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1、第1章 微型计算机系统导论 22 七月 20241第1章 微型计算机系统导论 1.1引言引言1.2计算机的发展概况计算机的发展概况1.3微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.4微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统1.5微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202421.1 引 言计算机本身你知多少计算机本身你知多少?字长字长内存容量内存容量CPU速度速度串串并行口并行口USB接口接口第1章 微型计算机系统导论 22 七月 20243第1章 微型计算机系统导论 22 七月 20244n基于上述的事实，我们再重新思考一下“什么是计算机？”、“什么是P
2、C机？”n计算机：是用来计算的仪器，尤指可进行高速数学或逻辑运算或汇编、存储、整理或处理信息的可编程的电子机器。 nPC机（Personal Computer）：是指面向个人用户而设计的没有个性的通用计算机。“计算机计算机”与与“PC机（个人计算机）概念上的区别机（个人计算机）概念上的区别 第1章 微型计算机系统导论 22 七月 20245计算机应用你又知多少计算机应用你又知多少?1、科学计算：复杂方程、微积分方程、科学计算：复杂方程、微积分方程-天气预报天气预报2、数据处理：地震勘探，科技情报及图书管管理、数据处理：地震勘探，科技情报及图书管管理3、计算机辅助设计与制造：、计算机辅助设计与制
3、造：CAD、CAE、CAI4、资源共享：网络、资源共享：网络5、过程控制：实时性（速度快）的要求很高。、过程控制：实时性（速度快）的要求很高。1.1 引 言第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202461.1 引 言过程控制你又知多少过程控制你又知多少?过程控制又称为自动化控制、智能控制等，主要有：过程控制又称为自动化控制、智能控制等，主要有：1、生产过程生产过程：广泛应用于工厂、企事业单位（如轧钢厂、炼油广泛应用于工厂、企事业单位（如轧钢厂、炼油厂、发射机等现代化设备）中，是人类改造自然的主要、有力厂、发射机等现代化设备）中，是人类改造自然的主要、有力工具。工具。2、仪器仪表仪器仪表：数
4、字万用表、频率计、频谱仪等等。：数字万用表、频率计、频谱仪等等。3、民用工业民用工业：显示屏、空调、电视、豆浆机等等。：显示屏、空调、电视、豆浆机等等。4、军事方面军事方面：单片机、嵌入式系统：单片机、嵌入式系统广泛应用于工厂、企事业单位中，是人类改造自然的主要、广泛应用于工厂、企事业单位中，是人类改造自然的主要、有力工具。有力工具。本课程软件、硬件知识相结合，对后续课程、毕业设计和今本课程软件、硬件知识相结合，对后续课程、毕业设计和今后工作都具有重要的意义。后工作都具有重要的意义。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202471.1 引 言-学习本课程的意义1、本课程知识与其他计算机知识
5、的区别、本课程知识与其他计算机知识的区别 其他计算机知识侧重于计算机的应用，计算机作为其他计算机知识侧重于计算机的应用，计算机作为工具工具。本本课课程程侧侧重重于于对对计计算算机机工工作作原原理理的的学学习习，面面向向机机器器，计计算算机机本本身身是是应应用用的的一一个个重重要要组组成成部部分分，如如工工业业控控制制(上上位位机机下下位位机机)等。等。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202482、汇编语言与其他高级编程语言的区别、汇编语言与其他高级编程语言的区别（1）、高级语言是面向用户的，而汇编语言是面向机器的。）、高级语言是面向用户的，而汇编语言是面向机器的。（2）、与其他高级编程
6、语言相比汇编语言实时性、现场性强。）、与其他高级编程语言相比汇编语言实时性、现场性强。（3）、汇编程序占用内存空间少，执行速度快。但开发时间）、汇编程序占用内存空间少，执行速度快。但开发时间较多，出错的可能性大。较多，出错的可能性大。（4）、某些控制（如专用的输入）、某些控制（如专用的输入/输出设备与计算机的连接和输出设备与计算机的连接和编控制（接口），高级语言是不能胜任的。编控制（接口），高级语言是不能胜任的。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202491.1 引 言-学习汇编语言的意义n学习汇编语言，我们能够感知计算机的运行过程和原理，从而能够对计算机硬件和应用程序之间的联系和交互形
7、成一个清晰的认识。n汇编语言是计算机其它语言的基础。之所以说汇编重要，其一个重要的原因就是，汇编语言能够让你更好的理解高级语言，尤其是高级语言中的C语言。如指针的概念，编译原理等。 n汇编语言的应用。直接控制计算机硬件部件，可以编写在“时间”和“空间”两方面最有效的程序。即在实时性和存储空间方面具有很大的优势。输入输出设备与计算机的编程控制。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202410 1.2 计算机的发展概况 1.2.1 计算机的发展概况l计算机诞生背景计算机诞生背景:第二次世界大战第二次世界大战l计算机产生时间计算机产生时间:1946年年2月月15日日l第一台计算机的名字第一台计算
8、机的名字:ENIAC(埃历阿克埃历阿克) l特点：庞大特点：庞大笨重笨重第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202411ENIAC描述描述第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202412计算机分类n计算机按性能价格、体积不同可分为六类：1、巨型机：主要用于模拟核武器的爆炸、巨型机：主要用于模拟核武器的爆炸2、大型机：、大型机：3、中型机：较大型科研单位，省计算中心、中型机：较大型科研单位，省计算中心4、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替）、小型机：（以前，中小网络的主机，现一般用微机代替）5、微机（、微机（PC机）机）6、单片机、单片机第1章 微型计算机系统导论 22 七
