2018 版 微机原理与系统设计 绪论 董明皓, 副教授, 博士 西安电子科技大学 dminghao@xidian.edu.cn
课程基本信息 总学时 :60( 理论课 ) 学分 :4 课代表 :( 待定 ) 考察方式 : 最终成绩 = 平时成绩 (30%)+ 考试成绩 (70%) 平时成绩 = 期中考试 + 上课考勤 + 平时作业 ( 各 10%) 考勤 : 无故缺勤 3 次及以上无资格参加考试 主页地址 :http://web.xidian.edu.cn/mhdong/
课程基本信息 总学时 :20+20( 上机 ) 学分 :1 课代表 :( 待定 ) 考察方式 : 最终成绩 = 现场考察 (50%)+ 实验报告 (50%) 考勤 : 无故缺勤 3 次及以上无资格参加考试 主页地址 :http://web.xidian.edu.cn/mhdong/
课程章节简介
课程章节简介 第 1 章数制与码制 第 2 章 8086CPU 结构与功能 第 3 章 8086CPU 指令系统 第 4 章汇编语言程序设计 第 5 章总线及其形成 第 6 章存储器设计 第 7 章常用芯片的接口技术 第 8 章中断系统与中断控制器 8259A 第 9 章定时 / 计数器 8253 应用设计 第 10 章并行接口芯片 8255A 应用设计 基础知识 软件编程 硬件设计
智能电子信息系统
微型计算机发展 微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的 摩尔定律 : 微处理器的集成度每 18 个月就会翻一番, 芯片的性能也会随之而提高一倍! 数十只晶体管 2300(1974,Intel4004) 750 万 (PII) 17 亿硅晶体管 (Intel, Itanium ) 摩尔定律失效 : 当器件尺寸小到 5nm 时, 器件中的载流子的行为将要用量子力学的理论进行解释
微型计算机发展 - 巨型机 第 1 代 : 电子管数字机 (1946 1958 年 ) 逻辑元件采用的是真空电子管, 主存储器采用汞延迟线 阴极射线示波管静电存储器 磁鼓 磁芯 ; 外存储器采用的是磁带 特点 : 体积大 功耗高 可靠性差 速度慢 ( 一般为每秒数千次至数万次 ) 价格昂贵, 但为以后的计算机发展奠定了基础
微型计算机发展 - 电子计算机 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) 1946 年 2 月 14 日诞生于美国宾夕法尼亚大学 第二台电子计算机, 第一台多用途计算机, 无 CPU 概念 长 30.48 米, 宽 6 米, 高 2.4 米, 占地面积约 170 平方米, 30 个操作台, 重达 30 英吨, 耗电量 150 千瓦, 造价 48 万美元 起源军事用途 每秒能进行 5000 次加法运算, 每秒 400 次乘法运算 (20min 30s) 埃克特 莫克利 戈尔斯坦 博克斯 ( 约翰 冯 诺依曼 )
微型计算机发展 - 晶体管计算机 第二代电子计算机 : 晶体管数字机 (1958 1964 年 ) 电子管元件 : 运行时的热量太多, 可靠性较差, 运算速度不快, 价格昂贵, 体积庞大, 晶体管元件 : 晶体管不仅能实现电子管的功能, 又具有尺寸小 重量轻 寿命长 效率高 发热少 功耗低等优点
微型计算机发展 - 晶体管计算机 第二代电子计算机 : 晶体管数字机 (1958 1964 年 ) 1954 年, 贝尔实验室, 第一台晶体管计算机使用了 800 个晶体管 TRADIC 1958 年,IBM 公司, 第一台全部使用晶体管的计算机 RCA501 型
微型计算机发展 - 集成电路数字机 第三代电子计算机 : 集成电路数字机 (1964 1970 年 ) 硬件 : 逻辑元件采用中 小规模集成电路 (MSI SSI), 主存储器仍采用磁芯 软件 : 分时操作系统以及结构化 规模化程序设计方法 特点 : 速度更快 ( 每秒数百万次至数千万次 ) 可靠性显著提高 价格下降, 产品走向了通用化 系列化和标准化等 进入文字处理和图形图像处理领域
微型计算机发展 - 大规模集成电路机 第四代电子计算机 : 大规模集成电路机 (1970 年 - 今 ) 硬件 : 逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路 (LSI 和 VLSI) 软件 : 出现了数据库管理系统 网络管理系统和面向对象语言等 1971 年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生, 开创了微型计算机的新时代 应用领域从科学计算 事务管理 过程控制逐步走向家庭 由于集成技术的发展, 半导体芯片的集成度更高, 每块芯片可容纳数万乃至数百万个晶体管, 并且可以把运算器和控制器都集中在一个芯片上 从而出现了微处理器, 并且可以用微处理器和大规模 超大规模集成电路组装成微型计算机, 就是我们常说的微电脑或 PC 机
