08级微机原理1_微型计算机概论
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– Intel 8080,8085; – Intel 8086,80286,80386,80486; – Pentitum,Pentium II(P6),Pentium III,Pentium IV. – Zilog Z80; Z8000; Z80000. – Motorola MC6800(8位),MC68000 （16位）,MC68020(32位) – Power PC 620(64位)
• 由于光具有速度快，信息量大，并行处理性好的特 点，人类很早就有光计算机的设想，并大力开发， 90年代光电子集成电路问世，近年发展很快，许 多科学家正在这个前沿课题努力寻求突破，这一发 展方向具有广阔的前景。
34
• 生物计算机是另一个更为诱人的前沿课题，其 思想是：利用血红蛋白做逻辑电路，用DNA作 存储器，基本原理和功能实验已经完成。一旦 生物计算机研究成功后，它的元件密度将比人 脑的神经元密度高100万倍，速度比人脑思维 快100万倍，体积只是电子芯片的10万分之一， 更重要的是，它具有生物活性，可以直接植入 人体，并与人体神经系统和大脑有机地连接在 一起，直接接受人类脑电波的指挥，成为人脑 的一部分，而且直接从人体细胞中吸取营养作 为运行的能量，不用外加能源。这是一个神奇 而充满着无限可能性的科学领域。
32
微型计算机的典型应用
• 数值计算、数据管理、信息处理
– 通用微机 – 要求功能强、使用方便
• 过程控制、智能化仪器仪表、数据通讯
– 专用微机：单片机（MCS－51等）、单板机 （Z80）、工控机 – 要求可靠性高、实时性强 – 应用程序相对简单、数据处理量较小
33
• 智能计算机是指具有人工智能特征的，能够进行逻 辑思维的，运行速度极快的并行计算机。它应具有 支持高度并行计算和逻辑推理的硬件和处理知识信 息的软件系统。具有学习能力，联想记忆能力、高 速推理能力、寻找优化解的能力，它主要研究问题 的求解，感知，推理，执行，学习，优化这些方面 的课题，这是目前计算机的一个前沿研究方向。
• 第五代：64位机
– Itanium，E2K等
30
• • • • • • • • •
1978年 8086 2.9万 （3万） 1982年 80286 13.5万 1985年 80386 32万 1990年 80486 120万 1993年 Pentium 320万 1996年 Pentium Pro 550万 1997年2月 Pentium II 750万，300MHz 1999年 Pentium III 2000年(4季度) Pentium IV 4200万，1.4GHz(0.18um工 艺) • 假若Moore定律能再持续20年….. • 其他新型技术，如激光计算机。 • 从计算机结构及信息理论方面，“非冯结构”（神经网络 －－仿人脑的思维和记忆模型），更便于处理某些智能型 31 问题。
教材
• 教材：“微型计算机技术”，孙德文，高教出版 社 • 主要参考书
– 戴梅萼等编， “微型计算机技术及应用”，清华大学出版社 – 戴梅萼编，《微型计算机技术及应用—习题与实验题集》，清华 大学出版社 – 王正智 编著，《宏汇编语言程序设计教程》，电子工业出版社 – 教育部考试中心编，《全国计算机等级考试---三级A类教程》，高 等教育出版社 – 其他有关参考书及参考资料自由选择
微 机 原 理
云南大学物理系：陈永康
Email: ykchen@
2010年8月
1
教学目的与方式
• 本课程讲授方式 – 将计算机组成原理、微型计算机原理、8086汇编语言 程序设计合在一起讲，讲授顺序及章节独立编排 – 讲授内容根据物理系课程设置做适当增加，以保证与 前导课程的衔接和知识体系的完备性 – 汇编语言程序设计实验下学期与“接口技术”一起进 行 • 本课程的目的 – 理解微处理器的内部结构和工作原理 – 深入理解微型计算机系统的组成和工作原理 – 具有汇编语言程序设计的初步能力 – 掌握常用接口芯片的使用方法 – 对微机当前的发展动向和水平有明确的概念
微型计算机系统
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备 以及控制微型计算机工作的软件，就构成了 完整的微型计算机系统（Microcomputer System）。
– 软件分为系统软件和应用软件两大类。
• 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机
22
常见的微型计算机系统
23
微机系统的组成
微处理器 微型计算机 硬件 外设 主存储器 ALU 控制单元 寄存器组 ROM
13
14
15
16
17
18
• 1.Moore定律：
“晶体管的大小将以指数速 率变小，而集成到芯片上的晶体管数目将18－24个 月翻一番。” －－Gordon Moore，1965
• * Gordon Moore－－Inter公司的创始人，著 名半导体科学家。
19
• 现代计算机以大规模，超大规模集成电 路为基本物理构件。标志集成电路水平 的是它的集成度和电路速度。发展到现 在，计算机运算速度已达到每秒数万亿 次，单片集成度达到数亿只晶体管，能 耗不断降低，运行速度不断提高，单片 CPU 主 时 钟 频 率 达 数 G ， 线 宽 已 接 近 70nm，逐渐趋近了物理线性极限，量子 效应将凸现出来，集成度的提高很快就 会遇到量子效应这个约束。
说明： 80286 以后的CPU新增了总线部件、存储器管理部件、 浮点运算部件等，采用RISC技术、超标量流水线技术、高 速cache、分支预测、多媒体增强（MMX）技术、动态执 行（指令流分析、预测）技术等新型技术，使得CPU性能 大为提高，但在原理上是完全一致的，所以，课程讲授内 容以8086为主。后续CPU系列的有关内容作为扩展知识， 留给同学自学（作为一般了解，不是必修内容）。
26
微型计算机的相关术语（3）
• MIPS （Millions of Instruction Per Second）
