典型微型计算机组成结构图微处理器课件

课程名称微型计算机原理（微机原理与接口技术）学时52/12（48/15）选用教材吴秀清主编.微型计算机原理与接口技术[M]（第三版）.合肥：中国科技大学出版社.

主讲教师叶爱芹授课对象电子信息工程、机械自动化授课方式多媒体与板书相结合前修课程：电路原理、模拟电子电路、数字电子技术等课程在专业学科中的地位与作用

本课程是我校电气信息类非计算机专业必修的主干专业基础课程之一，针对人才培养目标，课程体系和教学内容紧紧围绕“厚基础，重能力”的培养目标，强调理论与实践并重，注重培养学生知识应用能力和适应课程特点的学习方法。通过课程学习，不仅使学生掌握微机的基本组成结构和工作原理，更重要的是通过实践环节的训练，加深对理论知识理解，着重掌握计算机接口软硬件设计能力，为学生后续专业课程的学习奠定厚实的理论基础，培养学生分析问题、解决问题的能力。为嵌入式系统开发打下良好的基础。

课程内容与学时分配章节内容学时第一章绪论4第二章8086系统结构6第三章8086的寻址方式和指令系统12第四章汇编语言程序设计10第五章存储器6第六章输入/输出接口2第七章微型计算机中断系统6第八章可编程计数器/定时器8253及其应用4第九章可编程外围接口芯片8255A及其应用4第十一章模数和数模转换自学第一章微型计算机概述

1.1

微型计算机的发展概况

1.2

微型计算机的基本结构1.3微型计算机系统1.4微型计算机的应用

微型计算机的发展历史

计算机是20世纪发展最为迅速，普及程度最高、应用最为广泛的科学技术之一。自1946年世界第一台计算机在美国诞生至今，经过半个多世纪的发展，计算机已经渗透到国民经济和社会生活的各个领域，极大地改变着人们的工作方式和生活方式，转化为推动社会前进的巨大的生产力。1.1微型计算机的发展概况计算机按其性能、价格和体积等的不同，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机巨型机：功能最强、精度最高、速度最快、价格最贵高科技难题、每秒十几万亿次浮点运算（太拉级）131万亿次日本

模拟气候实现精确的气象预报模拟与设计可控核聚变模拟核武器行为及破译密码应用纳米技术模拟与设计新的电子器件大型机：指令多、速度快、存储容量大、可连接数以百计终端机，快速处理巨量的资料中型机、小型机：规模小、结构简单、便于推广微型机：体积小、重量轻、价格低廉；

采用大规模和超大规模集成电路；可靠性好、结构灵活；内部元件少、连线少；应用面广，用于过程控制、测量仪器、仪表、教学、医疗、家电

在50多年的发展历史中，计算机经历了采用电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路的发展历程。未来将为人工智能计算机，模拟人脑的思维。但是计算机真正的辉煌时期是从1971年第一片微处理器（Microprocessor）诞生之日起，计算机便以惊人的速度发展，在此后的30多年时间里，微处理器发展：从美国Intel公司的4004、8008、8080、8085、8086、80186、80286、80386、80486发展到Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ、Itanium

等。第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代典型产品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。通常人们把Intel4004(4位)和Intel8008（8位）称为第一代微处理器。特点字长：4位或8位时钟频率：1MHz平均执行指令时间：20μs集成度：2000管/片价格低廉、使用方便，主要应用于简单计算与控制。

第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代1973年，Intel公司推出了性能更好的8位微处理器8080。Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOSTechnology的6502等。通常人们把这一时期的微处理器称为第二代微处理器。特点字长：8位时钟频率：2～4MHz平均执行指令时间：1～2μs集成度：5000～10000管/片这一时期推出的微型计算机，在系统设计上考虑了机器间的兼容性，接口的标准化和通用性，外围配套电路种类齐全、功能完善。在系统软件方面，除可使用汇编语言外，还配用高级语言和操作系统。已经广泛用于数据处理、工业控制、汽车、电子、智能仪器仪表和家电等领域。第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代

Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog

公司的Z8000特点字长：16位时钟频率：4～40MHz平均执行指令时间：0.5μs集成度：20000～60000管/片

第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期

Intel公司推出80186、802861985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386，同时有Motorola公司的M680201989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点字长：32位时钟频率：10～120MHz平均执行指令时间：0.2μs集成度：几十万～上百万管/片第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代

1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）

时钟频率：60/66MHz

运行速度：112MIPS

集成度：310万管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro

时钟频率：166MHz以上集成度：550万管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔腾）第六代（1997至今）：加强型Pentium时代

1997年到1999年，Intel公司的PentiumⅡ、PentiumⅢAMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2000年，Intel公司的PentiumⅣ2001年底，PentiumⅣ主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。

AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主频及2GHz主频。

2006年，Core系列。支持64位计算。Intel的CPU的发展史intel4004，intel的发展史就是从这块cpu起步的80088085808680286，intel最后一块16位cpu80386，intel第一代32位cpu486，这是intel最后一代以数字编号的cpupentium，586pentiumpropentium

mmxpentiumⅱceleron，引发超频热潮pentiumⅲ_katmaipentiumⅲIntelpentiumⅲtualatin/coppermineintelpentiumⅳ_423intelpentiumⅳ_478

微型计算机的发展现状超级流水线技术将流水线深度增加了一倍数据流单指令多数据扩展2(SSE2)指令集扩展MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和3D图形数据处理，网络流数据处理等采用了全新的一级（L1）指令高速缓存技术采用先进的400MHz系统总线具有双通道RDRAM，可实现更高性能微型化、网络化、智能化1.2微型计算机的基本结构1.2.1微型计算机的结构特点微型计算机结构框图冯•诺依曼结构简介由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行返回CPU一般都具备下列功能：

可以进行算术和逻辑运算能对指令进行译码并执行规定的动作可暂存少量数据提供整个系统所需要的定时和控制能和存储器、外设交换数据可以响应其他部件发来的中断请求

微处理器微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（CentralProcessingUnit）本身具有运算和控制功能

控制器：负责全机的控制工作运算器：执行所有的算术和逻辑运算微处理器是微型计算机的核心

多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能CPU在内部结构上都包含下面这些部分：

算术逻辑部件（ALU）：专门用来处理各种数据信息的，它可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算

累加器和通用寄存器组：用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址

程序计数器（指令指针）：指向下一条要取出的指令

指令寄存器：存放从存储器中取出的指令码

译码器：对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。

时序和控制部件：指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。

由CPU内部产生相应的控制信号：送到存储器、输入/输出接口电路和其他部件微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时候向CPU发出各种请求信号：如中断请求、总线请求等。CPU的控制信号分为两类

内存储器（Memory）

内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件存放编写的程序，程序中所用的数据、信息、中间结果存储单元的地址和内容

内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数微机通过给各个内存单元规定不同地址来管理内存位——计算机存储信息的基本单位每8位组成一个字节76543210

若字长为16位，由2个字节组成

每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为16进制

1514131211109876543210高位字节低位字节字内存操作CPU对内存的操作有读、写两种读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来内存分类按工作方式不同，内存可分为两大类：随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)RAM可以被CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器ROM中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入输入输出设备和输入输出接口

输入输出设备是指微型计算机上配备的I/O设备也称为外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微型计算机提供具体的输入/输出手段微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台

为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口(Interface)电路与主机系统相连。

总线数据总线（databus,DB）数据总线用来传输数据信息，是双向总线地址总线（addressbus,AB）地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线控制总线（controlbus,CB）控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但CB作为一个整体是双向的1.3微型计算机系统1.3.1微型计算机系统的组成一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等

