微机原理前言和第一章微机概论.ppt
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1、1,微机原理与接口技术,2010年8月26日,2,1.教学内容和目标1.1 教学内容 掌握微计算机基本概念的基础上,学习、了解微计算机发展的新技术。课程以Intel微处理器为背景,围绕“基础”、“主线”和“关键技术”开展教学。掌握微型计算机的基本概念,以8086为例,介绍CPU、存储器、I/O接口、总线的结构、原理、时序、系统设计与编程,作为教学的基础;2)结合微处理器的发展历程,了解微型计算机在性能和速度方面不断克服瓶颈效应,采用的新技术和方法。如386的虚拟存储、Pentium的超标量流水线、指令分支预测技术、PCI总线等,将微型计算机的技术发展作为贯穿教学的主线;3)将微型计算机的关键技
2、术如存储管理、中断、DMA、系统总线、与外设的接口等,作为教学的重点,掌握微型计算机关键技术的要点和应用方法。,序 言,3,通过本课程的学习,将会有以下目的。1)对微型计算机有整体概念,而不是拘泥某一代处理机,在掌握基本概念和原理的基础上了解最新技术。2)掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术。接口设计和编程方法。3)通过本课程的课堂教学、实验、课程设计,培养几种能力:时序分析及接口设计能力、系统设计编程以及硬软件调试能力、自学能力。,1.2 教学目标培养能力,4,1.3 本课程在计算机科学与技术专业课程的位置,5,2.1 注意基本能力的培养;通过本课程学习建立微型计算机的整体概念,在掌握基
3、本概念和原理的基础上了解微机发展的最新技术。熟练掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术,接口设计和编程方法。提高时序分析及接口设计能力、系统设计编程以及硬软件调试能力。2.2 课程教学安排1.教学学时:60学时2.实验学时:14学时3.微型机接口技术课程设计:2周;成绩(独立计算),2 教学要求,6,4、微机原理与接口技术课程N+2的N的内涵,1.期中阶段考试;2.阶段测验;3.课程小论文,7,3.1 戴梅萼微型计算机技术与应用从16位到32位(第五版)清华大学出版社3.2 田艾平等,微型计算机技术清华大学出版社3.3 艾德才Pentium系列微型计算机原理与接口技术,高等教育出版社 3.4
4、 杨全胜现代微机原理与接口技术(第二版),电子工业出版社 3.5 孙德文微型计算机技术,高等教育出版社 3.6 潘新民微型计算机原理.汇编.接口技术,希望电子出版社3.7 马维华微型计算机及接口技术科学出版社3.8 易先清微型计算机原理与应用电子工业出版社,3 参考书,8,第1章 微型计算机概述,9,人们通常按照计算机的功能、体积和价格将它们分为微型机、小型机、中型机和大型机。微型机的产生与发展是与大规模集成电路的发展分不开的。由于采用了集成度相当高的大规模集成电路和超大规模集成电路,使得微型机的体积小,重量轻,价格也相对低廉,因此应用更加广泛。但从基本工作原理和系统结构上说,微型机和小型机、
5、中型机、大型机等几类计算机没有本质上的区别。,第一章 概述,10,最早的电子计算机由电子管组成,被称为第一代计算机,那时电子计算机的一台主机,就要占用几个房间。第二代计算机是晶体管计算机,它也有衣柜大小。集成电路的诞生,不仅使计算机的体积大大缩小,计算速度和功能也大大增强。如果将集成电路计算机归为第三代,那么第四代就是基于大规模和超大规模集成电路的计算机。在微处理器刚刚起步的七十年代,人们将基于微处理器的计算机称作微计算机,随着技术的进步,微处理器被广泛应用在各种类型的计算机中,多个Pentium处理器组成的工作站,功能比普通PC强出很多。这种按照组成计算机的元器件来界定的方法又模糊了。目前,
