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课程名称 微型计算机原理（微机原理与接口 技术） 学 时 52/12 （ 48/15 ）

课程名称 微型计算机原理（微机原理与接口 技术） 学 时 52/12 （ 48/15 ） 选用教材 吴秀清主编 . 微型计算机原理与接口 技术 [M] （第三版） . 合肥：中国科技大学出版社 . 主讲教师 叶爱芹 授课对象 电子信息工程、机械自动化 授课方式 多媒体与板书相结合 前修课程：电路原理、模拟电子电路、数字电子技术等. 课程在专业学科中的地位与作用

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课程名称 微型计算机原理（微机原理与接口 技术） 学 时 52/12 （ 48/15 ）

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  1. 课程名称 微型计算机原理（微机原理与接口 技术） 学 时 52/12（48/15） 选用教材 吴秀清主编.微型计算机原理与接口 技术 [M]（第三版）.合肥：中国科技大学出版社. 主讲教师 叶爱芹 授课对象 电子信息工程、机械自动化 授课方式 多媒体与板书相结合 前修课程：电路原理、模拟电子电路、数字电子技术等

  2. 课程在专业学科中的地位与作用 本 课程是我校电气信息类非计算机专业必修的主干专业基础课程之一，针对人才培养目标，课程体系和教学内容紧紧围绕“厚基础，重能力”的培养目标，强调理论与实践并重，注重培养学生知识应用能力和适应课程特点的学习方法。通过课程学习，不仅使学生掌握微机的基本组成结构和工作原理，更重要的是通过实践环节的训练，加深对理论知识理解，着重掌握计算机接口软硬件设计能力，为学生后续专业课程的学习奠定厚实的理论基础，培养学生分析问题、解决问题的能力。为嵌入式系统开发打下良好的基础。

  3. 课程内容与学时分配

  4. 第一章 微型计算机概述 1.1 微型计算机的发展概况 1.2 微型计算机的基本结构 1.3 微型计算机系统 1.4 微型计算机的应用

  5. 1.1 微型计算机的发展概况 微型计算机的发展历史 计算机是20世纪发展最为迅速，普及程度最高、应用最为广泛的科学技术之一。自1946年世界第一台计算机在美国诞生至今，经过半个多世纪的发展，计算机已经渗透到国民经济和社会生活的各个领域，极大地改变着人们的工作方式和生活方式，转化为推动社会前进的巨大的生产力。

  6. 计算机按其性能、价格和体积等的不同，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机计算机按其性能、价格和体积等的不同，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 巨型机：功能最强、精度最高、速度最快、价格最贵 高科技难题、每秒十几万亿次浮点运算（太拉级） 131万亿次 日本 模拟气候实现精确的气象预报 模拟与设计可控核聚变 模拟核武器行为及破译密码 应用纳米技术模拟与设计新的电子器件

  7. 大型机：指令多、速度快、存储容量大、可连接数以百大型机：指令多、速度快、存储容量大、可连接数以百 计终端机，快速处理巨量的资料 中型机、小型机：规模小、结构简单、便于推广 微型机：体积小、重量轻、价格低廉 ； 采用大规模和超大规模集成电路； 可靠性好、结构灵活；内部元件少、连线少； 应用面广，用于过程控制、测量仪器、仪表、 教学、医疗、家电

  8. 在50多年的发展历史中，计算机经历了采用电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路的发展历程。未来将为人工智能计算机，模拟人脑的思维。在50多年的发展历史中，计算机经历了采用电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路的发展历程。未来将为人工智能计算机，模拟人脑的思维。 但是计算机真正的辉煌时期是从1971年第一片微处理器（Microprocessor）诞生之日起，计算机便以惊人的速度发展，在此后的30多年时间里，微处理器发展：从美国Intel公司的4004、8008、8080、8085、8086、80186、80286、80386、80486发展到Pentium、 Pentium Pro、PentiumⅡ、 Pentium Ⅲ、 Pentium Ⅳ、Itanium等。

  9. 第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第一代（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）。 通常人们把Intel 4004(4位)和Intel 8008（8位）称为第一代微处理器。 特点 字长： 4位或8位 时钟频率：1MHz 平均执行指令时间：20μs 集成度：2000管/片 价格低廉、使用方便，主要应用于简单计算与控制。

  10. 第二代（1973－1978年）：中高档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 1973年，Intel公司推出了性能更好的8位微处理器8080。 Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOS Technology的6502等。 通常人们把这一时期的微处理器称为第二代微处理器。 特点 字长： 8位 时钟频率： 2～4MHz 平均执行指令时间： 1～2 μs 集成度：5000 ～ 10000管/片 这一时期推出的微型计算机，在系统设计上考虑了机器间的兼容性，接口的标准化和通用性，外围配套电路种类齐全、功能完善。在系统软件方面，除可使用汇编语言外，还配用高级语言和操作系统。已经广泛用于数据处理、工业控制、汽车、电子、智能仪器仪表和家电等领域。

