第二章-微电子和计算机技术课件

第二章微电子和计算机技术1本章重点：知道微电子技术及其发展理解计算机基本工作原理掌握微型计算机硬件与软件知识了解计算机的分类和发展22.1 微电子技术微电子技术 晶体管的发明，并被广泛应用到电子技术领域替代电子管，开创了微电子技术。微电子技术经历了晶体管、集成电路、超大晶体管、集成电路、超大规模集成电路规模集成电路的发展过程。19471947年发明晶体管年发明晶体管32.1.1 电子管-晶体管-集成电路1 电子管“阴极”：加电后会发射电子；“屏极”：吸收电子；“栅极”：位于阴极和屏极之间，控制电子流变化，使屏极起到电流放大作用。电子管特点：工作状态稳定，寿命长，但体积大、耗电多，玻璃管易碎。在玻璃管内放置电极，管内抽成真空，有利于电子运动。其内有三个电极：19041904年发明电子管年发明电子管42 晶体管 晶体管主要有晶体二极管和晶体三极管两种。由半导体材料组成，在半导体材料中掺入少量其他元素，引起晶格中原子排列发生变化，若释放多余电子，称“n型半导体”，若缺少电子构成空穴，称“p型半导体”。自由电子和空穴都能导电，自由电子带负电荷，空穴带正电荷。5晶体二极管由一个p型半导体和一个n型半导体紧密合成，形成 p-n 结，具有内部电场，没有电压时处于电平衡状态；外加电场后，使电流随外加电压而变化。6晶体三极管由两个 p-n 结组成，形成三个电极：集电极相当于电子管的屏极；基极相当于电子管的栅极；发射极相当于电子管的阴极，通过控制基极端的电流，实现集电极端电流的放大。73 集成电路（IC）将若干晶体管晶体管、电阻电阻、电容电容等器件集中制造在一小块半导体芯片上，用金属线连接引脚，再烧结封装。早期的集成电路内含几百到几千个晶体管。19581958年发明集成电路年发明集成电路8超大规模集成电路（VLSI）1975年摩尔提出关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”，即：集成度每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降。从Intel 386芯片开始，每块芯片包含了几十万个晶体管，现在的“P4”芯片已集成了4200万个晶体管，制作工艺已达到0.09微米级的光刻精度，这只是 300个原子的宽度。目前正在挑战0.05微米级的光刻精度。92.1.2 集成电路的设计与制作设计与制造过程-绘制线路图-数字化，变成矩形图案（“掩膜”图纸）-镀膜-光刻-烧结-酸洗1 传统的制造过程：2 硬件描述语言(HDL)102.1.4 微电子技术的发展前景 作为微电子技术的核心集成电路，其集成度也越来越高，目前的集成度已达到4200万个晶体管以上，达到0.09微米以下的光刻精度；不久，集成上亿个晶体管，光刻技术达到几个原子的宽度的芯片也将面世。微电子技术的应用已渗透到现代社会的各个领域，成为衡量一个国家综合国力的主要标志，人类的一切社会活动都离不开微电子技术。11计算机系统由两部分组成：硬件和软件软件：程序、文件、资料硬件：中央处理单元、输入输出设备、存储器2.2 计算机的基本结构和原理计算机的基本结构和原理121“冯诺依曼”计算机硬件的基本组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 采用二进制编码进行数据和程序的储存(1)运算器：完成各类运算功能。(2)控制器：计算机的一切操作、所有部件之间的联系都受控制器的控制。2.2.1 计算机的工作原理微型机中，把运算器和控制器制做在同一个芯片里，称“中央处理器”，又叫“CPU”。13(3)存储器分主存和辅存辅存也叫外存，软盘、硬盘和光盘是常用的外存。外存上的信息必须先将调人内存后CPU方可使用，信息处理完毕，必须将内存信息存放到外存，因为关机后，内存中的信息会丢失。主存又称内存，基本存储单元是字节(8位)。每个存储单元有一个序号，称为“地址”。存储单元里的内容是由0和1组成的二进制数，被定义成程序或数据。计算机输人/输出的数据都先经过内存，计算结果也先存放在内存中。速度较快、失电后内容消失、随机存储14(4)输入设备常见输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等。数码相机、摄像机和调制解调器等具有输人输出的双重功能。(5)输出设备常见输出设备有：显示器、打印机、绘图仪和音响等。