微机原理及应用PPT课件

典型机型：典型机型：IBM PCIBM PC系列机系列机基本系统：基本系统：8086CPU8086CPU和半导体存储器和半导体存储器I/OI/O接口电路及与外设的连接接口电路及与外设的连接硬件接口电路原理硬件接口电路原理软件接口编程方法软件接口编程方法区别区别本门课程的研究内容及其地位与作用本门课程的研究内容及其地位与作用研究内容：微机系统的基本组成与结构、工作原理及应用方法与技术。研究内容：微机系统的基本组成与结构、工作原理及应用方法与技术。本门课程在计算机知识结构中的地位与作用：本门课程在计算机知识结构中的地位与作用：学习方法建议学习方法建议n复习并掌握先修课的有关内容复习并掌握先修课的有关内容n课堂：听讲与理解、适当笔记。课堂：听讲与理解、适当笔记。n课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。n实验：充分准备、勤于动手实践。实验：充分准备、勤于动手实践。n8 8、学习资源、学习资源n钱晓捷之微服网钱晓捷之微服网 n微机原理远程教学微机原理远程教学 u钱晓捷钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术，陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1999.11999.1uBarry B.BreyBarry B.Brey著著 陈谊等译，陈谊等译，IntelIntel系列微处理器结构、编程和接口技术大全系列微处理器结构、编程和接口技术大全 80X8680X86、PentiumPentium和和Pentium ProPentium Pro，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1998.11998.1微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用第1章 微型计算机系统2第2章 微处理器内部结构4第3章 汇编语言基础4第4章 IA-32指令系统6第5章 控制转移和程序结构8第6章 微处理器外部特性4第7章 存储系统4第8章 输入输出接口4第9章 常用接口技术81 1、电子计算机发展简史、电子计算机发展简史（1 1）1946-19581946-1958第一代第一代:电子管计算机电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言、。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Electronic Numerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculator），），19461946年由美国宾夕法年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长尼亚大学研制，字长1212位，运算速度位，运算速度50005000次次/秒，使用秒，使用1880018800个电子个电子管、管、15001500个继电器，功耗个继电器，功耗150kw150kw，占地，占地170m170m2 2，重达，重达3030吨，造价吨，造价100100万美元。万美元。（2 2）1958-19641958-1964第二代第二代:晶体管计算机晶体管计算机磁芯作主存储器磁芯作主存储器,磁盘作磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。外存储器，开始使用高级语言编程。（3 3）1964-19711964-1971第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机半导体存储器，出半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。现多终端计算机和计算机网络。（4 4）1971-1971-第四代：大规模集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机出现微型计算机出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。、单片微型计算机，外部设备多样化。（5 5）1981-1981-第五代：人工智能计算机第五代：人工智能计算机模拟人的智能和交流方模拟人的智能和交流方式。式。第第1 1章章 微型计算机系统微型计算机系统2 2、计算机发展趋势、计算机发展趋势微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗高性能高性能 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、独立控制、故障分散、资源共享故障分散、资源共享)1.1 1.1 微处理器发展微处理器发展1.1.1 1.1.1 微处理器的历史微处理器的历史微处理器主要性能指标微处理器主要性能指标字长：字长：CPUCPU每个时间单位可处理的二进制的数据位数（如每个时间单位可处理的二进制的数据位数（如一次运算、传输）一次运算、传输）如：如：8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。