– MIPS用来表示微处理器的性能，每秒钟能执行多 少百万条指令 – 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所 以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同 的系数求得的统计平均值。
2
教学内容
• 课程总学时：54，学分：3 • 内容
– 80x86微处理器体系结构（组成结构、寄存器 组织） – 80x86指令系统与汇编语言程序设计 – 微型计算机系统组织（CPU与其他部件的连 接——时序、总线） – 接口组织
• 根据教学情况，讲授一部分，其余部分在下学期 “接口技术”课程中讲
3
– 电子管计算机（Vacuum Tubes） – 晶体管计算机（Transistors） – 中小规模集成电路计算机 – 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：
– – – – 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机
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微处理器
• CPU=运算器+控制器 • 微处理器=CPU+寄存器 • CPU指的是计算机中执行运算和控 制功能的部件，由算术逻辑部件 (ALU)和控制部件两大主要部分组成 • 把CPU和一组称为寄存器 （Registers）的特殊存储器集成在 一片大规模集成电路或超大规模集 成电路封装之中，这个器件才被称 为微处理器（Microprocessor）
25
微型计算机的相关术语（2）
• 主频：也称为时钟频率，用来表示微处理器的运 行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频 的单位是MHz和GHz。
– 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从 80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数 – 外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是 MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的 速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。 – 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系 数。 – 通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比 标称主频更高的时钟频率上。
• 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS • 主频为400MHz的Pentium II的性能为832MIPS
27
微型计算机的相关术语（4）
• 微处理器的生产工艺
– 指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线 的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先 进，微处理器的功耗和发热量越小。 – 目前微处理器的生产工艺已经达到0.04m。
RAM
串行I/O接口 并行I/O接口 AB 地址总线 DB 数据总线 CB 控制总线
24
微机系统
I/O接口电路 系统软件 软件 应用软件 系统总线
微型计算机的相关术语（1）
• 字长：指微处理器一次可以直接处理的二 进制数码的位数
– 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数 和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8 位、16位、32位和64位等等。 – 8088称为准16位微处理器，而80386以上称为 32位微处理器。
20
微型计算机
• 以微处理器为核心，配上由大规模集成电 路制作的只读存储器（ROM）、读写存储 器（RAM）、输入／输出接口电路及系统 总线等所组成的计算机，称为微型计算机 （Microcomputer）。 • 将这些组成部分集成在一片超大规模集成 电路芯片上，称为单片微型计算机，简称 单片机。
21
35
微机的组成部件
36
微型计算机(主机)的基本结构
“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”
地址总线 ABUS
存储器
CPU
数据总线 DBUS
控制总线 CBUS
I/O 接口
微型计算机的发展（续）
• 第四代：32位机
– 80386、80486、Pentium Pro、 Pentium I—IV、…… 32位PC机、Macintosh、PS/2
• 1985年，80386采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管， 工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址 总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间 达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超 级小型机的水平。 • 1996年～，P6采用0.6 m -0.18m工艺，集成度550万-750万 晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超 标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令
• 第二代：8位机
– 8008、Z80、M6800、AppleII
