微机原理与应用课件

*,*,School of Electrical Engineering,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微机原理与接口技术,微机原理与接口技术,1,微机,原理,及,接口,技术,课程介绍,典型机型：,IBM PC,系列机,基本系统：,8086CPU,和半导体存储器,I/O,接口电路及与外设的连接,硬件接口电路原理,软件接口编程方法,微机 原理 及 接口 技术课程介绍典型机型：IBM PC系列,2,课程目标,微型计算机的基本工作原理,汇编语言程序设计方法,微型计算机接口技术,建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,课程目标微型计算机的基本工作原理,3,学习解决问题的思路,硬件系统设计注意事项，软件设计技巧,电力系统中的应用,各种设备、监控系统、控制系统,进一步深造（,学习方法更为重要,）,上位机软件、嵌入式软件,（,DSP,、,ARM,）,课程意义,学习解决问题的思路课程意义,4,第,1,章 微型计算机基础概论,1.1,微型计算机系统的发展,1.2,微型计算机系统的结构,1.3,微型计算机系统的硬件结构,第1章 微型计算机基础概论1.1 微型计算机系统的发展,5,微型计算机系统的发展,1946,年，世界上出现第一台数字式电子计算机,ENIAC,（电子数据和计算器）,发展到以大规模集成电路为主要部件的第五代，产生了微型计算机；,微型计算机自,20,世纪,70,年代问世以来伴随着微电子学的发展，按,CPU,的字长和功能划分，她大致经历了,5,代演变。,微型计算机系统的发展 1946年，世界上出现第一,6,计算机鼻祖,ENIAC,计算机鼻祖ENIAC,7,微型计算机代数划分准则：字长；频率,基础：大规模集成电路技术的发展,特征：密度,工艺,微型计算机的代数及划分,微型计算机代数划分准则：字长；频率微型计算机的代数及划分,8,第一代,(1971-1973,PMOS,工艺,，,2300,晶体管，,1MHz,),：,4,位和,8,位低档微机,以,INTEL,公司的,4004,、,4040,、,8008,微处理器组成的微机为代表。,威廉,.,肖克利（,1956,年诺贝尔奖得主）,摩尔及诺伊斯（,Traitorous Eight,）,摩尔定律,哥创建的是,1968,的,Intel,造就了,1969 AMD,（桑德斯）,只有偏执狂才能生存（安迪,.,格鲁夫）,第一代(1971-1973,PMOS工艺，2300晶体管，,9,第三代,(1978-1984),:,16,位,微机,(,HMOS,29000,只晶体管，,5,，,8,，,10,MHz,),以,8086,、,8088,、,80286,、,MC68000,、,Z800,微处理器组成的微机为代表,如,IBM PC,机系列,第二代,(1974-1978),:,8,位,中档微机,（,NMOS,4500,晶体管,2,MHz,）,以,INTEL,公司的,8080,、,8085,，,Motorola,公司的,MC6800,Zilog,公司的,Z80,微处理器组成的微机为代表（费金）。,如,Apple-II,微机,第三代(1978-1984):16位微机(HMOS,290,10,第五代：,64,位微机,Itanium,、,64,位,RISC,微处理器芯片，酷睿（,65nm,）,微机服务器、工程工作站、图形工作站,四核,Q,E,系列、六核处理器,X5680,第四代,(1985-,至今,),:,32,位微机（,CHOMS,27.5,万,只，,120,万,只晶体管）。,80386,、,80486,、,Pentium,、,Pentium II,（亚微米,CMOS,）、,Pentium III,（,0.25,微米）,、,Pentium 4,32,位,PC,机、,Macintosh,机、,PS/2,机,第五代：64位微机第四代(1985-至今):32位微机（C,11,第一代微机代表,4004,1971,年,，,Intel,开创微型计算机新纪元,第一代微机代表40041971年，Intel开创微型计算机,12,第二代微机代表,8080,Born in,1974,第二代微机代表8080Born in 1974,13,大树下面好乘凉,8088,1978,年，,Intel,公司首次生产出,16,位的微处理器，并命名为,i8086,，一年后推出,8088,。,大树下面好乘凉80881978年，Intel公司首次生产出,14,第三代,CPU,领导核心,80286,1982,年,Intel,推出了划时代的最新产品,80286,芯片,PLCC,封装,（,Plastic Leaded Chip Carrier,）,，,CPU,的内部含有,13.4,万,个晶体管，时钟频率由最初的,6MHz,逐步提高到,20MHz,。,第三代CPU领导核心802861982年Intel推出了划,15,哈勃：一个,80486,引发的血案,1985,年,Intel,推出了,80386,芯片,1989,年，,Intel,推出,80486,芯片，它实破了,100,万,个晶体管的界限，集成了,120,万,个晶体管。,80486,的时钟频率从,25MHz,逐步提高到,33MHz,、,50MHz,。,哈勃：一个80486引发的血案1985年Intel推出了80,16,一颗奔腾的心,Intel,的第一代品牌,CPU,，,Pentium,，采用,PGA,（,Pin Grid Array Package,，格栅阵列封装）封装方式。,一颗奔腾的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采,17,64,位,新纪元,Itanium,2001,年英特尔发布了,Itanium,(,安腾,),处理器。,Itanium,处理器是英特尔第一款,64,位,元的产品，,Itanium,2,具有,6.4,GB/sec,的系统总线带宽、高达,3MB,的,L3,缓存。,64位新纪元Itanium2001年英特尔发布了Itani,18,32,纳米的强人,X5680,首批采用,32nm,第二代高,K,金属栅极,(HKMG),工艺制造的服务器和工作站芯片，集 成,11.7,亿,个晶体管，核心面积,248,平方毫米,。