卫星计算机原理与接口技术-课件

第一章微型计算机概述微机原理与接口技术1微型计算机系统概述微型计算机系统概述冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构2微型计算机的组成微型计算机的组成3微型计算机的应用微型计算机的应用4总目录总目录第第1章微型计算机概述章微型计算机概述 1.1 1.1 微型计算机系统概述微型计算机系统概述 微微型型计计算算机机是是指指以以大大规规模模、超超大大规规模模集集成成电电路路为为主主要要部部件件的的微微处处理理器器为为核核心心，配配以以存存储储器器、输输入入/输输出出接接口口电电路路及及系系统统总总线线所所制制造造出出的计算机系统。的计算机系统。一、微型计算机的发展概况一、微型计算机的发展概况1946年第一台计算机在美国问世。年第一台计算机在美国问世。以以后后，人人们们接接触触最最多多的的是是微微型型计计算算机机，它它诞诞生生于于20世世纪纪70年年代代，其其发发展展以以微微处处理理器器的的发展为主要标志。发展为主要标志。1、第一台电子数字计算机ENIAC：1946年美国宾夕法尼亚大学制造。Electronic Numerical Integrator and Calculator状况：有状况：有18,800个电子管，重个电子管，重30吨，占地吨，占地150m2，耗电，耗电150kw，5000次次/秒的加法。秒的加法。1、第一台电子数字计算机（续1）1、第一台电子数字计算机（续2）ENIAC：1946年美国宾夕法尼亚大学制造。Electronic Numerical Integrator and Calculator电子数字计算机是近代重大科学成就之一。自从1946年第一台电子计算机问世以来，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模、超大规模集成电路等几个发展阶段。2、微处理器的出现运算器（Arithmetic logic unit）控制器（Control Unit）寄存器组(Registers)以及连接三者的内部总线，集成在一个芯片上。叫做微处理器。又叫中央处理器（Central Processing Unit）简称简称 CPU分 代第一代年份字长芯片的集成度软件典型的芯片197119724/8位2250个管/片以上机器语言、简单汇编语言Intel 4004Intel 8008第二代197319778位汇编程序高级语言、(FORTRAN PL/M等BASIC操作系统第三代1978198316位汇编语言高级语言操作系统第四代PentiumPII PIII P41981199232位第五代199332位9000个管/片以上29000个管/片以上1550万个管/片以上Intel 8080,8085MC 6800Z-80Intel 8086,8088MC 68000Z-8000Intel 80386,80486 MC 68020操作系统高级语言软件硬化操作系统高级语言软件硬化高达330万个管/片 3、微处理器的发展史、微处理器的发展史第六代19952001Pentium64位550万个管/片操作系统高级语言软件硬化微型计算机的发展是以微处理器微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的。的发展来表征的。微处理器的集成度每隔微处理器的集成度每隔1818个月就个月就会翻一番，芯片的性能也随之提会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。高一倍。-摩尔定律摩尔定律Gordon E.MooreGordon E.Moore，IntelIntel公司的创始人之一公司的创始人之一公司的创始人之一公司的创始人之一CPU的发展1971年1977年是微处理器发展的早期阶段:字长为4位或8位，集成度约为300010000晶体管/片，微处理器的主频为0.15MHz。Intel 4004ll19711971年：年：Intel 4004Intel 4004，是世，是世界上第一片单片微处理器。界上第一片单片微处理器。ll4 4位微处理器，寻址空间为位微处理器，寻址空间为40964096个半字节个半字节,指令系统包括指令系统包括4545条指令。条指令。CPU的发展1972年：年：Intel 8008，是世界，是世界上第一片上第一片8位微处理器。位微处理器。8008采用了采用了10 m生产工艺，生产工艺，集成度为集成度为3500个晶体管，工个晶体管，工作频率为作频率为200KHz。Intel 8008CPU的发展1974年：年：Intel 8080采用了采用了6 m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为个晶体管，主频为2MHz。1975年年4月，月，MITS公司推出了以公司推出了以8080为为CPU的世界的世界 上第一台个人计算机上第一台个人计算机Altair 8800。Altair 8800的的 BASIC语言解释器是语言解释器是Bill Gates编写的。编写的。CPU的发展1976年：年：Intel 8085Intel公司生产的最后一种公司生产的最后一种8位通用位通用微处理器，微处理器，8085的工作频率提的工作频率提高到高到5MHz，指令系统的指令，指令系统的指令数上升到数上升到246条。条。