第1章_微型计算机

1、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术莫善军中山大学工学院Tel:(020)39332927课程内容 CPU如何工作？ 什么可以控制CPU汇编语言？ 怎样让汇编语言控制CPU接口？2懂得原理+掌握汇编+了解接口设计、开发、控制全国计算机等级考试（全国计算机等级考试（National Computer Rank ExaminationNational Computer Rank Examination，简称，简称NCRENCRE）C程序设计（计算机算法语言）嵌入式系统开发技术操作系统原理计算机组成与接口计算机网络数据库原理软件工程上课安排 理论课： 微机原理与接口技术（第3版）. 冯博

2、琴，吴宁主编. 清华大学出版社 1-16周 实验课： 微机原理与接口技术题解及实验指导（第3版）. 吴宁，陈文革编. 清华大学出版社 1-16周4第一台电脑诞生在情人节第一台电脑诞生在情人节 使用时全城电灯变暗使用时全城电灯变暗5世界上第一台电子计算机“埃尼阿克” 莫克利博士 第一台数字计算机性能指标第一台数字计算机性能指标6莫奇来和爱克特ENIAC长长30.48米，宽米，宽1米，占地面米，占地面积积 1 7 0 平 方 米平 方 米 ,30个操作台个操作台,重达重达30吨，耗吨，耗电量电量150千瓦，造价千瓦，造价48万美万美元，元，6000多个开关，每秒多个开关，每秒运行运行5000次加法

3、或次加法或400次乘次乘法 ， 是 继 电 器 计 算 机 的法 ， 是 继 电 器 计 算 机 的1000倍，手工计算的倍，手工计算的20万万倍。倍。计算一个算术题只要计算一个算术题只要2分钟，但为此付出的准备分钟，但为此付出的准备工作却要工作却要2天天.约翰约翰 冯冯 诺依曼诺依曼 JOhn von NeumannJOhn von Neumannn19031903年年1212月月2828日，出生于匈牙利布达佩日，出生于匈牙利布达佩斯斯. .n19291929年冯年冯诺依曼受聘前往美国普林斯诺依曼受聘前往美国普林斯顿大学任教。顿大学任教。n19331933年，普林斯顿大学高等研究院任命年，普

4、林斯顿大学高等研究院任命了包括爱因斯坦在内的第一批了包括爱因斯坦在内的第一批6 6位终身教位终身教授，冯授，冯诺依曼是其中最年轻的一位。诺依曼是其中最年轻的一位。19571957年年2 2月月8 8日，冯日，冯诺依曼因患癌症去世，诺依曼因患癌症去世，终年终年5454岁岁. .n冯冯诺依曼一生在数学、量子物理学、诺依曼一生在数学、量子物理学、逻辑学、军事学、对策论等诸多领域均有逻辑学、军事学、对策论等诸多领域均有建树，但参与人类第一台实用数字电子计建树，但参与人类第一台实用数字电子计算机的研究却始于偶然。但还是被公认为算机的研究却始于偶然。但还是被公认为现代计算机之父现代计算机之父. .89模块

5、化 无线化10视觉输入系统 智能化 电子化宠物 http:/ 计算机原理：体系结构二进制存储程序 摩尔定律1965年英特尔公司 1969年高登摩尔集成电路之父集成电路之父罗伯特诺伊斯微处理器之父特德霍夫 微软帝国微软帝国比尔盖茨 苹果创始人史蒂夫乔布斯 IT偏执狂安德鲁.葛洛夫 现在Intel的舵手 克雷格 R.贝瑞特 第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论五部分内容： 1 80 x86系列的发展历史系列的发展历史 2 计算机基础 3 计算机的硬件和软件 4 微型计算机的结构 5 计算机数制三个问题： 80X86发展 计算机基本原理（程序执行、寻址方式） 微机结构1380X86微

6、处理器发展型号发布年份字长晶体管数主频数据宽总线寻址缓存80861978162.9万4.7716161M无80881979162.9万4.771681M无8028619821613.4万620161616M无8038619863227.5万12.53332324G有804861989321201602510032324G8KBPentium（586）19933231033060166643264G8KB8KBPentiumPro(P6)1995325501550150200643664G8KB8KBPentium II199732750233333643664GPentium III19993

7、210003501000643664GPentium 420013213001000643664G14Intel 芯片154004微处理器1971 8088微处理器1981 奔腾时代 1993迅驰2003 80X86微处理器发展课本课本P 5 Intel主要主要CPU芯片一览表芯片一览表第一代微处理器第一代微处理器 Intel4004、Intel4040 4位微处理器位微处理器Intel8008 低档低档8位微处理器位微处理器第二代微处理器第二代微处理器Intel8080、MC6800、6501、6502 8位微处理器位微处理器Intel8085、Z80、MC6809 高档高档8位微处理器位微

