第1章 微型计算机概述

1、授课人：何敏授课人：何敏第1章 微型计算机概述 本章要点微型计算机简介微型计算机的发展微型计算机的特点及分类微型计算机系统的组成微型计算机的主要性能指标第1章 微型计算机概述1.1 微型计算机简介 微型计算机，简称微机，微计算机，也叫个人计算机(Personal Computer,PC)，是指以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出(I/O)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。第1章 微型计算机概述 微型计算机具有体积小、重量轻、耗电少、性价比高、可靠性高和结构灵活等优点。它不仅能够完成算术运算，还能进行逻辑运算，其应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发展。随着科学技术的进一步发展

2、，微型计算机的功能也在不断的强大。目前，科学家们正在研究具有“思维能力”的智能计算机。第1章 微型计算机概述 1.2 微型计算机的发展 1946年诞生了世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分计算机），如图1-1所示。该计算机的字长为12位，加法运算速度为5000次秒，乘法运算速度为56次秒，比先前的继电器计算机快1000倍，比人工计算快20万倍。ENIAC的诞生，为计算机和信息产业的发展奠定了基础。 第1章 微型计算机概述图1-1 ENIAC（埃尼阿克）第1章 微型计算机概述 1.2.1 计算

3、机的发展历程 1.第一代计算机20世纪40年代末到50年代中期的计算机都采用电子管作为主要元件，称为第一代计算机，也就是电子管时代的计算机，主要用于科学计算。第1章 微型计算机概述 2.第二代计算机20世纪50年代中期，晶体管取代了电子管，大大缩小了计算机的体积，降低了计算机的成本，同时提高了运算速度和稳定性，这个时代的计算机称为第二代计算机，也就是晶体管时代的计算机。在应用上，计算机不仅用于科学计算，而且开始应用于数据处理和过程控制。第1章 微型计算机概述 3.第三代计算机20世纪60年代中期，集成电路的问世，出现了中、小规模集成电路构成的第三代计算机。这一时期，实时系统和计算机通信网络有了

4、一定的发展。第1章 微型计算机概述 4.第四代计算机20世纪70年代初，出现了以大规模或超大规模集成电路为主体的第四代计算机。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）。微型计算机就是这一时代的产物。第1章 微型计算机概述 5.第五代计算机目前，科学家们正在研究第五代计算机。第五代计算机也称人工智能计算机或者新一代计算机。第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不但能进行数值计算和信息的一般处理，而且具有形式化推理、联想、学习

5、和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识，并且人机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图象进行信息的交换。第1章 微型计算机概述 1.2.2 微型计算机的发展历程微型计算机的发展从1971年Intel公司首先研制成功的4位Intel 4004微处理器算起，已经走过了40多年的历史，经历了如下几个阶段的演变。第1章 微型计算机概述 1第一阶段（19711973年）这一阶段为4位或低档8位微处理器和微型计算机时代。典型产品是Intel 4004和Intel 8008微处理器以及分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微型计算机。系统结构和指令系统均比较简单，主要用

6、于家用电器和简单的控制场合。其主要技术特点如下： （1）处理器为4位或低档8位。 （2）采用PMOS工艺，集成度低。 （3）运算功能较差，速度较慢。 （4）语言主要以机器语言或简单的汇编语言为主。第1章 微型计算机概述 2第二阶段（19741978年）这一阶段为中高档8位微处理器和微型计算机时代。典型产品是Intel公司的8080/8085、Motorola公司的MC 6800和Zilog（齐格洛）公司的Z 80等微处理器以及各种8位的单片机。其主要技术特点如下： （1）处理器为中高档8位。 （2）采用NMOS工艺，集成度比第一代提高4倍左右。 （3）运算速度提高1015倍。 （4）采用机器语

7、言、汇编语言或高级语言，后期配有操作系统。第1章 微型计算机概述 3第三阶段（19781981年）这一阶段为16位微处理器和微型计算机时代。典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的MC 68000和Zilog公司的Z 8000等微处理器。在这一阶段，指令系统更加丰富和完善，采用多级中断系统、多种寻址方式、段式存储器结构和硬件乘除部件等，并配有强有力的软件系统，时钟频率为5MHz10MHz，平均指令执行时间为1s。其主要技术特点如下： （1）处理器为16位。 （2）采用HMOS工艺，集成度比第二代提高了一个数量级。 （3）运算速度比第二代提高了一个数量级。 （4）采用

