第1章 微型计算机系统导论(2h)

1、第1章 微型(wixng)计算机系统导论共一百页主要(zhyo)内容简要介绍微型计算机的发展历史；介绍微型计算机硬件系统的组成、三总线结构以及组成计算机的五大部件；介绍软件在计算机系统中的作用；通过在模型(mxng)机上运行一个简单的程序说明计算机的工作过程；2共一百页冯氏思想概念(ginin)辨析：微处理器主机微型计算机微型计算机系统微型计算机的工作过程共一百页 1234引言(ynyn)计算机的发展概况(gikung)（自学）微型计算机硬件系统微型计算机软件系统 5微型计算机的工作过程章节安排共一百页1.1 引言(ynyn)1.1.1 电子计算机：电子计算机是由各种电子器件组成，能够自动、高

2、速(o s)、精确地进行算术运算、逻辑控制和信息处理的现代化设备电子计算机是一种能自动高速地进行大量运算的电子机器。电子计算机的出现和发展，是科学技术和生产力发展的卓越成就之一，反过来，它也极大地促进了科学技术和生产力的发展。5共一百页1.1 引言(ynyn)(续)1.1.2 主要(zhyo)应用领域：科学计算自动控制信息处理娱乐教育卫生家用电器人工智能共一百页1.1 引言(ynyn)(续)1.1.3 微型计算机的特点：主流的单片VLSI中央处理器，微处理器。标准的工业化装配结构，体积小重量轻，便于系统升级。开放的标准体系结构，多元化大规模工业化生产，性能价格比高。微型计算机的应用(yngyn

3、g)范围十分广泛，信息化社会中它无所不在。7共一百页1.1 引言(ynyn)(续)按照应用场合进行分类：1 网络计算机服务器、工作站、集线器、交换机、路由器2 工业控制(kngzh)计算机IPC（基于PC总线的工业电脑）PLC（可编程逻辑控制器）、CNC（数控系统）DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）3 个人计算机台式机、电脑一体机、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑4 嵌入式计算机共一百页1.2 计算机的发展(fzhn)概况微电子技术水平迅速提高：每18个月集成度提高一倍。微处理器结构设计者可在片内实现各种先进(xinjn)体系结构。微处理器及外围支援器件的性价比达到前所未有水平。微

4、计算机系统的性价比迅速提高：达到传统意义的工作站与小型机的水平。9共一百页10 1946年电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)在美国宾夕法尼亚大学诞生(dnshng)。 装有18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关(kigun)，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦。每秒能进行5000次加法运算。ENIAC1.2.1 微型计算机的发展共一百页1.2.1 微型(wixng)计算机的发展(续)1140年代的编程手动连线(lin xin)编程耗时易错难维护共一百页1.2.1 微型(wi

5、xng)计算机的发展(续)计算机的发展经历(jngl)了以下几代：电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机大规模及超大规模集成电路计算机非冯诺依曼计算机神经计算机共一百页1.2.1 微型(wixng)计算机的发展(续)微处理器的发展经历(jngl)了5代:第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）第二代微处理器：1973年（8位微处理器）第三代微处理器：1978年（16位微处理器）第四代微处理器：1983年（32位微处理器）第五代微处理器：1993年（32位64位微处理器）13共一百页微处理器的发展(fzhn)14第一代4位或低档(ddng)8位微处理器典型产品： Intel 4004（7

6、1年，4位微处理器） Intel 8008（72年，8位微处理器）特点：集成度： 2300只晶体管片时钟频率：小于1MHz平均指令执行时间：10-15s采用机器语言编程。共一百页第一代相关(xinggun)图片15工作电压:15V主频：0.74MHZIntel 4004工作电压：5V主频：0.50.8MHZIntel 8008微处理器之父1971年设计4004特德霍夫共一百页16第二代中高档8位微处理器典型(dinxng)产品：Intel 8080（1973年）Motorola MC6800（1974年）Zilog Z80（1975年）Intel 8085（1976年）特点：集成度： 4500

7、只晶体管片时钟频率：l-4MHz平均指令执行时间：1-2s微处理器的发展(fzhn)(续)共一百页第二代相关(xinggun)图片17工作电压:5V 主频：2MHZ微软霸业的开启点Intel 8080工作电压：3.3V主频：12MHZMotorola MC6800共一百页第二代相关(xinggun)图片18工作电压:5V 主频：36MHZIntel 8085工作电压:5V 主频：4MHZZilog Z80共一百页第三代16位微处理器典型(dinxng)产品： Intel 8086（1978年） Zilog Z8000（1979年） Motorola 68000（1979年） Intel 802

