微機(jī)原理周鳴爭(zhēng)版第1章

微機(jī)原理與接口技術(shù)主講：嚴(yán)軼群第一章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.2

微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1.5微型機(jī)中的數(shù)制與碼制1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1.1.2微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀返回1.1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史按微處理器的位數(shù)分：第一代（1971-1973年）：4位和低檔8位微處理器時(shí)代第二代（1973－1978年）：中高檔8位微處理器時(shí)代第三代（1978-1980年）：16位微處理器時(shí)代第四代（1983-1993年）：32位微處理器時(shí)期第五代（1993～1996）：Pentium微處理器的時(shí)代第六代（1997至今）：加強(qiáng)型Pentium時(shí)代

第七代：64位CPU時(shí)代第一代（1971-1973年）：4位和低檔8位微處理器時(shí)代典型產(chǎn)品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：4位或8位2.時(shí)鐘頻率：1MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：15~20μs4.集成度：2000管/片第二代（1973－1978年）：中高檔8位微處理器時(shí)代典型產(chǎn)品Intel

8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell與MOSTechnology的6502等。特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：8位2.時(shí)鐘頻率：2～4MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：1～2μs4.集成度：5000～10000管/片第三代（1978-1980年）：16位微處理器時(shí)代Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog

公司的Z8000特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：16位2.時(shí)鐘頻率：5～40MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：0.5μs4.集成度：20000～60000管/片第四代（1983-1993年）：32位微處理器時(shí)期1983年Zilog公司推出Z8000微處理器1984年Motorola公司推出MC68020微處理器1985年，Intel公司推出能進(jìn)行多任務(wù)處理的32位微處理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特點(diǎn):1.字長(zhǎng)：32位2.時(shí)鐘頻率：10～120MHz3.平均執(zhí)行指令時(shí)間：0.2μs4.集成度：幾十萬(wàn)～上百萬(wàn)管/片第五代（1993～1996）：Pentium微處理器的時(shí)代1993年3月，Intel公司的奔騰（Pentium）

時(shí)鐘頻率：60/66MHz

運(yùn)行速度：100MIPS

集成度：310萬(wàn)管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro

時(shí)鐘頻率：166MHz以上集成度：550萬(wàn)管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔騰）

第六代（1997至今）：加強(qiáng)型Pentium時(shí)代1997年到1999年，Intel公司的PentiumⅡ、PentiumⅢ、AMD公司的AMD-K7，這些芯片的集成度高達(dá)750萬(wàn)管/片，時(shí)鐘頻率達(dá)到750MHz。2001年底，PentiumⅣ主頻高達(dá)2GHz，具有4200萬(wàn)只晶體管，主流高端32位CPU市場(chǎng)的佼佼者。AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主頻及2GHz主頻。第七代：64位CPU時(shí)代2001年5月，Intel公司正式推出了第一種64位微處理器Itanium。Itanium由英特爾和惠普聯(lián)合開(kāi)發(fā)，主要用于工作站和服務(wù)器機(jī)型，內(nèi)置2～4MB的3級(jí)緩存、工作頻率為800MHz及722MHz的產(chǎn)品，價(jià)格為1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8Intel的CPU的發(fā)展史intel4004，intel的發(fā)展史就是從這塊cpu起步的80088085808680286，intel最后一塊16位cpu80386，intel第一代32位cpu486，這是intel最后一代以數(shù)字編號(hào)的cpupentium，傳說(shuō)中的586pentiumpropentium

mmxpentiumⅱceleron，引發(fā)超頻熱潮pentiumⅲ_katmaipentiumⅲIntelpentiumⅲtualatin/coppermineintelpentiumⅳ_423intelpentiumⅳ_478返回微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化1.1.2微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀超級(jí)流水線技術(shù)將流水線深度增加了一倍數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展2(SSE2)指令集擴(kuò)展MMX和SSE技術(shù),更好的支持DVD播放，音頻和3D圖形數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)處理等采用了全新的一級(jí)（L1）指令高速緩存技術(shù)采用先進(jìn)的400MHz系統(tǒng)總線具有雙通道RDRAM，可實(shí)現(xiàn)更高性能返回1.2微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.2.1微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.2.2微處理器1.2.3內(nèi)存儲(chǔ)器1.2.4輸入輸出設(shè)備和輸入輸出接口1.2.5總線返回微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成返回1.2.1微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.2.2微處理器微處理器也稱作中央處理單元，簡(jiǎn)稱CPU（CentralProcessingUnit）,本身具有運(yùn)算和控制功能控制器：負(fù)責(zé)全機(jī)的控制工作運(yùn)算器：執(zhí)行所有的算術(shù)和邏輯運(yùn)算微處理器是微型計(jì)算機(jī)的核心，多數(shù)CPU是單片的，有時(shí)也會(huì)見(jiàn)多片型的，即幾個(gè)片合起來(lái)完成一個(gè)CPU的功能.CPU的功能：

