第1章-导论与概论课件

微机与单片机原理微机与单片机原理导论导论一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展 19461946年年年年2 2月，由美国宾夕法尼大学莫尔学院的月，由美国宾夕法尼大学莫尔学院的月，由美国宾夕法尼大学莫尔学院的月，由美国宾夕法尼大学莫尔学院的物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制小组，研制成功了世界上第一台数字式电子计算机小组，研制成功了世界上第一台数字式电子计算机小组，研制成功了世界上第一台数字式电子计算机小组，研制成功了世界上第一台数字式电子计算机ENIACENIAC。这台计算机使用了约这台计算机使用了约这台计算机使用了约这台计算机使用了约1800018000个电子管、个电子管、个电子管、个电子管、15001500个个个个继电器、耗电量达继电器、耗电量达继电器、耗电量达继电器、耗电量达150KW150KW，占地面积，占地面积，占地面积，占地面积167m167m2 2，重，重，重，重量约量约量约量约30t30t，计算速度每秒，计算速度每秒，计算速度每秒，计算速度每秒50005000次次次次，采用字长，采用字长，采用字长，采用字长1010位的位的位的位的十进制计算方式，编程通过接插件进行。十进制计算方式，编程通过接插件进行。十进制计算方式，编程通过接插件进行。十进制计算方式，编程通过接插件进行。导论导论一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展 19441944年，著名的数学家年，著名的数学家年，著名的数学家年，著名的数学家冯冯冯冯 诺依曼诺依曼诺依曼诺依曼提出了采用二提出了采用二提出了采用二提出了采用二进制、存储程序，并在程序控制下自动执行的思想。进制、存储程序，并在程序控制下自动执行的思想。进制、存储程序，并在程序控制下自动执行的思想。进制、存储程序，并在程序控制下自动执行的思想。按照这一思想，新机器由按照这一思想，新机器由按照这一思想，新机器由按照这一思想，新机器由运算、控制、存储、输入、运算、控制、存储、输入、运算、控制、存储、输入、运算、控制、存储、输入、输出输出输出输出等五个部件构成，这种模式的计算机称为冯等五个部件构成，这种模式的计算机称为冯等五个部件构成，这种模式的计算机称为冯等五个部件构成，这种模式的计算机称为冯 诺诺诺诺依曼机。时至今日，电子计算机的发展已经经历了五依曼机。时至今日，电子计算机的发展已经经历了五依曼机。时至今日，电子计算机的发展已经经历了五依曼机。时至今日，电子计算机的发展已经经历了五代，虽然在技术上不断发展和完善，但基于冯代，虽然在技术上不断发展和完善，但基于冯代，虽然在技术上不断发展和完善，但基于冯代，虽然在技术上不断发展和完善，但基于冯 诺依诺依诺依诺依曼机的基本结构仍然未有大的变化。曼机的基本结构仍然未有大的变化。曼机的基本结构仍然未有大的变化。曼机的基本结构仍然未有大的变化。导论导论一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展第一代第一代第一代第一代（19461946194619461957195719571957），以电子管为逻辑部件，以），以电子管为逻辑部件，以），以电子管为逻辑部件，以），以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储器。软件上采用阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储器。软件上采用阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储器。软件上采用阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储器。软件上采用机器语言，后期采用汇编语言。机器语言，后期采用汇编语言。机器语言，后期采用汇编语言。机器语言，后期采用汇编语言。第二代第二代第二代第二代（19581958195819581965196519651965），以晶体管为逻辑部件，内），以晶体管为逻辑部件，内），以晶体管为逻辑部件，内），以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯、外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，存用磁芯、外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，存用磁芯、外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，存用磁芯、外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。并出现了早期的操作系统。并出现了早期的操作系统。并出现了早期的操作系统。第三代第三代第三代第三代（19661966196619661979197919791979），以中小规模集成电路为主），以中小规模集成电路为主），以中小规模集成电路为主），以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时操作系统上广泛使用操作系统，产生了分时、实时操作系统上广泛使用操作系统，产生了分时、实时操作系统上广泛使用操作系统，产生了分时、实时操作系统和计算机网络。和计算机网络。和计算机网络。和计算机网络。导论导论一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展一、电子计算机的发展第四代第四代第四代第四代（19801980198019801993199319931993），以大规模、超大规模集成），以大规模、超大规模集成），以大规模、超大规模集成），以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。向对象程序设计的思想。向对象程序设计的思想。向对象程序设计的思想。