《微处理机概论》PPT课件.ppt

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1、微机原理与接口技术,任课教师：赵武锋信息与电子工程学系,联系方法,赵武锋：浙江大学信息与电子工程学系，电路所办公室地址：玉泉校区老行政楼527电子邮件：,课程学习概论,一、为什么要学习微处理机原理课程二、如何学习微处理机原理课程三、本课程教学实施方法四、课程结构和学习形式,一、为什么要学习微处理机原理课程（1）,微处理机的作用（什么是微处理机？）：构成巨型计算机 构成微型计算机 台式计算机 笔记本计算机 掌上计算机 构成专用控制器,以单片机构成的应用小板,一、为什么要学习微处理机原理课程（2）,构成专用控制器：家电控制：空调器、电冰霜、洗衣机、电视机等 交通设施：汽车、交通控制等 通讯设施：手

2、机、传呼机、电话机、交换机等 工业控制：温度控制、顺序控制、过程控制等各种自动控制设施 仪器仪表：测试仪器、计算机外设、各种附加仪表等 医疗设施：保健设备、检查设备、治疗设备等 娱乐设施：音响设备、声像设备、游戏设备等 军事应用，航空航天（举例）,一、为什么要学习微处理机原理课程（3）,微处理机原理课程的作用 信息工程专业的基础工具 现代电子技术的必要技能 适应各行各业的通用技术,二、如何学习微处理机原理课程,1、注重概念和原理的理解（现在不理解，以后交学费）2、重视实践环节1：作业、编程、实验3、重视实践环节2：实验室项目、STRP、设计竞赛等4、教材与参考书：脱开书本的索缚，学会自主学习。

3、,三、本课程教学实施方法,学习成绩评定(1)平时实验占40%到课、纪律、作业；课程提问、回答和答疑积极性；实验到课、完成情况和实验报告(2)期末考试占60%期末考试卷面成绩,三、本课程教学实施方法,课堂纪律 不得旷课、迟到、早退，发现一次总成绩中扣除1分；上课不能讲话、听耳机、接手机；每堂课以课内作业形式全部点名或部分人员抽点；作业必须按时交，迟交等于没交，三次以上未交作业者不得参加考试。,四、课程结构和学习形式,课程结构：微机原理（程序设计），秋学期 接口技术（硬件设计），冬学期学习形式：课堂学习（每周3学时）实验（微机原理与接口实验室，双周2学时）教材：王汀，微处理机原理与接口技术，浙江大

4、学出版社，2008年9月第1版（高等学校规划教材）实验教材：光电系自编，ZDGDTH-1型80C51/C8051/嵌入式（ARM9）/CPLD/实验开发系统实验指导书(80C51分册)实验从第x周开始，共四次课，每次4个学时，其中前两次为软件实验，后两次为硬件实验,第一章微处理机概论,1.1 微处理机的产生与发展1.2 微处理机的基本概念1.3 微处理机的系统开发1.4 微处理机的硬件基础1.5 微处理机的数据表达,1.1 微处理机的产生与发展应用范围,通用计算机：构成巨型计算机构成微型计算机 台式计算机 笔记本计算机 掌上计算机构成专用计算机（控制器）举例？,微处理机的产生与发展（1）,1、

5、数字式电子计算机的产生：1946年产生第一台数字式电子计算机 电子管晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路 第一代第二代第三代第四代（46-57）（58-64）（65-71）（72-今）,微处理机的产生与发展（2）,2、微处理器的产生：1968年3个从美国仙童（Fairchild）公司跳槽的学者成立Intel公司 1969年日本一公司要求Intel公司为其设计一组用于高性能可编程计算器的芯片，日本客户的原始设计方案至少需要12块专用芯片，Intel公司的Hoff工程师拒绝了这种笨拙的设计方案，代之以四块芯片构成：4001 RAM、4002 ROM、4003 寄存器、4004 4位CPU

