微型计算机原理与接口技术第1章..

微型计算机原理与接口技术物理与电子科学学院岳伟伟[e-mail]1教材微型计算机原理与接口技术周荷琴吴秀清编著中国科技大学出版社2成绩评定期中考试成绩（20%）+平时作业、出勤成绩（20%）+期末考试成绩（60%）第一章绪论1-1微型计算机的发展概况1-2微型计算机的应用1-3微型计算机系统1-4计算机中数据的表示和编码1-1微型计算机的发展概况1971年，美国Intel公司研究并制造了4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。第一代4位和低档8位机Intel4004第二代中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800第三代16位机Intel8086、Z8000、MC68010第四代32位机80386、80486第五代64位机IntelPentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1983-1992）（1993后）特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。几个概念：1、晶体管：基于半导体，模电，数电2、微处理器3、时钟频率，指令执行时间4、寻址：8位，32位，64位等5、存储器6、总线：地址总线，数据总线，控制总线微机概念：以大规模、超大规模集成电路构成的微处理器作为核心，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。划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。1-2微型计算机的应用1、科学计算和科学研究计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。2、数据处理（信息处理）主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。3、工业控制4、计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。5、人工智能人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。1-3微型计算机系统一、微型计算机二、微型计算机系统三、I/O设备和I/O接口四、总线五、单片机、单板机、PC机一、微型计算机冯.诺依曼结构一、微型计算机ABDBCBCPU存储器I/O接口外设（微型计算机组成框图）1、中央处理器的组成中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。功能：（1）对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。（2）暂时存放参与运算的数据和中间结果。ALU数据寄存器1#数据寄存器2#存储器外设控制器控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。（1）程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。（2）指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。（3）指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。（4）时序信号发生器：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器运算寄存器ALU标志执行部分控制电路123456CSDSSSESIP内部寄存器I/O控制电路地址加法器20位16位8位指令队列缓冲器外总线执行部件总线接口部件8086CPU结构图微处理器2存储器功能：存放程序和数据。存储器内存（主存）外存（辅存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM软盘、硬盘、光盘主存储器和辅助存储器存储器分为两大类：主存储器（主存、内存）和辅助存储器（辅存、外存）。①、主存主存储器也称为内存储器（简称内存），它直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，即当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从主存中取出的，处理的结果则存放入主存中。计算机的主存由半导体器件（超大规模集成电路）构成。整个主存被划分成许多个存储单元（每个单元具有相同的二进制位长度），区分各单元的方式是以一个不同的编号来标识每一个单元，这个编号称为地址。1234……目前主存常用两类存储器器件：RAM和ROM。RAM（RandomAccessMemory），即随机存取存储器，其内容既允许存入（写）也允许取出（读），使用方便灵活，其缺点是切断机器电源时RAM中的信息会丢失。ROM（ReadOnlyMemory），即只读存储器，其中存储的内容只能供反复读出，而不能重新写入，因此在ROM中存放的是固定不变的程序与数据，其优点是切断机器供电电源后，ROM中的信息仍然保留，不会改变（称为非易失性存储器）。(例BIOS)②、辅存计算机的辅存（外存）具有相当大的存储容量（几十MB～几十GB）。主要采用磁表面存储器和光盘存储器等设备组成。磁表面存储器还可分为磁盘和磁带两大类（软磁盘、硬盘）。所有外存（辅存）的存储介质（盘片或磁带）都必须通过机电装置才能进行信息的存取操作，这些机电装置称为驱动器，例如软盘驱动器（软盘片插在其中读/写）、硬盘驱动器、磁带驱动器（磁带装在其中读/写）和光盘驱动器（光盘片放在其中工作）等。③寄存器阵列包括一组通用寄存器组和专用寄存器。