• 1. 教员信息姓 名:李卓函 单 位:电信学部 控制科学与工程学院 办公室:创新院大厦A714 Email: ladaola@dlut.edu.cn 课程资源: 论坛:碧海青天BBS电脑空间微机原理及应用 课程PPT:百度网盘
  • 2. 期末成绩计算 期末总成绩 = 期末考试卷面成绩 × 90% + 平时成绩(10%) 期末考试时间:期末考试周 三次无故缺席者将取消考试资格!
  • 3. 参考教材课程名称:计算机原理 参考教材: 《微型计算机技术及应用》(第4版),戴梅萼、史嘉权,清华大学出版社 《IBM-PC汇编语言程序设计》沈美明、温冬禅,清华大学出版社 《16/32位微机原理、汇编语言及接口技术》钱晓杰,机械工业出版社 本课主要围绕PC机,分析微机的原理以及设计方法 如何学习计算机原理这门课?
  • 4. 目录第一章 微型计算机概述 第二章 16位微处理器8086 第三章 指令系统 第四章 汇编语言程序设计 第五章 存储器 第六章 输入/输出接口设计 第七章 中断系统 第八章 可编程接口芯片 第九章 AD/DA 转换 第十章 串行通信
  • 5. 概述第一章 微型计算机概述
  • 6. 微机基本组成微型计算机(Micro-Computer) CPU (中央处理单元)ALU (算术逻辑单元)控制器Memory(存储器)RAM (读写存储器)ROM (只读存储器)I/O接口-主机与外设的匹配连接BUS (总线)AB (地址总线)DB (数据总线)CB (控制总线)CPU - Central Processing Unit ALU - Arithmetic Logic Unit
  • 7. 总线总线 定义:计算机用来传输信息的一组通信线。 按传输内容分类: 地址总线 (AB-Address Bus) 用于传递地址信息,单向,成组使用 地址总线的宽度决定了CPU直接寻址内存的范围 如:8086有20根地址线,即地址总线宽度为20位, 可寻址2^20B = 1MB 数据总线(DB-Data Bus) 用于传递数据信息,双向,成组使用 计算机的位一般是指数据总线的宽度 如:8086有16根数据线,因此8086为16位机
  • 8. 总线控制总线 (CB-Control Bus) 用于传输控制信号,以便控制计算机各部件协调工作 各自独立使用,有发出,也有接收 如:CPU向存储器发出的读信号、写信号 地址数据复用总线 地址总线与数据总线共用一组通信线,分时传送地址 信息和数据信息(由同步信号区分),节省CPU引脚
  • 9. 微型计算机系统微型计算机系统(MCS -- Micro-Computer System) 以微型计算机为主体,配上系统软件就构成微型计算机系统。 系统软件包括操作系统和一系列系统应用程序 如编辑程序、编译程序、调试程序等 有了系统软件才能发挥微机的硬件功能 外设 输入设备:鼠标、键盘、扫描仪 输出设备:显示器、打印机、投影仪
  • 10. 计算机主机图片
  • 11. 计算机主板图片
  • 12. IBM PC/XT系统板框图CPU 80888284A 时钟发生器扩展插槽 62芯总线地址 锁存器数据 收发器8288 总线控制器8087 协处理器8259 中断控制器8253 计数器/定时器8255 并行接口RAMROM键盘接口扬声器接口8237 DMA控制器地址总线数据总线控制总线键盘IBM PC/XT:基于8088 CPU,准16位机,16位CPU内部DB,8位外部DB,10MB硬盘IBM PC/AT:基于80286 CPU,配置16位ISA总线
  • 13. 微处理器、单板机和单片机概念微处理器 专指中央处理器(CPU),是将计算机的运算器(ALU)和控制器集成在一个芯片上。 如:8086,80386,Pentium,PII等 单板机 将CPU、存储器、I/O口以及简单的外设集成在一块板上,是一个简单的计算机系统。如:TP801A等。 单片机 将CPU、存储器、I/O口集成在一个芯片上。如:Intel MCS-48,MCS-51,MCS-96等
  • 14. 微型计算机发展年代型号位数集成度(万)特点1971404040.21974808080.519788086162.919828028616101985803863227.5198880486321001个定点处理器,1个浮点处理器198980860321001993Pentium323102个定点处理器,1个浮点处理器 CPU片内32位DB,片外64位DB1995P. Pro645504个定点处理器,2个浮点处理器1997Pentium II64750片内集成2级Cache1999Pentium III6428102000Pentium Ⅳ644200