9、月 202413计算机发展年代划分依据n第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以“万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。n 计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征： 硬件特征是指计算机采用的物理器件 软件特征是指计算机使用的软件环境第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202414计算机己发展了四代n第一代第一代:电子管计算机电子管计算机(机器语言、汇编语言机器语言、汇编语言)n第二代第二代:晶体管计算机（晶体管计算机（ BASIC、FORTRAN）n第三代第三代:集成电路计算机（集成电路计算机（FORTRAN、分时、分时、 多用户操作系统多用户
10、操作系统）n第四代第四代:大规模、超大规模集成电路计算机大规模、超大规模集成电路计算机 （软件工程、数据库（软件工程、数据库）第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202415计算机走向新时代 计算机的发展方向:n第五代：非冯.诺依曼计算机时代n第六代：神经计算机时代 光计算机时代 生物计算机时代第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024161.2.2 微型计算机的发展n微型计算机属于第四代计算机n微型计算机诞生于20世纪70年代n微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方面、软件丰富n微型计算机核心是微处理器（CPU）n每出现一个新的处理器就会出现新一代的微型
11、计算机第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202417第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202418第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202419第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202420第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024212005年年第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202422微型计算机技术的发展趋势微型计算机技术的发展趋势 1. 多级流水线结构 2. 芯片上存储管理技术 3. 虚拟存储技术 4. 并行处理的哈佛结构 5. RISC结构 6. 整片集成技术第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202423微型计算机发展趋势（1）1、中央处理
12、器n更小的布线宽度和更多的晶体管 减少布线宽度是提升CPU速度的关键，0.18微米技术、 0.13微米技术 、0.07微米技术、 65纳米技术.届时CPU主频将达到5GHZ ,晶体管数量将达到2亿个. n更高的总线宽度，超过2GHZn64位CPU成为主流n双核或多核将成为发展的趋势第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202424微型计算机发展趋势（2）2、系统存储器n CPU集成更大的高速二级缓存n 内存容量更大 速度更快n 硬盘容量也更大 速度更快n DVD-RAM普及第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202425微型计算机发展趋势（3）3、多媒体系统n 显卡的性能更高n 图形技术
13、进一步发展n 大尺寸显示器成为主流n 数字式音箱占领市场第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202426微型计算机发展趋势（4）4、网络n 电信网、计算机网（IP网）和广播电视网将 进一步融合n 更高速率宽带n 无线接入 5、整机n 更加趋于个性化。利用蓝牙技术或红外无线技术将减少机箱背后的连线，使主机与外设进行无线通信。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024271.3 微型计算机硬件系统图1.1 微型计算机系统的组成硬件微型机系统外围设备过程控制I/O通道A/D,D/A转换器开关量等外部设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备 软驱、硬盘及磁带等外存储器主 机输入输出(
14、I/O)接口电路微处理器(CPU)运算器(算术逻辑运算单元ALU)控制器(控制单元CU)寄存器阵列(RA)内存储器RAM, ROM, EPROMEEPROM, Cash等系统软件软件用户（应用）软件第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024281.3.1基于总线的微型计算机硬件系统基于总线的微型计算机硬件系统到到目目前前为为止止，计计算算机机仍仍沿沿用用1940年年由由冯冯.诺诺依依曼曼（冯冯诺诺依依曼曼是是美美籍籍匈匈牙牙利利数数学学家家，他他提提出出了了关关于于计计算算机机组组成成和和工工作作方方式式的的基基本本设设想想，冯冯诺诺依依曼曼设设计计思思想想最最重重要要之之处处在在于于明