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第一阶段 (1971~1977) 1971 年 :Intel 4004 世界上第一片单片微处理器 Intel 4004 4 位微处理器 寻址空间为 4096 个半字节 指令系统包括 45 条指令 1972:Intel 8008 世界上第一片 8 位微处理器 Intel 8008 集成度为 3500 个晶体管 工作频率为 200K 赫兹 字长为 4 位或 8 位, 集成度约为 3000~10000 晶体管 / 片, 主频为 0.1~5MHz 微机原理与系统设计 绪论 董明皓 dminghao@xidian.edu.cn
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第二阶段 (1978~1992) 1978 年 :Intel 8086 16 位数据线,20 位地址线,5MHz 1979:Intel 8088 世界上第一台 PC 机的 CPU Intel 8086 16 位微处理器 寻址空间为 1MB 采用流水线结构, 有 6 个字节的指令队列 29000 个晶体管 数据线为 8 位, 其余与 8086 相同 Intel 8088 80X86 时代 微机原理与系统设计 绪论 董明皓 dminghao@xidian.edu.cn
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第二阶段 (1978~1992) 1982 年 :Intel 80286 16 位数据线,24 位地址线,6MHz 1985:Intel 80386 第一个 32 位微处理器 Intel 80286 16 位微处理器 寻址空间为 16MB 134000 个晶体管 32 位数据线, 32 位地址线, 16MHz 275000 个晶体管 Intel 80386 80X86 时代 微机原理与系统设计 绪论 董明皓 dminghao@xidian.edu.cn
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第二阶段 (1978~1992) 1989 年 :Intel 80486 32 位微处理器 25MHz 120 万个晶体管 80486 由 80386 作为主处理器,80387 作为协处理器, 外加一个 8KB 的高速缓冲存储器组成 Intel 80486 80X86 时代 微机原理与系统设计 绪论 董明皓 dminghao@xidian.edu.cn
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第三阶段 (1993~1997)-Pentium 时代 数据线 : 32 位 -------64 位 地址线 : 32 位 -------32 位 寻址空间 : 4096MB 晶体管个数 : 310 万个 ------1400 万个 主频 : 60Hz------800Hz 主要代表 : Pentium Pentium MMX Pentium Pro Pentium II Pentium IV P7 微机原理与系统设计 绪论 董明皓 dminghao@xidian.edu.cn
微型计算机发展 - 微处理器发展史 第四阶段 (2006~ 今 )-Core 时代 全新的 Core 架构 制造工艺为 65nm 或 45nm 全线产品均为双核心,L2 缓存容量提升到 4MB 晶体管数量达 2.91 亿个, 核心尺寸为 143 平方毫米 性能提升 40% 能耗降低 40%, 主流产品的平均能耗为 65 瓦特, 顶级的 X6800 也仅为 75 瓦特
微型计算机发展总结 特点 : 第一代 4 位和低档 8 位机 (1971-1973) 字长提高 Intel 4004 第二代中高档 8 位机 (1974-1978) 8080/8085 Z80 MC6800 第三代 16 位机 (1978-1981) Intel 8086 Z8000 MC6800 第四代 32 位机 (1981-1992) 80386 80486 第五代 64 位机 (1993 后 ) Intel Pentium 1 速度越来越快 2 容量越来越大 3 功能越来越强 微型计算机的发展以微处理器的发展为主要标志
