微机原理与接口技术课件 第一章 高教版 尹建华.ppt

1、第一章 微型机概述,教学内容,微型计算机的发展 计算机系统 计算机的数据格式,重点和难点,计算机系统 处理器 存储器 总线,第一章 微型机概述,1. 微型计算机的发展 2. 计算机系统 3. 计算机的数据格式,1. 微型机的发展,计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。 1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的-ENIAC电子计算机。,1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学莫奇来（Mauchly）博士和他的学生爱克特（Eckert） 设计以真空管取代继电器的ENIAC（Electronic Numerical Integra

2、tor and Calculator，电子数字积分器与计算器）， 用来计算炮弹弹道。用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺， 占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大）。它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。,以采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。 微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。,主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。 微型机其工作原理，与其它几类计算机并没有本质上的差

3、别。不同的是： 采用了集成度较高的器件； 组成计算机硬件系统的两大核心部分运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。,微处理器是微机系统的核心部分，自70年代初出现第一片微处理器芯片以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番，其发展速度大大超过了前几代计算机。 微机系统及相关技术的发展，主要涉及到以下几个方面： CPU、主频、缓存、新技术。,1.1 微型机的几个阶段,1.1.1 第一代：4位及低档8位微处理器 1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出

4、现的Intel4040，是第一片通用的4位微处理器。 1972年，Intel8008，8位，集成度约2000管/片，时钟频率1MHz。,1.1.2 第二代：中、低档8位微处理器 1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，时钟频率24MHz。 这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。,1.1.3 第三代：高、中档8位微处理器 1975年1976年，Z-80，Intel8085，8位，时钟频率24MHz，集成度约10

5、000管/片，还出现了一系列单片机。,1.1.4 第四代：16及低档32位微处理器 1978年，Intel首次推出16位处理器8086（时钟频率48MHz），8086的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为20位，可直接访问1MB内存单元。 1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088（ 4 8MHz），集成度达到2万6万管/片。它与8086不同的是外部数据总线为8位（地址线为20位）。 1982年，Intel推出了80286（10MHz），该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到24位，可访问16MB内存，其工作频率也较8086提高了许多。80286向后兼容8086的指令集和工作

6、模式（实模式），并增加了部分新指令和一种新的工作模式保护模式。,1985年，Intel推出了32位处理器80386（20MHZ），该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位，可访问4GB内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，80386又增加了一种“虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作。 1989年推出了80486（时钟频率为3040MHz），集成度达到15万50万管/片（168个脚），甚至上百万管/片。早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（L1）缓存，80486还

7、支持主板上的二级（L2）缓存。后期推出的80486 DX2首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。,1.1.5 第五代：高档32位微处理器 1993年，Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium（奔腾），Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增加到了16kB，这些改进大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快数倍。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。 1996年，Intel公

8、司推出了Pentium Pro（高能奔腾），该芯片具有两大特色，一是片内封装了与CPU同频运行的256kB或512kB二级缓存；二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得Pentium Pro的性能又有了质的飞跃。,1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号Pentium MMX（多能奔腾），将一级缓存提高到32kB，同时增加了57条MMX（多媒体扩展）指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。 1997年推出了P。P是对Pentium Pro的改进，因为其核心结构与Pentium Pro类似，但加快了16位指

9、令的执行速度，且支持MMX指令集。,1998年推出了赛扬（Celeron），其特点是去掉了P的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降了下来。 1999年又推出了开发代号为Coppermine的P，该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展）指令集，这是针对MMX的弱点和3DNow!设计的70条新指令，大大加强CPU在三维图像和浮点运算方面的能力。,2000年11月21日，Intel又推出Pentium 4 。 采用前端系统总线（FSB）；高速执行缓存；快速执行引擎；256KB的高速缓存（ATC） ；高级动执

10、行；改进的浮运算和多媒体单元；网络数据流单指令多数据扩展2（SSE2） P4处理器两种型号： 1）Willamette 全新的Socket423插座，0.18微米，集成了256KB二级缓存，支持SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配I850/I845芯片组，还新增了执行单元、解码器和增加缓存容量等。陆续推出1.4-2.0GHz的主频。 2）Northwood 在一年后，Intel发布第二个P4，代号为Northwood，全新的Socket478插座，0.13微米制程，集成了512KB二级缓存，支持SSE2指令集。,2004年，推出核心为Prescott的Pentium 4E处理器，在此

11、次推出的Pentium 4E处理器中，一个显著的特点：再次改进为90nm，集成了1亿个晶体管。型号为3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4（“E”后缀商标）支持超线程技术，800MHz前端总线和1MB二级缓存； 但工艺的提升，没有使得功耗降低，主频的提升，使得Prescott功耗开始走高。 2005年，推出了Pentium Extreme Edition 955，标志着Intel进入65nm时代。Pentium D 900系列双核心产品中最高端的一款。但其TDP（Thermal Design Power）依然为130W。 2005年: Intel

