微机原理1

机电工程系微机原理与接口技术主讲：洪永强教授机电工程系第一章微型计算机概述1.1微型计算机的发展概况1.2微型计算机的基本结构1.3微型计算机系统1.4微型计算机的应用机电工程系1.1微型计算机的发展概况1.1.1微型计算机的发展历史1.1.2微型计算机的发展现状返回机电工程系1.1.1微型计算机的发展历史第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代第六代（1997至今）：加强型Pentium时代第七代：64位CPU时代机电工程系第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代典型产品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。特点:1.字长：4位或8位2.时钟频率：1MHz3.平均执行指令时间：15~20μs4.集成度：2000管/片机电工程系第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代Intel8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOSTechnology的6502等。特点:1.字长：8位2.时钟频率：2～4MHz3.平均执行指令时间：1～2μs4.集成度：5000～10000管/片机电工程系第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000特点:1.字长：16位2.时钟频率：5～40MHz3.平均执行指令时间：0.5μs4.集成度：20000～60000管/片机电工程系第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点:1.字长：32位2.时钟频率：10～120MHz3.平均执行指令时间：0.2μs4.集成度：几十万～上百万管/片机电工程系第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）时钟频率：60/66MHz运行速度：100MIPS集成度：310万管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro时钟频率：166MHz以上集成度：550万管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔腾）机电工程系第六代（1997至今）：加强型Pentium时代1997年到1999年，Intel公司的PentiumⅡ、PentiumⅢ、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2001年底，PentiumⅣ主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主频及2GHz主频。机电工程系第七代：64位CPU时代2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置2～4MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8机电工程系Intel的CPU的发展史intel4004，intel的发展史就是从这块cpu起步的机电工程系80088085机电工程系8086机电工程系80286，intel最后一块16位cpu机电工程系80386，intel第一代32位cpu486，这是intel最后一代以数字编号的cpu机电工程系pentium，传说中的586pentiumpropentiummmx机电工程系pentiumⅱceleron，引发超频热潮机电工程系pentiumⅲ_katmaipentiumⅲIntelpentiumⅲtualatin/coppermine机电工程系intelpentiumⅳ_423intelpentiumⅳ_478返回机电工程系微型化、网络化、智能化1.1.2微型计算机的发展现状超级流水线技术将流水线深度增加了一倍数据流单指令多数据扩展2(SSE2)指令集扩展MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和3D图形数据处理，网络流数据处理等采用了全新的一级（L1）指令高速缓存技术采用先进的400MHz系统总线具有双通道RDRAM，可实现更高性能返回机电工程系1.2微型计算机的基本结构1.2.1微型计算机的结构特点1.2.2微处理器1.2.3内存储器1.2.4输入输出设备和输入输出接口1.2.5总线返回机电工程系微型计算机结构框图由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成返回1.2.1微型计算机的结构特点机电工程系1.2.2微处理器微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（CentralProcessingUnit）,本身具有运算和控制功能控制器：负责全机的控制工作运算器：执行所有的算术和逻辑运算微处理器是微型计算机的核心，多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能.机电工程系CPU的功能：1.进行算术和逻辑运算2.能对指令进行译码并执行规定的动作3.可暂存少量数据4.提供整个系统所需要的定时和控制5.能和存储器、外设交换数据6.可以响应其他部件发来的中断请求机电工程系CPU在内部结构组成1.算术逻辑部件（ALU）处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算2.累加器和通用寄存器组用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址3.程序计数器（指令指针）指向下一条要取出的指令4.指令寄存器存放从存储器中取出的指令码5.译码器对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。6.时序和控制部件指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。机电工程系CPU的控制信号1.由CPU内部产生相应的控制信号：送到存储器、输入/输出接口电路和其他部件2.微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时候向CPU发出各种请求信号：如中断请求、总线、请求等。返回机电工程系1.2.3内存储器内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件,存放数据（包括原始数据，中间结果和最终结果）和程序机电工程系1.内存单元的地址和内容内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数：二进制有关的数据单位：位：1位二进制数据，计算机存储信息的基本单位字节:每8位组成一个字节字:16位双字:32位机电工程系一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容，每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为16进制，如下图所示：机电工程系1514131211109876543210高位字节低位字节字16位时，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址：两个字节单元构成一个字单元，字单元的地址采用它的低地址表示机电工程系字节34H12H1EH2FH0004H0005H1234H1235H(0004)=1234H(1234)=2F1EH((0004H))=2F1EH如用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容用（X）表示，假如X单元中存放着Y,则（X）=Y,而Y又是一个地址，则可用（Y）=((X))来表示Y单元的内容。如：机电工程系存储器地址与内容有关说明1.存储器以字节（8bit）为单位存储信息2.每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加13.地址也用二进制数表示（无符号整数，写成十六进制）4.地址是16位,可表示216=65536=64K个地址，即0000H－FFFFH5.字长16位，一个字要占用相继的两个字节6.低位字节存入低地址，高位字节存入高地址7.机器以偶地址访问（读/写）存储器8.字单元地址用它的低地址来表示机电工程系2.内存操作CPU对内存的操作有读、写两种：1.读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部2.写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来机电工程系3.内存分类按工作方式不同，内存可分为两大类：随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)RAM可以被CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器ROM中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入返回机电工程系1.2.4输入输出设备和输入输出接口输入输出设备是指微型计算机上配备的I/O设备，也称为外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微型计算机提供具体的输入/输出手段微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口(Interface)电路与主机系统相连。返回机电工程系1.2.5总线总线实际上由一组导线条上关电路组成，是各种公共信号线的集合，用作微机各部分之间传递信息所共同使用的“高速信息公路”。在CPU，存储器，I/O接口之间传输信息的总线称为“系统总线”。系统总线包括：数据总线，地址总线和控制总线。1.数据总线（databus,DB）•数据总线用来传输数据信息，是双向总线2.地址总线（addressbus,AB）•地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线3.控制总线（controlbus,CB）•控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。•其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但CB作为一个整体是双向的返回机电工程系1.3微型计算机系统1.3.1微型计算机系统的组成1.3.2微型计算机的主要性能指标1.3.3典型微型计算机的组成结构返回机电工程系1.3.1微型计算机系统的组成一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可：微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等机电工程系返回微型计算机系统的基本组成机电工程系1.3.2微型计算机的主要性能指标返回1.基本字长基本字长是指参与运算数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的2.主存容量一个主存储器所能存储的最大信息容量称为主存容量3.运算速度人们用计算机的主频——时钟频率来表示运算速度，以MHz或GHz为单位4.系统配置5.性能价格比机电工程系1.3.3典型微型计算机的组成结构Pentium系列处理器主处理器总线（3.3V或2.5VI/O,60～66MHz）第二级CacheCache（PBSRAM）标签CntlTagCntlTIO[7:0]82439TX(MTXC)DRAM接口(3.5V或5V)主存储器(DRAM)PCI总线（3.3V或5V,30/33MHz）ISA插槽PCI扩充连接器PCI插槽PCI插槽PCI总线（5V）82380FB(MPCI2)82380AB(MISA)ISA总线（5V）CD-ROM硬盘IDEUDMA/33通用串行总线(USB)ISA/EIO总线(兼容3.3V,5V)USB1USB2GP[I,O](30+)