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微机原理与接口技术


微机原理与接口技术

2012年7月4日星期三

第一章 绪论
内 容 提 要
? ? ?

微型计算机的发展概况 微型计算机的特点和应用 微型计算机系统简介

?

课程框架结构、学习特点和参考书

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史

§1-1 微型计算机的发展概况
一、计算机的发展简史
1944年,Howard H Aiken(1900-1973)研制出了全电子计算器,为美国海军绘制弹道 图,该机简称Mark I 。运算速度1次/3~5秒,通过电磁信号移动机械部件完成,用于专门 领域做基本算术运算。
1946年电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator)在美国(宾夕法尼 亚大学)诞生。 它装有 18800个电子管、7万个 电阻器。1万个电容器和6000个开关, 重达30吨,占地面积150多平方米, 耗电150千瓦 。
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§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史 计算机发展经历四代:
?第一代计算机:电子管计算机 1946年 以电子管为逻辑元件
?操作指令为特定任务而编制,各不相同的机器语言,功能受限,速度慢; ?使用真空管和磁鼓储存数据; ?可完成5000次/秒的加法运算,比MARK ?降低了成本和体积; ?提供了运算速度;

I 快几千倍;

?第二代计算机:晶体管计算机 1958年 以晶体管为逻辑元件

?第三代计算机:集成电路计算机
?体积进一步缩小; ?配有各类操作系统,性能极大提高;

1965年 以中、小规模集成电路为逻辑元件

?第四代计算机:大规模集成电路计算机
?微型机代表; ?1971年,第一台微型计算机诞生

1970年 以超大规模集成电路为逻辑元件

?第五代计算机:智能
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计算机(非冯 · 诺依曼机)
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?人工智能、神经网络; ?运算理论及系统结构的变革;

§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史

第一代计算机的特点:
? 操作指令是为特定任务而编制的,每种机器有不同的机

器语言,功能受限,速度慢。
? 使用真空管和磁鼓储存数据。 ? 主要元件:18,800个电子管,70,000个电阻,500万个

焊接点。
? 其他:重30吨,占地150m2,耗电150kw,5000次/秒

的加法运算 。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史

第二代计算机的特点:
? 与电子管相比、晶体管具有体积小、重量轻、寿命长。

效率高、功耗低等特点,并把计算速度从每秒几千次提

高到几十万次。
? 晶体管计算机,降低成本和体积,提高了运算速度。高

级语言(Fortran,Cobol)的出现,使计算机从原来的 “科学计算”扩展到“数据处理、过程控制”。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史

第三代计算机的特点:
? 与晶体管相比,集成电路的体积更小,功耗更低,可靠

性更高,第三代计算机由于采用了集成电路,计算速度
从几十万次提高到上千万次,体积大大缩小,价格也不 断下降。
? 进一步缩小体积,配上各类操作系统,性能大大提高。

出现了交互式语言Basic、结构化程序设计方法。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——计算机的发展简史 第四代计算机的特点:
? 大规模集成电路(LSI)计算机,降低成本和体积,提

高了运算速度 。
? 在实现微型化的同时,还实现了巨型化计算机网络、分

布式处理技术、数据库管理等。
? 微型计算机是第四代计算机的典型代表。 ? 1971年,出现微型计算机

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展

二、微型计算机的发展 计算机发展经历五代。
?第一代微处理器:1971年 ?第二代微处理器:1973年 ?第三代微处理器:1978年 ?第四代微处理器:1983年 ?第五代微处理器:1983年

(4位和8位微处理器) (8位微处理器) (16位微处理器) (32位微处理器) (64位微处理器)

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展
?第一代微处理器:1971年

(4位和8位微处理器)

典型产品: Intel 4004(71年,4位微处理器), Intel 8008(72年,8位微处理器) 特点: ?工艺 :PMOS ?集成度: 2000只晶体管/片 ?时钟频率:小于lMHz ?平均指令执行时间:10-15μs ?采用机器语言编程。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展
?第二代微处理器:1973年

(8位微处理器)

典型产品:
Intel 8080(73年), Motorola MC6800(74年), Zilog Z80(75年), Intel 8085(76年)

特点:
?工艺

:NMOS ?集成度: 9000只晶体管/片 ?时钟频率:l-4MHz ?平均指令执行时间:1-2μs ?有中断和DMA等功能,指令系统相对完善,并具有汇编语言和高级语 言(BASIC、FORTRAN语言)的操作系统。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展
?第三代微处理器:1978年

(16位微处理器)

典型产品:
Intel 8086(78年)
Motorola 68000(79年) Motorola 68010(83年)

Zilog Z8000(79年)
Intel 80286(83年)

