1、微機(wi j)原理與接口技術主講人 楊鋼共七十三頁國家教委提出計算機基礎教學(jio xu)分三個層次如圖所示： 計算機基礎(jch)教學三層次結構課程背景共七十三頁其中：第一層次：計算機文化基礎學習計算機基本知識，及基本技能。第二層次：計算機技術基礎 學習計算機硬件、軟件的工作(gngzu)原理與相關知識。第三層次：計算機應用基礎學習計算機信息管理基礎和多媒體。本課程屬于第二層次中“計算機技術基礎”課程課程(kchng)背景共七十三頁本課程地位(作用(zuyng)和任務 本課程是一門實踐性非常強的計算機及相關專業的專業基礎(jch)課程，是掌握微機硬件技術的入門課程之一。本課程的開設，旨在

2、培養學生有關微機應用系統設計的思維能力、實際動手能力，以及獨立分析問題和解決問題的能力等。 通過該課程的學習，要求學生認識微機系統的基本工作原理和組成，掌握常用接口電路設計技術及基本應用程序設計方法，認識微機接口技術在工程中的實際應用，了解微機及其接口技術的最新發展，從而達到能獨立從事微機應用系統開發的最終目的。共七十三頁講課內容: 微處理器芯片、指令系統、接口技術課程學時(xush): 共56學時,其中: 講課40學時，實驗16學時(8次） 考核辦法采取平時、實驗和期末考試綜合(zngh)評定成績平時成績不低于總成績的10%實驗成績不低于總成績的20%共七十三頁復習并掌握先修課的有關內容課堂

3、：聽講與理解、適當筆記課后：認真讀書、完成作業實驗：充分準備、勇于(yngy)實踐學習(xux)方法很重要共七十三頁教材： 微機計算機技術及應用(yngyng) （第三版）2003 戴梅萼 史嘉權 編著 清華大學出版社出版參考書： 微型計算機技術 孫德文編著 高等教育出版社出版 微機原理與接口技術 邵鴻余 北京航空航天大學出版社 教材(jioci)、參考書共七十三頁第一章 微型(wixng)計算機概述1-1關于微型計算機的簡單(jindn)介紹1-2微型計算機系統組成共七十三頁1-1-1 什么(shn me)是微機？微機就是PC機嗎？ PC機只是微機中的一種，是我們(w men)最熟悉、最典型

4、的微機產品 微機的覆蓋范圍 任何電子產品，只要包含了CPU、存儲器及I/O，且價格不高，都可以看作是微機 典型例子 電子詞典、電視機、洗衣機、手機、mp4 關于微型計算機的簡單介紹共七十三頁1-1-2 微型(wixng)計算機的特點體積小、重量輕價格低廉可靠性高、結構靈活應用面廣 科學計算，數據處理，事務管理，教學培訓計算(j sun)輔助設計和制造，家庭娛樂，網絡通信關于微型計算機的簡單介紹共七十三頁微處理器、微機和微機系統 微處理器：一般亦指CPU 嚴格地講，微處理器 CPU CPU：ALU+控制部件 微處理器：CPU+寄存器組 微機：微處理器+存儲器+輸入(shr)/輸出接口+總線微機系

5、統：微機+外圍設備+軟件1-1-3 微計算機系統的層次(cngc)關于微型計算機的簡單介紹共七十三頁關于微型計算機的簡單(jindn)介紹1-1-4 微機(wi j)簡史共七十三頁微機(wi j)簡史(1)前傳巴貝奇分析機 采用了三個具有現代意義的裝置：保存數據的寄存器（齒輪式裝置）；從寄存器取出數據進行運算的裝置，并且機器的乘法以累次加法來實現；控制操作順序(shnx)、選擇所需處理的數據以及輸出結果的裝置。 共七十三頁1939年，阿塔納索夫提出(t ch)計算機三原則：采用二進制進行運算；采用電子技術來實現控制和運算；采用把計算功能和存儲功能相分離的結構。1939年，阿塔納索夫還設計并試制

