微机原理与技术接口课件第一章

第一章微型计算机的系统结构与工作原理第一章微型计算机的系统结构与工作原理第一章概论第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.微型计算机的应用2.微型计算机的发展史3.微型计算机的组成4.微型计算机的特点第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.掌握微型计算机的概念和基本结构2.了解微型计算机的产生和发展过程3.把握微型计算机的发展方向第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.1微型计算机系统概述微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件的微处理器为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。第一章微型计算机的系统结构与工作原理一、微型计算机的发展概况①微型计算机诞生：1946年第一台计算机在美国问世以后，人们接触最多的是微型计算机，它诞生于20世纪70年代，其发展以微处理器的发展为主要标志。第一章微型计算机的系统结构与工作原理分代第一代年份字长芯片的集成度软件典型的芯片1971~19724/8位12000个管/片以上机器语言、简单汇编语言Intel4004Intel8008第二代1973~19778位汇编程序高级语言、(FORTRANPL/M等BASIC操作系统第三代1978~198316位汇编语言高级语言操作系统第四代PentiumPIIPIIIPIV1981~199232位第五代199332位9000个管/片以上29000个管/片以上15~50万个管/片以上Intel8080,8085MC6800Z-80Intel8086,8088MC68000Z-8000Intel80386,80486MC68020操作系统高级语言软件硬化操作系统高级语言软件硬化高达330万个管/片②微处理器的概念与发展第五代1995~2001Pentium58664位550万个管/片操作系统高级语言软件硬化第一章微型计算机的系统结构与工作原理二、微型计算机的特点和应用微型计算机除具有一般电子数字计算机的快速、精确和通用等许多优点外，还具有独自的特点：(1)体积小、重量轻、功耗低(2)可靠性高、对使用环境要求低(3)结构简单、设计灵活、适应性强(4)性能价格比高1.微型计算机特点第一章微型计算机的系统结构与工作原理2.微型计算机的应用领域科学计算过程控制信息处理人工智能网络通信计算机辅助技术第一章微型计算机的系统结构与工作原理三、微型计算机的分类1.按处理器同时处理数据的位数或字长分：4位机、8位机、16位机、32位机、64位机2.按结构类型分：单片微型机、单板微型机微型计算机第一章微型计算机的系统结构与工作原理3.按用途分：(1)个人计算机(PC机)(2)工作站／服务器(3)网络计算机(简称NC)2.按体积大小分：(1)台式机(又称桌上型)(2)便携式(又称可移动微机、笔记本型、膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)第一章微型计算机的系统结构与工作原理四、微型计算机的主要性能指标通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS)来描述。1.运算速度2.字长第一章微型计算机的系统结构与工作原理存储器分为内存储器和外存储器两类。内存储器也简称内存或主存，是CPU可以赶接访问的存储器，内存大小反映了计算机即时存储信息的能力；外存储器通常是指硬盘(包括内置硬盘和移动硬盘)。3.存储器的容量以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.2计算机的基础结构和工作原理现代计算机结构仍然是在冯·诺依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。一、计算机的基本结构第一章微型计算机的系统结构与工作原理输入设备运算器输出设备存储器控制器冯·诺依曼计算机的基本结构第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.一系列基本操作命令→程序二、计算机的工作原理2.“机器指令“的概念3.计算机的存储程序控制方式的工作原理：一是能存储程序，二是能自动执行程序。这一原理决定了人们使用计算机的主要方式——编写程序和执行程序。第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.3微型计算机系统结构微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统：构成计算机的实体。它包括微处理器、存储器、I/O接口、系统总线、外部设备和电源。软件系统：在计算机上运行的各种程序。它包括系统软件和应用软件。一、微型计算机的系统与系统的层次结构第一章微型计算机的系统结构与工作原理硬件系统：硬件微型计算机(单片、单板)电源外围设备微处理器存储器I/O接口系统总线算术逻辑单元控制器寄存器ROMRAMROMEPROME2PROMSRAMDRAM并行接口串行接口辅助接口数据总线地址总线控制总线外部设备I/O接口模拟量I/O接口开关量接口键盘、显示器、打印机外存储器软、硬磁盘光盘A/DD/A第一章微型计算机的系统结构与工作原理操作系统Dos,Windows,UNIX,LINUX语言处理程序TurboC数据库系统FoxPro、Oracle软件分类系统软件应用软件文字处理软件Wps、Word表格处理软件Excel辅助设计软件AutoCAD用户编制的实际程序软件系统：第一章微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机系统组小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如图所示运算器控制器寄存器RAMROMI/O端口I/O端口微型计算机系统微型计算机微处理器电源系统软件系统I/O设备I/O设备第一章微型计算机的系统结构与工作原理简介：1.微处理器(也称微处理机，Microprocessor)2.微型计算机(Microcomputer)3.微型计算机系统(MicrocomputerSystem)第一章微型计算机的系统结构与工作原理二、微型计算机的硬件结构微型计算机由微处理器、存储器、输入/输出接口构成，它们之间由系统总线连接。ROMCPURAMI/O接口外部设备电源时钟脉冲电路ABDBCB第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.微处理器整个微机的核心是微处理器(up,MPU)，也称CPU。