微機(jī)原理及接口技術(shù)第2-1章

第2章微機(jī)硬件基礎(chǔ)微機(jī)、計(jì)算機(jī)、電腦、單片機(jī)計(jì)算機(jī)：包括大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)微機(jī)：微型計(jì)算機(jī)電腦：對(duì)微型計(jì)算機(jī)的俗稱單片機(jī)：把微型計(jì)算機(jī)集成在一個(gè)芯片上微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer)是指以微處理器為基礎(chǔ)，配以內(nèi)存儲(chǔ)器及輸入輸出(I／0)接口電路和相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成的裸機(jī)。2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

CPU電源I/O接口顯卡主板內(nèi)存條光驅(qū)軟驅(qū)硬盤P965（Intel965P）南橋PCI插槽PCI-E插槽SATA接口北橋CPU插座內(nèi)存插槽電源插槽軟驅(qū)接口ATA接口I/O接口區(qū)主板上的主要部件芯片組（南北橋/HUB）CPU插座內(nèi)存插槽系統(tǒng)BIOSCMOS，存放硬件配置參數(shù)總線擴(kuò)展槽，PCI、ISA外設(shè)接口軟/硬盤、光驅(qū)插座2.1.1硬件系統(tǒng)硬件：能看得見摸得著的物理電子設(shè)備硬件系統(tǒng)：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備

運(yùn)算器：功能：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及移位運(yùn)算

組成：算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ArithmeticLogicUnit,ALU）和寄存器（Register,R）控制器：功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)部件的協(xié)調(diào)調(diào)度完成指令的分析執(zhí)行組成：程序計(jì)數(shù)器（Programcounter,PC）或叫指令指針（InstructionPointer,IP）、指令寄存器（Instructionregister,IR）、指令譯碼器（InstructionDecoder,ID）、微操作命令發(fā)生器、時(shí)序發(fā)生器等存儲(chǔ)器：功能：存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)分類：內(nèi)存（主存）、外存（輔存）輸入/輸出設(shè)備（人機(jī)交互）輸入：將外界的信息輸入計(jì)算機(jī)，如鍵盤、鼠標(biāo)等輸出：將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息輸出，如顯示器、打印機(jī)等要點(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)行輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備

CPU

存儲(chǔ)器運(yùn)算器ALU一、幾個(gè)相關(guān)的概念：cpu（中央處理器）：運(yùn)算器、控制器（核心)μP（微處理器）：CPU是單芯片μC（微機(jī)）：CPU、內(nèi)存、系統(tǒng)總線（主機(jī)）外設(shè)：外存（如硬盤）、輸入/出設(shè)備接口電路：連接主機(jī)與外設(shè)使之通訊的設(shè)備μCS（微機(jī)系統(tǒng)）：主機(jī)、接口電路、外設(shè)及機(jī)箱電源、其它輔助設(shè)備等硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一起構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)Bus（總線）：各種設(shè)備進(jìn)行通訊的公用通道DB（數(shù)據(jù)總線）：傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，雙向AB（地址總線）：傳輸?shù)刂沸盘?hào)，單向CB（控制總線）：傳輸命令和狀態(tài)信號(hào)，單向存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU微機(jī)的硬件由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成；輸入/輸出設(shè)備通過輸入/輸出接口與系統(tǒng)相連；(輸入/輸出接口簡(jiǎn)稱I/O接口)各部件通過總線連接。構(gòu)成部件二、有關(guān)術(shù)語1.位(bit)2.字節(jié)(Byte)3.字和字長(zhǎng)(word)4.位編號(hào)5.指令、指令系統(tǒng)和程序6.寄存器7.譯碼器1.