8、86（1983年） Motorola 68010（1983年）特点：集成度： 2万-7万只晶体管片 时钟频率：4-25MHz平均指令执行时间：0.5s微处理器的发展(fzhn)(续)19共一百页第三代相关(xinggun)图片20工作电压:5V 主频：510MHZPC时代的开始标志Intel 8086工作电压:5V 主频：425MHZIntel 80286共一百页微处理器的发展(fzhn)(续)21第四代32位高档(godng)微处理器典型产品： Zilog Z80000（1983年） Motorola 68020（1984年） Intel 80386（1985年） Intel 80486（1

9、989年） Motorola 68040（1989年）特点：集成度： 15万-50万只晶体管片时钟频率：16-100MHz平均指令执行时间：0.1s共一百页第四代相关(xinggun)图片22主频：1640MHZIntel与AMD竞争开始激烈Intel 80386AMD 486共一百页微处理器的发展(fzhn)(续)23第五代32位64位微处理器的发展(fzhn)典型产品： Intel Pentium系列产品（1993年起） IBM公司 Power PC系列产品（1996年起） AMD公司系列产品特点：集成度：300万以上时钟频率：100M几GHZ发展方向：32位64位转换、支持多媒体处理、向

10、多核方向发展、不一味追求主频的提高。共一百页第五代相关(xinggun)图片24电压：1.75V主频：1.33.8GHZPentium 4工作电压：0.851.35V主频：2GHZ左右多核时代的到来Core 共一百页摩尔(m r)定理25 集成电路内芯片的晶体管数目，每隔1824个月，其集成度会增加一倍，性能(xngnng)也将提升一倍。Intel名誉董事长 戈登摩尔（Gordon Moore）于1965年提出共一百页1.2.2 微处理器生产商Intel（英特尔公司） 创建于1968年，开始主要生产存储器芯片，后转向微处理器。自1981年IBM公司选择Intel的微处理器推出第一款PC后，In

11、tel公司便确定了其在微处理器上的领先位置。AMD（超微公司） 创建于1969年，最开始时主要生产其他(qt)公司开发出的新产品。26共一百页中国(zhn u)心龙芯 27龙芯（英语：Loongson，旧称GODSON）是中国科学院计算所自主开发(kif)的通用CPU。龙芯课题组成立于2001年，隶属于中国科学院计算技术研究所。系列产品：龙芯13号。/index.php主频：1GHZ左右比较：综合性能已经达到高端Pentium 以及中低端Pentium 4处理器的水平。龙芯2E共一百页概念(ginin)辨析微型(wixng)计算机微型计算机系统共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统2

12、9提出：（1）计算机由五大部分组成（2）指令和数据由二进制表示（3）基本(jbn)工作原理：程序存储和程序控制计算机之父：约翰冯诺依曼（John Von Nouma，19031957），美藉匈牙利人，世界著名数学家，最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。共一百页1.3.2 微型计算机系统：以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路(dinl)（统称硬件）以及指挥计算机工作的系统软件所构成的系统。1.3.1 微型计算机：以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路等所组成的计算机，又称为(chn wi)主机微型计算机由以下几部分组成：微处理器：执行指令的核心。

13、存储器：指令码、操作数、结果的存储。外围接口电路：并口、串口、外存接口、显示器接口、网络接口、声音接口等。系统总线：不同层次的总线将上述模块连接起来作为各种信息的通路，按信息类别分为数据、地址、控制三类总线。1.3 微型计算机硬件系统30共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统微处理器（Microprocessor，CPU）不包含微型计算机硬件的全部功能，但它是微型计算机控制、处理的核心，负责对计算机系统的各个部件进行(jnxng)统一的协调和控制。31单片VLSI电路，体系结构技术、工作频率已达空前高的水平主流微处理器具有通用性，不仅用于微型机，也用于工作站和超级计算机由算术逻辑部件

14、（ALU）、寄存器、控制器组成共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统运算器：即算术逻辑部件（ALU）多核：一个CPU中包含多个运算器控制器：控制逻辑部件，负责对整机的控制，使CPU内部(nib)、外部协调工作寄存器组：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址32共一百页33共一百页34共一百页35共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统存储器：用于存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机能够实现(shxin)存储程序工作原理的基础。36CPU高速缓冲存储器主 存 储 器辅助存储器容量速度共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统主存（内存）：直接访问，速度较快，容

