chp上海交通大学微机原理电子教案

微型计算机原理与接口技术主讲：孙国良助教：石岩教材： “微型计算机原理与接口技术”（第二版）吴秀清周荷琴编著中国科学技术大学出版社信息社会与计算机

信息社会与计算机

现代信息社会的主要特征：

（一）信息成为社会发展的主要资源和决定因素

三大资源：信息，材料，能源

（二）信息产业成为信息社会的主干产业或战略性产业信息社会的标志之一：

信息社会中信息经济占GDP总值和信息产业就业人数占全社会总人数均超过50% 信息化社会始于1956年，其标志为： （1）美国从事技术，管理等的白领在人数和产值上都超过直接从事生产的蓝领。人类历史上第一次。 （2）1957年前苏联发射第一颗人造卫星，开启了全球信息革命。（三）信息技术成为信息产业发展的技术支撑和社会发展的动力六大关键技术： ⑴信息技术 ⑵新能源技术 ⑶新材料技术⑷ 空间技术 ⑸海洋技术⑹生物技术现代信息技术： ⑴感测技术 ⑵计算机技术

⑶通信技术 ⑷控制技术

⑸多媒体技术（四）信息网络成为信息社会的重要基础设施农业社会基础：耕地，犁和牲畜工业社会基础：发动机，燃料信息社会基础：计算机，互联网信息网络:信息高速公路（informationhighway)——是国家信息基础设施的形象比喻。信息网络产生及发展的背景：1991 美国原参议员戈尔提出“国家高 性能计算机法案”，提出建设高宽带 国家研究教育网络（NREN），并 将此网络作为美国经济发展的基础 设施。1992克林顿，戈尔把信息高速公路作 为竞选纲领中重要的内容。1993克林顿政府向世界宣布了美国信 息高速公路计划。1994在布宜诺斯艾利斯国际电信联 盟世界会议上，美国副总统戈尔提 出了GII设想（全球信息基础结构）1995 美国政府在布鲁塞尔北约总部 正式提出了“全球信息基础设施计 划”。在世界上引起了强烈反响。此后的5，6年世界上掀起了第一代互联网的织网运动。 第一代互联网缺点： ⑴资源分配不均

IP地址共有20亿个⑵速度不够快

21世纪初世界上又提出建立发展新一代互联网，以增加资源提高速度。第二代互联网特点： ⑴资源充沛 地球上每粒沙都能分到一个IP地址⑵速度是现网的1000-10000倍核心技术变了操作系统也将改变，铺设的光纤仍可使用。2002.8国家计委会负责人在沪宣布： 十五期间大力发展“下一代互联网”技术。 目标为：与世界同步，不受制于人互联网技术：网格技术清华，北大和中科院已经联合承建中国中国高速互联研究试验网，并实现了与国际下一代互联网的连接。上海以交大为代表已投入新的织网运动。计划换网时间：3-5年。网格是什么？网格功能是什么？网格如何使用？网格将带来什么？ 美国计算网格项目的领导人之一伊安·福斯特： “网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和服务。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格的功能则更多更强，它能让人们共享计算、存储和其他资源。”

中国科学院计算所所长李国杰院士： 网格实际上是继传统因特网、万维网之后的第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的联通，万维网实现了网页的联通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等等，最终实现网络虚拟环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。曙光公司首席科学家孙凝晖博士： 目前对网格尚无确切的定义，如果作一个简单的比喻，就像今天的电力网格一样，人们只要把电器的插头插上就可以方便地用电，网格的目的就是将计算能力和信息资源像电力一样方便地送到每一个用户。网格是未来信息技术和产业发展的大趋势，将极大地改变我们的生活和工作。美国《福布斯》杂志预言： 由网格引发的信息技术的下一波大浪潮将在2004—2005年度出现，并造就15年的黄金时代。到2020年，由此产生的互联网将成长为一个年产值20万亿美元的大工业，这个数字是2000年全球信息产业产值的20倍。第一章微型计算机概论1-1微型计算机和微处理器发展概况世界上第一台电子计算机：ENIAC(ElectronicNumericalintegraterAndcomputer)

美国陆军委托宾夕法尼亚洲立大学1943-1946年研制。电子管：18800只继电器：1500只重量：30吨占地： 17M2功耗： 140KW计算速度：5000次加/秒计算炮弹弹道是人工的8400倍ENIAC：编程方法：人工接线，准备时间大于计算时间；存储容量：20个10位字长的十进制数是一台无程序存储器采用十进制运算的计算机。