微型计算机发展的明天? 冯 诺依曼计算机 : 数字计算机内部的存储器中存放程 序, 由运算器 控制器 存储器和输入输出设备构成 冯 诺依曼计算机的缺陷 : CPU 与内存速度不匹配
微型计算机发展的明天? 冯 诺依曼计算机的出路 处理器 = 神经元 内存 = 突触 有物理连接 本地计算 分布式工作 类脑芯片 (IBM Truth North 等 ) 扩充阅读 ( 主页下载 )
微型计算机系统组成 计算机 (computer), 俗称电脑, 是一种用于高速计算的电子计算机器, 可以进行数值计算, 又可以进行逻辑计算, 还具有存储记忆功能 能够按照程序运行, 自动 高速处理海量数据的现代化智能电子设备 由硬件系统和软件系统所组成, 没有安装任何软件的计算机称为裸机
输入设早期计算机硬件组成 ALU 输控制器备(I/O) 出设备(I/O) 贮存器 信息 : 数据信息 地址信息 控制信息 信息传递 : 二进制码 总线 : 用来传输信息的通道 三总线 : 数据总线 (DB) 地址总线(AB) 控制总线(CB) 微型计算机硬件组成 : 以微处理器为核心组成 CPU 通过引脚和外部通信 ( 存储器 +I/O 设备 )
xtwang@mail.xidian.edu.cn
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综述 - 微型计算机系统 内存外设 1 外存 1 CPU 外设 2 外存 2 外设 3 总线 I/O 接口电路 系统软件 应用软件
综述 - 微型计算机系统 以 CPU 为核心, 采用总线结构, 在总线上配置一定容量的内存储器和一定数目的外存储器和外部设备, 结合软件系统程序实现相应的功能 存储器和外设与 CPU 之间的数据交换管理通过在总线上搭建相应的 I/O 接口电路实现
课程主要学习内容 内存外设 1 CPU 外设 2 外存 1 外存 2 外设 3 总线 I/O 接口电路 系统软件应用软件 必备知识 数字电路算法语言 CPU: 结构, 工作原理, 寄存器组织总线 : 概念, 分类,CPU 如何实现总线管理存储器 : 结构,CPU 对存储器的管理, 存储器的扩展设计 I/O 接口电路 : 典型 I/O 接口电路的工作方式和设计方法 软件编程 : 汇编语言源程序编写
课程主要学习内容 软件部分 : 拥有一定的程序设计能力 ( 汇编语言 ) 硬件部分 : 拥有一定的逻辑电路设计能力 深入了解微机系统的组成和工作原理 掌握微型计算机输入输出方法 掌握和分析典型的接口电路 掌握存储器扩展设计方法 掌握汇编语言源程序编写方法
几个关键问题 1. 为什么学习这门课对内 : 身份的焦虑 : 个人的标签 专业的安全性对外 : 对世界的好奇 升级的需求 : Engineers are those who build something out of nothing.
几个关键问题 2. 为什么以 8086 为主要讲述对象? 高档 CPU 兼容低档 CPU 内核从 386 开始基本没变控制芯片变了, 但口地址还兼容以前的教材以 8086 为主, 基本概念 理论 方法是通用的
几个关键问题 3. 怎么学习这门课?- 了解课程特点 60% 靠记忆 : 内容多, 知识庞大 ( 慢即是快 冰山原则 ) 名词重复 + 刻意训练 ( 讲课当复习 ) 40% 靠理解 : 摸清事物的合理性 善用脑图 软件硬件齐头并进
几个关键问题 3. 怎么学习这门课?- 了解大脑记忆的原理
几个关键问题 3. 怎么学习这门课? - 专家化的神经生理基础 卡哈尔,1906 诺奖 2002,420:788-794 2015,38:55-65 2012,15:528-532 脑时时可变, 现时之脑是此前所有时刻变化的集中体现 神经元存在可观测的功能和结构可塑性变化 脑可塑性是学习和记忆 脑疾病及康复的生物基础 神经影像无侵 宽视场 高时空分辨地观测脑可塑性变化
几个关键问题 3. 怎么学习这门课?- 转化到日常学习中 区分外显学习 (explicit learning) 和过程学习 (procedural learning) 的特点 刻意训练 (deliberate practice), 形成共同激活 建立专家模板 构建知识矩阵
课后阅读 1. 个人主页阅读材料类脑计算芯片与类脑智能机器人发展现状与思考.pdf 类脑智能研究现状与发展思考.pdf 2. 学习使用软件 :Mind manager/ Mind Jet
下节预览 - 第一章 (2 课时 ) 1 2 3 4 5 6 数制表示与转换二进制数的运算规则有符号数的表示有符号数的运算及其溢出规则 BCD 编码方法及其运算 ASCII 编码方法