1、School of Electrical Engineering微机原理与接口技术微机原理与接口技术 n典型机型：IBM PC系列机n基本系统：8086CPU和半导体存储器nI/O接口电路及与外设的连接n硬件接口电路原理n软件接口编程方法 课程目标课程目标微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软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硬件开发的初步能力 v学习解决问题的思路学习解决问题的思路硬件系统设计注意事项，软件设计技巧硬件系统设计注意事项，
2、软件设计技巧v电力系统中的应用电力系统中的应用各种设备、监控系统、控制系统各种设备、监控系统、控制系统v进一步深造（进一步深造（学习方法更为重要学习方法更为重要）上位机软件、嵌入式软件上位机软件、嵌入式软件（DSP、ARM）课程意义课程意义 第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论1.1 微型计算机系统的发展微型计算机系统的发展1.2 微型计算机系统的结构微型计算机系统的结构1.3 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构 微型计算机系统的发展微型计算机系统的发展 计算机鼻祖计算机鼻祖ENIACENIAC v微型计算机代数划分准则：字长；频率微型计算机代数划分准则：字长；频
3、率v基础：大规模集成电路技术的发展基础：大规模集成电路技术的发展v特征：密度特征：密度v工艺工艺微型计算机的代数及划分微型计算机的代数及划分 v第一代第一代(1971-1973,PMOS工艺工艺，2300晶体晶体管，管，1MHz)：4位和位和8位低档微机位低档微机以以INTEL公司的公司的4004、4040、8008微处理微处理器组成的微机为代表。器组成的微机为代表。v威廉威廉.肖克利（肖克利（1956年诺贝尔奖得主）年诺贝尔奖得主）v摩尔及诺伊斯（摩尔及诺伊斯（Traitorous Eight）v摩尔定律摩尔定律哥创建的是哥创建的是1968的的Intelv造就了造就了1969 AMD（桑德斯
4、）（桑德斯）只有偏执狂才能生存（安迪只有偏执狂才能生存（安迪.格鲁夫）格鲁夫）v第三代第三代(1978-1984):16位位微机微机(HMOS,29000只晶只晶体管，体管，5，8，10MHz)以以8086、8088、80286、MC68000、Z800微处微处理器组成的微机为代表理器组成的微机为代表如如IBM PC机系列机系列v第二代第二代(1974-1978):8位位中档微机中档微机（NMOS,4500晶体管晶体管,2MHz）以以INTEL公司的公司的8080、8085，Motorola公司的公司的MC6800,Zilog公司的公司的Z80微处理器组成的微机微处理器组成的微机为代表（费金）
5、。为代表（费金）。如如Apple-II微机微机 v第五代：第五代：64位微机位微机Itanium、64位位RISC微处理器芯片，酷睿微处理器芯片，酷睿（65nm）微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站四核四核Q,E系列、六核处理器系列、六核处理器X5680n第四代第四代(1985-至今至今):32位微机（位微机（CHOMS,27.5万万只，只，120万万只晶体管）。只晶体管）。80386、80486、Pentium、Pentium II（亚微（亚微米米CMOS）、）、Pentium III（0.25微米）微米）、Pentium 432位位PC机、机、Macinto
6、sh机、机、PS/2机机 第一代微机代表第一代微机代表400440041971年年，Intel开创微型计算机新纪元开创微型计算机新纪元 第二代微机代表第二代微机代表80808080Born in 1974 大树下面好乘凉大树下面好乘凉808880881978年，年，Intel公司首次生产出公司首次生产出16位的微处理位的微处理器，并命名为器，并命名为i8086，一年后推出，一年后推出8088。第三代第三代CPUCPU领导核心领导核心80286802861982年年Intel推出了划时代的最新产品推出了划时代的最新产品80286芯片芯片PLCC封装封装（Plastic Leaded Chip C
7、arrier），CPU的内部含有的内部含有13.4万万个晶体管，时钟频率由最初的个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到逐步提高到20MHz。哈勃：一个哈勃：一个8048680486引发的血案引发的血案1985年年Intel推出了推出了80386芯片芯片,1989年，年，Intel推出推出80486芯片，它实破了芯片，它实破了100万万个晶体管的界限，集成个晶体管的界限，集成了了120万万个晶体管。个晶体管。80486的时钟频率从的时钟频率从25MHz逐步逐步提高到提高到33MHz、50MHz。一颗奔腾的心一颗奔腾的心Intel的第一代品牌的第一代品牌CPU，Pentium，采用，采用PG
8、A（Pin Grid Array Package，格栅阵列封装）封装方式。，格栅阵列封装）封装方式。6464位位新纪元新纪元ItaniumItanium2001年英特尔发布了年英特尔发布了Itanium(安腾安腾)处理器。处理器。Itanium处理器是英特尔第一款处理器是英特尔第一款64位位元的产品，元的产品，Itanium 2具具有有6.4GB/sec的系统总线带宽、高达的系统总线带宽、高达3MB的的L3缓存。缓存。3232纳米的强人纳米的强人X5680X5680首批采用首批采用32nm第二代高第二代高K金属栅极金属栅极(HKMG)工艺制工艺制造的服务器和工作站芯片，集造的服务器和工作站芯片
