1、1/69,第1章 微型计算机基础知识,2/69,1.1 微型计算机和单片机发展概述1.1.1 微型计算机的发展1 电子计算机的发展,1945年12月，在美国宾夕法尼亚大学，世界上第一台电子数字积分计算机ENIAC研制成功。,这台计算机总共安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多电阻器，10000多只电容器和6000只继电器，占地面积为170平方米左右，总重量达30吨，耗电约140千瓦，运算速度达到每秒能进行5000次加法运算、300次乘法运算。标志着人类电子计算机时代的到来。,3/69,第一代：电子管电子计算机（1946年1958年）,基本逻辑元件：电子管内存储器：水银延迟线外
2、存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带程序设计语言：机器语言，汇编语言应用：科学计算,第二代：晶体管电子计算机（1958年1965年）,基本逻辑元件：晶体管内存储器：磁芯外存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带程序设计语言：机器语言，汇编语言 高级语言应用：科学计算、数据处理、事务处理、工业控制,1960年贝尔实验室使用800只晶体管组装的世界上第一台晶体管计算机TRADIC,4/69,第三代：中、小规模集成电路电子计算机（1965年1970年）,基本逻辑元件：中、小规模集成电路内存储器：磁芯、半导体存储器外存储器：磁盘、磁带程序设计语言：汇编语言、高级语言应用：科学计算、数据处理、自动控制、文字处理,基本逻
3、辑元件：晶体管内存储器：半导体存储器外存储器：磁盘、磁带、光盘程序设计语言：汇编语言、高级语言应用：科学计算、数据处理、自动控制 各类辅助设计、图像识别、语言识别、通信、家用电器等,第四代：大规模、超大规模集成电路电子计算机（1971年开始）,1964年4月7日，IBM公司研制成功世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM 360系统,5/69,第五代：智能计算机（20世纪80年代中期至今）,第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构将突破传统的冯诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。现正在研制发展中，工作原理、结构至今尚未统一
4、。,2 微型计算机的发展,1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。划分阶段的标志：一般以CPU字长和微处理器型号。,6/69,第一代（19711973年）4位和低档8位微处理器,Intel4040 4位微处理器，集成了2250个晶体管，频率为108KHz。Intel8008 低档8位微处理
5、器集成了9000个晶体管，时钟频率0.5/0.8MHz,Intel 4004,Intel 8008,第二代：晶体管电子计算机,Intel8080、MC6800、R6502 8位微处理器Intel8085、Z80、MC6809 高档8位微处理器指令比较完善，有中断与DMA，频率24MHz 程序设计：汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M 后期配备CP/M操作系统,Intel 8080,Z80,7/69,第三代（19781982年）16位微处理器,Intel8086、Z8000、MC68000 16位CPU字长16位，16位数据线，20位地址线 Intel8088 准16位 CPU字长16位，
6、8位数据线，20位地址线,1981年，IBM公司采用Intel 8088微处理器生产了第一台通用微型计算机IBM PC，从此IBM PC系列微机成为个人计算机的主流机之一。,Intel 8086,Intel 80286,Intel80286、MC68010 高档16位CPU字长16位，16位数据线，24位地址线,8/69,第四代（19821992年）32位微处理器,Intel 80386 32位微处理器数据总线32位，地址总线32位实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚拟空间时钟频率12.5MHz、20MHz、25MHz、3
7、3MHzIntel 80486 32位微处理器80386+80387+8KBCache=80486部分采用RISC技术、突发总线技术、时钟倍频技术,Intel 80386,Intel 80486,9/69,第五代（19931995年）32位奔腾微处理器,Pentium（奔腾）32位微处理器CPU字长32位，64位数据线，32位地址线，内存寻址能力为4GB8KB的代码和数据Cache，时钟频率120MHz Pentium MMX（多能奔腾）32位微处理器增加了57条 MMX（多媒体增强指令集）指令采用了SIMD（单指令流多数据流）技术 同时处理8个字节的数据,Intel Pentium,Inte