19771977年：年：Z80Z80，ZilogZilog公公司，司，8 8位机，优于位机，优于80808080，80858085CPU的发展1978年年-Intel80868086采用了采用了3 m工艺，集成了工艺，集成了29,000个个晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为它的寄存器和数据总线均为16位，位，地址总线为地址总线为20位，从而使寻址空间位，从而使寻址空间达达1MB。同时，。同时，CPU的内部结构的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了构，并设置了6字节的指令预取队字节的指令预取队列。列。第一代：第一代：第一代：第一代：8086/80888086/8088（19781978年年年年-1981-1981年）年）年）年）CPU的发展1979年年-Intel8088除了它的数据总线为除了它的数据总线为8位以外，其余均与位以外，其余均与8086相同。相同。8088采用采用8位数据总线是为了利用当时现有的位数据总线是为了利用当时现有的8位设位设备控制芯片。由于备控制芯片。由于8088内部支持内部支持16位运算，而与位运算，而与I/O之间传输为之间传输为8位，故位，故8088称为准称为准16位微处理器。位微处理器。1981年年8月，月，IBM公司推出以公司推出以8088为为CPU的世的世界上第一台界上第一台16位微型计算机位微型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的，即著名的IMB PC。CPU的发展采用采用1.5 m工艺，集成了工艺，集成了134,000个晶体个晶体管，工作频率为管，工作频率为6MHz。80286的数据总的数据总线仍然为线仍然为16位，但是地址总线增加到位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到位，使存储器寻址空间达到16MB。19851985年年IBMIBM公司推出以公司推出以8028680286为为CPUCPU的微型计算的微型计算 机机IBM PC/ATIBM PC/AT，并制定了一个新的开放系统总，并制定了一个新的开放系统总 线结构，这就是的工业标准结构（线结构，这就是的工业标准结构（ISAISA）。该结）。该结 构提供了一个构提供了一个1616位、高性能的位、高性能的I/OI/O扩展总线。扩展总线。第二代：第二代：8028680286（19821982年年-1984-1984年）年）CPU的发展第三代：第三代：80386（1985年年-1988年）年）第一个实用的第一个实用的第一个实用的第一个实用的3232位微处理器，采位微处理器，采位微处理器，采位微处理器，采用了用了用了用了1.51.5 mm工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了275,000275,000个晶体管，工作频率达到个晶体管，工作频率达到个晶体管，工作频率达到个晶体管，工作频率达到16MHz16MHz。8038680386的内部寄存器、数据总的内部寄存器、数据总的内部寄存器、数据总的内部寄存器、数据总线和地址总线都是线和地址总线都是线和地址总线都是线和地址总线都是3232位的。通过位的。通过位的。通过位的。通过3232位的地址总线，位的地址总线，位的地址总线，位的地址总线，8038680386的可寻的可寻的可寻的可寻址空间达到址空间达到址空间达到址空间达到4GB4GB。这时由。这时由。这时由。这时由3232位微位微位微位微处理器组成的微型计算机已经达处理器组成的微型计算机已经达处理器组成的微型计算机已经达处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。到超级小型机的水平。到超级小型机的水平。到超级小型机的水平。CPU的发展第四代：第四代：80486（1989年年-1992年）年）采用采用采用采用1 1 mm工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了120120万个万个万个万个晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为晶体管，工作频率为25MHz25MHz。8048680486把把把把8038680386的内部结构做了的内部结构做了的内部结构做了的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个修改，大约有一半的指令在一个修改，大约有一半的指令在一个修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的时钟周期内完成，而不是原来的时钟周期内完成，而不是原来的时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样两个，这样两个，这样两个，这样8048680486的处理速度一的处理速度一的处理速度一的处理速度一般比般比般比般比8038680386快快快快2 2到到到到3 3倍。倍。倍。倍。80486DX=80386+80387+CACHE80486DX=80386+80387+CACHECPU的发展第五代：第五代：Pentium（1993年年-1997年）年）第一代第一代第一代第一代PentiumPentiumPentiumPentium处理器（以处理器（以处理器（以处理器（以P5P5P5P5代称，代称，代称，代称，1993199319931993年）采用年）采用年）采用年）采用0.80.80.80.8 m m m m工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了工艺，集成了310310310310万个晶体管，工作频率为万个晶体管，工作频率为万个晶体管，工作频率为万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz60MHz/66MHz60MHz/66MHz60MHz/66MHz。