微机原理与接口技术第1章.ppt
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微机原理与接口技术 第一章:绪论,贵州大学计算机科学 与信息学院,第一章:绪论,本课程学习的内容、学习目的 微型计算机的发展概况 微型计算机系统 微型计算机基本组成和各部件功能 I/O接口 总线 计算机数据格式 数制 计算机数据格式,2,3,内 容 提 要,本课程学习的内容、学习目的 微型计算机的发展概况 微型计算机的特点和应用 微型计算机系统简介 计算机数据格式,第一章 绪论,4,本课程学习的内容、学习目的,二、微机原理课程学习目的 通过该课程的学习,应能掌握微型计算机系统的硬件基本知识及应用实验技能,具有一定的微机应用系统的系统分析能力,并且也为后继课程的学习,打下微型机系统硬件方面的基础知识。,一、学习的内容,是一门研究微型计算机的基本工作原理以及微型计算机接口技术(如中断控制接口、定时/计数控制接口、DMA控制接口、并行/串行通信接口、模拟接口等)的课程。,5,冯诺依曼体系结构,能把需要的程序和数据送至计算机中。 (输入) 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运 算结果的能力。 (存储) 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加 工处理的能力。 (运算) 能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机 器的各部件协调操作。 (控制) 能够按照要求将处理结果输出给用户。(输出),简单地讲,微型计算机系统的工作过程是取指令(代码)分析指令(译码)执行指令的不断循环的过程。,6,计算机的五大基本组成部件,运算器、控制器、存储器、输入/输出设备(接口),7,1-1 微型计算机的发展概况,1946年电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)在美国(宾夕法尼亚大学)诞生。,一、计算机的发展简史,它装有 18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关,重达30吨,占地面积170多平方米,耗电150千瓦 。,1-1 微型计算机的发展概况 计算机的发展简史,缺点:体积大、功耗大、发热厉害、寿命短,8,1-1 微型计算机的发展概况 计算机的发展简史,第一代计算机:电子管计算机 1946年 以电子管为逻辑元件 操作指令为特定任务而编制,各不相同的机器语言,功能受限,速度慢; 使用真空管和磁鼓储存数据; 可完成5000次/秒的加法运算;,计算机发展经历四代:,第二代计算机:晶体管计算机 1958年 以晶体管为逻辑元件 降低了成本和体积; 提供了运算速度;,第三代计算机:集成电路计算机 1965年 以中、小规模集成电路为逻辑元件 体积进一步缩小; 配有各类操作系统,性能极大提高;,第四代计算机:大规模集成电路计算机 1970年 以超大规模集成电路为逻辑元件 微型机代表; 1971年,第一台微型计算机诞生,9,二、微型计算机的发展,第一代微处理器:1971年 (4位和8位微处理器),计算机发展经历五代。,第二代微处理器:1973年 (8位微处理器),第三代微处理器:1978年 (16位微处理器),第四代微处理器:1983年 (32位微处理器),第五代微处理器:1983年 (64位微处理器),1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,摩尔定律:随着技术的发展,每18到24个月,相同空间内的晶体管数量就会增加一倍。,10,第一代微处理器:1971年 (4位和8位微处理器),典型产品: Intel 4004(71年,4位微处理器), Intel 8008(72年,8位微处理器) 特点: 工艺 :PMOS 集成度: 2000只晶体管片 时钟频率:小于lMHz 平均指令执行时间:10-15s 采用机器语言编程。,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,Intel 8008,Intel 4004,15:09,11,第二代微处理器:1973年 (8位微处理器),典型产品: Intel 8080(73年), Motorola MC6800(74年), Zilog Z80(75年), Intel 8085(76年) 特点: 工艺 :NMOS 集成度: 9000只晶体管片 时钟频率:l-4MHz 平均指令执行时间:1-2s 有中断和DMA等功能,指令系统相对完善,并具有汇编语言和高级语言(BASIC、FORTRAN语言)的操作系统。,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,Motorola 6800,12,第三代微处理器:1978年 (16位微处理器),典型产品: Intel 8086(78年) Zilog Z8000(79年) Motorola 68000(79年) Intel 80286(83年) Motorola 68010(83年) 特点: 工艺 :HMOS 集成度: 2万-7万只晶体管片 时钟频率:4-25MHz 平均指令执行时间:0.5s 具有丰富的指令系统,采用多级中断,多重寻址方式,有段寄存器结构,配有磁盘操作系统,数据库管理系统和多种高级语言,性能超过了70年代的中低档小型机水平。,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,Intel 8086,Intel 80286,13,第四代微处理器:1983年 (32位微处理器),典型产品: Zilog Z80000(83年) Motorola 68020(84年) Intel 80386(85年) Intel 80486(89年) Motorola 68040(89年) 特点: 工艺 :CHMOS 集成度: 15万-50万只晶体管片 时钟频率:16-40MHz 平均指令执行时间:0.1s 其中,80386CPU数据总线和地址总线均为32位,寻址能力高达4G字节,采用段页式存储器管理机制,提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流水线,即取指令,译码,内存管理,执行指令和总线访问并行操作。有快速局部总线,有一套支持的配件。