第2章微电子和计算机技术课件

第第2章微电子和计算机技术章微电子和计算机技术 2024/7/81第二章微电子与计算机技术第第 2 章微电子和计算机技术基础章微电子和计算机技术基础 微电子技术已经渗透到社会的各个领域，微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。展的关键问题。计算机的面貌也日新月异，它的用途越来计算机的面貌也日新月异，它的用途越来越广，功能越来越全，效率也越来越高。计算越广，功能越来越全，效率也越来越高。计算机已广泛应用于人类社会的各个领域。大规模机已广泛应用于人类社会的各个领域。大规模应用计算机的浪潮，席卷了工业、科技、经济、应用计算机的浪潮，席卷了工业、科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。为此应该了军事、金融、文教乃至家庭生活。为此应该了解、学习这两个科学技术领域的一些基本概念解、学习这两个科学技术领域的一些基本概念和基本知识。和基本知识。2024/7/82第二章微电子与计算机技术本章概要本章概要 l电电子子管管、晶晶体体管管及及集集成成电电路路的的最最基基本本的的原原理、变迁和发展理、变迁和发展l计算机工作基本原理、电子计算机的组成计算机工作基本原理、电子计算机的组成l流流水水线线和和平平行行处处理理的的基基本本概概念念，存存储储管管理理，以及总线、外设和接口等以及总线、外设和接口等l计算机的软件系统的有关概念计算机的软件系统的有关概念l论述计算机的分类及发展趋势论述计算机的分类及发展趋势2024/7/83第二章微电子与计算机技术2.1 微电子技术微电子技术 l微电子技术的开始微电子技术的开始l从电子管到晶体管到集成电路从电子管到晶体管到集成电路l集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作l集成电路用于电路设计集成电路用于电路设计l应用和展望应用和展望2024/7/84第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路从电子管到晶体管到集成电路l电子管电子管l晶体管晶体管l厚膜电路厚膜电路l集成电路集成电路2024/7/85第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路从电子管到晶体管到集成电路 1 1电子管电子管l电子管又称电子管又称“真空管真空管”（VacuumTube）l电子管拥有三个最基本的极电子管拥有三个最基本的极阴极阴极(Cathode,K)：释放出电子流：释放出电子流屏极屏极(Plate，P)：吸引和收集阴极发射的电子：吸引和收集阴极发射的电子栅极栅极(Gird,G)：控制电子流的流量控制电子流的流量l电子管的放大作用电子管的放大作用l直热式三极管灯丝（直热式三极管灯丝（Filament）的制作材的制作材料料钨丝钨丝钍钨合金钍钨合金氧化硷土氧化硷土2024/7/86第二章微电子与计算机技术2024/7/87第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路从电子管到晶体管到集成电路2 2晶体管晶体管l半导体是制造晶体管的基本材料半导体是制造晶体管的基本材料l本征半导体、自由电子和空穴本征半导体、自由电子和空穴l共价电子与共价电子与N型半导体型半导体、P型半导体型半导体lp-n结结l二极管和三极管极其工作原理二极管和三极管极其工作原理2024/7/88第二章微电子与计算机技术2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路从电子管到晶体管到集成电路3 3集成电路集成电路l“集成电路集成电路”(IntegratedCircuit，IC)把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上中制造在一块小小的半导体芯片上l集成度发展神速集成度发展神速1962：几个、：几个、1965：近：近100个（个（IC）1967：1001000个（中规模个（中规模IC）1967-1973：100010000个（个（LSIC）1978：达：达10万万100万个单元（万个单元（VLSIC）目前集成度已突破千万单元目前集成度已突破千万单元2024/7/89第二章微电子与计算机技术2024/7/810第二章微电子与计算机技术微电子工业的几个热点l半导体工艺已经达到半导体工艺已经达到0.180.18微米及更小微米及更小lHardware Description Language(HDL)Hardware Description Language(HDL)lVery High speed integrated circuit Very High speed integrated circuit Description Language(VHDL)Description Language(VHDL)l印刷电路板的自动设计印刷电路板的自动设计 ORCADORCADl数字信号处理机数字信号处理机 DSPDSP2024/7/811第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作 1 