1.進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算

2.能對(duì)指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作

3.可暫存少量數(shù)據(jù)

4.提供整個(gè)系統(tǒng)所需要的定時(shí)和控制

5.能和存儲(chǔ)器、外設(shè)交換數(shù)據(jù)

6.可以響應(yīng)其他部件發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求CPU在內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成1.算術(shù)邏輯部件（ALU）處理各種數(shù)據(jù)信息，可以進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)和與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算2.累加器和通用寄存器組用來(lái)保存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算的中間結(jié)果，也用來(lái)存放地址3.程序計(jì)數(shù)器（指令指針）指向下一條要取出的指令4.指令寄存器存放從存儲(chǔ)器中取出的指令碼5.譯碼器對(duì)指令碼進(jìn)行譯碼和分析，從而確定指令的操作，并確定操作數(shù)的地址，再得到操作數(shù)，以完成指定的操作。6.時(shí)序和控制部件指令譯碼器對(duì)指令進(jìn)行譯碼時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)送到時(shí)序和控制邏輯電路，組合成外部電路所需要的時(shí)序和控制信號(hào)。這些信號(hào)送到微型計(jì)算機(jī)的相應(yīng)部件，以控制這些部件協(xié)調(diào)工作。

CPU的控制信號(hào)1.由CPU內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)：送到存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路和其他部件2.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它部件也會(huì)在它們需要的時(shí)候向CPU發(fā)出各種請(qǐng)求信號(hào)：如中斷請(qǐng)求、總線、請(qǐng)求等。返回1.2.3內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器又叫內(nèi)存或主存，計(jì)算機(jī)的記憶部件,存放數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù)，中間結(jié)果和最終結(jié)果）和程序1.內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)和程序，從形式上看都是二進(jìn)制數(shù)：二進(jìn)制有關(guān)的數(shù)據(jù)單位：位：1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的基本單位字節(jié):每8位組成一個(gè)字節(jié)字:16位雙字:32位一個(gè)存儲(chǔ)單元中存放的信息稱為該存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，每一個(gè)字節(jié)單元有一個(gè)存儲(chǔ)器地址，地址用二進(jìn)制數(shù)表示，為無(wú)符號(hào)整數(shù)，書(shū)寫格式為16進(jìn)制，如下圖所示：1514131211109876543210高位字節(jié)低位字節(jié)字16位時(shí)，低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址：

兩個(gè)字節(jié)單元構(gòu)成一個(gè)字單元，字單元的地址采用它的低地址表示字節(jié)

34H

12H

1EH2FH

0004H0005H1234H1235H

(0004)=1234H

(1234)=2F1EH((0004H))=2F1EH

如用X表示某存儲(chǔ)單元的地址，則X單元的內(nèi)容用（X）表示，假如X單元中存放著Y,則（X）=Y,而Y又是一個(gè)地址，則可用（Y）=((X))來(lái)表示Y單元的內(nèi)容。如：存儲(chǔ)器地址與內(nèi)容有關(guān)說(shuō)明1.存儲(chǔ)器以字節(jié)（8bit）為單位存儲(chǔ)信息2.每個(gè)字節(jié)單元有一個(gè)地址，從0編號(hào)，順序加13.地址也用二進(jìn)制數(shù)表示（無(wú)符號(hào)整數(shù)，寫成十六進(jìn)制）4.地址是16位,可表示216=65536=64K個(gè)地址，即0000H－FFFFH5.字長(zhǎng)16位，一個(gè)字要占用相繼的兩個(gè)字節(jié)6.低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址7.機(jī)器以偶地址訪問(wèn)（讀/寫）存儲(chǔ)器8.字單元地址用它的低地址來(lái)表示2.內(nèi)存操作CPU對(duì)內(nèi)存的操作有讀、寫兩種：1.讀操作是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU內(nèi)部2.寫操作是CPU將其內(nèi)部信息傳送到內(nèi)存單元保存起來(lái)3.內(nèi)存分類按工作方式不同，內(nèi)存可分為兩大類：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)