微型计算机系统的基本组成1.3.2微型计算机的主要性能指标基本字长基本字长是指参与运算数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的主存容量一个主存储器所能存储的最大信息容量称为主存容量运算速度人们用计算机的主频——时钟频率来表示运算速度，以MHz或GHz为单位系统配置外部设备、软件性能价格比1.3.3典型微型计算机的组成结构Pentium系列处理器主处理器总线（3.3V或2.5VI/O,60～66MHz）第二级CacheCache（PBSRAM）标签CntlTagCntlTIO[7:0]82439TX(MTXC)DRAM接口(3.5V或5V)主存储器(DRAM)PCI总线（3.3V或5V,30/33MHz）ISA插槽PCI扩充连接器PCI插槽PCI插槽PCI总线（5V）82380FB(MPCI2)82380AB(MISA)ISA总线（5V）CD-ROM硬盘IDEUDMA/33通用串行总线(USB)ISA/EIO总线(兼容3.3V,5V)USB1USB2GP[I,O](30+)SMB(I2C)音频PC87317VULBIOS串行口红外口并行口鼠标口键盘口软盘口82371AB(PIIX4)硬盘只适应可撤卸的扩充站

典型微型计算机组成结构图

微处理器，高速缓存，存储器，逻辑芯片组，I/O控制器，图形、视频、音频系统控制器并行端口、COM0、视频口、键盘、鼠标、游戏口ISA插槽音频编码视频扩展卡插槽COM1Socket7CPUDIMMSocketsDIMMSockets512KBCacheFLASH视频输入视频存储器扬声器板面状态接口配置跳线接口图形控制器视频抓取处理器PCI插槽TV输出多媒体通道连接器GPIO82430TXMTXC82430TXPIIX4电源连接器软盘连接器PC87307VULIDE连接器IDE连接器电池稳压器

典型微型计算机主板结构图1.4微型计算机的应用1.4.1科学计算和信息处理科学计算一直是计算机的重要应用领域。发明计算机的原始目的就是为了科学计算信息处理是微型计算机应用得最广泛的领域信息处理就是用微型计算机对生产、经济活动、社会和科学研究中获得的大量信息进行存储、分类、变换、计算和传输，以符合人们要求和习惯的形式输出、显示或再控制

1.4.2辅助设计和辅助制造计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）是微型计算机应用中的另一个重要领域CAD是指人们利用计算机帮助设计者进行各种工程设计、模拟和测试CAM是指利用计算机控制机械加工和制造1.4.3测控领域微型计算机在测控领域中的应用是最广泛、最普遍、最有效的应用微机测控的典型应用如下：军事方面：用于导弹、核武器、宇宙飞船、潜水艇、雷达、电子对抗等。工业方面：用于化工过程控制、机床自动控制、冶炼过程控制、发电厂控制、装配机械控制、生产自动化控制、机器人等。测试与仪器方面：智能仪器、自动测试系统、数据采集系统、虚拟仪器、遥控遥测等。通信及交通方面：程控交换机、传真电报、移动通信电台及手记、汽车电子设备、自动点火系统、交通信号控制、自动售票、车辆调度、导航及空中管制、航空自动驾驶。文体卫生方面：计算机、CT扫描仪、超声诊断仪、脑电图仪、X射线机。家电产品：以嵌入式微处理器为主，如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭锅、智能玩具等。1.4.4网络通信网络通信是计算机技术和通信技术密切结合的产物微型计算机在网络通信领域中的典型应用有：金融服务电子商务电子消息传递电子数据交换电视会议移动通信1.5基础知识

进位计数制与不同基数的数之间的转换

二进制数和十六进制数运算

计算机中数和字符的表示

几种基本的逻辑运算

二进制数进位计数制（基数、位权）

N位二进制数

进位计数制标志基数数码十六进制十进制八进制二进制HDQB1610820，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F0，1，2，3，4，5，6，7，8，90，1，2，3，4，5，6，70，1

二进制数和十进制数之间的转换十进制位权展开式二进制十进制二进制整数：降幂法、除基取余法小数：降幂法、乘基取整法

十六进制数及其与二进制、十进制数之间的转换

十六进制二进制001101011011111135BF

A19C1010000110011100十进制十六进制位权展开整数：降幂法、除基取余法小数：降幂法、乘基取整法二进制数的运算

0+0=00×0=00+1=10×1=01+0=11×0=01+1=0（进位1）1×1=1

十六进制数的运算

逢十六进一

数的表示

机器数：把一个数连同其符号在内在机器中的表示加以数值化原码、反码、补码多数机器的整数采用补码表示法补码表示：正数：用符号-绝对值表示负数：写出相应的正数补码，按位取反，最末位加1

例：机器字长16位