第1章微型计算机系统概论

1、课件使用说明： 1、所用计算机上应装载有flash软件或插件，本课件的动画要用。 2、单击课件上的箭头按钮，则启动动画操作。 3、单击课件上的方块按钮，则停止动画操作。二者可随时进行交换操作。第1章 1.1 1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展 1 1971：全球第一块微处理器：全球第一块微处理器4004芯片芯片 4004主要用来处理算术运算，它集成了2300多个晶体管，具有4位带宽，工作频率为108KHz，寻址空间只有640B。这些参数和当今流行的Pentium 4相比，简直就是“小巫见大巫”，但它对整个微处理器领域的影响，却远在后者之上。2 新一代新一代8位微处理器位微处理器8080

2、在1974年Intel又推出了新一代8位微处理器芯片8080。8080集成了6000个晶体管，其时钟频率为2MHz。8080是一个划时代的产品，它的诞生，使得Intel有了自己真正意义上的微处理器。3第一代微处理器第一代微处理器16位的位的8086 Intel于1978年推出了16位的微处理器芯片8086，它的出现成为70年代微处理器发展过程中的重要分水岭。4第二代微处理器第二代微处理器16位的位的80286 80286芯片于1982年2月1日正式公布，其总线带宽为16位，集成了13万多个晶体管，主频达到了20MHz。80286的24位地址总线，使得它可以访问到16MB地址空间。5 5第三代微

3、处理器第三代微处理器3232位的位的8038680386 1985年10月，Intel 推出它的第三代微处理器芯片32位的80386DX。80386DX是一块集成进了27.5万个晶体管的全32位微处理器，其时钟频率达到33MHz，数据总线和地址总线均为32位，具有4GB的物理寻址能力。它能够管理高达64TB的虚拟存储空间。6 6第四代微处理器第四代微处理器3232位的位的8048680486 Intel于1989年4月正式推出80486微处理器芯片。在一片芯片内集成了120万个晶体管的CPU，是Intel第一次将微处理器的晶体管数目突破100万只。它不仅把浮点运算部件集成进芯片之内，同时还把一

4、个其规模大小为8KB的一级高速缓冲存储器Cache也集成进了CPU芯片内。芯片的整数处理部件采用了RISC结构，以加速处理单一指令的速度，而芯片内部其他方面则保留CISC原样，用以处理复杂的指令，并保证其兼容性。第五代微处理器第五代微处理器32位的位的Pentium Intel在1993年推出了全新一代的高性能微处理器Pentium。Pentium是拉丁文“五”（Pente）和元素周期表的公用后缀IUM组合而成。其寓意是指Pentium为该公司的第五代产品，为它起了一个“奔腾”中文名字。Pentium芯片内集成进310万个晶体管，这种Pentium又被称之为经典奔腾。（1）高能奔腾（）高能奔腾

5、（Pentium Pro） Intel于1996年推出了Pentium Pro。Pentium Pro芯片内集成了550万个晶体管，内部时钟频率为133MHz，处理速度几乎是100MHz经典Pentium的2倍。Pentium Pro内的一级（片内）高速缓冲存储器Cache大小为16KB，其中8KB为指令Cache，8KB为数据Cache。在Pentium Pro的一个封装内，除Pentium Pro芯片外还包括一个256KB的二级Cache芯片，二级Cache与微处理器同频运行。这样的设计令Pentium Pro达到了最高的性能。（2） 多能奔腾（多能奔腾（Pentium MMX） 1996

6、年底Intel又推出了Pentium MMX（多能奔腾）。MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令集技术（3）二代奔腾）二代奔腾Pentium 1997年5月，Intel推出了与Pentium Pro同一个档次的Pentium。由于它代表了Pentium系列机当时的最高性能，所以将其称之为二代奔腾Pentium。 Pentium虽采用了与Pentium Pro相同的核心结构，增加了MMX指令集，以加速16位操作系统的执行速度。在Pentium里面，集成进750万个晶体管，比Pentium Pro多了200万个晶体管。 Intel将Pentium上的一级高速缓冲存储器Cache从16K

7、B加倍到32KB，（16KB指令Cache +16KB数据Cache）。（4）Pentium Intel于1999年2月发布了Pentium 芯片。Pentium 称为“多能奔腾二代处理机”。CPU主频更达到733MHz，芯片内集成进了2800万个晶体管，体积更小。Pentium 由于增加了MMX指令，其浮点运算和三维处理能力明显增强。 Pentium 增加了71条称为互联网SSE（Streaming SIMD Extensions直译为单指令多数据流扩展）的指令。（5） Pentium 4 Pentium 4是Intel新一代高性能32位微处理器，在体系结构上， Pentium II和Pen

