微机原理与接口技术：第1章 微型计算机系统概述

微机原理与接口技术

序国家教委提出计算机基础教学分三个层次计算机基础教学三层次结构其中：第一层次：计算机文化基础

学习计算机基本知识，及基本技能。第二层次：计算机技术基础 学习计算机硬件、软件的工作原理 与相关知识。第三层次：计算机应用基础

学习计算机信息管理基础和多媒体。本课程属于第二层次中“计算机硬件基础”课程本课程与光电信息学院学科专业密切相关计算机硬件技术基础课特点：内容多,学时少,进度快，难度大，应用广。讲课内容:

微机的体系结构、接口技术及应用。讲课学时

:

共48学时,

其中:讲课44学时,习题、复习4学时考核方式：

平时考核：20%(包括课堂作业、考勤）；期末考试：80%。第一章微型计算机系统概述微型计算机系统的硬件组成2微型计算机系统的EDA设计方法5微型计算机系统的启动过程4半导体存储器的分类1绪论1微型计算机系统的工作原理32022/11/176/531.1绪论计算机是什么？计算机的分类后PC时代：嵌入式计算机、通用计算机2022/11/177/53

CPU>90%<10%普适计算

(无所不在的计算机)2022/11/178/53泛在通信2022/11/179/53云计算2022/11/1710/53物联网技术IT行业的四大定律Moore定律

微处理器内晶体管集成度每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

每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、小型机、工作站、PC到PDA的演变、新一代计算设备……Gilder定律

未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍Metcalfe定律

网络价值同网络用户数的平方成正比2022/11/1711/53计算机技术的发展微电子技术计算机技术通信技术2022/11/1712/53机械式计算机的发展2022/11/1713/53电子技术和半导体技术诞生电子管(vacuumtube)时代晶体管(transistor)时代第一个晶体管的诞生2022/11/1714/53第一代电子管计算机ENIAC2022/11/1715/53第一台存储程序计算机EDSAC2022/11/1716/53第一台存储程序计算机EDSAC2022/11/1717/53集成度迅猛发展2022/11/1718/53GordonMoore：Intel的创始人之一IC技术：SSI/MSI->LSI->VLSI->ULSI->GLSI->……晶圆尺寸：100mm->125mm->150mm->200mm-> 300mm->400mm->……特征尺寸：3µm->2µm->1.2µm->0.8µm->0.5µm->0.35µm->0.25µm ->0.18µm->0.13µm->90nm->65nm->45nm->……IntelCorei7四核处理器2022/11/1720/53系统级芯片(SOC)技术系统知识

(硬件与软件)电路设计知识

(DAC、ADC等)制造工艺知识

(90nm,65nm,45nm)晶圆工艺知识

(300mm晶圆)A/DA/D数字射频处理器数字滤波与控制混合信号处理器数字基带混合信号处理器软硬件协同设计设计及验证技术IP核生成和复用技术超深亚微米工艺及纳米IC设计技术2022/11/1721/53计算机发展的主要阶段第零代（1642~1945年）机械计算器和继电器计算器第一代（1946～1955年）电子管计算机以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。第二代（1955～1965年）晶体管计算机以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。第三代（1965～1980年）集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用操作系统.第四代（1980年至今）个人计算机以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。第五代无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、……2022/11/1722/53微型计算机（简称微机）：将计算机的核心器件中央处理器（运算器和控制器）集成在一块半导体芯片上，配以存储器、I/O接口电路及系统总线等设备的计算机。微型计算机系统：以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就构成了微型计算机系统。

微型计算机系统系统软件：DOS、Windows95/98/2000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ALU寄存器控制部件键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪微型计算机系统:微型计算机系统的体系结构:微型计算机的分类:以微处理器型号为标志划分：286计算机386计算机486计算机Pentium计算机PentiumⅡ计算机PentiumⅢ计算机Pentium4计算机……按CPU的字长分类:CPU的性能可以用两个主要参数来描述：速度：用CPU的工作频率表示，单位MHzCPU内部寄存器宽度：寄存器的位数宽度：外部数据总线宽度：数据线的根数地址总线宽度：地址线的根数按CPU的字长，微机可分为：