通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等存储器的层次结构ALU寄存器Cache寄存器主存储器（DRAM）辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）后援存储器（磁带库、光盘库）输入/输出设备简称I/O（Input/Output）设备,用于计算机与外界进行通信。输入设备是指能向计算机系统输入信息的设备。如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备一般是指能从计算机系统中输出人可直接识别的信息的设备。如显示器、绘图仪等。所有输入/输出设备和外存储器的操作，是由程序中的输入/输出指令或输入/输出语句统一控制的。凡是从外部设备读出数据向内存写入的操作均称为输入操作；反之，凡是从内存读出数据送到外部设备的均称为输出操作。3、I/O设备和I/O接口I/O接口的功能及其组成（1）速度的不匹配。（2）信息格式的不匹配。（3)信息类型与信号电平的不匹配。（4）时序的不匹配。微处理机通过接口与外设交换信息微处理机接口电路外部设备（1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。I/O设备输入设备输出设备键盘鼠标扫描仪、数码相机显示器打印机绘图仪显示器（2）、I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入/输出。网卡：完成网络数据的转换。扫描卡：连接扫描仪到计算机。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。USB接口：通用串行接口。PⅢ微型计算机典型系统主板结构图4、总线总线（BUS）是连接计算机中CPU、内存、辅存、各种输入/输出控制部件的一组物理信号线及其相关的控制电路。它是计算机中用于在各部件间运载信息的公共线路。总线分为内部总线、元件级总线、系统总线和外部总线。内部总线通常是指在CPU内部各组成部分相互之间交换信息用的总线。系统总线则指的是CPU、存储器与各类I/O设备之间相互交换信息的总线。日常所说的总线一般都指系统总线。外部总线：是微机系统相互之间或微机系统与其他电子系统之间实现通讯连接的总线。总线按其传输的信号分为：（元件级总线）1．数据总线DB（DataBus）数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的。2．地址总线AB（AddressBus）地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号。该总线为单向总线。16条地址线可访问216=64KB。20条地址线可访问220=1MB。1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB3．控制总线CB（ControlBus）控制总线是连接CPU的控制部件和内存、I/O设备等，用来控制内存和I/O设备的全部工作。控制总线的方向：一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号(DMA)、状态信号。总线的使用特点：1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。3、通过总线插槽与接口板连接。微机系统结构示意图数据总线（DB）控制部线（CB）地址总线（AB）中央处理器CPU内存储器I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备常见微机系统总线主要参数表ISA总线PC机问世以来，最先推出的系统总线是PCXT总线，该总线是早期PCXT机的系统总线，共有62根信号线，其中数据线有8位（简称8位总线），地址线有20位，还有若干控制信号线。80286问世之后，这种总线在内存寻址和数据位宽上不能适应286系统的要求，因此，一种新的16位系统总线PCAT总线（即ISA总线）应运而生，它是一种性能更好些的16位总线，直到现在还在使用。(工控板）ISA总线的功能数据线16位；地址线24位，支持16MB存储器的寻址能力；硬中断11级（IRQ3～IRQ7，IRQ9，IRQ10～IRQ12，IRQ14～IRQ15），DMA通道扩充到7个（DERQ1～DERQ2，DERQO，DERO5～DERO7）PC/ATISA总线的微机系统结构PCAT/ISA总线系统结构CPU局部总线SIMMS8位总线后备电池8个8位XT插槽ISA总线PC/AT或ISA插槽6个16位AT/ISA扩展槽主存DRAM4~768MB64K~128KROMBIOSCPU80486PCAT/ISA核心逻辑芯片组内含：7个DMA通道15级中断时间/计数器总线缓冲器扩展总线控制器DRAM与L2Cache控制器L2Cache128K~512K8042MPUKBD/Mous控制器实时时钟/日历CMOSRAMISA总线的发展工业标准体系结构（IndustryStandardArchitecture。ISA）总线扩展工业标准体系结构（ExtendedIndustryStandardArchitecture，EISA）总线微通道结构（MicroChannelArchitecture；MCA）总线标准视频电气标准协会（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA）局部总线标准外部设备互连（PeripheralComponentInterconnect，PCI）局部总线标准局部总线在个人计算机中，局部总线原来是指微处理器周围的接口，它开始于微处理器引脚，并接到微处理器附近的某些专用芯片，从而形成一个局部范围的总线，它是一种与微处理器接口的公用接口线。PCI总线PCI是一种性能优异的局部总线，其数据位宽为32位，可以扩展到64位以适配奔腾处理器，当其运行时钟为33MHz时，数据传输速率可达132MB/S，而位宽为64位时，最大数据传输速率可达264MB/S。PCI总线概况PCI总线是通过PCI桥（PCI控制器）与CPU局部总线相连。PCI总线位宽为32位或64位，数据传送速率很高，具有PCI总线的系统仍然可以支持ISA总线