第五代第五代第五代第五代（1994199419941994至今），以甚大规模集成电路为主至今），以甚大规模集成电路为主至今），以甚大规模集成电路为主至今），以甚大规模集成电路为主要部件要部件要部件要部件,以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上，占支配地位的语言变为软件方法上，占支配地位的语言变为软件方法上，占支配地位的语言变为软件方法上，占支配地位的语言变为C+C+、JavaJava、HTMLHTML和和和和XMLXML。此外，基于建模语言。此外，基于建模语言。此外，基于建模语言。此外，基于建模语言（UMLUML）的图的图的图的图形设计语言开始出现。形设计语言开始出现。形设计语言开始出现。形设计语言开始出现。导论导论二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段 第第第第一一一一阶阶阶阶段段段段（1971197119731973年年年年）：19711971年年年年IntelIntel公公公公司司司司推推推推出出出出了了了了世世世世界界界界上上上上第第第第一一一一款款款款微微微微处处处处理理理理器器器器Intel Intel 40044004，这这这这是是是是第第第第一一一一个个个个可可可可用用用用于于于于微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机的的的的4 4 位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器，它它它它集集集集成成成成了了了了23002300只只只只晶晶晶晶体体体体管管管管，成为第一代微处理器。成为第一代微处理器。成为第一代微处理器。成为第一代微处理器。第第第第二二二二阶阶阶阶段段段段（1973197319771977年年年年）:19711971年年年年IntelIntel公公公公司司司司从从从从80088008发发发发展展展展成成成成Intel Intel 80808080，成成成成为为为为真真真真正正正正意意意意义义义义上上上上的的的的8 8 位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器。80808080采采采采用用用用NM0SNM0S工工工工艺艺艺艺，集集集集成成成成度度度度约约约约90009000只只只只晶晶晶晶体体体体管管管管，平平平平均均均均指指指指令令令令执执执执行行行行时时时时间间间间为为为为1212 s s，很很很很快快快快作作作作为为为为代代代代替替替替电电电电子子子子逻逻逻逻辑辑辑辑电电电电路路路路的的的的器器器器件件件件被被被被广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用于于于于各各各各种种种种电电电电子子子子设设设设备备备备中中中中，成成成成为为为为早早早早期期期期嵌嵌嵌嵌入入入入式系统的核心部件。式系统的核心部件。式系统的核心部件。式系统的核心部件。第二阶段中还有代表性的第二阶段中还有代表性的第二阶段中还有代表性的第二阶段中还有代表性的机型：机型：机型：机型：ZilogZilog公司的增强型公司的增强型公司的增强型公司的增强型Z80Z80，MotorolaMotorola的的的的 M6800M6800导论导论二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段 第第第第三三三三阶阶阶阶段段段段（1978197819831983年年年年）：19781978年年年年，IntelIntel公公公公司司司司推推推推出出出出了了了了第第第第一一一一个个个个1616位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器，即即即即著著著著名名名名的的的的80868086。它它它它的的的的最最最最高高高高主主主主频频频频为为为为10MHz10MHz，1616位位位位字字字字长长长长，内内内内存存存存寻寻寻寻址址址址能能能能力力力力为为为为1 1 MBMB。很很很很快快快快，ZilogZilog和和和和MotorolaMotorola公公公公司司司司也也也也宣宣宣宣布布布布计计计计划划划划生生生生产产产产1616位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器Z8000Z8000和和和和M68000M68000。从从从从此此此此以以以以后后后后微微微微处处处处理理理理器器器器进进进进入入入入了了了了群群群群雄雄雄雄逐逐逐逐鹿鹿鹿鹿的时代。的时代。的时代。的时代。第第第第四四四四阶阶阶阶段段段段（1983198320032003年年年年）：IntelIntel公公公公司司司司相相相相继继继继推推推推出出出出了了了了3232位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器8038680386、8048680486系系系系列列列列、PentiumPentium系系系系列列列列 。以以以以及及及及AMDAMD公公公公司司司司的的的的K5K5、K6K6、K7K7（AthlonAthlon）等等等等系系系系列列列列微微微微处处处处理理理理器，主频达到器，主频达到器，主频达到器，主频达到1GHz1GHz主频。主频。主频。主频。导论导论二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段二、微处理器的发展阶段 第第第第五五五五阶阶阶阶段段段段（19931993年年年年至至至至今今今今）：20032003年年年年4 4月月月月，AMDAMD公公公公司司司司的的的的6464处处处处理理理理器器器器OpteronOpteron、K8K8问问问问世世世世，宣宣宣宣告告告告了了了了6464位位位位微微微微处处处处理理理理器器器器时时时时代代代代的的的的到到到到来来来来。20052005年年年年IntelIntel和和和和AMDAMD先先先先后后后后发发发发布布布布了了了了自自自自己己己己的的的的双双双双核核核核处处处处理理理理器器器器Pentium Pentium D D和和和和AthlonAthlon 64 64 X2X2，宣宣宣宣告微处理器告微处理器告微处理器告微处理器双核双核双核双核时代的来临。