微机原理第一章概述.ppt

微型计算机原理与应用 河北大学电子信息工程学院zhangxin本课程内容概述 微型计算机的硬件构成和基本工作原理 汇编语言程序设计 输入输出接口的原理及应用 课程学习要求 注重课后的自主学习环节 主动思考 积极讨论 理论联系实践 10周后开始实验课 平时成绩占30 期末考试成绩占70 第一节计算机发展概述 计算机的分类 计算机的发展历程 计算机的应用领域 计算机的分类 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 工作站和微型机 1989年由IEEE巨型机委员会提出的运算速度分类法 巨型机是国家科技发展水平和综合国力的重要标志 通常有极高的速度 极大的容量 核物理研究 核武器设计 航空航天器设计 国民经济预测和决策 能源开发 中长期天气预报 卫星图像处理等 2008年 美国已研制出新一代全球最快计算机 最大运算速度每秒1000万亿次 比此前全球最快计算机 研制的 蓝色基因 快1倍多 走鹃 一天的计算量相当于地球上60亿人每周7天 每天24小时不吃不喝用计算器算46年 2010年10月28日消息 中国高性能计算机TOP100组织今天发布数据 天河一号 超级计算机二期工程系统峰值性能达到每秒4700万亿次 其运算速度与能效达到国际领先水平 此举将为我国科学研究和经济发展注入强大动力 一个形象的比喻 如果说用4700万次的 天河一号 来计算一天时间 这一天时间所产生的计算量 用一个双核的台式PC机来算的话 要算620年 国际TOP500组织2011年6月20日在网站上公布了最新全球超级计算机500强排行榜 日本超级计算机 京 以每秒8162万亿次的实测运算速度跻身榜首 中国的 天河一号 排名降至第二 但中国进入榜单的超级计算机总数在全球仅次于美国 2012年世界第一 IBM红杉超级计算机 美国加利福尼亚州 160万颗CPU 16 32千万亿次 秒 我国的天河 1A和星云 2012年进入世界前十 计算机的分类 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 工作站和微型机 1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法 具有极强的综合处理能力 一般用于大型事务处理系统 采用主机 终端的方式 可同时支持上万个用户 可支持几十个大型数据库 主要应用在政府 银行 大公司 大企业等 计算机的分类 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 工作站和微型机 规模小 结构简单 设计试制周期短 软件开发成本低 易于操作维护 广泛应用于工业自动控制 大型分析仪器 测量设备 企业管理 大学和科研机构等 也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机 计算机的分类 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 工作站和微型机 工作站是一种高档的微型计算机 是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础 主要面向专业应用领域 具备强大的数据运算与图形 图像处理能力 为满足工程设计 动画制作 软件开发 模拟仿真等专业领域 计算机的分类 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 工作站和微型机 微型机标志着一个国家的计算机普及程度 伴随着超大规模集成电路的应用 小型计算机微型化 微型机又分通用机 又称PC机或个人计算机 和专用机 微型机已经应用于办公自动化 数据库管理 网络应用 多媒体技术 工业控制 家用电器等领域 美国的IBM和苹果公司为PC机的普及起到了重要作用 现在PC机开始成为普通家庭的一种常规电器 说说你知道的属于微型计算机的产品 计算机的发展历程 计算机的发展分别经历了 第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模集成电路计算机 1904年 英国物理学家弗莱明发明了人类第一只电子管 标志着世界从此进入了电子时代 1946年 第一台真正意义上的数字电子计算机ENIAC诞生 重30吨 用了18000个电子管 5000次加减法运算 秒 计算机的发展历程 计算机的发展分别经历了 第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机 1947年美国贝尔实验室的肖克莱 巴丁和布莱顿发明了晶体管 开辟了电子时代新纪元 1954年 美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机 取名TRADIC 装有800个晶体管 1958年 美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型 计算机的发展历程 计算机的发展分别经历了 第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机 20世纪60年代 诺伊斯和基尔比分别发明了集成电路 1968年 诺伊斯和摩尔 格鲁夫成立了英特尔公司 开始了IT业的一段传奇 1964年 IBM360标志着第三代电脑正式登上了历史舞台 计算机的发展历程 计算机的发展分别经历了 第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机 1972年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机 