第2章 微型计算机概述_1

1、2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授1微机原理及应用微机原理及应用第二章第二章 微型计算机概论微型计算机概论2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授2第二章第二章 微型计算机概论微型计算机概论2.1.1 计算机的发展历史 1第一台电子计算机第一台电子计算机 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）。 重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。 采用18000只电子管，

2、70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。 ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授32 2冯冯诺依曼结构计算机诺依曼结构计算机 1946年6月，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Johe Von Neumman）提出了“存储程序”的计算机设计方案。 其特点是： 采用二进制数形式表示数据和计算机指令。 指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。 由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。 工作原理的核心是“存

3、储程序”和“程序控制”。 按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机。 冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授43 3按逻辑部件化分的计算机发展阶段按逻辑部件化分的计算机发展阶段 按电子部件的演变经历了四代：（1）第一代（1946年1958年）： 电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2）第二代（1959年1964年）： 晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提高，运算速度可达每秒百万次。（3）第三代（1965年1970年）：中小规模集成电路计算机

4、 特点：存储容量14兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授5（4）第四代（1971年-）： 大规模和超大规模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。4 4按计算机应用划分的计算机发展阶段按计算机应用划分的计算机发展阶段（1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年1980年） 采用计算机

5、来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。（2）微型计算机阶段（1981年1990年） 微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。（3）计算机网络阶段（1991年至今） 计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共享。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授62.1.2 计算机的发展趋势 1未来计算机的发展趋势未来计算机的发展趋势 朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展。 当前开发和研究的热点是多媒体计算机。 未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。 今后

6、计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术。 非冯诺依曼型体系结构的计算机是提高现代计算机性能的另一个研究焦点。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授72 2新型计算机新型计算机 神经网络计算机：建立在人工神经网络研究的基础上，从内部基本结构来模拟人脑的神经系统。用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，并利用神经元节点的分布式存储和相互关联来模拟人脑的活动。 生物计算机：使用由生物工程技术产生的蛋白分子为材料的“生物芯片”，不仅具有巨大的存储能力，而且能以波的形式传播信息。由于它具备生物体的某些机能，所以更易于模拟人脑的机制。 光子计算机：用光子代替电子，用光互连代替导线互

7、连，用光硬件代替电子硬件，用光运算代替电子运算。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授83计算机与信息化 信息化就是全面发展和利用现代信息技术，借以提高人类社会的生产、工作、学习、生活等诸方面的效率和创造能力，使社会的物质财富和精神文明得到最大提高。 信息化特点 信息成为重要的战略资源 信息产业成为最大的产业 信息网络成为社会的基础信息 信息化三大技术支柱 计算机技术 通信技术 网络技术2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授92.1.3 计算机的特点、分类及应用 1计算机的特点计算机的特点运算速度快：PC机每秒种可以处理几百万条指令，巨型机的运算速度可以达到几亿

8、次以上。计算精度高：普通微型计算机的计算精度已达到3264位二进制数。具有“记忆”和逻辑判断功能：“记忆”功能指的是计算机能够存储大量信息，供用户随时检索和查询。逻辑判断功能指的是计算机不仅能够进行算术运算，还能进行逻辑运算和实践推理。记忆功能、算术运算和逻辑运算相结合，使得计算机能够模仿人类的某些智能活动，成为人类脑力延伸的主要工具，所以计算机又称为“电脑”。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授10 能自动运行并且具备人机交互功能：自动运行是把问题编成程序输入计算机中，发出运行指令后，计算机便在该程序控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。人机交互则是在人想要干预时，采用人机

9、对话形式，有针对性地解决问题。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授112 计算机的分类 个人计算机：面向个人或家庭使用的低档微型计算机。 工作站：介于PC机和小型机之间的高档微型机。 小型计算机：结构简单、成本较低、易维护和使用。其规模和设置可以满足一个中小型部门的工作需要。 主机：具有大容量存储器，多种类型的I/O通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模和配置可以满足一个大中型部门的工作需要。 小巨型计算机：也称为桌上型超级计算机。最大的特点是价格便宜，并且具有较好的性能价格比。 巨型计算机：也称为超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端

10、科技领域。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授123 3计算机的应用计算机的应用 科学计算：也称为数值计算，是指用计算机来解决科学研究和工程技术中所提出的复杂的数学及数值计算问题。 数据处理：数据处理也称为信息处理，是人们利用计算机对所获取的信息进行采集、记录、整理、加工、存储和传输，并进行综合分析等。 过程控制：过程控制是用传感器在现场采集受控对象的数据，通过比较器求出与设定数据的偏差，由计算机按控制模型进行计算，产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制和调整。 计算机辅助系统：是采用计算机进行各种辅助功能的系统。例如，CAD、CAM、CAT、CAE和CAI等。

