計算機導論 5.1—微處理器

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1、1新編電類專業(yè)計算機基礎5.1 微處理器與個人電腦的誕生2 5.1.1 微處理器的誕生與發(fā)展微處理器的誕生與發(fā)展 目 錄 5.1.2 個人電腦的誕生個人電腦的誕生 5.1.3 小結小結3微處理器的誕生與發(fā)展1947晶體管問世晶體管問世1971(Intel)微處理微處理“4004”微處理器誕生芯片上的電腦誕生1972(Intel)微處理微處理“8008”、“8080”1976(Zilog)微處理器微處理器“Z80”80年代至今80X86、奔騰、奔騰、酷睿、酷睿、AMD、單片機、嵌入式單片機、嵌入式晶體管集成度每18個月翻一番4微處理器4004費根霍夫麥卓爾 1971年，Intel公司應日本通信公

2、司要求，以霍夫為首的研制組織制造了“4004”，世界上第一片微處理器誕生。 在34mm面積上集成2250個晶體管； 每秒運算速度達6萬次； 4位處理器。40045微處理器8080 1975年，霍夫小組研制出有史以來最成功的8位微處理器“8080”。8080 集成6000只晶體管； 每秒執(zhí)行29萬條指令。引發(fā)了微電腦熱潮6微處理器6800、Z80 1975年，摩托羅拉推出了8位微處理器“6800”。6800 1976年，費根成立Zilog公司，宣布研制成功8位微處理器“Z80”，“克隆”了8080，并青出于藍而勝于藍。Z80從此，微處理器芯片改變了世界7微處理器進入中國 80年代初，Z80開始被

3、引入中國，并風靡整個中國大地?；赯80的TP801單板機(北京工業(yè)大學)TP801配套教材(清華大學周明德)基于Z80的CMC-80雙板機（株洲電子研究所與香港金山公司工作）8單片機在中國的發(fā)展Intel公司MCS-48、80C51系列單片機的在線仿真器陳章龍、余時亮教授何立民為代表在上海發(fā)起成立了“中國單片機學會”北京航空航天大學編寫和出版一系列單片機應用書籍江蘇啟東在全國開展免費的單片機應用技術講座，全國掀起微機應用熱潮Atmel、NXP推出內置Flash的89C51系列單片機，同時各大學開設單片機課程，加速我國單片機的發(fā)展各大半導體公司進入中國市場教學商業(yè)化932位嵌入式嵌入式在中國的

4、發(fā)展8位單片機應 用操作系統(tǒng)隨著半導體技術及網絡技術的發(fā)展。10 5.1.1 微處理器的誕生與發(fā)展微處理器的誕生與發(fā)展目 錄 5.1.2 個人電腦的誕生個人電腦的誕生 5.1.3 小小 結結11個人電腦的誕生1974年，愛德華 羅伯茨推出世界上第一臺基于Intel 8080微處理器的個人電腦Altair 8800。愛德華 羅伯茨12Altair8800 沒有顯示器、鍵盤、鼠標；使用撥動開關手工輸入二進制編程開關向上：高電平、向下：低電平 256B RAM、4KB程序； 沒有監(jiān)控程序；13Altair8800愛德華 羅伯茨1975年1月，比爾 蓋茨和保羅 艾倫在Altair 8800上成功研制B

5、ASIC語言。比爾蓋茨保羅艾倫帶有工作軟件的個人電腦橫空出世14 5.1.1 微處理器的誕生與發(fā)展微處理器的誕生與發(fā)展目 錄 5.1.2 個人電腦的誕生個人電腦的誕生 5.1.3 小小 結結15小結愛德華 羅伯茨比爾 蓋茨保羅艾倫史蒂夫 喬布斯史蒂夫 沃茲奈克麥卓爾費根霍夫16小結我們其實與他們一樣也可以夢想也可以成功也可以創(chuàng)造輝煌17新編電類專業(yè)計算機基礎5.2 計算機工作原理18目目 錄錄 5.2.1 一個經典的故事一個經典的故事 5.2.3 CPU結構結構 5.2.2 2個特點與個特點與1個要素個要素 5.2.4 CPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)19計算機的實現(xiàn)計算機技術的實現(xiàn)實際上是人類思維