它包含算术逻辑部件ALU、寄存器组及控制部件。ALU：算术运算、逻辑运算寄存器：存放操作数、中间结果、地址、标志等信息控制部件：整个机器控制中心，包括程序计数器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制信息产生电路。第一章微型计算机的系统结构与工作原理总线控制部件算术逻辑部件寄存器组MPUI/O接口电路ROMRAM外部设备存储器第一章微型计算机的系统结构与工作原理2.存储器微机的存储器分为：主存和辅存主存(内存)：用于存放当前正在运行的程序和正待处理数据。(CPU内部cache，主板上的内存,造价高，速度快，存储容量小)辅存(外存)：存放暂不运行的程序和输入处理的数据，(主机箱内或主机箱外，造价低，容量大，可长期保存，但速度慢)第一章微型计算机的系统结构与工作原理3.输入设备微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。第一章微型计算机的系统结构与工作原理4.输出设备微型计算机常用的输出设备有CRT显示器、打印机和绘图仪等。第一章微型计算机的系统结构与工作原理注意：由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能把它们简单地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的缓冲、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为“卡(Card)”，由卡的一侧引出连接外界的插座，另一侧做成插入端，只要将它们插入总线槽(I/O通道)就连到了系统总线。第一章微型计算机的系统结构与工作原理5.系统总线所谓“总线”，是指传递信息的一组公用导线。系统总线(SystemBus)是指从处理器子系统引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：数据总线：DB(DataBus)地址总线：AB(AddressBus)控制总线：CB(ControlBus)第一章微型计算机的系统结构与工作原理地址总线(AddressBus)：传送地址信息、CPU在AB总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口地址、该总线为单向，地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存单元范围。举例第一章微型计算机的系统结构与工作原理数据总线(DataBus)：传送数据信息的总线。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过DB总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过DB总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。第一章微型计算机的系统结构与工作原理控制总线(ControlBus)：传送控制信息的总线。其中，有些信号线将CPU的控制信号和状态信号送往外设，外设请求或联络信号送往CPU，个别信号线兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号，它们可能是输出、输入或者双向的。第一章微型计算机的系统结构与工作原理系统总线使用特点：(1)在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。(2)在连接系统的各个设备中，某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可以有多个设备从总线同时获得信号。第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.4微型计算机的基本数据类型内存单元的地址和内容简介：内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放一组二进数。在微机中规定每个内存单元可存放8位二进制数，即一个内存单元存放一个字节的内容，为了区分各个不同的内存单元，就给每个存储单元编上不同的号码，即内存地址。CPU要访问某个单元时，先要通过地址总线送出该单元的地址号。第一章微型计算机的系统结构与工作原理尽管存储器是按字节编址的，但实际操作中，一个操作数可以是字节、字、双字节、十字节等各种形式。1.字节：计算机的基本处理单位，一个字节由8位二进制位组成2.字：通常微机的字长有8位、16位、32位、64位，故其字数据的存放所占内存单元的个数也不一样3.双字：即2个字4.四字：好4个字的长度第一章微型计算机的系统结构与工作原理地址存放内容二进制表示十六进制表示00000H110000101100001000001HC2H18H………………0001001000008H12H0011010000001H34H01110000FFFFFH70H………………内存单元的地址和内容示意图第一章微型计算机的系统结构与工作原理PC(PersonalComputer)机：是面向个人单独使用的一类微机。当今的微机的许多指标，如存储容量、运行速度等已经赶上或超过了以前的小型机，可以满足各种不同的应用场合。第一章微型计算机的系统结构与工作原理是一种用于控制的微处理器芯片，其组成实际是由微型计算机的CPU、部分存储器和输入/输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。单片微型机(单片机)：常用于家用电器、智能化仪表、工业测量。第一章微型计算机的系统结构与工作原理单板微型机(单板机)：把微处器芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入/输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。常用于过程控制。第一章微型计算机的系统结构与工作原理冯·诺依曼思想：存储程序原理•用二进制表示数据和指令；•程序与数据事先存储在内存储器中；•运算器、存储器、控制器、输入与输出设备组成硬件系统，它是计算机连续工作的基础。1946年，冯·诺依曼提出EDVAC计算方案，体现了五部分的计算设计思想。第一章微型计算机的系统结构与工作原理表示存储器容量的最小单位为bit(二进制位)，表示存储器容量的基本单位为Byte(字节)。通常：一个单元为一个字节，字节可用B(即Byte的缩写)表示，且1Byte=8bit。存储器的容量用“K”表示，1K即为1024个单元。大容量单位为KB、MB、GB、TB。1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GBe.g.地址总线16位，内存容量为216