• 1972年，8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作 频率为200KHz
• 第三代：16位机
– 8086（8088）、IBM-PC， 80286、IBM-PC/AT – 1978年，8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频 率为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20 位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的 改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列 – 1979年，8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控 制芯片。8088称为准16位微处理器（内部16位，外部8位）。 – 1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微 型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的IMB PC。 29
• 微处理器的集成度
– 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 – 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，目前的CPU 集成度已经达到十亿个晶体管，集成度提高了50万倍。
28
微型计算机的发展
• 第一代：4位机
– 1971年，Intel4004，寻址空间为40
• 期末考试：70％（闭卷） • 期中测验：20％ • 平时作业、考勤：10％
– 作业考察理解与综合应用能力，要求独立完成， 不能抄袭 – 随机考勤5次，3次缺席，取消考试资格 – 学习参考资料来源：教材、参考书、Internet
5
第一章 微型计算机概论
6
电子计算机
• 世界上第一台现代意义的电子 计算机是1946年美国宾夕法尼 亚大学设计制造的ENIAC • 电子计算机的发展
• 由于光具有速度快，信息量大，并行处理性好的特 点，人类很早就有光计算机的设想，并大力开发， 90年代光电子集成电路问世，近年发展很快，许 多科学家正在这个前沿课题努力寻求突破，这一发 展方向具有广阔的前景。
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• 生物计算机是另一个更为诱人的前沿课题，其 思想是：利用血红蛋白做逻辑电路，用DNA作 存储器，基本原理和功能实验已经完成。一旦 生物计算机研究成功后，它的元件密度将比人 脑的神经元密度高100万倍，速度比人脑思维 快100万倍，体积只是电子芯片的10万分之一， 更重要的是，它具有生物活性，可以直接植入 人体，并与人体神经系统和大脑有机地连接在 一起，直接接受人类脑电波的指挥，成为人脑 的一部分，而且直接从人体细胞中吸取营养作 为运行的能量，不用外加能源。这是一个神奇 而充满着无限可能性的科学领域。
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微型计算机的典型应用
• 数值计算、数据管理、信息处理
– 通用微机 – 要求功能强、使用方便
• 过程控制、智能化仪器仪表、数据通讯
– 专用微机：单片机（MCS－51等）、单板机 （Z80）、工控机 – 要求可靠性高、实时性强 – 应用程序相对简单、数据处理量较小
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• 智能计算机是指具有人工智能特征的，能够进行逻 辑思维的，运行速度极快的并行计算机。它应具有 支持高度并行计算和逻辑推理的硬件和处理知识信 息的软件系统。具有学习能力，联想记忆能力、高 速推理能力、寻找优化解的能力，它主要研究问题 的求解，感知，推理，执行，学习，优化这些方面 的课题，这是目前计算机的一个前沿研究方向。
• 第五代：64位机
– Itanium，E2K等
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• • • • • • • • •
1978年 8086 2.9万 （3万） 1982年 80286 13.5万 1985年 80386 32万 1990年 80486 120万 1993年 Pentium 320万 1996年 Pentium Pro 550万 1997年2月 Pentium II 750万，300MHz 1999年 Pentium III 2000年(4季度) Pentium IV 4200万，1.4GHz(0.18um工 艺) • 假若Moore定律能再持续20年….. • 其他新型技术，如激光计算机。 • 从计算机结构及信息理论方面，“非冯结构”（神经网络 －－仿人脑的思维和记忆模型），更便于处理某些智能型 31 问题。
教材
• 教材：“微型计算机技术”，孙德文，高教出版 社 • 主要参考书
– 戴梅萼等编， “微型计算机技术及应用”，清华大学出版社 – 戴梅萼编，《微型计算机技术及应用—习题与实验题集》，清华 大学出版社 – 王正智 编著，《宏汇编语言程序设计教程》，电子工业出版社 – 教育部考试中心编，《全国计算机等级考试---三级A类教程》，高 等教育出版社 – 其他有关参考书及参考资料自由选择
微 机 原 理
云南大学物理系：陈永康
Email: ykchen@
2010年8月
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教学目的与方式
• 本课程讲授方式 – 将计算机组成原理、微型计算机原理、8086汇编语言 程序设计合在一起讲，讲授顺序及章节独立编排 – 讲授内容根据物理系课程设置做适当增加，以保证与 前导课程的衔接和知识体系的完备性 – 汇编语言程序设计实验下学期与“接口技术”一起进 行 • 本课程的目的 – 理解微处理器的内部结构和工作原理 – 深入理解微型计算机系统的组成和工作原理 – 具有汇编语言程序设计的初步能力 – 掌握常用接口芯片的使用方法 – 对微机当前的发展动向和水平有明确的概念
