1.1微机系统概述_微机系统与接口

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§1.1微机系统概述§1.1.1计算机发展史                          图1.1  六代计算机发展示意图    自1946年世界上第一台电子计算机问世以来，随着逻辑元件的更新，计算机已经历了四代：电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模、超大规模集成电路计算机。1981年日本宣布了第五代“非冯·诺依曼”计算机，美国于80年代制定了第六代“神经”计算机的研制计划。§1.1.2微处理器发展史   从1971年第一片微处理器诞生以来，微处理器和微型计算机获得了极快的发展，几乎每两年微处理器的集成度翻一番，每2—4年更新换代一次，现已进入第六代。                                                           图1.2 微处理器发展史         下表详细介绍了各CPU芯片发展的情况。                                                 表1-1主要CPU芯片一览表微处理器发表（年）字长型号晶体管数(万个)时钟频率（MHz）第一代1971197248400480080.20.3≤1第二代1974880808085MC6800Z800.52～4第三代1978 1680868088MC68000Z80002.9 3.77～108～16198280286MC6801013.45～25第四代19853280386MC6802027.516～33198980486MC6803012025～66第五代199332Pentium33060～200第六代1995199619971999200032PentiumProPentiumMMXPentiumIIPentiumIIIPentiumIV5504507508501000133～200166～233233～450450～12001300～2400第七代200164ItaniumCPU:2.5Kcache:30K800(20条指令/时钟周期)  1．第一代(1971—1973年)4位或低档8位微处理器1971年美国Intel公司研制成功的4004是集成度为2000个晶体管／片的4位微处理器。1972年Intel公司推出低档8位的8008也属于第一代微处理器产品。第一代微处理器的指令系统比较简单，运算能力差、速度慢(基本指令的执行时间为10～20μs)，但价格低廉。软件主要使用机器语言及简单的汇编语言。 2．第二代(1974—1978年)中高档8位微处理器微处理器问世后，众多公司纷纷研制微处理器，逐步形成以Intel公司、Motorola公司、Zilog公司产品为代表的三大系列微处理器。1973年到1975年，中档微处理器以Intel8080、Motorola的MC6800为代表。1976年到1978年，出现高档8位微处理器，典型产品为Intel8085、Z80和MC6809。第二代微处理器比第一代有了较多改进，集成度提高l～4倍，运算速度提高10～15倍，指令系统相对比较完善，已具有典型的计算机体系结构以及中断、存储器直接存取(DMA)功能。软件除汇编语言外，还可使用BASIC、FORTRAN以及PL／M等高级语言。后期开始配上操作系统，如CP／M(ControlProgram／Monitor)操作系统，它运用于以8080A／8085A、Z80、MC6502为CPU，带有磁盘及各种外设的微型计算机系统。 3．第三代(1978—1981年)16位微处理器1977年左右，超大规模集成电路工艺研制成功，一片硅片上可集成一万个以上的晶体管，16Kb和64Kb半导体存储器也已出现。微处理器及微型计算机从第二代发展到第三代。三大公司陆续推出16位微处理器芯片，如Intel8086的集成度为29000晶体管／片，Z8000为17500晶体管／片，MC68000为68000晶体管／片。这些微处理器的基本指令执行时间约为0.15μs。以各项性能指标看，比第二代微处理器提高了很多，已达到或超过原来中、低档小型机的水平。用这些芯片组成的微型计算机有丰富的指令系统、多级中断系统、多处理机系统、段式存储器管理以及硬件乘除运算等。除此以外，还配备了功能较强的系统软件。为方便原8位机用户，Intel公司很快推出8088，其指令系统完全与8086兼容，内部结构仍为16位，但外部数据总线是8位。并以8088为CPU组成了IBM PC、PC／XT等准16位机。由于其性能价格比高，很快占领了世界市场。与此同时，Intel公司在8086基础上研制出性能更优越的16位微处理器芯片80286，以80286为CPU组成IBMPC／AT高档16位机。以上介绍的是16位微型计算机发展的一条途径，即在原8位机的基础上发展而来。另一条途径是将已流行的16位小型计算机微型化，例如美国DEC公司将PDP—11／20微型化为LSI—11，将中档PDP—11／34微型化为LSI-23，又如NOVA机微型化为MicroNOVA等等。 4．第四代(1985年后)32位高档微处理器1985年，Intel公司推出了32位微处理器芯片80386。80386有两种结构：80386SX和80386DX。这两者的关系类似于8088和8086的关系。80386SX内部结构为32位，外部数据总线为16位，采用80287作协处理器，指令系统与80286兼容。80386DX内部结构、外部数据总线皆为32位，采用80387作为协处理器。1990年，Intel公司在80386基础上研制出新一代32位微处理器芯片80486。它相当于把80386、80387及8KB(23×210Byte)高速缓冲存储器集成在一块芯片上，性能比80386大大提高。 5．第五代(1993年后)64位高档微处理器1993年3月，Intel公司推出64位微处理器芯片Pentium(80586，P5)，它的外部数据总线为64位，地址总线为32位，内存寻址空间为232B＝4GB，工作频率为66MHz，以它为CPU的Pentium机是一种64位高档微机。IBM、Apple和Motorola三公司合作生产的PowerPC芯片是又一种优异的64位微处理器芯片，以它为CPU的微型计算机型号为Macintosh。 6．第六代(1995年后)64位高档微处理器1995年，Intel公司推出第六代微处理器PentiumPro(P6)。它采用了0.6μm工艺，集成了550万只晶体管。它有数据线64位，地址线36位，寻址范围为236B＝64GB。工作频率达200MHz。