位(bit)

指計(jì)算機(jī)能表示的最基本最小的單位在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令，故：位就是一個(gè)二進(jìn)制位，有兩種狀態(tài)，“0”和“1”2.字節(jié)(Byte)

相鄰的8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個(gè)字節(jié)1Byte=8bit

如：11000011010101113．字和字長(zhǎng)

字長(zhǎng)是每一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)。常與CPU內(nèi)部的寄存器、運(yùn)算裝置、總線寬度一致

字是CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。例某CPU內(nèi)含8位運(yùn)算器，則：參加運(yùn)算的數(shù)及結(jié)果均以

8位

表示,最高位產(chǎn)生的進(jìn)位或借位在8位運(yùn)算器中不保存，而將其保存到標(biāo)志寄存器中10110101被加數(shù)8位

+10001111加數(shù)8位進(jìn)位1

11111101000100和8位PSW標(biāo)志寄存器運(yùn)算器標(biāo)志寄存器運(yùn)算器被加數(shù)加數(shù)和進(jìn)位字長(zhǎng)是衡量CPU工作性能的一個(gè)重要參數(shù)。不同類型的CPU有不同的字長(zhǎng)。如:Intel4004是4位

8080是8位

8088/8086/80286是16位

80386/80486、Pentium是32位10101100011001011001100001000011被加數(shù)

+11000011110000110001010101011000加數(shù)進(jìn)位

11111111111101110000001010001010110110011011和

4位8次8位4次16位2次32位1次位1或01位字節(jié)110000118位字110000110011110016位雙字1100001100111100110000110011110032位高字節(jié)低字節(jié)高字低字把一個(gè)字定為16位，1Word=2Byte

一個(gè)雙字定為32位

1DWord=2Word=4Byte4.位編號(hào)為便于描述，對(duì)字節(jié),字和雙字中的各位進(jìn)行編號(hào)。從低位開始，從右到左依次為0、1、2．．．←編號(hào)7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字節(jié)數(shù)據(jù)Data地址AddressD0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的編號(hào)為15~0雙字的編號(hào)依此類推，為31~05.指令、指令系統(tǒng)和程序一個(gè)CPU能執(zhí)行什么操作，是工程人員設(shè)計(jì)和制造好的，是固定的，用戶不能改變。指令是CPU能執(zhí)行的一個(gè)基本操作。如：取數(shù)、加、減、乘、除、存數(shù)等指令系統(tǒng)是CPU所能執(zhí)行的全部操作。不同的CPU，其指令系統(tǒng)不同。程序是用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，為要解決的問題，用一條條指令編寫的指令指令的序列。

構(gòu)成程序的指令在存儲(chǔ)器中一般都是順序存放， 要破壞這種順序性，必須由轉(zhuǎn)移指令操作。

6．寄存器

寄存器是用來存放數(shù)據(jù)和指令的一種基本邏輯部件。根據(jù)存放信息的不同，有指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等。標(biāo)志寄存器地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB指令寄存器數(shù)據(jù)寄存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運(yùn)算器IPCPU結(jié)構(gòu)示意圖7．譯碼器譯碼器是將輸入代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出信號(hào)的邏輯電路。指令是CPU能執(zhí)行的一個(gè)基本操作;CPU的設(shè)計(jì)者對(duì)CPU的所有指令進(jìn)行編碼;用戶用編碼形式的指令進(jìn)行編程，程序存放在內(nèi)存中;CPU從內(nèi)存取來編碼形式的指令,對(duì)指令進(jìn)行譯碼，發(fā)出執(zhí)行該指令功能所需的信號(hào)CPU總線內(nèi)存標(biāo)志寄存器地址總線AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、、、指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運(yùn)算器IP根據(jù)譯碼內(nèi)容的不同，可分為：

指令譯碼器:將指令代碼轉(zhuǎn)換成該指令所需的各種控制信號(hào)。

地址譯碼器:將地址信號(hào)轉(zhuǎn)換成各地址單元相應(yīng)的選通信號(hào)。2.1.2軟件系統(tǒng)軟件：程序和數(shù)據(jù)的集合，靈魂軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件：計(jì)算機(jī)廠家為普及推廣計(jì)算機(jī)而開發(fā)的軟件，如操作系統(tǒng)（OperatingSystem,OS）、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem,DBMS）、工具支撐軟件應(yīng)用軟件：用戶或軟件廠商為某種應(yīng)用而開發(fā)的軟件