时代的来临。时代的来临。时代的来临。现现现现在在在在，这这这这些些些些高高高高性性性性能能能能的的的的微微微微处处处处理理理理器器器器被被被被广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用于于于于各各各各种种种种领领领领域域域域，诸诸诸诸如如如如：大大大大中中中中型型型型计计计计算算算算机机机机、通通通通用用用用个个个个人人人人计计计计算算算算机机机机（PCPC机）、测控领域专用计算机和普通嵌入式系统。机）、测控领域专用计算机和普通嵌入式系统。机）、测控领域专用计算机和普通嵌入式系统。机）、测控领域专用计算机和普通嵌入式系统。导论导论三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展 微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机是是是是伴伴伴伴随随随随微微微微处处处处理理理理器器器器的的的的诞诞诞诞生生生生而而而而出出出出现现现现的的的的。但但但但随随随随着着着着半半半半导导导导体体体体技技技技术术术术的的的的迅迅迅迅猛猛猛猛发发发发展展展展，它它它它很很很很快快快快进进进进入入入入了了了了两两两两大分支：大分支：大分支：大分支：通用计算机系统通用计算机系统通用计算机系统通用计算机系统和和和和嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统。通通通通用用用用计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统用用用用于于于于高高高高速速速速数数数数值值值值计计计计算算算算和和和和海海海海量量量量数数数数据据据据处理。处理。处理。处理。嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统则则则则面面面面向向向向工工工工控控控控领领领领域域域域，嵌嵌嵌嵌入入入入到到到到各各各各种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中。种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中。种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中。种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中。导论导论三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展 由由由由于于于于应应应应用用用用对对对对象象象象对对对对低低低低功功功功耗耗耗耗、小小小小体体体体积积积积、高高高高可可可可靠靠靠靠性性性性的的的的苛苛苛苛刻刻刻刻要要要要求求求求，现现现现在在在在市市市市场场场场上上上上的的的的嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式处处处处理理理理器器器器实实实实际际际际上上上上都都都都是是是是一一一一个个个个单单单单片片片片微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机，广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用在在在在制制制制造造造造工工工工业业业业、过过过过程程程程控控控控制制制制、通通通通信信信信、仪仪仪仪器器器器、汽汽汽汽车车车车、船船船船舶舶舶舶、航航航航空空空空航航航航天天天天、军军军军事事事事装装装装备备备备和和和和消消消消费费费费类类类类产产产产品品品品等等等等方方方方面面面面，在在在在应应应应用用用用数数数数量量量量上上上上远远远远远超过了各种通用微处理器。远超过了各种通用微处理器。远超过了各种通用微处理器。远超过了各种通用微处理器。作作作作为为为为以以以以硬硬硬硬件件件件技技技技术术术术为为为为基基基基础础础础，以以以以电电电电子子子子系系系系统统统统设设设设备备备备的的的的设设设设计计计计为为为为目目目目标标标标的的的的信信信信通通通通类类类类的的的的学学学学生生生生来来来来说说说说，掌掌掌掌握握握握嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式处处处处理理理理器的应用技术是非常重要的。器的应用技术是非常重要的。器的应用技术是非常重要的。器的应用技术是非常重要的。导论导论三三三三、嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的发展 19761976年年年年IntelIntel公公公公司司司司首首首首先先先先推推推推出出出出真真真真正正正正能能能能称称称称为为为为单单单单片片片片机机机机的的的的MCS-48MCS-48系系系系列列列列单单单单片片片片微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机。它它它它以以以以体体体体积积积积小小小小、功功功功能能能能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。在在在在MCS-48MCS-48成成成成功功功功的的的的刺刺刺刺激激激激下下下下，许许许许多多多多半半半半导导导导体体体体公公公公司司司司和和和和计计计计算算算算机机机机公公公公司司司司争争争争相相相相研研研研制制制制和和和和发发发发展展展展自自自自己己己己的的的的单单单单片片片片机机机机系系系系列列列列。在在在在短短短短短短短短的的的的十十十十几几几几年年年年间间间间，经经经经历历历历了了了了四四四四次次次次更更更更新新新新换换换换代代代代，其其其其发发发发展展展展速速速速度度度度大大大大约约约约每每每每二二二二、三三三三年年年年要要要要更更更更新新新新一一一一代代代代，集集集集成成成成度度度度增增增增加加加加一一一一倍倍倍倍，功功功功能能能能翻翻翻翻一一一一番番番番。