1传统的设计和制造方法传统的设计和制造方法l设计和绘制电子线路图设计和绘制电子线路图l集成电路的线路图转绘成芯片布局图集成电路的线路图转绘成芯片布局图l分解成与制造工艺对应的各个分解成与制造工艺对应的各个层次层次的布局图的布局图l数字化成数字化成“掩膜（掩膜（Mask）”图纸图纸l在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结光刻、酸洗、烧结l芯片测试、切割、分档芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装、引脚焊接、封装2024/7/812第二章微电子与计算机技术2024/7/813第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作 2 2使用硬件设计语言使用硬件设计语言l硬件描述语言硬件描述语言HardwareDiscriptionLanguage，HDLl可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，更有效的表示电路的特性定时关系，更有效的表示电路的特性l源程序便于保存、便于修改和阅读方便源程序便于保存、便于修改和阅读方便l能全自动生产、避免大量的差错能全自动生产、避免大量的差错l代表：代表：美国国防部的美国国防部的VHDL（VHSICHDL）VerilogHDL日本电子工业振兴协会的日本电子工业振兴协会的UDL/I2024/7/814第二章微电子与计算机技术2.1.2集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作 2 2使用硬件设计语言使用硬件设计语言lTOPDOWN设计方法设计方法(三层描述三层描述)：1.行为描述行为描述2.寄存器传输方式描述寄存器传输方式描述3.逻辑综合描述逻辑综合描述lHDL语言设计硬件的主要优点语言设计硬件的主要优点1.系统硬件描述能力强系统硬件描述能力强2.设计技术齐全、方法灵活、支持广泛设计技术齐全、方法灵活、支持广泛3.HDL语言可以与工艺无关编程语言可以与工艺无关编程4.HDL语言标准、规范、易于共享和复用语言标准、规范、易于共享和复用2024/7/815第二章微电子与计算机技术http:/网站2024/7/816第二章微电子与计算机技术http:/网站2024/7/817第二章微电子与计算机技术向微米工艺的极限挑战目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。2024/7/818第二章微电子与计算机技术2.1.3 集成电路用于电路设计集成电路用于电路设计 为了加快电路设计的速度，除直接用为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮助制造专用的集成电路外，一等语言帮助制造专用的集成电路外，一般还可以利用集成电路作为模块和分立元件般还可以利用集成电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设计。进行组合以完成电路设计。主要有：主要有：l可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件ProgrammableLogicController，PLC或或ProgrammableLogicDevice，PLD用于设计用户专用集成电路芯片用于设计用户专用集成电路芯片l数字信号处理器数字信号处理器DigitalSignalProcessor,DSP用于多种信号处理用于多种信号处理2024/7/819第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计集成电路用于电路设计 1 1可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器l功能：功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC/PLD芯片中芯片中(烧结芯片烧结芯片)，成为用户专用芯片。，成为用户专用芯片。l分类分类复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）场可编程门阵列（含有场可编程门阵列（含有RAM）FPGA（FieldProgrammableGateArray）l与标准的逻辑器件相比其主要优点与标准的逻辑器件相比其主要优点:规模大、体积小规模大、体积小加密性能好加密性能好可实现在线编程可实现在线编程有利于电子设计自动化有利于电子设计自动化(EDA)2024/7/820第二章微电子与计算机技术A ROM as AND/OR Logic Device2024/7/821第二章微电子与计算机技术PLD Summary2024/7/822第二章微电子与计算机技术PLA Example2024/7/823第二章微电子与计算机技术PAL Example2024/7/824第二章微电子与计算机技术2.1.3集成电路用于电路设计集成电路用于电路设计 2 2数字信号处理器数字信号处理器l功能：功能：DSP是一种具有特殊结构的微处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号被设计成专门用来处理复杂的不同的型号被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视频和音频数字化信息。