微型计算机系统
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备 以及控制微型计算机工作的软件，就构成了 完整的微型计算机系统（Microcomputer System）。
– 软件分为系统软件和应用软件两大类。
• 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机
22
常见的微型计算机系统
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微机系统的组成
微处理器 微型计算机 硬件 外设 主存储器 ALU 控制单元 寄存器组 ROM
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• 1.Moore定律：
“晶体管的大小将以指数速 率变小，而集成到芯片上的晶体管数目将18－24个 月翻一番。” －－Gordon Moore，1965
• * Gordon Moore－－Inter公司的创始人，著 名半导体科学家。
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• 现代计算机以大规模，超大规模集成电 路为基本物理构件。标志集成电路水平 的是它的集成度和电路速度。发展到现 在，计算机运算速度已达到每秒数万亿 次，单片集成度达到数亿只晶体管，能 耗不断降低，运行速度不断提高，单片 CPU 主 时 钟 频 率 达 数 G ， 线 宽 已 接 近 70nm，逐渐趋近了物理线性极限，量子 效应将凸现出来，集成度的提高很快就 会遇到量子效应这个约束。
说明： 80286 以后的CPU新增了总线部件、存储器管理部件、 浮点运算部件等，采用RISC技术、超标量流水线技术、高 速cache、分支预测、多媒体增强（MMX）技术、动态执 行（指令流分析、预测）技术等新型技术，使得CPU性能 大为提高，但在原理上是完全一致的，所以，课程讲授内 容以8086为主。后续CPU系列的有关内容作为扩展知识， 留给同学自学（作为一般了解，不是必修内容）。
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微型计算机的相关术语（3）
• MIPS （Millions of Instruction Per Second）
– MIPS用来表示微处理器的性能，每秒钟能执行多 少百万条指令 – 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所 以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同 的系数求得的统计平均值。
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教学内容
• 课程总学时：54，学分：3 • 内容
– 80x86微处理器体系结构（组成结构、寄存器 组织） – 80x86指令系统与汇编语言程序设计 – 微型计算机系统组织（CPU与其他部件的连 接——时序、总线） – 接口组织
• 根据教学情况，讲授一部分，其余部分在下学期 “接口技术”课程中讲
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– 电子管计算机（Vacuum Tubes） – 晶体管计算机（Transistors） – 中小规模集成电路计算机 – 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：
– – – – 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机
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微处理器
• CPU=运算器+控制器 • 微处理器=CPU+寄存器 • CPU指的是计算机中执行运算和控 制功能的部件，由算术逻辑部件 (ALU)和控制部件两大主要部分组成 • 把CPU和一组称为寄存器 （Registers）的特殊存储器集成在 一片大规模集成电路或超大规模集 成电路封装之中，这个器件才被称 为微处理器（Microprocessor）
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微型计算机的相关术语（2）
• 主频：也称为时钟频率，用来表示微处理器的运 行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频 的单位是MHz和GHz。
– 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从 80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数 – 外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是 MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的 速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。 – 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系 数。 – 通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比 标称主频更高的时钟频率上。
• 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS • 主频为400MHz的Pentium II的性能为832MIPS
