第1章 微型計算機概述

微機原理與接口技術(shù)主講：陳飛

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安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院課程簡介及要求

1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的

《微機原理與接口技術(shù)》是工科自動化及其相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。本課程幫助學(xué)生掌握微型計算機的硬件組成及使用；學(xué)會運用匯編語言進行程序設(shè)計；樹立起計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念；為后繼的軟、硬件課程做好鋪墊。

2.課程教學(xué)安排教學(xué)參考學(xué)時：72學(xué)時其中實驗學(xué)時：14學(xué)時考試形式：筆試3.教材內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)基本知識與基本概念計算機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理微處理器與微型計算機的概念微型計算機系統(tǒng)組成及其應(yīng)用計算機中的數(shù)據(jù)表示、數(shù)制與編碼的應(yīng)用80X86微處理器微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲器和I/O組織總線周期與操作時序指令系統(tǒng)與匯編語言指令的概念與尋址方式8086指令系統(tǒng)介紹匯編語言格式、基本表達、偽指令介紹匯編語言源程序的建立、編輯、運行、調(diào)試匯編語言程序設(shè)計及其應(yīng)用程序設(shè)計的方法和步驟順序程序、分支程序、循環(huán)程序、子程序的設(shè)計中斷調(diào)用程序設(shè)計宏匯編與重復(fù)匯編存儲器存儲器的分類存儲器的主要性能指標(biāo)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲器的基本結(jié)構(gòu)CPU與存儲器的連接輸入輸出和中斷技術(shù)I/O端口的編址輸入輸出的基本方法中斷基本概念8086/8088中斷系統(tǒng)8259中斷控制器常用數(shù)字接口電路接口電路概述可編程定時/計數(shù)器8253可編程并行接口8255可編程串行通信接口8251模擬量的輸入輸出模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉(zhuǎn)換器0832A/D轉(zhuǎn)換器08091.1

計算機的發(fā)展概況第1章微型計算機概述

1.2

計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3

微型計算機的基本概念1.5

微型計算機的特點及應(yīng)用1.4

微型計算機系統(tǒng)的組成1.1

計算機的發(fā)展概況1．第一臺電子計算機

1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺電子數(shù)字計算機：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計算機）。重量30噸，占地170平方米，每小時耗電150千瓦，價值約40萬美元。采用18000只電子管，70000個電阻，10000支電容，研制時間近三年，運算速度為每秒5000次加減法運算。

ENIAC的不足：運算速度慢、存儲容量小、全部指令沒有存放在存儲器中、機器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差。2．馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機

1946年6月，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（JoheVonNeumman）提出了“存儲程序”的計算機設(shè)計方案。其特點是：采用二進制數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和計算機指令。指令和數(shù)據(jù)存儲在計算機內(nèi)部存儲器中，能自動依次執(zhí)行指令。由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部分組成計算機硬件。工作原理的核心是“存儲程序”和“程序控制”。按照這一原理設(shè)計的計算機稱為馮·諾依曼型計算機。馮·諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)，被譽為計算機發(fā)展史上的里程碑。

3．按邏輯部件化分的計算機發(fā)展階段按電子部件的演變經(jīng)歷了四代：（1）第一代（1946年~1958年）：電子管計算機特點：體積大、耗電多、運算速度慢，存儲容量?。?）第二代（1959年~1964年）：晶體管計算機

特點：體積減小，重量輕、省電、壽命長、可靠性提高，運算速度可達每秒百萬次。（3）第三代（1965年~1970年）：中小規(guī)模集成電路計算機特點：存儲容量1~4兆字節(jié)。運算速度每秒幾百萬至千萬次，可靠性有較大提高，體積進一步縮小，成本進一步降低，出現(xiàn)了向大型化和小型化發(fā)展的趨勢。（4）第四代（1971年-）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機特點：大規(guī)模集成電路使計算機發(fā)生了巨大的變化，半導(dǎo)體存儲器的集成度越來越高。Intel公司推出了微處理器，誕生了微型計算機，使計算機的存儲容量、運算速度、可靠性、性能價格比等方面都比上一代計算機有較大突破。1.2計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1計算機的基本結(jié)構(gòu)各部分的主要功能：（1）輸入設(shè)備：用于輸入原始信息和處理信息的程序。如鍵盤、鼠標(biāo)器和掃描儀等。（2）輸出設(shè)備：用來輸出計算機的處理結(jié)果及程序清單。如顯示器和打印機。（3）存儲器：用來存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、控制器交換信息，是計算機中各種信息存儲和交流的中心。（4）運算器：用來對信息及數(shù)據(jù)進行處理和計算。也稱為算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整個計算機的指揮中心，用來指揮計算機各部件的操作，使其協(xié)調(diào)一致地工作。計算機中的兩類信息：一類是采用雙線表示的數(shù)據(jù)信息流，它包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、計算結(jié)果和程序中的指令；另一類是采用單線表示的控制信息流，它是控制器發(fā)出的各種操作命令。2計算機的工作原理

（1）存儲程序原理把事先編制好的由計算機指令組成的程序存放到存儲器內(nèi)，計算機在運算時依次取出指令，根據(jù)指令的功能進行相應(yīng)的運算，這就是存儲程序原理。（2）程序的自動執(zhí)行程序在執(zhí)行前先裝入內(nèi)存儲器，CPU負責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，分析識別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。程序的執(zhí)行流程：取指令—分析指令—執(zhí)行指令。1.3微型計算機的基本概念

