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1、微型计算机原理 及接口技术,兰州理工大学 电信工程学院,微型计算机原理及接口技术,课程性质及教学目的 微型计算机原理与接口技术是工科本科一门重要的专业技术基础课程。 本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用汇编语言进行程序设计；树立起计算机体系结构的基本概念；掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机概念，具备初步开发微机系统软、硬件的能力。,课程简介及要求,微型计算机原理及接口技术,课程简介及要求,课程特点: 理论与实际联系非常紧密的课程, 课程内容更新极快。 内容多，学时少，进度快，难度大，应用广。,微型计算机原理及接口技术,课程简介及要求,抓住教
2、学过程中的3个环节 上课时要主动参与、发现、探究 将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具 ，主动参与、发现、探究； 课堂上会布置自学内容，通过自学从而培养自学的能力； 独立完成作业 同学之间相互交流，一起讨论，但一定要独立完成作业；,微型计算机原理及接口技术,课程简介及要求,实验课前要预习，写出预习报告，做到心中有数，有的放矢； 实验课后，要写实验报告，总结经验和教训；提高自己分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。 收获与时间成正比 本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。 只能采用解剖麻雀方法，教师在这里只起到抛砖引玉的作用。 因此同学们学习过程中，要花时间去学习、思
3、索、实践。 有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际系统，解决实际问题。 收获与时间成正比, 花时间越多，收获将越大 。,第一章 微型计算机概论,1第一台电子计算机 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）。 重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。 ENIAC的不足：运算速度慢、存储
4、容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。,1.1 微型计算机概述,1.1.1 计算机的发展,2冯诺依曼结构计算机 1946年6月，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Johe Von Neumman）提出了“存储程序”的计算机设计方案。其特点是： 采用二进制数形式表示数据和计算机指令。 指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。 由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。 工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机。 冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里
5、程碑。,冯诺依曼计算机结构,原始数据和指令,计算结果,计算机的基本结构框图,冯诺依曼计算机结构,数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制。,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。,控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据指令，选择不同的动作流程。,微处理器包括运算器和控制器。以其为核心，通过地址(AB)、数据(DB)、控制(CB)三总线连接存储器、输入/输出接口，进而输入设备和输出设备。,1.1.2 微型计算机的分类及主要性能指标,1.
6、微型计算机的分类,(1) 按照CPU的字长来分类 有4位、8位、16位、32位、64位微型计算机等。 (2) 按照微处理器器件的工艺来分类 可分成MOS工艺、双极型TTL工艺的微处理器。 (3) 按照微型计算机的利用形态来分类 有单片机、单板机、位片机、微机系统等。,(4) 按计算机的用途分类,个人计算机：面向个人或家庭使用的低档微型计算机。 工作站：介于PC机和小型机之间的高档微型机。 小型计算机：结构简单、成本较低、易维护和使用。其规模和设置可以满足一个中小型部门的工作需要。 主机：具有大容量存储器，多种类型的I/O通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模和配置可以满足一个大
7、中型部门的工作需要。 小巨型计算机：也称为桌上型超级计算机。最大的特点是价格便宜，并且具有较好的性能价格比。 巨型计算机：也称为超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域。,2. 微型计算机的性能指标介绍,位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。 字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。 字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。 字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。 主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。 访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。 指令数：构成微型计算机的操作命令数。
8、 基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。 可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。 兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。 性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。,微机系统的主要性能指标,字长 计算机内部一次可处理的二进制数的位数。取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快。,运算速度 常用平均运算速度MIPS(Millions of Instruction Per Second)和CPU的主频表示。 主频：微处理器运行的时钟频率。外频：微处理器外部总线的频率。早期微
9、处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数。,微机系统的主要性能指标,存储器容量：内存和外存，通常以字节为单位。 内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量(内存条容量)。 外存：硬盘容量。 1K=210=1024；1M=220=1024K；1G=230=1024M；1T=240=1024G,外设扩展能力 计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。,1.1.3 微型计算机的发展,1按逻辑部件化分的计算机发展阶段,按电子部件的演变经历了四代： （1）第一代（1946年 - 1958年）：电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容
10、量小。 （2）第二代（1959年 - 1964年）：晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提 高，运算速度可达每秒百万次。 （3）第三代（1965年 - 1970年）：中小规模集成电路计算机 特点：存储容量1 - 4兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。,（4）第四代（1971年-）：大规模和超大规模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一
11、代计算机有较大突破。,（1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年 - 1980年） 采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。 （2）微型计算机阶段（1981年 - 1990年） 微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。 （3）计算机网络阶段（1991年至今） 计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共享。,2按计算机应用划分的计算机发展阶段,3. 按微处理器的产生和发展,按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变: 第一代（1971年1973
12、年）：4位和8位低档微处理器； 第二代（1974年1978年）：8位中高档微处理器； 第三代（1978年1980年）：16位微处理器； 第四代（1981年1992年）：32位微处理器； 第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理器。,将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路等芯片构成的。,微处理器的发展,CPU性能每18个月增加一倍 晶体管数目每两年增加一倍,后面是什么?,Itanium 733/800MHz IA-64架构,McKinley IA-6
13、4架构,Madison IA-64架构,Deerfield IA-64架构,Pentium ,Pentium MMX,Pentium Pro,80486DX2,80386DX,80286,8086,摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍,摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍,朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展。 当前开发和研究的热点是多媒体计算机。 未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。 今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术。 非冯诺依曼型体系结构的计算机是提高现代计算机性能的另一个研究焦点。,4未来计算机的发展趋势,神经网络计算机：建立在人工神经网络研究的基础上，从内部基本结
14、构来模拟人脑的神经系统。用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，并利用神经元节点的分布式存储和相互关联来模拟人脑的活动。 生物计算机：使用由生物工程技术产生的蛋白分子为材料的“生物芯片”，不仅具有巨大的存储能力，而且能以波的形式传播信息。由于它具备生物体的某些机能，所以更易于模拟人脑的机制。 光子计算机：用光子代替电子，用光互连代替导线互连，用光硬件代替电子硬件，用光运算代替电子运算。,5新型计算机,1.2 计算机的基本结构,1.2.1 计算机的基本结构,各部分的主要功能： （1）输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。 （2）输出设备：用来输出计算机的处理结果及程
15、序清单。如显示器和打印机。 （3）存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。 （4）运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU（Arithmetic and Logic Unit）。 （5）控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。 计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。,1.2.2 计算机的工作原理,1存储程序原理 把事
16、先编制好的由计算机指令组成的程序存放到存储器内，计算机在运算时依次取出指令，根据指令的功能进行相应的运算，这就是存储程序原理。 2程序的自动执行 程序在执行前先装入内存储器，CPU负责从内存中逐条取出指令，分析识别指令，最后执行指令，从而完成一条指令的执行周期。 程序的执行流程： 取指令 分析指令 执行指令。,1.2.3 微型计算机系统的组成,微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 ：,1. 微型计算机系统的一般结构,硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。 硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。 软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。 软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。 计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作 。,1.2.4 微型计算机的硬件结构,微型计算机（Micro Computer）是计算