其先天不足决定没有发展前途。 现代型计算机的先驱—冯.诺依曼(VonNeumenn)于20世纪40年代末研制了EDVAC计算机

EDVAC(电子离散变量自动计算机）

ElectronicdiscreteVariableAutomaticComputer冯.诺依曼计算机结构特点：(1)计算机有运算器，控制器，存储器，输入器和输出器五个部分；(2)程序和数据存于统一编制的存储器中；(3)采用二进制码运算。提出了程序存储程序控制的概念。存储器运算器控制器输入设备输出设备冯.诺依曼计算机结构电子计算机发展简史第一代电子管计算机时代（1946-1957） 基本器件：电子管，磁鼓做内存 应用对象：军事和国防尖端技术

计算机技术的研究奠定了今后发展 基础第二代晶体管计算机时代（1958-1964） 基本器件：晶体管，磁芯作内存 磁带作外存。 应用：扩大到气象，工程数据处 理等科研领域。 体积功耗和可靠性指标大大提高 价格下降。

第三代中小规模集成电路计算机 时代（1965-1972）基本器件：中小规模集成电路（一片几十个门），半导体存储器作内存。应用：科学计算，数据处理和实时处理等领域广泛应用。体积功耗越来越小，功能越来越强，速度越来越快，技术越来越完善，价格越来越低。计算机总体性能大大提高。

软件设计理论形成操作系统编译系统应用系统计算机向系列化，标准化，通用化发展IBM已成为计算机行业领头羊：

IBM360计算机平均速度达到百万次/每秒第四代大规模集成电路计算机时代

（1970开始至今）基本器件：大规模集成电路，集成度按著名的摩尔定律迅速发展。半导体存储器取代了磁芯存储器。应用：PC机走进了千家万户1971年第一片微处理器问世微型计算机为第四代计算机典型代表，除PC机得到普及外，高档超级计算机和巨型计算机不断推陈出新。摩尔定律：由英特尔的共同创办人GordonMoore在1965年提出。Moore定律的内容为：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。典型器件举例年份197019841999存储器1KB256KB1000MB（flash)年份1971199319972001微处理器2000/片40041MHZ310万/片P58660MHZ750/片PⅡ233MHZ1200万/片P41.4GBHZ第五代未来新一代计算机现代计算机功能+思维学习和推理功能具备各种知识数据库，能对声象信息识别处理结构采用大规模并行处理机制系统结构模拟人脑的神经计算机采用常温超导和光器件科学家构想的“智能计算机”微处理器发展概况第一代 1971-1973四位机和抵挡8位机 PMOS工艺 Intel4004第一片，产生于硅谷 对应微型计算机MCS-4 Intel8008对应微型计算机MCS-8 性能低，其意义为开辟了微型计算 机新领域第二代 1973-1978中档—高档8位机 NMOS工艺

Intel8080 MCS-80 Motorora6800 ZlogZ80第三代 1978-198316位机 HMOS工艺 Intel8086/8088IBMPC/XT(1983) ZlogZ8000 Motorora68000 Intel80286 IBMPC/AT(1984)第三代性能大大提高集成度：2万-7万只晶体管/片时钟频率：4-25MHz指令平均执行时间：0.5μS多级中断丰富的指令系统,磁盘操作系统,数据库管理系统,BASIC和C语言等高级语言 这一代微型计算机已超过70年代中低档小型机。Intel80x86微处理器步入升级换代快车道。第四代 1983-199332位机 CHMOS工艺 1983—Z800001984—MC68020 1985—Intel80386 1989—Intel80486第五代 1993-今 1993—IntelPentium586 1996—IntelPentiumProP61-2 微型计算机的类型按数据总线位数分: 4位机,8位机,16位机,32位机,64位机按组装形式和系统规模划分： 单片机，单板机，PC机，微巨型机1-3 微型计算机的特点和应用采用LSI、VLSI，故具有下列特点： 体积小，功耗低，可靠性好，性价比高微型计算机的应用： 科学计算，信息处理，计算机过程控制，智能仪器，计算机通信，家用电器，CAD、CAM、CAI等各个领域

1-4 微型计算机的基本结构一微处理器、微型计算机 和微型计算机系统的关系

微处理器:μP（Microprocessor)

又称中央处理器CPU（Central ProcessingUnit)