发发发发展展展展速速速速度度度度之之之之快快快快，应应应应用用用用范范范范围围围围之之之之广广广广达达达达到到到到了了了了惊惊惊惊人人人人的的的的地地地地步步步步。单单单单片片片片机机机机已已已已渗渗渗渗透透透透到到到到生生生生产产产产和和和和生生生生活活活活的的的的各各各各个个个个领领领领域域域域，可谓无所不在。可谓无所不在。可谓无所不在。可谓无所不在。导论导论三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展三、嵌入式处理器的发展 80C5180C51是是是是单单单单片片片片机机机机中中中中的的的的经经经经典典典典和和和和标标标标准准准准产产产产品品品品，具具具具有有有有品品品品种种种种全全全全、性性性性价价价价比比比比高高高高，兼兼兼兼容容容容性性性性强强强强、软软软软硬硬硬硬件件件件资资资资料料料料丰丰丰丰富富富富等等等等特特特特点点点点，因因因因此此此此时时时时至至至至今今今今日日日日，在在在在国国国国内内内内的的的的应应应应用用用用仍仍仍仍非非非非常广泛。常广泛。常广泛。常广泛。近近近近年年年年来来来来，受受受受ITIT技技技技术术术术发发发发展展展展的的的的推推推推动动动动，ARMARM处处处处理理理理器器器器（3232位位位位单单单单片片片片机机机机）在在在在全全全全球球球球范范范范围围围围内内内内流流流流行行行行，已已已已经经经经开开开开始始始始成成成成为为为为高高高高中中中中端端端端嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式应应应应用用用用和和和和设设设设计计计计的的的的主主主主流流流流。3232位位位位ARMARM体系结构已经成为一种事实上的标准。体系结构已经成为一种事实上的标准。体系结构已经成为一种事实上的标准。体系结构已经成为一种事实上的标准。第一章计算机系统概论第一章计算机系统概论本章学习要点本章学习要点：计算机硬件的概念及结构计算机硬件的概念及结构计算机硬件的概念及结构计算机硬件的概念及结构计算机软件的概念及分类计算机软件的概念及分类计算机软件的概念及分类计算机软件的概念及分类计算机的体系结构计算机的体系结构计算机的体系结构计算机的体系结构计算机的层次结构计算机的层次结构计算机的层次结构计算机的层次结构计算机基本工作原理计算机基本工作原理计算机基本工作原理计算机基本工作原理1.1 1.1 计算机硬件计算机硬件 计算机的功能从根本上说就是能够接收信息，根据事计算机的功能从根本上说就是能够接收信息，根据事计算机的功能从根本上说就是能够接收信息，根据事计算机的功能从根本上说就是能够接收信息，根据事先编好的程序对信息进行处理，并给出处理的结果。信息先编好的程序对信息进行处理，并给出处理的结果。信息先编好的程序对信息进行处理，并给出处理的结果。信息先编好的程序对信息进行处理，并给出处理的结果。信息是复杂的，但不论多么复杂，都是靠计算机的基本部件协是复杂的，但不论多么复杂，都是靠计算机的基本部件协是复杂的，但不论多么复杂，都是靠计算机的基本部件协是复杂的，但不论多么复杂，都是靠计算机的基本部件协作完成的，这些部件有作完成的，这些部件有作完成的，这些部件有作完成的，这些部件有运算器运算器运算器运算器、控制器控制器控制器控制器、存储器存储器存储器存储器、输入设输入设输入设输入设备备备备和和和和输出设备输出设备输出设备输出设备。由主存储器流向控制器由主存储器流向控制器的信息流称为指令流的信息流称为指令流 由主存储器流向运算器或由运算器流由主存储器流向运算器或由运算器流向主存储器的信息流称为数据流向主存储器的信息流称为数据流 控制器依据指令控制器依据指令发出的控制信号，发出的控制信号，称为控制流称为控制流1.2 计算机软件计算机软件1.2.1 1.2.1 软件的组成与分类软件的组成与分类软件的组成与分类软件的组成与分类计算机中的程序、数据和文档称为计算机软件。计算机软计算机中的程序、数据和文档称为计算机软件。计算机软计算机中的程序、数据和文档称为计算机软件。计算机软计算机中的程序、数据和文档称为计算机软件。计算机软件一般分为系统软件和应用软件两类。如图件一般分为系统软件和应用软件两类。如图件一般分为系统软件和应用软件两类。如图件一般分为系统软件和应用软件两类。如图1-21-2所示。所示。所示。所示。系统软件是方便用户使用计算机，发挥计算系统软件是方便用户使用计算机，发挥计算机效率、功能的基础软件。它负责计算机系机效率、功能的基础软件。它负责计算机系统的调度管理，提供程序的运行环境和开发统的调度管理，提供程序的运行环境和开发环境，并且向用户提供各种服务。环境，并且向用户提供各种服务。应用软件是用各种程序应用软件是用各种程序设计语言编写出来的具设计语言编写出来的具有特定功能的程序。有特定功能的程序。1.2 计算机软件计算机软件1.2.2 1.2.2 计算机语言计算机语言计算机语言计算机语言 1 1、机器语言、机器语言、机器语言、机器语言 机器语言是计算机硬件能够直接识别和执行的以二机器语言是计算机硬件能够直接识别和执行的以二机器语言是计算机硬件能够直接识别和执行的以二机器语言是计算机硬件能够直接识别和执行的以二进制代码表示的机器指令，是面向机器的。进制代码表示的机器指令，是面向机器的。进制代码表示的机器指令，是面向机器的。进制代码表示的机器指令，是面向机器的。每一种机器每一种机器每一种机器每一种机器语言编写的程序只适用于某种特定类型的计算机语言编写的程序只适用于某种特定类型的计算机语言编写的程序只适用于某种特定类型的计算机语言编写的程序只适用于某种特定类型的计算机。由于由于由于由于计算机能直接识别和执行机器语言程序，故机器语言程计算机能直接识别和执行机器语言程序，故机器语言程计算机能直接识别和执行机器语言程序，故机器语言程计算机能直接识别和执行机器语言程序，故机器语言程序又称为序又称为序又称为序又称为目标程序目标程序目标程序目标程序，显然用机器语言编写的程序实现路，显然用机器语言编写的程序实现路，显然用机器语言编写的程序实现路，显然用机器语言编写的程序实现路径最直接，执行起来是最快的。径最直接，执行起来是最快的。径最直接，执行起来是最快的。径最直接，执行起来是最快的。