15、量不大，存放(cnfng)当前运行的程序和数据辅助存储器（外存）：通过I/O接口进行访问，速度较慢，容量大，一般用来存放历史数据与软件高速缓冲存储器（Cache）：为了匹配CPU和主存之间的速度差，利用程序访问的局部性原理设置的部件37共一百页内部(nib)存储器随机存取存储器 RAM （Random Access Memory） 动态(dngti)RAM（Dynamic RAM）静态RAM（Static RAM）只读存储器 ROM （Read Only Memory） PROM（Programmable ROM ，可编程只读存储器) EPROM （Erasable Programmble R

16、OM，可编程只读存储器）E2PROM（Electronical Erasable Programmble Read Only Memory，电可擦除只读存储器）38共一百页随机(su j)访问存储器39共一百页40随机(su j)访问存储器共一百页41随机(su j)访问存储器共一百页外部(wib)存储器42软盘硬盘光盘U盘共一百页微型(wixng)计算机的性能指标主频 CPU工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。主频和微机的实际运算速度存在一定的关系，相同架构的处理器的主频越高，运行速度越快。字长 微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。字长越长运算精度(jn d)越高，功

17、能越强。目前微机的字长为64位。内存容量 指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量越大，能存储的信息越多，信息处理的能力越强。43共一百页微型(wixng)计算机的性能指标存取周期 存储器进行一次“读”或“写”操作(cozu)所需的时间称为存储器的访问时间；连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。运行速度 微机每秒所执行的指令的条数，单位MIPS（Million Instructions Per Second ）。 内核数目 指封装在一个处理器内的处理器内核数目，内核越多则CPU处理并行计算的能力越强。44共一百页微型(wixng)计算机的性能指标高速缓冲 又称为Ca

18、che，一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。Cache出现的原因：主存速度跟不上CPU的速度，程序执行的局部性特点 。 当前CPU的高速缓存一般又分为一级高速缓存（L1 Cache）和二级高速缓存（L2 Cache），对于同类(tngli)的CPU来说，高速缓冲的容量越大，则CPU的执行效率越高，速度越快。45共一百页I/O 接口(ji ku) I/O接口电路的作用(zuyng)：用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。 46工作速度信号电平数据格式 需要引入I/O接口电路不匹配共一百页总线(zn xin)在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通道叫总线，微

19、型计算机是通过总线结构连接各种( zhn)功能部件。 总线结构的分类：47 单总线结构 面向CPU的双总线 面向主存储器的双总线共一百页总线结构单总线结构系统的内部(nib)存储器和I/O接口均挂在单总线上。48CPU存储器I/O接口I/O设备ABDBCBI/O接口I/O设备共一百页总线结构面向CPU的双总线结构 在CPU和主存储器之间、CPU与I/O设备(shbi)之间分别设置一组总线。49CPU存储器I/O接口I/O设备1I/O总线存储总线I/O接口I/O设备2I/O接口I/O设备n共一百页总线结构面向主存储器的双总线结构所有部件和设备均挂在总线上，可以通过总线交换信息，同时在CPU与主存

20、储器之间增加一组高速(o s)存储总线。50CPU存储器I/O接口I/O设备1I/O总线存储总线I/O接口I/O设备2I/O接口I/O设备n共一百页1.3 微型计算机硬件系统 微型计算机逻辑(lu j)框图51共一百页1.3 微型(wixng)计算机硬件系统1.3.2 微型计算机系统：微型计算机：微处理器、存储器、外围接口电路、系统总线软件：系统软件、中间软件、应用软件外部设备：软驱、硬驱、光驱、键盘(jinpn)、鼠标、显示器电源、机箱、控制面板52共一百页53 算术逻辑单元 寄存器阵列 控制器电路数据总线地址总线控制总线只读存储器随机访问存储器串行输入输出接口并行输入输出接口外存储器接口显