只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)RAM可以被CPU隨機(jī)地讀和寫，所以又稱為讀寫存儲(chǔ)器ROM中的信息只能被CPU隨機(jī)讀取，而不能由CPU任意寫入返回1.2.4輸入輸出設(shè)備和輸入輸出接口輸入輸出設(shè)備是指微型計(jì)算機(jī)上配備的I/O設(shè)備，也稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備（簡(jiǎn)稱外設(shè)），其功能是為微型計(jì)算機(jī)提供具體的輸入/輸出手段微型計(jì)算機(jī)上配置的標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備一般是指鍵盤和顯示器，二者又合稱為控制臺(tái)

為了解決微型計(jì)算機(jī)與種類繁多的外設(shè)之間的信息交換，各種外設(shè)都通過(guò)相應(yīng)的接口(Interface)電路與主機(jī)系統(tǒng)相連。返回1.2.5總線總線實(shí)際上由一組導(dǎo)線條上關(guān)電路組成，是各種公共信號(hào)線的集合，用作微機(jī)各部分之間傳遞信息所共同使用的“高速信息公路”。在CPU，存儲(chǔ)器，I/O接口之間傳輸信息的總線稱為“系統(tǒng)總線”。系統(tǒng)總線包括：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。1.數(shù)據(jù)總線（databus,DB）數(shù)據(jù)總線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息，是雙向總線2.地址總線（addressbus,AB）地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向總線3.控制總線（controlbus,CB）控制總線用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等。其中有的是CPU向內(nèi)存和外設(shè)發(fā)出的信息，有的則是內(nèi)存或外設(shè)向CPU發(fā)出的信息?？梢?jiàn)，CB中每一根線的方向是一定的、單向的，但CB作為一個(gè)整體是雙向的返回1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.3.2微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)1.3.3典型微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)返回1.3.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)必須由硬件和軟件這兩大部分組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，二者缺一不可：微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是機(jī)器的實(shí)體部分，主要包括主機(jī)和外圍設(shè)備。微型計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件、各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)等返回微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.3.2微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)返回1.基本字長(zhǎng)基本字長(zhǎng)是指參與運(yùn)算數(shù)的基本位數(shù)，它是由加法器、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定的2.主存容量一個(gè)主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的最大信息容量稱為主存容量3.運(yùn)算速度人們用計(jì)算機(jī)的主頻——時(shí)鐘頻率來(lái)表示運(yùn)算速度，以MHz或GHz為單位4.系統(tǒng)配置5.性能價(jià)格比1.3.3典型微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)Pentium系列處理器主處理器總線（3.3V或2.5VI/O,60～66MHz）第二級(jí)CacheCache（PBSRAM）標(biāo)簽CntlTagCntlTIO[7:0]82439TX(MTXC)DRAM接口(3.5V或5V)主存儲(chǔ)器(DRAM)PCI總線（3.3V或5V,30/33MHz）ISA插槽PCI擴(kuò)充連接器PCI插槽PCI插槽PCI總線（5V）82380FB(MPCI2)82380AB(MISA)ISA總線（5V）CD-ROM硬盤IDEUDMA/33通用串行總線(USB)ISA/EIO總線(兼容3.3V,5V)USB1USB2GP[I,O](30+)SMB(I2C)音頻PC87317VULBIOS串行口紅外口并行口鼠標(biāo)口鍵盤口軟盤口82371AB(PIIX4)硬盤只適應(yīng)可撤卸的擴(kuò)充站

并行端口、COM0、視頻口、鍵盤、鼠標(biāo)、游戲口ISA插槽音頻編碼視頻擴(kuò)展卡插槽COM1Socket7CPUDIMMSocketsDIMMSockets512KBCacheFLASH視頻輸入視頻存儲(chǔ)器揚(yáng)聲器板面狀態(tài)接口配置跳線接口圖形控制器視頻抓取處理器PCI插槽TV輸出多媒體通道連接器GPIO82430TXMTXC82430TXPIIX4電源連接器軟盤連接器PC87307VULIDE連接器IDE連接器電池穩(wěn)壓器

