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第 1 章 概论. 主 编 : 马争 副 主 编 : 汪亚南 作 者 : 石建国 , 师向群 , 孟庆元 电子制作 : 孟庆元 , 李佃宝. 本章重点: 微计算机的基本结构和工作原理 微处理器、微计算机、微计算机系统的基本概念 微计算机系统的组成 单片微型计算机 本章难点: 微处理器、微计算机、微计算机系统的定义及区别 微计算机系统的组成及典型实例 嵌入式系统的组成. 1.1 微计算机的基本组成和工作原理 1.1.1 微计算机的基本组成.

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第 1 章 概论

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第1章 概论


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  • 主 编 : 马争

  • 副 主 编 : 汪亚南

  • 作 者 : 石建国,师向群,孟庆元

  • 电子制作 : 孟庆元,李佃宝


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本章重点:

  • 微计算机的基本结构和工作原理

  • 微处理器、微计算机、微计算机系统的基本概念

  • 微计算机系统的组成

  • 单片微型计算机

    本章难点:

  • 微处理器、微计算机、微计算机系统的定义及区别

  • 微计算机系统的组成及典型实例

  • 嵌入式系统的组成


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1.1 微计算机的基本组成和工作原理1.1.1 微计算机的基本组成

  • 微型机将运算器和控制器集成在一块芯片上,该芯片被称为微处理器MPU(Micro Processing Unit),也就是我们习惯说的CPU(Central Processing Unit),是计算机结构中心的核心部分。


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计算机的基本结构框图


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(1)运算器:是计算机对各种数据进行运算,对各种信息进行加工、处理的部件,因此,它是数据运算、加工和处理的中心。

(2)存储器:是计算机存放各种数据、信息和执行程序的部件。存储器又分主存储器(又称内存)和辅助存储器(又称外存)。

(3)输入设备:它给计算机输入各种原始信息,包括数据、文字、声音、图像和程序,并将它们转换成计算机能识别的二进制代码存入存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪,手写板及数码相机等。


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(4)输出设备:它将计算机中各种数据运算的结果,各种信息加工、处理的结果以人们可识别的信息形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机等。

  • 输入、输出设备是人机交互的设备,统称为外部设备,简称外设。

    (5)控制器:是计算机对以上各部件进行控制、指挥,以实现计算机运行过程自动化的部件。因此,它是计算机发布操作命令的控制中心和指挥系统。


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1.1.2 微计算机的工作原理

  • 计算机有两类信息在流动。一类是数据,用双线表示,包括原始数据、中间结果、最终结果及程序的指令信息;另一类是控制命令,用单线表示。不管是数据还是控制命令,它们都是用“0”和“1”表示的二进制信息。

  • 现在,以21×12-117÷13这一简单的算术运算为例,展示一下计算机的工作过程。


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  • 第一步:由输入设备将事先编制好的解题步骤(即程序)和原始数据(21,12,117和13)输入到存储器指定编号的地方(或称单元)存放起来。并在存储器中划出存放中间结果和最终结果的单元。


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第二步:启动计算机从第一条指令开始执行程序。这包括下列操作:

(1)把数据21从存储器中取到运算器(取数);

(2)把数据12从存储器中取到运算器,进行21×12运算,并得到252(乘法);

(3)将252送到存储器中暂时存放(存数);

(4)把117从存储器中取到运算器(取数);

(5)把13从存储器中取到运算器,并进行117÷13运算,得到中间结果9(除法);

(6)将中间结果9送到存储器中暂时存放(存数);

(7)将两个中间结果先后取入运算器进行252-9运算,得到最终结果243(减法);

(8)将243存入存储器中保存(存数)。


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  • 第三步:将最终结果243直接由运算器(或存储器)经输出设备输出。

  • 第四步:停机。


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1.2 微处理器、微计算机、微计算机系统1.2.1 微处理器(Microprocessor)

  • 微处理器就是把中央处理器CPU的复杂电路,包括运算器和控制器做在一片或几片大规模集成电路的半导体芯片上。把这种微缩的CPU大规模集成电路LSI(Large Scale Integration)称为微处理器(Microprocessor),简称MP、μP或CPU。其职能是执行算术、逻辑运算和控制整个计算机自动地、协调地完成操作。


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  • 微处理器的发展过程:

  • 第一代微处理器:1971年由Intel公司研制的4004微处理器(4位)和低档的8008微处理器(8位)。其指令系统简单、速度慢,并且运算能力差。

  • 第二代微处理器:1973年,Intel8080、MC6800微处理器。指令系统比较完善,特别是在后期开始配备了CP/M操作系统。

  • 第三代微处理器:1978年,16位的Intel 8086,后来又研制出了Intel 8088及80286。


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  • 第四代微处理器:1985年,32位的80386,它具有32位数据线和32位地址线。