6、的產物。晶體管+電子線路很久以前，計算機的思想已被模擬20計算機思想的故事 三國時期，赤壁之戰(zhàn)擊敗曹操后，劉備暫為管理荊州地區(qū)，孫權以嫁妹讓劉備來吳國完婚為名，想將其扣押，以奪回荊州之地。吳國荊州劉備，還我荊州21計算機思想的故事 為了劉備安全，諸葛亮派趙云帶500軍士隨劉備前往，行前交給趙云3個錦囊，并告知內有3條指令，照指令辦事。荊州到吳國時打開在吳國住到年終時打開緊急時打開22計算機思想的故事吳國孫權迫于無奈，將妹妹嫁給劉備執(zhí)行后四處散布與孫尚香結親的消息錦囊1指令123計算機思想的故事吳國年終已至劉備攜同孫尚香立即趕回荊州執(zhí)行后報告劉備，曹操軍隊攻打荊州，火速趕回錦囊2指令224計算機

7、思想的故事吳國孫尚香大怒，周瑜讓道，劉備逃之夭夭執(zhí)行后要劉備對孫尚香哭訴周瑜有意害他，且以下犯上錦囊3指令3得知劉備逃跑，周瑜前來攔截25計算機思想的故事錦囊1錦囊2錦囊3指令1指令2指令3典型程序化工作方式趙云按要求打開錦囊，執(zhí)行指令26目目 錄錄 5.2.1 一個經典的故事一個經典的故事 5.2.3 CPU結構結構 5.2.2 2個特點與個特點與1個要素個要素 5.2.4 CPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)27計算機工作特點錦囊1錦囊2錦囊3指令1指令2指令3工作特點： 計算機一次只能知道和處理一條指令； 計算機必須嚴格按照順序執(zhí)行指令。28計算機工作要素工作要素：程序員需能預知將要處理的所有事情

8、。 熟知天文地理精通戰(zhàn)術兵法預知將發(fā)生的事29目目 錄錄 5.2.1 一個經典的故事一個經典的故事 5.2.3 CPU結構結構 5.2.2 2個特點與個特點與1個要素個要素 5.2.4 CPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)30CPU的結構將上述故事與計算機CPU系統(tǒng)對比趙云計算機CPU系統(tǒng)信號系統(tǒng)解碼方式執(zhí)行指令的間隔工作形式視覺、聽覺、嗅覺高和低電平(0和1)有復雜的語言、理解能力，故解碼能力超強由硬件結構(譯碼電路)完成簡單指令的解碼不確定非常精確按照錦囊中指令自行處理相關命令按照程序員編寫好的指令在供電下不停運作CPU結構與指令系統(tǒng)的由來假如像機器一樣機械31指令的存放按順序預知趙云每一步需做的事

9、情程序存儲器32指令的讀取、譯碼及執(zhí)行眼睛手第一步1指令1第n步n指令n分析.用身體執(zhí)行指令33addr1data2data3. . .datanaddr2addr3. . .addrn指令的讀取、譯碼及執(zhí)行數據總線地址總線CPU指令譯碼器眼睛手data1addr1譯碼分析.用總線、運算單元執(zhí)行指令34指令的讀取、譯碼及執(zhí)行CPU處理指令步驟 指令讀取 指令譯碼指令執(zhí)行35目目 錄錄 5.2.1 一個經典的故事一個經典的故事 5.2.3 CPU結構結構 5.2.2 2個特點與個特點與1個要素個要素 5.2.4 CPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)36還是另找食物吧！數據傳送指令數據運算指令控制轉移指令小

