《计算机的由来》PPT课件.ppt

微机原理与接口技术,1.计算机的发展历程 2.微机处理器的发展 3.微机计算机的组成；微型计算机系统的组成 4.微机计算机的工作过程 5.微机系统的性能指标 6.单板机、单片机、多板机的区别,计算机的发展历程 一、电子计算机的诞生, 每秒5000次加法运算； 每秒50次乘法运算； 平方和立方计算； Sin和Cos函数数值运算； 其它更复杂的计算。, 第一台电子计算ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。,第1台数字电子计算机,1946年ENIAC计算机公布 ENIAC（电子数字积分机与计算机）： 研制单位：美国宾夕法尼亚大学 用 途： 军事计算 运算速度：5000次/秒 体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元, 其逻辑元件采用电子管，存储器件为磁鼓，典型逻辑结构为定点运算；用低级语言编程，无操作系统。, 代表人物：英国科学家艾兰图灵和美籍匈牙利科学家冯诺依曼。, 冯诺依曼计算机模型。,2）存储器以二进制形式存储指令和数据；,3）存储程序工作方式；,4）五部件以运算器为中心进行组织。,1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成；, 冯诺依曼计算机组成,二、第二代计算机（50年代中后期到60年代中）, 逻辑元件采用晶体管，其内存储器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。, 逻辑结构实现了浮点运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。出现了多种高级语言及其编译程序。,三、第三代计算机（60年代中到70年代中）, 逻辑元件与存储器均由集成电路实现；, 硬件上，微程序控制、高速缓存、虚拟存储器、流水线等先进计算机技术开始使用；, 另一大特点是大型/巨型机与小型机同时发展。, 出现操作系统，它具有资源调度、人/机通信和输入输出控制等功能；,小规模集成电路,四、第四代计算机（70年代中期开始）, 大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路及微处理器为这一代计算机的典型特征。,超大规模集成电路, 计算机网络的发展与广泛应用。, 并行处理技术,嵌入式系统,超标量技术: 超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令,五、新一代计算机, 新器件和非冯诺依曼结构已成为新一代计算机的公认标志。, 神经元、生物芯片、分子电子器件、超导计算机、量子计算机。, 日本第五代计算机系统研究计划（1982-1992年），确立并行推理将是未来信息处理的核心。,计算机的发展历程:小结,1946年研制成功第1台数字电子计算机 60多年来发展速度之快大大超出人们的预料： 性能、体积、价格、 应用领域和装机数量 软件技术和软件产品 使用的元器件 第1代：电子管磁鼓 第2代：晶体管磁芯 第3代：中、小规模集成电路 第4代：大、超大规模集成电路,微机处理器的发展 第一代微处理器（4位机和低档8位机）,Intel 4004 1971年1月，Intel公司研制成功世界上第一片微处理器芯片Intel 4004，微处理器和微机时代从此开始。 4004是个四位系统，只有2300个晶体管，时钟频率在108KHz，每秒执行6万条指令（0.06 MIPs)。 Intel 8008 1972年4月，开发出第一个8位微处理器Intel 8008,第二代微处理器（中、高档8位机）,Intel 8080 1973年8月，研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，使用了基于6微米技术的6000个晶体管。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，处理速度为0.64MIPS。,第二代微处理器（中、高档8位机）,1976年,Intel 发布8085处理器 当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 Zilog公司于1976年开发出Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。 Motorola开发出MC6800微处理器。,第三代微处理器（16位机）,Intel 8086和8088 1978年，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，集成了 29000个3微米技术的晶体管，采用16位寄存器和16位数据总线，20位地址总线。 1年之后, Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088，它是8086的廉价版本 。内部以16位运行，但支持8位数据总线 。IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。 1979年，Motorola推出M68000 16位微处理器，它因采用了68000个晶体管而得名。,第三代微处理器（16位机）,1982年，Intel推出80286处理器，集成了大约13.4万个晶体管,最大主频为20MHz,采用16位数据总线和24位地址总线。 两种工作模式：实模式, 保护模式。,第四代微处理器（32位机）,1985年，Intel推出80386 微处理器(最高33MHz 主频)，集成275,000个晶体管。 具有32位数据线、32位地址线（可以直接访问4G字节的内存）。 工作模式：实模式、保护模式、虚拟86模式（可以同时模拟多个8086处理器来加强多任务处理能力）。 具有比80286更多的指令集。,第四代微处理器（32位机）,1989年4月，Intel推出 80486微处理器。集成了120万个 晶体管,使用1微米的制造工艺。 486其实就是80386+80387协处理器+8KB一级缓存,是超级版本的386。,第五代微处理器（64位机）,1993年，英特尔公司的Pentium(奔腾)问世，采用0.6微米工艺，集成310万只晶体管。 64位数据线、32位地址线，16KB的cache，采用超标量结构。 时钟频率从最初的60MHz、66MHz ，一直上升到133MHz ，处理速度比486快68倍。,第五代微处理器（64位机）,1995年，Intel推出了Pentium Pro处理器，集成了5.5 M个晶体管。Pentium Pro的工作频率有150/166/180和200MHz四种，都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存。 Pentium Pro采用了“PPGA” 封装技术。