第一讲微型计算机概述

1、计算机的发展计算机的发展计算机系统的组成计算机系统的组成计算机中的信息表示计算机中的信息表示起止起止年份年份代别代别主要主要逻辑元件逻辑元件软软 件件1946-19571946-1957一电子管电子管机器语言、汇编语言。机器语言、汇编语言。用于军事和国防尖端技术用于军事和国防尖端技术1958-19641958-1964二晶体管晶体管高级语言、监控程序、简单操作系统高级语言、监控程序、简单操作系统用于工程技术、数据处理和其它科学用于工程技术、数据处理和其它科学1965-19701965-1970三集成电路集成电路功能较强的操作系统、会话式语言功能较强的操作系统、会话式语言采用微程序、流水线等技术

2、采用微程序、流水线等技术1970-1970-至今至今四大规模或超大规模或超大规模集成大规模集成电路电路采用半导体存储器，器件速度更快采用半导体存储器，器件速度更快, , 软件、软件、外设更加丰富外设更加丰富 采用图形界面操作系统，软件工程、数采用图形界面操作系统，软件工程、数据库、语言编译系统和网络软件据库、语言编译系统和网络软件引言引言 第一代：电子管计算机第一代：电子管计算机世界上第一台计算机：世界上第一台计算机： ENIAC 第二代：晶体管计算机第二代：晶体管计算机第一台第一台晶体管计算机晶体管计算机TRADICTRADIC 第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机第一台第一台集成电

3、路计算机集成电路计算机IBM 360IBM 360 第四代：大规模、超大规模集成电第四代：大规模、超大规模集成电路计算机路计算机两个概念：两个概念： 微处理器微处理器（MicroProcessorMicroProcessor）：）：也称中也称中央处理单元（央处理单元（Central Processing UnitCentral Processing Unit）, ,简称为简称为CPUCPU。是微型计算机的核心芯片，将计是微型计算机的核心芯片，将计算机中的算机中的运算器运算器和和控制器控制器集成在一片硅片上集成在一片硅片上制成的集成电路。制成的集成电路。 微型计算机微型计算机（MicroComp

4、uterMicroComputer）: :由微处理由微处理器器( (CPU)CPU)、存储器和存储器和I/OI/O接口电路组成的计算接口电路组成的计算机。机。 第一代微处理器第一代微处理器 （19711971年年-1973-1973年）年） Intel4004、Intel4040 4位位微处理器微处理器 Intel8008 低档低档8位微处理位微处理器器Intel 4004Intel 8008第二代微处理器第二代微处理器（19741974年年-1977-1977年）年） Intel8080、MC6800、6501、6502 8位微处理器位微处理器 Intel8085、Z80、MC6809 高档

5、高档8位微处理器位微处理器Intel 8085第三代微处理器第三代微处理器 （19781978年年-1984-1984年）年） Intel8086 、Z8000、MC68000 16位位 Intel8088 准准16位位 Intel80286、MC68010 高档高档16位位 第四代微处理器第四代微处理器 （19851985年年-1992-1992年）年） Intel80386 32位位微处理器微处理器 Intel80486 32位位微处理器微处理器第五代微处理器第五代微处理器 （19931993年年-1999-1999年）年） Pentium（奔腾）（奔腾） 32位位微处理器微处理器 Pen

6、tium MMX（多能奔腾）（多能奔腾） 32位微处理器位微处理器 Pentium Pro（高能奔腾）（高能奔腾） 32位微处理器位微处理器 Pentium II（奔腾（奔腾2） 32位微处理器位微处理器 Pentium III（奔腾（奔腾3） 32位微处理器位微处理器第六代微处理器第六代微处理器 （20002000年以后）年以后） Pentium 4 32位微处理位微处理器器(非非P6核心结构核心结构) Itanium 64位微处理器位微处理器 AMD64 64位微处理器位微处理器Intel 双核心处理器双核心处理器AMD 双核心处理器双核心处理器冯冯诺依曼计算机的组成诺依曼计算机的组成 I

7、BMIBM新芯片模拟人脑功能新芯片模拟人脑功能 内存处理器合二为一内存处理器合二为一 研究人员的长期目标是建立一个有100亿个“神经元”和100万亿个“神经突触”的芯片系统，容量不超过两升，每小时耗电只有1度。美国美国IBM公司布的可以模拟人脑处理信息方式的认知计算机芯片公司布的可以模拟人脑处理信息方式的认知计算机芯片两名研究人员在用新款芯片计算机进行机器视觉试验两名研究人员在用新款芯片计算机进行机器视觉试验 第五代：智能计算机第五代：智能计算机 系统设计中考虑了编制知识库管理系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行知识进行判断

8、和推理判断和推理。 主要特征主要特征：是具备人工智能，能像：是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和推理，其软硬件系统支持高度并行和推理，其软件系统能够处理知识信息件系统能够处理知识信息 第六代：生物计算机第六代：生物计算机 DNA DNA的双螺旋结构能容纳巨量信息，其的双螺旋结构能容纳巨量信息，其存储量相当于半导体芯片的数百万倍存储量相当于半导体芯片的数百万倍 一个一个蛋白质分子就是存储体蛋白质分子就是存储体，而且阻，而且阻抗低、能耗小、发热量极低抗低、能耗小、发热量极低 利用蛋白质分子制造出利用蛋白质分子制造出基因芯片基因芯

