第一微机系统组成及工作原理.pptx
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1、任任务及方法及方法l学什么学什么l怎么学怎么学微机的硬件微机的硬件结构构教学内容教学内容1教材内容教材内容:教材以:教材以8086/8088作作为主主线,讲述述8086/8088微微处理器理器组成原理、体系成原理、体系结构、构、汇编语言及程序言及程序设计技技术、接口技、接口技术及及应用的有关内容。用的有关内容。2新技新技术介介绍:同:同时考考虑到学生到学生对计算机知算机知识学学习的系的系统性和完性和完整性,我整性,我们将当前高性能微机系将当前高性能微机系统采用的新技采用的新技术融合到各相关融合到各相关章章节中中进行介行介绍3软件件实验:针对本本课程的特点,配合主教材的使用。程的特点,配合主教材
2、的使用。软件件实验由指令系由指令系统与与汇编语言程序言程序设计两部分两部分组成。从成。从简单指令入手,指令入手,逐步熟悉和掌握逐步熟悉和掌握汇编语言的言的编程方法和程方法和调试方法。方法。4教材具体内容的取舍教材具体内容的取舍,我,我们作了如下安排:淡化作了如下安排:淡化汇编语言程序言程序设计的内容;增加的内容;增加实用性的内容;介用性的内容;介绍前沿内容和流行技前沿内容和流行技术;精精选例例题和和习题。学习要求学习要求学学习方法很重要方法很重要课堂:听堂:听讲与理解、适当笔与理解、适当笔记(参与、(参与、发现)课后:后:认真真读书、完成作、完成作业(独立)(独立)实验:充充分分准准备、勇勇于
3、于实践践(分分析析问题和和解解决决问题的能力)的能力)本课程理论联系实际非常紧密,内容更新极快。本课程理论联系实际非常紧密,内容更新极快。只只能能采采用用解解剖剖麻麻雀雀方方法法,教教师师在在这这里里只只起起到到抛抛砖砖引引玉玉的作用。的作用。老师老师:指导者指导者 同同学学们们学学习习过过程程中中,要要花花时时间间去去学学习习、思思索索、实实践践,有有机机地地将将本本专专业业的的知知识识结结合合起起来来,构构成成一一个个实实际际系统,解决实际问题。系统,解决实际问题。学生学生:主体地位主体地位收获与时间成正比收获与时间成正比,花时间越多,收获将越大花时间越多,收获将越大 收获与时间成正比收获
4、与时间成正比第一章第一章 微型计算机系统组成微型计算机系统组成及工作原理及工作原理教学内容教学内容1.1.1.1.微机发展简史、分类微机发展简史、分类微机发展简史、分类微机发展简史、分类 2.2.2.2.微机的运算基础微机的运算基础 3.3.3.3.微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构 4.4.4.4.微机的基本工作原理微机的基本工作原理微机的基本工作原理微机的基本工作原理 5.5.5.5.典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的发展简史计算机的发展简史发展简史发展简史发展简史
5、发展简史微机系统的三个层次微机系统的三个层次微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的算机的发展展简史史电子管计算机电子管计算机(19461956)晶体管计算机晶体管计算机(19571964)集成电路计算机集成电路计算机(19651970)超大规模集成超大规模集成电路计算机电路计算机(1971至今至今)l 用机器语言、汇编语言编写程序用机器语言、汇编语言编写程序l 用于军事和国防尖端技术用于军事和国防尖端技术l 开始使用高级语言编写程序开始使用高级语言编写程序l 开始用于工程技术、数据处理和开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域其它科学领域l 采用微程序、流水线等技术,采用微程序、流水线等
6、技术,提高运行速度提高运行速度l 出现操作系统、诊断程序等软件出现操作系统、诊断程序等软件l 采用半导体存储器采用半导体存储器l 采用图形界面操作系统采用图形界面操作系统l 器器件件速速度度更更快快,软软件件、外外设设更更加加丰丰富富 主主要要特特点点1.根据使用的基本电子器件,计算机经历了四个阶段:根据使用的基本电子器件,计算机经历了四个阶段:世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)ENIAC(Electronic Numeri
7、cal Integrator And Computer),由美国宾夕,由美国宾夕法尼亚大学于法尼亚大学于19461946年研制成功并投入使用。年研制成功并投入使用。第四代第四代计算机中算机中微微处理器的理器的发展:展:Intel4004l1971年年1月,月,Intel公司的霍夫研制成功世界上第一公司的霍夫研制成功世界上第一块4位位芯片芯片Intel4004,标志着志着第一代微第一代微处理器理器问世,微世,微处理器理器和微机和微机时代从此开始。代从此开始。l1971年年11月,月,Intel推出推出MCS-4微型微型计算机系算机系统(包括(包括4001ROM芯片、芯片、4002RAM芯片、芯片