特点: ?工艺 :HMOS ?集成度: 2万-7万只晶体管/片 ?时钟频率:4-25MHz ?平均指令执行时间:0.5μs ?具有丰富的指令系统,采用多级中断,多重寻址方式,有 段寄存器结构,配有磁盘操作系统,数据库管理系统和多种 高级语言,性能超过了70年代的中低档小型机水平。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展
?第四代微处理器:1983年

(32位微处理器)

典型产品:
Zilog Z80000(83年)
Intel 80386(85年) Motorola 68040(89年)

Motorola 68020(84年)
Intel 80486(89年)

特点:
?工艺

:CHMOS ?集成度: 15万-50万只晶体管/片 ?时钟频率:16-40MHz ?平均指令执行时间:<0.1μs ?其中,80386CPU数据总线和地址总线均为32位,寻址能力高达4G字节, 采用段页式存储器管理机制,提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流 水线,即取指令,译码,内存管理,执行指令和总线访问并行操作。有快速 局部总线,有一套支持的配件。

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§1-1 微型计算机的发展概况 ——微型计算机的发展
?第五代微处理器:1993年

(64位微处理器)

典型产品:
Intel:Pentium 586(93年), Intel:pentium Pro P6(96年), Power PC(96年)

第五代微处理器使人们对图形图象,实时视频处理,语音识别, CAD/CAM,大规模财务分析,大流量客户机/服务器应用等成为 可能。

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§1-2 微型计算机的特点和应用 ——微型计算机的特点

§1-2 微型计算机的特点和应用
一、微型计算机的特点
体积小,功耗低 可靠性高,使用环境要求低 系统外部芯片配套,系统设计灵活 性能优良,价格低廉

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§1-2 微型计算机的特点和应用 ——微型计算机应用 二、微型计算机的应用
科学计算

信息处理
计算机控制 智能仪器

计算机通信
家用电器 CAD/CAM/CAl

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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

§1-3 微型计算机系统
一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统 1. 微处理器(Microprocessor)
只是一个中央处理器(CPU),由以下几部分组成:运算器,寄 存器,控制器,内部总线。
?
? ?

运算器:即算术逻辑部件(ALU)。
寄存器组:用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。 控制器:控制逻辑部件。负责对整机的控制,使CPU内部、外
部协调工作。

?

内部总线:总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。

(如下图所示)

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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统
微处理器只是一个中央处理器(CPU),由以下几部分组成:运算器,寄存器,控 制器,内部总线。
数据寄存器
AH BH CH DH AL BL CL DL

控制逻辑

指针及变址寄存器
SP

段寄存器
CS DS SS ES

ALU

BP SI DI

PSW

IP

注意:微处理器不能构成独立的工作系统,也不能独立 执行程序。需配有存储器、输入/输出接口。
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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统
2. 微型计算机
微型计算机的组成: ?CPU ?存储器(RAM,ROM) ?输入/输出接口电路 ?系统总线
输 入 接 口 C P U 运算器ALU 控制器 存储器 输 出 接 口

诺依曼计算机的工作原理可概述为: “存储程序” + “程序控制” 以二进制表示数据和指令(程序) 先将程序存入存储器中,再由控制器自动读取并执行
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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统
微型计算机框图及应用图:

地址总线

I/O总线

CPU

存储器

输入/输出 接口
控制信号

外围 设备

数据总线 控制总线

注意:微型计算机具有运算功能,可独立执行程序。但若 没有输入/输出设备,则数据无法输入,结果亦无法显示或输 出,还是不能正常工作。
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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统
3. 微型计算机系统
微型计算机系统的构成:微型计算机+外部输入/输出设备+系统软件
微型计算机系统
微型计算机
微处理器
运算器

外围设备 显示器 键盘

存储器
控制器

输入/输出 接口

鼠标 硬盘

寄存器组

软驱 光驱 扫描仪 系统软件 应用软件

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§1-3 微型计算机系统 ——微处理器、微型计算机、微型计算机系统
微型计算机系统

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§1-3 微型计算机系统 ——概念总结
概念对照
[微处理器、微型计算机、微型计算机系统] 微 型 计 算 机 (主 机) 微 处 理 器 CPU 存储器(RAM,ROM) I/O接口 总线 键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 ALU 寄存器 控制部件

微 型 计 算 机 系 统

硬 件

外 设

软 件

系统软件:DOS、Windows 95/98/2000 应用软件:WPS 、 Word、Photoshop

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§1-3 微型计算机系统 ——总线
二、总线
总线:计算机系统中,各个部件之间传送信息的公共通路。

CPU

存 储 器

I/O 接 口

输 入 设 备

I/O 接 口

输 出 设 备

总线 BUS

总线分类:内部总线、外部总线(元件级总线)、系统总线(板级总 线)、局部总线。
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§1-3 微型计算机系统 ——总线
1. 内部总线
内部总线:是微处
理器内部各个部件之间 传送信息的通路。
寄存器组 AH BH CH DH SI DI BP SP AL BL CL DL AX BX CX DX DS ES SS CS IP BIU 地 址 加 法 器 AB