8、处理器指令比较完善，有了中断与指令比较完善，有了中断与DMA汇编、汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M 后期配备后期配备CP/M操作系统操作系统 1680X86微处理器发展 第三代微处理器第三代微处理器 Intel8086 、Z8000、MC68000 16位位 - 8086数据总线数据总线16位、地址总线位、地址总线20位位 Intel8088 准准16位位 - 外部数据总线外部数据总线8位，内部数据总线位，内部数据总线16位位- IBM PC、IBM PC/XT Intel80286、MC68010 高档高档16位位 - 数据总线数据总线16位，地址总线位，地址总线24位位 - IB

9、M PC/AT - 实地址模式、虚地址保护模式实地址模式、虚地址保护模式 -虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址16MB物理地址和物理地址和1GB的虚拟地址空间的虚拟地址空间1780X86微处理器发展 第四代微处理器第四代微处理器 Intel80386 32位微处理器位微处理器- 数据总线数据总线32位，地址总线位，地址总线32位位 - 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式模式 - 虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和物理地址和64TB(246)的虚拟地址空间的虚拟地址空间 Intel80486 32位微处理器位微处理器- 80386+

10、80387+8KB的的Cache - 部分采用部分采用RISC技术、突发总线技术技术、突发总线技术 - 使用时钟倍频技术使用时钟倍频技术18Intel 公司19 第五代微处理器第五代微处理器 Pentium（奔腾）（奔腾） 32位微处理器位微处理器- 5级超标量结构、分支预测技术级超标量结构、分支预测技术 - 64条数据线、条数据线、32条地址线条地址线- 常用指令硬件化，使用微程序设计常用指令硬件化，使用微程序设计 Pentium MMX（多能奔腾）（多能奔腾） 32位位- 增加了增加了57条条MMX指令指令- 采用了采用了SIMD技术技术 第六代微处理器第六代微处理器 (P6核心结构核心结

11、构) Pentium Pro（高能奔腾）（高能奔腾） 32位位- 64条数据线、条数据线、36条地址线条地址线- 实现了动态执行技术实现了动态执行技术(乱序执行乱序执行) Pentium II（奔腾（奔腾2） 32位微处理器位微处理器- 是是Pentium Pro + MMX - 双独立总线结构双独立总线结构 Pentium III（奔腾（奔腾3） 32位微处理器位微处理器- 增加了增加了70条条SSE指令指令- 首次内置序列号首次内置序列号 2080X86微处理器发展 第七代微处理器第七代微处理器 (P6核心结构核心结构) Pentium 4 32位微处理器位微处理器(NetBurst核心结

12、构核心结构)- 超级管道技术超级管道技术- 增加了增加了144条条SSE2指令指令- 简单简单ALU运行在运行在2倍的处理器核心频率下倍的处理器核心频率下 Itanium 64位微处理器位微处理器- 采用采用EPIC技术、技术、RISC技术和技术和CISC技术技术 - 具有显示并行功能具有显示并行功能 - 具有断定执行功能具有断定执行功能 - 具有数据预装的功能具有数据预装的功能 - 采用三级高速缓存采用三级高速缓存 2180X86微处理器发展 第八代微处理器第八代微处理器 Pentium D 双核微处理器双核微处理器(NetBurst核心结构核心结构)-每个核心采用独立式缓存设计，两个核心共

13、享前端总线每个核心采用独立式缓存设计，两个核心共享前端总线 -有有820(2.8GHz)、830(3.0GHz)和和840(3.2GHz) Core 2 Duo 双核微处理器双核微处理器-基于共享缓存的紧密型双核心处理器基于共享缓存的紧密型双核心处理器 - Smart Cache共享缓存技术共享缓存技术 - 2-4M L2 Cache - 分为分为E系列和系列和Q系列（系列（E为双核心，为双核心，Q为为4核心核心8MB缓存）缓存） Pentium E 双核微处理器双核微处理器(Core核心结构核心结构)- 酷睿酷睿2的降频版本减小了二级缓存的降频版本减小了二级缓存 -最新的功耗仅最新的功耗仅1

14、9W 2223主要参数主要参数芯片厂方Intel型号Core i3 530/盒装产品定位中端主流接口类型LGA 1156核心类型Clarkdale生产工艺32纳米核心电压0.6500V-1.4000V主频2.93GHz外频外频 133MHz倍频22X一级缓存264K二级缓存2256K三级缓存4M功能参数功能参数核心数量双核显示核心型号Intel HD Graphic显示核心频率有奖纠错733MHz超线程技术支持超线程技术64位处理器是TDP技术支持TDP技术Virtualization(虚拟化)支持Virtualization(虚拟化)技术工作功率73W其它参数其它参数包装盒装属性关键字64位