15附：计算机结构说明系统总线（BUS），包括控制总线（control bus）地址总线（address bus）数据总线（data bus）CPU通过总线控制逻辑驱动总线上的各项设备，传送数据。内存储器在CPU的控制下，经总线控制器跟CPU或跟I/O设备交换数据。内存也可经DMA（直接内存存取）总线而不必通过CPU，直接与高速的I/O设备交换数据。CPU中的运算器和控制器通过内部总线传送信息。16复习一微电子技术电子管晶体管集成电路大规模集成电路计算机基本原理结构存储器集成电路的制作172 数制及其编码 数制转换：四位二进制数组成一位十六进制数。三位二进制数组成一位八进制数。二进制、八进制、十六进制数之间直接转换。D10ir=100,1,9逢十进一十进制HOB数制表示16i8i2i权r=16r=8r=2基数0,1,9,A,BF0,1,70,1基本符号逢十六进一逢八进一逢二进一规则十六进制八进制二进制进位制十进制不能直接转成二进制数，须通过一定的换算。任一数制都有三个要素：数符（数码）、基数和权值。18ASCII字符编码 ASC（American standard code for information interchange）字符为美国标准信息交换码，1967年被定为国际标准。共有128个，其中94个字符，34个控制字符。每个ASC字符用一个字节的低7位编码(07FH)，高位为，称为ASC代码。19附：汉字及其编码避免与ASCII码冲突，第7位置1，用两个字节表示一个汉字。14位可表示2的14次方(16384)个汉字。汉字的国标码汉字的国标码我国最早最常用的汉字编码是在ASC码的基础上，扩大编码的数量而形成的国标码(BG2312-80)。包括6763个常用汉字和682个其他字符，汉字又分成二级，第一级为常用汉字3755个，以汉语拼音为序；第二级为较常用汉字3008个，以偏旁部首为序。203 计算机指令(指令系统)例1：JMP M1操作码(跳转)操作数例2：ADD R1 R2操作码(加法)操作数1操作数2注：1 每种CPU的指令系统(集)是固定的(几十种到几百种指令)。2 每条指令的操作数可以是0，1，2，3个。3 操作数是操作对象(数或地址)。计算机指令由“操作码”与“操作数”组成，操作码表示要执行的动作，操作数指示操作对象。214 指令的执行每执行一条指令，一般经历四个骤步(一个指令周期)：1 取指 2 译码 3 执行 4 存放结果注：1 指令根据程序计数器取。2 通常，每执行一条指令，程序计数器自动加1。22复习二计算机的基本处理单位和字内存地址数制ASCII码及汉字指令系统指令的执行232.2.2 流水线和并行处理技术1 流水线技术 计算机执行一条指令涉及取指、译码、执行和存结果等几个阶段，在某阶段只有一个部件工作，其余空闲。流水线技术，使每个部件都在执行各自的任务，以至每个指令周期都有指令结果输出，计算机的运行速度可得到极大的提高。24流水线的技术问题1 指令的多样性2 步骤不一样3 每个步骤执行的时间不同4 本次操作与上条指令结果有关5 跳转指令问题解决方法：1 设置多条流水线(指令分类)2 按最多步骤设置（延时）3 时间最长的步骤分成小步骤问题：4 等待或两指令不要靠得太近5 重新取指令252 并行处理技术并行处理系统有两种：多处理器系统：处理器和存储器并不一一对应，每个存储模块供各处理器共享，信息的交换通过整个处理器系统内部网络进行。多计算机系统：每一对处理器和存储器自成体系组成一个计算机，存储模块为各自的处理器所占用，信息交换通过计算机之间的网络进行。并行处理是将要解决的问题分解成能同时处理的小题目，让各部分协同工作。262.2.3 存储器及其管理1 内存历史:可作为存储器的条件：可表示两种状态、状态稳定、状态可迅速转换电子管存储器(20世纪40年代)磁芯存储器(20世纪50年代)半导体存储器(20世纪60年代)即RAM和ROMDRAM：动态存储器，适合内存SRAM(静态存储器):速度快、价格高，适合缓冲器内存包括：EDO(扩充数据输出,速度64M)SDRAM(同步DRAM,速度100M)RDRAM(RAMBUS,速度2000M)DDRRAM(速度2000M)272 存储技术 （1）直接连接存储技术：硬盘 40G、光盘VCDDVD（2）移动存储技术：-闪存卡:数码相机、MP3 -磁光技术移动存储技术:专业领域 -闪盘(优盘):替代软盘 -移动硬盘:携带方便的硬盘（3）网络存储技术：-网络附加储存(直接接到网上)-存储区域网络(通过光纤传输)283 存储器的层次结构CACHE是一种高速度、高成本的RAM，是CPU与内存之间数据传递的机构。