用机器语言编写程序既烦琐，又容易出错，还要求用机器语言编写程序既烦琐，又容易出错，还要求用机器语言编写程序既烦琐，又容易出错，还要求用机器语言编写程序既烦琐，又容易出错，还要求程序编写者深入理解计算机硬件结构。因此，在计算机程序编写者深入理解计算机硬件结构。因此，在计算机程序编写者深入理解计算机硬件结构。因此，在计算机程序编写者深入理解计算机硬件结构。因此，在计算机发展过程中，逐步出现了汇编语言和各种高级的程序设发展过程中，逐步出现了汇编语言和各种高级的程序设发展过程中，逐步出现了汇编语言和各种高级的程序设发展过程中，逐步出现了汇编语言和各种高级的程序设计语言，以帮助人们更有效、更方便地编写程序。计语言，以帮助人们更有效、更方便地编写程序。计语言，以帮助人们更有效、更方便地编写程序。计语言，以帮助人们更有效、更方便地编写程序。1.2 计算机软件计算机软件1.2.2 计算机语言计算机语言 2 2、汇编语言、汇编语言、汇编语言、汇编语言 汇编语言是一种与计算机机器语言相当接近的符号语汇编语言是一种与计算机机器语言相当接近的符号语汇编语言是一种与计算机机器语言相当接近的符号语汇编语言是一种与计算机机器语言相当接近的符号语言。它采用言。它采用言。它采用言。它采用助记符助记符助记符助记符来表示机器指令的操作码来表示机器指令的操作码来表示机器指令的操作码来表示机器指令的操作码。采用。采用。采用。采用符号地符号地符号地符号地址址址址指示程序存放在存储器中的位置及跳转关系指示程序存放在存储器中的位置及跳转关系指示程序存放在存储器中的位置及跳转关系指示程序存放在存储器中的位置及跳转关系，并增加一，并增加一，并增加一，并增加一些些些些控制控制控制控制程序执行程序执行程序执行程序执行和便于表示和便于表示和便于表示和便于表示数据及其存放数据及其存放数据及其存放数据及其存放的命令的命令的命令的命令（伪指令）（伪指令）（伪指令）（伪指令），以方便人们编写程序。汇编语言与机器语言一样，也是，以方便人们编写程序。汇编语言与机器语言一样，也是，以方便人们编写程序。汇编语言与机器语言一样，也是，以方便人们编写程序。汇编语言与机器语言一样，也是一种面向机器的语言。一种面向机器的语言。一种面向机器的语言。一种面向机器的语言。用汇编语言编写的程序称为汇编语言用汇编语言编写的程序称为汇编语言用汇编语言编写的程序称为汇编语言用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序源程序源程序源程序。计算机。计算机。计算机。计算机不能直接识别和执行汇编语言不能直接识别和执行汇编语言不能直接识别和执行汇编语言不能直接识别和执行汇编语言源程序源程序源程序源程序，需要通过称为汇编，需要通过称为汇编，需要通过称为汇编，需要通过称为汇编程序的一种语言处理程序加以处理。得到机器指令形式的程序的一种语言处理程序加以处理。得到机器指令形式的程序的一种语言处理程序加以处理。得到机器指令形式的程序的一种语言处理程序加以处理。得到机器指令形式的目标程序，计算机才能识别和执行。将汇编语言的目标程序，计算机才能识别和执行。将汇编语言的目标程序，计算机才能识别和执行。将汇编语言的目标程序，计算机才能识别和执行。将汇编语言的源程序源程序源程序源程序编译成机器语言的编译成机器语言的编译成机器语言的编译成机器语言的目标程序目标程序目标程序目标程序的过程，称为的过程，称为的过程，称为的过程，称为“汇编汇编汇编汇编”。1.2 计算机软件计算机软件1.2.21.2.2 计算机语言计算机语言计算机语言计算机语言 3 3、高级语言、高级语言、高级语言、高级语言 高级语言克服了机器语言和汇编语言依赖于具体计算高级语言克服了机器语言和汇编语言依赖于具体计算高级语言克服了机器语言和汇编语言依赖于具体计算高级语言克服了机器语言和汇编语言依赖于具体计算机的缺陷，使计算机语言成为机的缺陷，使计算机语言成为机的缺陷，使计算机语言成为机的缺陷，使计算机语言成为描述各种问题求解过程描述各种问题求解过程描述各种问题求解过程描述各种问题求解过程的算的算的算的算法语言。并从过程化语言发展为现代广泛应用的法语言。并从过程化语言发展为现代广泛应用的法语言。并从过程化语言发展为现代广泛应用的法语言。并从过程化语言发展为现代广泛应用的面向对象面向对象面向对象面向对象的语言。用某种高级语言编写的程序称为高级语言源程序，的语言。用某种高级语言编写的程序称为高级语言源程序，的语言。用某种高级语言编写的程序称为高级语言源程序，的语言。用某种高级语言编写的程序称为高级语言源程序，如如如如C+C+语言源程序、语言源程序、语言源程序、语言源程序、PASCALPASCAL语言源程序等。语言源程序等。语言源程序等。语言源程序等。计算机不能直接执行高级语言源程序，计算机不能直接执行高级语言源程序，计算机不能直接执行高级语言源程序，计算机不能直接执行高级语言源程序，用高级语言编用高级语言编用高级语言编用高级语言编写的源程序在输入计算机后，通过写的源程序在输入计算机后，通过写的源程序在输入计算机后，通过写的源程序在输入计算机后，通过“翻译程序翻译程序翻译程序翻译程序”翻译成机翻译成机翻译成机翻译成机器语言，这样计算机才能识别和执行器语言，这样计算机才能识别和执行器语言，这样计算机才能识别和执行器语言，这样计算机才能识别和执行。1.2 计算机软件计算机软件1.2.2 1.2.2 计算机语言计算机语言计算机语言计算机语言 4 4、高级语言、高级语言、高级语言、高级语言 “翻译翻译翻译翻译”通常有两种方式，即通常有两种方式，即通常有两种方式，即通常有两种方式，即编译方式编译方式编译方式编译方式和和和和解释方式解释方式解释方式解释方式。编译方式编译方式编译方式编译方式是指利用事先编好的一个称为编译程序的机是指利用事先编好的一个称为编译程序的机是指利用事先编好的一个称为编译程序的机是指利用事先编好的一个称为编译程序的机器语言程序，作为系统软件存放在计算机内，当用户将高器语言程序，作为系统软件存放在计算机内，当用户将高器语言程序，作为系统软件存放在计算机内，当用户将高器语言程序，作为系统软件存放在计算机内，当用户将高级语言编写的源程序输入计算机后，编译程序便把源程序级语言编写的源程序输入计算机后，编译程序便把源程序级语言编写的源程序输入计算机后，编译程序便把源程序级语言编写的源程序输入计算机后，编译程序便把源程序翻译成用机器语言表示的与之等价的目标程序，然后计算翻译成用机器语言表示的与之等价的目标程序，然后计算翻译成用机器语言表示的与之等价的目标程序，然后计算翻译成用机器语言表示的与之等价的目标程序，然后计算机再执行该目标程序，以完成源程序要处理的运算，并取机再执行该目标程序，以完成源程序要处理的运算，并取机再执行该目标程序，以完成源程序要处理的运算，并取机再执行该目标程序，以完成源程序要处理的运算，并取得结果。