第01章微机原理

微机原理与应用

陈贵林所属：电气工程学院自动化系课时：48/8成绩组成：考试80分，实验20分2/50本课程以Intel8086/8088CPU和典型机IMBPC系列机为蓝本学习微型计算机系统的基本原理。学习并熟悉CPU外部特性及其与半导体存贮器、I/O接口电路的连接方法，以及与外设进行数据传送的方式；掌握微机基本接口的工作原理及应用技术。课程内容简介3/50微机原理及应用-参考教材周明德，微型计算机原理与应用（第五版），清华大学出版社郑学坚周斌，微型计算机原理及应用（第三版）清华大学出版社吴秀清周荷琴，微型计算机原理与接口技术中国科学技术大学出版社冯博琴微型计算机原理与接口技术清华大学出版社钱晓捷陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，洪志全洪学海，现代计算机接口技术（第二版）电子工业出版社4/50微型计算机概述1.1微型计算机发展概述

1.1.1微型计算机的发展史

1.1.2微型计算机的应用

1.2计算机基础

1.2.1数制、编码

1.2.2常用的名词术语1.2.3计算机的工作过程

第1章1.3微型计算机的硬件和软件1.4微型计算机的结构1.5多媒体计算机 5/501.1微型计算机发展概况

●

世界上第1台计算机电子管●名称：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)●目的：用于第2次世界大战后期的弹道计算●诞生时间：1946年2月15日●诞生地：美国宾夕法尼亚大学ENIAC计算机●使用18000只电子管●占地面积100m2●重量30吨●耗电量140千瓦教学进程6/501.1微型计算机发展概况

●约翰·冯·诺依曼●姓名：JohnVonNeumann●诞生时间：

1903年12月28日●逝世日期：

1957年2月8日●国籍：美籍匈牙利人简单的来说他的精髓贡献是以下几点：●进制思想电子元件双稳工作的特点，提出在电子计算机中采用二进制●程序内存思想●存储程序通用电子计算机方案运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备

教学进程7/501.1微型计算机发展概况

●计算机发展的四个时代（按元器件划分）

第二代（1957-1964）晶体管计算机

第三代（1965-1971）集成电路计算机

第四代(1971年至今)大规模集成电路计算机苹果(Apple)计算机●1959年，美国Texas公司利用照像技术把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上，这种半导体集合体就是:“集成电路”——IC(Integratedcircuit)

第一代（1946-1957）电子管计算机晶体管教学进程8/50什么是微机？即微型计算机，它是以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统。其核心是微处理器（Microprocessor，简称MPU）。微机就是PC机吗？

PC机只是微机中的一种，是我们最熟悉、最典型的微机产品微机的覆盖范围任何电子产品，只要包含了CPU、存储器及I/O，且价格不高，都可以看作是微机典型例子电子词典、电视机、全自动洗衣机、手机、mp3……9/50本课程以Intel8086/8088CPU和典型机IMBPC系列机为蓝本展开微型计算机系统的基本原理。10/50

阶段

CPU(中央处理器)第一代 Intel4004/8008第二代 Intel8080第三代 Intel8085第四代Intel8086/8088/80486第五代 Pentium586 PentiumⅡ PentiumⅢ PentiumⅣ1971年第1台微型计算机诞生微型计算机的发展1.1.1平板电脑老式电脑IBM-PC586电脑Pentium多媒体电脑笔记本电脑教学进程11/50●Intel4004●出产年份：

1971年●频率/前端总线：:108KHZ/0.74MHz(4bit)●封装/针脚数量：陶瓷DIP/16针●核心技术/晶体管数量：10微米/2250教学进程●能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，成本不到100美元。●4004是美国英特尔公司(Intel)第一款推出的微处理器，也是全球第一款微处理器。●该款处理器原先是为一家名为Busicom的日本公司而设计，用来生产计算器12/50●Intel8080●出产年份：

1974年4月●频率：2MHz教学进程●它是英特尔公司继4004芯片推出的第三代微处理器，8080比4004快十倍而且数据宽度也从4位扩展到8位，被广泛应用与各种控制系统和嵌入式系统中。13/50●Intel8085●出产年份：

