微机原理与接口技术课件 第一章 高教版 尹建华.ppt

第一章微型机概述,教学内容,微型计算机的发展计算机系统计算机的数据格式,重点和难点,计算机系统处理器存储器总线,第一章微型机概述,1.微型计算机的发展2.计算机系统3.计算机的数据格式,1.微型机的发展,计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的-ENIAC电子计算机。,1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学莫奇来（Mauchly）博士和他的学生爱克特（Eckert）设计以真空管取代继电器的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分器与计算器），用来计算炮弹弹道。用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大）。它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。,以采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。,主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。微型机其工作原理，与其它几类计算机并没有本质上的差别。不同的是：采用了集成度较高的器件；组成计算机硬件系统的两大核心部分运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。,微处理器是微机系统的核心部分，自70年代初出现第一片微处理器芯片以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番，其发展速度大大超过了前几代计算机。微机系统及相关技术的发展，主要涉及到以下几个方面：CPU、主频、缓存、新技术。,1.1微型机的几个阶段,1.1.1第一代：4位及低档8位微处理器1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出现的Intel4040，是第一片通用的4位微处理器。1972年，Intel8008，8位，集成度约2000管/片，时钟频率1MHz。,1.1.2第二代：中、低档8位微处理器1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，时钟频率24MHz。这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。,1.1.3第三代：高、中档8位微处理器1975年1976年，Z-80，Intel8085，8位，时钟频率24MHz，集成度约10000管/片，还出现了一系列单片机。,1.1.4第四代：16及低档32位微处理器1978年，Intel首次推出16位处理器8086（时钟频率48MHz），8086的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为20位，可直接访问1MB内存单元。1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088（48MHz），集成度达到2万6万管/片。它与8086不同的是外部数据总线为8位（地址线为20位）。1982年，Intel推出了80286（10MHz），该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到24位，可访问16MB内存，其工作频率也较8086提高了许多。80286向后兼容8086的指令集和工作模式（实模式），并增加了部分新指令和一种新的工作模式保护模式。,1985年，Intel推出了32位处理器80386（20MHZ），该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位，可访问4GB内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，80386又增加了一种“虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作。1989年推出了80486（时钟频率为3040MHz），集成度达到15万50万管/片（168个脚），甚至上百万管/片。早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（L1）缓存，80486还支持主板上的二级（L2）缓存。后期推出的80486DX2首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。,1.1.5第五代：高档32位微处理器1993年，Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium（奔腾），Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增加到了16kB，这些改进大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快数倍。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。1996年，Intel公司推出了PentiumPro（高能奔腾），该芯片具有两大特色，一是片内封装了与CPU同频运行的256kB或512kB二级缓存；二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得PentiumPro的性能又有了质的飞跃。,1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号PentiumMMX（多能奔腾），将一级缓存提高到32kB，同时增加了57条MMX（多媒体扩展）指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。1997年推出了P。P是对PentiumPro的改进，因为其核心结构与PentiumPro类似，但加快了16位指令的执行速度，且支持MMX指令集。,1998年推出了赛扬（Celeron），其特点是去掉了P的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降了下来。1999年又推出了开发代号为Coppermine的P，该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能，支持SSE（StreamingSIMDExtensions，单一指令多数据流扩展）指令集，这是针对MMX的弱点和3DNow!设计的70条新指令，大大加强CPU在三维图像和浮点运算方面的能力。,2000年11月21日，Intel又推出Pentium4。