信息與通信華東理工微機(jī)原理課件

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院自動(dòng)化系第一章 緒論第1頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20221本課的地位學(xué)習(xí)本課對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的要求本課教學(xué)目標(biāo)學(xué)習(xí)本課的方法本課使用教材授課章節(jié)及學(xué)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及安排第2頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20222 從整體到局部，再?gòu)木植康秸w； 從一般到具體，從具體到一般。兩個(gè)基本方面第3頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20223計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)第二層本課的地位計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)第一層計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)第三層計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)微機(jī)原理、微機(jī)接口、微機(jī)應(yīng)用第4頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20224 微機(jī)運(yùn)算基礎(chǔ) 微機(jī)組成、基本工作原理、微機(jī)系統(tǒng)初步 了解CPU體系結(jié)構(gòu) 了解存儲(chǔ)器系統(tǒng)

2、結(jié)構(gòu)、作用 了解I/O接口基本功能、結(jié)構(gòu)、端口的編址方式 和I/O同步控制方式 掌握中斷概念、CPU響應(yīng)中斷的條件和處理過程 掌握指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（隱含的） 微機(jī)原理（重點(diǎn)）第5頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20225了解并行接口與串行接口的共性與區(qū)別 掌握串行通訊的基本概念掌握可編程并行接口芯片的工作方式、初始化編程掌握定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的原理、功能、應(yīng)用與編程了解鍵盤、顯示器等人機(jī)交互設(shè)備的作用、原理及接口方法 理解并掌握A/D,D/A轉(zhuǎn)換原理、主要性能參數(shù)，了解典型DAC、ADC集成芯片,與MPU的接口方法、應(yīng)用及編程了解異步串行通訊協(xié)議、應(yīng)用與編程微機(jī)接口（重點(diǎn)）第6頁(yè)，共47頁(yè)。8/4

3、/20226了解微機(jī)在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用了解計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理概念和一般結(jié)構(gòu)了解測(cè)控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般分析和設(shè)計(jì)方法（重點(diǎn)） 微機(jī)應(yīng)用第7頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20227學(xué)習(xí)本課對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的要求預(yù)先應(yīng)學(xué)習(xí)：1、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)2、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)3、數(shù)字電路、模擬電路4、電工基礎(chǔ)第8頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20228本課教學(xué)目標(biāo)基本知識(shí)基本技能思路方法獨(dú)立分析問題和解決問題的能力實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力綜合運(yùn)用能力獨(dú)立獲取知識(shí)的能力教師講解學(xué)生“悟”教學(xué)目標(biāo)傳授知識(shí)與能力培養(yǎng)統(tǒng)一，理論與實(shí)踐統(tǒng)一。第9頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20229學(xué)習(xí)本課的方法1、利用遷移原理 將自身積累的

4、知識(shí)充分發(fā)揮出來(lái)，遷移到本課新知識(shí)的學(xué)習(xí)。2、重視實(shí)踐，獨(dú)立思考，認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)3、帶著問題學(xué)，尋找解決問題的知識(shí)、思路、方法第10頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202210本課使用教材課堂用教材：機(jī)械工業(yè)出版社 MCS-51單片機(jī)原理及與應(yīng)用 趙曉安等實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書：本校印 MCS-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書參考書：天津大學(xué)出版社單片機(jī)原理與應(yīng)用 趙德安等 第11頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202211第一章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第12頁(yè)，共47頁(yè)。目 錄微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念 微型計(jì)算機(jī)的組成及基本工作原理 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)制與編碼單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第13頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202213核心級(jí)微處理器中央處理機(jī)，簡(jiǎn)

5、稱CPU （Central Processing Unit），是計(jì)算機(jī)的核心，主要包括： 運(yùn)算器ALU 控制器CU 寄存器組Registers微處理器是集成在一個(gè)芯片上的CPU實(shí)現(xiàn)運(yùn)算功能和執(zhí)行指令的控制功能一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念 第14頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202214硬件級(jí)微型計(jì)算機(jī)以微處理器為核心，配上只讀存儲(chǔ)器(ROM)、讀寫存儲(chǔ)器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)。 能存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)、運(yùn)行程序、對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)將CPU及部分存儲(chǔ)器、I/O接口集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。CPUROMRAMI/O接口BUSC/

6、T第15頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202215系統(tǒng)級(jí)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備以及控制微型計(jì)算機(jī)工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)如果不配有軟件，通常稱為裸機(jī)。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類第16頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/2022161.1 微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算器 控制器 寄存器組 內(nèi)存儲(chǔ)器 總線 輸入輸出輸出 接口電路外部設(shè)備 軟件微處理器微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)區(qū)別3個(gè)概念第17頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/2022171. “三微”的概念1、微處理器 (MPU) 算術(shù)邏輯單元 其核心cpu運(yùn)算器和控制器 寄存器組 是微型計(jì)算機(jī)的核心部件

