑等。二、哈佛体系：程序存储器和数据存储器分开二、哈佛体系：程序存储器和数据存储器分开,两者相互两者相互
13、独立。如独立。如MCS-51单片机和嵌入式系统等。单片机和嵌入式系统等。2022-10-19 1.3.1 基于总线的微型计算机硬件系统基于总线的微型计算机硬件系统 到目前为止，计算机仍沿用到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯年由冯.诺依曼（冯诺依诺依曼（冯诺依曼是美籍匈牙利数学家，他提出了关于计算机组成和工作方式曼是美籍匈牙利数学家，他提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，冯的基本设想，冯诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储、顺序控制程序存储、顺序控制”的概念）首先提出的体系结构。其基的概念）首先提出的体系结构。其基本设计思想为：本设
14、计思想为：以二进制形式表示指令和数据。以二进制形式表示指令和数据。程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。高速地从存储器中取出指令加以执行。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。大部件组成计算机系统。2022-10-1928图1.3 微型计算机硬件系统结构 地址总线地址总线AB定时电路定时电路输入设备输入设备输出设备输出设备I/O接口接口ROMRAM数据总线数据总线DB控制总线控制总线CB微微处处理理器器(CPU)2022-1
15、0-1929 所谓总线，总线，是计算机中各功能部件间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部分。它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。所有的信息都通过总线传送。为什么要采用总线为什么要采用总线?An2=n(n-1)/2(条)n+1(条)2022-10-1930根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为三类：地址总线地址总线AB(Address Bus)：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送 由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。数据总线数据总线DB(Data Bus)：从存储器取指令或读写操作
16、数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。控制总线控制总线CB(Control Bus)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的，图1.3中CB作为一个整体，用双向表示。2022-10-19311.3.2 微处理器（8位）外部外部DB 微处理器微处理器 (CPU)AARPLAPC标志寄存器标志寄存器IDIRDRRA至外部至外部CB外部外部AB 4001H E7H 4002H 34H 4003H A5H 4004H 62H 4005H 38H存储器存储器 地址地址 单元内
17、容单元内容ALU图图1.4 微处理器结构微处理器结构内 部 数 据 总 线内 部 数 据 总 线DB2022-10-1932微处理器的组成 运算器(ALU)：进行算术、逻辑、移位运算。控制器(CU)：全机的指挥中心。IR ID PLA 内部寄存器(R)PC AR DR A FLAGS RA2022-10-191.3.3 存储器存储器 这里介绍的存储器是指这里介绍的存储器是指内存储器（又称为主存或内存）内存储器（又称为主存或内存）。它。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。中间结果和最终结果。在计算机内部
18、，在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。如图。如图1.5所示，所示，地址为地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B。2022-10-1934E7H34HA5HF2H38H4001H4
19、002H4003H4004H4005H地址地址指令或数据内容指令或数据内容0 0 1 1 1 0 0 0图图1.5 内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容2022-10-1935 1.基本概念基本概念 1)位位(Bit)：二进制信息的最小单位（：二进制信息的最小单位（0或或1）通常用）通常用B表示。表示。2)字节字节(Byte)：由：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。是字的基本组成单位。通常用单元中。是字的基本组成单位。通常用B表示，表示，1B=8b.3)字（字（Word）：不同的场合有不同的含义，软件上通常指：不同的场合有不同的含义，软件上通常
20、指2个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示方便，常把一个字定义为方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为位，把一个双字定义为32位。即位。即1W=2B=16b，2W=4B=32b.4).字长字长：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。8位机，位机，16位机指的就是处理器位机指的就是处理器内部内部数据线的宽度是多少。数据线的宽度是多少。2022-10-
21、1936 5)内存容量内存容量：内存中存储单元的总数。通常以字节为单：内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，位，1024（210）字节记作）字节记作1KB，220字节记作字节记作1MB。6)内存单元地址内存单元地址：为了能识别不同的单元，每个单元都：为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。的概念，不可混淆。2022-10-1937地址译码器10101101B000110
22、10B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B来自CPU的写信号00000000BDB地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB来自CPU的读信号(a)内存读操作过程示意图(b)内存写操作过程示意图图1.5 内存读写操作过程示意图 2.内存的操作内存的操作2022-10-1938 3.内存的分类内存的分类 按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器RAM(Random Access M
23、emory)和只读存储器和只读存储器ROM(Read Only Memory)。随机读写存储器可被随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。存放的所有信息将丢失。只读存储器中的信息只能被只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由读取，而不能由CPU任意任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本程序和数据。如
24、系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入输入/输出管理程序（输出管理程序（BIOS）等。）等。2022-10-19391.3.4 I/O接口与输入输出设备接口与输入输出设备 I/O接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。I/O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备输入设备有：键盘、有：
25、键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。常用的转换器等。常用的输出设备输出设备有有显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。转换器等。2022-10-1940为什么要采用为什么要采用I/O接口电路？接口电路？外设与外设与CPU的工作速度不同。的工作速度不同。与与CPU相比，外设的工作速度较低。相比，外设的工作速度较低。外设与外设与CPU的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而计算机只能处理数字量。开关量等，而计算机只能处理数字量。外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。外设与微型
26、计算机工作的逻辑时序也可能不一致。由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不能直接进行，而需要设计一个能直接进行，而需要设计一个I/O接口作为微型机与外设之间的接口作为微型机与外设之间的桥梁。桥梁。I/O接口也称为接口也称为I/O适配器，不同的外设必须通过不同的适配器，不同的外设必须通过不同的I/O适配卡（板）才能与微机相连。所以，适配卡（板）才能与微机相连。所以，I/O接口是微型计算接口是微型计算机应用系统不可缺少的重要组成部件。机应用系统不可缺少的重要组成部件。任何一个微机应用系统任何一个微机应用系统的研制和开发，实际上是的研制和开
27、发，实际上是I/O接口接口的研制和开发的研制和开发。因此，。因此，I/O接接口技术是本课程要重点讨论的内容之一。口技术是本课程要重点讨论的内容之一。2022-10-19411.4 微型计算机软件系统系统软件软件数据库管理系统工具软件诊断与维护程序调试程序编辑程序装配链接程序语言处理程序汇编程序解释程序编译程序操作系统单用户操作系统多用户操作系统网络操作系统应用软件软件包用户程序2022-10-191.5 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程 表表1.1 完成完成“6+5”操作所需的机器语言程序和汇编语言程序操作所需的机器语言程序和汇编语言程序 内存单元地址内存单元地址机器语言程序机器语言程
28、序 汇编语言程序汇编语言程序 指令功能说明指令功能说明0000H0001H1011000100000110MOV A,06H双字节指令。将数字双字节指令。将数字6送累加器送累加器A0002H0003H0000100000000101ADD A,05H双字节指令。将数字双字节指令。将数字5与累加器与累加器A中中的内容相加，结果存放在累加器的内容相加，结果存放在累加器A中。中。0004H11111110HLT停机指令停机指令2022-10-1943图1.7 取第一条指令的操作过程示意图 0000H0001H0002H0003H0004H1011000100000110000010000000010111111110A0000 00000000 0000PLAID1011000110110001RA微处理器(CPU)内部数据总线DB至外部CB外部DB外部AB存储器地址单元内容ALUPCCPU发出读命令PC1ARDRIR2022-10-19442022-10-19