8、l Pentium MMX,AMD K5,10/69,第六代（19951999年）加强型Pentium微处理器,Pentium Pro(高能奔腾)32位微处理器CPU字长32位，64位数据线、36位地址线，L1 16KB，L2 256/512KB，时钟频率300MHz。Pentium II 32位微处理器CPU字长32位，L1 16KB，L2256/512KB增加MMX技术。Pentium III 32位微处理器CPU字长32位，L1 32KB，L2 512KB。时钟频率500MHz,2000年高达1GHZ。增加128位的SIMD（Single Instruction Multiple Dat
9、a，单指令多数据流）寄存器和72条指令，流式SIMD扩展SSE（Streaming SIMD Extensions），,Intel Pentium Pro,Intel Pentium III,11/69,Pentium 4 32位微处理器集成4200万个晶体管，采用超级流水线技术和快速执行引擎2000年，时钟频率1.3GHz2001年，钟钟频率2 GHz2002年，钟钟频率3.06GHz2003年，钟钟频率3.2 GHz2004年，钟钟频率3.4GHz，最高3.8GHz在此阶段AMD公司的类似产品有：AMD K6、AMD K7、AMD Athlon XP 等。,Intel Pentium 4,
10、AMD K6,AMD Athlon XP,12/69,第六代后（2000年至今）和多核处理器64位微处理器,Intel Itanium 2 IA-64架构 64位微处理器，采用0.18m工艺，集成约2.2亿个晶体管，集成L1、L2和L3 Cache到芯片内，主频为1GHz。由于IA-64与原x86 架构的软件天生不兼容，应用不是很成功。,Intel Itanium 2,AMD Opteron,AMD Opteron、AMD Athlon64 AMD64 架构 64位微处理器，采用0.13m SOI(Silicon On Insulator)工艺，集成1亿多个晶体管，主频为1.6GHz。由于AM
11、D64架构完全兼容X86-32指令集，代表了微处理器的发展方向，Opteron和Athlon64获得了成功。,13/69,多核心微处理器（典型产品）,IBM Power7(2010年2月)8核处理器，采用45nmSOI工艺，集成了12亿个晶体管，拥有8个处理器内核，12个执行单元、每核256KB L2缓存和32MB共享片上L3缓存，主频在3.04.14GHz之间。,IBM Power7,AMD Magny-Cours,Intel Core i7(2010年2月)4核处理器，拥有8MB三级缓存，支持三通道 DDR3内存，主频2.663.06GHz，功耗130W，片上集成7.31亿晶体管。,AMD
12、 Magny-Cours(2010年3月)12核处理器，采用AMD G34 Maranello平台，支持四通道DDR3内存，通过四个多线程互连总线连接2个六核芯片，共拥有12MB三级缓存，每核心二级缓存为512KB。采用45nm SOI工艺，主频1.92.2GHz，功耗65105W。,Intel Core i7,14/69,1.1.2 单片机的发展,将CPU、ROM、RAM、定时器/计数器以及输入/输出(I/O)等接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)，简称单片机。为满足工业测控的应用需求，单片机出现和迅速发展
13、，更能反映单片机本质的名称应是微控制器(Microcontrollor，MCU)。单片机只是一块集成电路，从组成和功能上看，已具有微机系统的含义。单片机的特点：,性价比高。高性能、低价格；控制功能强。工作任务针对性强，适用于专门的控制用途；高集成度、高可靠性、体积小；低电压、低功耗；品种多样，型号繁多，发展更新快。,15/69,1 单片机的发展简史,自从1974年美国仙童（Fairchild）公司生产的世界上第一块单片机（FS）以来，单片机的发展特别迅速，各种新型和高性能单片机不断推陈出新。迄今为止已有30多年历史，大致经历了五个发展阶段。,第一阶段(19711974)：单片机萌芽阶段,典型代