6、數字電子計算機的樣機“ABC機”，但未能完工。微機(wi j)簡史共七十三頁微機(wi j)簡史1940年，美國科學家維納闡述(chnsh)了自己對現代計算機的五點設計原則數字式而不是模擬式；以電子元件構成并盡量減少機械裝置；采用二進制而不是十進制；內部存放計算表；內部存儲數據。共七十三頁微機(wi j)簡史馮諾依曼 計算機體系電子計算機應該以二進制為運算基礎，是電子計算機應采用“存儲程序”方式工作，整個計算機的結構應由五個部分組成(z chn)：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置。 輸入設備輸出設備控制器運算器存儲器共七十三頁微機(wi j)簡史埃克特為ENIAC換電子管 ENIAC

7、1946：ENIAC永載史冊(2)第一代計算機共七十三頁微機(wi j)簡史長30.48米，寬1米，占地面積170平方米，30個操作臺，約相當于10件普通(ptng)房間的大小，重達30噸，它使用18000個電子管，70000個電阻，10000個電容，1500個繼電器，6000多個開關，耗電量150千瓦，。每秒執行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。 (而人最快的運算速度每秒僅5次加法運算)，還能進行平方和立方運算，計算正弦和余弦等三角函數的值及其它一些更復雜的運算。這樣的速度在當時已經是人類智慧的最高水平。 共七十三頁1959-1964：晶體管造就(

8、zoji)第二代計算機肖克萊（左）、巴丁（中）、布拉頓（右）于1956年共同(gngtng)獲得諾貝爾物理學獎。微機簡史共七十三頁第二代計算機TRADIC 美國貝爾實驗室于1954年研制成功第一臺使用晶體管的第二代計算機TRADIC。裝有800只晶體管，僅100瓦功率，占地(zhn d)也只有3立方英尺。相比采用定點運算的第一代計算機，第二代計算機普遍增加了浮點運算，計算能力實現了一次飛躍。 微機(wi j)簡史共七十三頁微機(wi j)簡史IBM 7090 晶體管電腦(dinno) 第二代電子計算機的典型代表 共七十三頁1964-1970：集成電路(jchng-dinl)使第三代計算機脫胎換

9、骨 1958年，美國物理學家基爾比和諾伊斯同時(tngsh)發明集成電路。 1969年，法庭判決基爾比(左)和諾伊斯（右）為集成電路的共同發明人 ，他們都因此成為微電子學創始人并獲得巴倫坦獎章。 微機簡史共七十三頁微機(wi j)簡史IBM S/360 -1964S/360極強的通用性適用于各方面的用戶，它具有“360度”全方位的特點，并因此得名。開發S/360被稱為(chn wi)“世紀豪賭”，IBM為此投入了50億美元的研發費用，遠遠超過制造原子彈的“曼哈頓計劃”的20億美元。共七十三頁微機(wi j)簡史1970：第四代計算機 從1970年至今的計算機基本上都屬于第四代計算機，它們都采用

10、大規模和超大規模集成電路(jchng-dinl)。隨著技術的進展，計算機開始分化成通用大型機、巨型機、小型機和微型機。 格魯夫、諾依斯和摩爾Intel公司成立于1968年， Intel這個字是由“集成/電子(Integrated Electronics)兩個英文單詞組合成的，象征新公司將在集成電路市場上飛黃騰達 共七十三頁1971：微處理器時代(shdi)的開端1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器，霍夫被英國(yn u)經濟學家雜志列為“二戰以來最有影響力的7位科學家”

11、之一。 微機簡史共七十三頁4004的樣子(yng zi)很像小蟲子4004的集成度只有2300個晶體管，功能其實比較弱，且計算速度較慢，以致(yzh)只能用在Busicom計算器上，更不用說進行復雜的數學計算了。不過比起第一臺電子計算機ENIAC來說，它已經輕巧太多太多了。而且最大的歷史意義是，它是第一個通用型處理器 微機簡史共七十三頁1972年4月，霍夫等人開發(kif)出第一個8位微處理器Intel 8008。 微機(wi j)簡史共七十三頁1973年8月，霍夫等人研制(ynzh)出8位微處理器Intel 8080 主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器