得结果。得结果。得结果。解释方式解释方式解释方式解释方式是指源程序进入计算机后，由一个叫解释程是指源程序进入计算机后，由一个叫解释程是指源程序进入计算机后，由一个叫解释程是指源程序进入计算机后，由一个叫解释程序的处理程序边扫描边解释，逐句输入逐句翻译，计算机序的处理程序边扫描边解释，逐句输入逐句翻译，计算机序的处理程序边扫描边解释，逐句输入逐句翻译，计算机序的处理程序边扫描边解释，逐句输入逐句翻译，计算机再逐句执行，并不产生目标程序。再逐句执行，并不产生目标程序。再逐句执行，并不产生目标程序。再逐句执行，并不产生目标程序。1.2 计算机软件计算机软件 1.2.3 1.2.3 指令集结构指令集结构指令集结构指令集结构 指指指指令令令令是是是是机机机机器器器器语语语语言言言言的的的的词词词词汇汇汇汇，指指指指令令令令集集集集就就就就是是是是机机机机器器器器语语语语言言言言的的的的的的的的辞辞辞辞海海海海。为为为为提提提提高高高高计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统的的的的性性性性价价价价比比比比，设设设设计计计计指指指指令令令令集集集集结结结结构构构构时时时时有有有有两两两两种种种种不不不不同同同同的的的的优优优优化化化化策策策策略略略略。计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统设设设设计计计计师师师师把把把把指指指指令令令令集集集集分分分分成成成成两两两两大大大大类类类类，将将将将处处处处理理理理器器器器分分分分为为为为复复复复杂杂杂杂指指指指令令令令计计计计算算算算机机机机（Complex Complex Instruction Instruction Set Set Computer,Computer,CISCCISC）和和和和精精精精 简简简简 指指指指 令令令令 集集集集 计计计计 算算算算 机机机机（Reduced Reduced Instruction Instruction Set Set Computer,Computer,RISCRISC）。）。）。）。1.2 计算机软件计算机软件1.2.3 1.2.3 指令集结构指令集结构指令集结构指令集结构 CISCCISC的世纪思想和特点的世纪思想和特点的世纪思想和特点的世纪思想和特点 CISCCISC的思想是让每一条指令完成尽可能多的任务，的思想是让每一条指令完成尽可能多的任务，的思想是让每一条指令完成尽可能多的任务，的思想是让每一条指令完成尽可能多的任务，其结果导致了其结果导致了其结果导致了其结果导致了CISCCISC机的多种操作数寻址模式。更重要机的多种操作数寻址模式。更重要机的多种操作数寻址模式。更重要机的多种操作数寻址模式。更重要的是，在的是，在的是，在的是，在CISCCISC机的设计中，机的设计中，机的设计中，机的设计中，每条指令所带的操作数数每条指令所带的操作数数每条指令所带的操作数数每条指令所带的操作数数目及其存放的地点都是任意的。目及其存放的地点都是任意的。目及其存放的地点都是任意的。目及其存放的地点都是任意的。这种设计的结果是这种设计的结果是这种设计的结果是这种设计的结果是指令指令指令指令长短不一长短不一长短不一长短不一，指令，指令，指令，指令执行时间也相差悬殊执行时间也相差悬殊执行时间也相差悬殊执行时间也相差悬殊。优点：优点：优点：优点：减少对存储器的存取操作，也就减少存储器减少对存储器的存取操作，也就减少存储器减少对存储器的存取操作，也就减少存储器减少对存储器的存取操作，也就减少存储器存取速度慢带来的影响，并使一条指令实现一个复杂的存取速度慢带来的影响，并使一条指令实现一个复杂的存取速度慢带来的影响，并使一条指令实现一个复杂的存取速度慢带来的影响，并使一条指令实现一个复杂的处理，处理，处理，处理，如：求一个函数值如：求一个函数值如：求一个函数值如：求一个函数值。1.2 计算机软件计算机软件1.2.3 1.2.3 指令集结构指令集结构指令集结构指令集结构RISCRISC的设计思想及特点的设计思想及特点的设计思想及特点的设计思想及特点 RISCRISC的设计思想是尽量降低指令的数量和复杂性，的设计思想是尽量降低指令的数量和复杂性，的设计思想是尽量降低指令的数量和复杂性，的设计思想是尽量降低指令的数量和复杂性，力求每条指令只执行一个基本计算，从而得到一个最小力求每条指令只执行一个基本计算，从而得到一个最小力求每条指令只执行一个基本计算，从而得到一个最小力求每条指令只执行一个基本计算，从而得到一个最小化的指令集。为了达到可能的最高速度，化的指令集。为了达到可能的最高速度，化的指令集。为了达到可能的最高速度，化的指令集。为了达到可能的最高速度，RISCRISC指令被指令被指令被指令被设计为固定长度，并在一个时钟周期内执行一条命令。设计为固定长度，并在一个时钟周期内执行一条命令。设计为固定长度，并在一个时钟周期内执行一条命令。设计为固定长度，并在一个时钟周期内执行一条命令。同时，同时，同时，同时，RISCRISC机的设计充分利用了高速缓存、提前机的设计充分利用了高速缓存、提前机的设计充分利用了高速缓存、提前机的设计充分利用了高速缓存、提前读取、流水线操作和超标量运算等手段，有效地提高了读取、流水线操作和超标量运算等手段，有效地提高了读取、流水线操作和超标量运算等手段，有效地提高了读取、流水线操作和超标量运算等手段，有效地提高了计算机的性能。计算机的性能。计算机的性能。计算机的性能。