  • 15. 微型计算机发展CPU位数不断增加,集成度不断提高,频率不断提高 计算机的位 CPU片内数据总线的宽度决定了计算机的位数 如:8位,16位,32位,64位,128位 准16位机:CPU片内数据线宽度为16位,片外数据线宽度为8位 如:8088,8098 由单处理器向多处理器发展 指令系统由复杂指令集向精简指令集发展 复杂指令集计算机(CISC – Complex Instruction Set Computer) 精简指令集计算机(RISC – Reduced Instruction Set Computer) Intel在Pentium之前的CPU均属于CISC体系,从Pentium开始将CISC和RISC相结合,Pentium大多数指令是精简指令,但仍保留了一部分复杂指令
  • 16. 计算机中的信息表示计算机中的信息表示 计算机使用二进制存储,但书写时常用16进制 计算机内所有代码以二进制表示,机器码又称二进制码 1位16进制数对应半个字节(4位二进制码) 例 1000 0101 B 二进制 8 5 H 16进制 注:书写16进制数时,若最高位是字母,则前面加0,表示是数据 如0FEH 一些进制的简化符号: 2进制 - B(Binary)、 16进制- H(Hex) 8进制 - O(Octal)、 10进制 - D(Decimal)
  • 17. 无符号数表示无符号数表示 二进制无符号数 — 码值与数值相等 一个n位二进制无符号数表示的范围是0~(2^n - 1) 例:8位二进制无符号数表示的范围是0~255 16位二进制无符号数表示的范围是0~65535 BCD码(Binary Coded Decimal) 用半个字节表示1位十进制数 压缩BCD码: 用1个字节表示2位BCD码,又称8421BCD码 非压缩BCD码:用1个字节的低四位表示1位BCD码,高四位忽略 例 0011 1001 b 在压缩格式下表示:39 在非压缩格式下表示:9
  • 18. 有符号数表示有符号数表示 原码 将最高位作为符号位,正数的符号位为0,负数的符号位为1,余下的其他位为数值位 反码 正数的反码与原码相同; 负数的反码由该负数的原码按位取反(符号位除外)得到 补码 正数的补码与原码相同。 负数的补码由该负数的原码按位取反(符号位除外)加1得到 计算机内有符号数默认用补码表示
  • 19. 有符号数范围一个字节有符号数范围 原码表示: -127~+127 有+0,-0 1111 1111b – 1000 0000b - 0000 0000b – 0111 1111 -127 -0 +0 +127 反码表示:-127~+127 有+0,-0 1000 0000b – 1111 1111b – 0000 0000b – 0111 1111b -127 -0 +0 +127 补码表示:-128~+127 只有一个0 1000 0000b – 1111 1111b - 0000 0000b – 0111 1111b -128 -1 0 127 一个字的补码表示范围: -32768 ~ +32767 (只 有一个0) 1000 0000 0000 0000 ~ 1111 1111 1111 1111 -32768 -1 0000 0000 0000 0000 ~ 0111 1111 1111 1111 0 +32767
  • 20. 举例说明 计算机内一个字节为 81H 1000 0001b 二进制 129 (二进制无符号数) BCD码 81 (压缩格式BCD码) 原码 -1 反码 -126(1111 1110b —> 1000 0001b) 补码 -127(1111 1111b —> 1000 0000b—>1000 0001b) 一个代码,赋予不同类型,其数值不一样。而类型要由人编程指定 数码表示举例取反取反加1原码反码补码
  • 21. 溢出判断 数学运算时,结果超出运算数所表示范围则会产生“溢出” 无符号数:通过进位或借位标志C标记“溢出”,避免产生错误结果 有符号数:用标志O标记“溢出”,表示运算结果错误 字节运算,结果超出-128~127,则为溢出 字运算,结果超出-32768~32767,则为溢出 双高位判别法 最高位(符号位)是否有进位Cs异或次高位(数值的最高位)是否有进位Cp。溢出=Cs Cp例1:31-17=? 0001 1111 b (31补码) + 1110 1111 b (-17补码) 1 0000 1110 b =+14 (无溢出)。。例2:127+127=? 0111 1111 b (127补码) + 0111 1111 b (127补码) 1111 1110 b = -2 (溢出)。小数的定点和浮点表示,请查看相关书籍