15、处理器,超线程,双核处理器保修时间、方式三年保修主要参数主要参数芯片厂方AMD型号PhenomII X4 955/黑盒产品定位高端发烧接口类型Socket AM3(938)核心类型Deneb生产工艺45纳米核心电压1.35V主频3.2GHz外频外频 200MHz倍频16X一级缓存4128K二级缓存4512K三级缓存6M功能参数功能参数核心数量四核HyperTransport总线技术支持HyperTransport总线技术超线程技术无超线程技术64位处理器是Virtualization(虚拟化)支持Virtualization(虚拟化)技术工作功率125W其它参数其它参数包装盒装其它性能7.61

16、亿个晶体管/支持SSE,SSE2,SSE3,SSE4A多媒体指令集和X86-64运算指令集/支持HT3.0总线,支持双通道DDR2内存和DDR3内存,不锁定倍频属性关键字64位处理器24芯片厂方Intel型号Core i7 2600产品定位高端发烧接口类型LGA 1155核心类型Sandy Bridge生产工艺32纳米主频3.4GHz动态加速3.8GHz外频外频 100MHz倍频34X一级缓存464K二级缓存4256K三级缓存8M功能参数功能参数核心数量四核显示核心型号Intel HD Graphic 2000显示核心频率850MHz超线程技术支持超线程技术64位处理器是TDP技术支持TDP技

17、术Virtualization(虚拟化)支持Virtualization(虚拟化)技术工作功率95W其它参数其它参数包装盒装属性关键字64位处理器,超线程,四核处理器保修时间、方式三年保修芯片厂方Intel型号型号Core i7 980X Extreme Core i7 980X Extreme EditionEdition产品定位高端发烧接口类型LGA 1366核心类型Gulftown生产工艺32纳米核心电压0.800V-1.375V主频3.33GHz动态加速3.6GHz外频外频 133MHz倍频25X一级缓存664K二级缓存6256K三级缓存12MQPI总线6.4GT/S功能参数功能参数核

18、心数量六核超线程技术支持超线程技术64位处理器是TDP技术支持TDP技术Virtualization(虚拟化)支持Virtualization(虚拟化)技术工作功率130W其它参数其它参数包装盒装属性关键字64位处理器,超线程,六核处理器保修时间、方式有奖纠错三年保修AMD公司（超威半导体AMD，Advanced Micro Devices, Inc.） 1969年，先后有8人从当时知名的半导体制造企业仙童公司辞职，其中诺斯、摩尔、葛鲁夫三人创办了INTEL公司，还有一个人创建了AMD，他就是杰里-桑德斯。这两家公司总部都建在硅谷。 在286、386时代，AMD根本没有能力独立设计微处理器，它

19、那时制造的CPU都是由INTEL提供设计图纸，这种情况一直延续到K5的出现。 AMD收购NEXGEN公司后，在1997年4月推出K6处理器，此后它的竞争能力日益扩大，并推出了更多令INTEL感到竞争压力的微处理器。 时至今日，处理器市场形成了INTEL与AMD双雄争霸的局面。 25中国“龙芯” 漫漫征程路 2002年9月28日上午9点，中国科学院计算技术研究所正式发布国内首枚高性能通用CPU芯片-龙芯(Godson)的最新版本。这款首枚中国自主研发的高性能通用CPU芯片采用0.18微米工艺制造，目前主频最高可以达到266MHZ。 2005年03月29日，中科院计算技术研究所在北京正式发布“龙芯

20、2号” 。该芯片的实测性能超过1.5GHz奔腾处理器的水平。 中科院龙芯主设计师胡伟武在其龙芯3号多核处理器设计及其挑战的报告中指出，龙芯3号多核处理器结构特征是多平台并行虚拟机结构，第一阶段到2008年做816核，第二阶段到2010年做3264核。 2627小名叫“狗剩”的中国龙芯 上海交大陈进汉芯造假 第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论五部分内容： 1 80 x86系列的概要历史 2 计算机工作原理计算机工作原理 3 计算机的硬件和软件 4 微型计算机的结构 5 计算机数制三个问题： 80X86发展 计算机基本原理（程序执行、寻址方式）计算机基本原理（程序执行、寻址方式）

21、 微机结构282.1 2.1 计算机基本结构计算机基本结构 基本硬件结构29o 重要的定义：微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器、微型计算机、微型计算机系统运算器存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备微处理器微处理器 运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU(Central Processing Unit)。随着半导体集成电路技术的发展，可以把整个把整个CPU集成在一个集成集成在一个集成电路芯片上，就把它称为微处理器电路芯片上，就把它称为微处理器(Microprocessor)。 30芯片31芯片里面到底装着什么？2.2 2.2 计算机基本工作原理计算机基本工作原

