第01章微機原理

微機原理與應用

陳貴林所屬：電氣工程學院自動化系課時：48/8成績組成：考試80分，實驗20分2/50本課程以Intel8086/8088CPU和典型機IMBPC系列機為藍本學習微型計算機系統(tǒng)的基本原理。學習并熟悉CPU外部特性及其與半導體存貯器、I/O接口電路的連接方法，以及與外設進行數(shù)據(jù)傳送的方式；掌握微機基本接口的工作原理及應用技術。課程內容簡介3/50微機原理及應用-參考教材周明德，微型計算機原理與應用（第五版），清華大學出版社鄭學堅周斌，微型計算機原理及應用（第三版）清華大學出版社吳秀清周荷琴，微型計算機原理與接口技術中國科學技術大學出版社馮博琴微型計算機原理與接口技術清華大學出版社錢曉捷陳濤，微型計算機原理及接口技術，北京：機械工業(yè)出版社，洪志全洪學海，現(xiàn)代計算機接口技術（第二版）電子工業(yè)出版社4/50微型計算機概述1.1微型計算機發(fā)展概述

1.1.1微型計算機的發(fā)展史

1.1.2微型計算機的應用

1.2計算機基礎

1.2.1數(shù)制、編碼

1.2.2常用的名詞術語1.2.3計算機的工作過程

第1章1.3微型計算機的硬件和軟件1.4微型計算機的結構1.5多媒體計算機 5/501.1微型計算機發(fā)展概況

●

世界上第1臺計算機電子管●名稱：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)●目的：用于第2次世界大戰(zhàn)后期的彈道計算●誕生時間：1946年2月15日●誕生地：美國賓夕法尼亞大學ENIAC計算機●使用18000只電子管●占地面積100m2●重量30噸●耗電量140千瓦教學進程6/501.1微型計算機發(fā)展概況

●約翰·馮·諾依曼●姓名：JohnVonNeumann●誕生時間：

1903年12月28日●逝世日期：

1957年2月8日●國籍：美籍匈牙利人簡單的來說他的精髓貢獻是以下幾點：●進制思想電子元件雙穩(wěn)工作的特點，提出在電子計算機中采用二進制●程序內存思想●存儲程序通用電子計算機方案運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備

教學進程7/501.1微型計算機發(fā)展概況

●計算機發(fā)展的四個時代（按元器件劃分）

第二代（1957-1964）晶體管計算機

第三代（1965-1971）集成電路計算機

第四代(1971年至今)大規(guī)模集成電路計算機蘋果(Apple)計算機●1959年，美國Texas公司利用照像技術把多個晶體管和電路蝕刻在一塊硅片上，這種半導體集合體就是:“集成電路”——IC(Integratedcircuit)

第一代（1946-1957）電子管計算機晶體管教學進程8/50什么是微機？即微型計算機，它是以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計算機主要部件——控制器和運算器的微處理器為核心所構造出的計算機系統(tǒng)。其核心是微處理器（Microprocessor，簡稱MPU）。微機就是PC機嗎？

PC機只是微機中的一種，是我們最熟悉、最典型的微機產品微機的覆蓋范圍任何電子產品，只要包含了CPU、存儲器及I/O，且價格不高，都可以看作是微機典型例子電子詞典、電視機、全自動洗衣機、手機、mp3……9/50本課程以Intel8086/8088CPU和典型機IMBPC系列機為藍本展開微型計算機系統(tǒng)的基本原理。10/50

階段

CPU(中央處理器)第一代 Intel4004/8008第二代 Intel8080第三代 Intel8085第四代Intel8086/8088/80486第五代 Pentium586 PentiumⅡ PentiumⅢ PentiumⅣ1971年第1臺微型計算機誕生微型計算機的發(fā)展1.1.1平板電腦老式電腦IBM-PC586電腦Pentium多媒體電腦筆記本電腦教學進程11/50●Intel4004●出產年份：

1971年●頻率/前端總線：:108KHZ/0.74MHz(4bit)●封裝/針腳數(shù)量：陶瓷DIP/16針●核心技術/晶體管數(shù)量：10微米/2250教學進程●能夠處理4bit的數(shù)據(jù)，每秒運算6萬次，運行的頻率為108KHz，成本不到100美元?！?004是美國英特爾公司(Intel)第一款推出的微處理器，也是全球第一款微處理器。●該款處理器原先是為一家名為Busicom的日本公司而設計，用來生產計算器12/50●Intel8080●出產年份：