图形、图像、视频和音频数字化信息。lDSP的发展过程的发展过程l应用领域：应用领域：通信、语音、图像通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等自动控制、医疗、家用电器等l与标准的逻辑器件相比其主要优点与标准的逻辑器件相比其主要优点:接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、重复性好、集成方便重复性好、集成方便2024/7/825第二章微电子与计算机技术2024/7/826第二章微电子与计算机技术2.1.4应用和展望应用和展望 1 1微电子技术的应用微电子技术的应用微电子技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术被广泛应用于社会的各个行业l微电子技术和计算机技术相辅相成，推动了微电子技术和计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展信息技术的高速度发展l传统工业的行业改造和技术更新传统工业的行业改造和技术更新l使商业领域的传统账册产生了根本的变化使商业领域的传统账册产生了根本的变化l与其他技术的结合和渗透发展成新的技术与其他技术的结合和渗透发展成新的技术l现代化的军事与国防也离不开微电子技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术l深刻地、广泛地影响着人们的生活深刻地、广泛地影响着人们的生活2024/7/827第二章微电子与计算机技术2.1.4应用和展望应用和展望 2 2微电子技术展望微电子技术展望l电子元器件和线路越来越电子元器件和线路越来越小、细，集成小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快度越来越高，芯片运行的速度越来越高快l摩尔定律摩尔定律：集成度每：集成度每18个月翻一番，而个月翻一番，而价格保持不变甚至下降价格保持不变甚至下降人的头发人的头发100微米微米Intel803861.20微米工艺微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺微米工艺100MHzIntelPentium0.60微米工艺微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺微米工艺500MHzIntelPIII0.25微米工艺微米工艺800MHz最近已经达到最近已经达到0.13微米微米2GMHz目前集成电路制造商进军目前集成电路制造商进军0.1微米工艺微米工艺2024/7/828第二章微电子与计算机技术2.2 计算机基本结构和原理计算机基本结构和原理 了解计算机了解计算机基本工作原理、基本结构及其基本工作原理、基本结构及其发展的趋势，将有利于在计算机技术高速发展发展的趋势，将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。的形势下，跟上它前进的步伐。l计算机系统的基本组成：硬件和软件计算机系统的基本组成：硬件和软件l硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等输出接口和设备、以及存储器等l软件组成：程序、文件以及有关的文档资料软件组成：程序、文件以及有关的文档资料2024/7/829第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理计算机基本工作原理 1 1基本组成基本组成l组成：存储器、运算器、控制器、输入设备组成：存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分与输出设备等五大部分l运算器、控制器制作在同一芯片内合称运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中中央处理器（央处理器（CPU）l早期的以控制器、运算器为机器的中心早期的以控制器、运算器为机器的中心快速中央处理在等待慢速的外围设备快速中央处理在等待慢速的外围设备控制器的负担过重控制器的负担过重l现计算机改成以主存储器为中心现计算机改成以主存储器为中心系统的输入输出与系统的输入输出与CPU的运算并行的运算并行多种输入和输出并行多种输入和输出并行2024/7/830第二章微电子与计算机技术2024/7/831第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理计算机基本工作原理 2 2二进制编码二进制编码计算机内部采用二进制编码计算机内部采用二进制编码l原因：原因：二值器件（如开二值器件（如开/关）物理上容易实现关）物理上容易实现“是是”和和“否否”二种状态的判断最为简单和稳定二种状态的判断最为简单和稳定l常用数制常用数制l进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16数符0,l0,1,70,1,90,1,9,A,B,C,D,E,F权2i8i10i16i形式表示BODH2024/7/832第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理计算机基本工作原理 