8、汇编语言、高级语言并配有软件系统。第1章 微型计算机概述 4第四阶段（19812003年）这一阶段为高性能的16位和32位微处理器和微型计算机时代。典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的MC 68030/68040和Zilog公司的Z 80000等微处理器。它们具有32位数据总线和32位地址总线，平均指令执行时间为0.125s。其主要技术特点如下： （1）处理器为高性能的16位机和32位机。 （2）采用HMOS或CMOS工艺，集成度在100万晶体管/片以上。 （3）运算速度再次提高。 （4）部分软件硬化。第1章 微型计算机概述 5第五阶段(20032008年)

9、AMD（超威半导体）公司于2003年4月22日就发布了面向服务器市场的64位处理器Opteron，并且于2003年9月23日正式发布了面向桌面级用户的64位处理器Athlon 64和Athlon 64 FX。Intel公司也于2005年2月20日发布了第一款64位奔4处理器“P4 6xx”系列，并且于2004年就推出了64位的“至强”处理器，是迄今为止推出的最成功的企业级64位服务器产品。第1章 微型计算机概述Intel公司于2006年6月28日正式发布了酷睿2双核移动处理器，7月28日发布了基于酷睿2微构架的处理器，Intel公司的双核心处理器有Pentium D、Pentium EE(Pe

10、ntium Extreme Edition)和Core Duo三种类型。AMD公司也在2005年5月31日推出了双核速龙64 X2处理器。第1章 微型计算机概述Intel公司于2006年11月14日正式发布了代号为“kentsfield”的酷睿2四核处理器。AMD公司也于2007年9月10日发布了代号为“Barcelona”的四核心处理器Opteron8000。第1章 微型计算机概述 5第六阶段(2008年以后) 2008年11月17日年英特尔公司推出的64位四核心CPU，命名为“Intel Core i7”系列 。2009年，又推出酷睿i5处理器。2010年，又推出酷睿i3作为酷睿i5的进一

11、步精简版 。2011年初英特尔发布的新一代处理器微架构 SNB(Sandy Bridge )。这一构架的最大意义莫过于重新定义了“整合平台”的概念，与处理器“无缝融合”的“核芯显卡”终结了“集成显卡”的时代。 第1章 微型计算机概述 1.3 微型计算机的特点及分类微型计算机与在天文测量、天气预报、核能以及人造卫星轨迹计算等领域的大中型计算机不同，微型计算机有自己的特点和更加广泛的应用领域。 1.3.1 微型计算机的特点由于微型计算机广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此具有以下特点。第1章 微型计算机概述 1体积小、重量轻、耗能低 2可靠性高 3系统设计灵活、使用方便 4价格低廉 5维护方便

12、第1章 微型计算机概述 1.3.2 微型计算机的分类微型计算机的分类方法很多，可以从不同的角度对微型计算机进行不同的分类。 1按微处理器的字长分类字长是指CPU在单位时间内一次同时处理的二进制数的位数。根据字长，微型计算机可分为4位微型计算机、8位微型计算机、16位微型计算机、32位微型计算机和64位微型计算机。第1章 微型计算机概述 2按应用领域分类根据应用领域，微型计算机可分为数值计算微型计算机、数据处理微型计算机和实时控制微型计算机等。第1章 微型计算机概述 3按微处理器的制造工艺分类根据微处理器的制造工艺，微型计算机可分为单极型器件（MOS型器件）微型计算机和双极型器件微型计算机两大类

13、。第1章 微型计算机概述 4按微型计算机的组装形式根据组装形式，微型计算机可分为单片机、单板机和个人计算机等。第1章 微型计算机概述 1.4 微型计算机系统的组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统指的是所有能够看得见的组成计算机的物理设备，是构成计算机的实体；软件系统是指用来指挥计算机完成具体工作的程序和数据，是整个计算机的灵魂。软件和硬件相辅相承，缺一不可。第1章 微型计算机概述微型计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成。其中，运算器和控制器整合在一起，称为中央处理器或CPU；软件系统由系统软件和应用软件两大部分构成，微型计算机系统体系结构如图

