微机原理与接口技术：第1章 微型计算机概述

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1、微机原理及接口技术微机原理及接口技术 Microcomputer Principleand Interfacing微机原理及接口技术微机原理及接口技术课程简介及要求课程简介及要求 1. 课程性质及教学目的 微机原理及接口技术是工科计算机及其相关专业的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；为后继的软、硬件课程做好铺垫。 微机原理及接口技术微机原理及接口技术 课程简介及要求课程简介及要求 2. 课程教学安排教学参考学时：32 学时其中实验学时：16 学时3. 教材内容体系结构基本知识与基本概念计算机

2、的基本结构与工作原理微处理器与微型计算机的概念微型计算机系统组成及其应用计算机中的数据表示、数制与编码的应用微机原理及接口技术微机原理及接口技术 课程简介及要求课程简介及要求80X86微处理器微处理器内部结构存储器和I/O组织总线周期与操作时序指令系统与汇编语言指令的概念与寻址方式8086指令系统介绍汇编语言格式、基本表达、伪指令介绍汇编语言源程序的建立、编辑、运行、调试微机原理及接口技术微机原理及接口技术 课程简介及要求课程简介及要求汇编语言程序设计及其应用程序设计的方法和步骤顺序程序、分支程序、循环程序、子程序的设计中断调用程序设计宏汇编与重复汇编微机原理及接口技术微机原理及接口技术 课程

3、简介及要求课程简介及要求参考教材IBM PC Assembly Language and ProgrammingPeter Abel 著 清华大学出版社微型计算机原理与接口技术 第四版周荷琴 吴秀清 编著 中国科技大学出版社1.1 计算机的发展与应用1.2 计算机的基本结构和工作原理1.3 微型计算机的基本概念1.5 微型计算机的特点及应用1.4 微型计算机系统的组成Chapter 1 Brief introduction of microcomputer1.1 Development and application of computer1.1.1 计算机的发展历史 1第一台电子计算机第一台

4、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 。2 2冯冯诺依曼结构计算机诺依曼结构计算机 1946年6月，美籍

5、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程碑。 3 3按逻辑部件化分的计算机发展阶段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

6、机 electron tube 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2）第二代（1959年1964年）： 晶体管计算机 transistor 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14兆字节。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

7、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代计算机有较大突破。4 4按计算机应用划分的计算机发展阶段按计算机应用划分的计算机发展阶段（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。1.1.2 计算机的发

8、展趋势 1未来计算机的发展趋势未来计算机的发展趋势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。 2 2新型计算机新型计算机神经网络计算机：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

9、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。3计算机与信息化信息化就是全面发展和利用现代信息技术，借以提高人类社会的生产、工作、学习、生活等诸方面的效率和创造能力，使社会的物质财富和精神文明得到最大提高。信息化特点信息成为重要的战略资源信息产业成为最大的产业信息网络成为社会的基础信息信息化三大技术支柱 计算机技术 通信技术 网络技术1.1.3 计算机的特点、分类及应用 1计算机的特点计算机的特点运算速度快：PC机每秒可以处理几千万条指令，巨型机的运算速度可达到几十亿次以上。计算精度高：普

10、通微型计算机的计算精度已达到64位二进制数。具有“记忆”和逻辑判断功能：“记忆”功能指的是计算机能够存储大量信息，供用户随时检索和查询。逻辑判断功能指的是计算机不仅能够进行算术运算，还能进行逻辑运算和实践推理。记忆功能、算术运算和逻辑运算相结合，使得计算机能够模仿人类的某些智能活动，成为人类脑力延伸的主要工具，所以计算机又称为“电脑”。 能自动运行并且具备人机交互功能：自动运行是把问题编成程序输入计算机中，发出运行指令后，计算机便在该程序控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。人机交互则是在人想要干预时，采用人机对话形式，有针对性地解决问题。 2 计算机的分类个人计算机：面向个人或家庭使用的低档

11、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。 3 3计算机的应用计算机的应用科学计算：也称为数值计算，是指用计算机来解决科学研究和工程技术中所提出的复杂的数学及数值计算问题。数据处理：数据

12、处理也称为信息处理，是人们利用计算机对所获取的信息进行采集、记录、整理、加工、存储和传输，并进行综合分析等。过程控制：过程控制是用传感器在现场采集受控对象的数据，通过比较器求出与设定数据的偏差，由计算机按控制模型进行计算，产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制和调整。计算机辅助系统：是采用计算机进行各种辅助功能的系统。例如，CAD、CAM、CAT、CAE和CAI等。人工智能：是用计算机执行某些与人的智能活动有关的复杂功能，模拟人类的某些智力活动，如图形和声音的识别，推理和学习的过程。1.2 Basic structure and operation principle1.2.1 计

