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微机原理与系统设计

绪论

董明皓，副教授，博士

西安电子科技大学

[email protected]

2020版

• 总学时：60（理论课）学分：4

• 课代表：（待定）

• 考察方式：

最终成绩=过程成绩（30%）+考试成绩（70%）

过程成绩=期中考试+考勤+作业（各10%）

• 考勤：无故缺勤3次及以上无资格参加考试

• 主页地址：http://web.xidian.edu.cn/mhdong/

微机原理与系统设计绪论董明皓 [email protected]

课程基本信息

• 总学时：20+20（上机）学分：1

• 课代表：（待定）

• 考察方式：

最终成绩=现场考察（50%）+实验报告（50%）

• 考勤：无故缺勤3次及以上实验分数为0

• 主页地址：http://web.xidian.edu.cn/mhdong/


课程基本信息


课程章节简介

• 第1章数制与码制

• 第2章 8086CPU结构与功能

• 第3章 8086CPU指令系统

• 第4章汇编语言程序设计

• 第5章总线及其形成

• 第6章存储器设计

• 第7章常用芯片的接口技术

• 第8章中断系统与中断控制器8259A• 第9章定时/计数器8253应用设计

• 第10章并行接口芯片8255A应用设计

基础知识

软件编程

硬件设计


课程章节简介（第二版为例）

智能电子信息系统微机原理与系统设计绪论董明皓 [email protected]

计算机的发展历程

按照主要器件的制作材料和工艺水平划分

• 第一代：电子管数字机(1946—1958年)

• 第二代电子计算机：晶体管数字机(1958—1964年)

• 第三代电子计算机：集成电路数字机(1964—1970年)

• 第四代电子计算机：大规模集成电路机(1970年-今)


逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯;外存储器采用的是磁带。

特点：体积大、功耗高、可靠性差。速度慢(一般为每秒数千次至数万次)、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。

计算机的发展-巨型机

• 第1代：电子管数字机(1946—1958年)



计算机的发展-电子计算机

• ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)• 1946年2月14日诞生于美国宾夕法尼亚大学

• 第二台电子计算机，第一台多用途计算机，无CPU概念

• 长30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米，30个操作台，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元

• 起源军事用途

• 每秒能进行5000次加法运算，

每秒400次乘法运算(20min30s)

• 埃克特、莫克利、戈尔斯坦、

博克斯（约翰ꞏ冯ꞏ诺依曼）


• 电子管元件：运行时的热量太多，可靠性较差，运算速

度不快，价格昂贵，体积庞大，

• 晶体管元件：晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有

尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等

优点

计算机的发展-晶体管计算机



• 1954年，贝尔实验室，第一台晶体管计算机使用了800

个晶体管TRADIC

• 1958年，IBM公司，第一台全部使用晶体管的计算机

RCA501型

计算机的发展-晶体管计算机



• 硬件：逻辑元件采用中、小规模集成电路(MSI、SSI)，主存储器仍采用磁芯。

• 软件：分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。

• 特点：速度更快(每秒数百万次至数千万次)、可靠性显

著提高、价格下降，产品走向了通用化、系列化

和标准化等

• 进入文字处理和图形图像处理领域。

计算机的发展-集成电路数字机



• 硬件：逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路 (LSI和VLSI)。

• 软件：出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。

• 1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

• 由于集成技术的发展，半导体芯片的集成度更高，每块芯片可容纳数万乃至数百万个晶体管，并且可以把运算器和控制器都集中在一个芯片上、从而出现了微处理器，并且可以用微处理器和大规模、超大规模集成电路组装成微型计算机，就是我们常说的微电脑或PC机