采用前端系统总线（FSB）；高速执行缓存；快速执行引擎；256KB的高速缓存（ATC）；高级动执行；改进的浮运算和多媒体单元；网络数据流单指令多数据扩展2（SSE2）P4处理器两种型号：1）Willamette全新的Socket423插座，0.18微米，集成了256KB二级缓存，支持SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配I850/I845芯片组，还新增了执行单元、解码器和增加缓存容量等。陆续推出1.4-2.0GHz的主频。2）Northwood在一年后，Intel发布第二个P4，代号为Northwood，全新的Socket478插座，0.13微米制程，集成了512KB二级缓存，支持SSE2指令集。,2004年，推出核心为Prescott的Pentium4E处理器，在此次推出的Pentium4E处理器中，一个显著的特点：再次改进为90nm，集成了1亿个晶体管。型号为3.40EGHz、3.20EGHz、3.00EGHz、2.80EGHzP4（“E”后缀商标）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，主频的提升，使得Prescott功耗开始走高。2005年，推出了PentiumExtremeEdition955，标志着Intel进入65nm时代。PentiumD900系列双核心产品中最高端的一款。但其TDP（ThermalDesignPower）依然为130W。2005年:IntelPentiumD处理器首颗内含2个处理核心的IntelPentiumD处理器登场，正式揭开x86处理器多核心时代。,2006年，推出45nmPenryn处理器。全新45nmPenryn家族共有7名成员，包括：双核心桌面处理器Wolfdate、四核心桌面处理器Yorkfield、双核心行动处理器Penryn、双核心XeonDP处理器WolfdateDP、四核心XeonDP处理器Harpertown、双核心XeonMP处理器DunningtonDC四核心XeonMP处理器DunningtonQC。,CPU芯片的新的发展趋势：基因芯片、光电芯片。,网络参考资料：/w/index.php?title=Pentium_D0+1=1;1+0=1;1+1=10(有进位),例1求1001B+1011B。,2.减法运算规则:0-0=0;1-1=0;1-0=1;0-1=1(有借位),例2求1100B-111B。,3.乘法运算规则:00=0;01=10=0;11=1例3求1011B1101B。,即10100101B/1111B=1011B,4.除法运算规则:0/1=0;1/1=1例4求10100101B/1111B,3.2.2二进制数的逻辑运算,1.“与”运算“与”运算是实现“必须都有,否则就没有”这种逻辑关系的一种运算。运算符为“”,其运算规则如下:00=0,01=10=0,11=1例5若X=1011B,Y=1001B,求XY。,.,即XY=1001B,2.“或”运算“或”运算是实现“只要其中之一有,就有”这种逻辑关系的一种运算,其运算符为“+”。“或”运算规则如下:0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=1例6若X=10101B,Y=01101B,求X+Y。,101010110111101,+,即X+Y=11101B,3.“非”运算“非”运算是实现“求反”这种逻辑的一种运算，如变量A的“非”运算记作。其运算规则如下:,例7若A=10101B,求。,4.“异或”运算“异或”运算是实现“必须不同,否则就没有”这种逻辑的一种运算,运算符为“”。其运算规则是:,例8若X=1010B,Y=0110B,求XY。,101001101100,即XY=1100B,计算机在数的运算中,不可避免地会遇到正数和负数,那么正负符号如何表示呢？由于计算机只能识别0和1,因此,我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负。规定符号位用“0”表示正,用“1”表示负。例如,X=-1101010B,Y=+1101010B,则X表示为:11101010B,Y表示为01101010B。,3.3.1机器数及真值,1.原码、补码、反码补码机器数（符号数）：正数：符号0绝对值负数：符号12n|X|2.BCD数压缩BCD：1字节存储1位BCD数非压缩BCD：1字节存储2位BCD数3.ASCII码4.数据类型5.浮点数,3.3.2数的码制,1.原码当正数的符号位用0表示,负数的符号位用1表示,数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码,用X原表示,设X为整数。若X=+Xn-2Xn-3X1X0,则X原=0Xn-2Xn-3X1X0=X;若X=-Xn-2Xn-3X1X0,则X原=1Xn-2Xn-3X1X0=2n-1-X。其中,X为n-1位二进制数,Xn-2、Xn-3、X1、X0为二进制数0或1。例如+115和-115在计算机中（设机器数的位数是8）其原码可分别表示为+115原=01110011B;-115原=11110011B,可见,真值X与原码X原的关系为,值得注意的是,由于+0原=00000000B,而-0原=10000000B,所以数0的原码不唯一。8位二进制原码能表示的范围是:-127+127。,+115原=01110011B;-115原=11110011B,2.反码一个正数的反码,等于该数的原码;一个负数的反码,由它的正数的原码按位取反形成。反码用X反表示。若X=-Xn-2Xn-3X1X0,则X反=1Xn-2Xn-3X1X0。例如:X=+103,则X反=X原=01100111B;X=-103,X原=11100111B,则X反=10011000B。,3.补码正数的补码就是它本身,负数补码的求法:用原码求反码,再在数值末位加1,即:X补=X反+1。8位二进制补码能表示的范围为:-128+127,若超过此范围,则为溢出。对于n位计算机来说,数X的补码定义为,即正数的补码就是它本身。例如,+75补=01001001B-73补=10000000B-01001001B=10110111B0补=+0补=-0补=00000000B可见,数0的补码表示是唯一的。在用补码定义求负数补码的过程中,由于做减法不方便,一般该法不用。,负数补码的求法:用原码求反码,再在数值末位加1,即:X补=X反+1。例如:-30补=-30反+1=+30原+1=11100001+1=11100010B。8位二进制补码能表示的范围为:-128+127,若超过此范围,则为溢出。,3.4定点数和浮点数,1.定点法定点法中约定所有数据的小数点隐含在某个固定位置。对于纯小数,小数点固定在数符与数值之间;对于整数,则把小数点固定在数值部分的最后面,其格式为,纯小数表示:数符.尾数,.小数点,.小数点,2.浮点法浮点法中,数据的小数点位置不是固定不变的,而是可浮动的。因此,可将任意一个二进制数N表示成N=M2E其中,M为尾数,为纯二进制小数,E称为阶码。可见,一个浮点数有阶码和尾数两部分,且都带有表示正负的阶码符与数符,其格式为,设阶码E的位数为m位,尾数M的位数为n位,则浮点数N的取值范围为2-n2-2m+1|N|(1-2-n)22m-1为了提高精度,发挥尾数有效位的最大作用,还规定尾数数