第第第第 二二二二 代代代代 PentiumPentiumPentiumPentium处处处处 理理理理 器器器器（以以以以 P54CP54CP54CP54C代代代代 称称称称，1994199419941994年年年年）采采采采 用用用用0.60.60.60.6 m m m m工艺，工作频率为工艺，工作频率为工艺，工作频率为工艺，工作频率为90MHz/100MHz90MHz/100MHz90MHz/100MHz90MHz/100MHz。第三代第三代第三代第三代Pentium MMXPentium MMXPentium MMXPentium MMX（以（以（以（以P55CP55CP55CP55C代称代称代称代称1997199719971997年）增加了年）增加了年）增加了年）增加了57575757条多条多条多条多媒体指令，媒体指令，媒体指令，媒体指令，采用采用采用采用0.350.35 mm工艺。工艺。工艺。工艺。Pentium的来历希腊文五（penta）+加拉丁文中代表名词的后缀ium。人们预测INTEL下一代CPU为Intel80586。在美国是不能用阿拉伯数字注册商标的。不能再让AMD和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗了。用拉丁文去注册商标。Pentium PRO（1995年年11月月1日日）采用了一种新的总线接口采用了一种新的总线接口采用了一种新的总线接口采用了一种新的总线接口Socket 8Socket 8 。Pentium ProPentium Pro的工作频率有的工作频率有150/166/180150/166/180和和200MHz200MHz四种，四种，都具有都具有16KB16KB的一级缓存和的一级缓存和256KB256KB的二级缓存。的二级缓存。达到了达到了440 MIPS 440 MIPS 的处理能的处理能力和力和5.5 M5.5 M个晶体管。个晶体管。CPU的发展第六代：第六代：Pentium II（1997年年5月月7日日）采用采用采用采用SLOT1SLOT1架构，通过单边插接卡（架构，通过单边插接卡（架构，通过单边插接卡（架构，通过单边插接卡（SECSEC）与主）与主）与主）与主板相连。板相连。板相连。板相连。SECSEC卡盒将卡盒将卡盒将卡盒将CPUCPU内核和二级高速缓存封内核和二级高速缓存封内核和二级高速缓存封内核和二级高速缓存封装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内核工作速度的一半。核工作速度的一半。核工作速度的一半。核工作速度的一半。Pentium III（1999年年2月月26日日）英特尔发布英特尔发布英特尔发布英特尔发布Pentium III Pentium III 450MHz450MHz、Pentium III Pentium III 500MHz500MHz处理器。处理器。处理器。处理器。同时采用了同时采用了同时采用了同时采用了0.250.25微米工艺微米工艺微米工艺微米工艺技术技术技术技术,核心由核心由核心由核心由950950万个晶体万个晶体万个晶体万个晶体管组成管组成管组成管组成 。CPU的发展第七代：第七代：Pentium 4（2000年年11月月）是继是继是继是继19951995年出品的年出品的年出品的年出品的Pentium ProPentium Pro之后的第一款重新之后的第一款重新之后的第一款重新之后的第一款重新设计过的处理器，这一新的架构称做设计过的处理器，这一新的架构称做设计过的处理器，这一新的架构称做设计过的处理器，这一新的架构称做NetBurstNetBurst。Pentium 4处理器集成了4200万个晶体管，并且开始采用0.18微米进行制造，初始速度就达到了1.5GHz。CPU的发展Pentium 4 Prescott 2M 内核（内核（2005年第一季度年第一季度）它包含了崭新的它包含了崭新的它包含了崭新的它包含了崭新的6464位技术（位技术（位技术（位技术（AMD64AMD64的实现，英特的实现，英特的实现，英特的实现，英特尔称为尔称为尔称为尔称为EM64TEM64T）、）、）、）、XDXD、EISTEIST（英特尔增强（英特尔增强（英特尔增强（英特尔增强SpeedStepSpeedStep技术）以及技术）以及技术）以及技术）以及2MB2MB的的的的L2L2缓存。缓存。缓存。缓存。CPU的发展Pentium D Smithfield内核（内核（2005年年4月月）D D 处理器是用于台式机的处理器是用于台式机的处理器是用于台式机的处理器是用于台式机的双内核双内核双内核双内核处理器处理器处理器处理器(Dual(Dual)。它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相同的封装和芯片组同的封装和芯片组同的封装和芯片组同的封装和芯片组/内存接口。内存接口。内存接口。内存接口。工艺 90纳米。