并不占用内存地址空间。高速缓冲技术用于解决高速的CPU 与相对低速的RAM 之间的速度不匹配的矛盾。在计算机中，存储器的Cache-Memory-Disk层次结构，称为三级层次结构。其中：Memory为主存，Disk为辅存，Cache高速缓冲存储器。294 Cache工作原理CACHE分类一级缓冲一级缓冲(L1)：与CPU 电路直接设计在一起，有16128。二级缓冲二级缓冲(L2)：不与CPU 封装在一起，有256K1M。5 虚拟存储技术将内存与外存合理调度，它们之间不断交换数据。302.2.4 总线、外设与接口 例如，Pentium芯片，它的地址总线是32位，数据总线是64位，还有很多控制线。对于单总线结构，它的总线是复用的，在某个时刻是地址线，另一时刻是数据线，通过控制电路进行切换。1 总线（BUS）总线是计算机内的信息通道，是计算机系统结构的重要组成部分。计算机内的总线通常分为三类：地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)312 主板上的总线 计算机还有连接其他外设的各类接口标准：IDE（EIDE）接口连接硬盘与光驱；ISA、PCI接口连接声卡、网卡等；AGP接口连接显示卡；串行口（COM）连接鼠标器、Modem；并行口（LPT）连接打印机；PCMCIA为连接笔记本电脑的总线接口；通用串行总线USB可接数码相机、打印机、扫描仪、鼠标、光驱等，并支持“热插拔”。322.2.5 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类1 按发展阶段分类第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代集成电路计算机第四代大规模、超大规模计算机332 按用途规模分类科学计算数据处理实时控制（采用实时操作系统，及时响应外部事件的发生）工作站服务器家用计算机343 按大小规模分类4 按数据类型分类：定点机浮点机向量机巨型机大型机中型机小型机微型机355 按处理机个数和种类分类单处理机多处理机并行处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366 按指令的复杂程度分类 简单指令集计算机（RISC）：IBM、Motorola 和Apple公司的Power PC 601。复杂指令集计算机（CISC）：Intel X88 系列、如80486、Pentium系列。377 按并行度分类单指令流单数据流（SISD）：早期的Apple 计算机、IBM PC机。单指令流多数据流（SIMD）：Hitachi S3600、Intel Pentium、。多指令流单数据流（MISD）：如脉动阵列计算机。多指令流多数据流（MIMD）：NEC SX5、SGI/Cray T3E。38复习三流水线技术并行处理技术存储器的层次结构缓冲器(Cache)原理总线与接口计算机分类392.3 计算机软件系统概述计算机软件系统概述计算机系统由两大部分组成计算机硬件和计算机软件。只有硬件的计算机称为裸机，无法工作，必须配备软件才能使计算机运行起来。计算机软件是各种程序和相应文档资料的总称。计算机软件分两大类：系统软件和应用软件。40一 系统软件为运行计算机而必需配备的最基本的软件称为系统软件，它实现对计算机各种资源的控制、管理和调度，基本的人机交互，高级语言的解释、编译以及基本的系统维护调试等工作。系统软件主要包括操作系统语言：解释、编译程序，调试、查错程序工具软件411 操作系统操作系统是系统软件中最基本的部分，功能有：(1)资源管理 处理器管理：对处理器运行状态进行管理调度。存储器管理：管理进程、调度主存空间和虚拟存储器的使用，保护多道程序运行。I/O设备管理：管理、调度I/O设备。信息管理：文件管理，信息保密，用户权限等。(2)人机接口界面管理 命令方式：DOS、Unix、Netware系统等。图形界面方式：Windows、Windows NT系统等。