微機原理與接口技術(shù)：第1章 微型計算機系統(tǒng)概述

微機原理與接口技術(shù)

序國家教委提出計算機基礎(chǔ)教學分三個層次計算機基礎(chǔ)教學三層次結(jié)構(gòu)其中：第一層次：計算機文化基礎(chǔ)

學習計算機基本知識，及基本技能。第二層次：計算機技術(shù)基礎(chǔ) 學習計算機硬件、軟件的工作原理 與相關(guān)知識。第三層次：計算機應(yīng)用基礎(chǔ)

學習計算機信息管理基礎(chǔ)和多媒體。本課程屬于第二層次中“計算機硬件基礎(chǔ)”課程本課程與光電信息學院學科專業(yè)密切相關(guān)計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課特點：內(nèi)容多,學時少,進度快，難度大，應(yīng)用廣。講課內(nèi)容:

微機的體系結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)及應(yīng)用。講課學時

:

共48學時,

其中:講課44學時,習題、復(fù)習4學時考核方式：

平時考核：20%(包括課堂作業(yè)、考勤）；期末考試：80%。第一章微型計算機系統(tǒng)概述微型計算機系統(tǒng)的硬件組成2微型計算機系統(tǒng)的EDA設(shè)計方法5微型計算機系統(tǒng)的啟動過程4半導體存儲器的分類1緒論1微型計算機系統(tǒng)的工作原理32022/11/176/531.1緒論計算機是什么？計算機的分類后PC時代：嵌入式計算機、通用計算機2022/11/177/53

CPU>90%<10%普適計算

(無所不在的計算機)2022/11/178/53泛在通信2022/11/179/53云計算2022/11/1710/53物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IT行業(yè)的四大定律Moore定律

微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個月翻一番Bell定律如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半

每10年會有一類新的計算設(shè)備誕生：巨型機、小型機、工作站、PC到PDA的演變、新一代計算設(shè)備……Gilder定律

未來25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍Metcalfe定律

網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比2022/11/1711/53計算機技術(shù)的發(fā)展微電子技術(shù)計算機技術(shù)通信技術(shù)2022/11/1712/53機械式計算機的發(fā)展2022/11/1713/53電子技術(shù)和半導體技術(shù)誕生電子管(vacuumtube)時代晶體管(transistor)時代第一個晶體管的誕生2022/11/1714/53第一代電子管計算機ENIAC2022/11/1715/53第一臺存儲程序計算機EDSAC2022/11/1716/53第一臺存儲程序計算機EDSAC2022/11/1717/53集成度迅猛發(fā)展2022/11/1718/53GordonMoore：Intel的創(chuàng)始人之一IC技術(shù)：SSI/MSI->LSI->VLSI->ULSI->GLSI->……晶圓尺寸：100mm->125mm->150mm->200mm-> 300mm->400mm->……特征尺寸：3μm->2μm->1.2μm->0.8μm->0.5μm->0.35μm->0.25μm ->0.18μm->0.13μm->90nm->65nm->45nm->……IntelCorei7四核處理器2022/11/1720/53系統(tǒng)級芯片(SOC)技術(shù)系統(tǒng)知識

(硬件與軟件)電路設(shè)計知識

(DAC、ADC等)制造工藝知識

(90nm,65nm,45nm)晶圓工藝知識

(300mm晶圓)A/DA/D數(shù)字射頻處理器數(shù)字濾波與控制混合信號處理器數(shù)字基帶混合信號處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計設(shè)計及驗證技術(shù)IP核生成和復(fù)用技術(shù)超深亞微米工藝及納米IC設(shè)計技術(shù)2022/11/1721/53計算機發(fā)展的主要階段第零代（1642~1945年）機械計算器和繼電器計算器第一代（1946～1955年）電子管計算機以電子管為邏輯部件，以陰極射線管、磁芯和磁鼓等為存儲手段。軟件采用機器語言，后期采用匯編語言。第二代（1955～1965年）晶體管計算機以晶體管為邏輯部件，內(nèi)存用磁芯，外存用磁盤。軟件廣泛采用高級語言，并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)。第三代（1965～1980年）集成電路計算機以中小規(guī)模集成電路為主要部件，內(nèi)存用磁芯、半導體，外存用磁盤。軟件廣泛使用操作系統(tǒng).第四代（1980年至今）個人計算機以LSI、VLSI為主要部件，以半導體存儲器和磁盤為內(nèi)、外存儲器。產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。第五代無所不在的計算機生物計算機、模糊計算機、光計算機、量子計算機、……2022/11/1722/53微型計算機（簡稱微機）：將計算機的核心器件中央處理器（運算器和控制器）集成在一塊半導體芯片上，配以存儲器、I/O接口電路及系統(tǒng)總線等設(shè)備的計算機。微型計算機系統(tǒng)：以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外設(shè)之后，就構(gòu)成了微型計算機系統(tǒng)。