3 3程序和数据的存储程序和数据的存储l程序存储程序存储和和程序控制程序控制l存储器基本存储单元存储器基本存储单元l地址、地址总线和寻址能力地址、地址总线和寻址能力l计算机存储器极其作用计算机存储器极其作用高速缓存高速缓存主存主存(内存）内存）辅存辅存(外存外存)2024/7/833第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理计算机基本工作原理 4 4指令系统指令系统l指令指令用来指挥硬件动作的命令用来指挥硬件动作的命令l指令组成指令组成操作码：指示要进行什么操作操作码：指示要进行什么操作操作数：指定操作对象操作数：指定操作对象，0-3个个l寻址方式寻址方式立即数立即数直接地址直接地址间接地址间接地址变址变址l指令集指令集2024/7/834第二章微电子与计算机技术2.2.1计算机基本工作原理计算机基本工作原理 5 5指令执行指令执行l由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕l程序计数器（程序计数器（PC）l指令执行步骤：指令执行步骤：取指令取指令指令译码指令译码执行指令存执行指令存操作结果操作结果l指令周期指令周期lCPUD的时钟频率的时钟频率指令译码取指令执行指令存操作结果一般情况下，每完成一条指令，指令计数器加一图图2-2-4 指令的执行指令的执行2024/7/835第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理流水线和平行处理 并行计算并行计算是为提高计算机的运行速度是为提高计算机的运行速度而始终不变的基本思想之一。而始终不变的基本思想之一。l并行计算的基本途径：并行计算的基本途径：流水线并行方式：时间上实现并行处理流水线并行方式：时间上实现并行处理多处理机并行方式多处理机并行方式：空间上实现并行处理：空间上实现并行处理2024/7/836第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理流水线和平行处理 1 1流水线流水线l流水线特征流水线特征过程被分成时间相等或成倍比的若干过程被分成时间相等或成倍比的若干工序，分别固定在顺序排列工位进行工序，分别固定在顺序排列工位进行l流水线目的流水线目的提高效率提高效率l计算机流水线计算机流水线执行四个步骤的四个执行部件同时执执行四个步骤的四个执行部件同时执行不同指令的相应处理，理想情况下，速行不同指令的相应处理，理想情况下，速度可提高四倍（参见图度可提高四倍（参见图2-2-7）2024/7/837第二章微电子与计算机技术2024/7/838第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理流水线和平行处理 2 2流水线中的技术问题流水线中的技术问题 l计算机流水线比工业生产流水线复杂计算机流水线比工业生产流水线复杂l计算机流水线的问题与处理计算机流水线的问题与处理指令多样：多流水线指令多样：多流水线每条指令的步骤数不同：按最多步骤、延迟技术每条指令的步骤数不同：按最多步骤、延迟技术各个步骤花费时间不同：化时长的分解成小步骤各个步骤花费时间不同：化时长的分解成小步骤指令间的数据相关性：避免发生、相关性预测指令间的数据相关性：避免发生、相关性预测指令会发生跳转指令会发生跳转：取消、重取指令：取消、重取指令2024/7/839第二章微电子与计算机技术2.2.2 流水线和平行处理流水线和平行处理 3 3并行处理并行处理 l并行处理的概念和实例并行处理的概念和实例l并行处理的关键并行处理的关键问题分解问题分解各个部分能相互交换信息达到各个部分能相互交换信息达到“协同协同”工作工作较高的性能价格比较高的性能价格比l并行处理并行处理 实施方案实施方案多处理机系统多处理机系统多计算机系统多计算机系统阵列计算机系统阵列计算机系统脉动阵列计算机系统等脉动阵列计算机系统等l实例实例曙光公司生产的天演系列和天潮系列计算机系统曙光公司生产的天演系列和天潮系列计算机系统2024/7/840第二章微电子与计算机技术484749492024/7/841第二章微电子与计算机技术2024/7/842第二章微电子与计算机技术2.2.3 2.2.3 存储器及其管理存储器及其管理 l1存储器器件的变革存储器器件的变革l2存贮器的层次结构存贮器的层次结构l3多级高速缓存多级高速缓存l4虚拟存储技术虚拟存储技术2024/7/843第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理 1 1存储器器件的变革存储器器件的变革 l存储器器件的基本要求存储器器件的基本要求能表示两个状态（电路、磁性体、光器件能表示两个状态（电路、磁性体、光器件）能保持状态的稳定能保持状态的稳定（磁性体最佳）（磁性体最佳）在控制条件下可以实现状态转换在控制条件下可以实现状态转换l存储器器件变革存储器器件变革电子器件电子器件40年代，速度快，容量小，不能停电年代，速度快，容量小，不能停电磁芯存储器磁芯存储器50年代年代半导体存储器半导体存储器60年代年代、速度快、体积小、耗电省、速度快、体积小、耗电省2024/7/844第二章微电子与计算机技术2024/7/845第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理 