7、控制部件2、微型計(jì)算機(jī) MPU 為核心 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（ROM/RAM) I/O(Input/Output)接口和中斷系統(tǒng) 系統(tǒng)總線（CB DB AB)集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上組裝在一塊或數(shù)塊印刷電路板上多板微型計(jì)算機(jī)單板微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)第18頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202218 明確3個(gè)概念3個(gè)層次的區(qū)別微處理器（Microprocessor）一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片的CPU內(nèi)含控制器、運(yùn)算器和寄存器等微機(jī)中的核心芯片微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）通常指主機(jī)部分：微處理器+內(nèi)存+ I/O接口還有一般的說法：微機(jī)、微型機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Microcomputer system）指由

8、硬件（主機(jī)及外設(shè)）和軟件共同組成的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，真正可投入使用的計(jì)算機(jī)。第19頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202219微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 算術(shù)邏輯部件內(nèi)部總線累加器、寄存器控制部件微處理器存儲(chǔ)器（ROM/RAM）輸入/輸出接口系統(tǒng)總線微型計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備系統(tǒng)軟件微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 第20頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202220微型計(jì)算機(jī)的兩大分支核心器件微處理器微控制器MicroProcessor Unit embedMicroController UnitMPUMCU第21頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202221微機(jī)組成結(jié)構(gòu)的兩大類型馮.諾依曼型哈佛型CPUI/O接口存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)

9、存儲(chǔ)器CPUI/O接口程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線DBCBAB例：PC機(jī)例：MCS-51單片機(jī)第22頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202222諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理可概述為：“存儲(chǔ)程序” + “程序控制”輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備 CPU 存儲(chǔ)器運(yùn)算器ALU要點(diǎn)：1以二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令(程序) 2. 先將程序存入存儲(chǔ)器中，再由控制器自動(dòng)讀取并執(zhí)行計(jì)算機(jī)的基本工作原理第23頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202223馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)能把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)中。 （輸入）必須具有長(zhǎng)期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果的能力。 （存儲(chǔ)）能夠完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力。 （運(yùn)算）能夠根據(jù)需要控制

10、程序走向，并能根據(jù)指令控制機(jī)器的各部件協(xié)調(diào)操作。 （控制）能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶。（輸出） 簡(jiǎn)單地講，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程是取指令(代碼)分析指令(譯碼)執(zhí)行指令的不斷循環(huán)的過程。第24頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202224 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 微處理器的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展動(dòng)向 微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第25頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202225發(fā)展時(shí)代：第1代：4位和低檔8位微機(jī)400440408008第2代：中高檔8位微機(jī)Z80、I8085、M6800，Apple-II微機(jī)第3代：16位微機(jī)8086808880286，IBM PC系列機(jī)第4代：32位微機(jī)8038680486Pentiu

11、mPentium II / III / 432位PC機(jī)、Macintosh機(jī)、PS/2機(jī)第5代：64位微機(jī)Itanium、64位RISC微處理器芯片微機(jī)服務(wù)器、工程工作站、圖形工作站第26頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202226 微處理器的發(fā)展1、第一代微處理器是以Intel公司19711972年推出的4004、4040和8008作為典型代表的4位處理器，其集成度為2000與3300個(gè)晶體管/片。2、第二代微處理器是19741977年由幾家公司分別推出的產(chǎn)品，以Intel的8080/8085，Motorola的M6800,Rockwell的R6502和Zilog的Z80作為典型代表，其集成度達(dá)900

12、0個(gè)晶體管/片。3、19781980年出現(xiàn)了第三代微處理器，Intel的8086/8088，Motorola的M68000和Zilog的Z8000作為典型代表相繼問世，其集成度高達(dá)29000個(gè)晶體管/片，成為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上最流行的三種微處理器。 第27頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202227Intel4004和采用4004的計(jì)算器返回第28頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202228Apple微型計(jì)算機(jī)Apple-IApple-II返回第29頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202229IBM PC系列機(jī)8088CPUIBM PC機(jī)IBM PC/AT機(jī)IBM PC/XT機(jī)返回第30頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/2022304、

13、80年代以后，微處理器進(jìn)入第四代產(chǎn)品，向系列化方向發(fā)展，Intel公司相繼推出了性能更高、功能更強(qiáng)的80186和80286，它們與8086向上兼容。5、1993年3月，Intel公司發(fā)布了最新微處理器產(chǎn)品Pentium，它可以稱為第五代微處理器產(chǎn)品，其使用亞微米級(jí)的CMOS技術(shù)，使集成度高達(dá)310萬(wàn)個(gè)晶體管/片。第31頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/20223180386Pentium英特爾微處理器芯片返回第32頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202232第一代1971年1973年第二代1974年1977年第三代1978年1980年第四代1980年以后典型的微處理器芯片Intel 4004Intel 4040In

14、tel 8008Intel 8080M6800Z-80Intel 8086/8088M68000Intel 80X86M68020Z-80000字長(zhǎng)（位）4/881616/32集成度（晶體管數(shù)/芯片）10002000500090002000070000100000時(shí)鐘頻率（MHZ）0.50.81451010數(shù)據(jù)總線寬度（位）4/881616/32地址總線寬度（位）48820242432存儲(chǔ)容量16KB實(shí)存64KB實(shí)存1MB實(shí)存4GB實(shí)存和64GB虛存指令執(zhí)行時(shí)間（s）10151210.125軟件水平機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言操作系統(tǒng)匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言操作系統(tǒng)匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言部分軟件硬化第3

