微型计算机原理与应用

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堂敕探石
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1 微型计算机原理与接口技术主讲 : 张国钢副教授 ( 电气工程学院 ) 2016 年 9 月

2 学什么? 微机原理建立以 INTEL80X86 为典型机型的计算机内部整机工作的基本原理, 并掌握应用汇编语言进行程序设计的基本方法 ; 接口技术掌握存储器 I/O 接口电路与 CPU 连接方法可编程接口电路应用技术

3 讲什么? 1. 微机系统发展与应用概述 (2 课时 ) 2. 微型计算机应用基础 (2 课时 ) 3. 存储器系统 (6 课时 ) 4. Intel80x86 微处理器 (6 课时 ) 5. 寻址方式与指令系统 (8 课时 ) 6. 汇编语言程序设计 (8 课时 ) 7. 输入 / 输出方式及中断控制 (6 课时 ) 8. 常用输入 / 输出接口电路 (8 课时 ) 9. 总线与总线标准 (2 课时 )

4 怎么学? 充分认识难度, 思想重视行动积极 : 1 本课程属于应用基础, 知识点多内容抽象, 要勤于思考, 抓住课程教学内容要点 ; 2 学会用系统的观点理解和分析问题, 将各部分内容相互联系 ; 3 勤学好问, 理解记忆, 但不要钻牛角尖本课程是以硬件为主, 硬件和软件相结合 : 要求听课实验和作业三方面缺一不可, 在充分理解计算机硬件工作原理搞准基本概念的基础上, 多练习多实践 ( 例题调试实验 ), 经验重要

5 用什么? 除了规定的教材外, 最好再有一本其他版本的教材来对照学习,2011 版教材编写与前两版有较大区别 ; (2000 版 ) (2002 版 ) (2011 版 )

6 参什么? 最好手头有一本学习参考书书籍自选, 不作专门推荐, 选书原则 : 例题丰富解析透彻难度适宜

7 考什么? 期中考试 30% 客观性试题为主基本概念机考 ( 第 1 章 - 第 4 章 ) 期末考试 60% 主观性试题为主综合应用闭卷 ( 第 5 章 - 第 8 章 ) 实验测试 + 平时成绩 10%

8 微型计算机原理与接口技术 ( 第一讲 )

9 第 1 章微机系统发展与应用概述教学内容 : 微处理器与微型计算机微型计算机的发展微型计算机的特点及应用知识点及教学要求 : 一般了解微型计算机的发展与应用特点 ;

10 1.1 微处理器与微型计算机微处理器微型计算机微型计算机系统

11 What is a computer? A computer is a device that accepts information in the form of digitalized data and manipulates it for some result based on a program or sequence of instructions on how the data is to be processed. Complex computers also include the means for storing data (including the program, which is also a form of data) for some necessary duration.

12 三个重要概念 : 微处理器 : 它是一块超大规模集成电路芯片, 其中包括运算器寄存器控制器和总线等, 它通过指令来进行运算和控制系统 ( 简称 :MPU 或 CPU) 微型计算机 : 以微处理器为核心, 配上半导体存储器输入 / 输出接口电路系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机 ( 俗称 : 电脑主机 ) 微型计算机系统 : 是以微机为核心, 再配以相应的外围设备电源辅助电路和控制微机工作的软件而构成的完整的计算机系统 ( 俗称 : 电脑 )

13 1.2.1 计算机的发展概况第一代电子管计算机磁鼓存储器, 机器语言汇编语言编程世界上第一台数字计算机 ENIAC 第二代晶体管计算机磁芯作主存储器, 磁盘作外存储器, 开始使用高级语言编程第三代集成电路计算机使用半导体存储器, 出现多终端计算机和计算机网络第四代大规模集成电路计算机出现微型计算机单片微型计算机, 外部设备多样化第五代人工智能计算机以知识处理为特征, 模拟人的智能和交流方式 : 神经网络计算机生物计算机光计算机