8、tium 采用的是与Pentium Pro相同的P6结构形式，而Pentium 4采用的则是NetBurst的新式处理机结构，可以更好地处理目前互联网用户的需求。它采用的新技术主要包括：1.2 1.2 微型计算机与微处理器微型计算机与微处理器 首先简单介绍微型计算机系统、微型计算机硬件系统以及微处理器这三个常用的技术术语，以便对微型计算机系统建立一个层次化的概念。 1微型计算机系统是一个系统，是由微型计算机硬件系统和软件系统组成。软件系统是由操作系统、用于高级语言的编译程序、用于低级语言的汇编程序、数据库管理程序、系统的调试工具、以及各种应用软件程序等组成。2微型计算机硬件系统是以微处理器为核

9、心，再给它配以外围控制电路、存储器模块及其控制电路、输入/输出接口电路、用系统总线把各个部件有机地连接起来，就构成了一个典型的微型计算机硬件系统。3微处理器是微型计算机的核心，微处理器芯片通常称之为CPU。微处理器芯片是通过总线对存储器和输入/输出操作进行控制的。131 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成 1微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统 从宏观上来说，微型计算机硬件的基本构成都是由微处理器、存储器系统和输入/输出系统三大块构成，如图所示。 微处理器存储器系统 输入/输出系统总线2微处理器微处理器 计算机系统的核心部件是微处理器，充当计算机系统核心作用的微处理器，因时代的变迁和与时俱进

10、的微处理器技术的飞速发展而变化着， 它们曾经是16位的8086（8088）、80186、80286微处理器 32位的80386、80486、经典奔腾Pentium、高能奔腾Pentium Pro、二代奔腾Pentium II、Pentium III、Pentium 4， 目前的64位的微处理器。 3存储器存储器 存储器就是用来存储信息的部件。 计算机的存储器可以分为两大类： 一类叫内部存储器，简称为内存或主存； 另一类叫外部存储器，简称为外存。内存是计算机主机的一个组成部分，用它来存放当前正在使用的、或者经常使用的程序和数据。 外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。 外存总是和外部设备相关的

11、。4 4输入输入/ /输出系统输出系统 计算机系统内的输入/输出系统是人机进行信息交互的一种非常重要的手段。输入/输出系统通常是由诸如打印机、显示器、键盘、光驱、鼠标、绘图仪、扫描仪、软盘驱动器、硬盘驱动器、磁带机等设备组成。一个计算机系统配备的输入/输出设备的多少因需要而异。132 计算机软件的组成 计算机的软件包括：计算机运行时所需的各种程序，以及描述程序功能、性能、设计、内部结构及如何操作与使用的文档资料。 软件是计算机系统的灵魂，没有配备任何软件的“裸机”是无法使用。组成计算机的软件可分为：系统软件和应用软件两大类。1系统软件 （1）操作系统 (2) 语言处理程序 （3）数据库管理系统

12、 （4）实用程序与软件工具2应用软件应用软件 应用软件是计算机用户在各自的应用领域中开发和使用的程序。由于计算机的应用极其广泛，所以这类软件种类繁多，不胜枚举。 1 14 4 计算机的工作过程计算机的工作过程 计算机系统的基本功能是执行程序。程序是事先设计好的并被存放在存储器中的一串串指令组成。而硬件系统则是通过对一条条指令的操作而实现对程序的执行。 可以把一条指令的执行过程，简单的看成是两个操作步骤： 1、CPU每次先从内存储器中读取指令； 2、对从内存储器中读取指令进行译码，然后去执行被译好码的指令。 程序的执行过程是周期性的、重复地执行“取指令-分析指令-执行指令”，这样一个循环操作过程

13、。 取 下 一条指令执行指令 暂停 开始取指周期执行周期1.5 数在计算机中的表示数在计算机中的表示1.5.1 带符号数的表示带符号数的表示 数学中用正负号表示数的正负，而计算机中的数是用二进制表示的，符号位也被数字化，数字的最高位表示符号位。一般符号位为0表示正数，为1表示负数。这种连同符号位在内表示的数字称为机器数 1、原码、原码 最高位表示符号，其它位用二进制的绝对值表示的方法为原码。设有数X，则原码记作X原。例如： X1 =+1011010，则X1原=01011010 X2 =-1011010，则X2原=11011010 数0的原码有正0和负0两种表示形式： +0原=0000 -0原=