时钟频率：时钟频率：表明表明CPUCPU的处理速度，反映了微处理器的基本的处理速度，反映了微处理器的基本时间单位。时间单位。相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数 如：如：100MHz100MHz、3.2GHz3.2GHz。集成度：集成度：表明微处理器的生产工艺水平，通常用芯片上表明微处理器的生产工艺水平，通常用芯片上集成的晶体管数量来表达。集成的晶体管数量来表达。实际上，微型计算机性能优劣由它的系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配备是否齐全等因素决定。只有综合各项指标，才能正确评价与衡量计算机性能高低。下面介绍几项主要评估指标。1.CPU1.CPU字长字长 计算机的字长决定了计算机内部一次可以处理的二进制代码的位数。它决定着计算机的通用寄存器、加法器、数据总线等部件位数，因此，它的长短直接影响硬件成本。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高。在完成同样精度的运算时，字长较长的计算机比字长短的计算机速度快。为了兼顾精度与硬件成本，有些计算机允许采用变字长运算。CPU字长是字节的整数倍，如8、16、32和64位等。一般情况下，CPU内部数据总线宽度和计算机对外的数据总线宽度是一致的。而有的CPU为了改进运算性能加宽了CPU的内部总线宽度，致使内部字长和对外数据总线宽度不一致。如Intel 8088微处理器就是内部总线宽度为16、而对外的数据总线宽是8位的芯片。对这类芯片称之为“准位”芯片。因此Intel 8088就称为准16位芯片。2.内存储器容量与速度内存储器容量与速度 内存储器容量是衡量它存储二进制信息量大小的一个重要指标。微型计算机中常用字节表示内存储器容量，如64 MB（兆字节）。内存储器容量常常有一个变化范围，同一型号微型计算机，能配备的内存储器容量大小也有一个变化范围。内存的速度用存取周期来衡量。存储器执行一次完整的读写操作所需要的时间称为存取周期。半导体集成电路存储器的存取周期目前约为几十纳秒（ns）。3.CPU指令执行时间指令执行时间 指令执行时间的长短反映了CPU运算速度的快慢。因为执行不同的指令所需的时间不同，这就产生了如何评估计算速度的问题。常用方法有两种：(1)根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度乘上不同系数，求得统计平均值。这里所指的运算速度为平均速度MIPS（Millions of Instructions Per second），即百万条指令秒作单位。(2)直接给出CPU的时钟频率(主频)。时钟频率在很大程度上决定了计算机的运算速度。如80486时钟频率在3366 MHz，Pentium则在60133 MHz，Pentium MMX CPU时钟频率为230 MHz以上。1.1.通用微处理器通用微处理器19711971年，美国年，美国IntelIntel公司研究并制造了公司研究并制造了I4004I4004微处理微处理器芯片。该芯片能同时处理器芯片。该芯片能同时处理4 4位二进制数，集成了位二进制数，集成了23002300个晶体管，每秒可进行个晶体管，每秒可进行6 6万次运算，成本约为万次运算，成本约为200200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的核心组成的MCS-4MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。算机的诞生。第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机Intel 4004第二代第二代中高档中高档8位机位机8080/8085、Z80、MC6800第三代第三代16位机位机Intel 8086、Z8000、MC6800第四代第四代32位机位机80386、80486第五代第五代64位机位机（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-2000）（2001后）后）特点：特点：1、芯片的发展遵循、芯片的发展遵循 摩尔定律摩尔定律2、速度越来越快。、速度越来越快。3、容量越来越大。、容量越来越大。4、功能越来越强。、功能越来越强。图片示例图片示例Apple-IApple-II8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机2.2.专用微处理器专用微处理器单片机，数字信号处理器单片机，数字信号处理器（1 1）单片机（微控制器，嵌入式处理器，）单片机（微控制器，嵌入式处理器，MCUMCU）采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器央处理器CPUCPU、随机存储器、随机存储器RAMRAM、只读存储器、只读存储器ROMROM、多种、多种I/OI/O口口和中断系统、定时器和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/DA/D转换器等电路）集转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。