4位机、8位机、16位机、32位机、64位机CPU内部的寄存器宽度可用字长描述微机的分类:按构成分类:单片机、单板机、多板机

单片机将CPU、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系列微机的分类:单板机将CPU、内存、I/O接口及其它辅助电路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、数据处理产品：TP-801以Z80CPU为核心的单板机

80年代各院校“微机原理”的实验机微机的分类:

多板机把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上，各印刷板插在主机板的总线插槽上，通过系统总线连接起来，构成多板机。特点：见前面微型计算机的特点产品：IBMPC/XT、486机、Pentium机等

90年代以来各院校“微机原理”和计算机硬件的实验机微机的分类:

按主机装置分类桌上型：台式电脑 便携型：笔记本、掌上电脑等微机的分类:1.2微型计算机系统组成输入设备控制器输出设备

CPU

存储器运算器ALU冯诺依曼计算机的工作原理可概述为：“程序存储”+“程序控制”要点：1．以二进制表示数据和指令(程序)2.

先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行冯•诺依曼的“存储程序和程序控制”设计思想：微型计算机系统的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。计算机内部采用二进制数据格式表示数据和指令。程序将被事先存入主存储器中，计算机在工作时能在不需要操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令并执行。硬件组成:运算器（ALU）：运算器的核心是算术逻辑单元，是完成各种算术和逻辑运算的部件。控制器（CU）：发出各种控制信息，使计算机各部件协调工作的部件。存储器（M）：记忆程序和数据的部件。输入设备（IN）：将程序和数据输入的部件。输出设备（OUT）：将结果数据和其它信息输出的部件。硬件组成:1、微处理器微处理器包含运算器和控制器，微处理器的性能基本决定了计算机的性能，是微型计算机的核心。随着微电子技术的发展，微型计算机的发展基本遵循摩尔定律。1971年，Intel公司研制成功了第1台微处理器Intel4004；1973年，Intel公司又研制成功了8位微处理器Intel8080；1978年，Intel公司推出了首枚16位微处理器8086；同年，IBM公司基于Intel8088芯片推出的IBM-PC计算机，使微型计算机进入到了一个迅速发展的使用时期。2、协处理器协处理器用于特定任务的处理，以减轻系统微处理器的负担，是微型计算机系统的选配硬件。例如，数字协处理器可以控制数字处理；图形协处理器可以处理视频绘制。常见的协处理器有Intel8087。3、内存储器也称主存或内存，用于存放计算机正在运行的程序和用到的数据等。内存储器分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。随机存储器：RAM接受程序的控制，可由用户写入数据或读出数据，但是断电后数据会消失。RAM可以用来临时存放程序、输入数据和中间结果等。只读存储器：ROM中的信息由厂家预先写入，一般用来存放自检程序、配置信息等。通常只能读出而不能写入，断电后信息不会丢失。4、外存储器也称辅存或外存，用来存储大量暂时不参加运算或处理的数据和程序，是主存的后备和补充。常见的外存储器主要有：硬盘：安装在主机箱内，常见容量有：120GB、250GB、500GB、700GB等。光盘：信息读取要借助于光驱，其容量为650MB。DVD光盘：存储密度高，存储容量大，容量一般为4.7GB。优盘：是利用闪存在断电后还能保持存储的数据不丢失的特点而制成的，特点是重量轻、体积小。移动硬盘：可以通过USB接口即插即用，特点是体积小、重量轻、容量大、存取速度快。5、输入输出接口鼠标、外存、打印机、显示器等称为外设，包括输入设备和输出设备两类。在微型计算机系统中，CPU通过输入输出接口（I/O接口）与外设交换信息。CPU与外设之间交换的信息有：数据信息、状态信息和控制信息。I/O接口电路的功能:连接外设和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作，使CPU和外设协调工作。现代微机的体系结构基于总线的冯·诺依曼架构是现代微机的经典结构总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各

部件之间的数据、信息等的传输和交换存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换CPU子系统：集成了运算器、控制器以及寄存器的超大规模集成电路芯片(VLSI)2022/11/1740/50微机的总线结构