,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,Intel 80386,Intel 80486,14,第五代微处理器:1993年 (64位微处理器),典型产品: Intel:Pentium 586(93年), Intel:pentium Pro P6(96年),Power PC(96年) 第五代微处理器使人们对图形图象,实时视频处理,语音识别,CAD/CAM,大规模财务分析,大流量客户机服务器应用等成为可能。,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,Intel Pentium,Intel Pentium II,Intel Pentium III,Intel Pentium IV,15,1-1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展,16,1-2 微型计算机的特点和应用,一、微型计算机的特点,体积小,功耗低 可靠性高,使用环境要求低 系统外部芯片配套,系统设计灵活 性能优良,价格低廉,1-2 微型计算机的特点和应用 微型计算机的特点,17,二、微型计算机的应用,科学计算 信息处理 计算机控制 智能仪器 计算机通信 家用电器 CADCAM/CAl,1-2 微型计算机的特点和应用 微型计算机应用,18,1-3 微型计算机系统,一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统,微处理器(Microprocessor) 只是一个中央处理器(CPU),由以下几部分组成:运算器,寄存器,控制器,内部总线。 运算器:即算术逻辑部件(ALU)。 寄存器组:用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。 控制器:控制逻辑部件。负责对整机的控制,使CPU内部、外 部协调工作。 内部总线:总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。 (如下图所示),1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,19,微处理器只是一个中央处理器(CPU),由以下几部分组成:运算器,寄存器,控制器,内部总线。,1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,注意:微处理器不能构成独立的工作系统,也不能独立执行程序。需配有存储器、输入/输出接口。,20,微型计算机,微型计算机的组成: CPU 存储器(RAM,ROM) 输入输出接口电路 系统总线,冯.诺依曼计算机的工作原理可概述为: “存储程序” + “程序控制” 以二进制表示数据和指令(程序) 先将程序存入存储器中,再由控制器自动读取并执行,1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,21,1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,注意:微型计算机具有运算功能,可独立执行程序。但若没有输入/输出设备,则数据无法输入,结果亦无法显示或输出,还是不能正常工作。,微型计算机框图及应用图:,22,1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,23,微型计算机系统(P7 图1.3),微型计算机系统的构成:微型计算机外部输入输出设备系统软件,1-3 微型计算机系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,24,ALU 寄存器 控制部件,系统软件:DOS、Windows 95/98/2000 应用软件:WPS 、 Word、Photoshop,微 处 理 器 CPU 存储器(RAM,ROM) I/O接口 总线,硬 件 软 件,微型计算机系统,微 型 计算机 (主机),外 设,键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪,概念对照 微处理器、微型计算机、微型计算机系统,1-3 微型计算机系统 概念总结,25,二、存储器,总线:计算机系统中,各个部件之间传送信息的公共通路。,内部存储器:主要是半导体存储器,分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。 外部存储器:主要是磁记录存储器,如硬盘、软盘、磁带。,1-3 微型计算机系统 存储器,内存储器,外存储器,微型机的性能指标有哪些?,1-3 微型计算机系统 I/O接口,8259A:可编程中断控制器。 8254:可编程计数/定时器。 8255:可编程并行接口芯片。 8251A:可编程串行接口。 8237A:可编程DMA控制器。,输入/输出接口电路用于CPU(或存储器)与外设之间的信息交换。,A/D,D/A:模/数和数/模转换芯片。,15:09:35,26,27,三、总线,总线:计算机系统中,各个部件之间传送信息的公共通路。,总线分类:内部总线、外部总线(元件级总线)、系统总线(板级总线)、局部总线。,1-3 微型计算机系统 总线,28,内部总线,内部总线:是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。 内部总线: 单总线结构 双总线 三总线结构 其中单总线结构有利于集成度的提高及成品率的提高,且由于面积和引脚所限,该类总线居多; 双总线或三总线结构有利于内部数据传送速度加快。,1-3 微型计算机系统 总线,29,元件级总线(或外部总线),元件级总线:连接计算机系统中两个主要部件的总线。,1-3 微型计算机系统 总线,地址总线:CPU存储器、I/O端口,三态单向;地址总线的位数决定CPU可直接 寻址的内存容量,如:16位(216=64K), 20位(220=1M)。 数据总线: CPU存储器、外设,三态双向;数据总线位数微处理器位数。 控制总线:传输控制信号,方向随信号而变化; CPU存储器、I/O端口:读/写信号; 存储器、I/O端口 CPU:复位、中断信号。,30,系统总线(或板级总线),系统总线(或板级总线) :连接各模块、板之间的总线 。,1-3 微型计算机系统 总线,31,系统总线实物图:,系统总线,1-3 微型计算机系统 总线,32,4.外部总线,外部总线:用于微处理机系统与系统之间,系统与外部设备之间的信息通路。 如: USB总线 IEEE1394总线。,1-3 微型计算机系统 总线,5.总线结构,1)单总线 优:控制简单;易于扩充系统配置I/O设备。 缺:数据传输量受限。 2)面向CPU的双总线 优:提高了微机系统的数据传送效率。 缺:外设与主存之间没有直接通路,降低了CPU的工作效率。 3)面向主存储器的双总线结构 优:提高了信息传送效率,不降低CPU工作效率。