典型微型計(jì)算機(jī)主板結(jié)構(gòu)圖返回1.4微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用由于微型計(jì)算機(jī)具有體積小，價(jià)格低，性能可靠，結(jié)構(gòu)靈活，使用方便等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，信息處理，工業(yè)過(guò)程控制，人工智能，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，商業(yè)流通等。主要有以下幾個(gè)方面：1.科學(xué)計(jì)算和信息處理2.輔助設(shè)計(jì)和輔助制造3.測(cè)控領(lǐng)域4.網(wǎng)絡(luò)通信1.科學(xué)計(jì)算和信息處理科學(xué)計(jì)算一直是計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)明計(jì)算機(jī)的原始目的就是為了科學(xué)計(jì)算信息處理是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用得最廣泛的領(lǐng)域。信息處理就是用微型計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、社會(huì)和科學(xué)研究中獲得的大量信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分類、變換、計(jì)算和傳輸，以符合人們要求和習(xí)慣的形式輸出、顯示或再控制

2.輔助設(shè)計(jì)和輔助制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造（CAD/CAM）是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的另一個(gè)重要領(lǐng)域CAD:是指人們利用計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行各種工程設(shè)計(jì)、模擬和測(cè)試CAM:是指利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械加工和制造1.4.3測(cè)控領(lǐng)域1.軍事方面用于導(dǎo)彈、核武器、宇宙飛船、潛水艇、雷達(dá)、電子對(duì)抗等。2.工業(yè)方面用于化工過(guò)程控制、機(jī)床自動(dòng)控制、冶煉過(guò)程控制、發(fā)電廠控制、裝配機(jī)械控制、生產(chǎn)自動(dòng)化控制、機(jī)器人等。3.測(cè)試與儀器方面智能儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、虛擬儀器、遙控遙測(cè)等。4.通信及交通方面程控交換機(jī)、傳真電報(bào)、移動(dòng)通信電臺(tái)及手記、汽車電子設(shè)備、自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)、交通信號(hào)控制、自動(dòng)售票、車輛調(diào)度、導(dǎo)航及空中管制、航空自動(dòng)駕駛。5.文體衛(wèi)生方面計(jì)算機(jī)、CT掃描儀、超聲診斷儀、腦電圖儀、X射線機(jī)。6.家電產(chǎn)品以嵌入式微處理器為主，如電視機(jī)、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯鍋、智能玩具等1.4.4網(wǎng)絡(luò)通信金融服務(wù)電子商務(wù)電子消息傳遞電子數(shù)據(jù)交換電視會(huì)議移動(dòng)通信1.5

微型機(jī)中的數(shù)制及碼制1.5.1

進(jìn)位計(jì)數(shù)制及它們之間的轉(zhuǎn)換

1.

進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制三個(gè)基本特點(diǎn):

基數(shù)某計(jì)數(shù)制中,數(shù)碼的個(gè)數(shù)，如十進(jìn)制的基數(shù)為10，數(shù)碼為0，1，2，3，…9

進(jìn)位原則：逢n進(jìn)一

如十進(jìn)制中逢10進(jìn)1

位權(quán)某計(jì)數(shù)制中,數(shù)位中數(shù)碼所代表數(shù)值的大小等于這數(shù)碼乘上一個(gè)固定的值,該值稱為位權(quán)的，如10，100，…

計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用二進(jìn)制數(shù)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)可按位權(quán)展開(kāi)成一個(gè)多項(xiàng)式，例如：

(11.101)2＝21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

十進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，以及十進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，可以二進(jìn)制數(shù)為媒介。即

十六進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)

二進(jìn)制數(shù)

八進(jìn)制數(shù)

(1)十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的基本方法：除2取余

例1.1

將117轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)結(jié)果為1110101，通常寫成(117)10＝(1110101)2

2.數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（2）十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)的基本方法：乘2取整例1.3

將十進(jìn)制小數(shù)0.6875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)方法：乘2取整

(0.6875)10=(0.1011)2例1.4

將十進(jìn)制數(shù)117.6875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)方法：將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換

(117.6875)10=(117)10+(0.6875)10=(1110101)2+(0.1011)2=(1110101.1011)2

(2)二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

“四位一并法”“一分為四”

例1.6

將二進(jìn)制數(shù)11001011.01011轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)

11001011.01011000 ↓↓ ↓↓ CB .58

因此(11001011.01011)2＝(CB.58)16