14、表：仙童公司的FS系列单片机，8位的CPU、64B的RAM和两个并行端口，需外接ROM。,第二阶段(19741978)：初级单片机阶段,以Intel MCS-48系列为代表。集成8位CPU、2个8位并行I/O口、和8位定时器/计数器和64字节的RAM。寻址范围不大于4KB。这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，它以体积小，功能全，低价位赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。,16/69,第三阶段(19781983)：高性能单片机阶段,这时期代表产品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC6801系列、Zilog公司的Z80系列
15、、TI公司的TMS7000系列等。其中以1980年推出的MCS-51系列单片机为典型代表。MCS-51系列单片机：8位CPU、4个8位并行I/O口、2个8位定时器/计数器、128字节的RAM，4KB的ROM，1个全双工的串行口，5个中断源，寻址范围64KB。MCS-51系列单片机具有良好兼容性，为新一代微控制器奠定了良好的基础。在MCS-51 技术实现开放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司纷纷推出了基于MCS-51 内核的微控制器。,17/69,第四阶段(1983):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段,这一阶段8位单片机巩固发展，各大公司均竞相研制出品种多
16、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种。特点：单片机真正单片化，集成较多RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，有的还带A/D转换器，功能越来越强大，寻址空间达64KB。同时16位的单片机也逐步推出。代表产品有Intel公司的MCS-96系列、TI公司的TMS9900、NEC公司的783XX系列和NS公司的HPC16040等。,18/69,现阶段：32位单片微机系列,继16位单片机出现后不久，几大公司相继推出代表当前最高性能和技术水平的32位单片微机系列。特点：极高的集成度，采用RISC(精简指令系统)，主频可达33MHz以上，具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统
17、和同步/异步通信控制系统。代表产品有Intel公司的MCS-80960系列、Motorola公司的M68300系列、Hitachi公司的Super H(简称SH)系列等等,在今后相当长的时期内，主流机型仍是8位单片机。一方面8位单片机已能满足一般的控制要求，另一方面8位增强型单片机在速度及功能上能向16位单片机挑战。故今后的机型很可能是8位机与32位机共同发展的时代。但从应用方面而言，在相当长的时间里32位机数量不会很多，16位机仍有一定的应用空间。,19/69,2 单片机的发展趋势,CMOS化低功耗化低电压化低噪声与高可靠性大容量化高性能化小容量、低价格化外围电路内装化串行扩展技术,20/6
18、9,1.2 计算机中的数制及数的转换1.2.1 计算机中的数制,用一组数码（或符号）表示数时，如果每个数码所表示的量，不仅决定于数码本身而且还决定于这个数码所处的位置，这种表示法就称为数的位置表示法。在位置表示法中，对每一个数位都赋予一定的位值，称为权。每个数位上数字所表示的数量为该数字所表示的量与该位权的乘积。相邻两位中高位的权与低位的权之比如果是一个常数，此常数称为基数，基数的大小就反映了计数的进制数。,数是客观事物的量在人们头脑中的反映。数制是人们对事物的量进行计量的一种规律。,1 数的位置表示法,21/69,表示数量N，,则用位置表示法可表示为：,如用一组数码,其中：X 为基数。X2，
19、取值不同就可以得到不同进制数；ai表示各数位上的数码,称为系数。ai=0,1,X-1；,【例1-1】123.456=1*102+2*101+3*100+4*10-1+5*10-2+6*10-3 a=0,1,9,X=10。,22/69,2各种不同进制的数,十进制（Decimal）计数规律：逢十进一，借一当十；基数10；系数ai=0,1,9;一般表达式：,特点：日常生活习惯,23/69,特点：1.电路实现极为方便，计算机中使用。2.运算简单。【例1-2】(1011.1)B=(123+022+121+120+1 2-1)10,运算规则：加(+)：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10(逢二进一)减(-)：00=0 01=1(借位)10=1 11=0乘()：0 0=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1除(/)：0/1=0 1/1=1,二进制（Binary）计数规律：逢二进一，借一当二；基数2；系数ai=0,1;一般表达式：,