15、3頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202233微處理器的發(fā)展Intel 4004Intel 8008Motorola 6800Intel 8086Intel 80286Intel 80386Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium IIIntel Pentium IIIIntel Pentium IV第34頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202234微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 形小、體輕、功耗低 價(jià)格廉 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠 靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng) 第35頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202235微型計(jì)算機(jī)的分類 1、按CPU的字長(zhǎng)分類2、按構(gòu)成分類3、按應(yīng)用環(huán)境分類4、按制造工藝分類第36頁(yè)，共47頁(yè)

16、。8/4/2022361、按CPU的字長(zhǎng)分類4位微型計(jì)算機(jī) ，如Intel 4004 8位微型計(jì)算機(jī)，如Intel 8080/8085，Motorola的M6800 16位微型計(jì)算機(jī)，如Intel 8086/8088，Motorola的M6800032位微型計(jì)算機(jī)，如Intel 80386，Intel 80486，Intel 80586第37頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/2022372、按構(gòu)成分類:單片機(jī)、單板機(jī)、多板機(jī)、微機(jī)套件、微機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī) 將CPU、內(nèi)存、I/O接口電路全部集成一塊芯片上，構(gòu)成具備基本功能的計(jì)算機(jī)，稱單片機(jī)。 特點(diǎn)：超小型、高可靠性、價(jià)廉 應(yīng)用：智能儀表、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、家用電

17、器等 產(chǎn)品：Intel 的8051、8096/8098系列 第38頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202238將CPU、內(nèi)存、I/O接口及其它輔助電路全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機(jī)。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉 應(yīng)用：過程控制、數(shù)據(jù)處理 產(chǎn)品：TP-801以Z80CPU為核心的單板機(jī),80年代各院?！拔C(jī)原理”的實(shí)驗(yàn)機(jī)。 單板機(jī) 多板機(jī)把CPU、內(nèi)存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上，各印刷板插在主機(jī)板的總線插槽上，通過系統(tǒng)總線連接起來(lái)，構(gòu)成多板機(jī)。 特點(diǎn)：見前面微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 產(chǎn)品：IBM PC/XT、486機(jī)、Pentium機(jī)等,90年代以來(lái)各院?！拔C(jī)原理”和計(jì)算機(jī)硬件的實(shí)驗(yàn)機(jī)第39頁(yè)，共47頁(yè)。

18、8/4/202239 針對(duì)特定的用途，選用合適的微機(jī)組件（如CPU、存儲(chǔ)器、接口電路或芯片等）專門設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī) 。 微機(jī)套件 微機(jī)系統(tǒng) 購(gòu)買現(xiàn)成的微機(jī)系統(tǒng)。如IBM PC及其兼容機(jī)系統(tǒng) 。第40頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/2022403、按應(yīng)用環(huán)境分類單片機(jī)：如前述個(gè)人計(jì)算機(jī)：簡(jiǎn)稱PC（Personal Computer），它是20世紀(jì)后期一種最重要的計(jì)算機(jī)模式。 工作站/服務(wù)器：工作站（Workstation）在這里泛指供工程技術(shù)人員使用的工程工作站或圖形工作站。服務(wù)器（Server）則通指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的各類服務(wù)器。 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（Network Computer簡(jiǎn)稱NC）是一

19、種依賴于網(wǎng)絡(luò)的微型計(jì)算機(jī)，它不具備PC的高性能，但實(shí)現(xiàn)了較簡(jiǎn)單的操作和較低的購(gòu)買與維護(hù)價(jià)位。 第41頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202241 PMOS型微機(jī)P溝道MOS電路制造而成； NMOS型微機(jī)N溝道MOS電路制造而成； CMOS型微機(jī)P、N互補(bǔ)MOS電路制造而成； HMOS型微機(jī)混合MOS電路制造而成。 MOS型微機(jī)雙極型微機(jī)4、按制造工藝分類STTL型微機(jī)肖特基TTL電路制造而成；ECL型微機(jī)射極耦合電路制造而成；I2L型微機(jī)集成注入式電路制造而成；I3L型微機(jī)平面集成注入式電路制造而成。第42頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202242 微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1、科學(xué)計(jì)算和科學(xué)研究 計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于解決科學(xué)研究和工程技術(shù)中所提出的數(shù)學(xué)問題（數(shù)值計(jì)算）。 2、數(shù)據(jù)處理 （信息處理）主要是利用計(jì)算機(jī)的速度快和精度高的特點(diǎn)來(lái)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行加工。 3、工業(yè)控制 用單板微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)DDC級(jí)控制，用衛(wèi)星計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)SCC級(jí)監(jiān)督管理控制，用高檔微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)SCC或低層MIS管理已屢見不鮮。 第43頁(yè)，共47頁(yè)。8/4/202243 4、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)主要有計(jì)算機(jī)輔助教（CAI）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）、計(jì)