计算机基础ppt课件

第一章微型计算机基础,1.1微型计算机概述1.1.1微型计算机系统的三个层次1.1.2微型计算机的常用术语和指标1.1.3微型计算机的发展1.2微型计算机的组成和结构1.2.1微型计算机的组成1.2.2微型计算机的结构1.3微型计算机的工作原理1.3.1冯诺依曼存储程序工作原理1.3.2微型计算机的工作过程1.4微型计算机内信息的表示1.4.1进位计数制及其相互转换1.4.2数值数据的表示1.4.3非数值数据的表示,1,1.1微型计算机概述,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC。,2,电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机,微型计算机是第四代计算机的典型代表,1.1微型计算机概述,3,微型计算机的应用,计算机应用通常分成如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人工智能，由于微型计算机具有如下特点体积小、价格低工作可靠、使用方便、通用性强所以，可以分为两个主要应用方向,4,微型计算机的应用,用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：单片机、工控机可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小,将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-96,5,微型计算机系统的三个层次微处理器严格讲，微处理器CPUCPU由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器（Registers）以及高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器,6,微型计算机系统的三个层次微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,7,微型计算机系统的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类。,8,微型计算机系统的三个层次：微处理器微型计算机微型计算机系统,系统软件应用软件,微处理器存储器I/O接口总线,硬件软件,微型计算机系统,微型计算机,外设,ALU寄存器控制部件,键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪,9,微型计算机的常用术语,1位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是kelo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是Giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240。,10,微型计算机的常用术语,2字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。,11,微型计算机的常用术语,3主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。,12,微型计算机的常用术语,4MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS，主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS5iCOMP指数iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的，iCOMP指数包含的指标有整数数学计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。,13,iCOMP指数,14,微型计算机的常用术语,6微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。目前微处理器的生产工艺已经达到0.18m。7微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。,微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。-摩尔定律,15,微型计算机的发展,微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。-摩尔定律,1971年1977年是微处理器发展的早期阶段:字长为4位或8位，集成度约为300010000晶体管/片，微处理器的主频为0.15MHz。1971年：Intel4004，是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年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器。8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为200KHz。,16,1974年：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的1976年：Intel8080Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。,微型计算机的发展,17,第一代：8086/8088（1978年-1981年）1978年-8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列1979年-8088除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IMBPC。,X86系列微型计算机的发展,18,第二代：80286（1982年-1984年）采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）。,X86系列微型计算机的发展,19,第三代：80386（1985年-1988年）第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含16位数据总线和24位地址总线，寻址空间为16MB；80386SL80386SLC，包含l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。由于这些微处理器由于与I/O之间传输为16位，故也称为准32位微处理器。,X86系列微型计算机的发展,20,第四代：80486（1989年-1992年）采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器。80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司还生产过80486的其他一些版本：80486SX，工作频率20MHz，不包含数学协处理器；80486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为33MHz；80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到100MHZ，内存存取速度为33MHz。,X86系列微型计算机的发展,21,第五代：Pentium（1993年-1997年）Pentium处理器的发展分成三代第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。第二代Pentium处理器（以P54C代称，1994年）采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。第三代PentiumMMX（以P55C代称1997年）增加了57条多媒体指令在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物,X86系列微型计算机的发展,22,第六代：P6（1996-今）PentiumPro、PentiumII、PentiumIII采用0.6m-0.18m工艺，集成度550万-750万晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令,X86系列微型计算机的发展,第七代：未来-64位Mecerd（P7）,23,X86系列微型计算机的发展,24,1.2微型计算机的组成和结构,微型计算机的组成：,由微处理器、存储器、输入设备、输出设备和总线五大部分组成,25,微型计算机的结构,各部件通过总线连接，总线连接多个功能部件的一组公共信号线。,26,微型计算机的结构,地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址总线的条数决定微处理器的寻址能力。,数据总线DB：用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。数据总线的条数决定微处理器一次最多可以传送的数据宽度,控制总线CB：用来传送各种控制信号。,27,1.3微型计算机的工作原理,冯诺依曼存储程序工作原理,数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式。控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。,28,微型计算机的工作过程,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