微機(jī)原理與應(yīng)用課件

微機(jī)原理與接口技術(shù)

微機(jī)原理與接口技術(shù)

1微機(jī)

原理及接口

技術(shù)課程介紹典型機(jī)型：IBMPC系列機(jī)基本系統(tǒng)：8086CPU和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器I/O接口電路及與外設(shè)的連接硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法微機(jī)原理及接口技術(shù)課程介紹典型機(jī)型：IBMPC系列2課程目標(biāo)微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計(jì)方法微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力課程目標(biāo)微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理3學(xué)習(xí)解決問題的思路硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，軟件設(shè)計(jì)技巧電力系統(tǒng)中的應(yīng)用各種設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)一步深造（學(xué)習(xí)方法更為重要）上位機(jī)軟件、嵌入式軟件（DSP、ARM）課程意義學(xué)習(xí)解決問題的思路課程意義4第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展5微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展

1946年，世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)ENIAC（電子數(shù)據(jù)和計(jì)算器）發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第五代，產(chǎn)生了微型計(jì)算機(jī)；微型計(jì)算機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來伴隨著微電子學(xué)的發(fā)展，按CPU的字長(zhǎng)和功能劃分，她大致經(jīng)歷了5代演變。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展1946年，世界上出現(xiàn)第一6計(jì)算機(jī)鼻祖——ENIAC計(jì)算機(jī)鼻祖——ENIAC7微型計(jì)算機(jī)代數(shù)劃分準(zhǔn)則：字長(zhǎng)；頻率基礎(chǔ)：大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展特征：密度工藝微型計(jì)算機(jī)的代數(shù)及劃分微型計(jì)算機(jī)代數(shù)劃分準(zhǔn)則：字長(zhǎng)；頻率微型計(jì)算機(jī)的代數(shù)及劃分8第一代(1971-1973,PMOS工藝，

2300晶體管，1MHz)：4位和8位低檔微機(jī)以INTEL公司的4004、4040、8008微處理器組成的微機(jī)為代表。威廉.肖克利（1956年諾貝爾獎(jiǎng)得主）摩爾及諾伊斯（

TraitorousEight）摩爾定律——哥創(chuàng)建的是1968的Intel造就了1969AMD（桑德斯）只有偏執(zhí)狂才能生存（安迪.格魯夫）第一代(1971-1973,PMOS工藝，2300晶體管，9第三代(1978-1984):16位微機(jī)(HMOS,29000只晶體管，5，8，10MHz)以8086、8088、80286、MC68000、Z800微處理器組成的微機(jī)為代表如IBMPC機(jī)系列第二代(1974-1978):8位中檔微機(jī)（NMOS,4500晶體管,2MHz）以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的MC6800,

Zilog公司的Z80微處理器組成的微機(jī)為代表（費(fèi)金）。如Apple-II微機(jī)第三代(1978-1984):16位微機(jī)(HMOS,29010第五代：64位微機(jī)Itanium、64位RISC微處理器芯片，酷睿（65nm）微機(jī)服務(wù)器、工程工作站、圖形工作站四核Q,E系列、六核處理器X5680第四代(1985-至今):32位微機(jī)（CHOMS,27.5萬只，120萬只晶體管）。80386、80486、Pentium、PentiumII（亞微米CMOS）、PentiumIII（0.25微米）

、Pentium432位PC機(jī)、Macintosh機(jī)、PS/2機(jī)第五代：64位微機(jī)第四代(1985-至今):32位微機(jī)（C11第一代微機(jī)代表—40041971年，Intel開創(chuàng)微型計(jì)算機(jī)新紀(jì)元第一代微機(jī)代表—40041971年，Intel開創(chuàng)微型計(jì)算機(jī)12第二代微機(jī)代表—8080Bornin1974第二代微機(jī)代表—8080Bornin197413大樹下面好乘涼—80881978年，Intel公司首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086，一年后推出8088。大樹下面好乘涼—80881978年，Intel公司首次生產(chǎn)出14第三代CPU領(lǐng)導(dǎo)核心—802861982年Intel推出了劃時(shí)代的最新產(chǎn)品80286芯片PLCC封裝（PlasticLeadedChipCarrier），CPU的內(nèi)部含有13.4萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。第三代CPU領(lǐng)導(dǎo)核心—802861982年Intel推出了劃15哈勃：一個(gè)80486引發(fā)的血案1985年Intel推出了80386芯片,1989年，