1 1存储器器件的变革存储器器件的变革 l目前常用内存半导体存储器类型目前常用内存半导体存储器类型DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小电容充放电、结构简单、容量大、功耗小SRAM：集成度低、成本高、功耗较大集成度低、成本高、功耗较大l不同模式的不同模式的DRAM快速页模式快速页模式（FPM，FastPageMode）扩充数据输出扩充数据输出（EDO，ExtendedDataOut）错误校验与纠正错误校验与纠正（ECC，ErrorCheckingandCorrecting）BEDO（BurstEDO）同步动态同步动态RAM（SDRAM，SynchronousDynamicRAM）RDRAM（RambusDRAM）和和DDRRAM（DoubleDateRateRAM）2024/7/846第二章微电子与计算机技术2024/7/847第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理2 2现代存储技术现代存储技术移动存储设备移动存储设备l闪存卡：闪存卡：CompactFlash(CF)卡卡SmartMedia(SM)卡卡MultiMediaCard(MMC)索尼公司的索尼公司的MemoryStick(MS)ScanDisk(SD)等等l2024/7/848第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理2 2现代存储技术现代存储技术移动存储设备移动存储设备l磁光技术移动存储产品：磁光技术移动存储产品：磁阻技术的磁阻技术的ORB结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的MO体积小巧的体积小巧的Click!IBM的的Microdrive使用了使用了DVD技术的技术的Dataplay2024/7/849第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理2 2现代存储技术现代存储技术移动存储设备移动存储设备l闪盘闪盘：深圳朗科公司开发的优盘深圳朗科公司开发的优盘(OnlyDisk)华旗资讯的爱国者迷你王华旗资讯的爱国者迷你王(MiniKing)等等2024/7/850第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理 3 3存贮器的层次结构存贮器的层次结构l计算机系统对存储器的要求：容量、速度计算机系统对存储器的要求：容量、速度l计算机内存储器的层次结构形式：计算机内存储器的层次结构形式：CacheMemorydisk2024/7/851第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理 4 4多级高速缓存多级高速缓存 l目的：解决快速目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾和低速内存之间的矛盾l多级高速缓存多级高速缓存第一级第一级Cache：在在CPU的芯片内外部连线用内部的芯片内外部连线用内部连线替代提高对连线替代提高对Cache的存取速度，容量小的存取速度，容量小第二级第二级Cache：在片外，安装在主板上，容量为在片外，安装在主板上，容量为256K字节或字节或512K字节字节lCache的的“命中率命中率”的问题的问题l各级缓存和内存间内容保持一致的问题各级缓存和内存间内容保持一致的问题同步更新内存内容同步更新内存内容滞后更新内容的方法滞后更新内容的方法2024/7/852第二章微电子与计算机技术2.2.3存储器及其管理存储器及其管理 5 5虚拟存储技术虚拟存储技术 l目的：扩大内存容量目的：扩大内存容量l方法：方法：暂时不用的内存数据存入外存暂时不用的内存数据存入外存虚拟内存虚拟内存需要时从外存调入内存运行需要时从外存调入内存运行l得失：增加内存容量、降低运行速度得失：增加内存容量、降低运行速度2024/7/853第二章微电子与计算机技术2.2.4 总线、外设和接口总线、外设和接口 1总线和多重总线总线和多重总线2024/7/854第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 1 1总线和多重总线总线和多重总线 l总线频繁的数据信息交换总线频繁的数据信息交换的公共通道的公共通道l类型：数据总线、地址总线、控制总线类型：数据总线、地址总线、控制总线l总线的管理：申请、等待、判定、交用总线的管理：申请、等待、判定、交用l独立双重总线（独立双重总线（DualIndependentBus）PentiumII芯片中实现芯片中实现前端总线：微处理器和主存间的信息交换前端总线：微处理器和主存间的信息交换后端总线：微处理器和高速缓存间信息交换后端总线：微处理器和高速缓存间信息交换2024/7/855第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备l外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机l输入设备：键盘和鼠标输入设备：键盘和鼠标l输出设备：显示器和打印机输出设备：显示器和打印机l其他设备：其他设备：绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