微型計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：DOS、Windows95/98/2000應(yīng)用軟件：WPS、Word、Photoshop微處理器CPU

存儲器(RAM,ROM)I/O接口總線硬件軟件微型計算機系統(tǒng)微型計算機(主機)外設(shè)ALU寄存器控制部件鍵盤、鼠標顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機、掃描儀微型計算機系統(tǒng):微型計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu):微型計算機的分類:以微處理器型號為標志劃分：286計算機386計算機486計算機Pentium計算機PentiumⅡ計算機PentiumⅢ計算機Pentium4計算機……按CPU的字長分類:CPU的性能可以用兩個主要參數(shù)來描述：速度：用CPU的工作頻率表示，單位MHzCPU內(nèi)部寄存器寬度：寄存器的位數(shù)寬度：外部數(shù)據(jù)總線寬度：數(shù)據(jù)線的根數(shù)地址總線寬度：地址線的根數(shù)按CPU的字長，微機可分為：

4位機、8位機、16位機、32位機、64位機CPU內(nèi)部的寄存器寬度可用字長描述微機的分類:按構(gòu)成分類:單片機、單板機、多板機

單片機將CPU、I/O接口電路全部集成一塊芯片上，構(gòu)成具備基本功能的計算機，稱單片機。特點：超小型、高可靠性、價廉應(yīng)用：智能儀表、工業(yè)實時控制、家用電器等產(chǎn)品：Intel的8051、8096/8098系列

Motorola的6801、6805系列

Hitachi(日立)的H8S、SH系列微機的分類:單板機將CPU、內(nèi)存、I/O接口及其它輔助電路全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。特點：結(jié)構(gòu)簡單、價廉應(yīng)用：過程控制、數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品：TP-801以Z80CPU為核心的單板機

80年代各院?！拔C原理”的實驗機微機的分類:

多板機把CPU、內(nèi)存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上，各印刷板插在主機板的總線插槽上，通過系統(tǒng)總線連接起來，構(gòu)成多板機。特點：見前面微型計算機的特點產(chǎn)品：IBMPC/XT、486機、Pentium機等

90年代以來各院?！拔C原理”和計算機硬件的實驗機微機的分類:

按主機裝置分類桌上型：臺式電腦 便攜型：筆記本、掌上電腦等微機的分類:1.2微型計算機系統(tǒng)組成輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備

CPU

存儲器運算器ALU馮諾依曼計算機的工作原理可概述為：“程序存儲”+“程序控制”要點：1．以二進制表示數(shù)據(jù)和指令(程序)2.