6、该四块芯片的组合即可达简单通用计算机的功能。,微处理机的产生与发展（3）,3、Intl架构PC机的产生：1975年美国MITS公司用8080CPU芯片制造了世界上第一台PC机 1981年美国IBM公司用8088CPU芯片制造了世界上第一台Intl架构PC机：IBM PC,微处理器的分类与特点（1）,1、按微处理器的字长特征分类：位片式（1位）4位 8位 16位 32位 64位,微处理器的分类与特点（2）,2、按微处理器的结构特征分类：复杂指令集CISC结构（Intel8086、MC6800及 MCS-51系列等）精简指令集RISC结构（PIC16系列、AVR单片机等）CISC、RISC两种结构

7、相兼容（由8086系列发展过来的如P、P等）,微处理器的分类与特点（3）,3、按微处理器的应用特征分类：通用微处理器 目前主流的奔腾型微处理器 专用微处理器 8位的MCS-51、32位的ARM系列等 特殊微处理器 数字信息处理器DSP、模糊逻辑微控制器FMC,微处理机的发展趋势,微处理器的发展特点：向着高速度和高集成度方向发展：年 份 型 号 位数 集成度 运算速度1946 ENIAC（18000个电子管、70000个电阻 0.005 MIPS1000个电容、1500个继电器）1970 4004 4位 2000个晶体管 0.06 MIPS1971 4040 4位 2250个晶体管1972 80

8、08 8位 3300个晶体管 0.03 MIPS1974 8080 8位 4500个晶体管 0.2 MIPS1976 8085A 8位 6200个晶体管 0.3 MIPS1978 8086 16位 25000个晶体管 1 MIPS1979 8088 准16位 29000个晶体管 1 MIPS 80186 以8086为核的单片机 80188 以8088为核的单片机1982 80286 16位 13.4万个晶体管 1.5 MIPS1985 80386 32位 27.5万个晶体管 5 MIPS1989 80486 32位 160万个晶体管 7 MIPS1993 80586 64位 330万个晶体管

9、90 MIPS1995 P-64位 550万个晶体管 300 MIPS1998 P-64位？万个晶体管 800 MIPS2001 P-64位 4200万个晶体管 2000 MIPS注：MIPS即为：百万条指令/秒,微处理机的发展趋势,计算机的发展方向：微型化：目标是：缩小体积、降低功耗、减少成本；巨型化：目标是：提高速度、增强功能、追求效率；网络化：目标是：资源共享、使用方便、减小空间；智能化：目标是：知识总结、工作辅助、思维方式。多媒体技术：,1.2 微处理机的基本概念-冯诺依曼计算机结构（1）,冯诺依曼计算机的五大部件（书本）：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备,运 算 器,存 储

10、 器,控 制 器,输入设备,输出设备,数据指令,数据指令采样,文字图表控制,冯诺依曼计算机结构（2）,冯诺依曼计算机的六大特点：存储器是按地址访问的按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数固定；指令由操作码和地址码构成，前者指定指令操作类型，后者指明操作数存放地址；指令在存储器中按顺序存储，由指令计数器指明取指地址，每取完一字节指令，指令计数器一般按顺序自动加1；在存储器中，指令与数据同等对待，本身不能区别；统一编址，v.s.哈佛结构,冯诺依曼计算机结构（3）,机器以运算器为中心，输入、输出设备与存储器间数据传送都必须途经运算器，这四者操作及联系都由控制器集中控制；-DMA 数据以二进制编码表

11、示，采用二进制运算。冯诺依曼计算机的一个根本：即存储程序控制形式,冯诺依曼计算机结构（4）,冯诺依曼计算机的工作过程：,获取指令,译码指令,执行指令,控制器,从存储器,在寄存器,运算器,指令与程序（1）,1、微处理机设计过程：要让一台计算机为人类解决某一个实际问题，必须经过以下几个方面：建立数学模型：以数学方法来描述某个需要解决的实际问题；设计计算方法：针对数学模型，考虑计算机本身的特点，提出实现解决某个实际问题的具体方法；编制应用程序：用计算机的指令把算法表达成计算机能够操作的控制过程，指令通常以助记形式语句表示；,指令与程序：（2）,翻译机器代码：将助记形式表达的计算机程序翻译成计算机所能