  11. 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 字长： 16位 时钟频率： 4～40MHz 平均执行指令时间： 0.5 μs 集成度：20000 ～ 60000管/片

  12. 第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期 Intel公司推出80186、80286 1985年， Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386，同时有Motorola公司的M68020 1989年， Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040 特点 字长： 32位 时钟频率： 10～120MHz 平均执行指令时间： 0.2μs 集成度：几十万～上百万管/片

  13. 第五代（1993～1996）：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：112MIPS 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）

  14. 第六代（1997至今）：加强型Pentium时代 1997年到1999年，Intel公司的Pentium Ⅱ 、Pentium Ⅲ AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。 2000年， Intel公司的Pentium Ⅳ 2001年底， Pentium Ⅳ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。 2006年，Core系列。支持64位计算。

  15. Intel的CPU的发展史 intel 4004，intel 的发展史就是从这块cpu起步的

  16. 8008 8085

  17. 8086

  18. 80286，intel最后一块16位cpu

  19. 80386，intel第一代32位cpu 486，这是intel最后一代以数字编号的cpu

  20. pentium pro pentium，586 pentium mmx

  21. pentiumⅱ celeron，引发超频热潮

  22. pentiumⅲ_katmai pentiumⅲ Intel pentiumⅲ tualatin/coppermine

  23. intel pentiumⅳ_423 intel pentiumⅳ_478

  24. 微型计算机的发展现状 • 超级流水线技术将流水线深度增加了一倍 • 数据流单指令多数据扩展2(SSE2)指令集扩展 • MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和 • 3D图形数据处理，网络流数据处理等 • 采用了全新的一级（L1）指令高速缓存技术 • 采用先进的400MHz系统总线 • 具有双通道RDRAM，可实现更高性能 微型化、网络化、智能化

  25. 1.2 微型计算机的基本结构 1.2.1 微型计算机的结构特点 微型计算机结构框图 简介 冯•诺依曼结构

  26. 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制 控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行 返回

  27. CPU一般都具备下列功能： • 可以进行算术和逻辑运算 • 能对指令进行译码并执行规定的动作 • 可暂存少量数据 • 提供整个系统所需要的定时和控制 • 能和存储器、外设交换数据 • 可以响应其他部件发来的中断请求

  28. 微处理器 微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（Central Processing Unit） 本身具有运算和控制功能 • 控制器：负责全机的控制工作 • 运算器：执行所有的算术和逻辑运算 • 微处理器是微型计算机的核心 多数CPU是单片的，有时也会见多片型的， 即几个片合起来完成一个CPU的功能

  29. CPU在内部结构上都包含下面这些部分： • 算术逻辑部件（ALU）：专门用来处理各种数据信息的，它可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算 • 累加器和通用寄存器组：用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址 • 程序计数器（指令指针）：指向下一条要取出的指令 • 指令寄存器：存放从存储器中取出的指令码 • 译码器：对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。 • 时序和控制部件：指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。

  30. CPU的控制信号分为两类 • 由CPU内部产生相应的控制信号：送到存储器、 输入/输出接口电路和其他部件 • 微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时 候向CPU发出各种请求信号：如中断请求、总线 请求等。

  31. 7 6 5 4 3 2 1 0 内存储器（Memory） 内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件 存放编写的程序，程序中所用的数据、信息、中间结果 存储单元的地址和内容 内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数 微机通过给各个内存单元规定不同地址来管理内存 位——计算机存储信息的基本单位 每8位组成一个字节

  32. 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 字 高位字节 低位字节 若字长为16位，由2个字节组成 每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为16进制

  33. 内存操作 • CPU对内存的操作有读、写两种 • 读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部 • 写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来 • 内存分类 • 按工作方式不同，内存可分为两大类： 随机存取存储器RAM(Random Access Memory) 只读存储器ROM(Read Only Memory) • RAM可以被CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器 • ROM中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入

  34. 输入输出设备和输入输出接口 • 输入输出设备是指微型计算机上配备的I/O设备 • 也称为外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微型计算机提供具体的输入/输出手段 • 微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台 • 为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口(Interface)电路与主机系统相连。

  35. 总线 数据总线（data bus, DB） • 数据总线用来传输数据信息，是双向总线 地址总线（address bus, AB） • 地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线 控制总线（control bus, CB） • 控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。 • 其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息 • 可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但CB作为一个整体是双向的

  36. 1.3 微型计算机系统 1.3.1 微型计算机系统的组成 • 一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可 • 微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。 • 微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等

  37. 微型计算机系统的基本组成

  38. 1.3.2 微型计算机的主要性能指标 基本字长 • 基本字长是指参与运算数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的 主存容量 • 一个主存储器所能存储的最大信息容量称为主存容量 运算速度 • 人们用计算机的主频——时钟频率来表示运算速度，以MHz或GHz为单位 系统配置 • 外部设备、软件 性能价格比