14、10002、反码、反码 正数的反码与原码相同，负数的反码为原码除符号外将其各位按位取反。例如： X1原=01011010，X1反=X1原 =01011010 X2原=11011010，X2反=10100101 数0的反码也有正0和负0两种表示形式： +0反=0000 -0反=11113、补码、补码 正数的补码与原码相同，负数的补码等与该数的反码在最低位加1。例如： X1原=01011010，X1补=01011010 X2原=11011010，X2反=10100101， X2补=10100110 数0的补码只有一种表示形式： +0补=-0补=00001.5.2 补码的运算补码的运算 在计算机中最

15、基本的运算是加、减、乘、除，实际上二进制的乘法运算可以转换为加法和左移运算，而除法可以转换为减法和右移运算。而减法可以通过补码的加法运算来实现。目前微机系统都采用补码表示数据， 采用补码运算主要是为了解决使减法运算变成加法运算的问题。补码的减法规则是： X-Y补= X补+ -Y补例：假设机器字长为8位二进制数，计算65 - 10。解： X-Y补= 65补+ -10补 65补=01000001， -10补=11110110 0 1 0 0 0 0 0 1 + 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 进位自然丢失1.6 定点数与浮点数定点数与浮点数 在计算机中带有小数部

16、分的数有定点数和浮点数两种表示形式。定点数是指将小数点的位置固定在某个位置上。浮点数是指小数点的位置可以浮动。1、定点数 如果的小数点的位置隐含固定最低位之后，表示纯整数。如果的小数点的位置隐含固定在符号位与最高位之间表示纯小数。图为表示定点整数和定点小数的示意图。符号位 数值部分符号位 数值部分隐含小数点位置隐含小数点位置2、浮点数 任一在科学计算中大多采用浮点数。浮点数由阶码和尾数两部分组成。对任意一个带符号的二进制数N的一般形式可表示为：jSN2尾符 阶码阶符尾数17 二进制编码二进制编码 在计算机只能处理二进制数据，在计算机中通常有位数不等的二进制数、BCD码和ASCII码三种表示法。

17、171 三种二进制编码的表示三种二进制编码的表示 1、位数不等的二进制数、位数不等的二进制数 有时要处理的数全是正数，把最高位也作为数值处理，这样的数称为无符号整数。 16位无符号数的取值范围为065535，32位无符号数的取值范围为04294967295。 2、BCD码码 BCD码（Binary-Coded Decimal）又称二-十进制编码或称二进制编码的十进制数。这种编码是把十进制数的每一位分别表示成四位二进制数形式的编码。 3、ASCII码码 ASCII码（American Standard Code Information Interchange）又称美国标准信息交换码。ASCII码

18、主要用于微型计算机和外设之间进行信息交换。 其中包括大、小写英文字母、数字09、 专用字符以及用于控制的特殊字符。 ASCII码是7位二进制编码，总共可以表示128个符号的编码。ASCII码的每个字符都可以用与其对应的八进制数和十六进制数表示。 一般规定一个字节的低7位存放ASCII码，最高位为0。例如数字09的ASCII为30H（00110000）39H（00111001）。172 二进制数运算二进制数运算1、二进制数的算术运算 加法运算运算规则：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（进位1） 减法运算运算规则：0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1（有借位） 乘法运算运算

19、规则：00=0 01=1 10=1 11=1 除法运算运算规则：01=0 11=12 2、二进制数的逻辑运算、二进制数的逻辑运算逻辑与运算逻辑与运算 运算规则：00=0 01=0 10=0 11=1逻辑或运算逻辑或运算 运算规则：00=0 01=1 10=1 11=1“非非”运算运算 运算规则：1=0 0=1 逻辑异或运算逻辑异或运算 运算规则：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 18 计算机计算机系统的层次结系统的层次结构构 当今大多数计算机系统是由2级或多级层次构成。目前有的甚至是6级层次计算机系统，如图所示。 面向问题的语言级 汇编语言级 操作系统机器级 指令系统体系结构级

20、微体系结构级 数字逻辑级第5级第4级第3级第2级第1级第0级硬件解释（微程序）或直接执行部分解释（操作系统）翻译（汇编程序）翻译（编译程序） 1.9 1.9 数据单位表示数据单位表示 191常用的术语常用的术语1 位位(Bit) 位是二进制数据的最小单位，一个二进制位只能表示两个状态，即0、12 字节字节(Byte) 字节在微机系统内是常用的一个名词、技术术语，1字节 = 8个二进制位，常用B表示之。3 字字(Word) 通常，把计算机在进行数据处理时，一次存取加工和传送的数据长度称为字。4 双字双字 (Double Word) 双字，就是两个字。也就是说， 双字是由两个16位的二进制数据组成，即由32位二进制数据组成。5 四字四字(Quad Word) 所谓四字，就是由2个32位的双字、或者说是由4个16位二进制数、或者说是由8个字节、或者说是由64位二进