12、接受的机器代码，该过程可以人工完成，也可以借助计算机完成。对高级语言翻译过程称为编译，对汇编语言翻译过程称为汇编；装入机器代码：把机器代码按一定顺序装入计算机能够访问的内部存储器中，以便下一步的计算机执行。装入机器代码的过程可以有多种形式：EPROM的固化、由键盘输入到RAM中、由监控程序将外存中的程序读入到内存中、用通讯方式从另一台计算机中 获取机器代码等；,指令与程序：（3）,计算机的运行：计算机的运行过程，实际上是CPU周而复始的从内存中逐条取出指令、解释指令、执行指令而实现的。程序中，一般情况下指令是按顺序执行的，但根据算法也穿插一些判断、转移指令，使得程序的执行顺序千变万化，从而实现

13、非常复杂、内容丰富的控制功能。,指令与程序：（4）,2、计算机中的指令：程序由若干条有序的指令构成。指令的本质：控制计算机进行各种操作的命令称为指令，也可理解为：计算机硬件能够执行的基本操作的命令；,指令与程序：（5）,指令的构成：A、操作码：指明计算机执行的是什么操作；B、地址码：指明参与计算机操作的数据或数据所在的地址。指令系统中可以有不同的操作数，分别称为：无操作数指令、单操作数指令、双操作数指令、叁操作数指令（MCS-96系列具有）,指令与程序：（6）,指令的种类：CPU能够执行的所有基本操作的集合称其为CPU的指令系统，因此，CPU的结构不同其指令系统也就不同。MCS-51系列CPU

14、的指令种类有：A、数据传送类指令：将数据在寄存器、存储器中传送的操作；B、数据操作类指令：包括加、减、乘、除等算术运算指令和逻辑操作指令；C、程序控制类指令：程序调用、有条件及无条件转移指令等；D、位操作类指令：,指令与程序：（7）,3、程序的分类：计算机中的程序按其作用大致可分成系统程序、应用程序、开发程序三类：系统程序：用于计算机系统硬件管理的程序，通常有：A、监控程序：单片机等小系统硬件管理程序；B、操作系统：PC机等通用计算机系统管理程序；,指令与程序：（8）,应用程序：用户为了某个目的而研究设计的程序，例如：A、数据库管理程序：B、数据采集程序：C、系统控制程序：D、系统诊断维护程序

15、：开发程序：-工具程序 用于开发计算机软、硬件系统的程序，如：A、计算机语言处理程序：汇编、编译、解释程序等；B、系统仿真调试程序：输入、运行、单步、断点等；C、机器代码固化程序：EPROM写入、EEPROM擦写等。,微处理机的相关概念（1）,1、微处理机：P、MPU 数字式电子计算机中的运算器+控制器是其核心，合称为中央处理单元或中央处理器CPU。将中央处理单元CPU集成在一块硅芯片上。也称微处理单元MPU或微处理器P。2、微型计算机：C、MC 以微处理器为核心配上半导体存储器、输入输出设备所构成的计算机硬件。3、微型计算机系统：微型计算机配上电源等辅助硬件及合适的软件就构成了能够独立工作的

16、微型计算机系统。,微处理机的相关概念（2）,4、主机：通常将中央处理单元CPU+存储器一起称作计算机的主机。-最小系统（4000系列四芯片）5、单片机：SCMC、MCU 将计算机主机及部分I/O部件和I/O接口集成在一块硅芯片中。其英文缩写为SCMC即单片微型计算机。由于单片机常常被用作为控制器，国际上称之为用于控制目的的微型计算机或称微控制器MCU。,微处理机的相关概念（3）,计算机三层次概念：微处理机微型计算机微型计算机系统,1.3 微处理机的系统开发,微处理机应用系统的组成：（1）硬件-硬件开发。微处理机、外围电路芯片、外部存储器、I/0接口和设备等；（2）软件-开发。（3）硬件设计和软

17、件设计往往交叉进行。,应用系统开发（1）,总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试。其中总体设计：-系统架构师（1）确定系统功能技术指标；（2）微处理机机型选择；（3）应用主要器件选择；（4）硬件和软件功能划分；（5）总体设计可行性验证。,应用系统开发（2）,其中硬件设计：-硬件工程师（1）地址和总线驱动器；（2）数据存储器和程序存储器；（3）数字量I/O接口；（4）模拟量I/O通道；（5）系统的硬件综合设计；（6）系统样机的安装和调试。,应用系统开发（3）,其中软件设计：-软件工程师（1）系统定义；（2）软件结构设计；（3）数学模型和算法设计；（4）绘制程序流程图；（5）编写源程序；（6）程序

