微型计算机概述.ppt

,课程名称,与,微型,计算机,原理,的,接口 技术,教材及主要参考书,微型计算机原理与接口技术周荷琴等编著-中国科技大学（第四版）,微型计算机技术及应用戴梅萼等编著-清华大学出版社 第四版,微型计算机原理及应用郑学坚等编著-清华大学出版社 第三版,微型计算机原理及应用李伯成等编著-西安科技大学出版社 第二版,学习本课程的注意事项与方法,充分重视+克服畏难情绪充分理解+必要记忆重视课堂讲解，课后多亲近课本不要“积少成多”，而要“逐个击破”享受实验成功带来的乐趣与成就感,读大学，读什么？,技能？思考能力,课程资料获取,URL：ID：wangclziliaoPWD：woyaoziliao（我要资料）,本 书 主 要 内 容,第一章 绪论,第二章 8086系统结构,第三、四章 8086微处理器指令系统及汇编语 言程序设计,第五章 存储器（2764、6264等）,第六章 I/O接口和总线,第七章 微型计算机中断系统、中断控制器8259A第八章 计数器/定时器8253,第九、十章 串、并行I/O接口芯片（8251A、8255A）,第十一章 数/模转换及模/数转换（0832、0809）,第十二章 DMA控制器8237A,第一章 绪论,教学目的和要求掌握微型计算机系统的三个层次，数的表示方法,了解微型计算机三种总线结构以及微型计算机系统的主要性能指标。,第一章 绪论,1.1 微型计算机的发展概况（了解）计算机的产生与发展：1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC问世。按照构成计算机的电子元器件及其电路的变革，把计算机划分为若干“代”，至今为止已经经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机等四代了。,1.1 微型计算机的发展概况,第一代：（19461959）以电子管为基础的计算机 特点：使用了18800个电子管、重30吨，占地 150平方米，耗电150千瓦，每秒完成 5000次加法运算。,第二代：（19591965）以晶体管为基础的计算机 特点：大大降低了成本与体积，运算速度成百 倍提高,第三代：（1965到20世纪70年代）以中小规模 集成电路为基础的计算机。特点：体积更小，配有各类OS，性能大大提高,1.1 微型计算机的发展概况,第四代：（近30年）随着大规模（LSI）、超大 规模（VLSI）集成电路的诞生与飞速 发展，计算机也进入了飞速发展。1971年，第一台微机在硅谷诞生微机的特点：体积小、重量轻、可靠性高、结构 配置灵活，价格低,1.1 微型计算机的发展概况,第五代：智能计算机。第六代：神经计算机、生物计算机 超导计算机 光学计算机 量子计算机参见资料,计算机的发展趋势为：巨型化、微型化、网络化、智能化,（1）巨型化。发展高速、大存储容量和强功能的巨型计算机，这主要是为了满足诸如原子、天文、核技术等尖端科学以及探索新兴领域的需要。（2）微型化。因大规模、超大规模集成电路的出现，计算机迅速向微型化方向发展。微型计算机可以渗透到仪表、家电、导弹弹头等中、小型机无法进入的领域。（3）网络化。网络化就是利用现代通信技术和计算机技术，将分布在不同地点的计算机连接起来，按照网络协议互相通信，共享软件，硬件和数据资源。（4）智能化。第五代计算机的目标是“智能”，让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程，使计算机具有视觉、听觉、语言、推理、思维、学习等能力。,微处理器的发展情况,1.第一代微处理器（1971年开始）位数：4位或8位代表产品：Intel 4004、8008性能特征：时钟频率小于1MHZ，平均指令执行时间为10微秒15微秒，用机器语言编程应用：现金计数器、交通灯控制等,微处理器的发展情况,2、第二代微处理器（1974年开始）位数：8位代表产品：Intel 8080、8085 Motorola MC6800性能特征：时钟频率2MHZ，平均指令执行时间为1微秒2微秒，可用汇编语言、BASIC、FORTRAN语言,微处理器的发展情况,3.第三代微处理器（1978年开始）位数：16位代表产品：Intel 8086、286 Motorola MC68000、68010性能特征：时钟频率5、8、10MHZ，平均指令执行时间为0.5微秒，软件配置丰富 8086的时钟频率为5MHZ，数据总线16位，地址总线20位，可寻址1MB空间。,微处理器的发展情况,4.第四代微处理器（1983年开始）位数：32位代表产品：Intel 80386、486 Motorola 68020、68040性能特征：80386的时钟频率1633MHZ，平均指令执行时间小于0.1微秒，数据总线和地址总线都为32位。有丰富的外围配件支持。80486的时钟频率为25，33，50MHZ，加入了片内Cache,微处理器的发展情况,5.