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。
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（1971～1973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2～4MHz 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（1978～1982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，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（1982～1992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、33MHz Intel 80486 — 32位微处理器 80386+80387+8KBCache ? 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（1993～1995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4GB 8KB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
Intel Pentium MMX
AMD K5
10/69
第六代（1995～1999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 Data，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 ? 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 GHz 2002年，钟钟频率3.06GHz2003年，钟钟频率3.2 GHz 2004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
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 ? 位微处理器，采用0.18μm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0.13μm SOI(Silicon On Insulator)工艺，集成1亿多个晶体管，主频为1.6GHz。 由于AMD64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3.0～4.14GHz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2.66～3.06GHz，功耗130W，片上集成7.31亿晶体管。
AMD 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1.9～2.2GHz，功耗65～105W。
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，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（Fajrdsld）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(1971～1974)：单片机萌芽阶段
典型代表：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(1974～1978)：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(1978～1983)：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、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。