1976●频率：3MHz教学进程●

8085的主频，我们现在看来非常的可怜，甚至还不如一个MP3的DSP。它最低主频3MHz，最高主频也不过6MHz。14/50●Intel8086●出产年份：

1978年6月●频率：4.77MHz教学进程●1978年6月INTER推出了8086微处理器，主频4.77MHz，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●IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。这也标志着x86架构和IBMPC兼容电脑的产生15/508028680286于82年推出，24位AB，16位DB，时钟8~20MHz，集成度13.5万，为满足多任务系统的需要而设计，采用了两种新的内存管理技术（虚拟内存和保护模式）以使用和管理更多资源。与8086的显著的区别:地址线和数据线不再分时复用,简化了硬件设计;引入存储管理中的虚存管理机制。通过“虚地址”和“保护”两重功能对存储器管理提供了支持,加强了对多用户/多任务运行的管理能力。16/508038680386划时代的产品，开创了32位微机的先河。85年推出，32位内外DB，32位AB，16~50MHz，27.5万集成度，132脚4列直插，直接寻址能力4GB，并可管理64TB的虚存（通过虚地址方式）。存储器管理：在286基础上增加了虚拟8086方式，使其能更好地执行多任务处理。结构特点：包括EU、BIU、指令预取部件、指令译码部件IU、存储器管理部件等六部分组成17/50804868048689年推出，标准32位机，时钟40~100MHz，168脚PGA封装，120万集成度。从结构组成上看，486相当于以386为核心，增加了高速缓存和相当于片外80387的片内浮点协处理器，以及增加了面向多处理机的机构。但从程序设计角度来看，其体系结构几乎没变。

结构特点：在386的6个功能部件基础上，增加了Cache和FPU两部分，其中多个部分都可以独立并行工作，构成流水线。18/50PentiumPentium93年推出，时钟60~200MHz，内部DB32位，外部DB64位，AB32位，296引脚，是Intel为迎接Windows95和多媒体时代而全新设计的。结构特点：超标量流水线：内部包括两条5级指令流水线，各有独立的ALU、地址生成逻辑和Cache接口，其中U线负责所有整数和浮点数指令，V线则负责简单的整数指令，这样在最佳状态下，P5可在一个时钟周期内执行二条指令。双重分离式Cache：拥有独立的8KB指令Cahce和数据Cache，其中数据Cache有两个端口，分别用于U线和V线。64位外部数据总线：配合PCI局部总线，64位外部DB可大幅度提高数据传输速度，有效解决阻塞问题。分支指令预测：执行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。19/50PentiumPro

PentiumPro95年推出，用于服务器，为第六代X86，称为P6或高能奔腾。结构特点：三路超标量体系：12级流水线；而P5是2路5级。AB36位数据流分析技术：指令译码产生的微动作在执行以前经过整理，然后才能动态地执行。这些微动作并非按指令在程序中的顺序执行，而是乱序（错序）执行，其目的为提高执行的并行性。增强的分支预测：采用多项转移预测措施，使CPU可以跟踪多个转移指令，并对转移的结果进行预测，同时超越这些转移，以推测将要执行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。20/50PⅡPⅡ与PentiumPro同属P6系列,在后者的基础上增加了MMX功能，采用0.35um/0.25um工艺，750万集度。结构特点：将MMX技术加至P6中并采用新的包装；使用单边接触盒式封装SEC：即Slot1。双16KB的一级CacheCeleron：Intel为抵制K6占领低端市场而推出的低价CPU，最初只是简单地将PⅡ中的二级Cache去掉。因此性能较低。

XEON（至强）：98年6月开始推出，用于服务器，拥有512KB~2MB的二级Cache，且与CPU同频。21/50PⅢPⅢ在PII基础上增加了70条SSE（StreamingSIMDExtension）指令，让CPU可对多个数据同时进行浮点运算（4个32位浮点数）；片内有128位序列号，以标识每一部电脑，以用于电子商务的安全认证。什么是SIMD？即单指令多数据，也就是一条指令同时处理多个数据，主要用于处理多媒体数据。22/50P4P4P4是最新的IA-32结构的微处理器，主要有以下特性：第一个基于NetBurst微结构的CPU，该结构允许CPU运行在更高的时钟速度上；（400MHz的前端总线）支持超线程技术；支持SSE223/50摩尔定律●戈登·摩尔(GordonMoore)●姓名：GordonMoore●诞生时间：

1929年●国籍：美国●集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，且价格不变；●或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上24/501、科学计算和科学研究2、信息处理及计算机网络3、生产过程自动化

4、智能化仪器及装置5、家用电脑微型计算机的应用1.1.225/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.科学计算用于科学与工程领域。如：

的计算、中长期天气预报及导弹发射中的计算等。主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题26/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理人工智能计算机模拟人的高级思维活动,进行逻辑判断与推理。如机器人、专家系统、语音识别系统、图形图像等模式识别系统。27/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理对数据进行收集、储存、传递、分类、检测、排序、计算、打印报表、输出图像等加工处理。如：企业生产管理系统、电子商务处理系统等。2.信息处理及计算机网络28/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理电子商务电子商务源于英文ELECTRONICCOMMERCE简写EC，顾名思义包含两个方面：一是电子方式，二是商贸活动，电子商务指的是利用简单、快捷、低成本的电子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。电子商务的真正发展是建立在INTERNET技术上，所以也称IC(INTERNETCOMMERCE).29/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理信息高速公路30/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理3生产过程自动化对工业生产领域的过程控制，即对生产过程进行监视和控制，以提高产品质量与数量，减轻工人的劳动强度；31/504、智能化仪器及装置

将传感器与计算机集成于同一芯片上，智能传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计、处理及自诊断、自校准、自适应等功能。32/50PC(PersonalComputer)机：