9、，集 成成11.7亿亿个晶体管，个晶体管，核心面积核心面积248平方毫米平方毫米。六核心十二线程、六核心十二线程、主频主频3.33GHz、三级缓存、三级缓存12MB、QPI总线频率总线频率6.40GT/s、热设计功耗、热设计功耗130W 内核照片内核照片六核心六核心 8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机 Apple-IApple-II 微型计算机系统的应用及意义微型计算机系统的应用及意义v用于数值计算、数据处理及信息管理方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：通用微机，例如：PC微机微机v用于过程控制及智能化仪器仪表方向用于过程控制及智能化
10、仪器仪表方向专用微机，例如：专用微机，例如：单片机、工控机单片机、工控机v游戏游戏2010年规模为年规模为21亿亿美元美元 微型微型计计算机系算机系统统的的结构结构冯冯.诺伊曼诺伊曼(John von Neumann)结构：结构：n冯冯.诺伊曼提出的诺伊曼提出的“存储程序存储程序”、“程序控制程序控制”的概念奠定了现代计算机结构的基础的概念奠定了现代计算机结构的基础 n“存储程序存储程序”指将指令、数据以二进制形式存入指将指令、数据以二进制形式存入计算机的存储器中。计算机的存储器中。n“程序控制程序控制”指计算机自动取出并执行存储器中指计算机自动取出并执行存储器中的指令、完成预定的操作。的指令
11、、完成预定的操作。哈佛结构是一种将哈佛结构是一种将程序指令存储程序指令存储和和数据存储数据存储分开的分开的存储器结构存储器结构哈佛结构：哈佛结构：运算器运算器进行算术和逻辑运算的部件（进行算术和逻辑运算的部件（arithmetic logic unit，简称，简称ALU）控制器控制器产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。存储器存储器用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器或内存。或内存。微型微型计计算机主要算机主要组组成部分（成部分（1 1）微型微型计计算机主要算机主要组组成部分（成部分（2 2）输入设备
12、输入设备 通过通过I/O接口接口将程序和数据输入内存。将程序和数据输入内存。输出设备输出设备 CPU通过通过I/O接口接口将运行结果及程序、数据送到输将运行结果及程序、数据送到输出出 设备上。设备上。I/O接口接口是是CPU与与输入输入/输出设备输出设备进行数据交流的中介电路。进行数据交流的中介电路。冯冯.诺诺依曼依曼结构计结构计算机算机v以运算器为核心、以以运算器为核心、以存储程序原理存储程序原理为基础为基础运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器指令驱动指令流指令流控制命令控制命令数据流数据流 指令的指令的执执行行过过程程v1 1、指令地址赋给、指令地址赋给PC
13、PC并发送到地址寄存并发送到地址寄存 器器ARARv2 2、PCPC自动自动加加1 1v3 3、ARAR-地址总线，选中相应单元地址总线，选中相应单元v4 4、CPUCPU的控制器发出读命令的控制器发出读命令v5 5、地址中的指令读到数据总线上、地址中的指令读到数据总线上v6 6、读出的内容、读出的内容数据寄存器数据寄存器v7 7、译码，指令寄存器、译码，指令寄存器IRIR,指令译码器指令译码器IDID 几几个个主要主要概概念的念的区别区别微处理器微处理器（Microprocessor）一个一个大规模集成电路芯片大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等内含控制器、运算器和寄存器等微机中的
14、核心芯片微机中的核心芯片n微型计算机微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统通常指微型计算机的硬件系统一般的说法：微机、微型机一般的说法：微机、微型机n微型计算机系统微型计算机系统（Microcomputer system）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统 微机的主要指微机的主要指标标(1)(1)字长字长指参与运算的数的基本位数，它影响着计算机的计算精度和运指参与运算的数的基本位数，它影响着计算机的计算精度和运算速度。算速度。计算机的字长取决于计算机的字长取决于CPU的字长。的字长。微机的字长通常为微机的字长通常为4、8
15、、16、32、64位。位。主存（内存）容量主存（内存）容量 内存容量通常以字节内存容量通常以字节(Byte)作为基本单位作为基本单位1 byte=8 bit（位）（位）1T=240byte1KB=210byte 1P=250byte1MB=220 byte1GB=230byte运算速度运算速度以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标，计量单位为以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标，计量单位为 MIPS（Million Instruction Per second 每秒百万条指令）每秒百万条指令）微机的主要指微机的主要指标标(2)(2)内核数目内核数目即机器的即机器的主时钟频率主时钟频率，取决与