8、、4003移位寄存器芯片移位寄存器芯片和和4004微微处理器)理器)400440044004包含包含23002300个晶体管,尺寸规格为个晶体管,尺寸规格为3mm4mm3mm4mm,计,计算性能远远超过当年的算性能远远超过当年的ENIACENIAC,最初售价为,最初售价为200200美元。美元。80081972年4月,霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器,因此仍属第一代微处理器。8080第二代微处理器 1973年8月,霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8
9、080芯片运算速度比8008快10倍,可存取64KB存储器,使用了基于6微米技术的6000个晶体管,处理速度为0.64MIPS。Intel8086第三代微第三代微处理器理器l1978年年6月,月,Intel推出推出4.77MHz的的8086微微处理器,理器,标志着志着第三代微第三代微处理器理器问世。它采用世。它采用16位寄存器、位寄存器、16位数据位数据总线和和29000个个3微米技微米技术的晶体管,售价的晶体管,售价360美元。美元。Z80微微处理器理器 lZilog公司于公司于1976年开年开发的的Z80微微处理器,广泛用于微型理器,广泛用于微型计算机和工算机和工业自自动控制控制设备。当。
10、当时,zilog、Motorola和和Intel在微在微处理器理器领域三足鼎立。域三足鼎立。第一台微型计算机:Altair8800l1975年年4月,月,MITS发布第一个通用型布第一个通用型Altair8800,售价,售价375美美元,元,带有有1KB存存储器。器。这是世界上第一台微型是世界上第一台微型计算机。算机。lAltair定位在青年定位在青年电脑迷市迷市场 lPaulAllen和和BillGates在三周内在三周内为Altair开开发出出BASIC语言,言,MITS成成为两个未来富翁的第一个客两个未来富翁的第一个客户 Applel1976年年3月,月,SteveWozniak和和St
11、eveJobs开开发出微型出微型计算算机机AppleI,4月月1日愚人日愚人节这天,两个天,两个Steve成立了成立了Apple计算机公司。算机公司。lAppleII是第一个是第一个带有彩色有彩色图形的个人形的个人计算机,售价算机,售价为1300美元。美元。AppleII及其系列改及其系列改进机型机型风靡一靡一时,这使使Apple成成为微型机微型机时代最成功的代最成功的计算机公司。算机公司。1981-PC元年元年l早在早在1980年年7月,一个月,一个负责“跳棋跳棋计划划”的的13人小人小组秘密来到佛秘密来到佛罗里里达州波克达州波克罗顿镇的的IBM研究研究发展中心,开始开展中心,开始开发后来被
12、称后来被称为IBMPC的的产品。一年后的品。一年后的8月月12日,日,IBM公司在公司在纽约宣布第一台宣布第一台IBMPC诞生,生,这个开个开创计算机算机历史新篇章的史新篇章的时刻。刻。l第一台第一台IBMPC采用了主采用了主频为4.77MHz的的Intel8088l操作系操作系统是是Microsoft提供的提供的MS-DOSlIBM将其命名将其命名为“个人个人电脑(PersonalComputer)计算机的算机的发展日新月异展日新月异从计算机的规模,运算速度上看,巨型机、大型机、中型机、小型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机微型机、单片机从CPU的发展来看 400440048
13、008-8086-8088-80186-8008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4pentium-PII-PIII-P4我国我国计算机技算机技术的的发展展l1953年开始研究,1958年研究出第一台计算机,103型通用计算机l50年来相继研究出了第二代,第三代计算机。l80年代研究出了每秒亿次的巨型机,银河I,II,其他如曙光天演(清华BBS,学校高性能计算中心)。1985年6月,中国第一台自行研制的微机长城0520研制成功,其广告词是:“一台我们自己制造的能够处理中文