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微型计算机的相关术语（4）
• 微处理器的生产工艺
– 指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线 的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先 进，微处理器的功耗和发热量越小。 – 目前微处理器的生产工艺已经达到0.04m。
RAM
串行I/O接口 并行I/O接口 AB 地址总线 DB 数据总线 CB 控制总线
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微机系统
I/O接口电路 系统软件 软件 应用软件 系统总线
微型计算机的相关术语（1）
• 字长：指微处理器一次可以直接处理的二 进制数码的位数
– 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数 和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8 位、16位、32位和64位等等。 – 8088称为准16位微处理器，而80386以上称为 32位微处理器。
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微型计算机
• 以微处理器为核心，配上由大规模集成电 路制作的只读存储器（ROM）、读写存储 器（RAM）、输入／输出接口电路及系统 总线等所组成的计算机，称为微型计算机 （Microcomputer）。 • 将这些组成部分集成在一片超大规模集成 电路芯片上，称为单片微型计算机，简称 单片机。
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微机的组成部件
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微型计算机(主机)的基本结构
“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”
地址总线 ABUS
存储器
CPU
数据总线 DBUS
控制总线 CBUS
I/O 接口
微型计算机的发展（续）
• 第四代：32位机
– 80386、80486、Pentium Pro、 Pentium I—IV、…… 32位PC机、Macintosh、PS/2
• 1985年，80386采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管， 工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址 总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间 达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超 级小型机的水平。 • 1996年～，P6采用0.6 m -0.18m工艺，集成度550万-750万 晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超 标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令
• 第二代：8位机
– 8008、Z80、M6800、AppleII
• 1972年，8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作 频率为200KHz
• 第三代：16位机
– 8086（8088）、IBM-PC， 80286、IBM-PC/AT – 1978年，8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频 率为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20 位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的 改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列 – 1979年，8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控 制芯片。8088称为准16位微处理器（内部16位，外部8位）。 – 1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微 型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的IMB PC。 29
• 微处理器的集成度
– 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 – 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，目前的CPU 集成度已经达到十亿个晶体管，集成度提高了50万倍。
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微型计算机的发展
• 第一代：4位机
– 1971年，Intel4004，寻址空间为40
• 期末考试：70％（闭卷） • 期中测验：20％ • 平时作业、考勤：10％
– 作业考察理解与综合应用能力，要求独立完成， 不能抄袭 – 随机考勤5次，3次缺席，取消考试资格 – 学习参考资料来源：教材、参考书、Internet
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第一章 微型计算机概论
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电子计算机
• 世界上第一台现代意义的电子 计算机是1946年美国宾夕法尼 亚大学设计制造的ENIAC • 电子计算机的发展