  39. Pentium系列 处理器 主处理器总线（3.3V或2.5VI/O,60～66MHz） 第二级 Cache Cntl Tag Cntl TIO[7:0] DRAM接口 (3.5V或5V) 主存储器 (DRAM) Cache （PBSRAM） 82439TX (MTXC) 只适应可撤卸的扩充站 标签 PCI插槽 PCI插槽 PCI总线 （5V） PCI总线（3.3V或5V, 30/33MHz） 82380FB (MPCI2) PCI扩充连 接器 82380AB (MISA) USB 2 USB 1 CD-ROM硬盘 IDE UDMA/33 ISA插槽 通用串行总线(USB) 82371 AB (PIIX4) ISA总线 （5V） GP[I,O](30+) SMB(I2C) 硬盘 ISA/EIO总线(兼容3.3V,5V) PC87317 VUL 音频 BIOS 典型微型计算机组成结构图 串行口红外口 并行口 软盘口 键盘口 鼠标口 微处理器，高速缓存，存储器，逻辑芯片组，I/O控制器，图形、视频、音频系统控制器 1.3.3 典型微型计算机的组成结构

  40. 并行端口、COM0、视频口、键盘、鼠标、游戏口并行端口、COM0、视频口、键盘、鼠标、游戏口 ISA插槽 音频编码 视频 扩展卡 插槽 COM1 Socket7 DIMM Sockets DIMM Sockets 512KB Cache CPU 82430 TX MTXC 稳压器 PCI插槽 TV输出 多媒体 通道 连接器 电源连接器 82430 TX PIIX4 视频 输入 视频抓取 处理器 软盘连接器 FLASH 视频存储器 电池 图形 控制器 PC 87307 VUL IDE连接器 配置跳线接口 GPIO 扬声器 板面状态接口 IDE连接器 典型微型计算机主板结构图

  41. 1.4 微型计算机的应用 1.4.1 科学计算和信息处理 科学计算一直是计算机的重要应用领域。发明计算机的原始目的就是为了科学计算 信息处理是微型计算机应用得最广泛的领域 信息处理就是用微型计算机对生产、经济活动、社会和科学研究中获得的大量信息进行存储、分类、变换、计算和传输，以符合人们要求和习惯的形式输出、显示或再控制

  42. 1.4.2 辅助设计和辅助制造 • 计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）是微型计算机应用中的另一个重要领域 • CAD是指人们利用计算机帮助设计者进行各种工程设计、模拟和测试 • CAM是指利用计算机控制机械加工和制造 1.4.3 测控领域 微型计算机在测控领域中的应用是最广泛、最普遍、最有效的应用

  43. 微机测控的典型应用如下： • 军事方面：用于导弹、核武器、宇宙飞船、潜水艇、雷达、电子对抗等。 • 工业方面：用于化工过程控制、机床自动控制、冶炼过程控制、发电厂控制、装配机械控制、生产自动化控制、机器人等。 • 测试与仪器方面：智能仪器、自动测试系统、数据采集系统、虚拟仪器、遥控遥测等。 • 通信及交通方面：程控交换机、传真电报、移动通信电台及手记、汽车电子设备、自动点火系统、交通信号控制、自动售票、车辆调度、导航及空中管制、航空自动驾驶。 • 文体卫生方面：计算机、CT扫描仪、超声诊断仪、脑电图仪、X射线机。 • 家电产品：以嵌入式微处理器为主，如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭锅、智能玩具等。

  44. 1.4.4 网络通信 网络通信是计算机技术和通信技术密切结合的产物 微型计算机在网络通信领域中的典型应用有： • 金融服务 • 电子商务 • 电子消息传递 • 电子数据交换 • 电视会议 • 移动通信

  45. 1.5基础知识 进位计数制与不同基数的数之间的转换 二进制数和十六进制数运算 计算机中数和字符的表示 几种基本的逻辑运算

  46. 二进制数 进位计数制 （基数、位权） N位二进制数

  47. 二进制 十进制 位权展开式 二进制 十进制 整数：降幂法、除基取余法 小数：降幂法、乘基取整法 二进制数和十进制数之间的转换

  48. 十六进制 二进制 0011 0101 1011 1111 3 5 B F A 1 9 C 1010 0001 1001 1100 十进制 十六进制 位权展开 整数：降幂法、除基取余法 小数：降幂法、乘基取整法 十六进制数及其与二进制、十进制数之间的转换

  49. 二进制数的运算 0+0=0 0×0=0 0+1=1 0×1=0 1+0=1 1×0=0 1+1=0 （进位1） 1×1=1 十六进制数的运算 逢十六进一

  50. 数的表示 机器数：把一个数连同其符号在内在机器中的表示加以数值化 原码、反码、补码 多数机器的整数采用补码表示法 补码表示： 正数：用符号-绝对值表示 负数：写出相应的正数补码，按位取反，最末位加1

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