  • 22. 字符代码-ASCII码字符代码 ASCII码 — 美国标准信息交换码 用7位二进制数表示128个字符 包含26个英文大、小写字母,数字0~9,符号和命令符等 ASCII码在计算机内用一个字节表示,最高位一般为0,计算机与外设交换信息一般都用ASCII码 如:字符显示器,字符打印机等 注:需牢记字符 ‘0’~‘9’,‘A’~‘F’,‘a’~‘f’的ASCII码分别为30H~39H, 41H~46H, 61H~66H 汉字内码 GB2312定义了6763个汉字,其中一级字库3755字,二级字库3008字
  • 23. 硬件基础知识硬件基础知识补充 计算机硬件主要由逻辑门、触发器(D触发器)和三态 门构成,使用器件为CMOS、TTL和NMOS。 TTL和CMOS电平范围如下表所示:单位(V)GNDVoLViLVtViHVoHVCC5V TTL00.40.81.522.453.3V CMOS00.40.81.522.43.35V CMOS00.41.52.53.54.445
  • 24. 硬件基础知识要了解逻辑电平的内容,首先要知道以下几个概念的含义: 1 输入高电平(ViH): 保证逻辑门输入为高电平时所允许的最小输入电压,当输入电平高于ViH时,则认为输入电平为高电平。 2 输入低电平(ViL):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入电压,当输入电平低于ViL时,则认为输入电平为低电平。 3 输出高电平(VoH):保证逻辑门的输出为高电平时的最小输出电压,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此VoH。 4 输出低电平(VoL):保证逻辑门的输出为低电平时的最大输出电压,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此VoL。 5 阀值电平(Vt): 数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于ViL、ViH之间的电压值,对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平> ViH,输入低电平
  • 25. 逻辑门一. 逻辑门 与逻辑 与门输入同时有效时,输出有效 小圆圈为状态符号,代表低电平有效,可加在输出或输入端 或逻辑 或门输入任一有效,输出有效 输出门 或门可实现负逻辑的‘与’操作
  • 26. 二. 三态缓冲器 1. 三态门 OE为低电平,F=A OE为高电平,F浮空 可以由与F相连的其他输出器件输出三态缓冲器74LS125
  • 27. 74LS12574LS125三态门内部电路
  • 28. 单向三态缓冲器2. 单向三态缓冲器 — 74LS244 74LS244为TTL的单向三态缓冲器,有两个三态控制使能引脚G1和G2分别控制4个三态门 当G1为低电平,1A输出到1Y 当G2为低电平,2A输出到2Y 当G1、G2为高电平时,输出为三态
  • 29. 双向三态缓冲器3. 双向三态缓冲器 — 74LS245或INTEL 8286 74LS245为TTL双向三态缓冲器,有控制引脚DIR和EN 当EN为低电平,三态门导通: DIR为高电平,由A传输到B DIR为低电平,由B传输到A EN为高电平时,A、B均为三态
  • 30. 锁存器三. 锁存器 1. D触发器1) 电平锁存2) 上升沿锁存3) 带异步清0的上升沿锁存74LS74内部电路
  • 31. 74LS2732. 具有异步清零的TTL上升沿锁存器-74LS273 当CLK上升沿到来时,将输入端的数据D0~D7锁存到输出端Q0~Q7,当CLR为低电平时将锁存器输出清零
  • 32. 电平锁存器3. 具有缓冲输出的TTL低电平锁存器-74LS373或INTEL8282 OE为低电平时,输出三态门打开,此时 LE为高电平,Q7~Q0跟随D7~D0 LE为低电平,数据锁存 OE为高电平时,输出Q7~Q0为三态
  • 33. 74LS373内部电路74LS373功能框图74LS374内部电路74LS374为具有缓冲输出的上升沿锁存器
  • 34. 计算机内的总线连接计算机内的总线连接 为减少计算机内各部件之间的连线,采用总线结构,使各部件共用一组数据线。 输入数据到总线的部件,一定要使用三态电路作缓冲 需输出数据时,打开三态门,占用总线,传输信息 不输出时,关闭三态门,使输出处于高阻状态,让出总线,不影响其它部件使用总线 从总线输出数据的部件,常采用D触发器锁存总线数据 常用总线技术 时分技术:计算机内各部件之间的信息传送分时进行 频分技术:CATV 有线电视,分频复用
  • 35. 分时传送原理第1时刻—信息A传送给锁存器C:使TACLKC有效,即一个负脉冲,且TB和CLKD应保持无效; 第2时刻—信息B传送给锁存器D:使TBCLKD有效,即一个负脉冲,且TA和CLKC应保持无效;