18、检查、调试和固化。,微处理机系统开发过程,软件：源程序编辑-源程序汇编-仿真调试-程序固化源程序编辑：源程序汇编：*汇编和编译*人工汇编*机器汇编PC机进行交叉汇编/编译,微处理机系统开发过程,仿真调试设备：（1）模拟调试类：软件仿真，只用PC机，只能检查软件错误。软件设计实验（2）开发系统类：提供最强的仿真调试功能，不占用目标系统资源，具有逻辑分析仪功能。价格昂贵。硬件设计实验（3）简易在线仿真器类：除了没有逻辑分析仪功能，其它功能类似，性价比高。（4）在线调试类。只用PC机，PC机利用串口等接口与目标系统直接连接，占用用户系统资源，功能较差，但价廉。单片机内部必须要有监控ROM。例如ADu

19、C812利用串口。,微处理机系统开发过程,程序固化-脱机运行：编程器编程器分为通用型编程器、专用型编程器和多功能编程器。在线编程概念：（1）在系统编程（ISP）-Flash ROM-片内带监控（2）在应用编程（IAP）-Flash ROM-Flash分块-片内带监控,1.4 微处理机的硬件基础（1）,1、布尔代数（逻辑代数）：普通代数与逻辑代数：普通代数有加、减、乘、除、乘方、开方、三角函数等多种运算；逻辑代数只有加、乘、非三种运算，且含义不同，以加为例：十进制：1+1=2；二进制：1+1=10；逻辑代数：1+1=1 逻辑代数的基本运算：逻辑加：L=A+B 其规则为：0+0=0；0+1=1；1

20、+0=1；1+1=1逻辑乘：L=AB L=AB 或L=AB 其规则为：00=0；01=0；10=0；11=1逻辑非：其规则为：0=1 1=0,1.4 微处理机的硬件基础（2）,逻辑代数基本公式：0A=0；1A=A；0+A=A；1+A=1；A+A=A；AA=A；A+A=1；AA=0；A=A；,1.4 微处理机的硬件基础（3）,化简逻辑代数的基本公式：交换律：A+B=B+A；AB=BA；结合律：（A+B）+C=A+（B+C）；A（BC）=（AB）C；分配律：AB+AC=A（B+C）以上三规律在普通代数中也成立，以下为逻辑代数所特有：反演律：A+B=AB；AB=A+B；吸收律：A+AB=A；A+AB

21、=A+B；A（A+B）=A；A（A+B）=AB分配律：A+BC=（A+B）（A+C）,1.4 微处理机的硬件基础（4）,逻辑关系的三种表示方法：逻辑图：门电路真值表：逻辑代数式的输入变量与输出变量之间的组合状态排成表格布尔代数：Y=AB+C,1.4 微处理机的硬件基础（5）,2、基本逻辑电路的外部特性基本门电路：与门：实现逻辑“与”操作的电路叫与门。（逻辑乘关系）Y=AB 或门：实现逻辑“或”操作的电路叫或门。（逻辑加关系）Y=A+B 非门：实现输出状态与输入状态相反的逻辑电路叫非门。（逻辑非关系）Y=A组合门电路：与非门：与门之后接一个非门即可构成与非门。Y=AB 或非门：或门之后接一个非门

22、即可构成或非门。Y=A+B,1.4 微处理机的硬件基础（6）,异或门：实现逻辑异或的电路，则称之为异或门。其逻辑关系为：Y=AB+AB 或表示为：Y=AB正逻辑、负逻辑概念：正与门-负或门,正或门-负与门 三态逻辑门：逻辑1，逻辑0，高阻态 运算电路：一位二进制加法（半加器）：考虑进位后，一位二进制数A+B等于由进位位C和该位的和S组成。由逻辑关系可以推出C、S与A、B的逻辑关系为：S=AB；C=AB；因此，一位二进制加法（半加器）可由一只异或门和一只与门构成。,1.4 微处理机的硬件基础（7）,多位二进制加法（全加器）：全加器的逻辑关系为：Si=AiBiCi-1；Ci=AiBi+BiCi-1

