《微型计算机原理与接口技术》教案

第1章基础知识1.1 概述1946年，世界上第一台计算机ENIAC在美国问世以来，计算机技术的发展日新月异，在五十多年的历史中，先后经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机，到大规模、超大规模集成电路计算机这样四代的更替。

目前已有了第五代“非冯·诺依曼”计算机和第六代“神经”计算机的研制计划。

所谓“非冯·诺依曼”计算机，是将现有的计算机系统结构进行改革，把电脑仿真为人脑的结构。

每个人的脑体只有900克左右，但它能存储和处理及其大量的信息，并具有分析和综合的能力，这就是人的智能。

计算机研究有一个分支，叫人工智能，就是所谓第五代的人工智能计算机。

生物大脑神经网络可看成一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算机网络。

神经网络使人能有效地组织和处理信息，对神经网络研究，并从大脑工作的模型中抽取计算机设计的模型，这就是所谓第六代的神经网络计算机。

计算机按其性能、价格、体积、规模不同可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。

其中微型计算机诞生于20世纪70年代。

由于其体积小、价格低，在各行各业的得到了广泛的应用。

微型计算机的发展历史是和大规模集成电路的发展密不可分的。

1963年、1964年研制出了小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）。

到60年代后期，在一个几平方毫米大的硅片上，已可集成数千个晶体管，这就出现了大规模集成电路LSI（Large Scale Integration）,为微型计算机的核心部件微处理器的生产打下了基础。

现代最新型的集成电路已可在单个芯片上集成上千万个晶体管，线宽小于0.13μm，工作频率已超过2GHz。

到目前为止，微型计算机的核心部件微处理器（说明）的发展过程大致可分为六代（参见P.4表1-1）：1.第一代4位或低档8位微处理器（说明“位”的概念）其发展大约从1971年到1973年。

1971年美国Intel公司研制成功世界上第一个微处理器Intel4004，并于次年推出低档8位微处理器Intel8008。

第一代微处理器指令系统较简单，运算能力较弱，速度也较慢，执行一条指令需10～20μS，即0.05MIPS（million instruction per second）,软件主要用机器语言（说明）和汇编语言（说明），它主要用于计算器及各种家用电器上。

2.第二代高档8位微处理器1973年至1978年，各公司相继推出了第二代高档8位微处理器。

1973年，美国Intel 公司率先推出了Intel8080，这是一个划时代的产品，它是第一个真正实用于微型计算机的微处理器。

它的存储器寻址空间（说明）增加到64K字节，并扩充了指令集，指令执行速度达0.5MIPS。

软件方面，除使用汇编语言外，还可使用BASIC、FORTRAN等高级语言，后期产品，如以8085A、Z80及MC6502等CPU为核心的具有磁盘和各种外设的微型计算机，还可用简单的操作系统，如CP/M（Control Program/Monitor）。

这个时期推出的微处理器除Intel公司的产品（8080、8085）外，还有Zilog公司的Z80及Motorola公司的M6800等。

3. 第三代16位微处理器1977年前后，超大规模集成电路（VLSI）研制成功，在一块芯片上可集成上万个晶体管，为研制16位微机创造了条件。

1978年，Intel公司率先推出8086，为与原8位机兼容，又同时推出了准16位的微处理器8088。

它的内部结构是16位，但外部数据总线是8位，其指令系统与8086完全兼容。

以8088芯片为核心的IBMPC及PC/XT等准16位微型计算机很快占领了市场。

在此同时，Zilog及Motorola公司也相继推出了同一级别的产品Z8000及MC68000等。

16位微处理器比8位微处理器集成度提高了一个数量级，功能大大增强。

主要表现在以下各个方面：△数据总线的位数由8位增加到16位，大幅度提高数据处理能力（举例说明）。

△地址总线由16位增加到20位，扩大了寻址范围。

△时钟频率达5～40MHz,基本指令执行时间约0.15μS。

系统运算速度大大提高，同时内部结构也作了改进。

采用“流水线”结构（简单说明），处理速度明显加快。

另外内部通用寄存器增多，减少对存储器访问（说明），且大多数通用寄存器都可作累加器使用。

△扩充了指令系统，指令功能大大加强，寻址方式（说明）也较为丰富。

由于指令系统指令数量多，复杂程度高，故这类计算机称为复杂指令系统计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）.△可处理多种数据类型。

如二进制位、压缩BCD码、非压缩BCD码、字节、字、双字、字串等（说明）。

△中断（说明）功能增强。

△具有构成多微处理器系统能力。

△配有较强的系统软件。

1982年，Intel公司又推出16位高级微处理器80286，它具有多任务系统所必需的任务转换功能。

同年Motorola公司也推出了同类型的MC68010。

这两种微处理器的数据总线虽仍是16位的，但地址总线增加到24位，使存储器直接寻址能力达到16MB，在20世纪80年代中、后期及90年代初期，80286成为个人计算机的主流CPU。