、数码照相机、声卡、音响等等数码照相机、声卡、音响等等2024/7/856第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备接连接存储设备接连接存储设备(DirectAccessStorage，DAS)硬盘：目标高速、大容量，已达单碟硬盘：目标高速、大容量，已达单碟40GB100GB常用接口标准：常用接口标准：EIDE（EnhancedIntegratedDriveElectric）接口接口SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口接口l光盘：光盘：CD-ROM、CD-R（WORM）、）、CD-RW（E-R/W）DVD常用接口标准：常用接口标准：IDE2024/7/857第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备移动存储设备移动存储设备l软盘：软盘：3.5英寸英寸/1.44MB5.5英寸英寸/1.2MBlZIP盘盘/100MBlSuperDisk(LSl20)2024/7/858第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备显示器、显示卡、键盘和鼠标显示器、显示卡、键盘和鼠标l显示器显示器参数：尺寸、分辨率、材料类型参数：尺寸、分辨率、材料类型l显示卡显示卡总线类型：总线类型：ISA、EISA、VISA和和PCI显卡显卡二维、三维加速显示卡二维、三维加速显示卡显示内存的型号（显示内存的型号（DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM）和容量和容量l键盘：键盘：101/102键键、Windows、无线键盘无线键盘l鼠标：机械的、光电的、无线遥控鼠标：机械的、光电的、无线遥控2024/7/859第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备打印机和扫描仪打印机和扫描仪l打印机：打印机：点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机性能指标：打印分辨率性能指标：打印分辨率dps、打印速度打印速度ppml扫描仪扫描仪性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数、扫描幅面扫描幅面、扫描速度、扫描速度l手持式扫描仪手持式扫描仪2024/7/860第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备其他设备其他设备l声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号处理器（处理器（DSP）、）、波表（波表（WaveTable）合成、合成、Internet连接的功能连接的功能l调制解调器：电话线上网调制解调器：电话线上网技术指标：速率、差错控制标准技术指标：速率、差错控制标准、数据压缩标准、数据压缩标准、传、传真（真（FAX）功能、兼容性功能、兼容性l网卡网卡2024/7/861第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 3 3主机板上的主机板上的ISAISA到到PCIPCI总线总线lPC(PC/XT)总线：总线：8位扩展总线位扩展总线lPC/AT总线总线：16位扩展总线位扩展总线lISA总线总线：16位扩展总线位扩展总线lMCA总线：总线：IBM、32位、强化仲裁位、强化仲裁lEISA总线总线：lVL-Bus总线总线:和微处理器直连、同速、显示和微处理器直连、同速、显示lPCI总线总线:不直连（不直连（PC桥）桥）lVL-Bus2.0总线总线：64位、更高传输速率、位、更高传输速率、ISA兼容兼容lPCMCIA总线总线：小、薄、轻环境下的总线系统：小、薄、轻环境下的总线系统2024/7/862第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 4 4硬盘接口类型及选择硬盘接口类型及选择l最早的是最早的是ST-506和和ESDIlIDE(IntelligentDeviceElectronics,智能设备电子接口智能设备电子接口)控制部分设置到硬件驱动器中控制部分设置到硬件驱动器中最多支持两个硬盘，每个硬盘的容量最大为最多支持两个硬盘，每个硬盘的容量最大为528MB它的传输速率达到它的传输速率达到15MB/slEIDE（EnhancedIntelligentDeviceElectronics）支持四台存储设备，存储容量突破支持四台存储设备，存储容量突破528MB限制限制传输速率可达到传输速率可达到12MB/s一一18MB/s，传送带宽传送带宽32位位lSCSI（SmallComputerSystemInterface）接口接口是一种系统级接口，可以连接各种不同的设备是一种系统级接口，可以连接各种不同的设备一个一个SCSI接口可支持多台设备接口可支持多台设备2024/7/863第二章微电子与计算机技术2.2.4总线、外设和接口总线、外设和接口 5 5从从RS232CRS232C到到USBUSB