地址AB

内部总线: 单总线结构 双总线 三总线结构
其中单总线结构有 利于集成度的提高及成 品率的提高,且由于面 积和引脚所限,该类总 线居多;

DB 数据暂存器 总线 接口 控制 电路

数据总线DB

运 运 算 算 器 器

指 令 队 列

CB

控制总线CB

指令译码器 PSW 标志寄存器

双总线或三总线结 构有利于内部数据传送 速度加快。
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EU

执 行 部 件 控 制 电 路
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§1-3 微型计算机系统 ——总线
2. 元件级总线(或外部总线)
元件级总线:连接计算机系统中两个主要部件的总线。
地址总线 AB

CPU

存 储 器

I/O 接 口

输 入 设 备

I/O 接 口

输 出 设 备 数据总线 DB

控制总线 CB 地址总线:CPU→存储器、I/O端口,三态单向;地址总线的位数决定CPU可直接 寻址的内存容量,如:16位(216=64K), 20位(220=1M)。 数据总线: CPU←→存储器、外设,三态双向;数据总线位数=微处理器位数。 控制总线:传输控制信号,方向随信号而变化; CPU→存储器、I/O端口:读/写 信号; 存储器、I/O端口→ CPU:复位、中断信号。
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§1-3 微型计算机系统 ——总线
3. 系统总线(或板级总线)
系统总线(或板级总线) :连接各模块、板之间的总线 。
地址总线 AB

CPU

存 储 器

I/O 接 口

输 入 设 备

I/O 接 口

输 出 设 备 数据总线 DB

控制总线 CB

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§1-3 微型计算机系统 ——总线
系统总线实物图:

系统 总线

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§1-3 微型计算机系统 ——总线
4.局部总线
局部总线存在于多总线结构中(多总线结构是指CPU与存储器、I/O设备之 间有两种以上总线)

ROM

RAM

输入/输出接口

局部总线 CPU 总线控制器 总线驱动器

系统总线

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§1-3 微型计算机系统 ——总线
局部总线实物图:
并口连接器 串口连接器 USB 鼠标 接口 键盘

ROM BIOS
CPU插槽 I S A 插 槽 A G P 插 槽 内存插槽 IDE接口 软驱接口 主板 电源 插座

PCI插槽

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§1-3 微型计算机系统 ——单片机、单板机
三、单片机和单板机
1. 单片机
? 将CPU、存储器、I/O接口电路全部集成一块芯片上,构成具备 基本功能的计算机,称单片机。 ? 特点:超小型、高可靠性、价廉 ? 应用:智能仪表、工业实时控制、家用电器等 ? 产品:Intel 的8051、8096/8098系列 Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列

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§1-3 微型计算机系统 ——单片机、单板机
2. 单板机

? 将CPU、存储器、I/O接口及其少量的输入/输出设备(如键盘、 显示等)等全部装在一块印刷电路板上,组成单板机。 ? 特点:结构简单、价廉 ? 应用:过程控制、数据处理、教学实验 ? 产品:TP-801 以Z80CPU为核心的单板机

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
四、系统集成 1. 单机系统 2. 主机处理系统

3. 文件共享处理系统
4. 客户/服务器系统

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成

1. 单机系统

在单机系统中,一台 微型机主机加上硬盘驱动 器、软盘驱动器、光盘驱 动器、打印机、键盘、显 示器、鼠标器等构成一个 处理环境。 完成数据处理、单机 间串/并行通讯、打印、显 示等工作。

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
2. 主机处理系统
主机处理系统:主机、本地终端、及由Modem连接的远程终端组成一 个系统 。
主机(应用服务) 数据库服务器

Modem

PSTN

本地终端 Modem Modem

本地终端

本地终端

远程终端

远程终端

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
主机处理系统应用图:

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
3. 文件共享处理系统 在几台独立的PC机用网络连接起来,构成文件共享处理系统 。
文件服务器 绘图仪 传真机 打印机

打印机

优点:文件共享,但并发控制困难。 缺点:受本地PC局限,不能充分利用文件服务器的能力(如快速、安全等)。
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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
文件共享处理系统应用图:

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
4. 客户/服务器系统 Client/Sever(客户/服务器)计算机模式:Client通过网络请求服务,由 Server提供服务 。
Server文件服务器 Server数据库服务器

绘图仪

网关/桥接器

Client

Client

Client

Client

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§1-3 微型计算机系统 ——系统集成
客户(前端系统)/服务器(后端系统)系统应用图:分布式处理技术

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课堂小结
重点:
1.微机发展史、特点; 2.明确几个概念
微处理器
微型计算机 微型计算机系统 单片机

单板机
总线

作业:
P20: 2,3,4
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