时钟速度 2.8GHz到3.2GHz前端总线 800 MHzCPU的发展Pentium EE Smithfield内核（内核（2005年年4月月）Pentium EEPentium EE 指的是指的是Pentium Extreme EditionPentium Extreme Edition 。Pentium EEPentium EE和和Pentium DPentium D的最大区别就是的最大区别就是Pentium EEPentium EE支持超线程技术支持超线程技术HT,HT,而而Pentium DPentium D则不支持。则不支持。CPU主频：3.2GHz制作工艺：90纳米核心数量：双核心核心代号：SmithfieldCPU的发展第八代：第八代：INTEL Core 2 DUO（2006年年7月月27日日）早期的酷睿是基于笔记本处理器的早期的酷睿是基于笔记本处理器的 。酷睿酷睿2 2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。桌面版、移动版三大领域。CPU主频：2.4 GHz 制作工艺：65纳米核心数量：双核心核心代号：Conroe（扣肉）（扣肉）CPU的发展Tick-Tock发展战略发展战略Tick-Tock是Intel公司发展微处理器芯片设计制造业务的一种发展战略模式，在20072007年年正式提出。Tick-Tock”的名称源于时钟秒针行走时所发出的声响。Tick-Tock发展战略发展战略每一次“Tick”代表着一代微架构的处理器芯片制程制程的更新的更新，意在处理器性能几近相同的情况下，缩小芯片面积、减小能耗和发热量；而每一次“Tock”代表着在上一次“Tick”的芯片制程的基础上，更新微处理器架构更新微处理器架构，提升性能。一般一次“Tick-Tock”的周期为两年，“Tick”占一年，“Tock”占一年。Intel指出：Tick-Tock发展战略发展战略2007年Intel推出的45nm工艺制程处理器（Penryn）2008年Intel推出新微构架Nehalem2009年Intel推出的32nm工艺处理器（Westmere）2010年Intel推出微构架Sandy Bridge INTEL Core 2 Quad（2008年8月）KentsfieldKentsfield是英特尔第一代四核心处理器是英特尔第一代四核心处理器是英特尔第一代四核心处理器是英特尔第一代四核心处理器 。基本上它是由两个基本上它是由两个ConroeConroe核心合并于一块基板上核心合并于一块基板上组成。最早的两个型号分别为属于组成。最早的两个型号分别为属于Core 2 ExtremeCore 2 Extreme的的QX6700QX6700，及属于，及属于Core 2 QuadCore 2 Quad的的Q6600Q6600。CPU主频：2.4GHzFSB:1066MHz 核心数量：四核心核心代号：KentsfieldCPU的发展INTEL Core i7（2008年11月17日）NehalemNehalem是英特尔是英特尔是英特尔是英特尔i7i7第一代处理器第一代处理器第一代处理器第一代处理器 。45nm45nm制程，制程，32nm32nm制程产品随后上线制程产品随后上线 。新的新的13661366针脚接口针脚接口 CPU主频：3.2GHz FSB:1066MHz 核心数量：1-4核心微架构：NehalemCPU的发展INTEL Core i5（2009年9月1日）NehalemNehalem是英特尔是英特尔是英特尔是英特尔i5i5第一代处理器第一代处理器第一代处理器第一代处理器 。45nm45nm制程。接口采用制程。接口采用LGA 1156LGA 1156。CPU主频：3.2GHz FSB:1066MHz 核心数量：1-4核心微架构：NehalemCPU的发展INTEL Core i3（2010年1月）集成核显：集成核显：集成核显：集成核显：GPU-HD GraphicsGPU-HD Graphics 接口：接口：LGA 1156 LGA 1156 CPU主频：2.93GHz DMI：2.5GT/s 核心数量：双核心四线程微架构：NehalemCPU的发展INTEL Core i四代架构的命名四代架构的命名第第第第1 1代代代代WestmereWestmere架构架构架构架构 如：如：如：如：Core i3-390MCore i3-390M第第第第2 2代代代代Sandy BridgeSandy Bridge架构架构架构架构 如：如：如：如：Core i3-2350MCore i3-2350M 第第第第3 3代代代代Ivy BridgeIvy Bridge架构架构架构架构 如：如：如：如：Core i3-3130MCore i3-3130M 第第第第4 4代代代代HaswellHaswell架构架构架构架构 如：如：如：如：Core i3-4110MCore i3-4110M CPU的发展Tick-Tock发展战略发展战略2007年11月 Intel推出45nm工艺处理器（Penryn）2008年11月 Intel推出新微构架Nehalem2010年1月Intel推出的32nm工艺处理器（Westmere）2011年1月Intel推出微构架Sandy Bridge 2012年4月Intel推出22nm工艺（Ivy Bridge）2013年6月Intel推出微构架Haswell 2014年9月Intel推出14nm工艺（Broadwell）Intel core 第5代的架构为Broadwell处理器 英特尔第五代CPU曝全新命名，告别i3/i5/i7 2014年9月6日首发Intel Core M处理器处理器针对平板市场。直面针对平板市场。直面ARM。