微型计算机发展-大规模集成电路机


• 微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的

• 摩尔定律：微处理器的集成度每18个月就会翻一

番，芯片的性能也会随之而提高一倍！

• 数十只晶体管2300(1974,Intel4004)750万 (PII）

17亿硅晶体管（Intel, Itanium ）

• 摩尔定律失效：当器件尺寸小到5nm时，器

件中的载流子的行为将要用量子力学的理论

进行解释

微型计算机发展


计算机的发展历程

按照主要器件的制作材料和工艺水平划分

• 第一代：电子管数字机(1946—1958年)







50年来芯片晶体管和工作频率的指数式增长(注：纵坐标为对数坐标)



计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小

• 第一阶段（1971~1973）

• 字长为4位或8位，集成度约为3000~10000晶体管/片，主频为0.1~5MHz

微型计算机发展-微处理器发展史

Intel 4004

1971年：Intel 4004世界上第一片单片微处理器

• 4位微处理器

• 寻址空间为4096个半字节

• 指令系统包括45条指令

1972：Intel 8008世界上第一片8位微处理器

Intel 8008

• 集成度为3500个晶体管

• 工作频率为200K赫兹


• 第二阶段（1974~1978）

• 80X86时代


Intel 8086

1978年：Intel 8086


• 寻址空间为1MB• 采用流水线结构，

有6个字节的指令队列

• 29000个晶体管

1979：Intel 8088世界上第一台PC机的CPU

Intel 8088

• 数据线为8位，其余与8086相同

• 16位数据线，20位地址线,5MHz


• 第二阶段（1974~1978）

• 80X86时代


Intel 80286

1982年：Intel 80286


• 寻址空间为16MB

• 134000个晶体管

1985：Intel 80386第一个32位微处理器

Intel 80386

• 16位数据线，24位地址线，6MHz

• 32位数据线，

• 32位地址线，

• 16MHz• 275000个晶体管


• 第二阶段（1978~1992）

• 80X86时代


Intel 80486

1989年：Intel 80486


• 25MHz• 120万个晶体管

80486由80386作为主处理器，80387作为协处理器，外加一个8KB的高速缓冲存储器组成


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• 第三阶段（1993~1997）-Pentium时代

主要代表：PentiumPentium MMXPentium ProPentium II—Pentium IVP7

数据线： 32位-------64位地址线： 32位-------32位寻址空间： 4096MB晶体管个数： 310万个------1400万个主频： 60Hz------800Hz



• 第四阶段（2006~今）-Core时代

• 全新的Core架构

• 制造工艺为65nm或45nm

• 全线产品均为双核心，L2缓存容量提升到4MB

• 晶体管数量达2.91 亿个，核心尺寸为143平方毫米

• 性能提升40%

• 能耗降低40%，主流产品的平均能耗为65瓦

特，顶级的X6800也仅为75瓦特

（1981-1992）

（1993后）

第一代4位和低档8位机

Intel 4004第二代

中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800

第三代16位机

Intel 8086、Z8000、MC6800

第四代32位机

80386、80486第五代64位机

Intel Pentium

（1971-1973）

（1974-1978）

（1978-1981）

特点：

1、速度越来越快。

2、容量越来越大。

3、功能越来越强。

字长提高

微型计算机的发展以微处理器的发展为主要标志微机原理与系统设计绪论董明皓 [email protected]