14 数字计算机鼻祖 : 爱尼亚克 (ENIAC) 美国宾夕法尼亚大学,1946 年研制注 : 运算速度 5000 次 / 秒, 功耗 150kw/h, 重量 30t, 占地 170m2, 造价 100 万美元

15 哈维尔 - 德卡特伦 (Harwell Dekatron) 英国,1951 年制造注 : 828 个十进计数管,480 个继电器, 处理器速度 100Hz 左右, 存储 7200 字节, 重量 2.5 吨

16 曼彻斯特 TC 晶体管计算机曼彻斯特大学,1953 年研制注 : 48 位机器用了 92 个点相连的晶体管和 550 个二极管

17 世界上第一台全晶体管计算机 TRADIC 贝尔实验室,1954 年研制注 : 700 个点接触晶体管和个二极管, 在 1MHZ 的频率下时, 功耗仅不到 100W

18 现代微机 : 个人电脑 (PC) 台式电脑笔记本电脑掌上电脑

19 现代微机 : 工业控制计算机工业控制计算机军用加固型计算机嵌入式计算机

20 1.2.2 微处理器的发展微机之芯从微处理器看微型计算机的发展 : 微处理器是微型计算机的核心部件, 它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能, 所以微型计算机的发展是以微处理器的发展而更新换代的 ; 发展历程 :( 按照字长划分 ) 4 位 -> 8 位 -> 16 位 -> 32 位 -> 64 位 (1971) (1972) (1978) (1990) (2004) 字长 : 代表 CPU 并行处理能力和机器的精度,CPU 的类型可以由字长标定 ;

1) 第一代微处理器 (1971-1973) Intel4004 4 位微处理器

21 1) 第一代微处理器 ( ) Intel 位微处理器最初设计目标是用于计算器中, 取代复杂逻辑电路 1971 年 11 月 Intel 推出第一台微型计算机系统 MCS-4 ( 包括 4001 ROM 芯片 4002 RAM 芯片 4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器 ) Intel8008 低档 8 位微处理器 Intel 4004 Intel 8008

2) 第二代微处理器 (1974-1977) Intel8080 MC6800 6501 6502 8 位微处理器 Intel8085 Z80 MC6809

22 2) 第二代微处理器 ( ) Intel8080 MC 位微处理器 Intel8085 Z80 MC6809 高档 8 位微处理器指令比较完善, 有了中断与 DMA 支持汇编语言 BASIC,FORTRAN PL/M 后期配备 CP/M 操作系统 Intel 8085

3) 第三代微处理器 (1978-1989) Intel8086 Z8000 MC68000 16 位 - 8086 数据总线 16 位

研制成功 Intel80286 MC68010 高档 16 位 - 数据总线 16 位, 地址总线 24 位 - 实地址模式虚地址保护模式 -

23 3) 第三代微处理器 ( ) Intel8086 Z8000 MC 位数据总线 16 位地址总线 20 位 Intel8088 准 16 位 - 外部数据总线 8 位, 内部数据总线 16 位年, IBM PC 研制成功 Intel80286 MC68010 高档 16 位 - 数据总线 16 位, 地址总线 24 位 - 实地址模式虚地址保护模式 - 虚模式可寻址 16MB 物理地址和 1GB 虚拟地址型微机奠定了 80x86 体系的发展方向 Intel 8086 Intel 80286

4) 第四代微处理器 (1990-1992) Intel80386 32 位微处理器 - 数据总线 32 位,

物理地址和 64TB 的虚拟地址 Intel80486 32 位微处理器 - 80386+80387+8KB 的

24 4) 第四代微处理器 ( ) Intel 位微处理器 - 数据总线 32 位, 地址总线 32 位 - 实地址模式虚地址保护模式虚拟 8086 模式 - 虚地址模式可寻址 4GB 物理地址和 64TB 的虚拟地址 Intel 位微处理器 KB 的 Cache - 部分采用 RISC 技术突发总线技术 - 使用时钟倍频技术 Intel Intel 80486