lRS232C：通用的串行端口通用的串行端口lUSB：通用串行总线通用串行总线（UniversalSerialBus）由由Intel提出的一种新型接口提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范标准，目前已是主流规范使所有的低速设备都可以连接到统一接口上使所有的低速设备都可以连接到统一接口上支持功能传递，可以相互连接成串支持功能传递，可以相互连接成串USB接口本身就提供动力来源接口本身就提供动力来源具有即插即用功能具有即插即用功能以树状结构连接以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设个几乎目前所有种类的外设最大数据传输速率为最大数据传输速率为12MbpsUSB2.0的数据传输速率可达到的数据传输速率可达到480MbpslIEEE1394：另一个用于高速传输数据的串行接口标准另一个用于高速传输数据的串行接口标准数据传输速率可达到数据传输速率可达到400Mbps。2024/7/864第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类 l按器件分：电子管；晶体管；集成电路；大规模、超大按器件分：电子管；晶体管；集成电路；大规模、超大规模集成电路计算机等规模集成电路计算机等l按大小分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机按大小分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机l按用途分：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、按用途分：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。服务器、家用计算机等。l按数据类型分：定点机、浮点机、向量机、堆栈机按数据类型分：定点机、浮点机、向量机、堆栈机l按处理机个数和种类分：单处理机、并行处理机、多处按处理机个数和种类分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线处理机。水线处理机。l按指令的复杂程度分：复杂指令集计算机和简单指令集按指令的复杂程度分：复杂指令集计算机和简单指令集计算机计算机2024/7/865第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类 按并行度分类：比较流行和合理的分类按并行度分类：比较流行和合理的分类l指令流和数据流指令流和数据流l单指令流单数据流计算机（单指令流单数据流计算机（SISD）l单指令流多数据流计算机（单指令流多数据流计算机（SIMD）l多指令流单数据流计算机（多指令流单数据流计算机（MISD）l多指令流多数据流计算机（多指令流多数据流计算机（MIMD）2024/7/866第二章微电子与计算机技术2024/7/867第二章微电子与计算机技术2.2.5计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类 按指令的复杂程度把计算机划分按指令的复杂程度把计算机划分l复杂指令集计算机复杂指令集计算机CISC（ComplexInstructionSetComputing）l简单指令集计算机简单指令集计算机RISC（ReducedInstructionsetComputing）2024/7/868第二章微电子与计算机技术2.3 计算机系统及应用计算机系统及应用 l计算机系统组成：计算机硬件和计算机软件l计算机软件分两大类：系统软件和应用软件l系统软件：为运行计算机而必须的最基本的软件功能：管理各种资源，人机交互，高级语言的解释、编译、基本的系统维护调试等l应用软件为完成某种具体的应用性任务而编制的软件2024/7/869第二章微电子与计算机技术2.3 计算机系统及应用 裸机操作系统编译、汇编、支撑应用程序图图2-3-1 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构2024/7/870第二章微电子与计算机技术2.3.1 操作系统 l不同类型的计算机操作系统也往往不同Apple的New iMac计算机：Mac OS XIBM RS/6000 44P Model 170：AIX Version 4.3l60年代初出现的监控程序是操作系统的前身 l1964年IBM公司推出 IBM OS/360l AT&T公司从60年代末到70年代初研制了UNIX操作系统，是操作系统发展史上的重大事件。l单用户、单任务向单用户、多任务多用户、多任务l在计算机内部操作系统的管理下，各个工作都被设置成一个个相对独立的程序，也称为“进程”（Process）2024/7/871第二章微电子与计算机技术2.3.1 操作系统操作系统1 1 1 1操作系统的基本功能操作系统的基本功能操作系统的基本功能操作系统的基本功能 一、管理、调度计算机系统的资源处理器管理 存储器管理输入输出设备管理 信息管理二、提供友好的界面和良好的服务操作系统是用户与计算机的接口提供软件开发的各个阶段所需的工具软件提供庞大的可调用的程序库提供重用技术以方便用户调用这些软件模块 2024/7/872第二章微电子与计算机技术2.3.1 操作系统操作系统2 2 2 2多道程序设计技术的基本特性多道程序设计技术的基本特性多道程序设计技术的基本特性多道程序设计技术的基本特性 在计算机的主存中存放多道用户和任务为目标的进程，他们同时处于运行状态并共享系统的资源。