42操作系统的类型：按使用人数分类：单用户和多用户按执行任务数分类：单任务和多任务按使用和技术相结合分类：-批处理操作系统：DOS-分时操作系统：UNIX、DEC公司的VMS-实时操作系统：RTOS-网络操作系统：UNIX、Windows NT、NetWare、Windows 95、Windows 2000：多任务、单用户432 计算机语言低级语言：与硬件最靠近，计算机直接可运行的机器语言；或汇编语言，是接近计算机指令的语言，采用“助记符”描述指令的运作，汇编语言控制硬件的能力强，但难以理解和交流，编程难度大，编制的源程序须编译生成计算机指令代码方可运行。高级语言：比较符合人们描述社会活动的语言，源程序也须编译或解释后才能运行。例：机器语言(二进制语言)：01001010 汇编语言：ADD R1 R2例：BASIC语言：a=16+35*abs(b)print a44计算机语言分类面向过程FORTRAN（科学计算）、COBOL（商业）、C、Pascal（系统开发）SQL（数据库开发）等。面向对象Visual Basic（专业项目编程）、Java（网页设计）、C+（系统开发）等。机器语言：二进制指令代码。低级语言：汇编语言。高级语言：可划分为面向过程、面向对象。453 工具软件开发工具：开发程序，如编译工具、数据库工具、系统仿真等。系统工具：系统管理、开发，如中文平台、系统补丁、内存管理、磁盘工具、系统测试、加密/解密、压缩/解压缩等。网络工具：网络管理，如浏览器、电子邮件收发、FTP工具、下载工具、网络安全、网络通讯等。驱动程序：用于连接和优化设备，如BIOS升级、主板驱动、显卡驱动、Modem驱动、声卡驱动等。工具软件使用户能有效地控制、管理和安全使用计算机的各项资源，主要有：46二二 应用软件应用软件信息管理软件文字、表格处理软件教育软件翻译软件杀毒软件多媒体软件图形图像软件游戏软件其他软件为了完成某种具体的应用性任务而编制的软件称为应用软件。大体可分成如下几类：472.4 计算机的发展计算机的发展现代科学技术的快速发展，使人们感到传统的“冯诺依曼机”已很难胜任，导致人们致力于神经网络、模糊逻辑和多值逻辑等新型逻辑关系的计算机开发。481 光计算机光计算机光器件带宽非常大，传输和处理的信息量大。信息传输失真小，信息运算速度远快于电子器件。光传输和转换时能耗低。光器件的部分产品已进入实用阶段，如光纤、光盘等。光学数字处理，光存储芯片已研制成功。492 化学和生物计算机化学和生物计算机3 量子计算机量子计算机量子位有叠加效应，量子位可以是0、1或者0与1的混合。n个量子位可同时存储2n个数据。量子信息的传输可以不需要时间。量子信息处理所需的能量可接近于零。已研制出量子效应芯片。利用微观碳分子取代硅半导体。利用DNA或蛋白质分子构成生物芯片。50复习四系统软件应用软件计算机的发展复习四51电子管52晶体二极管特性53三极管原理集电极基极发射极54集成电路55大规模集成电路56微电子技术的应用宇宙航空宇宙航空57微米工艺人的头发直径100微米芯片标准速度Intel 803861.20微米工艺33MHzIntel 804860.80微米工艺100MHzIntel Pentium0.60微米工艺200MHzIntel P 0.35微米工艺500MHzIntel P 0.25微米工艺800MHzIntel P40.09微米2GHz-3.4GHz研制目标0.05微米工艺58附：信息的基本单位：10101110 第7位 第0位最左是第7位（最高位），最右是第0位（最低位）将8个0或1组成的二进制数作为信息处理的基本单位称字节（byte），每一位（bit）的内容非0即1，如图所示。计算机的处理单位是字节59附：字(Word)和双字(D Word)0011000011001111第15位 第0位 一个字含有16个位，最左是第15位（最高位），最右是第0位（最低位）为提高处理速度，把2个字节组合成一个字(word)，形成16位的数据宽度，即16位机；若4字节(双字)组合，形成32位的数据宽度，就是32位机。一个字节(8位)16位(word)的组成60附：计算机的内存地址空间内存内容0100110011000100001011001000111011100100地址1地址2地址3地址4地址5地址n地址总线61附：内存地址空间的说明内存地址的编址 一根地址线有0和1两种状态，两根地址线共有四种状态，n 根地址线可寻址达2n个存储单元，组成一维的线性地址空间，地址码从02n-1。在计算机内，编号一般都从0开始，如第0字节，第0磁道等，第0位，0地址等。