微机原理 第1章 概述.ppt
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1、微型计算机原理及应用第一章第一章 概述概述课程性质、目的和任务 学科基础课:学科基础课:工科机电类专业计算机工科机电类专业计算机基础课程基础课程之一之一 工科学生学习计算机工科学生学习计算机硬件知识硬件知识和和汇编语言程序设计汇编语言程序设计的入门的入门课程。课程。学习和掌握微型机的学习和掌握微型机的基本组成基本组成、工作原理工作原理、接口电接口电路路、硬件连接硬件连接及及汇编语言程序设计方法汇编语言程序设计方法;建立;建立微机微机系统的整体概念系统的整体概念;培养初步的微机系统;培养初步的微机系统软硬件开发软硬件开发能力。能力。2023-5-52微机原理课的核心地位微机控制C语言计算机基础技
2、术基础课技术基础课。课程的框架2023-5-54微机的基本结构和原理微机的基本结构和原理8086 微处理器结构微处理器结构汇编语言及其程序设计汇编语言及其程序设计微计算微计算机扩展机扩展第第1章章第第2章章第第3、4章章存储器扩展存储器扩展I/O扩展扩展第第5章章第第6-8章章第1章 概述 1、计算机的基本结构和工作原理 2、几个基本概念 3、计算机的发展简史 4、微机系统的组成 5、典型微处理器系统的结构及工作原理 6、IA-32结构的数据类型 7、基本门电路知识 8、微机实例 9、微型计算机的应用概况2023-5-551 计算机的基本结构和工作原理一、冯一、冯.诺依曼结构诺依曼结构1.使用
3、二进制2.存储程序3.由五部分组成:2023-5-56程序、原始数据计算处理结果主机中央处理单元数据信息控制命令1 计算机的基本结构和工作原理 二、二、计算机工作原理计算机工作原理 编制程序 输入、存储程序、分配存储单元 启动、执行程序 输出结果 结束2023-5-572 几个基本概念(Central Processing Unit,CPU)由运算器和控制器构成(Microprocessor,MP、P、CPU)缩微的CPU大规模集成电路LSI(Microcomputer,MC、C)由CPU、RAM、ROM、I/O、辅助电路等构成微型化的计算机主机装置,通过连接 微计算机主板:安装以上芯片的印刷
4、电路板(单片机)CPU+MEM+I/O接口 集成在一块芯片上(微机系统)主机+外设+软件,构成通用系统,配置齐全(Microprocessing System,MS)以MP为核心的、自行设计的专用系统 两种开发方式:以CPU为核心完全自主开发;开发扩展插卡2023-5-582 几个基本概念2023-5-59微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者的关系3 计算机的发展简史 3.1 计算机的发展电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机大规模集成电路计算机人工智能计算机(尚在研制)3.2 微处理器的发展2023-5-5103 计算机的发展简史 1946年第一代(ENIAC)在美国研制成功。使用了18
5、800个电子管,重30吨,占地150平方米,耗电150千瓦,每秒完成5000次加法运算。2023-5-5113.2 计算机的发展3 计算机的发展简史 1958年第二代推出,用晶体管代替了电子管,大大降低了计算机的成本和体积,运算速度成百倍提高。2023-5-5123.2 计算机的发展美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿3 计算机的发展简史 1965年为主体的计算机问世,使计算机的体积进一步缩小,配上各类操作系统,计算机性能极大提高。2023-5-5133.2 计算机的发展3 计算机的发展简史 发展到第四代,是第四代计算机的典型代表。1971年在美国硅谷第一块通用微处理器Intel4004诞生,
6、从而开创了微型计算机的新时代。2023-5-514由于由于VLSI发展,从而导致以发展,从而导致以CPU为核心的微型计算机的诞生。为核心的微型计算机的诞生。3.2 计算机的发展3 计算机的发展简史计算机发展的四个方向:巨、微、网、智2023-5-5153.2 计算机的发展天河一号(国防科技大学)峰值速度:1206万亿次处理器数:6144(CPU)、5120(GPU)2023-5-516(以微处理器的发展为表征。)(以微处理器的发展为表征。)1.19711.1971年年19731973年年 4 4位或位或8 8位低档微处理器和微型计算机位低档微处理器和微型计算机 INTEL INTEL 4004