10、鳥覓食食物查看周邊環(huán)境(數據采集)根據環(huán)境判斷危險度(算術、邏輯運算)判斷結果決定行為(行動)有蛇，我會被吃掉的！37CPURAMROM其它存儲器寄存器1寄存器2數據總線數據傳送指令datadatadatadatadatadatadatadata數據交換： CPU與各存儲器間； CPU內部； 各存儲器間。使用傳送指令實現(xiàn)38數據運算指令邏輯運算邏輯運算“+”、“-”、“”、“”“與”、“或”、“非”、“異或” 算術運算算術運算39控制轉移指令道路分支馬路上行駛，極少可能一條直線走到目的地編程中，程序極少可能一直按順序執(zhí)行下去，總會發(fā)生“意外”發(fā)現(xiàn)食物判斷周邊是否有危險？放棄食物YN獲得食物小鳥

11、覓食流程圖程序分支40新編電類專業(yè)計算機基礎5.3 引腳功能與內部結構圖41 5.3.1 引言引言 目 錄 5.3.2 引腳功能引腳功能 5.3.3 內部結構框圖內部結構框圖 42單片機的應用生活中生活中 單片機單片機 無處不在無處不在 應用應用 43單片機的概念 單片機到底是什么？44單片機的概念 單片機就是將所有復雜功能部件集成到一片單獨的集成電路芯片上 。 CPU存儲器外圍設備單片機45硬件的學習半導體技術飛速發(fā)展硬件工程師缺乏硬件集成度越來越高不太懂硬件，也能在硬件上開發(fā)軟件本書采用“單片機+外部存儲器”從原理上進行學習將已集成的“單片機”又拆分開進行研究46 5.3.1 前言前言 目

12、 錄 5.3.2 引腳功能引腳功能 5.3.3 內部結構框圖內部結構框圖 478051單片機實物圖直插式貼片式48VCCVSSXTAL2XTAL18051RSTALE/PROGEAPSENP3.6/P3.7/P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8WRRD8051單片機引腳圖

13、VCCVSSXTAL2XTAL18051RSTALE/PROGEAPSENP3.6/P3.7/P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8WRRD 將單片機內部寄存器初始化為指定狀態(tài)，系統(tǒng)更穩(wěn)定RST：復位引腳，高電平有效電源、地時 鐘VCC：+5V電源輸入引腳 VSS：接地引腳

14、 為單片機提供“能量能量” 連接晶體振蕩電路，為CPU提供“脈搏脈搏”XTAL2：反相放大器輸出XTAL1：反相放大器輸入49單片機典型振蕩電路YC1C2XTAL1XTAL2選頻網絡內部反相放大器構成振蕩電路0VTU將示波器探頭放于此 提示：提示： 可通過檢測振蕩電路波形得知單片機是否工作正常。50XTAL2XTAL1VCCVSSP3.6/P3.7/P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7

15、/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8WRRDALE/PROGEAPSEN 將單片機內部寄存器初始化為指定狀態(tài)，系統(tǒng)更穩(wěn)定RST：復位引腳，高電平有效8051單片機引腳圖8051RST電源、地時 鐘VCC：+5V電源輸入引腳 VSS：接地引腳 為單片機提供“能量能量” 連接晶體振蕩電路，為CPU提供“脈搏脈搏”XTAL2：反相放大器輸出XTAL1：反相放大器輸入復 位 上電時，令單片機內部寄存器處于指定狀態(tài)，使系統(tǒng)更可靠可靠 RST：復位引腳，高高電平有效510VTU5V單片機典型復位電路+5VRCRST復位電路外部

16、電路內部電路+10uF10K將示波器探頭放于此VrCPU復復位電壓位電壓CPU復位時間，復位時間，大于大于2個個機器周期機器周期，單片機復位，單片機復位 提示：提示： 可通過檢測RST管腳電壓得知單片機是否工作正常。電壓降為電壓降為0，CPU正常工作正常工作52 I： Input，用于采集信號4組I/O口，每組包括8根并行線。O：Output，用于輸出地 址、數據信號8051單片機引腳圖8051P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/