第五代微处理器（1993年开始）代表产品：Intel公司的Pentium 系列,微处理器的发展情况,微处理器的新发展：双核05年四核06.11八核对以上几代Intel微处理器的性能发展与比较参见P5的表1.1,几款四核CPU主频及参考价,Intel Core i7系列 CPU报价(10.3和11.2),Intel 酷睿i7 980X EE￥7999￥6800生产工艺:32纳米|主频:3.33GHz|二级缓存:L2=6256K|三级缓存:L3=12M核心数量：六核心Intel 酷睿i7 975￥6199￥5500主频:3.3GHz 智能加速：3600MHz 制作工艺：45 纳米 二级缓存：1MB 三级缓存：8MB 核心数量：四核心 八线Intel Core i7 965￥5999￥4900CPU主频：3200MHz 制作工艺：45 纳米 二级缓存：2256KB 三级缓存：8MB 核心数量：四核心 八线程 Intel酷睿i7 870￥3999￥2000CPU主频：2930MHz 智能加速：3600MHz 制作工艺：45 纳米 二级缓存：1MB 三级缓存：8MB 核心数量：四核心 八线,微机的特点与应用,微机的特点（与小型机相比）：体积小、功耗低（军事、航天、智能仪器）可靠性高、使用环境要求低系统外部芯片配套、系统设计灵活性能优良、价格低廉微机的应用：科学计算 信息处理 计算机控制智能仪器 计算机通信 家用电器 计算机辅助设计/制造CAD/CAM 计算机辅助教学CAI,人们可以从不同的角度对计算机进行分类按照使用范围划分：专用计算机、通用计算机。通用计算机又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微(型)机、单片机,全球超级500强计算机榜单,petaflop，每秒1000 万亿(trillion)。petaflop/s 粗略地说相当于大约10万台笔记本电脑。Roadrunner,走鹃是世界上第一台达到此速度的计算机，其速度为每秒钟可进行1026万亿次浮点运算。如果让全世界60亿人每天24小时、每周7天执行纯手工计算，那么需要46年的时间才能完成Roadrunner一天的工作量。参考网站：,全球超级计算机500强排名,全球超级500强计算机榜单,每年发布两次超级计算机500强榜单，变动很快，曾经位列第一的走鹃，一年半之后就掉到了第七。在过去的半年时间里，能进入超级计算机世界排行榜的门槛就从每秒24.7万亿次跃升至每秒31.1万亿次（即每秒万亿的计算能力）,1.2 微型计算机系统,电子计算机的基本结构都是属于冯诺依曼型，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大组成部分。,主存储器,控制器,运算器,输入设备,输出设备,冯诺伊曼和图灵,冯诺伊曼（John Von Neumann，1903-1957）美籍匈牙利学者，他在遍历理论、拓扑群理论等方面做出了开创性的工作，是20世纪最伟大的数学家之一，在30年代撰写的量子力学的数学基础对原子物理学的发展有极其重要的价值；建立的经济增长横型体系，特别是40年代出版的著作博弈论和经济行为，在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。1945年提出了“程序内存式”计算机的设计思想,被誉为“计算机之父”。图灵,1.2 微型计算机系统,微处理器 微型计算机 微型计算机系统是三个层次的概念，含义不同。,1.2.1 微型计算机,1.微处理器（MPU,MicroProcessor Unit）,算术逻辑运算单元ALU累加器和寄存器组指令指针寄存器IP（程序计数器）段寄存器时序和控制逻辑部件内部总线,基本组成（第二章详解）：,2.微型计算机微型计算机是硬件系统的主要部分，即主机，由微处理器、存储系统、系统总线及I/O接口组成。,地址总线AB：地址总是从CPU送出的，所以它是单向的。AB的位数决定了CPU可直接寻址的内存范围。如16位微型机的地址总线为20位，其最大内存容量220=1M;,微型计算机的基本结构：,数据总线DB：用来传输数据，是双向的。它的位数（宽度）与微处理器的位数相对应。,微处理器MPU,输入/输出接口电路,存储器,外围设备,控制总线CB：用来传输控制信号，如读信号、中断请求信号等。,微型计算机常用的性能指标,主频：CPU的工作频率，单位Hz（MHz或GHz）字长：计算机内部一次能处理的二进制数的位数。内存容量：存储器能存储信息的字节数。存取周期：主存完成一次读写所需的时间运算速度：每秒执行指令的条数，一般用每秒 钟能执行多少百万条指令来表示。MIPS（Millions of Instruction Per Second）,3.微型计算机系统,以微型计算机为主体，配上输入输出设备和系统软件就构成了微型计算机系统。常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、条形码读入器、扫描仪等常见的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等,1.2.1 微型计算机,微 处 理 器,微 型 计 算 机,微 型 计 算 机 系 统,4.