1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展

將傳統(tǒng)計算機的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器（Microprocessor）。微型計算機是以微處理器為核心，再配上存儲器、接口電路等芯片構(gòu)成的。按照計算機CPU、字長和功能劃分，經(jīng)歷了5代的演變:第一代（1971年～1973年）：4位和8位低檔微處理器第二代（1974年～1978年）：8位中高檔微處理器第三代（1978年～1980年）：16位微處理器第四代（1981年～1992年）：32位微處理器第五代（1993年以后）：全新高性能奔騰系列微處理器2微型計算機的分類

1．按照CPU的字長來分類有4位、8位、16位、32位、64位微型計算機等。2．按照微處理器器件的工藝來分類可分成MOS工藝、雙極型TTL工藝的微處理器。3．按照微型計算機的利用形態(tài)來分類

有單片機、單板機、多板機等。

3微型計算機的性能指標(biāo)介紹

位：這是計算機中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。字長：是計算機在交換、加工和存放信息時的最基本的長度。字節(jié)（Byte）：是計算機中通用的基本單元，由8個二進制位組成。字：是計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位。主頻：也稱時鐘頻率，是指計算機中時鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。訪存空間：是該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪問的存儲單元數(shù)。指令數(shù)：構(gòu)成微型計算機的操作命令數(shù)。基本指令執(zhí)行時間：計算機執(zhí)行程序所花的時間。可靠性：指計算機在規(guī)定時間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計算機硬件設(shè)備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價格比：是衡量計算機產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。

1.4微型計算機系統(tǒng)的組成

1微型計算機系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成：

硬件微計算機外圍設(shè)備微處理器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設(shè)備過程I/O通道軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫機器語言匯編語言高級語言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體。硬件的基本功能是接受計算機程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務(wù)。軟件系統(tǒng)是指為計算機運行工作服務(wù)的全部技術(shù)資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計算機硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個寬松的工作環(huán)境。計算機的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作。2微型計算機的硬件結(jié)構(gòu)

微處理器CPU存儲器RAM接口電路時鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線各組成模塊及其功能：

1．中央處理單元

中央處理單元CPU（ControlProcessingUnit）是微型計算機的核心部件，是包含有運算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件的一塊大規(guī)模集成電路芯片，俗稱微處理器。

2．主存儲器

主存儲器是微型計算機中存儲程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等各種信息的部件。按其功能和性能，可以分為：隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）

3．系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是CPU與其他部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道。根據(jù)傳送內(nèi)容可分成以下3種：數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）：用于CPU與主存儲器、CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。地址總線AB（AddressBus）：用于CPU訪問主存儲器和外部設(shè)備時，傳送相關(guān)的地址?？刂瓶偩€CB（ControlBus）：用于傳送CPU對主存儲器和外部設(shè)備的控制信號。4．輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input/Output）電路，即通常所說的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計算機外部設(shè)備交換信息的橋梁。5．主機板

主機板也稱為系統(tǒng)主板或簡稱主板。主機板上有CPU芯片、內(nèi)存槽、擴展槽、各種跳線和一些輔助電路。

6．外存儲器

分為軟磁盤、硬磁盤、光盤存儲器。磁盤存儲器由磁盤、磁盤驅(qū)動器和驅(qū)動器接口電路組成，統(tǒng)稱為磁盤機。光盤存儲器是由光盤、光盤驅(qū)動器和接口電路組成。7．輸入/輸入設(shè)備

計算機最常用的輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。計算機最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機。

3微型計算機的軟件系統(tǒng)

計算機軟件是指支持計算機運行的各種程序，以及開發(fā)、使用和維護這些程序的各種技術(shù)資料的總稱。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，它們形成層次關(guān)系。處在內(nèi)層的軟件要向外層軟件提供服務(wù)，外層軟件必須在內(nèi)層軟件支持下才能運行。

系統(tǒng)軟件的主要功能是簡化計算機操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應(yīng)用軟件的運行并提供服務(wù)。應(yīng)用軟件處于軟件系統(tǒng)的最外層，直接面向用戶，為用戶服務(wù)。應(yīng)用軟件是為了解決各類應(yīng)用問題而編寫的程序，包括用戶編寫的特定程序，以及商品化的應(yīng)用軟件和套裝軟件。計算機語言也稱為程序設(shè)計語言，是人機交流信息的一種特定語言。在編寫程序時用指定的符號來表達語義。

1.5微型計算機的特點及應(yīng)用

1微型計算機的特點

通常，微型計算機具備以下特點：功能強可靠性高價格低適應(yīng)性強周期短，見效快體積小、重量輕、耗電省維護方便

2微型計算機的應(yīng)用

微型計算機按其復(fù)雜程度的不同，可適用于各種行業(yè)，從儀器儀表和家電的智能化，到科學(xué)計算、自動控制、數(shù)據(jù)和事務(wù)處理、輔助設(shè)計、辦公自動化、生產(chǎn)自動化、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、人工智能、計算機模擬、計算機輔助教育等各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用