1
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
4
考核方式
? 平时作业 10%
? 实 验 10%
? 期末考试 80%
5
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
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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
11
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 /…
12
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”
13
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
14
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
15
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
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
19
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
20
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
21
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
22
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
23
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
24
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
25
作业：
? 1.3
? 1.6
? 1.7
? 1.8
? 1.13
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
4
考核方式
? 平时作业 10%
? 实 验 10%
? 期末考试 80%
5
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
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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
11
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 /…
12
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”
13
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
14
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
15
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
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
19
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
20
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
21
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
22
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
23
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
24
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
25
作业：
? 1.3
? 1.6
? 1.7
? 1.8
? 1.13