基于大规模集成电路及后来的超大规模集成电路 这一时期的计算机功能更强 体积更小 1972年 Intel公司推出8008微处理器 八位机 1978年 十六位机8086是现代个人电脑微处理器的最初架构 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算 领域 天气预报 地质勘探 航天器部件空气动力学计算方法 建立数学模型 建立数学模型求解的计算方法 计算机编程实现 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 数据处理是指对各种数据进行收集 存储 整理 分类 统计 加工 利用 传播等 占80 以上应用 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 计算机控制是利用计算机及时采集检测数据 按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制 领域 军事制导 机器人 工业生产线 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 计算机辅助技术包括CAD CAM和CAI等 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 人工智能是计算机模拟人类的智能活动 诸如感知 判断 理解 学习 问题求解和图像识别等 计算机的应用领域 科学计算 数据处理和管理 计算机控制 辅助技术 人工智能 网络技术 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络 提供各种软 硬件资源的共享 第二节微型计算机系统之一 微型计算机的组成 微处理器的基本性能指标 通用微处理器的发展 专用微处理器 微处理器总线 成人教育学院网络教育课程 微型计算机的组成 微型计算机系统 包括硬件和软件两大部分 微型计算机 微型计算机系统中的硬件部分 指以微处理器为核心 配以内存储器及输入输出接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机 微处理器 微型计算机的运算和控制的核心 又称中央处理单元CPU 是一块大规模集成电路芯片 微处理器总线 数据总线 DB DataBus 处理器与存储器或外设交换信息的通道个数 条数 是一次能够传送数据的二进制位数地址总线 AB AddressBus 指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线 CB ControlBus 控制计算机各部分工作的信号线 微处理器的对外引脚 Pin 三组信号及电源和接地线 N 2N 微处理器的基本性能指标 字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数通常有8 16 32 64位时钟频率微处理器工作的基本时间单位单位赫兹 KHz MHz GHz集成度表明微处理器的生产工艺水平 常用芯片上集成的晶体管数量来表达超大规模集成电路通常10万门 片以上 通用微处理器的发展 4位微处理器1971年 Intel4004 第一个微处理器8位微处理器Intel8008 8080 8085 AppleII计算机16位微处理器Intel8086 8088 IBMPC机32位微处理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC机 APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 IntelCore2Duo IntelItanium 安腾 通用微处理器的发展 4位微处理器1971年 Intel4004 第一个微处理器8位微处理器Intel8008 8080 8085 AppleII计算机16位微处理器Intel8086 8088 IBMPC机32位微处理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC机 APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 IntelCore2Duo IntelItanium 安腾 微处理器的发展 4位微处理器1971年 Intel4004 第一个微处理器8位微处理器Intel8080 8085 AppleII计算机16位微处理器Intel8086 8088 80286 IBMPC机32位微处理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC机 APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 IntelCore2Duo IntelItanium 安腾 DIP封装 4位微处理器1971年 Intel4004 第一个微处理器8位微处理器Intel8080 8085 AppleII计算机16位微处理器Intel8086 8088 IBMPC机32位微处理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC机 APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 IntelCore2Duo IntelItanium 安腾 微处理器的发展 微处理器的发展 4位微处理器1971年 Intel4004 第一个微处理器8位微处理器Intel8080 