16、，取决与微处理器微处理器的频率的频率。高速缓存高速缓存L1 CacheL2 CacheL3 Cache 微机的主要指微机的主要指标标(3)(3)主频率主频率即机器的即机器的主时钟频率主时钟频率，取决与，取决与微处理器的频率微处理器的频率。平衡平衡软件与硬件的平衡软件与硬件的平衡性能与性能与价格价格的平衡的平衡应用与性能的平衡应用与性能的平衡平均无故障时间平均无故障时间超级计算机超级计算机嵌入式系统嵌入式系统 星云超星云超级计级计算机（工具算机（工具oror玩具）玩具）峰值峰值达到每秒达到每秒3000万亿万亿次（次（3PFlops），），Linpack达到达到1.27petaflop每秒钟可进行
17、每秒钟可进行1270万亿万亿次浮点运算次浮点运算光信息产业（北京）有限公司、光信息产业（北京）有限公司、中国科学院计算技术研究所、中国科学院计算技术研究所、国家超级计算深圳中心共同研制国家超级计算深圳中心共同研制核模拟、航母、大飞机、气象、超新星等等核模拟、航母、大飞机、气象、超新星等等 星云超星云超级计级计算机算机 美洲豹超美洲豹超级计级计算机算机 微型微型计计算机系算机系统统的硬件的硬件结构结构CPU存储器存储器ROM存储器存储器RAMI/O接口接口I/O设备设备地址总线地址总线(AB)(AB)数据总线数据总线(DB)(DB)控制总线控制总线(CB)(CB)8086CPU8086CPU的的
18、结构结构16位位外部外部总线总线ALUAH AL BH BL CH CL DH DLSPBPDISICSDSSSESIP 内部暂存器1542 36运算暂存器运算暂存器标志寄存器标志寄存器EU控制控制单元单元ALU数据总线数据总线（16位位）总总线线控控制制逻逻辑辑地址总线地址总线(20位位)指令队列指令队列数据数据总线总线队列总线队列总线8位位通用通用寄存器寄存器执行部件（执行部件（EUEU）总线接口部件（总线接口部件（BIUBIU）微微处处理器理器微处理器（微处理器（CPU）计算机的核心部件。它包括：算术逻辑部计算机的核心部件。它包括：算术逻辑部件（件（ALU）；累加器及通用寄存器组；程）；
19、累加器及通用寄存器组；程序计数器指令寄存器和指令译码器；时序序计数器指令寄存器和指令译码器；时序和控制部件和控制部件 输输入入/输输出接口出接口串行接口串行接口 输入接口输入接口并行接口并行接口 输出接口输出接口数字接口数字接口模拟接口模拟接口v数据缓冲寄存；数据缓冲寄存；v信号电平或类型的转换；信号电平或类型的转换；v实现主机与外设间的实现主机与外设间的运行匹配运行匹配。总线总线 连接连接CPU与存储器与存储器I/O接口接口的公共导线。采用总线结的公共导线。采用总线结构是微型计算机的结构特点之一。总线可分为三类：构是微型计算机的结构特点之一。总线可分为三类：地址总线（地址总线（address
20、 bus）它传输地址信息，用于寻址它传输地址信息，用于寻址存储单元存储单元和和I/O端口端口。用。用“AB”表示；表示；数据总线（数据总线（data bus）用于传输数据。用用于传输数据。用“DB”表示；表示；控制总线（控制总线（control bus)它向系统各部件发出（或接收）控制信号。用它向系统各部件发出（或接收）控制信号。用“CB”表示。表示。总线总线特征及分特征及分类类特征：特征：1、物理特征：总线物理连接的方式、物理特征：总线物理连接的方式2、功能特征：总线的功能是什么、功能特征：总线的功能是什么3、电气特征：信号传递方向及有效电平范围、电气特征：信号传递方向及有效电平范围4、时间
21、特征：每根信号线在什么时间有效、时间特征：每根信号线在什么时间有效分类：分类：内部总线内部总线元件级总线元件级总线系统总线系统总线外部总线外部总线 内内存存储储器的相器的相关概关概念念v用来存储程序和数据（用来存储程序和数据（无论对谁来说无论对谁来说,640K内存内存都都足够了。足够了。”比尔比尔盖茨盖茨(1981)）v可分为只读存储器（可分为只读存储器（Read Only Memory ROM）和随机存储器（）和随机存储器（Random Access Memory RAM）v内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容v内存容量内存容量v内存的操作内存的操作v内存的分类内存的分类 内内存存单单元
22、的地址和元的地址和内内容容vRAM及及ROMv每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。寻址。1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容 内内存存单单元的容量及操作元的容量及操作内存所含存储单元的个数，以字节为单位内存所含存储单元的个数，以字节为单位内存容量的大小依内存容量的大小依CPUCPU的寻址范围而定的寻址范围而定 （即（即CPUCPU地址信号线的位数）地址信号线的位数）Intel80 x86 地址条数地址条数存储容量存储容量8086 20 1MB8088 20 1MB80286 24 16MB80386 32 4GB内存的操作内存的操作读读：将内存单元的内容取入：将内存单元的内容取入CPUCPU，原单元内容不改变；，原单元内容不改变；写写：CPUCPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。本本节节小小结结1、微型计算机的定义、发展历程及支撑技术、微型计算机的定义、发展历程及支撑技术2、微型计算机系统的组成，组成部分的功能、微型计算机系统的组成，组成部分的功能3、8086/8088计算机系统的硬件结构及主要功计算机系统的硬件结构及主要功能能4、存储器寻址、存储器寻址