14、1-6所示。第1章 微型计算机概述第1章 微型计算机概述 1.4.1 微型计算机的硬件系统 1微型计算机基本系统结构第1章 微型计算机概述 2微型计算机各组成部分的功能 （1）运算器运算器是完成二进制数据算术运算或逻辑运算的部件，它主要由算术逻辑部件（ALU， Arithmetic Logic Unit）、累加器和暂存寄存器组成。ALU是运算器的核心，具体完成算术运算和逻辑运算。累加器的字长和位数相同，用于存放参加运算的操作数和连续运算的中间结果以及最后的结果。从累加器的功能上来看，它也是一种寄存器。暂存寄存器的字长和位数也相同，它用来暂存总线送来的操作数。第1章 微型计算机概述 （2）控制器

15、控制器用来实现微型计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。一般来说，控制器必须包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器以及时序部件启停线路等四个部件，用以完成取指令、分析指令、执行指令和再取下一条指令等周而复始的工作过程。第1章 微型计算机概述 （3）存储器存储器用来存放数据和程序，是计算机各种信息的存储和交流中心。按照存储器在计算机中的作用，可分为内存储器、外存储器和高速缓冲存储器，即通常所说的三级存储体系结构。 1）内存储器：又叫主存储器，简称内存或主存。用于存放计算机当前正在执行的程序和相关数据，CPU可以直接对其进行访问。 2）外存储器：又叫辅助存储器，简称外存或辅存。用于存放

16、暂时不用的程序和数据，不能直接和CPU进行数据交换。常见的外存储器有硬盘、光盘、优盘和软盘等。 3）高速缓冲存储器：位于CPU和内存储器之间，用于解决CPU和内存之间的速度匹配问题，即通常所说的Cache。第1章 微型计算机概述 （4）输入设备输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序，输入的信息包括数字、字母和控制符号等。常见的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、游戏操纵杆、光笔、触摸屏、扫描仪、光学阅读机等。第1章 微型计算机概述 （5）输出设备输出设备用来输出计算机的处理结果，这些结果可以是数字、字母、图形和表格等，常见的输出设备有显示器和打印机等。第1章 微型计算机概述 （6）总线 总线是

17、一组公共的信息传输线，用以连接计算机的各个部件。微型计算机总线按功能可分为地址总线、数据总线和控制总线。第1章 微型计算机概述 1.4.2 微型计算机的软件系统计算机的软件系统就是所有程序、数据和相关文件的集合。不装任何软件的计算机称为裸机，这种计算机是无法正常工作的。计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。第1章 微型计算机概述 1系统软件系统软件是用来支持应用软件开发和运行的管理性软件，主要包括以下三种类型。 （1）操作系统：用于管理计算机的硬件和软件资源，使计算机能够自动地工作。 （2）语言处理程序：用于把高级语言编写的源程序编译或解释为可在计算机上运行的程序，如各类程序语言中的编译

18、程序或解释程序等。 （3）数据库系统：即Data Base System，简称DBS。是一个实际可运行的存储、维护和为应用系统提供数据的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。它通常由软件、数据库和数据管理员组成。第1章 微型计算机概述操作系统是计算机软件系统的核心，与计算机的硬件系统联系密切，是每台计算机必须配置的软件。从资源管理的观点来看，操作系统的主要功能是进行处理器管理、存储器管理、文件管理、设备管理和作业管理。常见的操作系统有DOS、Windows、UNIX和Linux等。第1章 微型计算机概述 2应用软件应用软件是指运行在系统软件提供的工作环境下，为解决各种实际问题而专门编写的程序。例如：Microsoft Office办公软件、Photoshop图像处理软件、FLASH动画制作软件和Auto CAD辅助设计软件等。第1章 微型计算机概述 1.4.3 硬件系统和软件系统的关系硬件系统和软件系统是一个