  • 36. 总线的分类(按位置分) 一个计算机系统包含多种类型总线,按所处位置可分为: 1. 内部总线 位于CPU芯片内,用于连接片内各功能部件的总线 内部总线的对外引线叫做CPU总线 2. 局部总线 位于主机板上,用于连接主机板上各个主要部件,并通过扩展槽连接各种适配器(显卡、网卡、声卡) 常见的有ISA、EISA、PCI总线 ISA — Industry Standard Architecture EISA — Extension Industry Standard Architecture PCI — Peripheral Component Interconnect 3. 系统总线 位于机箱底板,多个CPU插件板以此互相连接 在PC机中,一般不用,常见的有MULTIBUS、VME等
  • 37. 总线的分类(按位置分)4. 外部总线 是微机与外部设备之间或几个微机系统之间的通信总线,如: IDE (Integrated Drive Electronic)总线,专用于连接硬盘 SCSI (Small Computer System Interface),专用于连接硬盘 Centronics总线,用于与并行打印机连接 USB (Universal Serial Bus)总线,用于连接USB设备
  • 38. 总线性能指标总线性能主要从三方面来衡量 1. 总线宽度:指总线一次可以同时传输的数据位数 如:ISA为16位总线,一次可传输16位二进制数 EISA、PCI为32位总线 2. 总线频率:指总线每秒能传输数据的次数 如:ISA、EISA的频率为8MHz PCI的频率为33MHz,PCI-2的频率为66MHz 3. 传输率:指每秒钟能够传输的字节数,用MB/s表示 传输率 = 宽度/8 ×频率 例:PCI总线宽度为32位,频率为33MHz,则 传输率 = 32b / 8 ×33 = 132MB/s 即PCI总线每秒能够传输132M字节
  • 39. 微机的层次化总线CPU协处理器二级CachePCI总线控制器 (PCI桥)主存储器高速图形卡显示器PCI转换桥 PCI-ISA/EISAPCI总线控制器PCI卡PCI卡PCI卡PCI卡ISA卡ISA卡EISA卡CPU总线PCI总线AGPPCI总线ISA/EISA总线CPU总线:CPU芯片内部总线的对外引线,连接与CPU最密切、速度最快的部件,如二级Cache
  • 40. 微机的层次化总线说明1. CPU总线 CPU芯片内部总线的对外引线 连接与CPU最密切、速度最快的部件,如二级Cache 2. PCI总线控制器 像桥梁一样,一边连接CPU总线,一边连接CPU访问相对频繁、速度相对较快的部件,又称“PCI桥” 如:通过PCI总线连接主存储器,通过AGP总线连接高速图形卡 可级联下一级PCI总线控制器,形成多级PCI总线,容纳更多PCI卡 3. PCI转换桥 完成PCI总线与ISA或EISA总线的连接转换
  • 41. 微机的层次化总线说明4. ISA总线:总线宽度16位,总线频率8MHz,传输率16MB/s 24位地址线,16位数据线 由主槽和扩展槽两部分组成,主槽为62脚,对应早期IBM PC/XT系统的62芯总线槽,扩展槽为36脚 为和大量ISA适配卡兼容,目前计算机仍然通过“桥”来扩展ISA总线 5. EISA总线:是ISA的扩展,总线宽度32位,总线频率8MHz,传输率32MB/s 32位地址线,32位数据线,能自动进行8位、16位、32位数据访问 共198条信号线,98条为ISA原有的,扩展了100条信号线 6. PCI总线:目前微机中应用最广泛的局部总线 总线宽度32位,总线频率33MHz,传输率为132MB/s 支持即插即用功能
  • 42. PCI-X总线 面对更大数据量传送的需求,传统PCI总线已无法满足应用要求,因此现在的设计对其进行扩展,称作PCI-X总线: PCI-X 66 64位 66MHz Hot Plugging, 3.3 V 533MB/s PCI-X 133 64位 133MHz Hot Plugging, 3.3 V 1.06GB/s PCI-X 266 64/16位 133MHz Double Data Rate Hot Plugging, 3.3 & 1.5 V, ECC supported 2.13GB/s (主要应用到DDR内存) PCI-X 533 64/16位 133MHz Quad Data Rate Hot Plugging, 3.3 & 1.5 V, ECC supported 4.26GB/s (主要应用在DDR2内存) 说明: PCI-X 266用上Double Data Rate技术,让每一个时钟脉冲的上升与下降边缘都可以传输数据,所以有多出了一 倍的机会来传输数据 PCI-X 533规格更进一步采用每一个时钟脉冲可以传送四次(Quad Data Rate)的技术