知识就是力量电子计算机是这种力量的放大器而把人类知课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第1章 概述,知识就是力量。电子计算机是这种力量的放大器。而把人类知识予以扩大的机器也会把一切方面的力量予以扩大。 费根鲍姆（美）,微型计算机原理,郑州大学物理工程学院,课程内容、地位、作用,第1章 微型机系统的基础知识,11,微型机概述,1,2,微型机系统的组成,1,3,微机硬件系统结构基础,1,4,微处理器模型的组成,1,5 存储器概述,1,6 微机的工作原理与程序执行过程,1,7 微机中的几个主要性能指标,1,8 微型机系统的配置,1,9 计算机的运算基础,1,微型机概述,1.,1.1,微型机的发展简史,计算机,（,Computer）,又称电脑，是20世纪最重要的科技成果。,计算机是一种能够自动地、高速地、精确地进行信息处理的现代化电子设备，是一种帮助人类从事脑力劳动（包括记忆、计算、分析、判断、设计、咨询、诊断、决策、学习与创作等思维活动）的工具。,1944年,哈佛大学和,IBM,公司合作,在美国首次制造出了现代计算机的雏形,马克。,1942年,美国物理学家毛希利（,John,Mauchely,）,提出了一个名曰“高速电子管计算装置”的现代计算机制造方案。该机于1946年正式交付使用，取名,ENIAC,电子数字积分机和计算机。,世界上第一台现代意义的电子计算机是,1946,年美国宾夕法尼亚大学设计制造的,ENIAC,1946,年由美国宾夕法尼亚大学研制,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator And calculator,），,装有,18,000,个电子管，总重量达,30,吨，,运算速度,5000,次,/,秒，功耗,150kw/h,，占地,170m,2,，造价,100,万美元。,不过它还没有引入,CPU,的概念,马克,计算机的发展,第一代电子计算机称为电子管计算机。,第二代计算机称为晶体管计算机，其主要逻辑元件采用的是晶体管。,第三代计算机的内存储器采用了半导体存储器，可靠性和存取速度有了明显的改善。,第四代计算机以采用大规模和超大规模集成电路为标志。,关于第五代计算机人们正在进行着多方面的探索。,从计算机结构及信息理论方面，“非冯结构”（神经网络,仿人脑的思维和记忆模型,），更便于处理某些智能型问题。,微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的,微处理器的集成度每隔,18,个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍,-,摩尔定律,Gordon E. Moore,，,Intel,公司的创始人之一,微型计算机的发展,第一阶段,19711973：,典型的微型机以,Intel 4004,和,Intel 4040,为基础。微处理器和存储器采用,PMOS,工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。,第二阶段,19741977：,以8位微处理器为基础，典型的微处理器有,Intel 8080/8085、,Zilog,公司的,Z80,及,Motorola,公司的6800。微处理器采用高密度,MOS（HMOS）,工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达64,KB，,配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如,CP/M）,和高级语言。,4,位、,8,位微处理器,Intel4004,Intel8008,Intel8085,第三阶段,19781981,：以16位和准32位微处理器为基础，如,Intel,公司的8086、,Motorola,的68000和,Zilog,的,Z8000。,微处理器采用短沟道高性能,NMOS,工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。,第四阶段,20世纪80年代,：80年代初，,IBM,公司推出开放式的,IBM PC，,这是微型机发展史上的一个重要里程碑。,IBM PC,采用,Intel 80x86（,当时为8086/8088、80286、80386）微处理器和,Microsoft,公司的,MS DOS,操作系统并公布了,IBM PC,的总线设计。