12、，使用了基于6微米(wi m)技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。 微機簡史共七十三頁80861978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數據總線和29000個3微米技術(jsh)的晶體管，售價360美元。 微機(wi j)簡史共七十三頁8088：IBM PC的御用(yyng)之選 1979年，Intel推出4.77MHz的準16位微處理器8088。它在內部以16位運行，但支持8位數據總線，采用現有(xin yu)的8位設備控制芯片，包含29000個3微米技術的晶體管，可訪問1MB內存地址，速度為0.33M

13、IPS。 微機簡史共七十三頁第一臺IBM PC 早在1980年7月，一個負責“跳棋計劃”的13人小組秘密來到佛羅里達州波克羅頓鎮的IBM研究發展中心，開始開發后來(huli)被稱為IBM PC的產品。一年后的8月12日，IBM公司在紐約宣布第一臺IBM PC誕生 第一臺IBM PC采用了主頻為4.77MHz的Intel 8088，操作系統是Microsoft提供(tgng)的MS-DOS。IBM將其命名為“個人電腦（Personal Computer）”，不久“個人電腦”的縮寫“PC”成為所有個人電腦的代名詞。 微機簡史共七十三頁PC之父 IBM微電腦技術總設計師埃斯特利奇（Don Estri

14、dge）負責整個跳棋計劃的執行，他的天才和辛勤工作直接導致了IBM PC的成功，并被后人尊稱為“PC之父”。不幸的是，4年后“PC之父”因乘坐的班機遭臺風(tifng)襲擊而英年早逝，沒能夠親眼目睹他所開創的巨大輝煌。 微機(wi j)簡史共七十三頁Intel 80286 1983年,Intel推出6MHz的Intel 80286微處理器，采用16位數據總線。它提供了保護模式操作(cozu)功能，最初的批發價為360美元。 微機(wi j)簡史共七十三頁80386進入(jnr)了32位機的時代 1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微處理器 微機(wi j)簡史共七十三頁I

15、ntel 486（1989） 微機(wi j)簡史共七十三頁Pentium（586）Intel于1993年3月推出奔騰(bntng)（Pentium）處理器 微機(wi j)簡史共七十三頁Pentium Pro，面向(min xin)工作站的處理器 （1995） 1995年11月1日，Intel推出Pentium Pro微處理器，采用(ciyng)了一種新的總線接口Socket 8。新的處理器對多媒體功能提供了很好的支持。 微機簡史共七十三頁Pentium MMX，支持(zhch)多媒體技術的奔騰（1996）Pentium MMX是英特爾在Pentium內核基礎上改進，最大的特點(tdin)是

16、增加了57條MMX指令。這些指令專門用來處理音視頻相關的計算，目的是提高CPU處理多媒體數據的效率。 微機簡史共七十三頁Pentium II，芯片(xn pin)封裝有著巨大的改變（1997） Pentium II首次(shu c)引入了S.E.C封裝(Single Edge Contact)技術，將高速緩存與處理器整合在一塊PCB板上。微機簡史共七十三頁 1999年1月，Intel推出奔騰(bntng)III處理器，其身份代碼可通過Internet讀取。 Pentium III ，增加(zngji)SSE指令（1999）微機簡史共七十三頁 2000年英特爾發布了Pentium 4處理器。用戶

17、使用(shyng)基于Pentium 4處理器的個人電腦，可以創建專業品質的影片，透過因特網傳遞電視品質的影像，實時進行語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網時運行多個多媒體軟件。這是目前空前強大的個人電腦處理器產品，仍然在繼續銷售中。微機(wi j)簡史共七十三頁 64位機2000年底推出P7（Iantium）：安騰 2001年底推出Mckinley：安騰2 主要(zhyo)應用：面向工作站和服務器 2003年9月 AMD公司發布了面向臺式機的64位處理器：Athlon 64和Athlon 64 FX 微機(wi j)簡史共七十三頁共七十三頁發展趨勢：更寬、更