7、 8008 集成度低、速度慢、指令简单。主要用于家电和简单控制系统。2.19742.1974年年19771977年年 8 8位中档位中档PP和和C C INTEL 8080 INTEL 8080,采用NMOS工艺,集成度进一步提高 Z-80Z-80,MC6800 MC6800 5K-1万;基本指令速度1 2s 结构、指令系统完善 3.19783.1978年年19841984年年 1616位中档位中档PP和和CC INTEL 8086/8088INTEL 8086/8088,采用HMOS工艺,字长从8位扩展到16位,Z-8000 Z-8000,MC68000 MC68000 集成度提高,指令和体
8、系结构完善,采用多级中断、多重寻址和段式Reg。IBM公司推出的IBM PC、IBM PC/XT中均采用8088主板(前者不带硬盘)3.3 微型计算机的发展2023-5-5174.19854.1985年年19921992年年 3232位位PP和和3232位位C C INTEL INTEL 80386、80486 为微型机带来了小型机的性能。PC386(32位机),时钟最大40MHz PC486(32位机),时钟最大50MHz 66MHz 80MHz 100MHz 这期间,为了和这期间,为了和16位外设兼容,还推出了位外设兼容,还推出了80386SX(DB内为32位,外为16位)80386DX(
9、内外DB均为32位)80486SX(外加协处理器与80486DX的区别)80486DX(内部集成了386、387及8KB的Cache)80486DX2(内外两种主频,内部主频是外部主频的两倍)作为过渡,作为过渡,1982年年 出现出现 Intel 80286 对应微机 PC/AT (数据线16位,地址线20位,最大内存寻址1MB)(以微处理器的发展为表征。)(以微处理器的发展为表征。)3.3 微型计算机的发展2023-5-5185、1993年以来年以来 32位高档位高档P和和C 外部数据总线外部数据总线64位位1993年年 Intel 公司推出外部数据总线公司推出外部数据总线64位的位的Pen
10、tium CPU(P5)地址总线32位,内部数据总线32位,工作主频60MH z以上.1995年年 Intel 公司公司 Pentium Pro(P6)高能奔腾高能奔腾 地址总线36位 具有两倍P5的性能1996年年1997年年 采用采用 MMX多媒体扩展结构多媒体扩展结构 多媒体技术处理指令多媒体技术处理指令 MMX+P5P55C(又称Pentium MMX)(32KBCache)MMX+P6P(新的封装工艺)由P55C和P构成的PC机分别称为多能奔腾机和 奔腾二代机 1999年年 Pentium 主频主频450MHz以上以上32KB的一级Cache、512KB的二级Cache2000年年P
11、entium 至2001年主频已达到1.8G 6、近几年、近几年 64位高档位高档P和和C 3.3 微型计算机的发展2023-5-5192003年3月 Intel 公司推出公司推出英特尔奔腾M处理器采用英特尔0.13微米制程技术生产,包含7700万个晶体管.2005年5月 Intel 公司公司第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”采用英特尔领先的90纳米制程技术生产,含有2.3亿个晶体管2006年7月 Intel 公司公司酷睿2双核处理器诞生 采用英特尔65纳米制程技术,含有2.9亿多个晶体管 2007年1月 Intel 公司公司 酷睿2四核处理器 采用英特尔65纳米制程,含有5.8亿多个
12、晶体管。同月,生产出了英特尔45纳米微处理器。2010年11月 NVIDIA发布全新的GF110核心 含30亿个晶体管,采用先进的40纳米工艺制造。6、近几年、近几年 64位高档位高档P和和C 3.3 微型计算机的发展2023-5-520 第一代第一代1971-1973年年第二代第二代1974-1977年年第三代第三代1978-1980年年第四代第四代1980年以后年以后典型的微处理器芯片典型的微处理器芯片Intel 4004Intel 4040Intel 8008Intel 8080M6800Z-80Intel 8086/8088M68000Intel 80X86M68020Z-80000字