9、片，研制，研制生物计算机（也称分子计算机、基因计算生物计算机（也称分子计算机、基因计算机），已成为当今计算机技术的最前沿。机），已成为当今计算机技术的最前沿。智能智能微型微型快速快速普及普及计算机的发展方向计算机的发展方向外部设备外部设备 软件软件微型计算机系统微型计算机系统微机系统的三个层次微机系统的三个层次内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路微型计算机微型计算机P3P3运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 微处理器微处理器硬件微型计算机（主机）微处理器 (MPU)软件外围设备运算器控制器存储器 (内存)RAMROM外部设备辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音

10、识别仪) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) 总线 (AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 （1 1）字长（数据总线宽度）字长（数据总线宽度） 指计算机一次可处理的二进制数的位数。指计算机一次可处理的二进制数的位数。 不同类型的不同类型的CPUCPU有不同的字长。有不同的字长。 如如: Intel 4004 : Intel 4

11、004 是是 4 4 位位 8080 8080 是是 8 8 位位 8088/ 8088/ 80868086/80286 /80286 是是 16 16 位位 80386/8048680386/80486、Pentium Pentium 是是 3232位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数被加数 + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数加数进位进位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和32位位 1次次 4位位

12、 8次次8位位 4次次16位位 2次次微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标（2）存储器容量）存储器容量 一般以一般以字节字节为单位来表示，常用单位：为单位来表示，常用单位： 210=1024=1KB 220=1024KB=1MB 230=1GB 240=1TB内部容量内部容量外部容量外部容量最大容量最大容量实际装机容量实际装机容量（3 3）速度）速度 一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示，一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示，通常用主频来衡量通常用主频来衡量 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 主频主频：CPUCPU的时钟频率。一般说来的时钟频率。一般说来, ,主频主频越高越

13、高,CPU,CPU的速度越快。的速度越快。硬件微型计算机（主机）微处理器 (MPU)外围设备运算器控制器存储器 (内存)RAMROM外部设备辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) 总线 (AB、DB、CB)电源电路时钟电路微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构P5P5指令寄存器指令寄存器（IR)指令译码器指令译码器（ID)操作控制器操作控制器（OC)寄寄存存器器组组(IR)通用寄存器组通用寄存器组堆栈指针堆栈指针(SP)程序计数器程序计数器(PC)累加器累加器(A

14、CC)累加器锁存器累加器锁存器暂存器暂存器标志寄存器标志寄存器(FR)地址缓存器地址缓存器数据缓存器数据缓存器内部总线内部总线控制器控制器运算器运算器控制总线控制总线(CB)地址总线地址总线(AB)数据总线数据总线(DB)微处理器典型结构示意图微处理器典型结构示意图ALUn根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111输输出出设设备备输输入入设设备备存存储储器器CPU运算器运算

15、器控制器控制器图图 计算机的结构框图计算机的结构框图 P11P11PS2鼠标鼠标PS2键盘键盘千兆网千兆网10/100M网卡网卡USB并行口并行口MIDI/游戏接口游戏接口显示器接口显示器接口13941394a麦克风麦克风/音箱音箱/线线入接口入接口串行口串行口输入输入/输出输出(I/O)设备的接口设备的接口I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPU计算机中的信息表示计算机中的信息表示 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法 有符号数的表示有符号数的表示 无符号数的表示无符号数的表示 数的定点、浮点表示数的定点、

16、浮点表示 计算机中数的运算计算机中数的运算补码运算补码运算溢出判断溢出判断BCDBCD码运算码运算十进制调整十进制调整P11P11XXYY补补=X=X补补+YY补补例：例： X=33,Y=45,X=33,Y=45,求求X+YX+Y、X-YX-Y。( (采用补码运算采用补码运算) )解：解：XX补补0010000100100001 Y Y补补0010110100101101，-Y-Y补补1101001111010011 X+Y X+Y补补 XX补补+ Y+ Y补补=01001110=01001110 X-Y X-Y补补 XX补补+ -Y+ -Y补补=11110100=11110100 X+Y =

17、 X+Y X+Y = X+Y补补 补补=01001110=(+78)=01001110=(+78)1010 X-Y = X-Y X-Y = X-Y补补 补补=10001100=(-12)=10001100=(-12)1010补码运算及溢出判别：补码运算及溢出判别：补码运算优点： 正、负数与其补码的转换均可通过求补运算实现。 减法可转换为加法。 符号数和无符号数的加法可采用同一加法器电路完成。溢出：溢出： 当超出补码表示范围时，结果不当超出补码表示范围时，结果不正确。这种情况称为正确。这种情况称为溢出溢出P17P17 一般采用一般采用“双进位位双进位位”法，又称法，又称“双高位双高位”法。法。f

18、 f 进位位累加器A(内装补码)b bn-1n-1 b bn-2n-2 b b1 1 b b0 0c c2 2c2c c1 1c1数值位c cOFOF溢出与溢出判断：溢出与溢出判断：1,1,有溢出有溢出0,0,无溢出无溢出OF=COF=C1 1 C C2 2= = 例例1 求求98+45 98补01100010 + 45补00101101 10001111-113补因为因为C2=0,C1=1, C2=0,C1=1, OF=C1 C2=1,OF=C1 C2=1,所以有所以有溢出，结果不正确。溢出，结果不正确。例例2 求求-93+(-59) -93补10100011 + -59补11000101 101101000+104补因为因为C2=1,C1=0, C2=1,C1=0, OF=C1