l原由：CPU同常用的输入输出设备（如打印机、磁盘等）之间速度的差距太大 l目的：提高CPU的利用率，充分发挥并行性l途径：直接控制输入输出工作转交给“通道”并行性：并行运行、协调关系、避免干扰共享性：允许共享所有系统资源2024/7/873第二章微电子与计算机技术2.3.1 操作系统操作系统3 3 3 3操作系统的类型操作系统的类型操作系统的类型操作系统的类型l按硬件大小：大型机操作系统、小型机操作系统和微型按硬件大小：大型机操作系统、小型机操作系统和微型机操作系统机操作系统l按用户数：单用户操作系统和多用户操作系统按用户数：单用户操作系统和多用户操作系统l按任务：单任务操作系统和多任务操作系统按任务：单任务操作系统和多任务操作系统l按使用和技术相结合的角度：按使用和技术相结合的角度：批处理操作系统批处理操作系统分时操作系统分时操作系统实时操作系统实时操作系统网络操作系统网络操作系统2024/7/874第二章微电子与计算机技术2.3.2 计算机语言和工具类软件计算机语言和工具类软件 l和操作系统一起用于开发应用软件的计算机语言的编译或解释程序连接程序、查错程序等l和操作系统一起参与管理计算机系统的软件 计算机系统的管理软件，也称为“支撑软件系统管理工具网络管理工具各种驱动程序和软件开发工具等 2024/7/875第二章微电子与计算机技术2.3.2 计算机语言和工具类软件计算机语言和工具类软件 1 1 1 1计算机语言计算机语言计算机语言计算机语言 l计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言l高级语言解释方式：编译和解释l程序设计的方法“面向过程”（Process-Oriented）：流程“面向结构”（Structure-Oriented）：模块/实体FORTRAM、Pascal、COBOL、C“面向对象”（Object-Oriented）：对象、实体/事件Visual Basic、Java、C+l选用高级语言2024/7/876第二章微电子与计算机技术2.3.2 计算机语言和工具类软件 2 2工具软件工具软件 实用工具是系统软件的一个组成部分，用来帮助用户更好地控制、管理和使用计算机的各种资源。l开发工具：用于开发程序l系统工具软件：帮助管理系统 l网络工具软件 帮助管理网络 l网络工具软件 帮助管理网络l驱动程序 帮助连接外部设备 2024/7/877第二章微电子与计算机技术 2.3.3 应用软件 l应用软件量大而面广。1999年我国软件市场中，应用软件占56.7%，开发工具软件占19.2%l应用软件进行大致的分类信息管理类 字、表处理软件 教育软件 游戏软件 翻译软件 杀毒软件 多媒体类 图形图像处理类 其他 2024/7/878第二章微电子与计算机技术2.3.4 嵌入式系统嵌入式系统 l嵌入式系统（嵌入式系统（EmbeddedSystem）是一种小型的是一种小型的计算机系统，它被嵌入在某种具体的电子设备之中。计算机系统，它被嵌入在某种具体的电子设备之中。l嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分：嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分：硬件：包括处理器微处理器、存储器及外设器件和硬件：包括处理器微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等端口、图形控制器等软件：包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）软件：包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序，往往会把这两种软件组合在一起和应用程序，往往会把这两种软件组合在一起l嵌入式系统已经被广泛应用嵌入式设备中嵌入式系统已经被广泛应用嵌入式设备中2024/7/879第二章微电子与计算机技术2024/7/880第二章微电子与计算机技术2.3.4 嵌入式系统 1嵌入式计算机系统的特点（1）面向特定应用（2）量体裁衣、高效率设计（3）软件被固化（4）开发工具和环境（5）较长的生命周期2024/7/881第二章微电子与计算机技术2.3.4 嵌入式系统 2嵌入式操作系统概述 QNXWindows CEVxWorkspSOSPalm OSOS-9DeltaSystemHopen2024/7/882第二章微电子与计算机技术2.3.4 嵌入式系统 2嵌入式系统的发展趋势（1）嵌入式处理器向64位过渡（2）嵌入式Linux操作系统（3）联网成为必然趋势（4）实现微小尺寸、微功耗和低成本（5）提供精巧的多媒体人机界面 2024/7/883第二章微电子与计算机技术2.4 计算机发展趋势 l 结构的改革流水线、平行处理l智能仿真神经网络、模糊逻辑、多值逻辑l新材料、新技术生物计算机、光计算机、量子计算机2024/7/884第二章微电子与计算机技术写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits85谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日