17、A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8P0口 8位開漏雙向I/O口，使用片外部存儲器時，可作為地址(低8位)與數據復用總線，能驅動8個TTL。P1口 8位準雙向I/O口，能驅動4個TTL。P2口 8位準雙向I/O口，使用片外部存儲器時，可作為地址(高8位)與數據復用總線，能驅動4個TTL。P3口 8位準雙向I/O口，能驅動4個TTL。P3.7/P3.6/P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3WRRDVCCVSSXTAL2XTAL1RSTALE/PROGEAPSEN538051單片機引腳圖8051ALE/PRO

18、GVCCVSSXTAL2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8RSTP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P3.2P3.5P3.4P3.3P3.6/WREAP3.7/RDPSENEA程序存儲器訪問允許信號，決定CPU最初訪問的程序存儲器。P3.6/WR：片外數據存儲器寫選通，低電平有效；P3.7/RD：片外數據存儲器讀選通，低電平有

19、效；P3.7/PSEN：片外程序存儲器選通， 低電平有效。存儲器選通548051外部程序存儲器EA引腳的使用EA地址線數據線控制線程序存儲器+5VGNDCPU先訪問單片機內部程序存儲器， 內部存儲器不夠用時，CPU自動訪問外部程序存儲器。CPU不訪問單片機內部程序存儲器，只訪問外部程序存儲器Altair-8031Small都是采用外部存儲器55 I： Input，用于采集信號4組I/O口，每組包括8根并行線。O：Output，用于輸出地 址、數據信號8051單片機引腳圖存儲器選通EA程序存儲器訪問允許信號，決定CPU最初訪問的程序存儲器。P3.6/WR：片外數據存儲器寫選通， 低電平有效；P3

20、.7/RD：片外數據存儲器讀選通， 低電平有效；P3.7/PSEN：片外程序存儲器選通， 低電平有效。ALE地址鎖存允許信號，外擴存儲器時，使用P0復用輸出地址、數據信號，ALE產生鎖存地址的控制信 號。8051ALE/PROGVCCVSSXTAL2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8RSTP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.1P3.0P

21、3.2P3.5P3.4P3.3P3.6/WRP3.7/RDEAPSEN56 5.3.1 前言前言 目 錄 5.3.2 引腳功能引腳功能 5.3.3 內部結構框圖內部結構框圖57微型計算機系統(tǒng)框圖CPURAMROM接口電路外圍設備控制總線數據總線地址數據CPU將數據（指令）在存儲器中的地址放到地址總線上CPU在控制總線上發(fā)送一個讀或寫的信號讀操作從存儲器指定位置讀出數據并放在數據總線上寫操作是CPU將數據輸出到數據總線上數據CPU通過地址、數據和控制總線連接RAM、ROM。588051內部結構框圖 程序計數器的內容被放到 地址總線上 P0口輸出8位地址信號， 通過ALE信號鎖存 P0口作為數據總

22、線，讀取 外部存儲器中存放的機器 指令 指令通過數據總線送到指 令寄存器，再由指令寄存 器傳送到指令譯碼器，指 令譯碼器根據指令內容通 過時序產生控制信號598051內部結構框圖 指令為邏輯運算指令： 傳送到邏輯運算單元進行 相應的運算 結果溢出或者為0等8位數 據表現(xiàn)不不出來的狀態(tài)， 則放到程序狀態(tài)字寄存器 中 運算結果存入累加器ACC 中60計算機三大系統(tǒng)總線地址總線數據總線控制總線 負責整個系統(tǒng)的數據流通，故總線上流動的為數據信號。 雙向箭頭表示既允許CPU從外讀入數 據，也允許CPU向外寫數據。 總線寬度決定CPU每次與存儲器間所流通數據量大小，如8051數據總線寬度為8位，CPU每次只能往外寫8位的數據。 總線上流通的為數據的存儲地址信號，單向箭頭。 總線寬度決定CPU可訪問的存儲器地址范圍，如8051地址總線寬度為16位，故可訪問64K個存儲單元。 總線上流通的為對數據線和地址線進行訪問的控制信號Back