工艺：14nm功耗：4.5WCPU的发展Intel core 第5代的架构为Broadwell处理器CPU的发展二、微型计算机的特点和应用二、微型计算机的特点和应用 微微型型计计算算机机除除具具有有一一般般电电子子数数字字计计算算机机的的快快速速、精精确确和和通通用用等等许许多多优优点点外外，还还具具有有独独自自的特点：的特点：(1)体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低(2)可靠性高、对使用环境要求低可靠性高、对使用环境要求低(3)结构简单、设计灵活、适应性强结构简单、设计灵活、适应性强(4)性能价格比高性能价格比高1.微型计算机特点微型计算机特点2.微型计算机的应用领域微型计算机的应用领域科学计算科学计算过程控制过程控制信息处理信息处理人工智能人工智能网络通信网络通信计算机辅助技术计算机辅助技术三、微型计算机的分类三、微型计算机的分类1.按处理器同时处理数据的位数或字长分：按处理器同时处理数据的位数或字长分：4位机位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、64位机位机2.按结构类型分：按结构类型分：单片微型机、单片微型机、单板微型机单板微型机微型计算机微型计算机3.按用途分：按用途分：(1)个人计算机个人计算机(PC机机)(2)工作站服务器工作站服务器(3)网络计算机网络计算机(简称简称NC)2.按体积大小分：按体积大小分：(1)台式机台式机(又称桌上型又称桌上型)(2)便便携携式式(又又称称可可移移动动微微机机、笔笔记记本本型型、膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)四、微型计算机的主要性能指标四、微型计算机的主要性能指标通通常常所所说说的的计计算算机机运运算算速速度度(平平均均运运算算速速度度)，是是指指每每秒秒钟钟所所能能执执行行的的指指令令条条数数，一一般般用用“百百万条指令秒万条指令秒”(MIPS)来描述。来描述。1.运算速度运算速度2.字长字长存存储储器器分分为为内内存存储储器器和和外外存存储储器器两两类类。内内存存储储器器也也简简称称内内存存或或主主存存，是是CPU可可以以直直接接访访问问的的存存储储器器，内内存存大大小小反反映映了了计计算算机机即即时时存存储储信信息息的的能能力力；外外存存储储器器通通常常是是指指硬硬盘盘(包包括括内内置硬盘和移动硬盘置硬盘和移动硬盘)。3.存储器的容量存储器的容量以以上上只只是是一一些些主主要要性性能能指指标标，还还须须综综合合考考虑其他因素。虑其他因素。1.2 1.2 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 现现代代计计算算机机结结构构仍仍然然是是在在冯冯诺诺依依曼曼提提出出的的计计算算机机逻逻辑辑结结构构和和存存储储程程序序概概念念基基础上建立起来的。础上建立起来的。一、计算机的基本结构一、计算机的基本结构冯冯诺依曼思想：存储程序原理诺依曼思想：存储程序原理用二进制表示数据和指令；用二进制表示数据和指令；程序与数据事先存储在内存储器中；程序与数据事先存储在内存储器中；运运算算器器、存存储储器器、控控制制器器、输输入入与与输输出出设设备备组组成成硬硬件件系系统统，它它是是计计算算机机连连续续工工作的基础。作的基础。1946年年，冯冯诺诺依依曼曼提提出出EDVAC计计算算方方案案，体现了五部分的计算设计思想。体现了五部分的计算设计思想。输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器冯冯诺依曼计算机的基本结构诺依曼计算机的基本结构1.一系列基本操作命令一系列基本操作命令程序程序二、计算机的工作原理二、计算机的工作原理2.“机器指令机器指令“的概念的概念3.计计算算机机的的存存储储程程序序控控制制方方式式的的工工作作原原理理：一一是是存储程序存储程序，二是，二是程序控制程序控制。这这一一原原理理决决定定了了人人们们使使用用计计算算机机的的主主要方式要方式编写程序和执行程序。编写程序和执行程序。1.普林斯顿结构：普林斯顿结构：三、三、普林斯顿结构与哈佛结构普林斯顿结构与哈佛结构 冯冯诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将将程序存储器和和数据存储器数据存储器合并在一起的存储合并在一起的存储器结构。器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。的宽度相同。冯.诺伊曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输，如下图所示：哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。2 2、哈佛结构、哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。哈佛结构处理器有两个明显的特点：哈佛结构处理器有两个明显的特点：后来，又提出了改进的哈佛结构，如下图所示:使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。其结构特点为：其结构特点为：在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。图 冯.