14、的电脑”。l在高性能计算,并行计算上已紧跟国际先进水平,但计算机的核心部件CPU技术还远远落后。l中科院研究开发的龙芯GODSON微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的算机的发展展简史史2.计算机的两个方向发展:计算机的两个方向发展:l 研制高速度、强功能的巨型机和大型机研制高速度、强功能的巨型机和大型机 适应军事和尖端科学的需要。适应军事和尖端科学的需要。l 研制价格低廉的超小型机和微型机研制价格低廉的超小型机和微型机 开拓应用领域和占领更广大的市场。开拓应用领域和占领更广大的市场。微型计算机微型计算机是第四代计算机的典型代表。是第四代计算机的典型代表。MicrocomputerMicr
15、ocomputer:以大规模、超大规模集成电路为主要部:以大规模、超大规模集成电路为主要部件,以集成了计算机主要部件件,以集成了计算机主要部件控制器和运算器的微处控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统理器为核心所构造出的计算机系统微机的微机的发展展简史、分史、分类微机系微机系统的三个的三个层次次ALU寄存器组寄存器组控制部件控制部件系统软件:系统软件:DOS、Windows 2000/XP Vista应用软件:应用软件:Word、Photoshop、Flash微微 处处 理理 器器 CPU 存储器存储器(RAM,ROM)I/O接口接口总线总线 硬硬 件件软软 件件微微 型型计算机计
16、算机系系 统统微微 型型计算机计算机(主机主机)外外 设设键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪打印机、扫描仪计算机算机发展的理展的理论基基础和和规律律1、逻辑代数代数2、图灵机:灵机:英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。现代通用数字计算机的数学模型3、冯.诺依曼依曼计算机原理:算机原理:二进制存储程序并按地址顺序执行(程序控制)4、Moore定律:定律:微处理器内晶体管数每18个月翻一番5、Bell定律:定律:如果保持计算能力不变,微处理器的价格每18个月减少一半6、Gilder定定律律:未来25年(1996年预言)里,主干网的带
17、宽将每6个月增加一倍7、Metcalfe定律:定律:网络价值同网络用户数的平方成正比8、半、半导体存体存储器器发展展规律:律:DRAM密度每年增加60%,每三年翻四倍9、硬、硬盘存存储技技术发展展规律:律:硬盘的密度每年增加约一倍计算机算机发展的展的趋势总趋势:速度越来越快,体积越来越小,总趋势:速度越来越快,体积越来越小,成本越来越低,功耗越来越低成本越来越低,功耗越来越低1、微型计算机已迈入、微型计算机已迈入64位的新时代位的新时代2、精减指令计算机(、精减指令计算机(RISC)正在逐步取代复杂指令计算机)正在逐步取代复杂指令计算机(CISC)3、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用
18、、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用4、大规模并行处理系统(、大规模并行处理系统(MPP)的处理速度已达到)的处理速度已达到TFLOPS(每秒(每秒1012条浮点指令条浮点指令,万亿)级万亿)级5、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在加紧研究、试制之中。加紧研究、试制之中。随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新时代计算机的研究时代计算机的研究二十一世二十一世纪的的计算机算机光计算机:光能够像电一样传送信息,其抗干扰能力强,传输速度快,并且光学器件的能耗非常低。尤为重要的是,光的独
19、立性使得大规模的并行计算成为可能。生物生物计算机:算机:生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程,生物计算不是按照传统的确定算法来解决问题,而是通过竞争优化的方式来求解问题。生物计算的主要形式是学习和记忆。生物系统在解决复杂图形和多重模式判定方面有独特的优势。量子量子计算机:算机:量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚,但却具有更大的革命潜力。信息存信息存储器器 目前,在室温下能够制造出单电子内存,在大约7平方纳米大小的位元上,每一平方纳米就能存储250GB的信息。1.1 微机系统概述1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次1.1.2 1.1.2 微机系统的主