18、快、更強 更寬：字長(z chn) 更快：時鐘更強：集成度，IC芯片內晶體管的數量共七十三頁處理器型號高速緩存工作頻率（MHz）晶體管數(萬)工藝（m）發布年代8086無5-102.9319788088無5-82.93197980286無6-2513.41.5198280386DX片外16-4027.51198580486DX8KB25-661201-0.81989Pentium16KB60-2003300.8-.351993Pentium MMX32KB166-2334500.35-.281996Pentium Pro16KB+512 KB133-2005500.6-.351995Penti

19、um II32KB+512 KB233-4507500.35-.251997Pentium III32KB+256 KB450-140028000.181999Pentium 420KB+512 KB1300-3800125000.18-.092000Pentium D56KB+4MB2800-3600376000.09-.0652005Core 2 Duo64KB+4MB1600-3000291000.0652006共七十三頁1-1-5 微型(wixng)計算機的分類1) 按構成分類2) 按CPU的字長分類3) 按主機裝置分類關于微型計算機的簡單(jindn)介紹共七十三頁1) 按構成(gu

20、chng)分類單片機、單板機、多板機 單片機 將CPU、內存、I/O接口電路全部集成一塊芯片上， 構成具備基本功能的計算機，稱單片機。 特點：超小型、高可靠性、價廉 應用：智能儀表、工業實時控制、家用電器等 產品：Intel 的8051、8096/8098系列 Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列關于微型計算機的簡單(jindn)介紹共七十三頁計算機應用通常分成(fn chn)如下各個領域科學計算，數據處理，實時控制計算機輔助設計，人工智能，由于微型計算機具有如下特點體積小、價格低工作可靠、使用方便、通用性強所以，可以分為兩個主要應用方向共

21、七十三頁用于數值計算、數據處理及信息管理方向通用微機，例如：PC微機功能越強越好、使用越方便越好用于過程控制及智能化儀器儀表方向專用微機，例如：單片機、工控機可靠性高、實時性強程序相對(xingdu)簡單、處理數據量小共七十三頁 單板機將CPU、內存、I/O接口及其它輔 助電路 全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。 特點：結構簡單、價廉 應用：過程控制、數據處理 產品：TP-801 以Z80CPU為核心的單板機 80年代各院校“微機原理”的實驗機關于(guny)微型計算機的簡單介紹共七十三頁 多板機 把CPU、內存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上， 各印刷板插在主機板的總線插槽上， 通過系統

22、總線連接起來，構成多板機。 特點：見前面微型計算機的特點 產品：IBM PC/XT/AT、486機、Pentium機等 90年代以來各院校“微機原理”和計算機硬件 的實驗機關于微型計算機的簡單(jindn)介紹共七十三頁2) 按CPU的字長(z chn)分類CPU的性能可以用兩個(lin )主要參數來描述：速度：用CPU的工作頻率表示，單位MHzCPU內部寄存器寬度：寄存器的位數寬度： 外部數據總線寬度：數據線的根數 地址總線寬度：地址線的根數 按CPU 的字長，微機可分為： 4位機、8位機、16位機、32位機、64位機CPU內部的寄存器寬度可用字長描述關于微型計算機的簡單介紹共七十三頁3)

23、按主機(zhj)裝置分類桌上型：臺式電腦便攜型：筆記本、掌上電腦等關于微型(wixng)計算機的簡單介紹共七十三頁1-2 微型(wixng)計算機系統組成存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU共七十三頁輸入設備運算器控制器輸入(shr)信息輸出設備輸出信息讀出讀出外存儲器寫入內存儲器寫入取出指令數據(shj)信息控制信息微型計算機CPU+內存+I/O接口外圍設備中央處理器 CPU微型計算機系統組成共七十三頁1-2-1 硬件(yn jin)部分微處理器：CPU 功能：取指令、分析指令、執行指令 組成： ALU：算術邏輯運算單元 控制(kngzh