诺曼结构处理器指令流的定时关系示意图图 哈佛结构处理器指令流的定时关系示意图 1.3 1.3 微型计算机组成微型计算机组成微型计算机系统包括微型计算机系统包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统。硬硬件件系系统统：构构成成计计算算机机的的实实体体。它它包包括括微微处处理理器器、存存储储器器、I/O接接口口、系系统统总总线线、外部设备和电源。外部设备和电源。软软件件系系统统：在在计计算算机机上上运运行行的的各各种种程程序序。它它包包括系统软件和应用软件。括系统软件和应用软件。一、微型计算机的系统与系统的层次结构一、微型计算机的系统与系统的层次结构硬件系统：硬件系统：硬件硬件硬件硬件微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机(单片、单板单片、单板单片、单板单片、单板)电源电源电源电源外围设备外围设备外围设备外围设备微处理器微处理器存储器存储器I/O接口接口系统总线系统总线算术逻辑单元算术逻辑单元控制器控制器寄存器寄存器ROMRAMROMEPROME2PROMSRAMDRAM并行接口并行接口串行接口串行接口辅助接口辅助接口数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线外部设备外部设备I/O接口接口模拟量模拟量I/O接口接口开关量接口开关量接口键盘、显示器、打印机键盘、显示器、打印机外存储器外存储器软、硬磁盘软、硬磁盘光盘光盘A/DD/A操作系统操作系统 Dos,Windows,UNIX,LINUX语言处理程序语言处理程序 Turbo C数据库系统数据库系统 FoxPro、Oracle软件分类软件分类软件分类软件分类系统软件系统软件系统软件系统软件应用软件应用软件应用软件应用软件文字处理软件文字处理软件 Wps、Word表格处理软件表格处理软件 Excel辅助设计软件辅助设计软件 Auto CAD用户编制的实际程序用户编制的实际程序软件系统：软件系统：微微型型计计算算机机系系统统从从小小到到大大可可分分为为微微处处理理器器、微微型型计计算算机机、微微型型计计算算机机系系统统三三个个层层次次结结构构，如图所示如图所示运算器控制器寄存器RAMROMI/O端口I/O端口微型计算机系统微型计算机微处理器电源系统软件系统I/O设备I/O设备简介：简介：1.微处理器微处理器(也称微处理机，也称微处理机，Microprocessor)2.微型计算机微型计算机(Microcomputer)3.微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputer System)二、微型计算机的硬件结构二、微型计算机的硬件结构 微微型型计计算算机机由由微微处处理理器器、存存储储器器、输输入入/输输出接口构成，它们之间由系统总线连接。出接口构成，它们之间由系统总线连接。ROMCPURAMI/O接口外部设备电源时钟脉冲电路ABDBCB1.1.微处理器微处理器微处理器微处理器 整整个个微微机机的的核核心心是是微微处处理理器器(p,MPU)，也也称称CPU。它它包包含含算算术术逻逻辑辑部部件件ALU、寄寄存存器器组组及控制部件。及控制部件。ALU ：算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算寄寄 存存 器器：存存放放操操作作数数、中中间间结结果果、地地址址、标标志等信息志等信息控控制制部部件件：整整个个机机器器控控制制中中心心，包包括括程程序序计计数数器器IP、指指令令寄寄存存器器IR、指指令令译译码器码器ID、控制信息产生电路。、控制信息产生电路。总线控制部件算术逻辑部件寄存器组MPUI/O接口电路ROMRAM外部设备存储器2.2.存储器存储器存储器存储器微机的存储器分为：微机的存储器分为：主存和辅存主存和辅存主主存存(内内存存)：用用于于存存放放当当前前正正在在运运行行的的程程序序和和正正待待处处理理数数据据。(CPU内内部部cache，主主板板上上的的内内存存,造造价价高高，速速度度快快，存存储容量小储容量小)辅辅存存(外外存存)：存存放放暂暂不不运运行行的的程程序序和和输输入入处处理理的的数数据据，(主主机机箱箱内内或或主主机机箱箱外外，造造价价低低，容容量量大大，可可长长期期保保存存，但但速度慢速度慢)3.3.输入设备输入设备输入设备输入设备微微型型计计算算机机常常用用的的输输入入设设备备有有键键盘盘、鼠鼠标标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。4.4.输出设备输出设备输出设备输出设备微微型型计计算算机机常常用用的的输输出出设设备备有有液液晶晶显显示器、打印机和绘图仪等。示器、打印机和绘图仪等。注注注注意意意意：由由于于各各种种外外设设的的工工作作速速度度、驱驱动动方方式式差差别别很很大大，无无法法与与CPU直直接接匹匹配配，所所以以不不可可能能把把它它们们简简单单地地连连到到系系统统总总线线，需需要要有有一一个个接接口口电电路路充充当当它它们们和和CPU间间的的桥桥梁梁，通通过过该该电电路路完完成成信信号号的的变变换换、数数据据的的缓缓冲冲、与与CPU联联络络等等工工作作。在在微微机机系系统统中中，较较复复杂杂的的I/O接接口口电电路路一一般般都都做做在在电电路路板板上上，这这种种电电路路板板又又称称为为“卡卡(Card)”，由由卡卡的的一一侧侧 引引出出连连接接外外界界的的插插座座，另另一一侧侧 做做成成插插入入端端，只只要要将将它它们们插插入入总总线线槽槽(I/O通通道道)就就连连到了系统总线。到了系统总线。