微型计算机系统原理及应用第五版周明德概述

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1、 微型计算机系统原理及应用主讲：杨万春 电话：13347320677 邮箱： 课程简介n本书以Intel系列芯片8086为样本重点介 绍了微机原理与接口技术。n介绍微机系统原理、微处理器结构n微处理器的指令系统n8086汇编语言程序设计nIA-32微处理器的工作方式、主存储器及 与cpu的接口、输入输出、中断及常用的 微机接口电路等先修课程数字电路本课程的内容涉及到软件和硬件的设 计。 后三章重点讲解硬件设计的相关理论知识 。在硬件设计 中，用到的基础知识是数字电路 ，如锁存器、缓冲器等。教学目的微机原理与接口技术是一门非常重要 的专业课，通过本课程的学习，能使学 生对微机原理及接口技术等有一

2、个较全 面的了解，并能掌握一定的应用技能。学好这门课为学习后续课程打下个良 好的基础，同时也为从事电子和计算机 等方面的工作奠定一定的基础。课程主要内容本课程的主要内容分两大部分，即汇编语言 程序设计和硬件接口电路设计。 要掌握汇编语言程序设计，就必须熟练掌握 以下内容：1.汇编语言程序设计n数制的表示方法及算术逻辑运算规则n微处理器的一般结构和寄存器组织n存储器的分段与物理地址的形成n8086/8088 CPU的寻址方式n8086/8088 CPU的指令系统2.硬件接口电路设计硬件接口电路设计包括存储器电路设计和输 入输出（I/O）接口电路设计。要掌握其设计 方法，就必须熟练掌握以下内容：n

3、8086/8088 CPU的引脚功能n系统总线结构和时序n存储器的分类及常用存储器芯片的引脚功能n输入输出的基本方法及常用接口芯片的使用方法n存储器与I/O地址的译码方法n中断的有关概念及中断的应用主要内容第一章 概述 第二章 IA-32结构微处理器 第三章 8086指令系统 第四章 汇编语言程序设计 第五章 处理器总线时序和系统总线 第六章 存储器 第七章 输入和输出 第八章 中断第九章 计数器和定时器 第十章 并行接口芯片 第十一章 串行通信及接口电路 第十二章 模数与数模转换 第十三章 IA-32微处理器的工作方式 第十四章 x86系列处理器的发展教学要求1、认真听讲 2、课后及时复习

4、3、在学习中遇到问题，及时提出交流欢迎大家进入微机原理学习 预祝大家学习愉快，顺利第 1章 概述本章讲述以下五部分的内容：n1.1 80x86系列的概要历史 n1.2 计算机基础 n1.3 计算机的硬件和软件 n1.4 微型计算机的结构n1.5 多媒体计算机第一节 介绍x86系列处理器的发展概史。 第二节 介绍计算机的基本原理和主要的概念及术语。 第三节 介绍什么是微型计算机的硬件和软件以及软 件的主要种类。 第四节 介绍微型计算机的内部和外部结构。 第五节 介绍多媒体计算机主要功能和组成。1.1 x86系列结构的概要历史n 1971年 Intel 4004n 70年代中期 Intel 808

5、0、8085n 80年代初 Intel 8086、8088n 从8086（8088）到80286、80386、80486 、奔腾（也称为80586）、奔腾MMX、奔腾 PRO（也称为80686）、奔腾、奔腾，直 至最新的奔腾 4，形成了IA（Intel Architecture）-32结构。 n1.Moore定律： “晶体管的大小将以指数速率变小， 而集成到芯片上的晶体管数目将23年【1824个月】翻 一番。”Gordon Moore，1965nIntel公司成立于1968年，格鲁夫（左）、 诺依斯（中）和摩尔（右） 。1.1.1 Intel 8086n1971年1月，Intel公司霍夫等人研

6、制成功世界 上第一 枚4位微处理器芯片Intel 4004，标志着 第一代微处理器问世，主频108KHz n1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二 代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片 运算速度比8008快10倍 nZilog公司于1976年对8080进行扩展,开发 出 Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自 动控制设备。直到今天，Z80仍然是8位处理器 的巅峰之作 早期微型计算机n1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I，4月1日 愚人节这天，成立了Apple计算

7、机公司 Intel 8086n1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理 器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位 寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的 晶体管 ，具有300个操作的指令集 nIntel 在1年之后,推出4.77MHz的8位微处理器 8088，准16位处理器nIBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用 8088 ，这也标志着x86架构和IBM PC 兼容电 脑的产生 Intel 8086Intel 8086n微处理器和微机时代从此开始 x86系 列结构的最新版本的发展能追溯到Intel 8086。在x86系列结构系统引进32位处 理器之前，是1

8、6位的处理器，包括8086 处理器和随后很快开发的80186与80286 。n80386是第一款32位处理器x86系列结构的最重要的成就之一是，从 1978开始的那些处理器上建立的目标程序仍能 在x86系列结构系列的最新的处理器上执行。 8086有16位寄存器和16位外部数据总线， 具有20位地址总线，可寻址1M字节地址空间 。Intel 8086n 1982年2月1日Intel成功研制出80286。 80286处理器集成了大约13.4万个晶体管 ，最大主频为20MHz，采用16位数据总 线和24位地址总线。n80286引进了保护方式，支持虚拟存储器 管理 Intel 8286Intel 80