1974年4月●頻率：2MHz教學進程●它是英特爾公司繼4004芯片推出的第三代微處理器，8080比4004快十倍而且數(shù)據(jù)寬度也從4位擴展到8位，被廣泛應用與各種控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中。13/50●Intel8085●出產年份：

1976●頻率：3MHz教學進程●

8085的主頻，我們現(xiàn)在看來非常的可憐，甚至還不如一個MP3的DSP。它最低主頻3MHz，最高主頻也不過6MHz。14/50●Intel8086●出產年份：

1978年6月●頻率：4.77MHz教學進程●1978年6月INTER推出了8086微處理器，主頻4.77MHz，采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術的晶體管●IBM公司1981年生產的第一臺電腦就是使用的這種芯片。這也標志著x86架構和IBMPC兼容電腦的產生15/508028680286于82年推出，24位AB，16位DB，時鐘8~20MHz，集成度13.5萬，為滿足多任務系統(tǒng)的需要而設計，采用了兩種新的內存管理技術（虛擬內存和保護模式）以使用和管理更多資源。與8086的顯著的區(qū)別:地址線和數(shù)據(jù)線不再分時復用,簡化了硬件設計;引入存儲管理中的虛存管理機制。通過“虛地址”和“保護”兩重功能對存儲器管理提供了支持,加強了對多用戶/多任務運行的管理能力。16/508038680386劃時代的產品，開創(chuàng)了32位微機的先河。85年推出，32位內外DB，32位AB，16~50MHz，27.5萬集成度，132腳4列直插，直接尋址能力4GB，并可管理64TB的虛存（通過虛地址方式）。存儲器管理：在286基礎上增加了虛擬8086方式，使其能更好地執(zhí)行多任務處理。結構特點：包括EU、BIU、指令預取部件、指令譯碼部件IU、存儲器管理部件等六部分組成17/50804868048689年推出，標準32位機，時鐘40~100MHz，168腳PGA封裝，120萬集成度。從結構組成上看，486相當于以386為核心，增加了高速緩存和相當于片外80387的片內浮點協(xié)處理器，以及增加了面向多處理機的機構。但從程序設計角度來看，其體系結構幾乎沒變。

結構特點：在386的6個功能部件基礎上，增加了Cache和FPU兩部分，其中多個部分都可以獨立并行工作，構成流水線。18/50PentiumPentium93年推出，時鐘60~200MHz，內部DB32位，外部DB64位，AB32位，296引腳，是Intel為迎接Windows95和多媒體時代而全新設計的。結構特點：超標量流水線：內部包括兩條5級指令流水線，各有獨立的ALU、地址生成邏輯和Cache接口，其中U線負責所有整數(shù)和浮點數(shù)指令，V線則負責簡單的整數(shù)指令，這樣在最佳狀態(tài)下，P5可在一個時鐘周期內執(zhí)行二條指令。雙重分離式Cache：擁有獨立的8KB指令Cahce和數(shù)據(jù)Cache，其中數(shù)據(jù)Cache有兩個端口，分別用于U線和V線。64位外部數(shù)據(jù)總線：配合PCI局部總線，64位外部DB可大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸速度，有效解決阻塞問題。分支指令預測：執(zhí)行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。19/50PentiumPro

PentiumPro95年推出，用于服務器，為第六代X86，稱為P6或高能奔騰。結構特點：三路超標量體系：12級流水線；而P5是2路5級。AB36位數(shù)據(jù)流分析技術：指令譯碼產生的微動作在執(zhí)行以前經(jīng)過整理，然后才能動態(tài)地執(zhí)行。這些微動作并非按指令在程序中的順序執(zhí)行，而是亂序（錯序）執(zhí)行，其目的為提高執(zhí)行的并行性。增強的分支預測：采用多項轉移預測措施，使CPU可以跟蹤多個轉移指令，并對轉移的結果進行預測，同時超越這些轉移，以推測將要執(zhí)行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。20/50PⅡPⅡ與PentiumPro同屬P6系列,在后者的基礎上增加了MMX功能，采用0.35um/0.25um工藝，750萬集度。結構特點：將MMX技術加至P6中并采用新的包裝；使用單邊接觸盒式封裝SEC：即Slot1。雙16KB的一級CacheCeleron：Intel為抵制K6占領低端市場而推出的低價CPU，最初只是簡單地將PⅡ中的二級Cache去掉。因此性能較低。