15、明确确地地提提出出了了“程程序序存存储储、顺顺序序控控制制”的的概概念念）首首先先提提出出的的体体系系结结构构。其其基基本设计思想为：本设计思想为：以二进制形式表示指令和数据。以二进制形式表示指令和数据。程程序序和和数数据据事事先先存存放放在在存存储储器器中中，计计算算机机在在工工作作时时能能够够高速地从存储器中取出指令加以执行。高速地从存储器中取出指令加以执行。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。大部件组成计算机系统。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202429冯冯诺依曼体系和哈佛体系区别？诺依曼体系和
16、哈佛体系区别？一、冯一、冯诺依曼体系：程序存储器和数据存储器不分开诺依曼体系：程序存储器和数据存储器不分开,共用一存储设备。如个人电脑等。共用一存储设备。如个人电脑等。二、哈佛体系：程序存储器和数据存储器分开二、哈佛体系：程序存储器和数据存储器分开,两者相互两者相互独立。如独立。如MCS-51单片机和嵌入式系统等。单片机和嵌入式系统等。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202430图1.3 微型计算机硬件系统结构 地址总线地址总线AB定时电路定时电路输入设备输入设备输出设备输出设备I/O接口接口ROMRAM数据总线数据总线DB控制总线控制总线CB微微处处理理器器(CPU)第1章 微型计算
17、机系统导论 22 七月 202431 所谓总总线线，是计算机中各功能部件间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部分。按在系统中的不同位置，总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。所有的信息都通过总线传送。 为什么要采用总线为什么要采用总线?Cn2=n(n-1)/2(条)n+1(条)第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202432根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为三类：地址总线地址总线AB(Address Bus)：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送由
18、CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。数数据据总总线线DB(Data Bus)：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。控制总线控制总线CB(Control Bus)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的，图1.3中CB作为一个整体，用双向表示。 第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024331.3.2 微处理器 （8位）外部外部DB微处理器微处理器(CPU)AARPLAPC
19、标志寄存器标志寄存器IDIRDRRA至外部至外部CB外部外部AB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H存储器存储器地址地址单元内容单元内容ALU图图1.4微处理器结构微处理器结构内内部部数数据据总总线线DB第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202434微处理器的组成n运算器(ALU)：进行算术、逻辑、移位运算。n控制器(CU)：全机的指挥中心。n指令寄存器IR n指令译码器IDn可编程逻辑阵列PLAn内部寄存器(R)n程序计数器PCn地址寄存器ARn数据缓冲寄存器DRn累加器An标志寄存器FLAGSn寄存器阵列RA第1章 微型计算机系统导论 22
20、 七月 2024351.3.3存储器存储器这这里里介介绍绍的的存存储储器器是是指指内内存存储储器器（又又称称为为主主存存或或内内存存）。它它是是微微型型计计算算机机的的存存储储和和记记忆忆装装置置，用用来来存存放放指指令令、原原始始数数据据、中间结果和最终结果。中间结果和最终结果。在计算机内部，在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信
21、息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。如图。如图1.5所示，所示，地址为地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202436E7H34HA5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H地址地址指令或数据内容指令或数据内容00111000图图1.5内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024371.基本概念基本概念1)位位(Bit)：二进制信息的最小单位（：二进制信息的最小单位（
22、0或或1）通常用）通常用B表示。表示。2)字字节节(Byte)：由由8位位二二进进制制数数组组成成，可可以以存存放放在在一一个个存存储储单元中。是字的基本组成单位。通常用单元中。是字的基本组成单位。通常用B表示，表示，1B=8b.3)字（字（Word）：不同的场合有不同的含义，软件上通常指：不同的场合有不同的含义，软件上通常指2个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示个字节，硬件上一般指处理器外部数据线的宽度。目前为了表示方便，常把一个字定义为方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为位，把一个双字定义为32位。即位。即1W=2B=16b，2W=4B=32b.4).字长字长