三线状态000001010011100101110111表示地址0123456762附：CPU的寻址能力CPU型号地址线编址范围寻址空间8086/808820位0-FFFFFH1M8028624位0-FFFFFFH16M386、486、奔腾32位0-FFFFFFFFH4096M（4G）内存地址由专用电子线路组成，不同CPU的地址范围不同。注：计算机内存的实际容量取决于实际安装的储存器数量。当内存不够的情况下，往往用外存储器（硬盘）作为模拟内存（虚拟内存）。数量单位表示：1K(字节)=1024字节1M(字节)=1024K字节1G(字节)=1024M字节63计算机的基本结构64RAM和ROMRAM随机存储器，占内存的大多数，可随机存储系统和用户的程序和数据，其内容在断电或计算机复位重新启动时便丢失。ROM只读存储器，内存中只有少量，主要存储计算机的 BIOS（基本输入输出系统）程序，用户只能读不能改写其内容，掉电后其中信息不会丢失。65ASCIIASCII码表码表码表码表HHHH0 01 12 23 34 45 56 67 70000000010010100100110111001001011011101101111110 000000000NULNULDC0DC0SPSP0 0P P p p1 100010001SOHSOHDC1DC1!1 1A AQQ a a q q2 200100010STXSTXSC2SC2“2 2B BR R b b r r3 300110011ETXETXDC3DC3#3 3C CS S c c s s4 401000100EOTEOTDC4DC4$4 4D DT T d d t t5 501010101ENQENQNAKNAK%5 5E EU U e e u u6 601100110ACKACKSYNSYN&6 6F FV V f f v v7 701110111BELBELETBETB 7 7GGWW g g w w8 810001000BSBSCANCAN(8 8HHX X h h x x9 910011001HTHTEMEM)9 9I IY Y I I y yA A10101010LFLFSUBSUB*:J JZ Z j j z zB B10111011VTVTESCESC+;KK k k C C11001100FFFFFSFS,N N n n-F F11111111SISIUSUS/?OO_ _ o oDELDEL66流水线技术示意图67并行处理68磁芯存贮器69半导体存储器70内存条71RAMBUS72CACHE芯片73硬盘和光盘硬盘和光盘74闪盘闪盘75闪存卡闪存卡76移动硬盘移动硬盘77存储器的层次结构存储器的层次结构78数制转换数制转换10101110 八进制(三位)：256十六进制(四位)：AE 十进制：128+32+8+4+2=1740011000011001111 十进制：8192+4096+128+64+8+4+2+1=12495 八进制：30317十六进制：30CF1283284279常见的若干数制2进制8进制10进制16进制2进制8进制10进制16进制000000010111311B000111111001412C001022211011513D001133311101614E010044411111715F0101555100002016100110666100012117110111777100102218121000108810011231913100111991010024201410101210A1010125211580总线81主板总线82EIDE接口(硬盘接口)83串行接口、USB接口、并行接口84具有SIMD功能的“奔4”85数制 数值 二进制值 数值大小(十进制)二 11B 00000011 3数制 数值 每位权值十 808D 102 101 100数制例子：八 11O 00001001 9十六 11H 00010001 17十 11D 00001011 11八 177O 82 81 80十六 F01H 162 161 160二 101B 22 21 20 86十进制 二进制 十六进制 八进制 12 1100 C 14 00001100 立即数 直接地址 间接地址 变址寻址指令形式:操作码 操作码 操作码 操作码 操作数 操作数的地址 “寄存器寻址”地址:操作数 寄存器:操作数地址 变址器:操作数地址 地址:操作数 (经运算)地址:操作数ASCII码 二进制 “12”00001111 00010000 “1”：31 “2”：3287附：计算机结构图(展开)88