按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三类：地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)；数据总线用于数据交换，通常是双向的；控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。MPURAMROMI/O接口外设ABDBCB2022/11/1741/506、总线控制逻辑微型计算机系统采用总线结构总线是连接计算机各组成部件的公共数据通路。在微型计算机系统中，总线分为：片内总线：连接CPU内部的各个部件；片级总线：连接CPU、存储器及I/O接口等电路，构成所谓的主机板；系统总线：用来连接外部设备。系统总线的直观形式就是主板上的扩充插槽。主板与外部设备之间的数据传输必须通过系统总线，所以系统总线包含的信号线必须满足下列各种输入/输出操作的需要：（1）访问分布于主板之外的存储器；（2）访问I/O接口；（3）适应外部中断方式；（4）适应存储器直接与外部设备交换信息。总线控制逻辑的任务就是产生和接受总线操作所需要的信号。6、总线控制逻辑1.3微型计算机系统的工作原理1、指令、指令系统和程序指令：指令是指示计算机执行某种操作的命令，它由一串二进制代码组成。一条指令通常由操作码和操作数两个部分组成。操作码操作数指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、加法、减法或逻辑乘等。指明操作对象本身或操作对象所存储的位置：寄存器名或存储单元地址。指令系统：一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合，称为该计算机的指令集合或指令系统。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。1、指令、指令系统和程序程序：计算机根据人们预定的安排自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一个指令序列来表达的，这个指令序列就称为程序。一条指令规定计算机执行的一个基本操作，一个程序规定计算机完成的一个完整任务。1、指令、指令系统和程序机器语言：计算机能够直接识别的数据是由二进制数0和1组成的代码；机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言；一条机器指令控制计算机完成一个基本操作；用机器语言编写的程序是计算机惟一能够直接识别并执行的程序，而用其他语言编写的程序必须经过翻译才能变换成机器语言程序，所以，机器语言程序又被称为目标程序。2、机器语言、汇编语言和高级语言汇编语言：为了便于记忆和书写，每条二进制代码指令都可以用字母或符号来表示，称为汇编语言。

汇编语言能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口；用汇编语言编写的程序称为汇编源程序，要翻译成机器语言程序才可以由计算机执行。这个翻译的过程称为“汇编”，这种把汇编源程序翻译成目标程序的语言加工程序称为汇编程序。2、机器语言、汇编语言和高级语言高级语言：高级程序设计语言接近人类自然语言的语法习惯，易被用户掌握和使用。目前广泛应用的高级语言有多种，如C++、JAVA等。高级语言程序“看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。2、机器语言、汇编语言和高级语言3、微型计算机系统的工作原理计算机的工作本质上就是执行程序的过程。顺序执行指令执行的基本过程可以分为取指令(fetch)、分析指令(decode)和执行指令(execute)三个阶段。非顺序执行转移（jump）：执行条件/无条件转移指令，不返回过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断点中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点异常（exception）：

程序本身产生的某些例外处理完后重新执行.陷阱(trap)：

程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点程序的执行过程取指令、分析指令、执行指令ABDBALUR1暂存器标志寄存器FR寄存器组

操作控制器OC指令译码器ID指令寄存器IR

操作码,地址码内部总线地址缓冲器数据缓冲器程序计数器PC地址译码读控制B0H5CH04H2EH地址1001H1002H1003H内容1000H内存储器MOV5CH,R1ADDR1,2EH,R1＋1CPU外CPU内①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥①③④⑤⑥②①②③④⑤⑥⑦⑧2022/11/1751/50ROMBIOS硬盘RAM②执行自举程序⑥执行引导程序序读出引导程④CPU①执行加电自检程序⑤装入引导程序⑦装入操作系统CMOS？从何处启动③⑧运行操作系统显示初始界面1.4微型计算机系统的启动过程DOSDOS（DiskOperatingSystem）是磁盘操作系统的简称，MS-DOS则是最普遍使用的PC兼容DOS。MS-DOS采用模块结构，它由五部分组成：ROM中的BIOS模块IO.SYS模块MSDOS.SYS模块COMMAND.COM模块引导程序。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有Protel、PSPICE、MultiSIM10、Modelsim和Proteus等。是英国LabcenterElectronics公司开发的EDA工具软件，由广州风标电子技术有限公司作为中国的销售代理。Proteus软件可以实现原理图布图、PCB自动或人工布线和SPICE电路仿真，仿真处理器及其外围电路并实时使用RAM、ROM、键盘、马达、LED