12、Pentium D 处理器首颗内含2个处理核心的Intel Pentium D 处理器登场，正式揭开x86处理器多核心时代。,2006年，推出45nm Penryn处理器。全新45nm Penryn家族共有7名成员，包括： 双核心桌面处理器Wolfdate、 四核心桌面处理器Yorkfield、 双核心行动处理器 Penryn、 双核心Xeon DP处理器 Wolfdate DP、 四核心 Xeon DP处理器Harpertown、 双核心 Xeon MP处理器Dunnington DC 四核心Xeon MP处理器Dunnington QC。,CPU芯片的新的发展趋势： 基因芯片、光电芯片。,

13、网络参考资料： /w/index.php?title=Pentium_D 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有进位),例 1 求1001B+1011B。,2. 减法运算 规则: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位),例 2 求1100B-111B。,3. 乘法运算 规则: 00=0; 01=10=0; 11=1 例 3 求1011B1101B。,即 10100101B/1111B=1011B,4. 除法运算 规则: 0/1=0; 1/1=1 例 4 求10100101B/1111B,3.2.2 二进制数的逻辑运算,1

14、. “与”运算 “与”运算是实现“必须都有,否则就没有”这种逻辑关系的一种运算。 运算符为“ ”, 其运算规则如下: 00=0, 01=10=0, 11=1 例 5 若X=1011B, Y=1001B, 求XY。,.,即 XY=1001B,2. “或”运算 “或”运算是实现“只要其中之一有,就有”这种逻辑关系的一种运算, 其运算符为“+”。 “或”运算规则如下: 0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=1 例 6 若X=10101B, Y=01101B, 求X+Y。,10101 01101 11101,+,即 X+Y=11101B,3. “非”运算 “非”运算是实现“求反”这种逻辑的一种运

15、算，如变量A的“非”运算记作 。 其运算规则如下:,例 7 若A=10101B, 求 。,4. “异或”运算 “异或”运算是实现“必须不同, 否则就没有”这种逻辑的一种运算, 运算符为“”。其运算规则是:,例 8 若X=1010B, Y=0110B, 求XY。,1010 0110 1100,即 XY=1100B,计算机在数的运算中, 不可避免地会遇到正数和负数, 那么正负符号如何表示呢？由于计算机只能识别0和1, 因此, 我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负。 规定符号位用“0”表示正, 用“1”表示负。例如, X=-1101010B, Y=+1101010B, 则X表示为:

16、 11101010B, Y表示为01101010B。,3.3.1 机器数及真值,1.原码、补码、反码 补码 机器数（符号数）：正数：符号0绝对值 负数：符号12n|X| 2. BCD数 压缩BCD：1字节存储1位BCD数 非压缩BCD：1字节存储2位BCD数 3. ASCII码 4. 数据类型 5. 浮点数,3.3.2 数的码制,1. 原码 当正数的符号位用0表示, 负数的符号位用1表示, 数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码, 用X原表示, 设X为整数。 若X=+Xn-2Xn-3X1X0, 则X原=0Xn-2Xn-3X1X0=X; 若X=-Xn-2Xn-3X1X0,则X原=1X

17、n-2Xn-3X1X0=2n-1-X。 其中, X为n-1位二进制数, Xn-2、Xn-3、 、X1、X0为二进制数0或1。例如+115和-115在计算机中（设机器数的位数是8）其原码可分别表示为 +115原= 01110011B; -115原= 11110011B,可见, 真值X与原码X原的关系为,值得注意的是, 由于+0原=00000000B, 而-0原=10000000B, 所以数 0的原码不唯一。 8位二进制原码能表示的范围是: -127+127。,+115原= 01110011B; -115原= 11110011B,2. 反码 一个正数的反码, 等于该数的原码; 一个负数的反码, 由

18、它的正数的原码按位取反形成。反码用X反表示。 若X=-Xn-2Xn-3X1X0, 则X反=1Xn-2Xn-3X1X0。例如: X=+103, 则X反=X原=01100111B; X=-103, X原=11100111B, 则X反=10011000B。,3. 补码 正数的补码就是它本身, 负数补码的求法: 用原码求反码, 再在数值末位加1, 即: X补=X反+1。 8位二进制补码能表示的范围为: -128 +127, 若超过此范围, 则为溢出。 对于n位计算机来说, 数X的补码定义为,即正数的补码就是它本身。 例如, +75补=01001001B -73补=10000000 B- 01001001B=10110111B 0补=+0补=-0补=00000000B 可见, 数0的补码表示是唯一的。在用补码定义求负数补码的过程中, 由于做减法不方便, 一般该法不用。,负数补码的求法: 用原码求反码, 再在数值末位加1, 即: X补=X反+1。 例如: -30补=-30反+1 =+30原+1=11100001+1=11100010B。 8位二进制补码能表示的范围为: -128 +127, 若超过此范围, 则为溢出。,3.4 定点数和浮点数,1. 定点法 定点法