第一章wj概述

微型计算机技术及应用,主讲：王慧玲,第一章微型计算机概述,计算机前传,计算机堪称二十世纪人类最伟大的发明。计算机科学技术日新月异的发展极大地推动了全球政治、经济、文化和社会的进步，革新了人类生活、工作和思维的方式。为此，无数杰出的科学家付出了艰苦的努力，有一些人的名字是应当被永远铭记的！,布尔逻辑代数早在1847年和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要的著作逻辑的数学分析和思维规律的研究，创立了逻辑代数。逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机数学和逻辑基础。,巴贝奇分析机采用了三个具有现代意义的装置：保存数据的寄存器（齿轮式装置）；从寄存器取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。,1939年，阿塔纳索夫提出计算机三原则：采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。,1940年，美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则,数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。,图灵机：现代通用数字计算机的数学模型1936年，英国数学家图灵发表了论文论可计算数在判定问题中的应用，提出了一种假想的可实现通用计算机的机器，被誉为现代计算机原理开山之作，后人称之为“图灵机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的，其思想奠定了整个现代计算机发展的理论基础。,冯诺伊曼机1945年左右，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。,计算机产生的历史背景：第二次世界大战计算机产生的时间：1946/2/15第一台计算机的名称ENIAC,1946：ENIAC永载史册,埃克特为ENIAC换电子管,18000多电子管1500个电容10000个电容和7000个电阻占地170平方米运算速度5W/S时价48W美金6000多个开关，耗电量150千瓦,运作了九年之久。吃电很凶，据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。另外，真空管的损耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用起来极不方便。曾有人调侃道：“只要那部机器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧掉，发明人就要额手称庆了”,计算机按性能、价格、体积的不同巨型机大型机中型机、小型机、微型机单片机,计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征硬件特征：电子计算机所采用的物理器件软件特征：计算机采用的软件环境,电子管计算机晶体管计算机中小规模计算机大规模计算机,计算机发展方向,第五代：非“冯.依曼”计算机时代第六代：神经计算机，光计算机时代，生物计算机时代,1959-1964：晶体管造就第二代计算机,晶体管,肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。,第二代计算机TRADIC,美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。,IBM7090晶体管电脑,第二代电子计算机的典型代表,1964-1970：集成电路使第三代计算机脱胎换骨,1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。,1969年，法庭判决基尔比(左)和诺伊斯（右）为集成电路的共同发明人，他们都因此成为微电子学创始人并获得巴伦坦奖章。,IBMS/360,S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。开发S/360被称为“世纪豪赌”，IBM为此投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。,1971：微处理器时代的开端,1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。,微机计算机诞生,微机计算机诞生于20世纪70年代微机计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方便微机计算机的核心是微处理器（CPU）每出现一个新的微处理器，就会产生新的一代计算机。,微型计算机的发展概况,微处理器的发展经历了5代第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）第二代微处理器：1973年（8位微处理器）第三代微处理器：1978年（16位微处理器）第四代微处理器：1983年（32位微处理器）第五代微处理器：1993年（32位64位微处理器）,微处理器的发展,第一代4位或低档8位微处理器,典型产品：Intel4004（71年，4位微处理器）Intel8008（72年，8位微处理器）特点：字长：4位或8位集成度：2300只晶体管片时钟频率：小于1MHz平均指令执行时间：10-15s采用机器语言编程。,第一代相关图片,微处理器的发展,第二代中高档8位微处理器,典型产品：Intel8080（1973年）MotorolaMC6800（1974年）ZilogZ80（1975年）Intel8085（1976年）特点：字长：8位集成度：4500只晶体管片时钟频率：l-4MHz平均指令执行时间：1-2s,第二代相关图片,第二代相关图片,第三代16位微处理器,典型产品：Intel8086（1978年）ZilogZ8000（1979年）Motorola68000（1979年）Intel80286（1983年）Motorola68010（1983年）特点：字长：16位集成度：2万-7万只晶体管片时钟频率：4-25MHz平均指令执行时间：0.5s,微处理器的发展,第一台IBMPC,早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBMPC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生,第一台IBMPC采用了主频为4.77MHz的Intel8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（PersonalComputer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。