13、长(位)字长(位)4/881616/32集成度(晶体管数集成度(晶体管数/芯片)芯片)100020005000100002000070000100000时钟频率(时钟频率(MHZ)0.50.81451010数据总线宽度(位)数据总线宽度(位)4/881616/32地址总线宽度(位)地址总线宽度(位)48820242432存储容量存储容量16KB实存实存64KB64KB实存实存1MB1MB实存实存4GB4GB实存和实存和64GB64GB虚虚存存指令执行时间(指令执行时间(s)1010151 12110.1250.125软件水平软件水平机器语言机器语言汇编语言汇编语言汇编语言汇编语言高级语言高级语
14、言操作系统操作系统汇编语言汇编语言高级语言高级语言操作系统操作系统汇编语言汇编语言高级语言高级语言部分软件硬化部分软件硬化3.3 微型计算机的发展P6表表1-1:IA-32结构的微处理器芯片结构的微处理器芯片3 计算机的发展简史2023-5-521Intel 4004Intel 8008Motorola 6800Intel 8086Intel 80286Intel 80386Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium IIIntel Pentium IIIIntel Pentium IV3.3 微型计算机的发展3 计算机的发展简史 摩尔定律(Gordon Moo
15、re)是Intel公司奠基者之一 每两年芯片的集成度会提升一倍,特性提升一倍,但价格不变。2023-5-5223.3 微型计算机的发展4 微机系统的组成2023-5-523系统软件系统软件应用软件应用软件微微 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 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机(主机主机)外外 设设ALU寄存器寄存器控制部件控制部件输入设备输入设备:鼠标、键盘、扫描仪、麦克等输出设备输出设备:显示器、打印机、音箱、投影机等外存储器外存储器:磁盘、光盘等P7图图1-44 微机系统的组成 硬件系统 软件系统202
16、3-5-524 是人们为使用和发挥计算机效能而设计的以及和的总称。是控制、管理、维护计算机系统运行,解决用户的各种实际问题。微机的软件可分为微机的软件可分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类。两大类。软件系统4 微机系统的组成进行计算机系统的软件 作用:合理安排主机和外设的各种操作;实现人机交流 类型:驻留软件、BIOS:作用:流程组织、软硬件资源的指挥调度、维护 类型类型 DOS Windows 95/98/2000/xp/Vista/win7/win8;Windows server 2000/2003/2008 Mac Unix、Linux2023-5-525软件系统2023-5-
17、5261.系统软件系统软件 系统软件是进行计算机系统管理、调度、监控和维护的软件,一般包括以下几类。操作系统 操作系统是计算机系统中必不可少的软件,一 般将对计算机的全部硬件和软件资源进行统一 管理、统一调度和统一分配的软件系统称为计 算机的“操作系统”。数据库和数据库管理系统 各种程序设计语言及其解释程序和编译程序 机器的监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序。网络软件和窗口软件等。第第1 1章章 计算机基础计算机基础2.应用软件应用软件 是用户根据自己的需要,为解决某种问题而编制的一些软件。又可为通用应用软件和专用应用软件两大类。4 微机系统的组成 程序设计语言程序设计语言(了解优缺点
18、)机器语言机器语言:二进制代码,速度快,不直观,通用性差二进制代码,速度快,不直观,通用性差 汇编语言:使用助记符,直观,但不能直接运行汇编语言:使用助记符,直观,但不能直接运行 高级语言:高级语言:语言处理程序语言处理程序:汇编程序:汇编语言程序汇编程序:汇编语言程序目标程序目标程序 解释程序:边翻译边执行解释程序:边翻译边执行 编译程序:高级语言编译程序:高级语言目标程序目标程序 服务程序:服务程序:2023-5-527软件系统初级语言混合编程源程序目标程序直接控制硬件,实时能力强4 微机系统的组成 软件开发工具软件开发工具 程序设计语言程序设计语言 语言处理程序语言处理程序 服务程序:服
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