20、要性能指标微机系统的主要性能指标微机系统从局部到全局存在三个层次:微机系统从局部到全局存在三个层次:1.1.微处理器微处理器2.2.微型计算机微型计算机3.3.微型计算机系统微型计算机系统 1.1.1 1.1.1 微机微机系统的三个层次系统的三个层次 1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次1.1.微处理器微处理器 微处理器本身不是计算机,不能独立工作,它是微型计微处理器本身不是计算机,不能独立工作,它是微型计算机的核心部件,包括算术逻辑部件算机的核心部件,包括算术逻辑部件ALU,ALU,控制部件和寄存器控制部件和寄存器组三个基本部分。组三个基本部分。1.1.1 1.1.1
21、 微机系统的三个层次微机系统的三个层次2.2.微型计算机微型计算机 是是以以微微处处理理器器为为核核心心,加加上上由由大大规规模模集集成成电电路路制制作作的的存存储储器器(ROMROM和和RAM)RAM)、输输入入/输输出出接接口口和和系系统统总总线线组组成成的的。它它不不是是完完整整的的计计算算系系统统,也也不不能能独立工作。独立工作。BIOS ROMBIOS ROMCPUCPU插槽插槽总线插槽总线插槽RAMRAM插槽插槽3.3.微型计算机系统微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为核心,再配以相微型计算机系统是以微型计算机为核心,再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工
22、作应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作,有实的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作,有实用意义。用意义。1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次q 字长字长q 存储器容量存储器容量q 运算速度运算速度q 外设扩展能力外设扩展能力q 软件配置情况软件配置情况 字长字长是计算机内部一次可是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。以处理的二进制数码的位数。决定于计算机决定于计算机通用寄存器、通用寄存器、内存储器、内存储器、ALU ALU 的位数和数的位数和数据总线的宽度。据总线的宽度。字长越长,一个字所能表字长越长,一个
23、字所能表示的数据精度就越高;在完示的数据精度就越高;在完成同样精度的运算时,则数成同样精度的运算时,则数据的处理速度越高。据的处理速度越高。存储器容量存储器容量是衡量是衡量计算机存储二进制信计算机存储二进制信息量大小的一个重要息量大小的一个重要指标。包括:指标。包括:内存容量内存容量 外存容量外存容量 计算机计算机运算速度运算速度一一般用每秒钟所能执行般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。的指令条数来表示。一台计算机允许配接一台计算机允许配接多少外部设备,对于系多少外部设备,对于系统接口和软件研制都有统接口和软件研制都有重大影响。重大影响。软件软件是计算机系统必不是计算机系统必不可少的重要组成部
24、分,它可少的重要组成部分,它配置是否齐全,直接关系配置是否齐全,直接关系到计算机性能的好坏和效到计算机性能的好坏和效率的高低。率的高低。1.1.2 1.1.2 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 1.2.1 1.2.1 三总线结构及分类三总线结构及分类 1.2.2 1.2.2 微机各大组成部分的基本结构及功能微机各大组成部分的基本结构及功能 1.2 1.2 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构 目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结构目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结构-冯冯诺依曼结构诺依曼结构。结构特点是:。结构特点是:p 硬硬件件上上由由运运算算器器、
25、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和输出设备五大部分组成;和输出设备五大部分组成;p 数数据据和和程程序序以以二二进进制制代代码码的的形形式式不不加加区区别别地地存存放放在在存存储储器器中中,存存放放位位置置由由地地址址指指定定,地地址址码码也也为二进制形式;为二进制形式;p 控控制制器器根根据据存存放放在在存存储储器器中中的的指指令令序序列列,即即程程序序来来工工作作,并并由由一一个个程程序序计计数数器器控控制制指指令令的的执执行行。控控制制器器具具有有判判断断能能力力,能能根根据据计计算算结结果果选选择择不不同同的动作流程。的动作流程。1.2.1 1.2.1 三总线结构及分类三总
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