第1章 微机基础.ppt
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1、湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院电子信息工程系电子信息工程系 20152015年年8 8月月作者:周明辉作者:周明辉联系电话:联系电话:1818073232608073232608QQQQ:106050931106050931 微机原理与接口技术微机原理与接口技术课是工科学课是工科学生学习和掌握微机硬件知识和汇编语言生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,课程的任务是使程序设计的入门课程,课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接成、工作原理、接口电路及硬件的连接建立微机系统的整
2、机概念,使学生具有建立微机系统的整机概念,使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。微机系统软硬件开发的初步能力。课程目标课程目标本专业培养具备电子信息科学与工程技术、基础理论、受到良好的科学实验训练和科学研究初步训练,丰富的实践技能,德、智、体全面发展,能在电子信息科学与工程技术、计算机科学与技术及相关领域从事科学研究、产品开发、工程设计的高级工程技术人才。具有从事信息工程及跨学科的应用研究、设计、开发以及系统集成的基本能力。电子信息工程专业培养目标电子信息工程专业培养目标1、雷丽文主编,、雷丽文主编,微机原理与接口技术微机原理与接口技术,电,电子工业出版社,子工业出版社,2002.62、戴梅
3、萼主编,、戴梅萼主编,微型计算机技术及应用微型计算机技术及应用,清华大学出版社,清华大学出版社,19913、周明德主编,、周明德主编,微型计算机系统原理及应用微型计算机系统原理及应用,清华大学出版社,清华大学出版社,1991主要参考书主要参考书平时作业平时作业30%期末考试期末考试70%考核方式考核方式学习学习微机原理与接口技术微机原理与接口技术应注意的问题应注意的问题1 1、必必须须理理论论联联系系实实际际,不不需需要要死死记记硬硬背背书书上上的指令和名词解释。的指令和名词解释。2 2、购购买买一一套套单单片片机机实实验验开开发发板板,80868086芯芯片片及及其方案在实际使用中不会使用。
4、其方案在实际使用中不会使用。3 3、重重点点了了解解微微处处理理器器架架构构、输输入入输输出出架架构构、时时间间相相关关的的东东西西、中中断断的的过过程程及及架架构构、HMIHMI及人机接口。及人机接口。4 4、要掌握电子专业的未来就业趋势和特点。、要掌握电子专业的未来就业趋势和特点。1.1 微计概述世界上第一台现代意义的电子计算机是世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾年美国宾夕法尼亚大学设计制造的夕法尼亚大学设计制造的ENIAC电子计算机的发展:电子计算机的发展:电子管计算机电子管计算机晶体管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机中小规模集成电路计算机大规模超大规模集成电路计
5、算机大规模超大规模集成电路计算机电子计算机按其性能分类:电子计算机按其性能分类:大型计算机大型计算机中型计算机中型计算机小型计算机小型计算机微型计算机微型计算机第一章第一章微机基础微机基础1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And calculator),运算速度 5000次/秒,功耗150kw/h,占地170m2,造价100万美元。微型计算机的发展是以微处理器的发展来表微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的,微处理器的集成度每隔征的,微处理器的集成度每隔18个月就会翻个月就会翻一番,芯片的性能也随之提高一倍。一番
6、,芯片的性能也随之提高一倍。-摩尔定律摩尔定律1.1.1微型计算机的发展8086开创历史、苏联间谍秘密盗版开创历史、苏联间谍秘密盗版 不管你是否愿意相信,Intel性能强劲的Corei7处理器的内部“基因”三十多年来基本没有发生什么变化。如果你选择的是AMD最强大的PhenomIIX4处理器的话,情况也是一样。那么这个“基因”到底是什么呢?其实大家都知道,那就是我们经常提到的x86处理器架构,它统治了当前几乎所有的桌面电脑以及笔记本电脑市场,从其出生的那一天开始一直到现在,甚至是遥远的未来,x86的地位都会保持不变。Intel8086(1978年)年)频率只有4.77MHz,不过后来推出的产品
