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1、微机原理与接口技术,授 课：左琼时 间：2013年春,2,汇编语言程序设计,数据结构,单片机技术,/,微机接口,操作系统,数据库理论,3,课程目标,微机原理与接口技术是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：微型计算机（Intel 8086 16位机）的基本原理(部件及之间的关系、工作原理与逻辑实现)汇编语言程序设计微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力，提高利用微机解决实际问题的能力。,4,教材及参考资料,教材:周荷琴、吴秀清。微型计算机原理与接口技术（第4版）。中国科学技术大学出版社，2008 高建生等。计算机组成原理。华中科技大学出版
2、社，2004钱晓捷等。微型计算机原理及接口技术。北京：机械工业出版社，1999王元珍、韩宗芬。IBM-PC宏汇编语言程序设计，第二版。华中理工大学出版社，1996,5,课程要求及说明,闭卷考试考试重点（知识点）在课堂和作业中体现（听课记笔记、作业要认真）上机很重要，是掌握汇编语言的关键课件可下载：Email:zq_Password:public,补考靠不住！,第1章 绪论,7,本章主要内容,1.1 微型计算机的发展概况1.2 微型计算机系统1.3 计算机数据格式,8,1.1 微型计算机的发展概况,1.计算机的发展简史2.微型计算机的发展概况,9,1.计算机的发展简史,最古老的计算工具 算筹,最
3、古老的计算器算盘,1500年达芬奇手稿 机械式计算机,PASCAL(1623)加法机,人类历史上第一台机械式计算机,1673年G.Leibnitz乘法机器,同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想。,1821年Babbage差分机,1888年赫尔曼霍勒斯制表机,用电气控制技术取代了纯机械装置,1938年朱斯的Z系列计算机,1943年英国“巨人”计算机,1944年艾肯的MARK-I,是世界上最早的通用型自动机电式计算机之一,10,1.计算机的发展简史,11,各时代代表机型,12,世界上第一台电子数字计算机电子数字积分计算机ENIAC(Electronic Numerica
4、l Integrator And Computer)，由美国宾夕法尼亚大学于1946年研制成功并投入使用。,宣告人类进入电子计算机时代,13,18000多个电子管1500个继电器10000支电容和7000个电阻重30吨占地170平方米耗电150千瓦运算速度5万次/秒当时价值48万美元,14,15,ENIAC存在的问题：,十进制计算机 每一位数由一圈共10个真空管表示通过开关和插拔电缆进行手动编程 输入程序和数据可能需要半天时间 能否将程序和数据存在存储器中？EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)出现,16,现代电子计算机之父
5、,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。,17,第二代电子计算机IBM 7090,美国IBM公司于1959年生产的IBM 7090型采用晶体管的第二代电子计算机。它的体积减小了，运算速度却更快。,18,第三代电子计算机 IBM S/360,S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。开发S/360被称为“世纪豪赌”，IBM为此投入
6、了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。,计算兼容性,19,第四代计算机,从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、中型机、小型机和微型机、单片机。微型计算机特征：体积小、重量轻、功耗小、可靠性强、价格便宜、使用方便、软件丰富微型计算机的核心是：微处理器（CPU）,20,1.2 微型计算机的发展概况,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第二代（1973-1978年）：中高档8位微处理器时代第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代第四代（
7、1983-1993年）：32位微处理器时期第五代（1993-1996年）：Pentium微处理器的时代第六代（1997至今）：加强型Pentium时代 第七代：64位CPU时代,21,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代,典型产品有Intel 4004(1971年、4位)和Intel 8008（1972年、8位）。特点:1.字长：4位或8位 2.时钟频率：1MHz 3.平均执行指令时间：1520s 4.集成度：2000管/片,22,Intel 4004、8008 第一代微处理器,1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位芯片Intel 4004，标志着第
8、一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）特点：指令系统较简单、运算功能较差，价格低廉应用：面向计算器、二次仪表和家电,23,4004,4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。,24,8008,1972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。,25,第二代（19731978年）：中高档8位
9、微处理器时代,Intel 8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOS Technology的6502等。特点:1.字长：8位 2.时钟频率：24MHz 3.平均执行指令时间：12 s 4.集成度：5000 10000管/片,26,Intel 8080,1973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8080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。特点：指
10、令系统较完善、运算速度提高一个数量级，寻址能力增强应用：面向智能仪表、家电、工业控制,27,第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代,Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog 公司的Z8000特点:1.字长：16位 2.时钟频率：540MHz 3.平均执行指令时间：0.5 s 4.集成度：20000 60000管/片,28,Intel 8086,1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。特点：指令系统丰富，采用多
11、级中断，多种寻址方式，段式存储，系统软件应用：工业控制,29,Z80微处理器,Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。,30,第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期,1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点:1.字长：32位 2.时钟频率：10120M
