《《微机原理与接口》-耿恒山-电子教案 第1章 微型计算机及其体系结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微机原理与接口》-耿恒山-电子教案 第1章 微型计算机及其体系结构（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、微机原理与接口,中国水利水电出版社,21世纪高等院校计算机科学与技术规划教材,第1章 微型计算机及其体系结构,电子数字计算机是20世纪人类杰出的发明与贡献之一，尤其在20世纪70年代初期，微型计算机的出现为计算机的广泛应用开拓了极其广阔的前景，展示了它在科学技术领域中日益重要的地位。微型计算机技术日新月异地发展，使微型计算机的应用渗透到国民经济和社会生活的各个领域，并已转化成巨大的推动社会前进的生产力。 本章主要介绍微型计算机的发展及应用、分类、系统组成、工作过程和体系结构等基础知识，使读者对微型计算机技术获得一个概要的了解，并通过后面各章的学习，逐步掌握微型计算机的原理与接口技术。,1.1
2、微型计算机系统概述,1.1.1 微型计算机的发展及应用 微型计算机的发展是与微处理器的发展同步的。在短短的30年时间里，几乎每两年时间微处理器芯片的集成度就翻一番，每35年就要更新换代一次。各代的划分通常以MPU的字长和速度为主要依据。,第1章 微型计算机及其体系结构,本章主要介绍微型计算机的发展及应用、分类、系统组成、工作过程和体系结构等基础知识，使读者对微型计算机技术获得一个概要的了解，并通过后面各章的学习，逐步掌握微型计算机的原理与接口技术。,第一代（19711972）是4位和低档8位微型计算机，代表产品是美国Intel公司的4004微处理器芯片及由它组成的MCS微型计算机。 第二代（1
3、9731977）是中高档8位微型计算机，以Intel 8080和8085，Motorola公司的MC6800、美国Zilog公司的Z80等为CPU的微型机为典型代表。 第三代（19781984年）是16位微型计算机，如以8086/8088、Z8000和MC68000为CPU的微型机。1984年，Intel推出新一代16位微处理器80286，其集成度达到13.4万晶体管/片。,第四代（19851985年）是Intel公司推出的32位微处理器芯片80386，其集成度达到27.5万晶体管/片，每秒钟可完成500万个指令（MIPS）。从这时起，微型计算机步入第四个发展阶段。1989年，Intel发表8
4、0486芯片，其集成度达到120万晶体管/片；1993年发布奔腾（Pentium）芯片，集成度达到310万晶体管/片，速度达到90MIPS；1995年推出高能奔腾（Pentium Pro）芯片，集成度达到550万晶体管/片，内部还装进了包含256KB/512KB高速缓存（cache）的电路，运行速度达到300MIPS ；,1996年Intel将MMX（Multi Media extension）多媒体扩展技术用于Pentium，发布多能奔腾芯片（MMX Pentium）；1997年又将MMX多媒体技术用于Pentium Pro，发布Pentium芯片。继而，1999年2月Intel公司又推出P
5、entium III微处理器，直至2000年3月推出的Pentium 4高性能微处理器。,计算机的应用，归纳起来主要有这样几个方面： （1）科学计算与数据处理。在科学研究、工程设计和社会经济规划管理中，存在大量复杂的数学计算问题，如卫星轨道的计算、大型水坝的设计、航天测控数据的处理、中长期天气预报、地质勘探与地震预测、社会经济发展现划的制订等。 （2）生产与试验过程控制。在工农业、国防、交通等领域，利用计算机对生产和试验过程进行自动实时监测、控制和管理，可提高效率，提高质量，降低成本，缩短周期。 （3）自动化仪器、仪表及装置。在仪器、仪表及装置中使用微处理器或微型计算机，可明显增强功能，提高性
6、能，减小重量和体积。 （4）信息管理与办公自动化。现代企事业单位和政府、军队各部门要管理的内容，如财务管理、人事档案管理、情报资料管理、仓库材料管理、生产计划管理、信贷业务管理等。,（5）计算机辅助设计。在航空航天器结构设计、建筑工程设计、机械产品设计和大规模集成电路设计等复杂设计活动中，为了提高质量、缩短周期、提高自动化水平，目前普遍借助计算机进行设计，即计算机辅助设计（CAD）。 （6）计算机仿真。在对一些复杂的工程问题和复杂的工艺过程、运动过程、控制行为等进行研究时，在数学建模的基础上，用计算机仿真的方法对相关的理论、方法、算法和设计方案进行综合、分析和评估，可以节省大量的人力、物力和时
7、间。 （7）人工智能。人工智能是用计算机系统来模拟人类某些智能行为的新兴学科技术。 （8）文化、教育、娱乐和日用家电。计算机辅助教学（CAI）已成为国内外高等教育中一种重要的教学手段。,1.1.2 微型计算机的分类,常见的分类方法有以下4种： 按字长分：8位机，16位机，32位机和64位机等。 按用途分：工业过程控制机与数据处理机等。 按芯片型号分：286机，386机，486机与Pentium机等。 按组装形式分：单片机、单板机与多板微型计算机等。,（1）单片机：如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU，RAM，ROM及I/O接口电路）集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机，
8、则该微型机就称为单片微型计算机，简称单片机。 2）单板机：如果将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的输入、输出设备（如小键盘、数码显示器LED（发光二极管）装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。,（3）多板微型计算机：也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使用的微型计算机系统（如IBM PC/XT、PC/AT、PC386、PC484、Pentium系列个人计