,第一台IBMPC,早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBMPC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生,第一台IBMPC采用了主频为4.77MHz的Intel8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（PersonalComputer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。,第三代相关图片,微处理器的发展,第四代32位高档微处理器,典型产品：ZilogZ80000（1983年）Motorola68020（1984年）Intel80386（1985年）Intel80486（1989年）Motorola68040（1989年）特点：字长：32位集成度：15万-50万只晶体管片时钟频率：16-100MHz平均指令执行时间：0.1s,第四代相关图片,微处理器的发展,第五代32位64位微处理器的发展,典型产品：IntelPentium系列产品（1993年起）IBM公司PowerPC系列产品（1996年起）AMD公司系列产品特点：集成度：300万以上时钟频率：100M几GHZ发展方向：32位64位转换、支持多媒体处理、向多核方向发展、不一味追求主频的提高。,第五代相关图片,计算机第一定律摩尔定律,集成电路内芯片的晶体管数目，每隔1824个月，其集成度会增加一倍，性能也将提升一倍。,Intel名誉董事长戈登摩尔（GordonMoore）于1965年提出,主导网络时代的四大定律贝尔定律：性能相同的计算机价格将持续下降。吉尔德定律：网络的带宽每个月翻一番。麦特卡夫定律：对网络投入N,可以收到的回报是N的平方。,摩尔,1965年，作为英特尔公司的创始人之一，戈登-摩尔应邀撰写了一篇名为“让集成电路填满更多元件”的文章。提出了“摩尔定律”。摩尔定律在过去数十年里展现出了惊人的准确性：不止是微处理器，还包括内存、硬盘、图形加速卡PC的主要功能元件几乎都是遵循着摩尔定律所“设计”的路线而不断“进化”和演变。,Intel的CPU的发展史,intel4004，intel的发展史就是从这块cpu起步的,格鲁夫、诺依斯和摩尔,Intel公司成立于1968年，Intel这个字是由“集成/电子(IntegratedElectronics)两个英文单词组合成的，象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达,1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。,4004的样子很像小虫子,4004的集成度只有2300个晶体管，功能其实比较弱，且计算速度较慢，以致只能用在Busicom计算器上，更不用说进行复杂的数学计算了。不过比起第一台电子计算机ENIAC来说，它已经轻巧太多太多了。而且最大的历史意义是，它是第一个通用型处理器,1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。,I,1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080,主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。,8086,1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。,8088：IBMPC的御用之选,1979年，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088。它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管，可访问1MB内存地址，速度为0.33MIPS。,第一台IBMPC,早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBMPC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC诞生,第一台IBMPC采用了主频为4.77MHz的Intel8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（PersonalComputer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。,PC之父,IBM微电脑技术总设计师埃斯特利奇（DonEstridge）负责整个跳棋计划的执行，他的天才和辛勤工作直接导致了IBMPC的成功，并被后人尊称为“PC之父”。不幸的是，4年后“PC之父”因乘坐的班机遭台风袭击而英年早逝，没能够亲眼目睹他所开创的巨大辉煌。,Intel80286,1983年,Intel推出6MHz的Intel80286微处理器，采用16位数据总线。它提供了保护模式操作功能，最初的批发价为360美元。,80386进入了32位元的世代,1985年10月，Intel推出16MHz80386DX微处理器,Intel486（1988）,Pentium（586）,Intel于1993年3月推出奔腾（Pentium）处理器,PentiumMMX，支持多媒体技术的奔腾,PentiumMMX是英特尔在Pentium内核基础上改进，最大的特点是增加了57条MMX指令。这些指令专门用来处理音视频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。,PentiumPro，面向工作站的处理器,1995年11月1日，Intel推出PentiumPro微处理器，采用了一种新的总线接口Socket8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。,PentiumII，芯片封装有着巨大的改变,PentiumII首次引入了S.E.C封装(SingleEdgeContact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。,1999年1月，Intel推出奔腾III处理器，其身份代码可通过Internet读取。,2000年英特尔发布了Pentium4处理器。用户使用基于Pentium4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。这是目前空前强大的个人电脑处理器产品，仍然在继续销售中。