8085 AppleII计算机16位微处理器Intel8086 8088 IBMPC机32位微处理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC机 64位微处理器 IntelCore2Duo IntelItanium 安腾 专用微处理器 单片机 微控制器 嵌入式控制器 MCU Intel的MCS 48 MCS 51 MCS 96系列数字信号处理器 DSP 专注于数字信号的高速处理的微控制器美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信 消费类电子产品和计算机主要应用形式 嵌入式系统IP 知识产权 级结构 片上系统SoC形式芯片级结构 将处理器 存储器 接口等芯片嵌入系统模块级结构 将计算机系统嵌入到应用系统中 第三节微型计算机系统之二 Intel80X86系列微处理器 微型计算机的构成 Intel80X86系列微处理器 16位结构的微处理器8086 内部16位寄存器 外部16位数据总线地址总线为20位 主存容量1MB 时钟频率4 77MHz准16位微处理器8088 内部16位寄存器 外部8位数据总线IBMPC XT机使用Intel8088CPU 1KB 210B 1024B1MB 220B 1024KB1GB 230B 1024MB1TB 240B 1024GB Intel80X86系列微处理器 超级16位微处理器80286 16位数据总线 24位地址总线 16MB主存 时钟频率22MHz两种工作方式 实模式 与8086工作方式一样 保护模式 提供虚拟存储 保护机制和多任务管理的硬件支持 IBMPC AT机使用Intel80286CPU Intel80X86系列微处理器 32位微处理器80386数据总线32位 地址总线32位 可寻址4GB主存三种工作方式 实模式 保护模式虚拟8086方式 保护方式下的8086工作方式 英特尔32位架构 IA 32 IntelArchitecture 32 IA 32微处理器 80386 80486 Pentium系列 Intel80X86系列微处理器 高性能32微处理器80486相当于80486 80386 80387 8KBCache1 协处理器80387 协助CPU处理浮点数 在486中叫浮点处理单元FPU 2 高速缓冲存储器Cache 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器 用于提高整个存储器系统的存取速度 3 指令流水线技术 指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行 这样多条指令可以在不同的执行阶段同时进行 Intel80X86系列微处理器 高性能32微处理器80486相当于80486 80386 80387 8KBCache1 协处理器80387 协助CPU处理浮点数 在486中叫浮点处理单元FPU 2 高速缓冲存储器Cache 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器 用于提高整个存储器系统的存取速度 3 指令流水线技术 指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行 这样多条指令可以在不同的执行阶段同时进行 Intel80X86系列微处理器 俗称的80586微处理器 奔腾 pentium 微处理器CPU内部仍是32位结构 连接主存的外部数据总线却是64位超标量 Superscalar 技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线 可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器 Intel80X86系列微处理器 PentiumPro 中文名称为 高能奔腾 两个芯片组成CPU和一级 L1 Cache 8KB代码和8KB数据 二级 L2 Cache 256KB或512KB 扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测 数据流分析和推测执行 Intel80X86系列微处理器 多媒体扩展指令 MMX指令 MMX MutliMediaeXtension 整数运算多媒体指令对图像 音频 视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力PentiumMMX 多能奔腾 MMX指令应用于Pentium处理器PentiumII MMX指令应用于PentiumPro Intel80X86系列微处理器 单指令单数据SISD一条指令处理的数据是依次数序处理的单指令多数据SIMD表示一条指令具有同时处理多组数据的能力数据流SIMD扩展指令 SSE指令 浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力PentiumIII SSE指令应用于PentiumII Intel80X86系列微处理器 pentium420级超流水线 L2达到1MBNetBurst的微结构 Microarchitecture 指令级并行ILP Instruction LevelParallel 进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT HyperThreading 线程级并行TLP Thread LevelParallel 发掘程序中的并行性一个物理处理器被看成是两个逻辑处理器 Celeron 赛扬 