微机原理周鸣争版第1章

微机原理与接口技术主讲：严轶群第一章微型计算机基础知识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1.5微型机中的数制与码制1.1微型计算机的发展概况1.1.1微型计算机的发展历史1.1.2微型计算机的发展现状返回1.1.1微型计算机的发展历史按微处理器的位数分：第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期第五代（1993～1996）：Pentium微处理器的时代第六代（1997至今）：加强型Pentium时代

第七代：64位CPU时代第一代（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）。特点:1.字长：4位或8位2.时钟频率：1MHz3.平均执行指令时间：15~20μs4.集成度：2000管/片第二代（1973－1978年）：中高档8位微处理器时代典型产品Intel

8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOSTechnology的6502等。特点:1.字长：8位2.时钟频率：2～4MHz3.平均执行指令时间：1～2μs4.集成度：5000～10000管/片第三代（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:1.字长：16位2.时钟频率：5～40MHz3.平均执行指令时间：0.5μs4.集成度：20000～60000管/片第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点:1.字长：32位2.时钟频率：10～120MHz3.平均执行指令时间：0.2μs4.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：100MIPS

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、PentiumⅢ、AMD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。2001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。第七代：64位CPU时代2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置2～4MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8Intel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，传说中的586pentiumpropentium

mmxpentiumⅱceleron，引发超频热潮pentiumⅲ_katmaipentiumⅲIntelpentiumⅲtualatin/coppermineintelpentiumⅳ_423intelpentiumⅳ_478返回微型化、网络化、智能化1.1.2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，可实现更高性能返回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1.2.2微处理器1.2.3内存储器1.2.4输入输出设备和输入输出接口1.2.5总线返回微型计算机结构框图由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成返回1.2.1微型计算机的结构特点

1.2.2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的功能：

1.进行算术和逻辑运算

2.能对指令进行译码并执行规定的动作

3.可暂存少量数据

4.提供整个系统所需要的定时和控制

5.能和存储器、外设交换数据

6.可以响应其他部件发来的中断请求CPU在内部结构组成1.算术逻辑部件（ALU）处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算2.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3.程序计数器（指令指针）指向下一条要取出的指令4.指令寄存器存放从存储器中取出的指令码5.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。6.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。

CPU的控制信号1.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2.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。返回1.2.3内存储器内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件,存放数据（包括原始数据，中间结果和最终结果）和程序1.内存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：二进制有关的数据单位：位：1位二进制数据，计算机存储信息的基本单位字节:每8位组成一个字节字:16位双字:32位一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容，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，如下图所示：1514131211109876543210高位字节低位字节字16位时，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址：

两个字节单元构成一个字单元，字单元的地址采用它的低地址表示字节

34H

12H

1EH2FH

0004H0005H1234H1235H

(0004)=1234H

(1234)=2F1EH((0004H))=2F1EH

如用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容用（X）表示，假如X单元中存放着Y,则（X）=Y,而Y又是一个地址，则可用（Y）=((X))来表示Y单元的内容。如：存储器地址与内容有关说明1.存储器以字节（8bit）为单位存储信息2.每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加13.地址也用二进制数表示（无符号整数，写成十六进制）4.地址是16位,可表示216=65536=64K个地址，即0000H－FFFFH5.字长16位，一个字要占用相继的两个字节6.低位字节存入低地址，高位字节存入高地址7.机器以偶地址访问（读/写）存储器8.字单元地址用它的低地址来表示2.内存操作CPU对内存的操作有读、写两种：1.读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部2.写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来3.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任意写入返回1.2.4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。返回1.2.5总线总线实际上由一组导线条上关电路组成，是各种公共信号线的集合，用作微机各部分之间传递信息所共同使用的“高速信息公路”。在CPU，存储器，I/O接口之间传输信息的总线称为“系统总线”。系统总线包括：数据总线，地址总线和控制总线。1.数据总线（databus,DB）数据总线用来传输数据信息，是双向总线2.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3.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返回1.3微型计算机系统1.3.1微型计算机系统的组成1.3.2微型计算机的主要性能指标1.3.3典型微型计算机的组成结构返回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返回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返回1.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2.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3.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4.系统配置5.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

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返回1.4微型计算机的应用由于微型计算机具有体积小，价格低，性能可靠，结构灵活，使用方便等特点，所以广泛应用于科学计算，信息处理，工业过程控制，人工智能，计算机辅助设计与制造，商业流通等。主要有以下几个方面：1.科学计算和信息处理2.辅助设计和辅助制造3.测控领域4.网络通信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

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1.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。2.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。3.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。4.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。5.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。6.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

微型机中的数制及码制1.5.1

进位计数制及它们之间的转换

1.

进位计数制进位计数制三个基本特点:

基数某计数制中,数码的个数，如十进制的基数为10，数码为0，1，2，3，…9

进位原则：逢n进一

如十进制中逢10进1

位权某计数制中,数位中数码所代表数值的大小等于这数码乘上一个固定的值,该值称为位权的，如10，100，…

计算机内部使用二进制数一个二进制数可按位权展开成一个多项式，例如：

(11.101)2＝21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

十进制数与十六进制数之间的转换，以及十进制数与八进制数之间的转换，可以二进制数为媒介。即

十六进制数

十进制数

二进制数

八进制数

(1)十进制数与二进制数之间的转换十进制整数转换为二进制数的基本方法：除2取余

例1.1

将117转换成二进制数结果为1110101，通常写成(117)10＝(1110101)2

2.数制之间的转换（2）十进制小数转换为二进制小数的基本方法：乘2取整例1.3

将十进制小数0.6875转换成二进制数方法：乘2取整

(0.6875)10=(0.1011)2例1.4

将十进制数117.6875转换成二进制数方法：将整数部分和小数部分分别转换

(117.6875)10=(117)10+(0.6875)10=(1110101)2+(0.1011)2=(1110101.1011)2

(2)二进制数与十六进制数之间的转换

“四位一并法”“一分为四”

例1.6

将二进制数11001011.01011转换为十六进制数

11001011.01011000 ↓↓ ↓↓ CB .58

因此(11001011.01011)2＝(CB.58)16