5.5.系统总线系统总线系统总线系统总线 所所谓谓“总总线线”，是是指指传传递递信信息息的的一一组组公公用用导导线线。系系统统总总线线(System Bus)是是指指从从处处理理器器子子系系统统引引出出的的若若干干信信号号线线，CPU通通过过它它们们与与存存储储器器和和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：数据总线：数据总线：DB(Data Bus)地址总线：地址总线：AB(Address Bus)控制总线：控制总线：CB(Control Bus)地址总线地址总线(Address Bus)：传传送送地地址址信信息息、CPU在在AB总总线线上上输输出出将将要要访访问问的的内内存存单单元元或或I/O端端口口地地址址、该该总总线线为为单单向向，地地址址总总线线的的位位数数决决定定了了CPU可可以以直直接接寻址的内存单元范围。寻址的内存单元范围。举例数据总线数据总线(Data Bus)：传传送送数数据据信信息息的的总总线线。在在CPU进进行行读读操操作作时时，内内存存或或外外设设的的数数据据通通过过DB总总线线送送往往CPU；在在CPU进进行行写写操操作作时时，CPU数数据据通通过过DB总总线线送送往往内内存存或或外外设设，所所以以该该总总线线为为双双向向总线。总线。控制总线控制总线(Control Bus)：传传送送控控制制信信息息的的总总线线。其其中中，有有些些信信号号线线将将CPU的的控控制制信信号号和和状状态态信信号号送送往往外外设设，外外设设请请求求或或联联络络信信号号送送往往CPU，个个别别信信号号线线兼兼有有以以上上两两种种情情况况。所所以以在在讨讨论论控控制制总总线线的的传传送送方方向向时时要要具具体体到到某某一一个个信信号号，它它们们可可能能是输出、输入或者双向的。是输出、输入或者双向的。系统总线使用特点：系统总线使用特点：(1)在在某某一一时时刻刻，只只能能由由一一个个总总线线主主控控设设备备控控制制系系统统总总线线，其其他他总总线线主主控控设设备备必必须须放放弃对总线的控制。弃对总线的控制。(2)在在连连接接系系统统的的各各个个设设备备中中，某某一一时时刻刻只只能能有有一一个个发发送送者者向向总总线线发发送送信信号号，但但可可以以有多个设备从总线同时获得信号。有多个设备从总线同时获得信号。1.4 1.4 微型计算机的应用微型计算机的应用 内存单元的地址和内容简介：内存单元的地址和内容简介：内内存存由由许许多多存存储储单单元元组组成成，每每个个内内存存单单元元可可存存放放一一组组二二进进数数。在在微微机机中中规规定定每每个个内内存存单单元元可可存存放放8位位二二进进制制数数，即即一一个个内内存存单单元元存存放放一一个个字字节节的的内内容容，为为了了区区分分各各个个不不同同的的内内存存单单元元，就就给给每每个个存存储储单单元元编编上上不不同同的的号号码码，即即内内存存地地址址。CPU要要访访问问某某个个单单元元时时，先先要要通通过过地地址址总总线线送送出出该单元的地址号。该单元的地址号。尽尽管管存存储储器器是是按按字字节节编编址址的的，但但实实际际操操作作中中，一一个个操操作作数数可可以以是是字字节节、字字、双双字字节节、十十字字节节等等各种形式。各种形式。1.字字节节：计计算算机机的的基基本本处处理理单单位位，一一个个字字节节由由8位二进制位组成位二进制位组成2.字字：通通常常微微机机的的字字长长有有8位位、16位位、32位位、64位位，故故其其字字数数据据的的存存放放所所占占内内存存单单元元的的个个数数也也不一样不一样3.双字：即双字：即2个字个字4.四字：好四字：好4个字的长度个字的长度地址存放内容二进制表示十六进制表示00000H00001HC2H18H00008H12H00001H34HFFFFFH70H内存单元的地址和内容示意图内存单元的地址和内容示意图PC(Personal Computer)机：机：是是面面向向个个人人单单独独使使用用的的一一类类微微机机。当当今今的的微微机机的的许许多多指指标标，如如存存储储容容量量、运运行行速速度度等等已已经经赶赶上上或或超超过过了了以以前前的的小小型型机机，可可以以满满足足各各种种不同的应用场合。不同的应用场合。是是一一种种用用于于控控制制的的微微处处理理器器芯芯片片，其其组组成成实实际际是是由由微微型型计计算算机机的的CPU、部部分分存存储储器器和和输输入入/输输出出接接口口等等部部件件集集成成在在一一块块芯芯片片上上。换换句句话话说说，一一个个单单片片机机几几乎乎就就是是一一个个专专用用的的计计算算机机，只只要要配配上上少少量量的的外外部部电电路路和和设设备备就就可可以以构构成成具具体的应用系统。体的应用系统。单片微型机单片微型机(单片机单片机)：常常用用于于家家用用电电器器、智智能能化化仪仪表表、工业测量。工业测量。单板微型机单板微型机(单板机单板机)：把把微微处处器器芯芯片片、存存储储器器芯芯片片、I/O接接口口芯芯片片和和小小键键盘盘、数数码码显显示示器器等等必必要要的的输输入入/输输出出设设备备装装配配在在一一块块印印刷刷电电路路板板上上就就构构成成了了单单板板微微型计算机系统。型计算机系统。常用于过程控制。常用于过程控制。表表示示存存储储器器容容量量的的最最小小单单位位为为bit(二二进进制制位位)，表表示示存存储储器器容容量量的的基基本本单单位位为为Byte(字字节节)。通通常常：一一个个单单元元为为一一个个字字节节，字字节节可可用用B(即即Byte的的缩缩写写)表表示示，且且1Byte=8bit。