9、算机等）就是用这种方式构成的。,1.2 微型计算机的系统组成,1.2.1 微型计算机的硬件系统 图1-1为典型的微型计算机硬件系统的构成框图，它由处理器子系统、系统总线、存储器、 I/O接口和I/O设备等组成。,图1-1 微型计算机的系统组成,1处理器子系统 整个微机的核心是微处理器（MPU），也称中央处理器（Central Processing Unit，CPU），它是采用大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储单元，即寄存器。CPU及其支持电路一道构成了微机系统的控制中心，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。,2存储器（Memory） 计算机是一个自动的数据
10、处理机，它靠机内存储的程序和数据来自动运行，存储器就是存放程序和数据的部件。 微机上的存储器分为“主存储器”和“辅助存储器”两类，当前它们主要由半导体存储器和磁盘、光盘存储器等分别构成。,3I/O设备和I/O接口 I/O设备是指微机上配备的输入输出设备，也称外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微机提供具体的输入输出手段。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；此外，系统还可选择鼠标器、打印机、绘图仪、扫描仪等I/O设备。作为外部存储器驱动装置的磁盘驱动器，既可看作是一个输出设备，又可看作是一个输入设备。,由于各种外设的工作速度、驱动方法差别很大，无法与CPU直
11、接匹配，所以不可能将它们简单地连接到系统总线，需要有一个接口电路来充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路来完成信号变换、数据缓冲、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都被放在电路插板上，这种电路插板又被称为“卡”，由卡的一侧引出连接外设的插座，另一侧做成插入端，只要将它们插入总线插槽（I/O通道）就等于将它们连到了系统总线。,4系统总线（System Bus） 所谓“总线”，是指传递信息的一组公用总线。系统总线可分为3组： （1）传送地址信息的总线称“地址总线”，即AB。 （2）传送数据信息的总线称“数据总线”，即DB。 （3）传送控制信息的总线称“控制总线”，即CB。
12、在一个系统中，除了CPU有控制使用总线的能力外，DMA控制器和协处理器等一些设备也有控制和使用总线的能力，它们被称为“总线主控设备”或“总线请求设备”；而连在总线上的存储器和I/O设备是被访问和控制的对象，它们被称为“总线被控设备”。,1.2.2 微型计算机的软件系统,微机的软件系统由系统软件、应用软件和支撑软件组成。 1系统软件 系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序以及为提高机器效率而设计的各种程序。在系统软件中，最重要的软件当属操作系统，即OS（Operating System），所有的应用程序，包括系统软件中的一些程序，都要在操作系统构筑的平台上运行。,操
13、作系统的基本功能是： （1）负责管理、调度整个系统的软硬件资源，包括：CPU、存储器、各I/O设备等硬件资源，以及文件、目录、进程、任务等软件资源。 （2）向用户提供最基本的交互界面，以方便用户的使用、提高系统的工作效率。当前，新型操作系统还向用户提供了更多可资利用的软件资源，如各种实用程序和函数库等。,2应用软件 用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些程序就称为应用软件。应用软件也可以逐步标准化、模块化、逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合，称为软件包。,3支撑软件 支撑软件又称支持软件，如数据库管理系统等。随着计算机硬件和软件的发展，计算机
14、在信息处理、情报检索以及各种管理系统中的应用越来越普及和发展。这些都要大量地处理某些数据，检索和建立大量的各种表格。这些数据和表格应按一定规律组织起来，使得检索更迅速，处理更方便，也更便于用户使用，于是就建立了数据库。为了便于用户根据需要建立自己的数据库，询问、显示、修改数据库的内容，输出打印各种表格等，这就建立了数据库管理系统（Data Base Management System）等支撑软件。,1.3 微型计算机的工作过程,为了了解微机的工作过程，讨论一个简单的程序，例如计算机如何计算“5+6=?”。为此在启动计算机并让它进行计算之前，必须做如下工作： （1）用助记符号指令编写程序（汇编语
15、言）。 （2）由于机器不能识别助记符号，需要翻译（汇编）成机器语言指令。 （3）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。,表1-1 “5+6”的计算机汇编程序,指令名称 助记符号 机器码（二进制） （十六进制） 功能 立即数送累加器 MOV A,05 10110000 B0H 把05送入累加器 00000101 05H 加立即数 ADD A,06 00000100 04H 06与A中的内容 0000011006H 00000110 06H 相加并存入A 暂停 HLT 11110100 F4H 停止所有操作,程序如表1-1所示。 整个程序一共3条指令，5个字节，假设存放在00H开始的5个单元中
16、。计算机执行程序一条指令一条指令地执行。执行一条指令分两个阶段，即取指令阶段和执行指令阶段。执行程序时，必须先给程序计数器PC赋予第一条指令的地址00H，然后进入第一条指令的取指阶段。,1取指令阶段的执行过程 （1）将程序计数器PC的内容（00H）送至地址寄存器AR，记为PCAR。 （2）程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令做准备，记为PC+1PC。 （3）地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00号单元，记为ARM。 （4）CPU发出“读”命令。,（5）所选中的00号单元的内容B0H读至数据总线DB，记为（B0H）DB。 （6）经数据总线DB，将读出的B0H送至数据寄存器DR，记为DBDR。 （7）数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR，经过译码，控制逻辑发出执行该条指令的一系列信号，记为DRIR，IRID，IDPLA。经过译码CPU“识别”出这个操作码就是“MOV
