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
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
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 )
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
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 )
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
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%
微型计算机原理与接口技术 ( 第一讲 )
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 ;
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
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.
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 )
1.2.1 计算机的发展概况 1946-1958 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 1958-1964 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 1964-1971 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 1971- 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 1981- 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
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
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
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
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 10000 个二极管, 在 1MHZ 的频率下时, 功耗仅不到 100W
现代微机 : 个人电脑 (PC) 台式电脑笔记本电脑掌上电脑
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
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 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 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 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 - 1981 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 - 80286 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, 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 Intel80486 32 位微处理器 - 80386+80387+8KB 的 Cache - 部分采用 RISC 技术 突发总线技术 - 使用时钟倍频技术 Intel 80386 Intel 80486
5) 第五代微处理器 (1993-1995) 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)
6) 第六代微处理器 (1995-2004) 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
7) 第六代之后的微处理器 (2004-) Itanium 64 位微处理器 - 采用 EPIC 技术 - 128 位系统总线 - 采用三级高速缓存 AMD Athlon 64 64 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 )
第一代 4 位和低档 8 位机 Intel 4004 8008 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 ) (1971-1973) 中高档 8 位机 Intel 8080/8085 Z80 MC6800 第三代 (1974-1977) 16 位机 Intel 8086/8088 80286 Z8000 MC68000 第四代 32 位机 (1978-1981) Intel 80386 80486 MC68020 微处理器发展历史 (1981-1992) 第五代 32 位机 Intel Pentium AMD K5 (1993-1995) (1996-2004) 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-)
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
第六感 人机交互系统 Sixth Sense Technology, from MIT, 2009
物联网 The Internet of things
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
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
应用实例 ( 一 ) 超级计算机 注 : 天河 2 号,32000 个 Xeon,48000 个 Xeon Phi
应用实例 ( 二 ) 计算机辅助设计
应用实例 ( 三 ) 电网调度自动化系统
应用实例 ( 四 ) 电力设备在线监测系统
应用实例 ( 五 ) GPS GSM EMS/DMS/GIS RFID 电网管理地理信息系统
电力系统的发展方向 全球能源互联网智能电网
教学网址 : 教学组 : http://mcp.xjtu.edu.cn/ 课程资料 :http://ggzhang.gr.xjtu.edu.cn/ 答疑 : 东一楼电器教研室 211 Tel: 029-82664210 Email: ggzhang@mail.xjtu.edu.cn