存储器,存储器用来存储程序和数据,存储体系：,CPU,存储器一般分为两大类：内部存储器（内存或主存）、外部存储器（外存或辅存）。,离CPU越近的存储器，速度越快，其容量越小,4.存储器,1)内部存储器内存主要是半导体存储器，它分为随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）。2)外部存储器外存主要是典型的磁记录存储器软盘、硬盘，还有光盘3.5寸软盘是双面高密度盘片，每片有2个面，每面有80个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区有512个字节。所以软盘的容量为2*80*18*512 1.44MB,对外存没有RAM和ROM的分类,2)外部存储器,硬盘：硬盘是一组盘片整体封装起来的。目前的主流硬盘容量为120500，影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。硬盘容量=磁头数*柱面数*扇区数*512B 每个记录面有一个磁头，每个双面盘片有两个磁头 柱面数即每个盘片的磁道数,4.存储器,2)外部存储器,典型的硬盘接口有：IDE标准接口：价格低，兼容性好，但是速度慢，内置，对接口电缆长度有限制。SCSI标准接口：小型计算机系统接口，比其他标准接口传输速率快。适应面广，性能高，内置和外置，热插拔，但价格高，安装复杂。其他：光纤通道 和SATA（串口硬盘）、IPI，ESDI。不同类型的接口其最大接口带宽不同，即硬盘传输数据的速率不同，所以硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏,硬盘与主机系统的连接模块称为硬盘接口，其作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。,4.存储器,DVD5：D5是DVD-5的简写,即单层单面光盘,最大容量4.7G。DVD9：简称D9,即双层单面数据光碟,最大容量8.5G DVD10：D10即DVD-10碟片的简写,即单层双面的光盘,最大容量9.7G,分A,B两面,播放完A面后,按提示换面才能继续播放B面。一般以D10形式发行的大多是2部影片合在一张碟上 DVD18：D18即DVD-18碟片的简写,即双面双层光碟,最大容量17G。这样的光碟一般是一张片子里有很多部电影 HD（高密度）DVD单面单层15GB、双层30GB；BD（蓝光）单面单层25GB、双面50GB。,2)外部存储器-DVD光盘,3)存储器性能指标,主要用存储容量、存取速度来衡量存储器的性能。存储容量指存储器有多少个存储单元。存取速度是指从存储器中读出数据或数据写入存储器的快慢。读写一次数据的时间包括CPU给出存储器地址、控制信号送到存储单元进行数据读出或写入一次，存储器恢复等时间的总和。,4.存储器,存储容量的单位及其换算,bit 最基本的存储单位,Byte 1 Byte=8bit，1KB=1024 Byte,Word：表示字长，一般情况下为2Byte(16bit),1K=1024=210 1M=10241024=220 1G=1024M=230 1T=1024G=240,千 兆 吉 太,计算机中显示出来的容量往往比硬盘容量的标称值要小为什么？,硬盘容量标称值和电脑内显示值,1.2.2 I/O接口,I/O接口用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。而外设种类多，与CPU之间的速度、信号电平、数据格式都不同，所以要用专门的I/O接口电路来协调这些不一致。主要接口芯片有锁存器74LS373缓冲器74LS245可编程中断控制器8259可编程计数/计时器8253可编程并行接口8255可编程串行接口8251,1.2.3 总线,是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合，是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道。,1.总线标准的特性物理特性功能特性电器特性时间特性,2.总线分类,从总线的不同使用层次可以分为以下几类：内部总线元件级总线系统总线外部总线,1.2.3 总线,2.总线分类,1）内部总线内部总线是微处理器内部各个部件之间传送信息的通道。,2）元件级总线连接计算机(CPU，存储器，I/O接口)中两个主要部件的总线，分为以下三种:地址总线AB：单向数据总线DB：双向。控制总线CB：交叉双向。,1.2.3 总线,2.总线分类,3）系统总线是微机机箱内的底板总线，用来连接构成微机的各个插件板。ISA、EISA、VESA、PCI,4）外部总线用于微机系统与系统之间、系统与外设之间的信息通路，这种总线传输方式有并行、串行。USB：通用串行总线，热插拔。