21、示器接口等键盘、鼠标显示器、打印机软磁盘驱动器硬磁盘驱动器光盘驱动器等等微处理器系统总线内存储器外围接口电 路电源、机箱、控制面板系统软件中间件应用软件软件外围设备微型计算机系统微型计算机微处理器，微计算机，微计算机系统三者关系CP1.3 微型(wixng)计算机硬件系统共一百页软件：为了管理、维护计算机以及为了完成用户的某种特定任务而编写的各种程序的总和（程序+数据+文档），是用户与计算机硬件的桥梁微型计算机的软件包括(boku)系统软件和用户（应用）软件系统软件：不需用户干预，为其他程序的开发、调试及运行等建立一个良好环境的程序，主要包括OS、系统应用程序等用户软件：用户为解决各种实际问题

22、而编写的各种程序541.4 微型(wixng)计算机软件系统共一百页1.4.1 软件(run jin)的分类系统软件：支持程序设计人员（计算机用户）能方便地使用和管理计算机的软件。功能： 为整个计算机系统进行调度、管理、监视和服务，为用户使用计算机提供方便。如：操作系统、汇编程序(hu bin chn x)、高级语言编译程序、故障诊断程序、数据库管理程序、控制程序等。55共一百页1.4.1 软件(run jin)的分类应用软件：用于解决(jiju)各种具体应用问题的专门软件,包括通用应用软件和定制应用软件如：工资管理程序、图书检索程序、人口普查程序、文字处理软件、AutoCAD、表格软件等。5

23、6共一百页软件系统软件应用软件操作系统数据库系统语言处理程序（编译和解释系统）用户定制（工资管理程序,图书检索程序、生产控制等）系统服务程序（诊断、排错、编辑）通用应用软件（WORD、EXCEL、PhotoShop、AutoCAD、CorelDraw、PowerPoint、 KV3000等）571.4.1 软件(run jin)的分类共一百页裸机(lu j)操作(cozu)系统应用软件用户语言处理程序DBMSTools网络与通信软件应用软件58软件的层次构成共一百页操作系统(co zu x tn)计算机语言及语言处理程序数据库系统实用程序支撑(zh chng)软件591.4.2系统 软件共一百

24、页 是直接(zhji)运行在裸机上的最基本的系统软件；是在所有的计算机上都必须配置的系统软件。只有在操作系统的支撑下，整个计算机系统才能正常运行。操作系统(co zu x tn)(Operating System) 60共一百页I）操作系统(co zu x tn)的重要作用管理系统中的各种( zhn)资源61 为用户提供各种服务界面 对各个任务使用资源的请求作出仲裁，承担系统资源管理的任务，在各个程序之间调度分配，避免冲突，保证用户程序正常有序运行。处理器管理（任务管理） 存储管理 文件管理 设备管理共一百页II）操作系统(co zu x tn)的类型批处理系统(xtng)分时系统-时间片轮法

25、实时系统实时控制系统实时信息处理系统单用户操作系统网络操作系统分布式操作系统62共一百页1990年III）常用(chn yn)操作系统 a) MS-DOS（字符(z f)用户界面、单用户单任务）b) WINDOWS 操作系统 Windows 9X（图形界面、单用户多任务）: 63共一百页Windows NT (New Technology)(网络操作系统)Windows 2000(Win NT5.0) Professional/Server/Advanced ServerWindows XP、Windows NETWindows CEc)UNIX操作系统（多用户/分时/网络操作系统）1970年

26、第一版问世，国际上使用最广泛、影响(yngxing)最大的主流操作系统之一。d)其他：Linux（开放性/多用户分时/网络）OS/264III）常用(chn yn)操作系统 共一百页计算机语言三个发展阶段：机器语言、汇编语言、高级语言1)机器语言：第一代语言，由 0、1 代码组成，机器能直接执行的语言2)汇编语言：第二代语言，也称符号语言，便于识别记忆，用助记符表示一条机器指令。（例：0000010000001010 ADD AL,10-AL的内容加10，和值放在AL中）3)高级语言:第三代语言，算法语言，与人们日常熟悉的自然语言和数学(shxu)语言更接近。计算机语言(yyn)及语言(yyn

27、)处理程序650000010000001010ADD AL, 10I=I+10共一百页常见(chn jin)的高级语言FORTRAN语言FORmula TRANslation(公式翻译)应用于大型科学与工程计算 Pascal语言开发于1971年，用于帮助学生学习编程语言C、C+(对C语言的扩充)Basic语言：QBasic、TurboBasic、VisualBasic Java(用于网络(wnglu)环境下开发)1995年Sun公司66共一百页II）语言(yyn)处理程序语言处理程序（翻译程序）：是指一个把源程序翻译（编译、解释）成机器语言程序的程序源程序：用汇编语言或高级语言编写的有待翻译的