XEON（至強）：98年6月開始推出，用于服務器，擁有512KB~2MB的二級Cache，且與CPU同頻。21/50PⅢPⅢ在PII基礎上增加了70條SSE（StreamingSIMDExtension）指令，讓CPU可對多個數(shù)據(jù)同時進行浮點運算（4個32位浮點數(shù)）；片內有128位序列號，以標識每一部電腦，以用于電子商務的安全認證。什么是SIMD？即單指令多數(shù)據(jù)，也就是一條指令同時處理多個數(shù)據(jù)，主要用于處理多媒體數(shù)據(jù)。22/50P4P4P4是最新的IA-32結構的微處理器，主要有以下特性：第一個基于NetBurst微結構的CPU，該結構允許CPU運行在更高的時鐘速度上；（400MHz的前端總線）支持超線程技術；支持SSE223/50摩爾定律●戈登·摩爾(GordonMoore)●姓名：GordonMoore●誕生時間：

1929年●國籍：美國●集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，且價格不變；●或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上24/501、科學計算和科學研究2、信息處理及計算機網(wǎng)絡3、生產過程自動化

4、智能化儀器及裝置5、家用電腦微型計算機的應用1.1.225/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理1.科學計算用于科學與工程領域。如：

的計算、中長期天氣預報及導彈發(fā)射中的計算等。主要應用于解決科學研究和工程技術中所提出的數(shù)學問題26/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理人工智能計算機模擬人的高級思維活動,進行邏輯判斷與推理。如機器人、專家系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)、圖形圖像等模式識別系統(tǒng)。27/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理對數(shù)據(jù)進行收集、儲存、傳遞、分類、檢測、排序、計算、打印報表、輸出圖像等加工處理。如：企業(yè)生產管理系統(tǒng)、電子商務處理系統(tǒng)等。2.信息處理及計算機網(wǎng)絡28/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理電子商務電子商務源于英文ELECTRONICCOMMERCE簡寫EC，顧名思義包含兩個方面：一是電子方式，二是商貿活動，電子商務指的是利用簡單、快捷、低成本的電子通訊方式、買賣雙方不謀面地進行商貿活動。電子商務的真正發(fā)展是建立在INTERNET技術上，所以也稱IC(INTERNETCOMMERCE).29/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理信息高速公路30/50第一章微型計算機的系統(tǒng)結構與工作原理3生產過程自動化對工業(yè)生產領域的過程控制，即對生產過程進行監(jiān)視和控制，以提高產品質量與數(shù)量，減輕工人的勞動強度；31/504、智能化儀器及裝置

將傳感器與計算機集成于同一芯片上，智能傳感器不僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計、處理及自診斷、自校準、自適應等功能。32/50PC(PersonalComputer)機：

是面向個人單獨使用的一類微機。當今的微機的許多指標，如存儲容量、運行速度等已經(jīng)趕上或超過了以前的小型機，可以滿足各種不同的應用場合。33/50所謂數(shù)制是指按進位的方法來進行計數(shù)在進位計數(shù)制中，常常要用“基數(shù)”（或稱底數(shù)）來區(qū)別不同的數(shù)制，而某進位制的基數(shù)就是表示該進位制所用字符或數(shù)碼的個數(shù)。如十進制數(shù)共用0～9十個數(shù)碼表示數(shù)的大小,故其基數(shù)為10。1.2計算機基礎1.2.1數(shù)制、編碼（一）數(shù)制34/50一個數(shù)值，可以用不同進制的數(shù)表示。通常用數(shù)字后面跟一個英文字母來表示該數(shù)的數(shù)制。十進制數(shù)：

DDecimalD可以省略不用.二進制數(shù)：

BBinary八進制數(shù)：

OOctal十六進制數(shù)：HHexadecimal.例：1001B=09H=9D35/50●二進制數(shù)(mod.2)000000010010001101000101(1101)2●八進制(mod.8)12345671011...1720...2730(57)8●

十進制(mod.10)12345678910111213...1920

(22)

10●十六進制(mod.16)1...9ABCDEF1011...1F20(2E6)16101112131415計算機采用二進制的原因主要有以下幾點：

容易實現(xiàn)：二進制在硬件技術上容易實現(xiàn)。

運算簡單：二進制運算規(guī)則簡單，操作實現(xiàn)簡便。

工作可靠：采用兩種穩(wěn)定的狀態(tài)來表示數(shù)字，使數(shù)據(jù)的存儲、

傳送、和處理都變得更加可靠。

邏輯判斷方便：教學進程36/50一般地，任意一個十進制數(shù)N都可以表示為：N=Kn-1×10n-1+Kn-2

×10n-2+······+K1×101+K0×100

+

K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m=

一、二，八，十，十六進制數(shù)*基數(shù)：數(shù)制所使用的數(shù)碼的個數(shù)*權：數(shù)制中每一位所具有的值.