微型计算机:μC（Microcomputer)

微型计算机系统:μCS（Microcomputer System)

编程结构： 从程序员和用户角度看到的 结构。不同于高级语言，汇编语 言编程必须对内部结构了如指掌。二微处理器的基本结构微处理器基本结构微处理器内部基本构成运算器主要寄存器内部总线控制器及时序发生器堆栈功能：对一个或二个操作数

①执行各种算术运算，给出相应标志； ②执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。构成： ①ALU：数字逻辑运算部件。对操作数进行 加、减、乘、除和与、或、非等算 术逻辑运算。1.运算器②TMP、ACC：暂存寄存器及累加器，暂时 存放两个操作数。AC通常存放 操作结果。 只有一个操作数时只用ACC。③F(PSW)：标志寄存器,用来保存数逻指 令运行或测试结果建立的各种 状态标志。如：

CF（CY）进位标志

AF 辅助进位标志

ZF 零标志

OF 溢出标志

PF 奇偶标志 在F的相应位定义，当定义位的二进制值为1时为发生，二进制0不发生。供程序测试操作结果，用于分析运算结果，判断程序转移条件。76543210OFZF×AF×PF×CF8位机的标志寄存器标志位设置:为减少访存提高μP运行速度而设置。用于保存参加运算的数据和中间结果，以及存放地址。有专用寄存器和通用寄存器。2.寄存器专用寄存器：

PC 程序计数器。存放下一条要执行的 指令地址，μP按PC内容取指令， 取后PC自动加1。保证指向下一条 要执行的指令地址。

IR 指令寄存器。保存当前正在执行的 一条指令。

AR 地址寄存器。保存当前要访问的内 存单元地址。

通用寄存器，保存数据或地址。8位μP中两个8位寄存器合起来做一个16位寄存器。读通用寄存器不会破坏其中内容。

AH AL A(ACC) BH BL B CH CL C DH DL DACC 特殊寄存器。CPU内部的数据公共通道。CPU内部各有关部件（寄存器，累加器和ALU）都连在DB上。与DB相连的输入或输出部件必须带三态门，以便在平时呈高阻隔离态。总线上某一时刻只许挂一个输入一个输出部件。3.内部数据总线DB

C CDQDB一位寄存器与DB的连接功能： 根据操作指令和时序信号产生各 种操作控制信号，按部就班地完成指 令操作码规定的全部操作。组成：指令寄存器、指令译码器、节拍 （时钟）发生器及微操作控制系统。 指令寄存器:存放当前指令.

指令译码器:将指令的操作码译码产生 对应于指令的控制信号.

节拍发生器:产生时钟脉冲信号.4.控制器及时序发生器控制器微操作控制部件（CON）微操作控制部件的主要功能，是根据指令产生计算机各部件所需要的控制信号。它按一定的时间顺序发出一系列微操作控制信号，以完成指令所规定的全部操作微操作控制部件实现方式：组合逻辑控制微程序控制可编程序逻辑阵列控制。μP一条指令的操作过程

PC指出当前指令地址并放到AB总线上，PCPC+1；

由AB上地址指示的存储器单元取出指令，经DB送到IR，由指令译码器译码，选中微操作电路的其中一种操作；取操作数地址和数据；在操作信号控制下完成该指令操作(读/写M或I/O，A/L运算等)；检查有无其他控制信号作出响应处理；提供响应状态标志，控制信号及定时信号。例：8080微处理器指令操作举例。指令T1T2T3T4T5MOVA，BARPCPCPC+1IR指令ABADDA，CARPCPCPC+1IR指令AA+CHALTARPCPCPC+1IR指令HALT取指令阶段执行指令阶段注:T1—T5为时钟5.堆栈 堆栈为存储器中设置的一个区域。该区域用来在微处理器执行程序调用和中断处理时保存程序返回地址和寄存器中重要数据。 堆栈中存取数据按后进先出（Last-inFirst-out)原理进行。 堆栈指示器SP指示当前栈顶地址。堆栈操作： 压栈PUSH：要保存的内容存入SP指示的存储器单元。

退栈POP：SP指示的存储器单元内容送入指定寄存器。栈顶SP空单元堆栈区栈地址增长方向：由高到低0000HFFFFH栈低ALAHALAHSP-2SPSPSP+2堆栈操作例：（8086）

PUSHAX POPAX组成:CPU、存储器(ROM、RAM)、