代表芯片：代表芯片：1976-19781976-1978：Intel MCS-48Intel MCS-481978-19821978-1982：MCS-51MCS-51 Atml AT89 Atml AT89 Microchip Technology PIC Microchip Technology PIC1982-1982-：MCS-96/98MCS-96/98（1616位）位）AT91AT91（3232位）位）单片机为工业测控而设计，具有三高优势单片机为工业测控而设计，具有三高优势(集成度高、集成度高、可靠性高、性价比高可靠性高、性价比高)。主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。仪表、通讯设备、家用电器等。特别适合于嵌入式微特别适合于嵌入式微型机应用系统。型机应用系统。单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。应用系统的硬、软件开发。数据总线DB用于传送数据信息，在CPU和存储器或IO接口等部件之间传输数据。数据总线的位数是一次能够传送数据的二进制位数，通常与微处理的字长相一致。地址总线AB是用来指定存储器或外设的具体单元，其位数决定了CPU可直接寻址的内存空间或外设范围的大小，比如16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。控制总线CB用来传送控制信号和时序信号，如读写信号，片选信号、中断响应信号、中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。5.Pentium1993年年内频120、133、166、200MHz，外频60、66MHz，32位结构，但外部数据总线64位，存取主存速度高。（1）采用超标量指令流水线结构，内部具有可并行工作的2条整数处理流水线。（2）双重分离式高速缓存，指令和数据缓存分开，各为8KB。（3）高性能的浮点运算器。包含了专用的加法、乘法、除法单元。（4）常用RISC指令直接用硬件电路实现，指令微代码改进。（5）分支指令预测。（6）与80X86系列微处理器完全兼容。7.Pentium II1999年Pentium MMX（带有MMX技术的Pentium）是在1996年底发布的，在原Pentium的基础上进行了重大的改进，特别是新增加了57条MMX多媒体指令，专门用来处理音频、视频等数据，可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间。Pentium II增大了一级缓存，采用双重独立总线结构，512KB L2缓存工作于CPU半速，封装在CPU外壳内部，不再像之前那样集成在主板上或者处理器内。Pentium II支持MMX（SIMD）指令8.Pentium III8.Pentium III19991999年，年，Intel Intel 发布了发布了Pentium IIIPentium III，在，在Pentium IIPentium II基础上基础上新增的SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。之后不久，Intel Intel 推出了Pentium III Coppermine，内建 256KB L2 全速缓存，该处理器的性能在Pentium III的基础上得到了进一步增强。9.Pentium 49.Pentium 4 2000年11月 微处理器性能的提高依赖于半导体工艺水平和先进体系结构，前者决定了芯片的集成度和可达到的时钟频率，后者决定了在相同的集成度和时钟频率下微处理器的执行效率。微处理器的内部结构称为微（体系）结构。Pentium 4Pentium 4采用全新的采用全新的NetBurstNetBurst微结构，超级流水微结构，超级流水线达线达2020级，开始支持级，开始支持SSE2SSE2指令集。指令集。SSE2SSE2指令集是在指令集是在SSESSE指令集的基础上发展起来的，指令集的基础上发展起来的，使用了使用了144144个新增指令，扩展了个新增指令，扩展了MMXMMX技术和技术和SSESSE技术，有技术，有效提升了效提升了CPUCPU运行性能。运行性能。相比于相比于SSE2SSE2，SSE3SSE3在在SSE2SSE2的基础上又增加了的基础上又增加了1313个额个额外的外的SIMDSIMD指令。指令。SSE3 SSE3 中中1313个新指令的主要目的是改进个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如多媒体和游戏。线程同步和特定应用程序领域，例如多媒体和游戏。80386PentiumPentium 4 微型计算机发展新技术微型计算机发展新技术 随着微电子技术和计算机技术的发展，一些新的思想、新的技术被陆续应用到微型计算机中，以下对这些新技术作简单的介绍。