先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執(zhí)行馮?諾依曼的“存儲程序和程序控制”設(shè)計思想：微型計算機系統(tǒng)的硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)據(jù)格式表示數(shù)據(jù)和指令。程序?qū)⒈皇孪却嫒胫鞔鎯ζ髦校嬎銠C在工作時能在不需要操作人員干預(yù)的情況下，自動逐條取出指令并執(zhí)行。硬件組成:運算器（ALU）：運算器的核心是算術(shù)邏輯單元，是完成各種算術(shù)和邏輯運算的部件?？刂破鳎–U）：發(fā)出各種控制信息，使計算機各部件協(xié)調(diào)工作的部件。存儲器（M）：記憶程序和數(shù)據(jù)的部件。輸入設(shè)備（IN）：將程序和數(shù)據(jù)輸入的部件。輸出設(shè)備（OUT）：將結(jié)果數(shù)據(jù)和其它信息輸出的部件。硬件組成:1、微處理器微處理器包含運算器和控制器，微處理器的性能基本決定了計算機的性能，是微型計算機的核心。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計算機的發(fā)展基本遵循摩爾定律。1971年，Intel公司研制成功了第1臺微處理器Intel4004；1973年，Intel公司又研制成功了8位微處理器Intel8080；1978年，Intel公司推出了首枚16位微處理器8086；同年，IBM公司基于Intel8088芯片推出的IBM-PC計算機，使微型計算機進入到了一個迅速發(fā)展的使用時期。2、協(xié)處理器協(xié)處理器用于特定任務(wù)的處理，以減輕系統(tǒng)微處理器的負擔，是微型計算機系統(tǒng)的選配硬件。例如，數(shù)字協(xié)處理器可以控制數(shù)字處理；圖形協(xié)處理器可以處理視頻繪制。常見的協(xié)處理器有Intel8087。3、內(nèi)存儲器也稱主存或內(nèi)存，用于存放計算機正在運行的程序和用到的數(shù)據(jù)等。內(nèi)存儲器分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩大類。隨機存儲器：RAM接受程序的控制，可由用戶寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)，但是斷電后數(shù)據(jù)會消失。RAM可以用來臨時存放程序、輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等。只讀存儲器：ROM中的信息由廠家預(yù)先寫入，一般用來存放自檢程序、配置信息等。通常只能讀出而不能寫入，斷電后信息不會丟失。4、外存儲器也稱輔存或外存，用來存儲大量暫時不參加運算或處理的數(shù)據(jù)和程序，是主存的后備和補充。常見的外存儲器主要有：硬盤：安裝在主機箱內(nèi)，常見容量有：120GB、250GB、500GB、700GB等。光盤：信息讀取要借助于光驅(qū)，其容量為650MB。DVD光盤：存儲密度高，存儲容量大，容量一般為4.7GB。優(yōu)盤：是利用閃存在斷電后還能保持存儲的數(shù)據(jù)不丟失的特點而制成的，特點是重量輕、體積小。移動硬盤：可以通過USB接口即插即用，特點是體積小、重量輕、容量大、存取速度快。5、輸入輸出接口鼠標、外存、打印機、顯示器等稱為外設(shè)，包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩類。在微型計算機系統(tǒng)中，CPU通過輸入輸出接口（I/O接口）與外設(shè)交換信息。CPU與外設(shè)之間交換的信息有：數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。I/O接口電路的功能:連接外設(shè)和系統(tǒng)總線，完成信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖、與CPU進行信號聯(lián)絡(luò)等工作，使CPU和外設(shè)協(xié)調(diào)工作?，F(xiàn)代微機的體系結(jié)構(gòu)基于總線的馮·諾依曼架構(gòu)是現(xiàn)代微機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)總線子系統(tǒng)：作為公共通道連接各子部件，用于實現(xiàn)各

部件之間的數(shù)據(jù)、信息等的傳輸和交換存儲器子系統(tǒng)：用來存放當前的運行程序和數(shù)據(jù)輸入輸出子系統(tǒng)：用于完成計算機與外部的信息交換CPU子系統(tǒng)：集成了運算器、控制器以及寄存器的超大規(guī)模集成電路芯片(VLSI)2022/11/1740/50微機的總線結(jié)構(gòu)

按傳輸信息的不同，可將總線分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB三類：地址總線通常是單向的，由主設(shè)備(如CPU)發(fā)出，用于選擇讀寫對象(如某個特定的存儲單元或外部設(shè)備)；數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)交換，通常是雙向的；控制總線包括真正的控制信號線(如讀/寫信號)和一些狀態(tài)信號線(如是否已將數(shù)據(jù)送上總線)，用于實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視和控制。MPURAMROMI/O接口外設(shè)ABDBCB2022/11/1741/506、總線控制邏輯微型計算機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)總線是連接計算機各組成部件的公共數(shù)據(jù)通路。在微型計算機系統(tǒng)中，總線分為：片內(nèi)總線：連接CPU內(nèi)部的各個部件；片級總線：連接CPU、存儲器及I/O接口等電路，構(gòu)成所謂的主機板；系統(tǒng)總線：用來連接外部設(shè)備。系統(tǒng)總線的直觀形式就是主板上的擴充插槽。主板與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過系統(tǒng)總線，所以系統(tǒng)總線包含的信號線必須滿足下列各種輸入/輸出操作的需要：（1）訪問分布于主板之外的存儲器；（2）訪問I/O接口；（3）適應(yīng)外部中斷方式；（4）適應(yīng)存儲器直接與外部設(shè)備交換信息?？偩€控制邏輯的任務(wù)就是產(chǎn)生和接受總線操作所需要的信號。6、總線控制邏輯1.3微型計算機系統(tǒng)的工作原理1、指令、指令系統(tǒng)和程序指令：指令是指示計算機執(zhí)行某種操作的命令，它由一串二進制代碼組成。一條指令通常由操作碼和操作數(shù)兩個部分組成。操作碼操作數(shù)指明該指令要完成的操作的類型或性質(zhì)，如取數(shù)、加法、減法或邏輯乘等。指明操作對象本身或操作對象所存儲的位置：寄存器名或存儲單元地址。指令系統(tǒng)：一臺計算機所能識別和執(zhí)行的全部指令的集合，稱為該計算機的指令集合或指令系統(tǒng)。不同計算機的指令系統(tǒng)包含的指令種類和數(shù)目也不同。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。1、指令、指令系統(tǒng)和程序程序：計算機根據(jù)人們預(yù)定的安排自動地進行數(shù)據(jù)的快速計算和加工處理。人們預(yù)定的安排是通過一個指令序列來表達的，這個指令序列就稱為程序。一條指令規(guī)定計算機執(zhí)行的一個基本操作，一個程序規(guī)定計算機完成的一個完整任務(wù)。1、指令、指令系統(tǒng)和程序機器語言：計算機能夠直接識別的數(shù)據(jù)是由二進制數(shù)0和1組成的代碼；機器語言是直接用二進制代碼指令表達的計算機語言；一條機器指令控制計算機完成一個基本操作；用機器語言編寫的程序是計算機惟一能夠直接識別并執(zhí)行的程序，而用其他語言編寫的程序必須經(jīng)過翻譯才能變換成機器語言程序，所以，機器語言程序又被稱為目標程序。2、機器語言、匯編語言和高級語言匯編語言：為了便于記憶和書寫，每條二進制代碼指令都可以用字母或符號來表示，稱為匯編語言。