28、程序目标程序：也称为结果程序，是源程序经过翻译程序加工(ji gng)后生成的程序67源程序语言处理程序（翻译程序）机器语言程序共一百页语言(yyn)处理程序分类1)汇编程序(assembler) ： 把汇编语言编写的源程序翻译成机器语言目标程序(m bio chn x)的翻译程序。 2)解释程序(interpreter) ： 按源程序中指令（或语句）的执行顺序，逐条翻译并立即执行相应功能的处理程序。 “口译” 68解释程序高级语言源程序执行结果逐句解释并执行 用于交互方式工作、调试状态下、运行时间与解释时间相差不大的情况共一百页3）编译程序(compiler)： 从高级语言到机器语言(j q

29、 y yn)或汇编语言的翻译程序。“笔译” 源程序分析综合符号表、常数表 中间语言程序目标程序 可以(ky)一次性产生可在具体计算机上执行的高效运行的目标程序，并保存在磁盘上，以备多次执行。69语言处理程序分类共一百页编辑、编译、装入和执行过程程序模块1程序模块n正文编辑源程序n源程序1编译目标程序1目标程序n联接编辑可执行目标程序装入执行结果库文件70语言(yyn)处理系统共一百页数据库系统数据库：以一定的方式组织起来的数据(shj)的集合,以统一管理和共享数据为主要特征,用于数据的管理。数据库系统主要由数据库（DB）、应用程序、数据库管理系统（DBMS）、数据库管理员（DBA）组成。 71

30、共一百页应用程序1应用程序2应用程序n.数据库管理系统（DBMS）数据库管理员（DBA）数据库（DB）数据库系统示意图72共一百页DBMSDBMS是数据库管理系统，是数据库系统的核心DBMS的三种(sn zhn)数据模型：层次型、网状型、关系型常用的关系型数据库管理系统有：Foxpro、Access、SQL Server、DB2、SYBASE、ORACLE等73共一百页实用程序完成某些(mu xi)与系统资源及文件管理相关的程序74实用程序种类 主要功能磁盘格式化为在磁盘上存储文件做准备文件管理文件拷贝、移动、压缩、删除等磁盘碎片整理重新存储磁盘上的内容，可使同一文件的不同段存储在邻接位置文件

31、卸载删除一个不再需要的文件文件转换把文件从一种格式转换到另一种格式反病毒保护计算机系统不受病毒的侵扰共一百页1.4.3 应用软件通用应用软件：文字处理电子表格图形(txng)图象处理软件网络通信软件简报软件定制应用软件：完全按照用户的特定需求专门开发75共一百页应用软件服务程序数据库管理程序语言处理系统操作系统机器语言（指令系统）硬件系统（裸机）高低软件(run jin)的分层示意图76共一百页1.4.4 计算机软件的发展(fzhn)过程阶段年份特点第一阶段：从第一台计算机上第一个程序出现到实用高级程序设计语言出现以前1946年至1956年计算机主要用于科学计算，存储容量小。编制程序主要用机器

32、语言和汇编语言。程序的设计和编制工作复杂、烦琐和容易出错。设计和编制程序采用个体工作方式。衡量程序质量的标准主要是功效，很少考虑结构清晰、易读性和易维护性第二阶段：从实用高级程序设计语言出现到软件工程出现以前1956年至1968年除了科学计算外，计算机也被用于事务处理，其中涉及到非数值数据。出现大容量存储器。高级语言进入实用阶段，出现了操作系统，开始出现数据库及管理程序。编制程序主要采用个体与合作的方式。20世纪60年代中期开始出现了软件危机。提出了结构化程序设计和软件工程的思想。第三阶段：软件工程出现以后1968年以后编程普遍采用高级语言、结构化程序设计和工程的方式。后来出现网络软件。微机普及。面向对象的技术得到了发展和使用。共一百页裸机(lu j)操作系统(co zu x tn)语言处理系统数据库管理系统应用程序用户计算机软硬件之间的层次关系78共一百页冯诺依曼计算机的工作(gngzu)过程共一百页1.5 微型(wixng)计算机的工作过程80CPU内部(nib)存储器I/O接口I/O设备地址总线ABUS数据总线DBUS控制总线CBUS共一百页 微机(wi j)工作原理举例-访存举例81CPU内部(nib)存储器I/O接口I/O设备地址总线AB