微处理器面向低端 低价位 PC机Xeon 至强 微处理器面向高端服务器 工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA 32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器 单芯片多处理器SMP技术Intel的PentiumD 单芯片双Pentium4核心64位微处理器AMD的K8核心 兼容IA 32的64位微处理器Intel的EM64T IA 32的64位扩展 XeonIA 64架构 itanium2 安腾 微型计算机的构成 冯 诺依曼体系计算机 控制器 运算器 存储器 输入设备 输出设备 指令和数据 执行指令 显示器 键盘 磁盘等 第四节微型计算机系统之三 PC机内部结构图 微型计算机的构成 微型计算机的构成 微处理器是微机的核心 控制中心 中央处理器CPU大规模集成电路VLSI芯片 集成控制器运算器 整数运算器 寄存器 高速存储单元 高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元 代码保护机制高速缓存Cache等 存储器 Memory 是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器 Register CPU高速缓冲存储器 Cache CPU主存储器 主板上的辅助存储器 以外设形式出现的主存储器 主存 内存 半导体存储器芯片组成 RAM部分断电后信息丢失 ROM断电后信息不失相对造价高 速度快 但容量小辅助存储器 简称辅存或外存 磁盘 光盘存储器等构成相对造价低 容量大 信息可长期保存 但速度慢 I O设备 Peripheral 用户与微机交互输入 Input 设备 如标准输入设备 键盘输出 Output 设备 如标准输出设备 显示器I O接口 Interface 外设和主机间的桥梁完成信号变换 数据缓冲 联络控制等工作较简单的I O接口电路与主板一体 集成显卡 集成网卡等较复杂的I O接口电路制成独立的电路板 接口卡Card PC机的内部结构 8位时代 Apple II机 中华学习机16位时代 IBMPC系列机1981年 IBMPC机 Intel8088 DOS1982年 IBMPC XT ExpandedTechnology 1984年 IBMPC AT AdvancedTechnology IBMPC XT AT机的兼容微机32位时代 32位PC机IA 32或其兼容微处理器 16位微型机IBMPC AT结构 微处理器 Intel80286主存储器ROM BIOS 固化基本输入输出系统 BasicInput OutputSystem 主存主要由RAM组成I O接口两个中断控制器8259A两个DMA控制器8237A定时控制器8254并行接口电路系统总线 ISA总线 I O通道 32位PC微型机结构 微处理器 IA 32或其兼容微处理器 含Cache 芯片组 微处理器的主要辅助器件 主板的核心主存储器 主存插槽和主存条多总线结构系统总线 PCI总线 低速ISA总线 存储总线显示AGP总线 加速图形接口 扩展槽和外设接口主存条插槽 AGP插槽 PCI插槽 IDE插槽PS 2键盘接口和PS 2鼠标接口 并行打印接口LPT COM1和COM2串行通信接口通用串行总线USB接口 高速视频接口IEEE1394 PC机的内部结构 PC机的内部结构 PC机的内部结构 第五节微型计算机系统之四 操作系统 文件路径 微型计算机的软件系统 DOS的内部命令和外部命令 汇编语音和汇编程序 微型计算机的软件系统 软件系统 系统软件 方便使用 维护和管理计算机系统的程序及其文档 应用软件 是解决某个问题的程序及其文档 操作系统 管理着系统的软硬件资源 为用户提供使用计算机的交互界面 为程序员提供可调用的驱动程序 为其他程序构建稳定的运行平台 DOS操作系统 是16位PC机主要采用DOS磁盘操作系统 命令行控制方式又称MS DOS 微软公司的创业产品 自举记录 它存储在DOS磁盘的第一个扇区 依靠它才能把DOS的其它程序模块依次读入内存 基本输入输出设备驱动程序 在IBMDOS中名为IBMBIO COM或者在MSDOS中名为IO SYS DOS核心 文件管理功能模块 IBMDOS中名为IBMDOS COM或者在MSDOS中名为MSDOS SYS 监控程序 完成对系统的监控任务 接受用户的指令并执行 在两个DOS版本中 都是名为COMMAND COM的文件 DOS操作系统 是16位PC机主要采用DOS磁盘操作系统又称MS DOS 微软公司的创业产品 自举记录 它存储在DOS磁盘的第一个扇区 依靠它才能把DOS的其它程序模块依次读入内存 基本输入输出设备驱动程序 在IBMDOS中名为IBMBIO COM或者在MSDOS中名为IO SYS DOS核心 文件管理功能模块 IBMDOS中名为IBMDOS COM或者在MSDOS中名为MSDOS SYS 监控程序 完成对系统的监控任务 接受用户的指令并执行 在两个DOS版本中 都是名为COMMAND COM的文件 Windows操作系统 是32位PC机主要采用的操作系统 以windowsXP为例 有模拟dos环境 Windows操作系统 是32位PC机主要采用的操作系统 以windowsXP为例 有模拟dos环境 文件路径 操作系统以目录的形式管理磁盘上的文件 windows称之为文件夹 当指明某个文件时 须指明文件所在磁盘的位置 用文件所在的分区 根目录 各级子目录构成该文件的路径 绝对路径 完整路径 具有唯一性 相对路径 从当前路径开始 表示文件位置 当前路径 操作系统当前正在的位置 文件路径 操作