23、+CiAi-1；因此，全加器可由与门、或门和异门构成。二进制减法：被减数以补码表示后即可方便地用全加器来实现。乘法器：（略）除法器：（略）,1.4 微处理机的硬件基础（8）,3、触发器 组合逻辑电路：门电路、复合门电路、运算电路等组合逻辑电路的三特点：A、电路输入信号每一组组合状态必定对应有一个输出信号；B、某一组输入信号一旦消失，输出信号立即发生变化，即电路无记忆功能；C、任一时刻的输出信号状态仅与当时输入信号状态有关，而与电路以往历史无关。运算器、译码器、编码器、奇偶校验电路等都是组合逻辑电路范围。,1.4 微处理机的硬件基础（9）,时序逻辑电路：各种数制的计数器、寄存器、锁存器等时序逻辑

24、电路有以下两个特点：A、有记忆功能，即当输入信号消失后电路的输出状态仍能保留下来；B、有严格的时间次序概念，即输出状态不仅取决于电路当时输入状态且往往与此前曾经输入的状态有关。时序逻辑电路的基本电路单元是触发器。时序电路有两种类型：输入状态起作用要借助于时钟脉冲，各触发器同步进行，这叫同步时序电路；输入信号无须时钟脉冲控制，随到随起作用，各触发器异步工作，这就叫异步时序电路。,1.4 微处理机的硬件基础（10）,触发器功能：每到来一个时钟，触发器不外乎以下四种可能：A、翻转：原来为0状态翻为1状态，原来为1状态翻为0状态；B、不变：原来为0状态仍为0状态，原来为1状态仍为1状态；C、清“0”：

25、不管原来是0还是1，电路总归成为0状态；D、置“1”：不管原来是0还是1，电路总归成为1状态；具有A、B两种功能的电路称为T触发器；只有A一种功能的电路称为T触发器；具有C、D两种功能的电路称为D触发器；具有B、C、D三种功能的电路称为R-S触发器；具有A、B、C、D全部四种功能的电路称为J-K触发器。基本R-S触发器是构成其他形式触发器的基础，D触发器在微处理机中常用作状态锁存器，故须了解。,国际常用门电路符号,国际流行符号,国际流行符号,国际流行符号,国际流行符号,与门,或门,非门,异或门,1.5 微处理机的数据表达（1）,1、数制：二进制数：二个数符：0、1 B3B2B1B0=B323B

26、222B121B020 十进制数：十个数符：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 D3D2D1D0=D3103D2102D1101D0100 十六进制数：十六个数符：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F H3H2H1H0=H3163H2162H1161H0160,注意：由于有不同数制数的存在,若不标出标记将会形成混淆而无法分清数据的值，例如：书写 11，若不指明数制，就要引起混淆若为十进制，表示的是十进制数 11若为二进制，表示的是十进制数 3若为十六进制，表示的是十进制数 17因此，书写时必须给出数制的标识！,常见的标识方法有两种一是用括号后加下标，如：(11)2

27、(11)10(11)16这种标识机器难以识别,一般用于书写.二是用英文字母加在被标记数的后面，如：11B 11D 11H这种标识有利于机器识别,常用.通常对于十进制表示,省略后缀D,1.5 微处理机的数据表达（2）,数制间转换：二进制数十进制数：按权展开 十进制数二进制数：整数除2取余，直至商为零，注意先得到的为最低位，最后得到的是最高位；小数乘2取整，直至积为零，注意先得到的为最高位，最后得到的是最低位，小数表达不尽时根据精度要求取足够位；十六进制数十进制数：按权展开,1.5 微处理机的数据表达（3）,十进制数十六进制数：整数除16取余，直至商为零，注意先得到的为最低位，最后得到的是最高位；