7、将频率提升至了10MHz。8086只拥有29,000个晶体管,你知道前苏联曾经通过工业间谍复制生产了8086处理器,在其基础上推出了不同针脚定义的K1810BM86处理器吗?性能翻倍的性能翻倍的286诞生诞生AMD加入竞争(加入竞争(1982年)年)基于1.5微米工艺的处理器拥有将近134,000个晶体管,以及16MB内存寻址能力。首款286处理器的频率只有6MHz,不过很快就提升了一倍。如果以频率进行对比,286的性能是8086的2倍,两代处理器之间如此之大的性能差距在此后推出的处理器中再也没有出现过。在当时286几乎就是IBMPC的同名词,推出6年之后,Intel估计全球约有1500万台P
8、C基于286处理器。比尔.盖茨曾经称286为“死脑子芯片”,因为该处理器不能够在windows环境下运行多个MS-DOS程序。最近Intel和AMD在x86专利授权上闹得有些不愉快,关于两家公司的x86专利问题,我们需要一起回到1982年去了解情况。就是在那一年,AMD获得了允许可以生产和销售8086和8088处理器。而就在第二年,AMD推出了Am286处理器,Intel286纯粹的复制品。两款处理器针脚数都是一样的,所不同的就是Am286处理器的频率要高一些,达到了20MHz。从某个角度来看,Am286的推出可以被视作两家公司在20多年前展开的第一场竞争。386迈入迈入32位位486晶体管突
9、破晶体管突破100万(万(1985年)年)当PC游戏开始流行的时候,Intel386处理器也应运而生。386后来被命名为386DX,为的是与后来推出的低价版386SX区分开来。最初386的频率只有16MHz,之后提升到了33MHz。相比之前的286,386晶体管数量也同样提升了将近一倍,达到了275,000个,而它也是Intel推出的首款32位处理器。386能够最高支持4GB内存。I48625-100MHz(1989年)年)在伟大的80年代快要结束的时候,Intel也为我们带来了极具历史意义的处理器486DX。486DX首度内置了数学协处理器,最初推出的时核心频率为25MHz(后来提升至50M
10、Hz),该处理器也是首款晶体管数量突破100万的处理器,达到了120万。与386一样,486DX同样也支持4G内存寻址,并配备了板载缓存。另外486在桌面台式机以及服务器市场均寻得了用武之地。对于游戏玩家而言,486的出现也为他们带来了更好的体验。伟大的奔腾诞生开启新命名方式(伟大的奔腾诞生开启新命名方式(1993年)年)Pentium的推出,相比之前的处理器突破了几个性能瓶颈.主要有64bit总线带宽,2个执行处理器单元以及大幅改善的浮点运算单元以及更高的核心频率。Pentium最初推出的核心频率为60MHz,后来最高频率达到了233MHz。在其生命周期内,Pentium处理器的生产工艺也由
11、0.8微米提升至0.35微米,晶体管的数量由310万个提升至了450万个。IntelPentiumPro(1995年)年)晶体管数量达到了550万个。配备二级缓存(Mac:以往二级缓存均由主板提供),256K-1MB。二级缓存还没有直接集成入处理器核心内部(Mac:虽然就整个处理器而言是封装在一起,但二级缓存部分实际与处理器核心是分离的,也被叫做“双腔封装”)从150MHz-200MHz。K5源于超人家乡?源于超人家乡?AMD收购收购NexGen推推K6(1996年)年)Pentium系列处理器上并没有再留下让AMD可以许可生产的机会,这也就催生出了K5处理器,这款AMD首款自主研发的新一代处
12、理器。由于设计方面的问题,K5处理器的推出日期一再延迟。最后在1996年AMD终于推出了K5处理器,并且在技术上跑在了Pentium的前面,K5处理器拥有450万个晶体管,5个整数单元以及更大的分枝预测单元以及16KB的缓存。不过遗憾的是K5的核心频率最高只有133MHz,对于Pentium没有造成太大危胁,销售情况不佳。Kryptonite星IntelCeleron(1998年)核心频率年)核心频率:266MHz-3.2GHzMendocinoCeleron,代号300A,由于其可以稳定超频至450MHz在广大超频玩家中奉为经典。AMDK6-2和和K6-2+(1998、1999年)年)int