23、：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常：计算机运算部件直接能处理的二进制的位数。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。8位机，位机，16位机指的就是处理器位机指的就是处理器内部内部数据线的宽度是多少。数据线的宽度是多少。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024385)内内存存容容量量：内内存存中中存存储储单单元元的的总总数数。通通常常以以字字节节为为单单位，位，1024（210）字节记作）字节记作1KB，220字节记作字节记作1MB。6)内存单元地址内存单元地址：为了能识别不同的单元，每个单元都：
24、为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。的概念，不可混淆。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202439地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地址00H01HFFH90HAB10010000B来自CPU的写信号00000000BDB地址译码器10101101B00011010B10111010B00100010B内容地
25、址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB来自CPU的读信号(a) 内存读操作过程示意图(b) 内存写操作过程示意图图1.5 内存读写操作过程示意图 2.内存的操作内存的操作第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024403.内存的分类内存的分类按按工工作作方方式式，内内存存可可分分为为两两大大类类：随随机机读读写写存存储储器器RAM(RandomAccessMemory)和和只只读读存存储储器器ROM(ReadOnlyMemory)。随随机机读读写写存存储储器器可可被被CPU随随机机地地读读写写，它它用用于于存存放放将将要要被被CPU执执行行的的用用户户程程序
26、序、数数据据以以及及部部分分系系统统程程序序。断断电电后后，其其中中存放的所有信息将丢失。存放的所有信息将丢失。只读存储器中的信息只能被只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由读取，而不能由CPU任意任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入输入/输出管理程序（输出管理程序（BIOS）等。）等。第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024411.3.4I/O接口与输入输出设备接口与输入输出设备I/O接口是微
27、型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。I/O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备输入设备有：键盘、有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。常用的转换器等。常用的输出设备输出设备有有显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。转换器等。第1章
28、 微型计算机系统导论 22 七月 202442为什么要采用为什么要采用I/O接口电路？接口电路？外设与外设与CPU的工作速度不同。的工作速度不同。与与CPU相比，外设的工作速度较低。相比，外设的工作速度较低。外设与外设与CPU的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、的信号不同。外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而计算机只能处理数字量。开关量等，而计算机只能处理数字量。外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不由于上述原因，微型机与外设之间的连接及信息的交换不能直接进行，而需要设计一个能直
29、接进行，而需要设计一个I/O接口作为微型机与外设之间的接口作为微型机与外设之间的桥梁。桥梁。I/O接口也称为接口也称为I/O适配器，不同的外设必须通过不同的适配器，不同的外设必须通过不同的I/O适配卡（板）才能与微机相连。所以，适配卡（板）才能与微机相连。所以，I/O接口是微型计算机接口是微型计算机应用系统不可缺少的重要组成部件。应用系统不可缺少的重要组成部件。任何一个微机应用系统的任何一个微机应用系统的研制和开发，实际上是研制和开发，实际上是I/O接口接口的研制和开发的研制和开发。因此，。因此，I/O接口技接口技术是本课程要重点讨论的内容之一。术是本课程要重点讨论的内容之一。第1章 微型计算
30、机系统导论 22 七月 2024431.4 微型计算机软件系统第1章 微型计算机系统导论 22 七月 2024441.5微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程表表1.1完成完成“6+5”操作所需的机器语言程序和汇编语言程序操作所需的机器语言程序和汇编语言程序内存单元地址内存单元地址机器语言程序机器语言程序汇编语言程序汇编语言程序指令功能说明指令功能说明0000H0001H1011000100000110MOVA,06H双字节指令。将数字双字节指令。将数字6送累加器送累加器A0002H0003H0000100000000101ADDA,05H双字节指令。将数字双字节指令。将数字5与累加器与累加器A中的中的内容相加，结果存放在累加器内容相加，结果存放在累加器A中。中。0004H11111110HLT停机指令停机指令第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202445图1.7 取第一条指令的操作过程示意图 第1章 微型计算机系统导论 22 七月 202446