,1.2.3 总线,3.总线结构,总线的结构已经从面向系统的单总线发展到面向存储器的双总线结构。,CPU,存储器,I/O接口,I/O设备,I/O设备,1）单总线,1.2.3 总线,3.总线结构,2）面向CPU的双总线结构在CPU与主存、CPU与I/O设备之间分别设置一组总线,CPU,主存储器,I/O接口,I/O设备,I/O设备,I/O设备,I/O接口,I/O接口,3.总线结构,3）面向主存的双总线结构所有的设备和部件都挂到I/O总线上，同时在CPU与主存间增加了一组高速存储总线，使CPU与主存交换信息快。既提高了速率，也不降低CPU工作效率,CPU,主存储器,I/O设备,I/O设备,I/O接口,I/O接口,补充：单片机与单板机,将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,将CPU、存储器、I/O接口、总线、I/O设备（如：小键盘、数码显示器等）等装配在印刷板上，称为单板机。,常用语X位机,微处理器的字长即计算机能直接处理的二进制数的位数，即微处理器内部的数据总线的宽度，字长越长运算精度越高。通常所说的“64位机”中的“64”就是指微处理器的内部数据总线位数为64位。,通常按微处理器的字长分：4位微机、8位微机、16位微机、32位微机、64位微机,1.3 计算机数据格式,1.3.1 数制1.几种数制的表示二进制后缀B八进制后缀Q或O十进制后缀D或无十六进制后缀H2.其他数制转换到十进制,3.十进制转换到其他进制,对整数部分：1）用其他数制的基数除十进制数2）保存余数3）重复前两步，直至商为0 把所有余数按得到的先后顺序从右向左写下来即可。对小数部分：1）用其他数制的基数乘十进制数2）保存得到的整数部分3）重复前两步，直至小数部分为0 把所有整数按得到的先后顺序从左向右写下来即可。,1.3.1 数制,4.二进制编码的十六进制,二进制编码的十六进制BCH是用二进制编码表示的十六进制数据，就是用4位二进制表示1位十六进制数，即把每个十六进制数用4位二进制数表示。如3AC6H0011 1010 1100 0110 B,1.3.1 数制,1.3.2 计算机数据格式,补码机器数可以用原码、反码、补码来表示，但常用的是补码。补码的得来：正数的补码与原码相同，最高有效位为0负数的补码为反码加1，（求反码时符号位不必求反）,2.十进制数的表示BCD码,用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：压缩BCD码和非压缩BCD码。,压缩BCD码：每一位十进制数用4位二进制数表示，即用00001001表示09，一个字节能表示两位十进制数。,非压缩BCD码：用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的00001001表示09。,1.3.2 计算机数据格式,非数值数据的表示:,计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息统称为非数值数据。,非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表示，非数值数据的表示本质上是编码的过程。,1.3.2 计算机数据格式,3.ASCII码美国标准信息交换代码:,采用7位二进制代码对字符进行编码。,例1：数字09的编码是01100000111001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码（BCD码）相符。,例2：英文字母AZ的ASCII码从1000001（41H）开始顺序递增，字母az的ASCII码从1100001（61H）开始顺序递增。,最高位通常总为0，有时也用作奇偶校验位。,1.3.2 计算机数据格式,ASCII码表,参见P508的附录C,4.数据类型,计算机中的数据类型有字节、字、双字等。在存储器中存放时，低有效字节存放在低地址存储单元中，高有效位存放在高地址单元中。,1.3.2 计算机数据格式,5.浮点数,计算机中的小数点表示有定点和浮点两种：定点和浮点定点的小数点固定在最高位的右边（整数）或最低位的右边（纯小数）浮点数包括符号位S，尾数（有效小数）和指数（阶），4个字节的浮点数为单精度，8个字节的浮点数为双精度。,1.3.2 计算机数据格式,5.浮点数,单精度格式中，最高位为S，接着是8位指数、23位尾数；为了格式统一，采用规格化表示法来表示浮点数，尾数最高位必须为1，所以在尾数中不用存储这个“1”，即默认最高位为1，所以用23位存放24位尾数。把一个数表示为浮点数，要先写成二进制（符号位：正数为0，负数为1），然后规格化，然后：阶：加上01111111（单精度）或3FFH（双精度）尾数：把小数部分依次写出，后面补0举例：187表示成规格化浮点数为符号 移码阶 尾数 0 1000 0110 0111 0110 0000 0000 0000 000,别忘了是二进制,