  • 第五代微处理器:1993年,推出了全新一代的Pentium(奔腾,P5)微处理器。

    第六代微处理器:1995年,Intel推出32位微处理器P6,即Pentium pro(高能奔腾)。

  • 第七代微处理器:2000年,Intel推出非P6核心结构全新的32位微处理器Pntium 4。

  • 第八代微处理器:2006年,Intel处理器全面转向基于Pentium M而非Pentium 4的新一代架构。


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1.2.2 微计算机(Microcomputer)

  • 所谓微计算机就是以微处理器为核心,配上大规模集成电路的RAM,只读ROM, I/O接口以及相应的辅助电路而构成的微型化的计算机主机装置,简称MC或μC。这些大规模集成电路芯片被组装在一块印制板上,即微计算机主板。


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图典型的微处理器系统框图


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1.2.3 微处理器系统(Microprocessing System)

  • 以微处理器为核心构成的专用系统为微处理器系统(MicroProcessing System),简称MPS或μPS。典型的MPS的结构如图1-3所示。

    1.2.4 微计算机系统(Microcomputer System)

  • 在微计算机主机上配上各种外设和各种软件就构成微计算机系统。


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  • 1.3 微计算机系统的组成

  • 微计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。


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1.3.1 硬件系统硬件系统是微计算机系统硬设备的总称,是微机工作的物质基础,是实体部分。构成微计算机的包括大规模集成电路的各个部件:CPU,ROM,RAM,和I/O接口电路等将在本书后面各章讲述,并从计算机组成原理出发,根据其外部引脚特性和连接的原则、方法将它们围绕CPU核心构成实用系统。


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1.3.2 软件系统

  • 软件系统是微计算机为了方便用户使用和充分发挥微计算机硬件效能所必备的各种程序的总称。这些程序或存在于内存储器中,或存放在外存储器中。


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1.3.3 微计算机系统结构的特殊性

1.软件的固化

  • 微计算机中,在大规模集成电路技术的支持下,出现了各种半导体固定存储器,如ROM,PROM,EPROM,EEPROM,Flash,Memory,将软件固化于这样的硬件中,称这类器件为固件(Firmware)。

    2.总线结构

  • 任何一种微计算机、微处理器系统的核心都是CPU。CPU通过总线(BUS)和其他组成部件进行连接来实现其核心作用。所有的地址信号、数据信号和控制信号都经由总线进行传输。微计算机系统内的总线可归为4级:


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(1)片内总线:又称芯片内部总线,位于CPU芯片内部,用来实现CPU内部各功能单元电路之间的相互连接和信号的相互传递。

(2)片总线:又称元件级总线,是微机主板上以CPU为核心,芯片与芯片间连接的总线。

(3)内总线:通常又称为微机系统总线,用来实现计算机系统中的插件板与插件板间的连接。各种微计算机系统中都有自己的系统总线,如IBM PC微机的PC总线,IBM PC/XT微机的ISA总线,80386/80486微机的EISA总线以及Pentium微机的PCI,AGP总线等。

(4)外总线:又称通信总线,用于系统之间的连接,完成系统与系统间的通信。例如,微机系统与微机系统、微机系统与测量仪器之间、微机系统与其他电子设备系统之间、微机系统与多媒体设备之间的通信。如RS-232C,IEEE-488,CAMAC和USB等。


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1.4 微计算机实例

1.4.1 IBM PC/XT 微计算机

  • IBM PC/XT微机是世界最大商务机器公司IBM选用Intel公司的CPU和Microsoft公司的MS-DOS操作系统组建的个人计算机,它曾是20世纪80年代末,90年代初应用最广泛的一种微机,作为里程碑载入史册。

  • IBM PC XT/AT系统主板上的电源共有4种:±5V,±12V。

  • 系统主板可划分为以下5个功能子系统。


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(1)CPU处理器子系统CPU:Intel 8088/80286。

(2)ROM子系统

  • 系统板上提供60KB的ROM空间,实际安装了一片32K×8位和一片8K×8位共40KB的ROM芯片。40KB的ROM中固化了系统的BIOS和BASIC的解释程序。

    (3)RAM子系统

  • 采用动态DRAM。最初的IBM PC机上提供2个128K×8位的RAM区,其余的空间可由扩展槽扩展。IBM PC/AT机主板上多数已安装640KB RAM,甚至1MB的RAM。


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(4)系统主板上的I/O芯片和I/O接口子系统

  • ①I/O芯片有:

  • DMA控制器8237A-5。这是一片可以管理4个DMA通道,实现CPU不干预I/O设备和存贮器之间直接进行高速数据传送的大规模集成电路芯片。

  • 定时器/计数器8253-5。这是一片含3个通道的16位的定时/计数电路。

  • 并行接口8255A-5。这是一片含3个8位I/O并行端口的芯片。

  • 中断控制器8259A。这是一片可允许8级中断源输入的中断优先权管理电路。

  • ②I/O接口电路有:

  • 串行键盘接口、扬声器接口。


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(5)总线扩展槽

  • 在PC XT机主板后部有8个平行槽J1~J8(即PC总线),均为62芯印制插座;在PC AT机主板上除J1~J8外,还配有5个36芯插槽J10~J14和J16,为36芯印制插座。这种62芯+36芯总线构成了工业标准总线ISA(Industry Standard Architecture)。详见本教材第6章。


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1.4.2 Pentium 4(奔腾4)微计算机系统

  • 当Intel公司2000年11月推出Pentium 4微处理器芯片后,世界著名IT厂商IBM,DEC,Compaq,HP,联想等相继组建了“Intel inside Pentium 4”微计算机。


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图INTEL公司采用X38芯片组的主板


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(1)CPU及其插座:Intel DX38BT主板支持的64位CPU是775管脚的LGA封装芯片,如图所示。

  • CPU是不包括在主板购置的另外构件。该主板支持Intel的Pentium D和Core™2系列双核甚至是四核处理器。

    (2)BIOS和CMOS RAM芯片

  • BIOS采用Flash ROM,具有闪速和电可擦写的功能。用户通过运行加载BIOS软件按照该主板的BIOS支持即插即用(Plug& Play),可以自动侦测主板上外围设备和扩展卡,具有Crash Free BIOS(刷不死技术)。DX38BT主板采用串行外围接口Flash(Serial Peripheral Interface Flash Memory),大小为16M。


Intel x38

图 INTEL公司采用X38芯片组主板布局图


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1.5单片微型计算机

  • 单片微型计算机是把中央处理器、存储器和输入输出接口电路集成在一个芯片上,虽然只是一个芯片但从组成和功能上看,它已具有了计算机的性能,已构成单芯片的微型计算机(SCMC),简称单片机。为了强调其控制属性也可称为微控制器(MCU),此种称呼在国际上更为通用。


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1.5.1 单片机的特点

(1)高集成度,高可靠性,体积小

(2)控制功能强

(3)低电压,低功耗,便于生产便携式产品

(4)外部总线丰富,易扩展。

(5)优异的性能价格比

  • 单片机的性能优异,而其价格较为低廉,故其性能价格比极高。


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1.5.2 单片机系统

  • 单片机通常是指芯片本身,它只是一个芯片,而单片机系统是为实现某一控制应用的需要,由用户设计的围绕单片机芯片并扩展其它外围电路而组建的计算机应用系统,在该系统中,单片机处于核心地位是构成单片机系统的硬件和软件基础。


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1.5.3 嵌入式计算机系统

  • 1.嵌入式系统的概念

  • 通用型(非嵌入式)计算机系统主要满足传统的海量、高速数值处理,兼顾控制功能;嵌入式计算机系统则为实现完全不同的要求,主要满足测控对象的控制功能,兼顾数值处理。要求对控制对象实时控制、高可靠性。嵌入式计算机系统在应用时是面对测控对象,嵌入到工控应用系统中(以嵌入的方式进行使用)。为了强调其“嵌入”的特点,将这类系统统称为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。

  • 2.嵌入式计算机系统的组成

  • 与微机系统类似,嵌入式系统的构架可以分成四个部分(如图1-10所示),处理器、存储器、输入/输出(I/O)和软件。


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(1)嵌入式系统的硬件

  • 从硬件方面来讲,嵌入式处理器是构成系统的核心部件,嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。它可分为四类:嵌入式微控制器(MCU)、嵌入式DSP微处理器(DSP)、嵌入式微处理器(MPU)以及嵌入式片上系统(System on chip)。

    (2)嵌入式系统的软件

  • 由于嵌入式计算机的应用领域极其广泛,用户的需求各不相同,因此其规模大小相差很多,所配制的软件系统也有很大不同,主要可以依据操作系统的类型划分。对于较大规模的嵌入式系统通常配置实时多任务操作系统;对于规模较小或者较简单的嵌入式系统,用户可以开发一个简单的实时监控程序。在最简单的嵌入式系统中,则完全由用户程序直接进行管理和控制。


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1.5.4 单片机的应用

  • 目前单片机渗透到日常生活中的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

  • 单片机应用广泛,大致可分为如下几个范畴:

    1.在智能仪器仪表上的应用

    2.在工业控制中的应用

    3.在家用电器中的应用

    4.在计算机网络和通信领域中的应用

    5.在医用设备领域中的应用

    此外,单片机在工商、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的用途。


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