存存储储器器的的容容量量用用“K”表表示示，1K即即为为1024个单元。大容量单位为个单元。大容量单位为KB、MB、GB、TB。1KB=1024B 1MB=1024KB1GB=1024MB 1TB=1024GBe.g.地址总线地址总线16位，内存容量为位，内存容量为216个单元，即个单元，即64KB。地址总线地址总线20位，内存容量为位，内存容量为220个单元，即个单元，即1MB。ROM:(Read Only Memory)ROM:(Read Only Memory)只只读读存存储储器器，用用来来存存储储微微机机系系统统管管理理程程序序BIOS等等(芯芯片片制制造造时时写写入入)。只只能能读读出出，不不能能写入。写入。内存储器内存储器内存储器内存储器 RAM:(Random Access Memory)RAM:(Random Access Memory)随随机机存存储储器器，用用来来暂暂时时存存储储用用户户输输入入的的数数据据与程序。可随机地读出与写入。与程序。可随机地读出与写入。外存储器外存储器外存储器外存储器 软磁盘与软磁盘驱动器软磁盘与软磁盘驱动器软磁盘与软磁盘驱动器软磁盘与软磁盘驱动器 硬盘与硬盘驱动器硬盘与硬盘驱动器硬盘与硬盘驱动器硬盘与硬盘驱动器 光盘与光盘驱动器光盘与光盘驱动器光盘与光盘驱动器光盘与光盘驱动器科学计算科学计算用于科学与工程领域。用于科学与工程领域。如如：的的计计算算、中中长长期期天天气气预预报报及及导导弹弹发发射射中中的的计计算算等。等。过程控制过程控制过程控制过程控制如如如如对对对对工工工工业业业业生生生生产产产产领领领领域域域域的的的的过过过过程程程程控控控控制制制制，即即即即对对对对生生生生产产产产过过过过程程程程进进进进行行行行监监监监视视视视和和和和控控控控制制制制，以以以以提提提提高高高高产产产产品品品品质质质质量量量量与与与与数数数数量量量量，减减减减轻轻轻轻工工工工人人人人的的的的劳劳劳劳动动动动强强强强度度度度；控控控控制制制制飞飞飞飞机机机机飞飞飞飞行行行行姿姿姿姿态态态态、地地地地形回避及导弹拦截等。形回避及导弹拦截等。形回避及导弹拦截等。形回避及导弹拦截等。数据处理数据处理数据处理数据处理 对对对对数数数数据据据据进进进进行行行行收收收收集集集集、储储储储存存存存、传传传传递递递递、分分分分类类类类、检检检检测测测测、排排排排序序序序、计计计计算算算算、打打打打印印印印报报报报表表表表、输输输输出出出出图图图图像像像像等等等等加加加加工工工工处理。处理。处理。处理。如如如如：企企企企业业业业生生生生产产产产管管管管理理理理系系系系统统统统、电电电电子子子子商商商商务务务务处处处处理系统等。理系统等。理系统等。理系统等。计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统CADCADCAD计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计CAMCAMCAM计算机辅助制造计算机辅助制造计算机辅助制造计算机辅助制造计算机辅助制造计算机辅助制造CATCATCAT计算机辅助测试计算机辅助测试计算机辅助测试计算机辅助测试计算机辅助测试计算机辅助测试CAICAICAI计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学 CAX(x=D CAX(x=D CAX(x=D、MMM、T T T、I I I、)CMI CMI CMI 计算机管理教学计算机管理教学计算机管理教学计算机管理教学计算机管理教学计算机管理教学电子商务电子商务电子商务电子商务 电电电电子子子子商商商商务务务务源源源源于于于于英英英英文文文文ELECTRONIC ELECTRONIC COMMERCECOMMERCE简简简简写写写写ECEC，顾顾顾顾名名名名思思思思义义义义包包包包含含含含两两两两个个个个方方方方面面面面：一一一一是是是是电电电电子子子子方方方方式式式式，二二二二是是是是商商商商贸贸贸贸活活活活动动动动，电电电电子子子子商商商商务务务务指指指指的的的的是是是是利利利利用用用用简简简简单单单单、快快快快捷捷捷捷、低低低低成成成成本本本本的的的的电电电电子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。电电电电子子子子商商商商务务务务的的的的真真真真正正正正发发发发展展展展是是是是建建建建立立立立在在在在INTERNETINTERNET技技技技术术术术上上上上，所以也称所以也称所以也称所以也称IC(INTERNET COMMERCE).IC(INTERNET COMMERCE).人工智能人工智能人工智能人工智能 计计算算机机模模拟拟人人的的高高级级思思维维活活动动,进进行行逻逻辑辑判判断断与与推推理理。如如机机器器人人、专专家家系系统统、语语音音识识别系统、图形图像等模式识别系统。别系统、图形图像等模式识别系统。办公自动化办公自动化办公自动化办公自动化信息高速公路信息高速公路仪器仪表仪器仪表 将将传传感感器器与与计计算算机机集集成成于于同同一一芯芯片片上上，智智能能传传感感器器不不仅仅具具有有信信号号检检测测、转转换换功功能能，同同时时还还具具有有记记忆忆、存存储储、解解析析、统统计计、处处理理及及自自诊诊断断、自自校校准准、自适应等功能。自适应等功能。智能家电智能家电Intel 4004只读存储器ROM随机存储器RAMI/O接口I/O设备地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)CPU