11、 人工智能：是用计算机执行某些与人的智能活动有关的复杂功能，模拟人类的某些智力活动，如图形和声音的识别，推理和学习的过程。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授132.2 计算机的基本结构和工作原理计算机的基本结构和工作原理 2.2.1 计算机的基本结构计算机的基本结构运算器存储器输出设备输入设备控制器程序和原始数据计算结果2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授14 各部分的主要功能：（1）输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。（2）输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。（3）存储器：用来存放程序和数据。

12、在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。（4）运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU（Arithmetic and Logic Unit）。（5）控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。 计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授152.2.2 计算机的工作原理 1存储程序原理存储程序原理 把

13、事先编制好的由计算机指令组成的程序存放到存储器内，计算机在运算时依次取出指令，根据指令的功能进行相应的运算，这就是存储程序原理。2程序的自动执行程序的自动执行 程序在执行前先装入内存储器，CPU负责从内存中逐条取出指令，分析识别指令，最后执行指令，从而完成一条指令的执行周期。 程序的执行流程： 取指令分析指令执行指令。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授162.3 2.3 微型计算机的基本概念微型计算机的基本概念 2.3.1 2.3.1 微处理器的产生和发展微处理器的产生和发展 将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路 芯 片 上 作 为 中 央 处 理 部 件

14、 ， 简 称 为 微 处 理 器（Microprocessor）。微型计算机是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路等芯片构成的。按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变: 第一代（1971年1973年）：4位和8位低档微处理器 第二代（1974年1978年）：8位中高档微处理器 第三代（1978年1980年）：16位微处理器 第四代（1981年1992年）：32位微处理器 第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理器 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授172.3.2 微型计算机的分类微型计算机的分类 1按照按照CPU的字长来分类的字长来分类 有4位、8

15、位、16位、32位、64位微型计算机等。2按照微处理器器件的工艺来分类按照微处理器器件的工艺来分类 可分成MOS工艺、双极型TTL工艺的微处理器。3按照微型计算机的利用形态来分类按照微型计算机的利用形态来分类 有单片机、单板机、位片机、微机系统等。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授182.3.3 微型计算机的性能指标介绍微型计算机的性能指标介绍 位：位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。 字长：字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。 字节（字节（ByteByte）：）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。 字：字：是计算机内部进行数据处

16、理的基本单位。 主频：主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。 访存空间：访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。 指令数：指令数：构成微型计算机的操作命令数。 基本指令执行时间：基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。 可靠性：可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。 兼容性：兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。 性能价格比：性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授192.4 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 2.4.1 微型计算机系统的一般

17、结构微型计算机系统的一般结构 微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 ： 硬件微计算机外围设备微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授20软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授21硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。 硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件系统是指为计

18、算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。 软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。 计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作 。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授22Most microprocessors available are standard Von Neumann machines2.4.2 2.4.2 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授23微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）数据总线（双向）地址总

19、线（单向）地址总线（单向）控制总线控制总线2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授24各组成模块及其功能：各组成模块及其功能： 1中央处理单元中央处理单元 中央处理单元CPU(Control Processing Unit)是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称处理器(Processor)。 2主存储器主存储器 主存储器是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。 按其功能和性能，可以分为： 随机存储器RAM（Random Access Memory） 只读存储器ROM（Read Only

20、 Memory） 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授253系统总线系统总线 系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下3种：数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。4输入输出接口电路输入输出接口电路 输入/输出接口电路也称为I/O（Input /Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微

21、型计算机外部设备交换信息的桥梁。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授265主机板主机板 主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有CPU芯片、内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。 6外存储器外存储器 分为软磁盘、硬磁盘、光盘存储器。 磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，统称为磁盘机。 光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。7输入输入/输入设备输入设备 计算机最常用的输入设备是键盘和鼠标。 计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。 2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授272.4.3 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统 计算机软

22、件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。 计算机的软件系统通常采用分层设计关系。处在低层的软件要向上层软件提供服务，上层软件必须在低层软件支持下才能运行。2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授282021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授29l 驱动软件(Firmware、固件)最基本和最基础的各种设备的驱动和管理程序,最底层的直接面向硬件系统。 BIOsl 系统软件(Operating System、操作系统)的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。 Windows XP、Windows7/8、l 应用软件(Applications)处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。 Word、2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授302.4.4 计算机语言计算机语言 计算机语言也称为程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。 机器语言 汇编语言 高级语言2021-12-21华东师大 通信工程系 马潮 副教授312.5 微型计算机的特点及应用微型计算机的特点及应用 2.5.1 .5.1 微型计算机的特点微型计算机的