缺点：缺点：缺点：缺点：由于指令简单，由于指令简单，由于指令简单，由于指令简单，RISCRISC的性能更依赖于编的性能更依赖于编的性能更依赖于编的性能更依赖于编译程序（译程序（译程序（译程序（针对高级语言针对高级语言针对高级语言针对高级语言）的有效性，如果没有）的有效性，如果没有）的有效性，如果没有）的有效性，如果没有一个很好的编译程序，一个很好的编译程序，一个很好的编译程序，一个很好的编译程序，RISCRISC结构的潜在优势就结构的潜在优势就结构的潜在优势就结构的潜在优势就无法发挥。无法发挥。无法发挥。无法发挥。1.3 计算机系统的体系结构计算机系统的体系结构 一、冯一、冯一、冯一、冯 诺依曼结构诺依曼结构诺依曼结构诺依曼结构 冯冯冯冯 诺依曼型计算机以存储程序原理为基础，指诺依曼型计算机以存储程序原理为基础，指诺依曼型计算机以存储程序原理为基础，指诺依曼型计算机以存储程序原理为基础，指 令令令令与与与与数数数数据据据据混混混混合合合合存存存存储储储储。程程程程序序序序执执执执行行行行时时时时，CPU CPU 在在在在程程程程序序序序计计计计数数数数器器器器的的的的指指指指引引引引下下下下，顺顺顺顺序序序序地地地地读读读读取取取取下下下下一一一一条条条条指指指指令令令令和和和和数数数数据据据据，这这这这就就就就注注注注定定定定了了了了其其其其本本本本质质质质特特特特点点点点是是是是串串串串行行行行性性性性，表表表表现现现现在在在在两两两两个个个个方方方方面面面面：指指指指令令令令执执执执行行行行的的的的串串串串行行行行性性性性和和和和存存存存储储储储器器器器读读读读取取取取的串行性的串行性的串行性的串行性。1.3 计算机系统的体系结构计算机系统的体系结构 二、哈佛结构二、哈佛结构二、哈佛结构二、哈佛结构 如图所示，哈佛体系结构的特点如下：如图所示，哈佛体系结构的特点如下：如图所示，哈佛体系结构的特点如下：如图所示，哈佛体系结构的特点如下：l l程程程程序序序序存存存存储储储储器器器器与与与与数数数数据存储器分开；据存储器分开；据存储器分开；据存储器分开；l l提提提提供供供供了了了了较较较较大大大大的的的的存存存存储器带宽储器带宽储器带宽储器带宽；l l适适适适合合合合于于于于数数数数字字字字信信信信号号号号处理；处理；处理；处理；l l大大大大多多多多数数数数DSPDSP都都都都是是是是哈佛结构；哈佛结构；哈佛结构；哈佛结构；单位时间内存储器所存取单位时间内存储器所存取的信息量，是体现数据传的信息量，是体现数据传输速率的技术指标（输速率的技术指标（bit/sbit/s、byte/sbyte/s）1.4 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 计算机系统以硬件为基础，通过配置各种软件，计算机系统以硬件为基础，通过配置各种软件，计算机系统以硬件为基础，通过配置各种软件，计算机系统以硬件为基础，通过配置各种软件，形成一个有机组合的系统。使用计算机帮助我们解决形成一个有机组合的系统。使用计算机帮助我们解决形成一个有机组合的系统。使用计算机帮助我们解决形成一个有机组合的系统。使用计算机帮助我们解决问题的方法从控制流程的角度看可分为三种：问题的方法从控制流程的角度看可分为三种：问题的方法从控制流程的角度看可分为三种：问题的方法从控制流程的角度看可分为三种：全硬件的方法，即使用组合、时序逻辑设计方法，设全硬件的方法，即使用组合、时序逻辑设计方法，设全硬件的方法，即使用组合、时序逻辑设计方法，设全硬件的方法，即使用组合、时序逻辑设计方法，设计硬件逻辑电路，实现控制流程；计硬件逻辑电路，实现控制流程；计硬件逻辑电路，实现控制流程；计硬件逻辑电路，实现控制流程；软、硬件相结合的方法，即部分流程由硬件逻辑实现，软、硬件相结合的方法，即部分流程由硬件逻辑实现，软、硬件相结合的方法，即部分流程由硬件逻辑实现，软、硬件相结合的方法，即部分流程由硬件逻辑实现，另一部分由微程序实现；另一部分由微程序实现；另一部分由微程序实现；另一部分由微程序实现；全软件的方法，即采用某种计算机语言，按流程算法全软件的方法，即采用某种计算机语言，按流程算法全软件的方法，即采用某种计算机语言，按流程算法全软件的方法，即采用某种计算机语言，按流程算法编制程序，实现控制流程。编制程序，实现控制流程。编制程序，实现控制流程。编制程序，实现控制流程。1.4 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 用一种层次结构的观点分析计算机，计算机系统用一种层次结构的观点分析计算机，计算机系统用一种层次结构的观点分析计算机，计算机系统用一种层次结构的观点分析计算机，计算机系统按功能划分的层次结构如下图所示。按功能划分的层次结构如下图所示。按功能划分的层次结构如下图所示。按功能划分的层次结构如下图所示。没有加载任何软件之前是一台最基本没有加载任何软件之前是一台最基本的物理机，按照功能实现划分成不可的物理机，按照功能实现划分成不可再分的三个实际机器层次。再分的三个实际机器层次。M3M6M3M6为虚拟机器层，它的功能体现在广义的计算机语为虚拟机器层，它的功能体现在广义的计算机语言上言上。从某一层次的观察者看来，它只能是通过该层次。从某一层次的观察者看来，它只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机，至于对实际问题在较低层的语言来了解和使用计算机，至于对实际问题在较低层次上的具体解决和实现是不必关心的次上的具体解决和实现是不必关心的1.5 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理1.5.1 1.5.1 存储程序工作原理存储程序工作原理存储程序工作原理存储程序工作原理 事事事事先先先先编编编编制制制制程程程程序序序序，并并并并将将将将程程程程序序序序（包包包包含含含含指指指指令令令令和和和和数数数数据据据据）存存存存入入入入主主主主存存存存储储储储器器器器中中中中，计计计计算算算算机机机机在在在在运运运运行行行行程程程程序序序序时时时时，要要要要能能能能自自自自动动动动、连连连连续续续续地地地地从从从从主主主主存存存存储储储储器器器器中中中中依依依依次次次次取取取取出出出出指指指指令令令令并并并并执执执执行行行行，根根根根据据据据指指指指令令令令所所所所含含含含的的的的控控控控制信息，调用数据进行处理。制信息，调用数据进行处理。制信息，调用数据进行处理。