,33,局部总线实物图:,1-3 微型计算机系统 总线,34,将CPU、存储器、I/O接口电路全部集成一块芯片上,构成具备基本功能的计算机,称单片机。 特点:超小型、高可靠性、价廉 应用:智能仪表、工业实时控制、家用电器等 产品:Intel 的8051、8096/8098系列 Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列,三、单片机和单板机,单片机,1-3 微型计算机系统 单片机、单板机,35,单板机,将CPU、存储器、I/O接口及其少量的输入/输出设备(如键盘、显示等)等全部装在一块印刷电路板上,组成单板机。 特点:结构简单、价廉 应用:过程控制、数据处理、教学实验 产品:TP-801 以Z80CPU为核心的单板机,1-3 微型计算机系统 单片机、单板机,1-4 计算机数据格式,(一) 十进制ND 有十个数码:09,逢十进一。 例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1 加权展开式以10称为基数,各位系数为09,10i为权。 一般表达式: ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+,一、数的表示,(二) 二进制NB 两个数码:0、1, 逢二进一。 例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数,各位系数为0、1, 2i为权。 一般表达式: NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+,(三)十六进制NH 十六个数码09、AF,逢十六进一。 例:DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以十六为基数,各位系数为09,AF,16i为权。 一般表达式: NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+,二、不同进位计数制之间的转换,(一)一个R进制的数转换成十进制数的方法: 按权展开,先乘后加 举例: 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625D 0DFC.8H=13162+15161+12160+816-1 = 3580.5D,(二)二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ,四位二进制数对应一位十六进制数。 举例:,3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 1110101111.001B 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH,(三)十进制数转换成二、十六进制数,整数、小数分别转换 1.整数转换法 “除基取余”:十进制整数不断除以转换进制基数,直至商为0。每除一次取一个余数,从低位排向高位。举例:,例:39转换成二进制数 39 =100111B 2 39 1 ( b0) 2 19 1 ( b1) 2 9 1 ( b2) 2 4 0 ( b3) 2 2 0 ( b4) 2 1 1 ( b5) 0,例:208转换成十六进制数 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0,2. 小数转换法 “乘基取整”:用转换进制的基数乘以小数部分,直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数,从最高位排到最低位。举例:,1. 0.625转换成二进制数 0.625 2 = 1.250 1 (b-1) 0.25 2 = 0.5 0 0 (b-2) 0.5 2= 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B,2. 0.625转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH 3. 208.625 转换成十六进制数208.625 = D0.AH,三、带符号数的表示方法,机器中,数的符号用“0”、“1” 表示。 最高位作符号位,“0”表示“+”,“1”表示“-”。,机器数:机器中数的表示形式。 真值: 机器数所代表的实际数值。 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下: 真值: X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数:X1机= 01010100 X2机= 11010100,(一)机器数与真值,最高位为符号位,0表示 “+”,1表示“”。 数值位与真值数值位相同。 例 8位原码机器数: 真值: x1 = +1010100B x2 = 1010100B 机器数: x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 原码表示简单直观,但0的表示不唯一,加减运算复杂。,1、原码(True Form),(二)原码、反码、补码,正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为 1,数值位为原码数值各位取反。 例 8位反码机器数: x= +4: x原= 00000100 x反= 00000100 x= -4: x原= 10000100 x反= 11111011,2、反码(Ones Complement),3、补码(Twos Complement),正数的补码表示与原码相同。 负数补码等于2nabs(x),例:求 8位补码机器数: x=+4 x原=x反=x补= 00000100 x=-4 x原 = 10000100 x反 = 11111011 x补 = 10000000000000100 = 11111100,补码反码加1。 补码表示的优点: 0的表示唯一,加减运算方便。,8位机器数表示的真值,四、 二进制编码,例:求十进制数876的BCD码 876= 1000 0111 0110 BCD 876= 36CH = 1101101100B,1、BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示的十进制数。,53,课堂小结,微处理器 微型计算机 微型计算机系统 单片机 单板机 总线,重点:,微机发展史、特点; 明确几个概念,作业:,- 配套讲稿:
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