13、elPentiumIII和和PentiumIIIXeon(突破(突破1GHz,1999年)年)PentiumIIIXeon与桌面版PentiumIII处理器并无太大不同,但拥有更高容量的缓存,并支持四处理器配置。核心频率核心频率:450-1.4GHzAMD让让Athlon处理器率先突破了处理器率先突破了1GHz大关,这让大关,这让Intel感到很没面子感到很没面子AthlonThunderbird(速龙雷鸟)是AMD自推出Am386之后最成功的产品。Athlon在希腊语里的意思是“竞争:contest.”NationalSemiconductorGeode(1999年)年)目前最新的Geode
14、s(GeodeNX)处理器基于的是AthlonXPThoroughbred核心,拥有256KL2缓存,核心频率为1G,使用被动式散热。AMD Duron(钻龙,(钻龙,K7)2000年年赢得性能之王仅仅只是市场竞争的一部分,为了与Celeron进行竞争,AMD于2000年推出了Duron处理器。基本上来说Duron就是阉割版的AthlonThunderbird。早期的Duron前端总线频率较低只有100MHz,并且减少了缓存容量。Duron只拥有64KL2缓存,后来慢慢提升到了256K和512K。核心频率在600MHz950MHz。P4创频率新高创频率新高 Barton2500+广受欢(广受欢
15、(20012001年)年)基于90nm工艺的处理器。不过Prescott的热量实在过高,其带来的性能提升几乎可以忽略不计,而这也使得AMD在同年推出Athlon64后,基本上大获全胜。AMDAthlon64(20042004年)年)Athlon64是原生64位处理器,但是依然能够完整兼容支持32位运算。核心频率核心频率:1.0GHzto3.2GHzAthlon64总共有5种插槽,分别为754,939,940,AM2和SocketF(1207针)。AMDAthlon64X2(20062006年)年)Athlon644000+是Athlon64系列处理器中最后一款单核心处理器。Intel酷睿重返荣
16、耀酷睿重返荣耀AMD推原生四核(推原生四核(2006年)年)首款Core2Duo处理器拥有1.67亿个晶体管,基于的是65nm工艺,拥有4ML2缓存,前端总线频率为1,066MHz。虽然Core2Duo的低端型号核心频率只有1.86GHz和2.13GHz(E6300E6400),但是性能却极具吸引力。之后Core2生产工艺又提升至45nm,代表产品是Penryn。四核心Penryn的晶体管数量达到了8.2亿,核心频率也达到了3.2GHz。AMDPhenom(羿龙(羿龙2007年)年)AMD四核Phenom是首款原生四核处理器Corei7再上一层楼再上一层楼PhenomII全面强化(全面强化(2
17、008年)年)三款Corei7处理器,分别为Corei7-920,Corei7-940和Corei7-965,三款处理器全部基于45nm生产工艺,拥有7.31亿晶体管,配备了8ML2缓存。Corei7的核心面积为263平方毫米,而Core2是143平方毫米。IntelAtom“阿童木阿童木”抢占低端抢占低端VIA借借Nano回归(回归(2008年)年)这款低功耗处理器晶体管数量只有4700万,拥有512KL2缓存,最高核心频率为2.0GHz。虽然也有双核心版产品,但是面向的是桌面产品而不是移动PC。2008年基于Atom处理器的上网本出货量达到了1500万台。VIANano(2008年)年)N
18、ano系列处理器频率在1GHz1.8GHz不等,前端总线频率为533MHz或800MHz。Nano拥有1ML2缓存,支持MMX,SSE,SSE2,SSE3和SSSE3指令。Intel新一代新一代i7旗舰旗舰CPU:8核核14nm(2015年年8月)月)8008808040408086808880186 802868038680486奔腾(Pentium)Pentium ProPentium II赛扬(Celeron)奔腾III(Pentium III)奔腾4(Pentium 4)奔腾4至尊版(Pentium 4 Extreme Edition)赛扬D(Celeron D)奔腾D(Pentium
19、 D)奔腾D至尊版(Pentium D Exterme Edition)酷睿 双核Intel Core Duo酷睿2 双核 Intel Core 2 Duo奔腾双核Intel pentium dual-core酷睿2至尊版 Intel Core 2 Extreme酷睿2 四核 Intel Core 2 Quad酷睿2 四核 至尊版 Intel Core 2 Quad eXtreme赛扬双核 Intel Celeron duo-core酷睿i7-四核心(8xx/9xx)/六核心(9xx)处理器酷睿i5-双核心(6xx)/四核心(7xx)处理器酷睿i3-双核心(5xx)处理器奔腾II至强(Pent