28、小数乘16取整，直至积为零，注意先得到的为最高位，最后得到的是最低位，小数表达不尽时根据精度要求取足够位；二进制数十六进制数：小数点为界，整数自右向左、小数自左向右四位为单位转换 十六进制数二进制数：一位直接展开成四位课本例1-6,1-7,1-8,1.5 微处理机的数据表达（4）,2、计算机中数的表示 带符号定点数表示方法：8位二进制数称为1个字节，其B7B6B5B4B3B2B1B0位在计算机中约定分别以D7到D0表示，D7称最高有效位MSB，D0称最低有效位LSB；一个字节数据能够表达的无符号数范围为0至255。有符号数的正、负号在计算机中也必须用0、1表示，计算机中约定以最高有效位MSB表

29、示符号，且以0表示正号、1表示负号。习惯上把计算机中的数据称作机器数，带符号数机器数可以分别用原码、反码或补码表示，一个字节机器数能够表达的带符号数范围按表示方法不同而异：,一个字节的表示方法,无符号数的表示方法：有符号数的表示方法：,MSB,LSB,符号位,数 据 位,1.5 微处理机的数据表达（5）,原码表示方法：正数符号位用0表示，负数符号位用1表示，数值以其自然权值表达的机器数称为原码。原码表示的一个字节带符号数表达范围为-127至+127。原码表示带符号数时，零有两种表达方式，即-0和+0。反码表示方法：正数的反码表示与正数的原码相同；负数的反码由其自然权表达值按位取反后得到。反码表

30、示的一个字节带符号数表达范围也为-127至+127。反码表示带符号数时，零同样有两种表达方式，即-0和+0。,1.5 微处理机的数据表达（6）,补码表示方法：正数的补码表示与正数的原码相同；负数的补码由其自然权表达值按位取反加1后得到。补码表示的一个字节带符号数表达范围也为-128至+127。补码表示带符号数时，零只有一种表达方式，即-0=+0=00000000B。,注意：对于“0”的表示A)原码有两种不同的表示，称之为+0，-0 分别为：0000 0000B、1000 0000BB)反码有两种不同的表示，称之为+0，-0 分别为：0000 0000B、1111 1111BC)补码的0 只有一

31、种表示，即：0000 0000B,1.5 微处理机的数据表达（7）,浮点数：一个X进制的任何数据N均可以表达成：N=XPS 式中：S称为N的尾数，P称为N的阶码，X称为阶码的底。若:阶码的底为2，阶码P、尾数S都用二进制数表示，则可以构成浮点数机器码。尾数S是带符号补码表示的纯小数，其所取位数决定了浮点数机器码的有效精度；阶码P是补码表示的带符号数，其所取位数决定了浮点数机器码的表达范围。,1.5 微处理机的数据表达（8）,3、数码：操作码：指令中表达计算机操作内容的数码。地码码：表达计算机操作数据所在地址的数码。,1.5 微处理机的数据表达（9）,BCD码：用二进制表达十进制数的数码称BCD

32、码。BCD码的方式有很多种，最常用的是自然权BCD码。一个字节数据中低半字节为1个BCD码，高半字节为0时称非压缩BCD码；一个字节的高、低半字节均为BCD码，且高半字节为高位、低半字节为低位时称压缩BCD码。,1.5 微处理机的数据表达（10）,ASCII码：美国标准信息交换代码，用七位二进制数来表示数字、字母和符号共128种。用一个字节机器码表示ASCII码时，其最高一位常用作奇偶校验位。七段显示码：与硬件结构有关，在相关章节中讲解。,本章小结,掌握的基本概念：1、微处理机、运算器、控制器、存储器；2、微型计算机、单片机；3、微型计算机系统4、布尔代数、组合电路、时序电路5、数据、数制、二

33、进制数据（表示）数码,本章作业,1-31-51-61-71-9,ENIAC-The first electronic computer(1946),Intel 4004 Micro-Processor,19711000 transistors1 MHz operation,Intel Pentium(IV)microprocessor,返回,二进制数的称谓,位半字节字节字双字四字,B3 B2 B1 B0,B0,B7,B15 B8 B7 B0,B31 B24 B23 B16 B15 B8 B7 B0,B63 B56 B55 B48 B15 B8 B7 B0,1位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作 b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作 BK是kelo的缩写，1 K=1024=210；M是mega的缩写，1 M=1024 K=220；G是Giga的缩写，1 G=1024 M=230；T是tera的缩写，1 T=1024 G=240。,计算机中数据的常用表示方法,二进制数的表示方法,