微机原理与接口技术(第1章)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,微机原理与接口技术,王亭岭 主编,熊军华 周玉 副主编,第,1,章,微型计算机概述,了解微型计算机的发展历史,理解,微型计算机系统的组成,掌握,微型计算机的运算基础,学习目标：,1.1,计算机的发展,返回,1.1.1 计算机的诞生,1.1.2 微处理器的发展,1.1.3 计算机的工作原理,1.1.1,计算机的诞生,1946,年,2,月,14,日，世界上,公认,的第一台电子计算机,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator and Computer,电子数值积分式计算机,）由美国宾州宾夕法尼亚大学研制成功。,ENIAC,占地面积,150m,2,，重达,30000kg,，使用了,18000,多个电子管，功率为,150kW,，运算速度为,5000,次,/,秒。今天看来，,ENIAC,体积庞大，运行效率不高，且采用十进制运算，输入和更换程序十分不便，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元。,1947,年，贝尔实验室,Shockley,博士发明了被誉为“,20,世纪最伟大发明”的,晶体管,。晶体管与电子管相比体积小、功耗低、载流子运行速度快，它开辟了电子时代的新纪元。,1949,年，英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机,EDSAC,（,Electronic Discrete Sequential Automatic Computer,），,EDSAC,是世界上第一台采用冯,诺依曼体系结构的计算机，威尔克斯作为主创凭此摘取了1967年度计算机世界最高奖,“图灵奖”。此后,60,多年，计算机的发展日新月异，至今已经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和（超）大规模集成电路计算机,4,代的发展。表,1-1,简要地描述了这一发展过程。,EDVAC,(Electronic Discrete variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机,),方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。报告中，,冯,诺伊曼对EDVAC中的,两大设计思想,(,二进制和程序存储,),作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。,电子管,晶体管,晶体管计算机,冯诺依曼,（John von Neumann，19031957），20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。原籍匈牙利，布达佩斯大学数学博士。先后执教于柏林大学和汉堡大学。1930年前往美国，后入美国籍。历任普林斯顿大学、普林斯顿高级研究所教授，美国原子能委员会会员。美国全国科学院院士。早期以算子理论、共振论、量子理论、集合论等方面的研究闻名，开创了冯诺依曼代数。第二次世界大战期间为第一颗原子弹的研制作出了贡献。为研制电子数字计算机提供了基础性的方案。,1944年与摩根斯特恩（Oskar Morgenstern）合著博弈论与经济行为，是博弈论学科的奠基性著作。晚年，研究自动机理论，著有对人脑和计算机系统进行精确分析的著作计算机与人脑。,艾伦麦席森图灵,（Alan Mathison Turing，1912年6月23日1954年6月7日），英国数学家、逻辑学家，被称为计算机之父，人工智能之父。1931年图灵进入剑桥大学国王学院，毕业后到美国普林斯顿大学攻读博士学位，二战爆发后回到剑桥，后曾协助军方破解德国的著名密码系统Enigma，帮助盟军取得了二战的胜利。2013年12月24日，在英国司法部长克里斯格雷灵（Chris Grayling）的要求下，英国女王向图灵颁发了皇家赦免。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献，提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法，即图灵试验，至今，每年都有试验的比赛。此外，图灵提出的著名的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。,图灵测试,：如果电脑能在5分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为是人类所答，则电脑通过测试。2014年6月7日是计算机科学之父,图灵（Alan Turing）逝世60周年纪念日。这一天，在英国皇家学会举行的“2014图灵测试”大会上，聊天程序“尤金古斯特曼”（Eugene Goostman）首次“通过”了图灵测试。,图灵机,，又称图灵计算、图灵计算机，是由数学家阿兰麦席森图灵（19121954）提出的一种抽象计算模型，即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。,所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。,表,1-1,计算机的发展历程,电子管,晶体管,超大规模集成电路,集成电路,1.1.,2,微处理器的发展,微处理器出现于20世纪70年代，是大规模集成电路发展的产物。将计算机中的运算器和控制器集成在一片硅片上制成的集成电路作为微型计算机的中央处理部件（,CPU,，Central Processing Unit），称为微处理器。微型计算机以微处理器为核心，再配上适量内存、接口电路和外部设备组成。,1.1.,2,微处理器的发展,微处理器的品质决定了微型计算机的性能，因此微处理器的发展历程也是微型计算机的发展历史。美国Intel公司于1971年成功开发出全球第一块微处理器4004芯片，这一芯片最初被应用于一种计算器中。这一创举也开始了人类将智能内嵌于无生命设备的历程。近30多年来微处理器本身不断更新换代，从4位发展到8位、16位、32位乃至64位。其应用范围几乎渗透到社会的各个领域。,表,1-2 Intel,历代微处理器的典型产品,1.1.,2,微处理器的发展,正如著名的,摩尔定律,所预言：每过,18,个月，微处理器的集成度将翻一番，性能会提高一倍或价格降低一半。