1.流水线技术流水线技术 为了提高微机的工作速度，可采用某些功能部件分离的方法，使大的顺序操作分解为由不同功能部件分别完成、在时间上重叠的子操作，这种技术称为流水线技术。例如，微处理器对取指和指令的译码执行这两个顺序操作进行了分离，分别由总线接口单元和执行单元来完成，使得它们在时间上可以重叠。即当一条指令正在执行单元中执行时，总线接口单元可能已经在取另一条指令了。在486微处理器中，采用5级流水线，从而大大提高了CPU的工作效率。2.高速缓存器高速缓存器 在CPU的所有操作中，访问内存是最频繁的操作。一般的微型计算机内存采用MOS型动态RAM构成，其工作速度要比CPU慢，加上CPU的所有访问都要通过总线这个瓶颈，所以缩短存储器的访问时间是提高计算机速度的关键。一般采用在CPU和内存之间加进高速缓冲存储器（Cache）的方法。高速缓冲存储器（Cache）由规模较小、速度与CPU相当的静态RAM构成。安排上一般有两种方法：采用静态RAM芯片构成外部Cache，安排在系统的主机板上；将Cache集成在CPU芯片内。当前，许多CPU在芯片内部安排了两级Cache。3.虚拟存储技术虚拟存储技术 虚拟存储技术是一种存储管理技术，目的是扩大面向用户的内存容量。一般情况下，系统除了配备一定容量的内存外，还配备了较大容量的辅助存储器（外存，如磁盘）。大量的程序和数据平时是存放在辅存中的，待使用时才调入内存。当程序的规模较大、而内存的数量相对不足时，编程者就必须作出安排，分批将程序调入内存。也就是说，要不断地用新的程序段来覆盖内存中暂时不用的老的程序段。所谓虚拟存储技术，就是采用硬件、软件相结合的方法，由系统自动进行这项调度。对于用户来说，可以放心地使用更大的虚拟内存，而不必过问实际内存的大小，并可得到与实际内存相似的工作速度。4.微程序控制微程序控制 微程序控制的基本思想是将指令操作分解为“微指令”序列，每一条微指令又包含若干可同时进行的微操作。微程序被固化在CPU中，在操作时根据机器指令不断取出微指令、执行微指令，从而实现指令的功能。5.精简指令系统精简指令系统 随着计算机功能的增强，CPU的指令越来越复杂，复杂的指令系统为编程带来方便和高效，但是实现的难度和出错的几率大大增加。程序中大量使用的是数据传送、算术运算、转移调用等为数不多的基本指令，其用量占到指令用量的80%以上。那些需要大量硬件支持的复杂指令，主要是为了提高工作效率而设计的，使用的机会不多，这样造成了资源的浪费。精简指令系统计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）的着眼点是增加内部寄存器的数量、简化指令和指令系统。RISC选用那些最常用的简单指令，使得指令数目减少，从而使指令的长度和指令周期进一步缩短。这样，以前由硬件和复杂指令实现的工作，由用户通过简单指令来实现，从而降低了硬件设计难度，有利于提高芯片集成度和工作速度。与精简指令系统计算机相应的是复杂指令系统计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）。6.多媒体技术多媒体技术 多媒体技术是指用计算机来存储、管理和处理多种信息和信息媒体，如数字、文字、声音、图像、动画和活动影像等。计算机中多媒体信息的处理可以通过软件或硬件的方法来实现。7.多处理器系统多处理器系统 为了进一步提高系统的工作速度和工作能力，一些系统采用多处理器结构。多处理器系统是指一个系统中同时有几个部件可以接受指令、并进行指令的译码操作。微型计算机系统微型计算机系统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器 (CPU)(CPU)软件软件外围设备外围设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器 (内存内存)RAMRAMROMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪)输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、)辅助存储器辅助存储器(磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘)输入输入/输出接口输出接口(PIO(PIO、SIOSIO、CTCCTC、ADCADC、DAC)DAC)(I/OI/O接口接口)总线总线 (AB(AB、DBDB、CB)CB)系统软件系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序监控程序)应用软件应用软件(科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理)程序设计语言程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路电源电路时钟电路时钟电路微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构定时电路微处理器(CPU)RAMROMI/O接口输出设备输入设备数据总线(DB)控制总线(CB)地址总线(AB)返回返回返回返回