微型计算机发展总结


微型计算机发展总结


计算机发展的明天？

• 冯ꞏ诺依曼计算机：数字计算机内部的存储器中存放程

序，由运算器、控制器、存储器和输入输出设备构成

• 冯ꞏ诺依曼计算机的缺陷：

CPU与内存速度不匹配


微型计算机发展的明天？

• 冯ꞏ诺依曼计算机的出路

• 处理器=神经元、内存=突触

• 有物理连接、本地计算、分布式工作

• 类脑芯片（IBM Truth North等）扩充阅读（主页下载）


微型计算机系统组成

• 计算机(computer)，俗称电脑，是一种用于高速计算

的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行

逻辑计算，还具有存储记忆功能。

• 能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现

代化智能电子设备。

• 由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件

的计算机称为裸机。

• 信息：数据信息、地址信息、控制信息

• 信息传递：二进制码

• 总线：用来传输信息的通道

• 三总线：数据总线(DB)、地址总线(AB)、控制总线(CB)• 微型计算机硬件组成：以微处理器为核心组成

早期微机的典型结构


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新型I/O接口

谷歌 I/O 大会

Google News 新特征 Full Coverage

（硬件+软件=硬件+深度学习）安卓Q的Live Caption


新型I/O接口

谷歌 I/O 大会

Google Duplex的人机交互

（深度学习：100GB语音识别模型

0.5GB）

基于VR的治疗系统

CPU内存外设1

外存1

外存2

外设2

外设3

总线

I/O接口电路

系统软件应用软件


综述-微型计算机系统

以CPU为核心，采用总线结构，在总线上配置一定

容量的内存储器和一定数目的外存储器和外部设备，

结合软件系统程序实现相应的功能。

存储器和外设与CPU之间的数据交换管理通过在总

线上搭建相应的I/O接口电路实现。


综述-微型计算机系统

CPU内存外设1

外存1

外存2

外设2

外设3

总线

I/O接口电路

系统软件应用软件

CPU

CPU：结构，工作原理，寄存器组织

总线：概念，分类，CPU如何实现总线管理

存储器：结构，CPU对存储器的管理，存储器的扩展设计

I/O接口电路：典型I/O 接口电路的工作方式和设计方法

软件编程：汇编语言源程序编写

必备知识

数字电路算法语言


课程主要学习内容

• 软件部分：拥有一定的程序设计能力(汇编语言)

• 硬件部分：拥有一定的逻辑电路设计能力

• 深入了解微机系统的组成和工作原理

• 掌握微型计算机输入输出方法

• 掌握和分析典型的接口电路

• 掌握存储器扩展设计方法

• 掌握汇编语言源程序编写方法


课程主要学习内容

1. 为什么学习这门课

对内：

身份的焦虑：个人的标签、专业的安全性

对外：

对世界的好奇、升级的需求：

Engineers are those who build something out of nothing.


几个关键问题

2. 为什么以8086为主要讲述对象？


几个关键问题

2. 为什么以8086为主要讲述对象？

高档CPU兼容低档CPU

内核从386开始基本没变

控制芯片变了，但口地址还兼容以前的

教材以8086为主，基本概念、理论、方法是通用的


几个关键问题

3. 怎么学习这门课？-了解课程特点

60%靠记忆：内容多，知识庞大（慢即是快、冰山原则）

名词重复+刻意训练（讲课当复习）

40%靠理解：摸清事物的合理性

善用脑图、软件硬件齐头并进


几个关键问题

3. 怎么学习这门课？-了解大脑记忆的原理


几个关键问题

3. 怎么学习这门课？ -专家化的神经生理基础


几个关键问题

2015,38:55-65 2012,15:528-5322002,420:788-794卡哈尔，1906诺奖

脑时时可变，

现时之脑是此

前所有时刻变

化的集中体现

神经元存在可

观测的功能和

结构可塑性变

化

脑可塑性是学

习和记忆、脑

疾病及康复的

生物基础

神经影像无侵、

宽视场、高时

空分辨地观测

脑可塑性变化

3. 怎么学习这门课？-转化到日常学习中

• 区分外显学习(explicit learning)和过程学习(procedural

learning)的特点

• 刻意训练(deliberate practice)，形成共同激活

• 建立专家模板

• 构建知识矩阵


几个关键问题

课后阅读

1. 个人主页阅读材料

类脑计算芯片与类脑智能机器人发展现状与思考.pdf

类脑智能研究现状与发展思考.pdf

2. 学习使用软件：Mind manager/ Mind Jet

数制表示与转换1

二进制数的运算规则2

有符号数的表示3

有符号数的运算及其溢出规则4

ASCII编码方法6

BCD编码方法及其运算5


下节预览-第一章（2课时）

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