12、Hz 3.平均执行指令时间：0.2s 4.集成度：几十万上百万管/片,31,第五代（19931996）：Pentium微处理器的时代,1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）时钟频率：60/66MHz 运行速度：100MIPS 集成度：310万管/片 1995年2月，Intel公司的Pentium Pro 时钟频率：166MHz以上 集成度：550万管/片 1996年 Intel公司的Pentium MMX(多能奔腾),32,第六代（1997至今）：加强型Pentium时代,1997年到1999年，Intel公司的Pentium、Pentium、AMD公司的AMD-K7，这些芯片
13、的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2001年底，Pentium 主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。AMD公司的Athlon CPU，1.33GHz主频及2GHz主频。,33,第七代：64位CPU时代,2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置24MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8,34,当前CPU发展方向,64位，多核双核2005年：Intel C
14、ore处理器 2006年：Intel Core 2/赛扬 Duo 处理器 4核2007年：Intel 四核心服务器用处理器 Intel Extreme X6800、core i5。AMD 羿龙IIX4 810 6核INTEL i7 980X 6核,2006年7月14日,Intel正式发布核心代号为Conroe的Core 2系列处理器。Core微架构拥有双核心、64bit指令集、4 thread超标量体系结构和乱序执行机制等技术，使用65/45nm制造工艺生产，支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址，支持包括SSE4在内的Intel所有扩展指令集。Core微架构的每个内核拥有32KB
15、的一级指令缓存、32KB的双端口一级数据缓存，2个内核共同拥有4MB或2MB的共享式二级缓存。,35,计算机的发展日新月异,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、微型机、单片机,从CPU的发展来看:40048008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4-,36,第一台微型计算机：Altair 8800,1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机Altair定位在青年电脑迷市场 Paul Allen和Bill Ga
16、tes在三周内为Altair开发出BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户,37,Apple,1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。,38,1981-PC元年,早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的
17、8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088操作系统是Microsoft提供的MS-DOSIBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）,39,我国计算机技术的发展,1953年开始研究，1958年研究出第一台计算机，103型通用计算机50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。80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
18、处理中文的电脑”。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。中科院研究开发的龙芯GODSON,40,龙芯,41,计算机发展的理论基础和规律,1、逻辑代数：逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。2、图灵机：英国数学家图灵通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，为可计算性的概念提供了严格的数学定义。现代通用数字计算机的数学模型3、冯.诺依曼计算机原理：二进制存储程序并按地址顺序执行(程序控制）4、Moore定律：微处理器内晶体管数每18个月翻一番5、Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器价格每18个月减少一半6、Gilder定律
19、：未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍7、Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比8、半导体存储器发展规律：DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍9、硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍,42,计算机发展的趋势,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,微型计算机已迈入64位的新时代精减指令计算机（RISC）正在逐步取代复杂指令计算机（CISC）多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到TFLOPS（每秒1012条浮点指令,万亿）级超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正
20、在加紧研究、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时代计算机的研究,43,二十一世纪的计算机,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，光的独立性使得大规模的并行计算成为可能。生物计算机：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。量子计算机：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。信息存储器 目前，在室温下能够制造出单电子内
21、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。,44,第一章 绪论主要内容,1.1 微型计算机的发展概况1.2 微型计算机系统1.3 计算机数据格式,45,1.微型计算机硬件结构,微型计算机组成框图,46,冯诺依曼型计算机,存储程序计算机又称为冯诺依曼型计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础；将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为14字节）；数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,47,控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令流,控制命令,数据流,存储程序计算机的工作原理,48,程序的执行过程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,1、CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？2、CPU如何按程序控制流执行指令？3、CPU如何知道从哪里取操作数？,操作系统,程序计数器,地址、寻址方式,