,Intel8086,与,Intel8088,Intel80286,（,1982,年,-1984,年）,采用,1.5,m,工艺，集成了,134,000,个晶体管，工作频率为,6MHz,。,80286,的数据总线仍然为,16,位，但是地址总线增加到,24,位，使存储器寻址空间达到,16MB,。,1985,年,IBM,公司推出以,80286,为,CPU,的微型计算机,IBM PC/AT,，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（,ISA,）。该结构提供了一个,16,位、高性能的,I/O,扩展总线。,80,年代中期到,90,年代初，,80286,一直是微型计算机的主流,CPU,。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（,chipsets,）。,Intel80286,80386,的其他一些版本：,80386SX,，包含,16,位数据总线和,24,位地址总线，寻址空间为,16MB,；,80386SL,80386SLC,，包含,l6,位数据总线和,25,位地址总线，寻址空间为,32MB,。由于这些微处理器由于与,I/O,之间传输为,16,位，故也称为准,32,位微处理器。,80386,（,1985,年,-1988,年）,第一个实用的,32,位微处理器，采用了,1.5,m,工艺，集成了,275,000,个晶体管，工作频率达到,16MHz,。,80386,的内部寄存器、数据总线和地址总线都是,32,位的。通过,32,位的地址总线，,80386,的可寻址空间达到,4GB,。这时由,32,位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。,Intel80386,80486,（,1989,年,-1992,年）,采用,1,m,工艺，集成了,120,万个晶体管，工作频率为,25MHz,。,80486,微处理器由三个部件组成：一个,80386,体系结构的主处理器，一个与,80387,相兼容的数学协处理器和一个,8KB,容量的高速缓冲存储器。,80486,把,80386,的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样,80486,的处理速度一般比,80386,快,2,到,3,倍。,Intel,公司还生产过,80486,的其他一些版本：,80486SX,工作频率,20MHz,，不包含数学协处理器；,80486DX2,，采用双倍时钟，内部执行速度达到,66MHZ,，内存存取速度为,33MHz,；,80486DX4,，采用三倍时钟，内部执行速度达到,100MHZ,，内存存取速度为,33MHz,。,Intel80486,第五阶段,20世纪90年代开始,：,RISC（,精简指令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。,Pentium MMX,（以,P55C,代称,1997,年）增加了,57,条多媒体指令,在体系结构上，,Pentium,在内核中采用了,RISC,技术，可以说它是,CISC,和,RISC,技术相结合的产物,第五代：,Pentium,微型计算机的分类,从不同的角度对微型机进行分类:,4,位微处理器,1. 单片机,8,位微处理器,2. 单板机,16,位微处理器,3. 个人计算机,32,位微处理器,4. 多用户系统,64,位微处理器,5. 微型机网络,微处理器、 微型计算机和微型计算机系统,微处理器：运算器、控制器的合称，指由大规模集成电路构成的中央处理器。,微型计算机(,Microcomputer)：,指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/输出接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。,微型计算机系统(,Microcomputer System,)：指由微型计算机配以相应的外部设备（如打印机、显示器、磁盘机、磁带机和键盘等），足够的软件、电源、面板和机架而构成的计算机系统。,微型计算机的系统组成,运算器,控制器,寄存器组,内存储器 总线,输入输出,接口电路,外部设备 软件,微处理器,微型计算机,微型计算机系统,1.2 微型机系统的组成,1.2.1 硬件系统 (见,P6,图1.2),1.2.2 软件系统,操作系统,MS-DOS,汇编程序,MASM,和,LINK,文本编辑程序,EDIT.COM,调试程序,DEBUG.EXE,1.3 微机硬件系统结构基础,P9,三大部分(,CPU、,存储器、,I/O）,通过三总线（地址总线、数据总线、控制总线）连接而成。