24、)部件：控制(kngzh)核心 寄存器組：一種特殊的存儲器件，其存儲二進制數的位數通常與字長一致 內部數據通路：其寬度通常與字長一致 主要參數：字長、速度微型計算機系統組成共七十三頁外頻是CPU的基準頻率，單位也是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行(ynxng)速度。前端總線(FSB)頻率實質上表示了CPU和外界數據(shj)傳輸的速度。數據(shj)交換速度（FSB數據(shj)帶寬）/8。微處理器的幾個重要概念主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU內數字脈沖信號震蕩的速度。CPU的主頻外頻倍頻系數。CPU的主頻與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的 外頻與前端總線(FSB)頻

25、率的區別：前端總線的速度指的是數據傳輸的速度，外頻是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數據傳輸量是100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s。微型計算機系統組成共七十三頁IORQRESET數據總線緩沖器/鎖存器D15D0雙向數據總線標志(biozh)寄存器指令(zhlng)寄存器寄存器選擇鎖存器算術邏輯單元ALU十進制調整多路轉換開關通用寄存器陣列堆棧指針SP(16)指令指針IP(16)加1/減1地址鎖存器地址緩沖器A19A0地址總線累加器（16位）暫寄存器（16位） 指

26、令譯碼器定時與控制中斷請求寫讀I/O請求存儲器請求等待時鐘INTWRRDMREQWAIT內部數據總線微處理器典型結構共七十三頁存儲器： 功能：存放程序與數據 分類： 三級存儲體系：內存、外存、緩存Cache RAM與ROM：分別存放數據和程序 虛擬存儲器：通常由硬盤構成 組織形式： 存儲單元：以字節為單位 單元(dnyun)地址：一組二進制數 地址寬度與單元數量的關系：2n 主要參數 容量(rngling) 速度微型計算機系統組成共七十三頁微型(wixng)計算機系統組成各種( zhn)存儲設備共七十三頁I/O： 幾個容易混淆的概念： I/O設備：具體實現功能的外設，如顯示器 I/O接口：CP

27、U與外設之間的緩沖電路，如顯卡 I/O端口：接口電路中的一些寄存器 為什么要使用I/O接口？ 因為外設與CPU存在速度(sd)、信息種類、格式以及信號電平高低上的差異 端口地址：與存儲單元地址本質相同 端口種類：由CPU與外設之間傳送信息的類型決定 三類端口：數據端口、控制端口、狀態端口 端口寬度：由外設傳輸數據的能力決定微型(wixng)計算機系統組成共七十三頁 按信號的作用，總線分為(fn wi)三類： 地址總線、數據總線、控制總線 存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU總線：BUS，就是(jish)計算機各部件之間傳送信息的公共通道微型

28、計算機系統組成共七十三頁地址總線 AB ( Address Bus) ：單向用來傳送(chun sn)CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU微型(wixng)計算機系統組成共七十三頁地址總線的條數(tio sh) 決定CPU的尋址能力。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M32根 232 22 230 4G36根 236 26 230 64G微型(wixng)計算機系統組成共七十三頁數據總線 DB ( Data Bus )：雙向 用來在CPU與存儲器、I/O接口

29、之間進行(jnxng)數據傳送。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU微型(wixng)計算機系統組成共七十三頁數據總線的條數決定(judng)一次可最多傳送數據的寬度。 8 根 一次傳送(chun sn) 8位16 根 一次傳送 16位 32 根 一次傳送 32位 64 根 一次傳送 64位微型計算機系統組成共七十三頁控制總線(zn xin)CB ( Control Bus ) ： 用于傳送各種控制信號。 有的是CPU發出，如讀控制(kngzh)信號、寫控制(kngzh)信號； 有的是發向CPU，如外設向CPU發出的中斷申請信號。存儲器I/O接口輸