式中，10稱為十進制數(shù)的基數(shù)，i表示數(shù)的某一位，10i

稱該位的權，Ki表示第i位的數(shù)碼。

Ki的范圍為0~9中的任意一個數(shù)

1.有十個不同的數(shù)字符號：0,1,2,…9。2.遵循“逢十進一”原則。十進制數(shù)的兩個主要特點：

整數(shù)部分小數(shù)部分37/50

M進制數(shù)中的每一位都具有其特定的權，稱為位權或簡稱權。就是說，對于同一個數(shù)碼在不同的位它所代表的數(shù)值就不同。每個位權由基數(shù)的ｎ次冪來確定。

例:二進制數(shù)1101.11B相當于十進制數(shù)的

1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2

＝8＋4＋1＋0.5＋0.25

＝13.7510

例如：999.99這個數(shù)可以寫為:

999.99＝9×102

＋9×101

＋9×100

＋9×10-1＋×10-2

上式稱為按位權展開式。38/50

設基數(shù)用R表示，則對于二進制，R=2,Ki為0或1，逢二進一。

N=

對于八進制，R=8,Ki為0～7中的任意一個，逢八進一。

N=

對于十六進制，R=16,Ki為0～9、A、B、C、D、E、F共16個數(shù)碼中的任意一個，逢十六進一。

N=39/50例1101.001B=(1101.001)2=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+0×2-2+1×2-3=(13.125)10=13.125綜上可見，上述幾種進位制有以下共同點：①

每種進位制都有一個確定的基數(shù)R，每一位的系數(shù)Ki

有R種可能的取值。

②

按“逢R進一”方式計數(shù)，在混合小數(shù)中，小數(shù)點右移一位相當于乘以R，左移一位相當于除以R。

40/50數(shù)的進制轉換各種進制間的對應關系

1●數(shù)制的換算禁止四舍五入！mod.8不同進制數(shù)換算方法2mod.10mod.2mod.16教學進程二進制八進制十進制十六進制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F100002016101000121171141/50●mod2-mod10換算mod.10mod.227.25mod.2mod.1011011.011

101101個位×24

×23

×22×21

×20×2-1×2-2++++++[例](11011.01)2=10010.11mod.10mod.2[例](18.8125)10=整數(shù)部分(除2取余法)

小數(shù)部分(乘2取整法)218......余092......余142......余022......余01......余1100100.8125×21.625......整數(shù)部分=1×21.25......整數(shù)部分=1×20.5......整數(shù)部分=0110教學進程42/50●mod8-mod10換算mod.10mod.8678.15625mod.8mod.101246.121

24612個位×83

×82

×81×80×8-1×8-2+++++[例](1246.12)8=1246.117mod.10mod.8[例](678.156)10=整數(shù)部分(除8取余法)

小數(shù)部分(乘8取整法)8678......余6848......余4108......余21......余112460.156×81.248......整數(shù)部分=1×81.984......整數(shù)部分=1×87.872......整數(shù)部分=7117教學進程43/50●mod16-mod10換算mod.10mod.16788.07031mod.16mod.10314.123

1412個位×162

×161

×160×16-1×16-2++++[例](314.12)16=13A.4Fmod.10mod.16[例](314.31)10=整數(shù)部分(除16取余法)小數(shù)部分(乘16取整法)16314......余10→A1916......余31......余113A0.31×164.96......整數(shù)部分=4×1615.36......整數(shù)部分=15→F4F教學進程44/50●mod2-mod8換算mod.8mod.2(35.64)8[例](11101.1101)2=(100101.110001)2mod.8mod.2[例](45.61)8=●規(guī)則：3位并1位計數(shù)方向：左←.→右位數(shù)不足補0mod.2011101.110100mod.83

5.64●規(guī)則：1位拆3位

mod.845.61mod.2100101.110001教學進程45/50●mod2-mod16換算mod.16mod.2(3D.5C)16[例](111101.0101