20、ium II Xeon)奔腾III至强(Pentium III Xeon)奔腾III服务器(Pentium III Sever)至强(Xeon)安腾(Itanium)安腾2(Itanium 2)安腾3(Itanium 3)intel主要型号主要型号1.1.2 1.1.2 微型计算机的特点和应用范围微型计算机的特点和应用范围1.1.2.1 微型计算机的特点微型计算机的特点1.1.2.2 微型机的应用范围微型机的应用范围返回本章首页返回本章首页1.1.2.1 1.1.2.1 微型计算机的特点微型计算机的特点41体积小、重量轻、价格低廉体积小、重量轻、价格低廉42简单灵活、可靠性高、使用环境要简单灵
21、活、可靠性高、使用环境要求不高求不高43功耗低功耗低返回本节返回本节1.1.2.2 1.1.2.2 微型计算机的应用微型计算机的应用41科学计算科学计算42数据处理数据处理43办公自动化办公自动化44过程控制过程控制45辅助系统辅助系统46仿真仿真返回本节返回本节进位计数制及其相互转换进位计数制及其相互转换十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位十进制、二进制、八进制和十六进制采用的都是进位计数制,进位计数制中用少量数码按次序排列成数位,计数制,进位计数制中用少量数码按次序排列成数位,并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位并按由低到高的进位方式进行计数。基数和权是进位十进制的两个
22、基本要素。十进制的两个基本要素。基数是进位计数制中所用数码的个数,基数为基数是进位计数制中所用数码的个数,基数为r的进的进位计数制中需要位计数制中需要r个数码,每个数位计满个数码,每个数位计满r就向高位进就向高位进一,即逢一,即逢r进一。进一。在进位计数制表示的数中,同一数字处在不同位置表在进位计数制表示的数中,同一数字处在不同位置表示不同的值,它所表示的值是该数字乘以一个由它所示不同的值,它所表示的值是该数字乘以一个由它所处位置所决定的常数,这一常数就是该数位所具有的处位置所决定的常数,这一常数就是该数位所具有的权。权。r进制数各位的权是以进制数各位的权是以r为底的幂。为底的幂。1.2 1.
23、2 计算机中数的表示和编码计算机中数的表示和编码进位计数制及其相互转换进位计数制及其相互转换任何一个任何一个r进制数进制数N可以表示为:可以表示为:若若r=10,则十进制数,其各位的权是以,则十进制数,其各位的权是以10为底的幂;为底的幂;若若r=2,则是二进制数,其各位的权是以,则是二进制数,其各位的权是以2为底的幂;为底的幂;若若r=8,则是八进制数,其各位的权是以,则是八进制数,其各位的权是以8为底的幂,八进制中为底的幂,八进制中共有八个数码:共有八个数码:0、1、2、3、4、5、6、7;若若r=16,则是十六进制数,其各位的权是以,则是十六进制数,其各位的权是以16为底的幂,十六为底的
24、幂,十六进制中共有进制中共有16个数码:个数码:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。为了明确表示一个数所采用的进位计数制,可以该数的后面加为了明确表示一个数所采用的进位计数制,可以该数的后面加上下标上下标(B)、(O)、(D)、(H),分别表示该数为二进制、八进制、,分别表示该数为二进制、八进制、十进制和十六进制十进制和十六进制进位计数制及其相互转换进位计数制及其相互转换r进制数转换为十进制数按照公式展开求和例例1.分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示十进制数转换为r进制数整数部分和小数部分分别进行转换整数部分的转换步骤:把r写成十进制数;将
25、N除以r,记录商和余数,并用r进制表示余数,这余数便是用r进制表示的数的最低位数字;把上次的商进行中所述除以r取余的运算,用r进制表示余数;重复这种运算直到商为0,这时的余数即为十进制数N用r进制表示时的最高位数字。十进制数转换为r进制数例例2.把十进制数103用二进制表示例例3.把十进制数506用十六进制表示小数部分的转换步骤:把r写成十进制数;将N乘以r,记录积的整数部分和小数部分,并用r进制表示整数部分,该整数即为转换后r进制小数的最高位;把上次积的小数部分进行中所述乘以r取整的运算,用r进制表示积的整数部分;重复这种运算直到积的小数部分为0,或者达到所要求的位数,这时的整数部分即为十进
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