Intel推出80486芯片，它實(shí)破了100萬個(gè)晶體管的界限，集成了120萬個(gè)晶體管。80486的時(shí)鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。哈勃：一個(gè)80486引發(fā)的血案1985年Intel推出了8016一顆奔騰的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采用PGA（PinGridArrayPackage，格柵陣列封裝）封裝方式。一顆奔騰的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采1764位新紀(jì)元—Itanium2001年英特爾發(fā)布了Itanium(安騰)處理器。Itanium處理器是英特爾第一款64位元的產(chǎn)品，Itanium

2具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、高達(dá)3MB的L3緩存。

64位新紀(jì)元—Itanium2001年英特爾發(fā)布了Itani1832納米的強(qiáng)人—X5680

首批采用32nm第二代高K金屬柵極(HKMG)工藝制造的服務(wù)器和工作站芯片，集成11.7億個(gè)晶體管，核心面積248平方毫米。六核心十二線程、主頻3.33GHz、三級(jí)緩存12MB、QPI總線頻率6.40GT/s、熱設(shè)計(jì)功耗130W32納米的強(qiáng)人—X5680

首批采用32nm第二代高K金屬柵19內(nèi)核照片—六核心

內(nèi)核照片—六核心

20IBMPC系列機(jī)8088CPUIBMPC機(jī)IBMPC/AT機(jī)IBMPC/XT機(jī)IBMPC系列機(jī)8088CPUIBMPC機(jī)IBMPC/21Apple微型計(jì)算機(jī)Apple-IApple-IIApple微型計(jì)算機(jī)Apple-IApple-II22微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用及意義用于數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向通用微機(jī)，例如：PC微機(jī)用于過程控制及智能化儀器儀表方向?qū)Ｓ梦C(jī)，例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工控機(jī)游戲2010年規(guī)模為21億美元微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用及意義用于數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方23微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼(JohnvonNeumann)結(jié)構(gòu)：馮.諾伊曼提出的“存儲(chǔ)程序”、“程序控制”的概念奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)“存儲(chǔ)程序”指將指令、數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中?！俺绦蚩刂啤敝赣?jì)算機(jī)自動(dòng)取出并執(zhí)行存儲(chǔ)器中的指令、完成預(yù)定的操作。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)：微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼(JohnvonNeum24運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件（arithmeticlogicunit，簡(jiǎn)稱ALU）控制器產(chǎn)生整個(gè)指令系統(tǒng)所需的全部操作的控制信號(hào)。存儲(chǔ)器用于存放指令（代碼）和數(shù)據(jù)，也稱為主存儲(chǔ)器或內(nèi)存。微型計(jì)算機(jī)主要組成部分（1）運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器微型計(jì)算機(jī)主要組成部分（1）25微型計(jì)算機(jī)主要組成部分（2）輸入設(shè)備

通過I/O接口將程序和數(shù)據(jù)輸入內(nèi)存。輸出設(shè)備

CPU通過I/O接口將運(yùn)行結(jié)果及程序、數(shù)據(jù)送到輸出設(shè)備上。I/O接口是CPU與輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的中介電路。微型計(jì)算機(jī)主要組成部分（2）輸入設(shè)備26馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為核心、以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器指令驅(qū)動(dòng)指令流控制命令數(shù)據(jù)流馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為核心、以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)運(yùn)算27指令的執(zhí)行過程1、指令地址賦給PC并發(fā)送到地址寄存器AR2、PC自動(dòng)加13、AR->地址總線，選中相應(yīng)單元4、CPU的控制器發(fā)出讀命令5、地址中的指令讀到數(shù)據(jù)總線上6、讀出的內(nèi)容

數(shù)據(jù)寄存器7、譯碼，指令寄存器IR,指令譯碼器ID指令的執(zhí)行過程1、指令地址賦給PC并發(fā)送到地址寄存器A28幾個(gè)主要概念的區(qū)別微處理器（Microprocessor）一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)含控制器、運(yùn)算器和寄存器等微機(jī)中的核心芯片微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）通常指微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)一般的說法：微機(jī)、微型機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Microcomputersystem）指由硬件和軟件共同組成的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾個(gè)主要概念的區(qū)別微處理器（Microprocessor）29微機(jī)的主要指標(biāo)(1)字長(zhǎng)指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它影響著計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度和運(yùn)算速度。計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)取決于CPU的字長(zhǎng)。微機(jī)的字長(zhǎng)通常為4、8、16、32、64位。主存（內(nèi)存）容量?jī)?nèi)存容量通常以字節(jié)(Byte)作為基本單位1byte=8bit（位）1T=240byte1KB=210byte1P=250byte1MB=220byte1GB=230byte運(yùn)算速度以每秒執(zhí)行的機(jī)器指令數(shù)作為運(yùn)算速度指標(biāo)，計(jì)量單位為