随后，Intel公司陆续推出了P6的系列产品：PentiumII、PentiumⅢ、Pentium4等。这些产品采用了多项先进技术，如：RISC技术、超级流水线技术、超标量结构技术(每个时钟周期可启动并执行多条指令)、 MMX技术、动态分支预测技术、超顺序执行技术、双独立总线DIB技术；一级高速缓冲存储器(L1)采用双cache结构(独立的指令cache和数据cache)、二级高速缓冲存储器(L2)达256KB或512KB；支持多微处理器等。第六代微处理器性能优异，适应当前对多媒体、网络、通信等多方面的要求。随着科学技术的发展，将会不断地对微处理器提出新的需求，新型、新概念的微处理器定会层出不穷。§1.1.3μP、μC、μMCS的定义和相互关系一、几个基本定义         图1.3μMP、μC、μCS三者的定义(点击图,将鼠标移到模块可查看定义)  微处理器、微型计算机和微型计算机系统，这是三个含义不同但又有着密切依存关系。   以上三者的含义及相互关系如图1.4所示                              图1.4μCS,μC,μP的相互关系§1.1.4微机系统组成1． 硬件系统组成  微型计算机硬件主要由CPU、内存、I／O接口和I／O设备组成。微型计算机各部件之间是用系统总线连接的。系统总线就是传送信息的公共导线，一般有三组总线。它们分别是：地址总线AB(AddressBus)传送CPU发出的地址信息，是单向总线；数据总线DB(DataBus)传送数据信息，是双向总线，CPU既可通过DB从内存或输入设备接口电路读入数据，又可通过DB将CPU内部数据送至内存或输出设备接口电路；控制总线CB(ControlBus)传送控制信息，其中，有的是CPU向内存及外设发出的信息，有的是外设等发送给CPU的信息，因此，CB中每一根线的传送方向是一定的。微型计算机的系统结构可用图1.5表示，图中CB作为一个整体，用双向表示。                                    图1.5 微型计算机的系统结构框图 (1)CPU CPU是微型计算机的核心芯片，它包括运算器、控制器和寄存器三个主要部分。运算器也称为算术逻辑单元ALU(ArithmeticandLogic Unit)。顾名思义，运算器的功能是完成数据的算术和逻辑运算的。控制器一般由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成。控制器根据指令的要求，对微型计算机各部件发出相应的控制信息，使它们协调工作，从而完成对整个计算机系统的控制。CPU内部的寄存器用来存放经常使用的数据。 (2)存储器 存储器(Memory)又称为主存(MainStorage)或内存，是微型计算机的存储和记忆装置，用以存放数据和程序。微型计算机的内存通常采用半导体存储器。 ①内存单元的地址和内容。内存中存放的是数据和程序，从形式上看，均为二进制数。一般将8位二进制数记作一个字节(Byte)，每一个内存单元中存放一个字节的二进制信息，内存容量就是它所能包含的内存单元的数量。通常以字节为单位，1024(210)字节记做1KB，220字节记做1MB。 微型计算机通过给各个内存单元规定不同地址来管理内存。这样，CPU便能识别不同的内存单元，正确地对其进行操作，显然，内存单元的地址和内存单元的内容是两个完全不同的概念。 ②内存的操作。CPU对内存的操作有两种：读或写。读操作是CPU将内存单元的内容读入CPU内部，而写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来。显然，写操作的结果改变了被写内存单元的内容，是破坏性的，而读操作是非破坏性的，即，该内存单元的内容在信息被读取之后仍保持原信息。 ③内存的分类。按工作方式，内存可分为两大类：随机存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。 RAM可以被CPU随机地读写，故又称为读写存储器。这种存储器用于存放用户装入的程序、数据及部分系统信息。当机器断电后，所存信息消失。 ROM中的信息只能被CPU读取，而不能由CPU任意写入，故称为只读存储器，机器断电，信息仍保留。这种存储器用于存放固定的程序，如：基本的I／O程序、BASIC解释程序以及用户编写的专用程序等。ROM中的内容只能用专用设备写入。 (3)输入／输出(I／O)设备和输入／输出接口(I／OInterface) I／O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给微型计算机。CPU计算的结果通过输出设备输出到外部。常用的输入设备有键盘、鼠标器、数字化仪、扫描仪、A／D变换器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁盘、磁带、U盘既可以作为输入设备，又可以作为输出设备，是计算机常用的外部存储设备。  外设的种类繁多，有机械式、电动式、电子式等（完全机械式在计算机外设中是不存在的），且一般说来，与CPU相比，工作速度较低，外设处理的信息有数字量、模拟量、开关量等，而微型计算机只能处理数字量。另外，外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致。鉴于上述原因，微型计算机与外设间的连接及信息的交换不能直接进行，而须设计一个“接口电路”作为微型计算机与外设之间的桥梁。这种接口电路又叫做“I／O适配器”(I／OAdapter)。  1． 软件的分级结构 计算机软件通常分为两大类：系统软件和用户软件。系统软件是指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。用户软件是各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所编制的应用程序。究竟应配置多少系统软件才能满足特定计算机系统的需要，这取决于具体的用途。程序的分级结构如图1.6所示。                      图1.6软件的分级结构（点击查看）     应当指出，硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成微型计算机系统，缺一不可。现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上互相促进。通用计算机方面软件硬件的工作分工比较清楚，而嵌入式就比较模糊。 程序员是通过软件系统与硬件系统发生关系的。通常，由程序员使用程序设计语言编制应用程序，在系统软件的干预下使用硬件系统。