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微型计算机

硬件技术基础

计算机教学实验中心

2003年 9月

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课程目标

? 在总整体上建立起微机系统的整体概念;

? 掌握微型机硬件系统各部分的构成及工作

原理;

? 掌握 Intel 8086基本指令系统,并了解

80X86部分主要扩展指令;

? 掌握微型机的输入输出技术及常用接口电

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教材及主要参考书

教材:

?, 微型计算机硬件技术基础,

冯博琴主编,高等教育出版社,2003.8

参考书:

?, 微机原理与接口技术,

冯博琴主编,清华大学出版社,2002.2

实验指导书:

,微机原理与接口实验指导书,,交大,轻印

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考核方式

? 平时作业 10%

? 实 验 10%

? 期末考试 80%

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第 1章 微型机系统概述

主要内容:

? 计算机系统的层次结构

? 硬件系统的逻辑构成和物理构成

? 软件系统

? 微型机的一般工作过程

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一,概 述

? 微型计算机的发展概况

? 计算机系统

? 计算机系统的应用

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计算机的发展概况

? 电子计算机的发展:

? 电子管计算机( 1946-1956)

? 晶体管计算机( 1957-1964)

? 中小规模集成电路计算机( 1965-1970)

? 超大规模集成电路计算机( 1971-今)

? 电子计算机按其性能分类:

? 大中型计算机 /巨型计算机( Mainframe Computer)

? 小型计算机( Minicomputer)

? 微型计算机( Microcomputer)

? 单片 计算机( Single-Chip Microcomputer)

? 微型计算机的核心:微处理器 (中央处理器 CPU)

? Intel CPU的发展见下页表

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Intel微处理器的发展简况

代 发表年份 字长(bits) 型号 线宽(?m) 晶体管数 (万个 ) 时钟频率 (MHz) 速度(MIPS)

一 1971

1972

4

8

4004

8008

50 0.2

0.3

<1 0.05

二 1974 8 8080 20 0.5 2-4 0.5

三 1978

1982

16 8086/8088

80286

2-3 2.9

13

4.77-10

8-20

<1

1-2

四 1985

1989

32 80386

80486

1-2 27.5

120

12-33

25-66

6-12

20-40

五 1993 32 Pentium 0.6-0.8 330 60-200 100-200

1995

1996

1997

1999

2001

32

P/Pro

P/MMX

PII

PIII

P4

P4E

0.6

0.6

0.35

.25-.13

.18-.13

0.09

550

450

750

850

3K-5.5K

12.5

133-200

166-233

233-450

450-1200

1300-3200

3200-4000

>300

七 2002

64 Itanium

0.08 CPU:2.5K

Cache:30K

800(20条指

令 /CLOCK)

>3000

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微型计算机系统的组成

微处理器

存储器

I/O接口

总线

硬件系统

软件系统

微 型

计算机

系 统

微 型

计算机

(主 机 )

外 设

ALU

寄存器

控制器

键盘、鼠标

显示器

软驱、硬盘、光驱

打印机、扫描仪

系统软件

应用软件

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微型计算机系统的层次结构

用户应用程序系统应用程序

操作系统

机器指令

微指令

硬件逻辑电路

应用程序

BIOS

硬件逻辑电路

从系统结构的观点 从程序员的观点

操作系统

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计算机的应用

? 科学计算

? 天气预报、石油勘探、。。。

? 数据处理

? 统计、管理、银行、。。。

? 计算机控制(自动控制)

? 工业控制、遥控遥测、机器人、。。。

? 人工智能

? 思维、行为、推理、。。。

? 计算机辅助系统 -设计 /制造 /教学 /…

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二,主机 的硬件系统

? 微处理器

系统的核心

? 存储器

记忆设备,内存 /外存

? 总线

信息的传输设备( CPU总线、系统总线)

? I/O接口

与外设进行信息交换的“桥梁”

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微型计算机的概念结构

I/O

I/O

地址总线 AB

C

P

U

数据总线 DB

控制总线 CB

I/O

AB,Address Bus,DB,Data Bus,CB,Control Bus

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微机硬件系统组成框图

CPU

北桥

南桥

RAM

Cache

AGPCRT

BIOS

KBD,Mouse

串行 /并行接口

HDD/CDROM(IDE)

FDD

USB

PCI

ISA

前端总线 /CPU总线

接口卡

外设

总线扩展槽

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主机板

? CPU插座

? 芯片组

? 内存插槽

? 高速缓存( Cache)

? CMOS-存放硬件系统参数

? 系统 BIOS

? POST,SysInit,Setup,系统服务

? 总线扩展槽

? 串 /并行接口

主板结构

16

Intel 845GE

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三、软件系统

系统软件

应用软件

操作系统

系统应用软件

存储器管理

进程管理

设备管理

文件管理

用户界面 GUI

网络软件

编译系统

系统维护程序

工具软件

系统增强软件办公数据库

图形图像

游戏

娱乐

。。。

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四、冯 · 诺依曼计算机结构

? 以运算器为核心、以 存储程序原理 为基础

运算器 输出设备

控制器

输入设备

存储器

指令

驱动

指令流

控制命令

数据流

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五,程序 的执行过程

程序

指令 1

指令 2

指令 3

指令 4

指令 n

… …

取指令

指令译码

取操作数

执行指令

存结果

指令周期

操作码 操作数

执行

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指令执行过程

取指令 指令译码 取操作数 执行指令 存结果

问题:

1。 CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令? —— 操作系统

2。 CPU如何按程序控制流执行指令? —— 程序计数器

3。 CPU如何知道从哪里取操作数? —— 地址、寻址方式

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指令 执行过程 (取指 /译码 /执行 )

地址寄存器 AR

累加器 A

加法器

数据寄存器 DR

指令寄存器 IR

指令译码器 ID

时序逻辑电路

时序控制信号(控制命令)

1011 0000

0000 0101

0000 0100

0000 1000

1111 0100

内部总线

存储器

0

1

2

3

4

程序计数器 PC

地址

MOV A,5

ADD A,8

HLT

地址总线

+1

读写控制电路

④输出地址

1011 0000

⑦锁存指令

锁存数据

置初值

① ②输出指

令地址

锁存地址②

读写命令⑤

⑧指令译码

锁存

输出

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微机启动的过程( DOS)

打开电源

CPU从固定地址处

执行一条跳转指令

系统自检 POST

中断初始化

初始化 BIOS数据区

从磁盘装入引导程序

检查操作系统文件

加载设备驱动程序

并初始化设备

加载 DOS内核

加载用户界面

BIOS

OS

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六、常用术语

? Bit(位,比特)

? 1个二进制位

? Byte(字节)

? 8个二进制位

? KB,MB,GB,TB

? Word(字)

? 2个或多个字节

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结束语

掌握:

? 微机系统的组成

? 主板主要器件的功能

? 冯 · 诺依曼计算机的特点

? 计算机的一般工作过程

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作业:

? 1.3

? 1.6

? 1.7

? 1.8

? 1.13

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