匯編語言能夠直接訪問與硬件相關(guān)的存儲器或I/O端口；用匯編語言編寫的程序稱為匯編源程序，要翻譯成機器語言程序才可以由計算機執(zhí)行。這個翻譯的過程稱為“匯編”，這種把匯編源程序翻譯成目標程序的語言加工程序稱為匯編程序。2、機器語言、匯編語言和高級語言高級語言：高級程序設(shè)計語言接近人類自然語言的語法習慣，易被用戶掌握和使用。目前廣泛應(yīng)用的高級語言有多種，如C++、JAVA等。高級語言程序“看不見”機器的硬件結(jié)構(gòu)，不能用于編寫直接訪問機器硬件資源的系統(tǒng)軟件或設(shè)備控制軟件。為此，一些高級語言提供了與匯編語言之間的調(diào)用接口。用匯編語言編寫的程序，可作為高級語言的一個外部過程或函數(shù)，利用堆棧來傳遞參數(shù)或參數(shù)的地址。2、機器語言、匯編語言和高級語言3、微型計算機系統(tǒng)的工作原理計算機的工作本質(zhì)上就是執(zhí)行程序的過程。順序執(zhí)行指令執(zhí)行的基本過程可以分為取指令(fetch)、分析指令(decode)和執(zhí)行指令(execute)三個階段。非順序執(zhí)行轉(zhuǎn)移（jump）：執(zhí)行條件/無條件轉(zhuǎn)移指令，不返回過程（procedure）調(diào)用：主程序調(diào)用子程序后返回斷點中斷（interrupt）：外界突發(fā)事件處理完后返回斷點異常（exception）：

程序本身產(chǎn)生的某些例外處理完后重新執(zhí)行.陷阱(trap)：

程序本身產(chǎn)生某些例外條件處理完后返回斷點程序的執(zhí)行過程取指令、分析指令、執(zhí)行指令A(yù)BDBALUR1暫存器標志寄存器FR寄存器組

操作控制器OC指令譯碼器ID指令寄存器IR

操作碼,地址碼內(nèi)部總線地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器程序計數(shù)器PC地址譯碼讀控制B0H5CH04H2EH地址1001H1002H1003H內(nèi)容1000H內(nèi)存儲器MOV5CH,R1ADDR1,2EH,R1＋1CPU外CPU內(nèi)①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥①③④⑤⑥②①②③④⑤⑥⑦⑧2022/11/1751/50ROMBIOS硬盤RAM②執(zhí)行自舉程序⑥執(zhí)行引導程序序讀出引導程④CPU①執(zhí)行加電自檢程序⑤裝入引導程序⑦裝入操作系統(tǒng)CMOS？從何處啟動③⑧運行操作系統(tǒng)顯示初始界面1.4微型計算機系統(tǒng)的啟動過程DOSDOS（DiskOperatingSystem）是磁盤操作系統(tǒng)的簡稱，MS-DOS則是最普遍使用的PC兼容DOS。MS-DOS采用模塊結(jié)構(gòu)，它由五部分組成：ROM中的BIOS模塊IO.SYS模塊MSDOS.SYS模塊COMMAND.COM模塊引導程序。目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有Protel、PSPICE、MultiSIM10、Modelsim和Proteus等。是英國LabcenterElectronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由廣州風標電子技術(shù)有限公司作為中國的銷售代理。Proteus軟件可以實現(xiàn)原理圖布圖、PCB自動或人工布線和SPICE電路仿真，仿真處理器及其外圍電路并實時使用RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED