微型计算机的基本概念.ppt

第1章 微型计算机的基本概 念 第1节 概述 第2节 微处理器 第3节 存储器 第4节 输入输出接口电路 课本P4 1 第1节 概述 一、计算机的发展概况 1946-1958: 第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言 汇编语言编程。世界上第一台数字计算机ENIAC 。 1958-1964: 第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器, 磁盘 作外存储器，开始使用高级语言编程。 1964-1971: 第三代集成电路计算机。使用半导体存储器， 出现多终端计算机和计算机网络。 1971- : 第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算 机、单片微型计算机，外部设备多样化。 1981- : 第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流 方式。 课本P4 2 世界上第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)， 由美国宾夕法尼亚大学于1946年研制成功并投入使用。 爱尼亚克 3 4 5 6 二、计算机发展 趋势 微型化 便携式、低功耗 巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量 、高速度 智能化 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 便于各种计算机硬、软件兼容和 升级 网络化 网络计算机和信息高速公路 多机系统 大型设备、生产流水线集中管理(独立控 制、故障分散、资源共享) 课本P4 Apple电脑为什么不流行？ 计算机的智商有多高？ 7 三、计算机的应用概况 1 1科学计算：人造卫星轨迹， 天气预报等 2数据处理 ：企业管理、情报检索等 3自动控制 ：航天飞行、火星探测等现场控制等 4辅助设计和制造 5系统仿真 6智能模拟 7计算机网络与信息高速公路 课本P4 8 一、微型计算机的组 成 1、计算机的基本结构 微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成: 输入设备运算器输出设备 控制器存储器 课本P5 图1-1 计算机结构 9 这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成： 多板机 主板 显卡 声卡 存储器接口 网卡 输入输出接口 内存条CPU 课本P5 10 2、计算机主要技术 指标 字长： CPU并行处理二进制的数据位数 8位机、16位机、32位机和64位机。 内存容量：内存存储单元数 容量单位：1K=210=1024，1M=220=1KK 8K、64K、16M、64M。 运算速度：CPU处理速度 时钟频率、主频、每秒运算次数 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、 300MHz。 内存存取周期：内存读写速度 50nS 、70nS 、200nS 。 课本P5 11 3、微型计算机结构 图1-2 微型计算机结构 课本P5 12 4、微型计算机系统 微型计算机系统 硬件 微型计算机 （主机） 微处理器 (CPU) 软件 外围设备 运算器 控制器 存储器 (内存) RAM ROM 外部设备 辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘) 输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口) 总线 (AB、DB、CB) 系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序) 应用软件(科学计算，工业控制，数据处理) 程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言) 电源电路 时钟电路 课本P5 图1-7 13 单板机 CPU CPU芯片 内存条 存储器接口 存储器芯片 输入输出接口 输入输出接口 芯片 定时计数器 芯片 A/D、D/A 芯片 印 刷 电 路 板 什么是单板机？ 课本P7 将微处理器、存储器、I/O接口电 路以及简单的输入、输出设备组装在一 块印制电路板上，称为单板微型计算机 ，简称单板机。 14 单 硅 晶 片 CPU存储器 控制电路定时器时钟电路 I / O口 单片机 什么是单片机？ 课本P7 将微处理器、存储器、 I/O接口电路集成在一块芯片 上，称为单片微型计算机。 15 单片机简 介 单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具 有三高优势(集成度高、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 能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适 合于嵌入式微型机应用系统。 单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机 (CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微 型机。 16 单片机的应用 u 军事技术 通常在这些电子系统的集中显示系统、动力监测 控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视 器（黑匣子）都会用到单片机技术。 17 u 人工智能 工业机器人的控制系统由中央控制器、感觉系统 、行走系统、擒拿系统等节点构成的单机或多机网 络系统。而其中的每一个小系统（如数据采集、远 程监控系统）都是由单片机进行控制的。 18 u 工业控制 单片机的应用为传统的仪器仪表行业的产品“更新换代”提 供了非常理想的条件。目前各种变送器、电器测量仪表普遍 采用单片机系统代替原来的测量系统，使测量系统的各种功 能如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音等功能得以 实现。 19 u 消费类电子产品 电信方面 20 单片机开发 系统 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。 21 单片机发展 概况 1976-1978 初级8位单片机 Intel MCS-48 系列 1978- 高档8位单片机 Intel MCS-51系列： -51子系列：8031/8051/8751 -52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31高性能型80C252廉价型 89C2051/1051 1983- 16位单片机 Intel MCS-96 系列 8098/8096、80C198/80C196, DSP 32位单片机 ARM 绪论 22 二、微型计算机 软件 软件是指使用和管理计算机的各种程序（Program），而程 序是由一条条指令（Instruction）组成的。 1.指令：控制计算机进行各种操作的命令。 ADD A, #38 操作码 目的操作数 源操作数 2.程序：一系列指令的有序集合。 MOV A, #63 ADD A, #56 ADD A, #36 课本P7-8 23 高级语言: 汇编语言: 机器语言:用二进制代码表示指令和数据。 用助记符表示指令操作功能，用标号表示操作对象。 独立于机器，面向过程,接近自然语言和数学表达式。 3.机器语言、汇编语言和高级语言 课本P8 高级语言 汇编语言 机器语言 汇编反汇编 源程序 目标程序 面向过程 面向机器 *.c *.asm *.bin或*.hex 24 三、计算机的 数 一. 十进制ND 有十个数码09、逢十进一。 十进制用于计算机输入输出，人机交互。 二. 二进制NB 两个数码:0、1, 逢二进一。 二进制为机器中的数据形式。 三. 十六进制NH 十六个数码:09, AF, 逢十六 进一。 十六进制用于表示二进制数。 不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带 下标。 如:101、101D、101B、101H、101H 1.进位计 数制 二进制：Binary 十进制：Decimal 十六进制：Hexadecimal 课本P10 25 课本P12 26 一. 十进制ND 符号集：09 规则：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。 一般表达式： ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+ 27 二. 二进制NB 符号集：0、1 规则：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。 一般表达式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+ 课本P11 28 三.十六进制NH 符号集：09、AF 规则：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。 一般表达式： NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160 + h-116-1+ 课本P11 29 2. 不同进制数之间的 转换 先展开，然后按照十进制运算法则求和。 举例： 1011.1010B=123+121+120+12-1 +12-3 =11.625 DFC.8H=13162+15161+12160+816-1 = 3580.5 （一）二、十六进制数转换成十进 制数 课本P11-12 30 （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 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C 课本P12 31 （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： 1. 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 2. 208转换成十六进制 数 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0 课本P13 如何利用计算机进行快速转换？ 32 “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) 2 0.5 0 0 (b- 2) 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 2.小数转换法 课本P15 33 3.带符号数的表 示 在字长为8位的微型计算机中，一个数用8位二 进制数表示，从0000 0000B、 0000 0001B到1111 1111B，表示的无符号数值从0、1到255。 在计算机中，符号“”、“”要用1位二进制数表 示。8位微型计算机中约定，最高位D7表示符号，其 他7位表示数值。D7=1表示负数，D7=0表示正数。 符号位数值位 图110 8位微机中的带符号数 课本P16 34 将数“数码化”，原数前“+”用0表示，原数前 “-”用1表示，数值部分为该数本身，这样的机器数 叫原码。 如，+3原 = 00000011B -3原 = 10000011B 0有两种表示方法：00000000 +0 10000000 -0 原码最大、最小的表示：+127、-128 课本P17 一个带符号数在计算机中可以分别用原码、反码 或补码三种方法表示。习惯上，把计算机中存放的数 称作机器数。原码、反码和补码都是机器数。 （1）原码 35 正数的反码表示与正数的原码相同；负数的反码 由其绝对值按位求反得到。 X反 = X （X0） -4反=11111111-00000100= 11111011 B 反码范围：-128 +127 两个0： +0 00000000 B -0 11111111 B 课本P18 （2）反码 36 规定：正数的补码等于原码，负数的补码求法：反码 + 1。 如，+3补 = +3原 = 00000011 B -3补 = -3反11111 1100 11111 1101B 8位补码的范围 128 +127。 0 的个数：只一个，即00000000。 而10000000 B是-128的补码。 12 3 补码的概念：现在是下午3点，手表 停在12点，可正拨3点，也可倒拨9点。 即是说-9的操作可用+3来实现，在12点里 ：3、-9互为补码。 （3）补码 课本P18 37 运用补码可使减法变成 加法 例：求y=99-58=? y补 99补+ -58补 99补=0110 0011B -58补=1100 0110B 0110 0011 + 1100 0110 1 0010 1001 y补0010 1001B D7=0，说明y是正数，因此 y=y补0010 1001B=41 微型计算机中的带符号数采用补码表示后，运 算器中只设置加法器，这样便简化了硬件结构。 课本P18 38 表1-4 八位二进制数所能表示的数据范围 机器数 无符号数 原码 反码 补码 00000000 0 +0 +0 +0 00000001 1 +1 +1 +1 . . . . . 01111111 127 +127 +127 +127 10000000 128 -0 -127 -128 10000001 129 -1 -126 -127 . . . . . . . . . . 11111110 254 -126 -1 -2 11111111 255 -127 -0 -1 课本P18 39 5.二进制编码的十进制 数 例：求十进制数876的BCD 码 876BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 11 0110 1100B BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示的十进制 数。 （1）二-十进制数 表1-5 课本P21 40 （2）十进制 调整 计算机实际按二进制法则计算，加入十 进制调整操作，可计算BCD码。 十进制调整方法：当计算结果有非BCD码 或产生进位或借位，进行加6或减6调整。 例：计算BCD码 48+69=？ 0100 1000 78BCD + 0110 1001 + 69BCD 1011 0001 产生非BCD码和半进位 + 0110 0110 +66H 调整 1 0001 0111 带进位结果：117 课本P21 41 6.ASC II码 计算机能识别0、1、0、1、；这些0、1、0 、1、有的代表数值，有的仅代表要处理的信息 （如字母、标点符号、数字符号等文字符号），所 以，计算机不仅要认识各种数字，还要能识别各种 文字符号。人们事先已对各种文字符号进行二进制 数编码。 如，美国标准信息交换代码ASCII码，用一 个字节表示一个字符。低7位是字符的ASCII码值； 最高位是通信时的校验位。 American Standard Code for Information Interchange 课本P22 42 43 第四代计算机中微处理器的发展：Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一 块4位芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世， 微处理器和微机时代从此开始。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包 括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器 芯片和4004微处理器） 第2节 微处理器 课本P22 44 40 04 4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计 算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 45 8 0 0 8 1972年4月，霍夫 等人开发出第一个8位 微处理器Intel 8008。 由于8008采用的是P沟 道MOS微处理器，因 此仍属第一代微处理器 。 46 8080 第二代微处理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处 理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍， 可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个 晶体管，处理速度为0.64MIPS。 47 Intel 8086 第三代微处理器 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微 处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用 16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技 术的晶体管，售价360美元。 48 49 让两颗芯一起奔腾 虽然在性能上，Core微架构的酷睿2处理器已经大幅度超 越对手长达四年之久的K8架构，但目前售价高达13xx14xx元 的所谓入门级酷睿2 Core 2 Duo E4300/E6300双核处理器，根 本无法与售价仅550元不到的65nm Athlon64 3600+ X2甚至是即 将在4月份酝酿降价的Athlon64 4000+ X2相抗衡。 50 51 52 53 计算机的发展日新月 异 从计算机的规模，运算速度上看： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 、单片机 从CPU的发展来看： 40048008-8086-8088-80186-80286- 80386-80486-586-Pentium-PII-PIII-P4 Moore定律：微处理器内晶体管数每18个月翻一番。 Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每 18个月减少一半。 54 图1-14是典型的8位微处理器的结构框图， 包括运算器、控制器、工作寄存器组三部分。该微处 理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。 图1-14 典型微处理器的结构框图 课本P22 55 一、运算器 运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、暂 存寄存器TR、标志寄存器F、二-十进制调整电路等部 分组成。 课本P24 56 二、控制器 控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID及定 时与控制电路三部分组成。 课本P23 57 三、工作寄存器 参加运算的操作数及运算的中间结果可以存放在寄存器中 ，而不必每次都送入寄存器存放。这样可提高计算机的工作速度， 还能简化指令的机器代码。 课本P23 如何查看计算机CPU 里面的工作寄存器？ 58 四、程序计 数器 程序计数器PC（Program Counter）是管理程序 执行次序的特殊功能寄存器。程序的执行有两种情况 按照顺序执行和跳转。程序计数器具有下述三种 功能。 （1）复位功能 （2）计数功能 （3）直接置位功能 0000H 74H 08H MOV A, #08H 0002H 24H 04H ADD A, #04H 0004H 24H 05H ADD A, #05H 0006H 02H 22H 00H LJMP 2200H 0009H 2200H 78H 7FH MOV R0, #7FH 程序存储器地址 目标程序、机器码汇编程序 课本P23-24 59 第3节 存储器 一、存储器的分类 内存储器（内存）、外存储器（磁带、磁盘） 不要低估了一辆满载磁带、在高速公路上飞奔的货车的带宽！ 课本P24 60 SDRAM与DDR SDRAM SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory ）：同步动态随机存储器 DDR SDRAM（Double Data Rate）：双数据率同步动态 随机存储器 SDRAM 课本P25 61 按结构与使用功能分 1、随机读写存储器（Random Access Memory，RAM） （1）静态随机存储器（SRAM，Static RAM）； （2）动态随机存储器（DRAM，Dynamic RAM）。由 于它们存储的内容断电则消失故称为易失性存储器。 2、只读存储器（Read-Only Memory，ROM） （1）掩膜型ROM （2）可编程的ROM （Programmable ROM，PROM ） （3）可擦写的PROM（Erasable PROM，EPROM） （4）电可擦写的PROM （Electrically EPROM， EEPROM） （5）快擦除读写存储器（Flash Memory） 由于其内容断电也不消失故称为非易失性存储器。 课本P25 62 图1-15 存储器分类 课本P26 63 二、存储器矩阵双译码编址存储器 图1-18 存储器矩阵 课本P26 64 双译码编址存储器 168 译 码 器 A0 A1 A2 A3 A3 A2 A0A1 译 码 器 译码器 X地址线 Y 地 址 线 课本P27 65 高速缓冲存储器概念 Cache（又称快存）采用高速的静态半导体芯片 组成，平时存放的是最频繁使用的指令和数据。在Cache 和CPU之间有局部总线连接。Cache是位于CPU和普通内 存之间规模较小，但存取速度很高的一种起缓冲作用的存 储器。由于采用与CPU相同的制作工艺，因此，速度比普 通内存快得多，当然价格也很高。 Cache的特点： 1、不能被用户直接访问； 2、容量不大，目前一般只有256KB和512KB。 迅驰、奔腾与赛扬 的CPU有何区别？ 66 存储器的主要技术指标 存储周期(memory cycle time)：连续启动两次独立的存 储器操作所需间隔的最小时间。 主要技术指标有：主存容量,存储器存储时间和存 储周期。 存储容量(memory capacity)：存放信息的总数，通常以 字(word，字寻址)或字节 (Byte，字节寻址)为单位表示存 储单元的总数。 微机中都以字节寻址,常用单位为KB、MB、GB、TB。 存储器存储时间(memory access time)：启动一次存储 器操作到完成该操作所经历的时间。纳秒级 67 对存储器的要求： 容量大、速度快、成本低 分 级 存 储 器 结 构 目的：提高速度、增加容量、降低成本目的：提高速度、增加容量、降低成本 CPU（内部寄存器） 高速缓冲存储器 内存（主存） 外存（辅存） 主存辅存层次 cache主存层次 速 度 降 ， 容 量 增 （虚拟存储器） 68 三、堆 栈 栈是限制在表的一 端进行插入和删除操作的线性表 。允许进行插入和删除操作的一 端称为栈顶，另一端称为栈底。 如果多个元素依次 进栈，则后进栈的元素必然先出 栈，所以堆栈又称为后进先出（ LIFO，Last In First Out）表。堆 栈设有一个栈顶指针SP（Stack Pointer）标志栈顶位置。 栈示意图 a1 a3 a2 进 栈 出 栈 SP 课本P30 69 转子程序2 图1-25 主程序与子程序 主程序 IP IP(下) 继 续 执 行 主 程 序 转子程序1 返回主程序 IP 执 行 子 程 序 2 返回子程序1 IP(下) 执行子 程序1 继 续 执 行 子 程 序 1 压栈 弹出 主程序 IP 继 续 执 行 主 程 序 执 行 子 程 序 转子程序 压栈 弹出 返回主程序 IP(下) 1、栈的作用 图1-26 子程序嵌套 保护现场、恢复现场 课本P30 看书 接电话 泡开水看书 接电话 70 将数据送入堆栈称为推入操作，又叫做压入 操作（PUSH ACC）。 把堆栈中内容取出来的操作 称为弹出操作（POP ACC）。 保护现场和恢复现场是由推入指令和弹出指 令实现。 SP 堆栈段 进栈方向 退栈方向 栈底 栈顶 2、堆栈操作课本P30 71 3、堆栈指针 建立堆栈ACC进栈B进栈 堆栈指针SP（Stack Pointer）是一个专用地址寄存器 ，它指明栈顶的位置，起着管理堆栈工作的作用。 图1-27 堆栈指针 课本P31 72 图1-28 堆栈工作过程 课本P31 图1-26中断 嵌套过程。 “先进后出” 73 第4节 输入输出接口电 路 一、概述 1、输入输出接口电路的功能 微型计算机与外围设备之间的数据传送称为输入输出（I/O ，Input/Output）。 （1）锁存数据 （2）信息转换 （3）电平转换 （4）缓冲 （5）地址译码 （6）传送联络信号 课本P32 74 2、计算机与外围设备间传送的信息 图1-29 计算机与外设之间传送的信息 1 2 3 数据 控制信息 状态信息 课本P32 75 3、端口地址 CPU只有通过I/O电路才能与外围设备传送信息，因此，只要 选中I/O电路就能找到相应的外围设备。从这个意义上讲，应该 对I/O电路编址。 图130 外围设备与接口电路 课本P33 76 端口地址编址 方式 （1）统一编址（存储器映象方式） 优点：I/O 可有较大编址空间，易扩展；I/O 操作指令类型多、功能齐全。 MCS-51 原则：M与I/O共用整个地址空间；I/O端口 与存储单元等同M与I/O地址不重叠。 缺点：M的地址空间受限；I/O指令较长，执 行速度较慢。 课本P34 77 （2）分别编址（ I/O映象、专用I/O指令方式） 优点： M空间不受I/O空间影响；有专用 I/O指令（程序清晰）；I/O指令短，执 行速度快。 8086/808 8 原则： M与I/O分开编址、互不干扰 M与I/O地址重叠。 缺点： I/O指令种类有限， I/O空间不易 扩展。 课本P34 78 端口编址方式图 示 00FFH 0000H 0100H FFFFH 地址 . M空间 I/O空间 . （64KB） 整个地址空间 （256个） （65280个） FFH 00H 地址 I/O空间 . （256个） （64KB） M空间 地址 0000H FFFFH . 统一编址分别编址 课本P34 MCS-51 8086/808 8 79 如何查看计算机里I/O接口的地址？ 课本P34 80 I/O端口地址分 配 81 二、数据传送 方式 无条件传送方式： 一方对另一方来说总是准备好的。 查询传送方式(LOOK UP)： 传送前一方先查询另一方的状态，若已经准备好 就传送，否则就继续查询/等待。 中断传送方式(IRQ)： 一方通过申请中断的方式与另一方进行数据传送 。 直接存储器存取方式(DMA)： 双方直接通过总线传送数据, 不经CPU中转。 课本P34 Interrupt Request Direct Memory Access 82 1、无条件传送方式：输入输出 接口 K7 K1 K0 +5V D0D7 A0A15 CLK LS06 反相 驱动器 LS273 8D 锁存器 LS244 三态 缓冲器 8000H 译码 +5V LED0 LED7 -G -IOW -IOR 最简单的传送方式，所配置的硬件和软件最少。 课本P34 83 2、查询传送 方式 输入数据 Y 输入状态信息 数据准备好？ N Y 图1-31 用查询方式输入数据 CPU在传送数据前要先询 问外设状态，仅但外设准备好 了才传送，否则CPU就等待。 课本P34 画程序流程图的软