6、严格界定什么是微型计算机变得有些困难。但是,不约而同,大家把台式计算机一类的个人计算机、结构相对简单的工业控制计算机等等统称为微型计算机。,1.1 什么是微型计算机,11,微处理器是微型计算机控制和处理的核心。如图所示,微处理器的组成主要有个三部分:算术逻辑部件ALU,执行算术运算和逻辑操作。控制部件,产生一定的时序,控制指令所规定的操作的执行。寄存器,用于存放指令、操作数和中间结果等。这三个部分通过微处理器的内部总线相连。随着微电子技术的发展,特别是超大规模集成电路技术的发展,微处理器的性能越来越强,工作频率越来越高。从Intel公司的世界上第一个四位微处理器4004,到今天功能强大的Pen
7、tium 4,其功能已经与小型、中型乃至大型机相差无几。,1.2 微处理器、微计算机、微计算机系统,12,图1-1 微处理器,13,微计算机是微计算机系统的主体。微计算机的组成可以分为4个基本部分:1.微处理器。微处理器是微计算机执行指令的核心部件。2.主存储器。存储器是存储信息的部件,用来存储当前正在使用的程序和数据。3.I/O接口。微计算机和外部设备之间的联系是通过I/O接口实现的。如显示器的接口、外存储器的接口等。4.总线。总线是联系微处理器和其他部件的链路。总线分为地址总线、数据总线和控制总线,分别用于传输地址、数据和控制信息。,14,图1-2 微计算机,15,微型计算机系统可以分为硬
8、件系统和软件系统。硬件系统是由微型计算机所包含的基本硬件,和为用户提供人机交互手段以及大规模数据存储能力所配置的外部设备组成。常见的外部设备如键盘、鼠标、显示器、硬盘、打印机等等。软件系统包括系统软件、编译程序、数据库管理软件和各种应用软件等。系统软件用于有效地管理计算机系统的各种资源,合理地组织计算机的工作流程,并为用户提供友好的人机接口。最常见的系统软件如操作系统。微计算机系统只有在硬件系统与软件系统相互配合下才能正常而有效地工作。,16,图1-3 微计算机系统,17,随着微电子技术的发展,微型计算机的技术日新月异。微处理器和其它功能单元遵循摩尔定律,每隔两年集成度和性能增长一倍,价格却下
9、降一半。70年代初期,Intel公司推出第一个通用的8位微处理器8080,它由三片集成电路组成,总的晶体管数约为5千个,数据线宽度为8位,地址线为16位,最大寻址空间64K字节。它共有78条指令,主频只有1MHz。当时微处理器组成的微机系统价格十分昂贵,微处理器控制的电器还十分鲜见。仅仅十几年后的今天,单片的Pentium 4集成了大约4千2百万个晶体管。P4是32位微处理器,外部数据总线的宽度为64位,最大寻址空间为64G字节,主频高达2200MHz,运行速度约为每秒30亿条指令。组成的系统远远超出了早期中型乃至大型机的性能。由于价格低廉,使得基于P4的微型计算机可以在中小学校以及大学生中普
10、及。谈及微处理器的应用,小至微处理器控制的玩具、家电、通信设备,大至互联网、用于航空航天的卫星、火箭控制,在当前信息时代微计算机中无处不在。下面以Intel系列微处理器为例,回顾微计算机发展的历程。,1.3 微型计算机的发展概况,18,1.3.1 Intel 系列微处理器,Intel在1969年第一次开始开发微处理器。该微处理器是Intel为日本计算器制造商Busicom(上图左)开发的一套可编程计算器项目的一部分。Busicom最初为这个计划提供12种定制的芯片。但一位Intel的工程师Ted Hoff(下图)提出了多功能逻辑设备的概念,它可能是一个更好更有效的解决方案。正是由于他的提议才使
11、4004微处理器得以开发。,19,1.Intel 4004,Intel于1971年11月15日将4004微处理器推向了世界市场。当时每个4004微处理器的售价是299美元。,1972年4月1日,Intel推出了8008微处理器,此处理器拥有相当于4004两倍的处理能力。当时此处理器使用在Mark-8的设备用中,而这个Mark8也恰恰是世界上首批家用电脑的一种型号。但按照现在的标准,Mark-8是一个难以制造、维护和操作的电脑。8008处理器的晶体管数量为3500个,工作频率为200KHz。,2.Intel 8008处理器,1974年4月1日,Intel推出了8080处理器,这种处理器成为世界上