,六核心十二线程、主频,3.33,GHz,、三级缓存,12MB,、,QPI,总线频率,6.40,GT/s,、热设计功耗,130W,32纳米的强人X5680首批采用32nm第二代高K金属栅,19,内核照片,六核心,内核照片六核心,20,IBM PC,系列机,8088CPU,IBM PC,机,IBM PC/AT,机,IBM PC/XT,机,IBM PC系列机8088CPUIBM PC机IBM PC/,21,Apple,微型计算机,Apple-I,Apple-II,Apple微型计算机Apple-IApple-II,22,微型计算机系统的应用及意义,用于数值计算、数据处理及信息管理方向,通用微机，例如：,PC,微机,用于过程控制及智能化仪器仪表方向,专用微机，例如：,单片机、工控机,游戏,2010,年规模为,21,亿,美元,微型计算机系统的应用及意义用于数值计算、数据处理及信息管理方,23,微型计算机系统的结构,冯,.,诺伊曼,(John von Neumann),结构：,冯,.,诺伊曼提出的,“,存储程序,”、“,程序控制,”的概念奠定了现代计算机结构的基础,“,存储程序,”指将指令、数据以二进制形式存入计算机的存储器中。,“,程序控制,”指计算机自动取出并执行存储器中的指令、完成预定的操作。,哈佛结构是一种将,程序指令存储,和,数据存储,分开的存储器结构,哈佛结构：,微型计算机系统的结构冯.诺伊曼(John von Neum,24,运算器,进行算术和逻辑运算的部件（,arithmetic logic unit,，简称,ALU,）,控制器,产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。,存储器,用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器或内存。,微型计算机主要组成部分（,1,）,运算器控制器存储器微型计算机主要组成部分（1）,25,微型计算机主要组成部分（,2,）,输入设备,通过,I/O,接口,将程序和数据输入内存。,输出设备,CPU,通过,I/O,接口,将运行结果及程序、数据送到输出 设备上。,I/O,接口,是,CPU,与,输入,/,输出设备,进行数据交流的中介电路。,微型计算机主要组成部分（2）输入设备,26,冯,.,诺依曼结构计算机,以运算器为核心、以,存储程序原理,为基础,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令驱动,指令流,控制命令,数据流,冯.诺依曼结构计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算,27,指令的执行过程,1,、指令地址赋给,PC,并发送到地址寄存 器,AR,2,、,PC,自动,加,1,3,、,AR,-,地址总线，选中相应单元,4,、,CPU,的控制器发出读命令,5,、地址中的指令读到数据总线上,6,、读出的内容,数据寄存器,7,、译码，指令寄存器,IR,指令译码器,ID,指令的执行过程1、指令地址赋给PC并发送到地址寄存 器A,28,几个主要概念的区别,微处理器,（,Microprocessor,）,一个,大规模集成电路芯片,内含控制器、运算器和寄存器等,微机中的核心芯片,微型计算机,（,Microcomputer,）,通常指微型计算机的硬件系统,一般的说法：微机、微型机,微型计算机系统,（,Microcomputer system,）,指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,几个主要概念的区别微处理器（Microprocessor）,29,微机的主要指标,(1),字长,指参与运算的数的基本位数，它影响着计算机的计算精度和运算速度。,计算机的字长取决于,CPU,的字长。,微机的字长通常为,4,、,8,、,16,、,32,、,64,位。,主存（内存）容量,内存容量通常以字节,(Byte),作为基本单位,1 byte=8 bit,（位）,1T=2,40,byte,1KB=2,10,byte 1P=2,50,byte,1MB=2,20,byte,1GB=2,30,byte,运算速度,以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标，计量单位为,MIPS,（,Million Instruction Per second,每秒百万条指令）,微机的主要指标(1)字长,30,微机的主要指标,(2),内核数目,即机器的,主时钟频率,，取决与,微处理器的频率,。,高速缓存,L1 Cache,L2 Cache,L3 Cache,微机的主要指标(2)内核数目,31,微机的主要指标,(3),主频率,即机器的,主时钟频率,，取决与,微处理器的频率,。,平衡,软件与硬件的平衡,性能与,价格,的平衡,应用与性能的平衡,平均无故障时间,超级计算机,嵌入式系统,微机的主要指标(3)主频率,32,星云超级计算机（工具,or,玩具）,峰值,达到每秒,3000,万亿,次（,3,PFlops,），,Linpack,达到,1.27,petaflop,每秒钟可进行,1270,万亿,次浮点运算,光信息产业（北京）有限公司、,中国科学院计算技术研究所、,国家超级计算深圳中心共同研制,核模拟、航母、大飞机、气象、超新星等等,星云超级计算机（工具or玩具）峰值达到每秒3000万亿次（3,33,星云超级计算机,星云超级计算机,34,美洲豹超级计算机,美洲豹超级计算机,35,微型计算机系统的硬件结构,CPU,存储器,ROM,存储器,RAM,I/O,接口,I/O,设备,地址总线,(AB),数据总线,(DB),控制总线,(CB),微型计算机系统的硬件结构CPU存储器存储器I/OI/O地址总,36,8086CPU,的结构,16,位,外部总线,ALU,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,CS,DS,SS,ES,IP,内部暂存器,1,5,4,2,3,6,运算暂存器,标志寄存