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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
2
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
路
3
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
六
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
存
储
器
I/O
接
口
输
入
设
备
I/O
接
口
地址总线 AB
输
出
设
备
C
P
U
数据总线 DB
控制总线 CB
I/O
接
口
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
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Intel 845GE
17
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
。。。
18
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
③
地
址
译
码
器
读写控制电路
④输出地址
1011 0000
⑦锁存指令
锁存数据
⑥
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