,1.2微型计算机系统,1.2.1微型计算机1.2.2I/O接口1.2.3总线,1.2.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统,微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者的关系,微处理器,微处理器称为CPU，是微机的核心部件，包含有运算器、控制器、寄存器组等部件，负责对计算机系统的各个部件进行统一的协调和控制。,运算器：即算术逻辑部件(ALU)。所谓多核，指的就是一个CPU中包含多个运算器。控制器：控制逻辑部件。负责对整机的控制，使CPU内部、外部协调工作。寄存器组：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。,一微处理器,CPU功能：可以进行算术和逻辑运算可保存较少量数据（寄存器）能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器、外设交换数据提供整个系统所需要的定时和控制可以响应其他部件发来的中断请求,CPU在内部结构上包含下面这些部分：算术逻辑部件；专门用来处理各种数据信息。累加器和寄存器组；寄存器组：通用和专业寄存器。累加器也是通用寄存器，但由其特殊性。专用寄存器为指令的执行而设置的。控制部件CPU的控制中心，在指令执行过程中，控制器按照指令功能发控制命令。由指令寄存器、指令译码器、时序和控制电路，以及中断机构组成。,二微型计算机,微型计算机由CPU、存储器、输入输出接口和系统总线构成。,微型计算机,CPU,内部存储器,I/O接口,I/O设备,地址总线ABUS,数据总线DBUS,控制总线CBUS,访存举例,CPU,内部存储器,I/O接口,I/O设备,地址总线ABUS,数据总线DBUS,控制总线CBUS,CPU总线包含三种不同功能的总线：1、数据总线DB(databus)：传输数据，双向。数据总线上传送的不一定是真正的数据，可能是指令代码、状态量，有时还可能是一个控制量。2、地址总线AB(addressbus)：传送地址信息。地址总是从CPU送出来的，所以和数据总线不同，是单向的。它的位数决定了CPU可以直接寻址的内存范围。3、控制总线CB(controlbus)：传输控制信号，双向。CPU送往存储器和I/O接口的；以及时钟、中断、复位和准备信号送往CPU的。,微型计算机的性能指标,主频CPU工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。主频和微机的实际运算速度存在一定的关系，相同架构的处理器的主频越高，运行速度越快。字长指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。字长越长运算精度越高，功能越强。目前微机的字长为64位。内存容量指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量越大，能存储的信息越多，信息处理的能力越强。,存取周期存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间连续启动两次独立的“读”或“写”操作（如连续的两次“读”操作）所需的最短时间，称为存取周期。运行速度微机每秒所执行的指令的条数，单位MIPS（MillionInstructionsPerSecond）。内核数目指封装在一个处理器内的处理器内核数目，内核越多则CPU处理并行计算的能力越强。,微型计算机的性能指标,高速缓存又称Cache，一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。Cache出现的原因：主存速度跟不上CPU的速度，程序执行的局部性特点。当前CPU的高速缓存一般又分为一级高速缓存（L1Cache）和二级高速缓存（L2Cache），对于同类的CPU来说，高速缓冲的容量越大，则CPU的执行效率越高，速度越快。,微型计算机的性能指标,三微型计算机系统,以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就成了微型计算机系统。系统软件包括操作系统和一系列系统实用程序，如汇编程序、编辑程序、编译程序、调试程序等。应用软件为特定应用而开发的软件，最常用的有办公软件和网络软件外部设备主要功能是使计算机实现数据的输入和输出,微型计算机系统的基本组成,I/O接口,I/O接口电路作用：用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。,工作速度,信号电平,数据格式,需要引入I/O接口电路,主要接口芯片,课程讲述其中三种接口芯片：,1.2.3总线,总线：计算机系统中，各个部件之间传送信息的通路。1.总线标准的特性物理特性功能特性电器特性时间特性,1.2.3总线,2.总线的分类从总线的不同层次可以分为三类：内部总线元件级总线局部总线,内部总线：微处理器内部各部件之间传送信息的通路单总线双总线三总线,总线结构,单总线结构系统的内部存储器和I/O接口均挂在单总线上。,CPU,存储器,I/O接口,I/O设备,AB,DB,CB,I/O接口,I/O设备,总线结构,面向CPU的双总线结构在CPU和主存储器之间，CPU与I/O设备之间分别设置一组总线。,面向主存储器的双总线结构所有的部件和设备均挂在总线上，可以通过总线交换信息，同时又在CPU与主存储器之间增加一组高速存储总线。,总线结构,元件级总线：连接计算机系统中两个主要部件的总线，元件级总线采用三总线：地址总线、数据总线、控制总线地址总线：用于CPU向存储器或I/O端口传送地址数据总线：CPU与存储器及外设交换数据的通路控制总线：用来传送控制信息,系统总线：是处理器机机箱内的底板总线，用来连接构成微机理机的各种插件板。ISA总线EISA总线VESA总线PCI总线PCIExpress总线,外部总线：用于微处理机系统与系统之间，系统与外设之间的信息通路。USB总线IEEE1394,1.3计算机的数据格式,1、数制2、计算机数据格式,1.3计算机数据格式,数制,二进制（Binary）八进制（Octal）十进制（Decimal）十六进制（Hex）,需要解决的问题：各进制之间如何相互转换？,十数制与其它数制之间的转换,十进制（D.X）,二进制八进制（n）十六进制,整数部分转换：用D除以n；保存余数mi；(最先得到的余数标号为1)将得到的结果置成D；重复、和直到商为0；mpm1即为整数部分。,小数部分转换：用X乘以n；保存结果的整数部分ki；(最先得到的数标号为1)将得到的结果去整置成X；重复、和直到达到要求或X为0。k1Kp即为小数部分,十数制与其他数制之间的转换,举例将（12.625）10转换成二进