12、首台个人电脑“Altair”的“大脑”。Altair这个名称按照星际旅行电视节目的说法是源于一个星际飞船计划的目的地的名称。电脑爱好者可以花395美元购买一套Altair。在短短数月内,Altair销售了成千上万台,因销量远超预计而造成了历史上首次个人电脑销售的延期交货。Intel 8080处理器晶体管数量为6000个,工作频率为2MHz。,3.Intel 8080A处理器,22,1978年:Intel成功的研发了8086-8088微处理器,并成功地将8088销售给IBM,使8088芯片成为了IBM新一代主打产品-IBM PC的中央处理器。也正是因为8088的这次关键的销售使Intel进入世界
13、企业500强的行列。同时,Intel入选财富杂志70年代商业胜利者之一。8088芯片的晶体管数量为29000个,工作频率为5MHz,8MHz,10MHz共三个档次。,4.Intel8086/8088处理器,1982年:Intel再接再厉推出了80286微处理器,80286微处理器就是我们俗称的286处理器,是Intel的首个具有完全兼容性的处理器。即所有为286以前的Intel的处理器写的程序均可运行在286上。这种软件的兼容是Intel微处理器发展过程中的一个里程碑。经过6年的销售,在全世界估计有1500万装有286微处理器的个人电脑。80286处理器的晶体管数量为134000个,工作频率为
14、:6MHz,8MHz,10MHz和12.5MHz。,5.Intel 80286微处理器,1985年:为适应企业的全球化发展,Intel于1985年秋以一种特殊的形式在伦敦、慕尼黑、巴黎、旧金山和东京同时发布了Intel 80386微处理器。该处理器不是一种由以前的Intel微处理器进化而来的一个产品,相反,它是一种革命性的产品。它是一个32位的芯片,拥有275000个晶体管,每秒可以处理500万条指令,并且可以运行所有流行的操作系统包括Windows。同时,它还是一个多任务的微处理器,也就是说,它可以同时处理多个程序。80386处理器的工作频率为:16MHz,20MHz,25MHz和33MHz
15、。,6.Intel 80386微处理器,1989年Intel推出了80486CPU微处理器,486处理器的应用意味着用户从此摆脱了命令形式的计算机,进入到一个选中和点击的计算机时代。Intel的486处理器首次增加了一个内置的数学处理器。由于这个数学协处理器可以将复杂的数学运算功能从中央处理器中分离出来,所以它可以增加微处理器的运算速度。80486处理器的晶体管数量为120万个,工作频率为:25MHz,33MHz或者50MHz。,7.Intel 486处理器,1993年:Intel推出了拥有310万个晶体管的奔腾处理器,当时被Intel称为可以使真实世界的数据很容易地被包括进计算机内的产品由于
16、奔腾处理器与早期的Intel微处理器兼容,所以它被期望的名字是Intel 586处理器。然而,Intel不能阻止模仿者使用相同的命名系统来命名他们的产品,因此,Intel决定选择一个更容易被保护的名字,最终选择了Pentium 奔腾,其工作基频为、60MHz或者66MHz。,8.划时代的Pentium处理器,1997年:Intel推出了整合750万晶体管的Pentium II处理器,而此处理器采用了在Pentium MMX处理器中得到一致好评的MMX多媒体预处理器技术,该技术可以是视频、音频和图象更有效地被处理。同时,奔腾II还采用了一种创新的单边接触(S.E.C)的封装设计。在封装中除了搭载
17、微处理器芯片,并且同时整合了高速的缓冲存储芯片。Pentium II处理器的工作基频为66Mhz或者100Mhz。,9.Pentium II处理器,1999年:Intel的Pentium III处理器可以说是Intel一个全新的产品,其采用了创新的0.25生常工艺,并支持70条SSE(互联网或多媒体扩展)新指令。这些指令极大促进了处理器处理高级影像、三维、流音频、视频和语音识别的能力。Pentium III处理器的晶体管数量为950万个,工作频率从450Mhz一直到目前最高的1.26GHz,10.Pentium III处理器,2000年:Intel推出了最新一代的产品Pentium 4处理器,
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