13、算机的基本结构计算机的基本结构v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

14、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存储程序原理存储程序原理 把事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。 1.3 1.3 Basic definitionBasic definition 1.3.1 1.3.1

15、微处理器的产生和发展微处理器的产生和发展 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。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 1.3.2 微型计算机的分类

16、微型计算机的分类 1按照按照CPU的字长来分类的字长来分类 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。 1.3.3 微型计算机的性能指标介绍微型计算机的性能指标介绍 位位(bit)(bit)：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。字长：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（字节（ByteByte）：）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。字：字

17、：是计算机内部进行数据处理的基本单位。主频：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：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：指令数：构成微型计算机的操作命令数。基本指令执行时间：基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。可靠性：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：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：性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。 1.4 StructureStructure 1.4.1 微型计算机系统的一般结构微型计算机系统的一般结构 微型计算机系统由硬件系

18、统和软件系统两大部分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 ： 硬件微计算机外围设备微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序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

19、正常工作 。1.4.2 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构 微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线各组成模块及其功能：各组成模块及其功能： 1中央处理单元中央处理单元 中央处理单元CPU（Control Processing Unit）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。 2主存储器主存储器 主存储器是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。 按其功能和性能，可以分为： 随机存储器RAM（Random Acce

20、ss Memory） 只读存储器ROM（Read Only Memory） 3系统总线系统总线 系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下3种：数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。4输入输出接口电路输入输出接口电路 输入/输出接口电路也称为I/O（Input /Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微

21、型计算机外部设备交换信息的桥梁。 5主机板主机板 主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有CPU芯片、内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。 6外存储器外存储器 分为磁盘、光盘存储器。 磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，统称为磁盘机。 光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。7输入输入/输入设备输入设备 计算机最常用的输入设备是键盘和鼠标。 计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。 1.4.3 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统 计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。软件系统由系统软件和应用软件组成，它们形成层

22、次关系。处在内层的软件要向外层软件提供服务，外层软件必须在内层软件支持下才能运行。 系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。计算机语言也称为程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。 1.5 Characteristic and application 1.5.1 1.5.1 微型计算机的特点微型计算机的特点 通常，微型计算机具备以下特点：功能强可靠性高价格低

23、适应性强周期短，见效快体积小、重量轻、耗电省维护方便 1.5.2 1.5.2 微型计算机的应用微型计算机的应用 微型计算机按其复杂程度的不同，可适用于各种行业，从仪器仪表和家电的智能化，到科学计算、自动控制、数据和事务处理、辅助设计、办公自动化、生产自动化、数据库应用、网络应用、人工智能、计算机模拟、计算机辅助教育等各个领域均得到了广泛的应用。 （1）办公自动化：简称为OA（Office Automation）。它是计算机、通信与自动化技术相结合的产物，也是当前最为广泛的一类应用。 （2）生产自动化：包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等，它们是计算机在现代生产领域特别是制造

24、业中的典型应用，不仅提高了自动化水平，而且使传统的生产技术发生了革命性的变化。 （3）数据库应用：数据库是在计算机存储设备中按照某种关联方式存放的一批数据。借助数据库管理系统DBMS，可对其中的数据实施控制、管理和使用。 （4）网络应用：计算机网络就是利用通信设备和线路等与不同的计算机系统互连起来，并在网络软件支持下实现资源共享和传递信息。通常有局域网（LAN）、广域网（WAN）、城市网（CAN）和因特网（Internet）。 （5）人工智能：人工智能研究方向中最具有代表性的两个领域是专家系统和机器人。 （6）计算机仿真：计算机仿真是使用仿真软件在计算机上进行必要的模拟试验，从而大大减少投资、避免风险。 （7）远程教育：远程教育是建立在互联网上的一种教学环境。它以现代化的信息技术为手段，以适合远程传输和交互式学习的教学资源为教材构成开放式教育网络。本章小结 本章从计算机的发展和应用开始，对计算机特别是微型计算机的基本概念、硬件结构、工作原理、系统组成、应用特点等各类知识作了相应的概述。 通过本章的学习，要了解微型计算机的发展历史和应用场合，关注当前微型计算机的发展动向，尤其是微处理器芯片的更新换代，以及相关软件的应用。要掌握微型计算机的分类方式，熟悉微型计算机系统组成以及工作原理，理解微型计算机硬件和软件各主要模块的功能和在系统中所处的地位。为后续内容的学习打下一个良好的基础。