,微型机中有三股信息流：地址信息、数据信息、控制信息。,单总线、双总线、双重总线。,1.4 微处理器模型的组成,微处理器由,运算器、控制器、内部寄存器阵列,组成。,1.4.1 运算器(,ALU),进行算术运算、逻辑运算以及移位操作的器件。,1.4.2 控制器,指令寄存器,IR:,存放从存储器中取来将要执行的指令。,指令译码器,ID:,对指令进行译码。,定时与控制电路：产生取指令和执行指令所需的控制信号，每条指令对应控制信号的某种组合。,1.4.3 内部寄存器存放参加运算的数或地址、运算结果的状态、微机的工作状态。如：,A、PC、F、,数据寄存器等。,1.5 存储器概述,1.5.1 基本概念,存储器-微机中存储程序、数据（原始数据、中间结果、最终结果）的部件。,字节单元-8位二进制数为一个字节，一个存储单元存储一个字节。,存储容量-存储单元的总数量。,1.5.2 存储器组成,译码器,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,3,F,00,01,MM,NN,存储单元,64,个单元,存储单元的地址,:由,CPU,发出,存储单元的编号。,存储单元的内容：,存储单元的存储信息。,地址,内容,1.5.3 读写操作过程,P13,图1.9,读操作过程：,1.,CPU,经地址总线发出地址信息，如04,H，,选中编号为04,H,的存储单元。,2.,CPU,发出读控制信号，打开该存储单元的相应的门电路。,3.地址为04,H,的存储单元的存储内容(信息)被送到数据总线上，进入,CPU,相应的寄存器，即读入,CPU。,读操作进行后，该单元的原内容不变。,写操作过程：,1.,CPU,经地址总线发出地址信息，如08,H，,选中地址为08,H,的存储单元。,2.,CPU,把数据寄存器的内容（如26,H）,送到数据总线上。,3.,CPU,发出写控制信号，打开相应的门电路，将数据总线上的信息写入该存储单元。,写操作进行后，该单元的原内容被新写入的数据代替，原内容被冲掉。,1.6 微机的工作原理与程序执行过程,1.6.1 微机的工作原理,冯,诺依曼型计算机:,1.计算机中的数据和指令采用二进制数。,2.存储程序。,3.程序控制。,1.6.2 程序执行过程,(,P14),编写计算3+2的程序,B0 03,MOV AL,03H ;,把立即数03送,AL,04 02,ADD AL,02H ;,将,AL,的内容和02 相加,F4,HLT ;,暂停,1.7 微机中的几个主要性能指标,1.7.1 主板的结构与性能,1.主板的结构,集中了微机的主要部件和接口，如,CPU、,存储器（包括高速缓冲存储器）、系统芯片组等。硬盘、光驱、软驱通过总线接在主板上。鼠标、键盘等通过接口或扩充槽与主板相连接。,系统芯片组：超大规模继承电路，含并行接口、串行接口、定时器/计数器、,DMA,等。,2.主板的主要性能指标,（1）微处理器支持能力，,CPU,插槽类型、,CPU,种类、外频范围、电压范围。,（2）系统芯片组类型。,（3）是否集成显卡、声卡、,MODEM、,网卡。,（4）支持内存和高速缓存的类型与容量。,（5）,BIOS,版本、是否支持即插即用。,（6）扩充插槽及,I/O,接口的数量、类型,（7）主板的电压输出范围。,1.7.2 微处理器的性能指标,1.字长:,CPU,的数据总线一次能同时处理数据的位数。,2.内存容量:字节存储单元，与,CPU,的地址引脚数有关。,3.指令系统:不同厂家生产的,CPU，,指令系统不同，但功能相似。8086,CPU,的指令系统有148条基本指令。,4.运算速度:,P21,有3种计算速度的方法。,以,MIPS（1,秒内执行多少百万条指令）为单位，是微处理器运行速度的一种度量方式。8086,CPU,执行指令最短的时间为400,ns,速度为0.41.3,MIPS。Pentium4,的运行速度高达700,MIPS。,5.,iCOM,:INTEL,的综合指数。以25,MHz,的80486,SX25,为基准（指数为100），其他的微处理器与之相比，计算相对值。,6.,SPECmark,：,是,SPECint,（,系统性能整数数值计算法）与,SPECfp,（,系统性能浮点数值计算法）的合称。,P22,THANK YOU VERY MUCH,！,