第一章微型计算机基础

微机原理与接口技术为什么要学习《微机原理与接口技术》1.了解计算机的内部工作原理2.机电设备在过程控制的要求.3.实时数据（信息）处理和过程控制要求实时性，希望编写的程序精炼，运行起来更快课程目标工科专业的必修课微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计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机电系统控制开发的初步能力人与机器的机能对应关系图外界对象感官人脑肢体传感器微机执行器外部信息行动一.计算机的发展历程1943年专用计算机用于破译德国军事密码1946年通用计算机美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”占地上百平方米重量几十吨功耗几十千瓦

5000次加法/秒150平方米大约是一间半的教室大30t六只大象重150kw一.计算机的发展历程采用线路连接的方法来编排程序，每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际运算时间存储器容量太小，只能存20个字长的10位十进制数字冯•诺伊曼计算机基本结构(冯氏结构)1.“存储程序”概念的产生及其重要意义。ENIAC——不具备“存储程序”的功能采用“存储程序”的概念，并付诸实现，“开创了整个程序设计时代的到来”2.冯氏计算机5个基本部件：输入器,输出器,运算器,存储器和控制器数据和程序存放在存储器中,采用了二进制一.计算机的发展历程电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）一.计算机的发展历程微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍

------摩尔定律GordonE.Moore，Intel公司的创始人之一摩尔定律摩尔定律让我们的爱机没几年就从身价过万到不值一文;当然也让囊中羞涩的我们可以只是多一点忍心就能花很少的代价得到当初连想都不敢想的机器微处理器微处理器（Microprocessor）微型化的CPU，由1片或几片大规模集成电路组成的中央处理器。严格讲，微处理器≠CPU。CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的部件，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成。现代微处理器集中了更多的功能。Intel8086,80286,80386,80486;Pentium,PentiumII,PentiumIII,PentiumIV,Itanium，……。MotorolaMC6800(8位),MC68000(16位),MC68020(32位)。微处理器的发展第1代：4位和低档8位微机4004→8008第2代：中高档8位微机Intel8080，Motorola的MC6800，Zilog的Z80、Intel8085第3代：16位微机8086→8088→80286，Z8000，MC68000第4代：中高档32位微机Z80000，MC68020，80386→80486第5代：高档32位微机Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium4第6代：64位微机Itanium（1）第一代微处理器1971年：Intel4004，是世界上第一片单片微处理器4位微处理器，寻址空间为4096个半字节,指令系统包括45条指令1.微处理器的分类和发展历程Intel40041972年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。Intel80081.微处理器的分类和发展历程1973年12月：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年：Intel8085——Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。(2)第二代微处理器1977年：Z80，Zilog公司，8位机，优于8080，80851.微处理器的分类和发展历程8086/8088（1978年-1981年）1978年--8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列(3)第三代微处理器8086成为一款真正的现代微处理器。（IntelX86系列微型计算机的发展）1.微处理器的分类和发展历程1979年—8088除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。1.微处理器的分类和发展历程80286（1982年-1984年）采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）。1.微处理器的分类和发展历程80386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器采用了1.5m工艺集成了275,000个晶体管工作频率达到16MHz可寻址空间达到4GB80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。4.第四代微处理器（IntelX86系列微型计算机的发展）1.微处理器的分类和发展历程80486（1989年-1992年）采用1m工艺集成了120万个晶体管工作频率为25MHz80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器一个与80386相兼容的数学协处理器8037一个8KB容量的高速缓冲存储器(Cache)。80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。1.微处理器的分类和发展历程第五代：Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器（1993年，P5）采用0.8m工艺技术集成了310万个晶体管工作频率为60MHz/66MHz。5.第五代微处理器（Pentium系列微型计算机的发展）第二代Pentium处理器（1994年，P54C）高能奔腾采用0.6m工艺工作频率为90MHz/100MHz。1.微处理器的分类和发展历程第三代PentiumMMX（1997年，P55C，“多能奔腾”）增加了57条多媒体指令在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物1.微处理器的分类和发展历程PentiumIIPentiumIII采用0.6m-0.18m工艺集成度550万-950万晶体管时钟频率166MHz-1GHz采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令1.微处理器的分类和发展历程PentiumIV(研发代号Willamette)（威廉斯塔得）介于P6与IA64之间全新的NetBurst体系结构采用0.18m工艺，时钟频率1.4GHz~2GHz20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线1.微处理器的分类和发展历程第六代：64位处理器P7(IA64体系结构)Itanium（研发代号:Merced），2001年5月发布采用了EPIC（ExplicitParallelInstructioncomputer)内部数据总线和外部总线及地址总线都是64位的Itanium有2代产品Itanium