4.第四代32位高档微处理器1985年，Intel公司推出第四代微处理器80386，它是一种与8086向上兼容的超级微处理器，具有32位数据线，32位地址线，存储器直接寻址能力达4GB，其执行速度达3～4MIPS。

同时推出的还有Motorola公司的MC68020等产品。

32位微处理器无论从结构、功能、应用范围等各个方面看，可以说是小型机的微型化，已接近同时期小型机的水平。

随着大规模集成电路工艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出了性能更高的32位微处理器80486，它在芯片上集成120万个晶体管，是80386的4倍。

80486时在微处理器80386的基础上集成数字协处理器80387及8KB容量的高速缓冲存储器而构成的。

它采用了RISC（Reduction Instruction Set Computer精简指令系统计算机）技术，与RAM 进行高速数据交换的突发总线等先进技术。

这些新技术的采用，使80486在同等时钟频率下，处理速度要比80386快2到4倍。

同期推出的产品还有Motorola公司的MC68030及其后继产品MC68040等。

5. 第五代32位高档微处理器1993年，Intel公司又推出了新的32位微处理器Pentium（奔腾），它集成了330万个晶体管，数据线64位，地址线36位，工作频率为60/66MHz, 处理速度达110MIPS。

1994年又推出了第二代Pentium（以P54C代称），工艺更先进，工作频率达90/100 MHz。

在体系结构上，Pentium在内核中采用更先进的RISC技术，它汇集了CISC和RISC技术的优点。

同时采用超标量结构，拥有两条“流水线”，使之每个时钟周期内最多可执行两条指令。

同时内置高性能的浮点运算部件及两个8K字节的超高速的缓冲存储器，使整个微处理器的性能大大提高。

同时推出第五代微处理器的还有IBM、Apple和Motorola三家联盟的PowerPC及AMD 公司的K5等产品。

6.第六代Pentium微处理器1996年，Intel公司推出了Pentium Pro，该微处理器采用了0.35μm的工艺，时钟频率为200MHz，运算速度达200MIPS。

1998年到20XX年，Intel公司又先后推出了Pentium Pro的改进型产品PentiumⅡ和PentiumⅢ。

CPU的集成度已高达1千万个晶体管，时钟频率达1GHz以上，其他公司类似产品还有AMD公司的K7等产品。

近年来，市场上已推出PentiumⅣ系列，其CPU集成度已达2千5百万个晶体管，工作频率达到2GHz。

1.2 计算机中的数制日常生活中，人们惯于用十进制来计数，但计算机只能识别由“0”和“1”构成的二进制代码（说明为什么），而用二进制表示的数又显得冗长，为阅读和书写方便，往往采用十六进制数。

为此，首先要掌握这三种数制及其之间的转换关系。

1.2.1 常用计数制1.十进制数1）十进制数中有0～9共十个数字符号。

2）逢10进1（10为基数）。

3）各位数的“权”为10i。

例：（3256.87）10 = 3×103＋2×102＋5×101＋6×100＋8×10-1＋7×10-2=3256.87即：（D）10 = D n-1×10n-1＋D n-2×10n-2＋…＋D1×101＋D0×100＋D-1×10-1＋…＋D-m×10-m=∑--=⨯110Dnmi ii式中n表示小数点左边的位数（自0开始），m表示小数点右边的位数（自1开始）。

2.二进制数1）二进制数中只有0、1两个数字符号。

2）逢2进1 （2为基数）。

3）各位数的“权”为2i。

例：（1010.11）2 = 1×23＋0×22＋1×21＋0×20＋1×2-1＋1×2-2 = 10.75即：（B）2 = B n-1×2n-1＋B n-2×2n-2＋…＋B1×21＋B0×20＋B-1×2-1＋…＋B-m×2-m= ∑--=⨯12Bnmi ii3.十六进制数1）十六进制数共有十六个数字符号0～9及A～F。

2）逢16进1。

3）各位数的“权”为16i.例：（2AE.4）16 = 2×162＋10×161＋14×160＋4×16-1 = 586.25即：（H）10 = H n-1×16n-1＋H n-2×16n-2＋…＋H1×161＋H0×160＋H-1×16-1＋…＋H-m×16-m= ∑--=⨯116Hnmi ii4.其他进制数（略）需要指出的是，除了用基数作下标来表示数的进制外，还可再数的后面加上字母B （Binary）、H（Hexadecimal）、D（Decimal）来分别表示二进制数、十六进制数和十进制数，而十进制数后面的D往往可以省略。

1.2.2各种数制之间的转换由于人们习惯使用十进制数，计算机只能识别二进制数，而人们编程又多采用十六进制数，因此必然会产生不同进位制之间的转换问题。

1.非十进制数转换为十进制数按“权”展开，例见P7例1-5。

2.十进制数转换为非十进制数（1）十进制数转换为二进制数整数部分与小数部分分别转换。