9、386Intel 386处理器是x86系列结构系列 中的第一个32位处理器。它在结构中引入了32寄存器Intel 386处理器有32位地址总线，能 支持多至4G字节的物理存储器。32位结构同时支持分段的存储模式和“ 平面（flat）”存储模式。在“平面”存储模 式中，段寄存器指向相同地址，且每个 段中的所有4 G字节可寻址空间对于软件 程序员是可访问的。Intel 803861.1.3 80486Intel486处理器把Intel386处理器的指 令译码和执行单元扩展为五个流水线段 ，增加了更多的并行执行能力，以前执行一条指令至少要4个时钟周 期以上，Intel486处理器能在每个时钟周 期执

10、行一条指令。80486的一个重大改进是在x86系列处理器 的芯片中引入了缓存。在芯片上增加了一8K字 节的一级缓存（cache），大大增加了每个时 钟周期执行一条指令的百分比，包括操作数在 一级cache中的存储器访问指令。 Intel486处理器也是第一次把x87 FPU（浮 点处理单元）集成到处理器上并增加了新的引 脚、位和指令，以支持更复杂和更强有力的系 统（二级cache支持和多处理器支持）。804861.1.4 奔腾（Pentium）Intel奔腾（Pentium）处理器增加了第二个 执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流 水线u和v，一起工作能实现每个时钟执行两条 指令）。 芯片

11、上的一级cache也加倍了，8K字节用于 代码，另8K字节用于数据。1.1.5 P6系列处理器在1995年，Intel引入了P6系列处理器 。此处理器系列是基于新的超标量微结 构上的，它建立了新的性能标准。P6系 列微结构设计的主要目的之一是在仍使 用相同的0.6微米、四层金属BICMOS制 造过程的情况下使处理器的性能明显地 超过奔腾处理器，用与奔腾处理器同样 的制造过程要提高性能只能在微结构上 有实质上的改进。Intel Pentium Pro处理器是基于P6微 结构的第一个处理器。P6处理器系统随 后的成员是Intel Pentium II、Intel Pentium II Xeon（至

12、强）、Intel Celeron（赛扬）、Intel Pentium III和 Intel Pentium III Xeon（至强）处理器 。1.1.6 奔腾IIIntel Pentium II处理器把MMX技术（ 多媒体增强指令集）加至P6系列处理器 ，并具有新的包装和若干硬件增强。第 一级数据和指令caches每个扩展至16 K 字节，支持二级cache的尺寸为256 K字 节、512 K字节和1 M字节。1.1.7 奔腾IIIPentium III处理器引进流SIMD扩展（ SSE）（单指令多数据）至X86系列结构 ，允许同时在多个数据项操作一个微指 令 。SSE扩展把由Intel MM

13、X引进的SIMD 执行模式扩展为新的128位寄存器和能在 包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。1.1.8 Intel Pentium4处理器Intel Pentium 4处理器是2000年推出 的ia-32处理器，并是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。Intel NetBurst微结构是新的32bit微结构，它 允许处理器能在比以前的IA-32处理器更 高的时钟速度和性能等级上进行操作。 Intel Pentium 4处理器有以下高级特性：1.1.9 Intel 超线程处理器Intel公司于2002年推出了具有超线程 技术的IA-32列处理器。超线程（Hyper- Thr

14、eading HT）技术允许单个物理处理 器用共享的执行资源并发地执行两个或 多个分别的代码流（线程）。以提高X86 系列处理器执行多线程操作系统与应用 程序代码的性能。不像用两个或多个分别的IA-32物理 处理器的传统的MP系统配置，在支持HT 技术的IA-32处理器中的逻辑处理器共享 物理处理器的核心资源。这包括执行引 擎和系统总线接口。在上电和初始化以 后，每个逻辑处理器能独立地直接执行 规定的线程、中断或暂停。HT技术由在单个芯片上提供两个或多 个逻辑处理器支持在现代操作系统和高 性能应用程序中找到的进程与线程级并 行。以在每个时钟周期期间最大地使用 执行单元。而提高了处理器的性能。A

15、MD公司是x86系列处理器的另一重 要供应商。它于1969年成立。于1991年 推出了AM386系列，1993年推出了 AM486，1997年推出了AMD-K6（相当于 具有MMX技术的奔腾处理器），2001年 推出了AMD Athlon(速龙) MP 双处理器 ，2003年推出 AMD 速龙 64 FX处理器 ，具有64位的x86-64内核。1.2 计算机基础1.2.1 计算机的基本结构计算机自诞生以来，经历了4代。n 电子管n 半导体n 小规模集成电路n 超大规模集成电路等。计算机最早是作为运算工具出现的。 (1)它首先要有能进行运算的部件，称为运算器； (2)其次要有能记忆原始题目、原始

16、数据和中间结果 以及为了使机器能自动进行运算而编制的各种命 令的器件，这种器件就称为存储器； (3)再次，要有能代替人的控制作用的控制器，它能 根据事先给定的命令发出各种控制信息，使整个 计算过程能一步步地自动进行。 1.2 计算机基础1.2.1 计算机的基本结构(4) 但是光有运算器、控制器和存储器还 不够，原始的数据与命令要输入，所以需 要有输入设备；(5)而计算的结果(或中间过程)需要输出， 就要有输出设备。这样就构成了一个基本 的计算机系统。 在计算机中，基本上有两种信息在流动。一种 信息为数据，即各种原始数据、中间结果、程序 等。这些数据要由输入设备输入，存于存储器中 。人们给计算机的各种命令(即程序)，也以数据的 形式由输入设备存至存储器中。在运行时从存储 器中取出送入控制器，由控制器经过译码后变为 各种控制信号。这就是计算机中的另一种信息流 即控制命令，由控制器控制输入装置的启动或停