1的某些性能不如32位的P5Itanium

2系统性能提高了1.5-2倍；带有6MB的三级缓存，有出色的并行能力1.微处理器的分类和发展历程（1）低档微型计算机的发展

（2）32位和64位微型计算机的发展

（3）多微处理器系统的发展

在多微处理器系统的猛烈冲击下，现有大型机市场摇摇欲坠，大型机厂商惶惶不可终日。为了求得生存，大型和巨型机厂商在加紧发展微型计算机的同时，纷纷改变策略，转而使大型和巨型机采用多微处理器系统类似的结构体系——并行结构。2.微型计算机的发展动向28运算速度快计算精度高超强的记忆能力具有逻辑判断功能实现自动控制3.计算机的特征（1）巨型机巨型机是指那些运算速度在每秒亿次以上的计算机。巨型机目前在国内还不多，我国研制成功的“银河”计算机就属于巨型机。（2）大、中型机运算速度在每秒几千万次左右的计算机为大、中型机。（3）小型机小型机的运算速度在每秒几百万次左右。（4）微型机微型机也称为个人计算机（PC机），是目前应用最广泛的机型。。它们的运算速度也可达每秒百万次以上。微型机与其它机型不同的特点是：巨、大、中、小型机的中央处理器CPU具有分时处理的能力，都是一个主机带有若干个终端或外设。而微型机往往都是由单个终端组成，体现了“个人计算机”的特点。4.计算机的分类（5）工作站工作站主要用于图形图像处理和计算机辅助设计中，是一台性能更高的微机。

今后，计算机的发展将走向两个极端：一个是巨型化，一个是微型化。

31微处理器、微型计算机和微型计算机系统

（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微处理器:集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能的中央处理器2.微型计算机：由CPU，半导体存储器，I/O接口和中断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成的计算机。单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）单板微型计算机（SingleBoardMicrocomputer）多板微型计算机（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型计算机系统:在多板机基础上发展起来的,是高层次的微型计算机,有齐全的硬件和丰富的软件二.微型计算机的概念及它的组成和结构4.微型计算机系统的组成微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件二.微型计算机的概念及它的组成和结构核心级硬件系统级系统级33核心级——微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：

运算器ALU

控制器CU寄存器组Registers实现运算功能和控制功能34硬件系统级——微型计算机以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。35系统级以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。使用和管理计算机有机器的设计者提供的软件用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件,编制解决用户各种实际问题的程序.36微型计算机(主机)的基本结构

“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”。存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口6.微机硬件系统结构37微机的各个部件之间的信息传送和处理器内部信息的传送，通过三组不同的总线进行的。总线：是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。数据总线（DataBus--DB）--双向地址总线（AddressBus---AB）--单向控制总线（ControlBus—CB）--双向总线不仅仅是一组传输线，它还包括与数据传输有关的控制逻辑。在一个计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。ROMRAMI/O接口微处理器CPU输出设备输入设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB定时电路39存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、。。。）内存：ROM、RAM特点：随机存取，速度快，容量小外存：磁盘、光盘、半导体盘、…特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大8.存储器概述有关内存储器的几个概念内存单元的地址和内容内存容量8.存储器概述内存单元的地址和内容内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址1011011038F04H内存单元地址内存单元内容......765432108.存储器概述42内存容量和内存空间注意：内存空间与内存容量的区别