即一个256KB的二级缓存芯片与Pentium Pro芯片封装在一起 ，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。,第五代微处理器（64位机）,1997年，Intel推出Pentium MMX 。Pentium MMX增加了片内16KB数据缓存、16KB指令缓存和4路写缓存，特别新增加了57条MMX多媒体指令（专门用来处理音频、视频等数据 ）。比普通CPU处理多媒体的能力提高了60左右。 其工作频率有166MHz、200MHz、233MHz三种。,第五代微处理器（64位机）,1997年4月,英特尔发布了Pentium II处理器。内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术。 Pentium II架构已经从Socket 7转成Slot 1，并首次引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。Slot 1的Pentium II晶体管数为900万。其工作频率可达333MHz 。,第五代微处理器（64位机）,1999年1月，Intel推出奔腾III处理器，它采用0.25微米制造工艺，拥有32K一级缓存和512K二级缓存，包含MMX指令和Intel自己的“ 3D”指令SSE。此外其身份代码还可通过Internet读取。 1999年10月，Intel推出了基于0.18微米工艺制造的Pentium III处理器 ，工作频率高达733MHz 。,第五代微处理器（64位机）,2000年11月，Intel 发布了Pentium4。Pentium4采用0.18微米铝导线工艺。主频可达1.7GHz和1.8GHz Pentium 4抛弃了Intel沿用了多年的P6结构，采用了新的 NetBurst CPU结构 。其优点：20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线等。 Intel很快又开发出0.13微米工艺的Pentium4芯片，其主频有了很大飞跃， 31级流水线设计，配备16KB的一级数据缓存和多达1MB的二级缓存 。,2004年Intel推出90nm工艺的Pentium 4E处理器，集成了1亿个晶体管。支持超线程技术，800MHz前端总线和1MB二级缓存 。 但工艺的提升，没有使得功耗降低，主频提升，因为芯片中晶体管数量的增加使得二氧化硅绝缘层变得更薄，进而导致泄漏电流，增加了芯片的额外功耗。,2005年，Intel迅速推出了65nm工艺 的Pentium Extreme Edition 955双核处理器。 无论在制造工艺还是架构变革方面都有了非常大改进，包括独立的双L2 Cache设计。 在漏电方面也有非常显著的改进。,多核处理器,多核处理器,2007年，Intel推出45nm 多核处理器，包括双核、四核共7款芯片。 双核版建 4.1 亿个晶体管，四核版则有8.2亿个晶体管。 微架构经强化后，在相同频率下较上代Core产品拥有更高性能，同时L 2 Cache容量亦提升50%，明显提高数据读取执行的命中率。此外，亦加入47条全新Intel SSE4指令，提高多媒体性能和实现高性能运算应用。,总 结,微处理器的发展史虽然不过30余年，但在这30余年里微处理器的发展历程却是天翻地覆的变化。从Intel的4004开始，到Intel、AMD、Cyrix三足鼎立，到Intel一家独大，再到现在Intel、AMD分庭抗衡。 CPU将向速度更快、64位结构、多核方向前进。CPU的制作工艺更加精细，90纳米、65纳米、45纳米、32纳米。,微型计算机的组成；微型计算机系统的组成,显示器,键盘,主机,光驱,软驱,音箱,鼠标,本节首页,显示器,键盘,主机,鼠标,笔记本,光驱,本节首页,微型计算机系统的组成,1、微机硬件系统 2、微机软件系统,本节首页,微机硬件系统, 主机 输入设备 输出设备,返回,微机软件系统,系统软件 应用软件,返回,主机包括： -电脑主板 -CPU（中央处理器，包括运算器和控制器） -存储器：内存（RAM和ROM）和外存（硬盘、光盘等） -输入输出接口,主机,返回,输入设备有: 键盘、鼠标、话筒、扫描仪、 写字板、数码像机、光笔、麦克风、光电阅读仪器、条码阅读仪器等。 输出设备有: 显示器、音箱、打印机、绘图仪、投影仪等.,返回,输入设备,扫描仪,数码相机,话筒,手写板,返回,输出设备,打印机,音 箱,系统组成,返回,微机系统软件与应用软件,系统软件有： 操作系统、设备驱动程序、数据库管理系统、通信处理程序等。 应用软件有： 计算机辅助设计（CAD）、CAI、CAT、Word、Excel、系统仿真、人工智能、管理信息系统等。,本节首页,微型计算机由硬件系统和软件系统组成。硬件指的是所能够看得见的组成计算机的物理设备.例如：显示器、主机等，是构成计算机的实体。 软件是用来指挥计算机完成具体工作的程序和数据，是整个计算机的灵魂。例如:操作系统、办公室自动化软件、各行业的信息管理系统等。,小结,本节首页,微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。 由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。,微型计算机的工作过程,微型计算机系统的性能指标,1字长 2存储器容量 3运算速度 4扩展能力 5软件配置情况,1字长,字长指计算机内部一次可以处理的二进制数的位数。字长越长，计算机所能表示的数据精度越高，在完成同样精度的运算时数据的处理速度越高。但字长越长，机器中的通用寄存器、存储器、ALU的位数和数据总线的位数都要增加，硬件代价增大，因此应考虑精度、速度和成本兼顾的原则来决定微型计算机的字长。PC/XT微机的字长为16位；386、486微机的字长为32位；586微机的字长为32位或64位。,2存储器容量,存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量大小的一个重要指标。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量，如B (byte), KB (kilobyte), MB (megabyte), GB (gigabyte), TB(terabyte) 和 PB (petabyte)。 1KB1024B 1MB1024KB 1GB1024MB 1TB1024GB 1PB1024TB,3运算速度,计算机的运算速度以每秒钟能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令执行时所需的时间长度不同，因而有几种不同的衡量运算速度的方法。 （1）MIPS（百万条指令/秒）法，根据不同类型指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，用MIPS作单位衡量。 （2）最短指令法，以执行时间最短的指令（如传送指令、加法指令）