是面向个人单独使用的一类微机。当今的微机的许多指标，如存储容量、运行速度等已经赶上或超过了以前的小型机，可以满足各种不同的应用场合。33/50所谓数制是指按进位的方法来进行计数在进位计数制中，常常要用“基数”（或称底数）来区别不同的数制，而某进位制的基数就是表示该进位制所用字符或数码的个数。如十进制数共用0～9十个数码表示数的大小,故其基数为10。1.2计算机基础1.2.1数制、编码（一）数制34/50一个数值，可以用不同进制的数表示。通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。十进制数：

DDecimalD可以省略不用.二进制数：

BBinary八进制数：

OOctal十六进制数：HHexadecimal.例：1001B=09H=9D35/50●二进制数(mod.2)000000010010001101000101(1101)2●八进制(mod.8)12345671011...1720...2730(57)8●

十进制(mod.10)12345678910111213...1920

(22)

10●十六进制(mod.16)1...9ABCDEF1011...1F20(2E6)16101112131415计算机采用二进制的原因主要有以下几点：

容易实现：二进制在硬件技术上容易实现。

运算简单：二进制运算规则简单，操作实现简便。

工作可靠：采用两种稳定的状态来表示数字，使数据的存储、

传送、和处理都变得更加可靠。

逻辑判断方便：教学进程36/50一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：N=Kn-1×10n-1+Kn-2

×10n-2+······+K1×101+K0×100

+

K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m=

一、二，八，十，十六进制数*基数：数制所使用的数码的个数*权：数制中每一位所具有的值.

式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i

称该位的权，Ki表示第i位的数码。

Ki的范围为0~9中的任意一个数

1.有十个不同的数字符号：0,1,2,…9。2.遵循“逢十进一”原则。十进制数的两个主要特点：

整数部分小数部分37/50

M进制数中的每一位都具有其特定的权，称为位权或简称权。就是说，对于同一个数码在不同的位它所代表的数值就不同。每个位权由基数的ｎ次幂来确定。

例:二进制数1101.11B相当于十进制数的

1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2

＝8＋4＋1＋0.5＋0.25

＝13.7510

例如：999.99这个数可以写为:

999.99＝9×102

＋9×101

＋9×100

＋9×10-1＋×10-2

上式称为按位权展开式。38/50

设基数用R表示，则对于二进制，R=2,Ki为0或1，逢二进一。

N=

对于八进制，R=8,Ki为0～7中的任意一个，逢八进一。

N=

对于十六进制，R=16,Ki为0～9、A、B、C、D、E、F共16个数码中的任意一个，逢十六进一。

N=39/50例1101.001B=(1101.001)2=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+0×2-2+1×2-3=(13.125)10=13.125综上可见，上述几种进位制有以下共同点：①

每种进位制都有一个确定的基数R，每一位的系数Ki

有R种可能的取值。

②

按“逢R进一”方式计数，在混合小数中，小数点右移一位相当于乘以R，左移一位相当于除以R。

40/50数的进制转换各种进制间的对应关系

1●数制的换算禁止四舍五入！mod.8不同进制数换算方法2mod.10mod.2mod.16教学进程二进制八进制十进制十六进制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F100002016101000121171141/50●mod2-mod10换算mod.10mod.227.25mod.2mod.1011011.011

101101个位×24

×23

×22×21

×20×2-1×2-2++++++[例](11011.01)2=10010.11mod.10mod.2[例](18.8125)10=整数部分(除2取余法)

小数部分(乘2取整法)218......余092......余142......余022......余01......余1100100.8125×21.625......整数部分=1×21.25......整数部分=1×20.5......整数部分=0110教学进程42/50●mod8-mod10换算mod.10mod.8678.15625mod.8mod.101246.121

24612个位×83

×82

×81×80×8-1×8-2+++++[例](1246.12)8=1246.117mod.10mod.8[例](678.156)10=整数部分(除8取余法)

小数部分(乘8取整法)8678......余6848......余4108......余21......余112460.156×81.248......整数部分=1×81.984......整数部分=1×87.872......整数部分=7117教学进程43/50●mod16-mod10换算mod.10mod.16788.07031mod.16mod.10314.123

1412个位×162

×161

×160×16-1×16-2++++[例](314.12)16=13A.4Fmod.10mod.16[例](314.31)10=整数部分(除16取余法)小数部分(乘16取整法)16314......余10→A1916......余31......余113A0.31×164.96......整数部分=4×1615.36......整数部分=15→F4F教学进程44/50●mod2-mod8换算mod.8mod.2(35.64)8[例](11101.1101)2=(100101.110001)2mod.8mod.2[例](45.61)8=●规则：3位并1位计数方向：左←.→右位数不足补0mod.2011101.110100mod.83

5.64●规则：1位拆3位

mod.845.61mod.2100101.110001教学进程45/50●mod2-mod16换算mod.16mod.2(3D.5C)16[例](111101.0101