MIPS（MillionInstructionPersecond

－每秒百萬條指令）微機(jī)的主要指標(biāo)(1)字長(zhǎng)30微機(jī)的主要指標(biāo)(2)內(nèi)核數(shù)目即機(jī)器的主時(shí)鐘頻率，取決與微處理器的頻率。高速緩存L1CacheL2CacheL3Cache微機(jī)的主要指標(biāo)(2)內(nèi)核數(shù)目31微機(jī)的主要指標(biāo)(3)主頻率即機(jī)器的主時(shí)鐘頻率，取決與微處理器的頻率。平衡軟件與硬件的平衡性能與價(jià)格的平衡應(yīng)用與性能的平衡平均無故障時(shí)間超級(jí)計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)微機(jī)的主要指標(biāo)(3)主頻率32星云超級(jí)計(jì)算機(jī)（工具or玩具）峰值達(dá)到每秒3000萬億次（3PFlops），Linpack達(dá)到1.27petaflop每秒鐘可進(jìn)行1270萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算光信息產(chǎn)業(yè)（北京）有限公司、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所、國(guó)家超級(jí)計(jì)算深圳中心共同研制核模擬、航母、大飛機(jī)、氣象、超新星等等星云超級(jí)計(jì)算機(jī)（工具or玩具）峰值達(dá)到每秒3000萬億次（333星云超級(jí)計(jì)算機(jī)星云超級(jí)計(jì)算機(jī)34美洲豹超級(jí)計(jì)算機(jī)美洲豹超級(jí)計(jì)算機(jī)35微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CPU存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器RAMI/O接口I/O設(shè)備地址總線(AB)數(shù)據(jù)總線(DB)控制總線(CB)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器I/OI/O地址總368086CPU的結(jié)構(gòu)16位外部總線ΣALUAHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISICSDSSSESIP

內(nèi)部暫存器154236運(yùn)算暫存器標(biāo)志寄存器EU控制單元ALU數(shù)據(jù)總線（16位）總線控制邏輯地址總線(20位)指令隊(duì)列數(shù)據(jù)總線隊(duì)列總線8位通用寄存器執(zhí)行部件（EU）總線接口部件（BIU）8086CPU的結(jié)構(gòu)16位外部總線ΣALUAH37微處理器微處理器（CPU）計(jì)算機(jī)的核心部件。它包括：算術(shù)邏輯部件（ALU）；累加器及通用寄存器組；程序計(jì)數(shù)器指令寄存器和指令譯碼器；時(shí)序和控制部件微處理器微處理器（CPU）38輸入/輸出接口串行接口輸入接口并行接口

輸出接口數(shù)字接口模擬接口數(shù)據(jù)緩沖寄存；信號(hào)電平或類型的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的運(yùn)行匹配。輸入/輸出接口串行接口輸入接口數(shù)字接口數(shù)據(jù)緩沖39總線連接CPU與存儲(chǔ)器I/O接口的公共導(dǎo)線。采用總線結(jié)構(gòu)是微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之一?？偩€可分為三類：地址總線（addressbus）它傳輸?shù)刂沸畔?，用于尋址存?chǔ)單元和I/O端口。用“AB”表示；數(shù)據(jù)總線（databus）用于傳輸數(shù)據(jù)。用“DB”表示；控制總線（controlbus)它向系統(tǒng)各部件發(fā)出（或接收）控制信號(hào)。用“CB”表示?？偩€連接CPU與存儲(chǔ)器I/O接口的公共導(dǎo)線。采用總線40總線特征及分類特征：1、物理特征：總線物理連接的方式2、功能特征：總線的功能是什么3、電氣特征：信號(hào)傳遞方向及有效電平范圍4、時(shí)間特征：每根信號(hào)線在什么時(shí)間有效分類：內(nèi)部總線元件級(jí)總線系統(tǒng)總線外部總線總線特征及分類特征：41內(nèi)存儲(chǔ)器的相關(guān)概念用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)（無論對(duì)誰來說,640K內(nèi)存都足夠了?！薄葼枴どw茨(1981)）可分為只讀存儲(chǔ)器（