5) 第五代微处理器 (1993-1995) Pentium( 奔腾 ) 32 位微处理器 - 64

25 5) 第五代微处理器 ( ) Pentium( 奔腾 ) 32 位微处理器 - 64 位数据总线 32 位地址总线 - 两条超标量流水线 - 两个并行执行单元 Pentium(Intel 80586)

26 6) 第六代微处理器 ( ) Pentium MMX( 多能奔腾 ) 32 位 - 增加了 57 条 MMX 指令 Pentium Pro( 高能奔腾 ) - 三条超标量流水线五个并行执行单元 Pentium II ( 奔腾 2) 32 位 Pentium III( 奔腾 3) 32 位 Pentium IV( 奔腾 4) 32 位 Pentium MMX Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ

27 7) 第六代之后的微处理器 (2004-) Itanium 64 位微处理器 - 采用 EPIC 技术位系统总线 - 采用三级高速缓存 AMD Athlon 位微处理器 - x86 结构扩展到 64 位来获得 x86-64 结构 - 全速高性能地运行 x86 和 x86-64 程序 - 64 位模式不采用分段模式 - 具有长模式, 包括 64 位模式和兼容模式 Itanium( 安腾 ) Athlon( 速龙 )

28 第一代 4 位和低档 8 位机 Intel 第二代特点 : 1 主频越来越高 ( 功耗越来越大 ) 2 总线越来越宽 ( 引脚越来越多 ) 3 功能越来越强 ( 指令越来越多 ) ( ) 中高档 8 位机 Intel 8080/8085 Z80 MC6800 第三代 ( ) 16 位机 Intel 8086/ Z8000 MC68000 第四代 32 位机 ( ) Intel MC68020 微处理器发展历史 ( ) 第五代 32 位机 Intel Pentium AMD K5 ( ) ( ) 第六代第六代之后 32 位机 64 位机 Pentium PRO Ⅱ Ⅲ Ⅳ AMD K8 Athlon64 AMD K6 K7 Athlon Intel Pentium D (2004-)

29 1.2.3 微型计算机的发展趋势高性能和微型化运算速度快便携式低功耗系列化和标准化便于各种计算机硬软件兼容升级网络化 ( 网络接口 ) 网络计算机和信息高速公路智能化 ( 强大的运算能力丰富的人工智能软件 ) 模拟人类大脑思维和交流方式, 多种处理能力多媒体化 ( 多媒体处理软件大容量的存储技术人机接口 ) 不仅具有处理数字符号信息的能力而且具有处理声音图像动画等多媒体数据的能力

30 第六感人机交互系统 Sixth Sense Technology, from MIT, 2009

31 物联网 The Internet of things

32 1.3 微型计算机的应用微机的特点 : PK 计算机运算存储 = 科学计算 = 数据存储 = 思考 = 记忆人类接口 = 输入输出 = 交流

33 1.3 微型计算机的应用人类智慧 ( 应用软件 ) 信息处理逻辑推理应用领域 : 科学计算信息处理和网络通信工业监控辅助设计与辅助教学人工智能

34 应用实例 ( 一 ) 超级计算机注 : 天河 2 号,32000 个 Xeon,48000 个 Xeon Phi

35 应用实例 ( 二 ) 计算机辅助设计

36 应用实例 ( 三 ) 电网调度自动化系统

37 应用实例 ( 四 ) 电力设备在线监测系统

38 应用实例 ( 五 ) GPS GSM EMS/DMS/GIS RFID 电网管理地理信息系统

39 电力系统的发展方向全球能源互联网智能电网

40 教学网址 : 教学组 : 课程资料 : 答疑 : 东一楼电器教研室 211 Tel: ggzhang@mail.xjtu.edu.cn

CPU CPU Intel CPU AMD CPU CPU Socket A/Socket 370 CPU Socket 478 CPU CPU CPU CPU CPU

--- CPU CPU Intel CPU AMD CPU CPU Socket A/Socket 370 CPU Socket 478 CPU CPU CPU CPU CPU 2.1 CPU 1. 4 Intel 4004 1971 Intel 4004 2-1 2-1 Intel 4004 2. 8 Intel 8008/8080/8085 1972 Intel 8008 2-2 2-2 Intel