内存容量：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，内存容量为256MB

内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关内存容量和内存空间内存单元的个数，以字节为单位。存储器的组成读/写过程45微型计算机的主要技术指标

(1)字长:参与运算的数的位数.它决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。有4位，8位，16位，32位，64位等。(2)主存容量:主存储器所能存储信息的总量。通常以字节数(Byte)来表示。例：内存512MB。(3)运算速度:有不同的计量方法和测试标准。MIPS(MillionInstructionPerSecond)(4)平均无故障运行时间(可靠性)

MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均无故障间隔时间(5)性能/价格比46习题与思考：1．微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们各自具有什么结构？采用什么样的结构？2．什么是微处理器？什么是微型计算机？什么是微机系统？它们之间的关系如何？3.什么是总线,总线的分类及它们之间的作用和关系?计算机中常用术语Bit1Kb=1024bit=210bit1Mb=10241024bit=220bit1Gb=230bit=1024Mb1Tb=240bit=1024Gb1Byte=8bit1KB=1024Byte表示字长，一般情况下为2Byte(16bit)WordByte位(bit)：二进制数中的一位，其值不是“1”，就是“0”。字节(byte)：一个8位的二进制数为一个字节。字节是计算机数据的基本单位。字(word)：两个字节就是一个字，又叫双字节。有时还会用到“半字节”，即4位二进制。例如：1000111011001011B=8ECDH半字节

字节

字（双字节）位字节字节位-字节-字

单片机常用的数制有十进制、二进制、十六进制。例如：

十进制：0～9；规则：逢十进一，后缀为D，但可忽略。一般表达式为：基数加权数0～91.数制定义

二进制：0、1；规则：逢二进一，后缀为B。一般表达式为：

其中，基数为2，各位加权数为0，1。例如：

十六进制：0~9、A~F。规则：逢十六进一，后缀为H。一般表达式为：

其中，基数为16，各位加权数为0~9、A~F。例如：二进制转换成十进制转换规则：按进制的表达式展开，然后按照十进制运算求和。例如：111111118421163264128记忆：1100B=121001B=91111B=1511111111B=255举例：数制转换转换规则：按进制的表达式展开，然后按照十进制运算求和。例如：十六进制转换成十进制二进制与十六进制数之间的转换1010B=0AH1101B=0DH1011B=0BH1110B=0EH1100B=0CH1111B=0FH记忆：从低位起由右到左，每四位二进制数对应一位十六进制数。例如：（最后一组不足时左边添0凑齐4位）转换规则：转换规则：“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。例如：十进制整数转换成二、十六进制整数

二进制数的正、负号需用“0”和“1”来表达。一般最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。例如：真值+123→01111011B

真值-123→11111011B有符号数：最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。无符号数：最高位不作为符号位，而当成数值位。真值11111011B→？=251=-123有符号数的表示方法二进制数有三种编码形式原码、反码和补码原码：

二进制数的原形，可以是无符号数，也可以是有符号数例如:8位无符号原码数的范围是：

00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）

8位有符号数的范围是：

11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）58原码的例子

=00010010=10010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码[X]原[X]原符号符号位n位原码表示数值的范围是对应的原码是1111～0111。59数0的原码8位数0的原码：+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。60反码[X]反定义

若X>0，则[X]反=[X]原若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反61[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101162反码的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反码[X]反=00010010[X]反=11101101符号符号位n位反码表示数值的范围是对应的反码是1000～0111。630的反码：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。64补码定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+165[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000～0111。660的补码：[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

对8位字长，进位被舍掉∴[+0]补=[-0]补=0000000067特殊数10000000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数：(10000000)２=128688位有符号数的表示范围：对8位二进制数：原码：-127~+127反码：-127~+127补码：-128~+127想一想：16位有符号数的表示范围是多少？69补码加减法的运算规则通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：[X+Y]