22、理 32EUBIU计算机工作原理 以运算器为核心、以存储程序为基础33运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器指令指令驱动驱动指令流控制命令数据流指令执行过程(取指/译码/执行)34地址寄存器AR累加器A加法器加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011 00000000 01010000 01000000 10001111 0100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOV AX, 5ADD AX, 8HLT地址总线+1地址译码器读写控制电路输出地址输出地址1011 0000锁存指令锁存指令锁存数据锁存数据置初

23、值置初值输出指输出指令地址令地址锁存地址锁存地址读写命令读写命令指令译码指令译码锁存输出35内存储器内存储器CPU数数据据区区程程序序区区地址运算结果运算结果地址码地址码自动加“1”转移地址操作控制信号操作控制信号程序计数器译码器 指令寄存器 运算器运算器寄存器指令指令数据数据操作码操作码操作控制部件累加器程序的执行过程36程序指令1指令2指令3指令4指令n 取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论五部分内容： 1 80 x86系列的概要历史 2 计算机基础（基本原理） 3 计算机的硬件和软件计算机的硬件和软件 4 微型

24、计算机的结构 5 计算机数制三个问题： 80X86发展 计算机基本原理（程序执行、寻址方式） 微机结构373.计算机的硬件和软件39微型机微型机 系统系统 运算器运算器 控制器控制器 只读存储器只读存储器(ROM) 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)中央处理器中央处理器内存储器内存储器主机主机硬件硬件软件软件外部设备外部设备系统软件系统软件应用软件应用软件通用应用软件通用应用软件 专用应用软件专用应用软件(用户程序用户程序)操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序 数据库管理系统数据库管理系统 服务程序服务程序外存储器外存储器输入设备输入设备 输出设备输出设备系统软件 为了使用和管理计算机

25、由机器的设计者提供的软件，统称为系统软件。系统软件包括：(1) 各种语言和它们的汇编或解释、编译程序；(2) 机器的监控管理程序(Monitor)、调试程序(Debug)、故障检查和诊断程序；(3) 程序库。为了扩大计算机的功能，便于用户使用，机器中设置了各种标准子程序，这些子程序的总和就形成了程序库；(4) 操作系统。 403.1 系统软件 41Windows20年黑暗到光明黑暗到光明MS-DOS：Microsoft在Windows之前制造的操作系统Windows 1.0Windows 2.0Windows 3.0Windows 3.1Windows NT 3.1Windows 3.2 色彩

26、斑斓的年代色彩斑斓的年代Windows 95Windows NT 4.0Windows 98Windows MEWindows 2000Windows XPWindows Server 2003Windows Vista423.2 应用软件 用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些程序就称为应用软件。应用软件也可以逐步标准化、模块化、逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合，称为软件包(Package)。 43第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论五部分内容： 1 80 x86系列的概要历史 2 计算机基础 3 计算机的硬件和软件 4

27、微型计算机的结构微型计算机的结构 5 计算机数制三个问题： 80X86发展 计算机基本原理（程序执行、寻址方式） 微机结构微机结构44微型计算机的概念结构微型计算机的概念结构45存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备CPU数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/O接口AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus存储器由上至下容量越来越大，速度越来越慢，价格越来越低46 通用寄存器堆及通用寄存器堆及 指令、数据缓冲栈指令、数据缓冲栈 高速缓存高速缓存 主存储器主存储器 联机外存储器联机外存储器 脱机外存储器

28、脱机外存储器DRAMSRAMCache半导体存储器磁性材料PROMEPROMEEPROMPROMEPROMEEPROM主机板 CPU插座 芯片组 内存插槽 高速缓存（Cache） CMOS存放硬件系统参数 系统BIOSPOST, SysInit, Setup, 系统服务 总线扩展槽 串/并行接口 47主板结构主板结构微机硬件系统组成框图48CPU北桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡外设总线扩展槽输入/输出接口 接口是CPU与外部设备间的桥梁49CPUI/OI/O接口接口外外设设

29、50多媒体声卡多媒体声卡 显示卡显示卡内存条内存条第第1 1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论五部分内容： 1 80 x86系列的概要历史 2 计算机基础 3 计算机的硬件和软件 4 微型计算机的结构 5 计算机数制计算机数制三个问题： 80X86发展 计算机基本原理（程序执行、寻址方式） 微机结构51计算机数制 计算机数字编码（B、O、H、D） 二进制、八进制、十六进制、十进制转换2-8：三位并一位；8-2：一位拆三位2-16：四位并一位；16-2：一位拆四位8-16或16-8：先到2过渡10-2、8、16：整数部分：除基取余，逆序取数。小数部分：乘基取整，顺序取余。52十进制到非十进制数的转换 到二进制的转换： 对整数：除2取余； 对小数：乘2取整。 到十六进制的转换： 对整数：除16取余； 对小数：乘16取整。53二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数 例： 25.5= 11001.1B= 19.8H 11001010