,随着互联网和媒体技术的迅猛发展，网络服务和移动计算逐渐成为一种非常重要的计算模式，这一新的计算模式迫切要求微处理器具有响应实时性、处理流式数据类型的能力，支持数据级和线程级并行性，更高的存储和,I/O,带宽，低功耗，设计的可伸缩性及缩短芯片进入和退出市场的周期等。,目前，片内多处理器及多线程技术正在成为处理器体系结构设计的热点。,1.1.,3,计算机的工作原理,1946,年,6,月，冯,诺依曼等人在,电子计算机装置逻辑初探,的报告中，首次提出了“,程序存储,”和“,二进制运算,”的概念，这个报告的内容可简要概括为以下几点：,（,1,）计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分组成。,（,2,）数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，地址码也是二进制形式，计算机能自动区分指令和数据。,（3）编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）来工作，由程序计数器（PC，Program Counter）控制指令的执行顺序。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。,1.1.,3,计算机的工作原理,目前，计算机硬件体系结构基本上还是经典的冯,诺依曼结构，如图,1-1,所示。,指令执行流程图,图,1-1,计算机硬件基本结构,1.1.,3,计算机的工作原理,冯,诺依曼计算机工作原理：把程序输入到计算机存储器中，然后执行程序，由控制器向内存储器发出取指令命令；控制器对取出的指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存、取命令和运算命令；经过运算器运算后，运算结果保存到存储器中；最后，在控制器发出取指令及输出指令的作用下，将存储器中的运算结果输出到输出设备。,输出结果信息,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,原始数据或程序,表示数据流,表示控制流,输出结果信息,表示数据流,表示控制流,原始数据或程序,1.2,微型计算机系统,返回,1.,2,.1 系统组成与结构,1.,2,.2 微型计算机分类,1.,2,.3 微型计算机的性能指标,1.,2,.1,系统组成与结构,微型计算机系统（,Micro Computer System,）是以微型计算机为主体，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整计算机系统。微型计算机系统可分为硬件和软件两大部分，硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可。硬件和软件分别由多个部分组成，自成系统，也常称为硬件系统和软件系统。微型计算机系统组成如图,1-2,所示。,图,1-,2,微型计算机系统,组,成,1.,2,.1,系统组成与结构,1,硬件系统组成,微型计算机硬件系统是机器的实体部分，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。其中运算器和控制器常常集成在一起，称为微处理器，即,CPU,。,1,）微处理器,微处理器是微型计算机的核心芯片，它主要包括运算器、控制器及相关寄存器等。,2,）存储器,存储器用来存放数据和程序。按照在系统中的位置，存储器一般分为内存储器和外存储器两类。内存储器又称为内存或主存，,CPU,可以直接访问。外存储器属于外设的范畴。,1.,2,.1,系统组成与结构,3,）输入,/,输出（,I/O,）设备和输入,/,输出接口（,I/O Interface,）,I/O,设备是微型机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给微型机。,CPU,的计算结果通过输出设备输出到外部。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,由于各种外设的工作速度、驱动方法差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能将它们简单地连接到系统总线上，而需要通过I/O接口电路来充当外设与CPU之间的桥梁，来辅助CPU工作，实现CPU与外设之间的速度匹配、信号电平匹配、信号格式匹配、时序控制、中断控制等。,1.,2,.1,系统组成与结构,2,体系结构,硬件系统的五大部分加上电源，通过系统总线有机地连在一起。系统总线是各个部件之间传输信息的公共通道。一般有三组总线：地址总线、数据总线和控制总线。典型的微机系统总线结构如图,1-3,所示。,图,1-3,典型的微机系统总线结构,1.,2,.1,系统组成与结构,3,软件系统组成,软件系统主要分为系统软件和应用软件。系统软件是由设计者提供给用户的、充分发挥计算机效能的一系列软件。,系统软件包括操作系统、语言处理程序和各种支持软件。,操作系统是系统软件的核心，它的主要功能是对系统的软硬件资源进行合理的管理。,程序设计语言是用来编写程序的语言，是人和计算机交换信息所用的工具，通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。,1.,2,.,2,微型计算机分类,1,按字长分类,微型计算机按字长可分为,4,位机、,8,位机、,16,位机、,32,位机和,64,位机。,2,按组装结构分类,微型计算机按组装结构可分为单片机、单板机和多板机。,3,按用途分类,微型计算机按用途可分为通用计算机和嵌入式计算机。,1.,2,.,3,微型计算机的性能指标,一台微型计算机的性能如何，是由它的系统结构、指令系统、硬件设备组成和软件配置情况等因素决定的。以下是评价微型计算机性能的主要指标。,1字长,2运算速度,3存储容量,4指令系统,5内核数目,6高速缓存,7总线性能,8系统配置,1.3,微型计算机的运算基础,返回,1.,3,.1 无符号数的表示方法,1.,3,.2 数制的转换与运算,1.,3,.3 符号数的表示及运算,1.,3,.,4,计算机中的定点数和浮点数,1.,3,.1 无符号数的表示方法,用一组符号表示数据时，其代表的数值大小与符号所在的位置有关，这种表示数的方法称为位置计数表示法。按进位