制信息，调用数据进行处理。为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程序计数器（序计数器（序计数器（序计数器（PCPCPCPC），让它存放当前指令所在的存），让它存放当前指令所在的存），让它存放当前指令所在的存），让它存放当前指令所在的存储单元的地址。储单元的地址。储单元的地址。储单元的地址。控制器根据控制器根据控制器根据控制器根据PCPCPCPC的指示，合着时序脉冲的节拍，的指示，合着时序脉冲的节拍，的指示，合着时序脉冲的节拍，的指示，合着时序脉冲的节拍，周期性地从存储器取指、并进行译码和执行。周期性地从存储器取指、并进行译码和执行。周期性地从存储器取指、并进行译码和执行。周期性地从存储器取指、并进行译码和执行。大多数情况下，程序的执行都是顺序的，大多数情况下，程序的执行都是顺序的，大多数情况下，程序的执行都是顺序的，大多数情况下，程序的执行都是顺序的，因此，控制器取指后，因此，控制器取指后，因此，控制器取指后，因此，控制器取指后，PCPCPCPC自动增，从而保证自动增，从而保证自动增，从而保证自动增，从而保证能够按照指令的先后顺序执行。能够按照指令的先后顺序执行。能够按照指令的先后顺序执行。能够按照指令的先后顺序执行。如果被执行的指令是一条转移指令，那么如果被执行的指令是一条转移指令，那么如果被执行的指令是一条转移指令，那么如果被执行的指令是一条转移指令，那么这条指令被执行后，其目标地址将装入这条指令被执行后，其目标地址将装入这条指令被执行后，其目标地址将装入这条指令被执行后，其目标地址将装入PCPCPCPC。可见，可见，可见，可见，PCPCPCPC就像一个指针，一直指示着程序就像一个指针，一直指示着程序就像一个指针，一直指示着程序就像一个指针，一直指示着程序的执行进程。的执行进程。的执行进程。的执行进程。这就是著名这就是著名这就是著名这就是著名的冯的冯的冯的冯 诺依曼机结构，是美国科诺依曼机结构，是美国科诺依曼机结构，是美国科诺依曼机结构，是美国科学家冯学家冯学家冯学家冯 诺依曼（诺依曼（诺依曼（诺依曼（von Neumannvon Neumannvon Neumannvon Neumann）在）在）在）在1945194519451945年领导设年领导设年领导设年领导设计计计计EDVACEDVACEDVACEDVAC计算机的过程中提出的。计算机的过程中提出的。计算机的过程中提出的。计算机的过程中提出的。它奠定了现代它奠定了现代它奠定了现代它奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一结构。计算机仍沿用这一结构。计算机仍沿用这一结构。计算机仍沿用这一结构。1.5 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理 计算机的工作过程：计算机的工作过程：计算机的工作过程：计算机的工作过程：计计计计算算算算机机机机的的的的工工工工作作作作过过过过程程程程是是是是执执执执行行行行程程程程序序序序的的的的过过过过程程程程。程程程程序序序序是是是是为为为为求求求求解解解解特特特特定定定定问问问问题题题题而而而而设设设设计计计计的的的的指指指指令令令令序序序序列列列列，所所所所以以以以计计计计算算算算机机机机的的的的工工工工作作作作过过过过程程程程就就就就是是是是按按按按照照照照给给给给定定定定次次次次序序序序执执执执行行行行一一一一系系系系列列列列指指指指令令令令的的的的过过过过程程程程。按按按按照照照照存存存存储储储储程程程程序工作原理，执行一条指令可以分为两个阶段进行：序工作原理，执行一条指令可以分为两个阶段进行：序工作原理，执行一条指令可以分为两个阶段进行：序工作原理，执行一条指令可以分为两个阶段进行：取指令取指令取指令取指令和和和和执行指令执行指令执行指令执行指令 于是计算机的工作过程也就是反复取指和执指的过程。于是计算机的工作过程也就是反复取指和执指的过程。于是计算机的工作过程也就是反复取指和执指的过程。于是计算机的工作过程也就是反复取指和执指的过程。1.6 计算机的性能指标计算机的性能指标1.1.运算速度运算速度运算速度运算速度 计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。通常计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。通常计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。通常计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。通常以以以以MIPSMIPS和和和和MFLOPSMFLOPS为计量单位来衡量运算速度。为计量单位来衡量运算速度。为计量单位来衡量运算速度。为计量单位来衡量运算速度。MIPSMIPS表表表表示每秒百万次指令。对于给定的程序，示每秒百万次指令。对于给定的程序，示每秒百万次指令。对于给定的程序，示每秒百万次指令。对于给定的程序，MIPSMIPS可定义为可定义为可定义为可定义为 MIPS=IN/MIPS=IN/（TE10E6TE10E6）式中，式中，式中，式中，ININ表示指令条数，表示指令条数，表示指令条数，表示指令条数，TETE表示程序的执行时间（表示程序的执行时间（表示程序的执行时间（表示程序的执行时间（s s）。）。）。）。MFLOPSMFLOPS表示每秒百万次浮点运算。对于给定的程序，表示每秒百万次浮点运算。对于给定的程序，表示每秒百万次浮点运算。对于给定的程序，表示每秒百万次浮点运算。对于给定的程序，MFLOPSMFLOPS可定义为可定义为可定义为可定义为MFLOPS=IFN/MFLOPS=IFN/（TE10E6TE10E6）式中，式中，式中，式中，IFNIFN表示浮点运算指令的条数。表示浮点运算指令的条数。表示浮点运算指令的条数。表示浮点运算指令的条数。MIPSMIPS只适用于衡量标量计算机的性能，只适用于衡量标量计算机的性能，只适用于衡量标量计算机的性能，只适用于衡量标量计算机的性能，MFLOPSMFLOPS则比较则比较则比较则比较适用于衡量向量计算机的性能。适用于衡量向量计算机的性能