2.1.3軟件和硬件的關(guān)系硬件是基礎(chǔ)，軟件是發(fā)展硬件和軟件缺一不可硬件和軟件相互促進(jìn)2.2微機(jī)發(fā)展概況

2.2.1微機(jī)發(fā)展史四個(gè)重要年份1946年：第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）誕生1969年：Internet的雛形APARNET誕生1971年：第一塊微處理器芯片INTEL4004誕生1981年：第一臺(tái)IBMPC微機(jī)誕生微機(jī)概況：五代：電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路分類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)特性：體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)靈活、軟件豐富

微處理器發(fā)展簡(jiǎn)史1971-1973：Intel4004及4040。字長(zhǎng)4位，集成度2300管/片，時(shí)鐘頻率1MHZ。1973-1977：Intel8080/8085。字長(zhǎng)8位，地址線16根，集成度1萬管/片，時(shí)鐘頻率2－4MHZ。1978－1980：Intel8086/8088。字長(zhǎng)16位，地址線20根，集成度2－6萬管/片，時(shí)鐘頻率4－8MHZ。1981－1984：Intel80286。字長(zhǎng)16位，地址線24根，集成度約13萬管/片，時(shí)鐘頻率6－20MHZ。1985－1989：Intel80386。字長(zhǎng)32位，地址線32根，集成度15－50萬管/片，時(shí)鐘頻率16－40MHZ。1989－1992：IBMPowerPC601。字長(zhǎng)32位，地址線32根，集成度120萬管/片，時(shí)鐘頻率33－100MHZ。1993－1994：Intel的Pentium（奔騰）、IBMPowerPC604。集成度350萬管/片，時(shí)鐘頻率50－166MHZ。1995年之后：Intel的PentiumPro(550萬管/片)、Celeron（賽揚(yáng)）。字長(zhǎng)32位，數(shù)據(jù)64位，地址線32根。2.2.2微機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)數(shù)據(jù)總線寬度從4位上升到64位。

集成度不斷提高，線寬已縮小到0.13微米。

主頻不斷上升，最高已達(dá)3.4GHZ（2005年4月）高度集成采用超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的多路執(zhí)行流水線技術(shù)、分支預(yù)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)和代碼二級(jí)高速緩存技術(shù)、指令動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)等新技術(shù)。性能越來越高，價(jià)位越來越低。體積越來越小

網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化及智能化。配置電源管理功能，趨于綠色電腦2.2.3微機(jī)的分類字長(zhǎng)：4、8、16、32、64位機(jī)CPU型號(hào)：186、286、386、486、P、PII、PIII、P4、CE、CEA、CEII、P4Ce、MII、MIII、K6、K6－2、K6III、Duron、Athlon結(jié)構(gòu)：?jiǎn)伟鍣C(jī)、普通微機(jī)體積和性能：臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦共享特性：?jiǎn)斡脩魡稳蝿?wù)型、單用戶多任務(wù)型、多用戶型。2.2.4性能指標(biāo)字長(zhǎng)：指CPU可以同時(shí)運(yùn)算或傳輸?shù)亩M(jìn)制的數(shù)據(jù)位數(shù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，速度越快、精度越高、表示范圍越大。速度：主頻（MHZ或GHZ）、次/秒（每秒運(yùn)算次數(shù)）、MIPS（百萬條指令每秒）。容量：內(nèi)存容量MB硬盤容量GB外設(shè)配置：如顯示器、光驅(qū)、聲卡、音箱、打印機(jī)。軟件配置：操作系統(tǒng)、開發(fā)軟件和應(yīng)用軟件。

2.2.5應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)與工程計(jì)算

數(shù)據(jù)與信息處理工業(yè)