微型计算机原理绪论

*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微型计算机原理与应用,授课教师：尚倩,授课班级：,12,对口,2,班,2013.3,微型计算机原理与应用,课程是一门专业基础课，是我们学习和掌握计算机硬件知识的入门课程之一，是其他相关课程（包括软件、硬件）的基础。,通过该课程的学习使学生从理论和实践上掌握微型计算机的,基本组成,、,工作原理,及常用外设的,硬件接口电路,，建立微型机系统的整体概念，掌握串、并行通信的基本知识，使学生能够应用所学知识，进行软、硬件的设计和开发。,本课程的介绍,1.1,计算机发展概况,1.2,计算机的主要特点,1.3,计算机的分类,1.4,计算机的应用,1.5,计算机的发展趋势,1.6CPU,的发展,绪论,计算机发展概况,1.1,冯诺依曼结构,两大缺点：（,1,）没有,存储器,；（,2,）它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也就被这一工作抵消了,二进制取代十进制,/,存储程序和程序控制,(5,部分及关系）,计算机发展概况,1.1,阿兰,麦席森,图灵（,Alan,Mathison,Turing,，,1912.6.231954.6.7,）,英国,著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、,人工,智能,之父。人们为纪念其在计算机领域的卓越贡献而设立“,图灵奖,”。,计算机,的重要贡献在于他提出的有限状态自动机也就是,图灵机,（一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数）的概念,人工智能（,“机器能思考吗”的论文,）,，它提出了重要的衡量标准“,图灵测试,”，如果有机器能够通过图灵测试，那他就是一个完全意义上的智能机，和人没有区别了，他杰出的贡献使他成为计算机界的第一人,冯,诺 依曼没有说过,“,存储程序,”,型计算机的概念是他的发明，却不止一次,地说过，图灵是现代计算机设计思想的创始人。当有人将,电子计算机之父,“,的头衔戴在冯,诺依曼头上时，他谦逊地说，真正的计算机之父应该是图灵。,当然，冯,诺依曼问之无愧，而图灵也有“人工智能之父”的桂冠。他俩是计算,机历史浩瀚星空中相互映照的两颗巨星。,计算机发展概况,1.1,计算机发展概况,1.1,计算机发展概况,1.1,Ada,是一种表现能力很强的通用程序设计语言，它是美国国防部为克服软件开发危机，耗费巨资，历时多年研制成功的。它被誉为,第四代计算机语言的成功代表,。与其他流行的程序设计语言不同，它不仅体现了许多现代软件的开发原理，而且将这些原理付诸实现。因此，,Ada,语言的使用可大大改善软件系统的,清晰性， 可靠性， 有效性， 可维护性,。,Ada,的出现，标志着,软件工程,成功地进入了,国家,和,国际,的规模。在一定意义上说，,Ada,还刺破了“冯,.,偌依曼思维模式”,(Von Newman Mind-set),的桎梏，连同,Ada,的 支持环境,(APSE),一起，形成了新一派的所谓,Ada,文化。它是迄今为止,最复杂,、,最完备,的,软件工具,。,Ada,语言是 美国国防部指定的唯一的一种可用于,军用系统开发的语言,，我国军方也将,Ada,做为军内开发标准（,GJB 1383,程序设计语言,Ada,）。,计算机发展概况,采用水银延迟线作为内存，磁鼓作为外存。体积大、耗电多、运算速度慢。最初只能使用二进制表示的机器语言，到,20,世纪,50,年代中期才出现汇编语言。这个时期，计算机主要用于科学计算和军事方面，应用很不普遍。,电子管计算机（,19461954,年）,内存主要采用磁芯，外存大量采用磁盘，输入输出设备有了较大改进。体积显著减小、可靠性提高、运算速度可达每秒百万次。软件方面出现了高级程序设计语言和编译系统。计算机开始广泛应用于以管理为目的的信息处理。,晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等发明相提并论。,第二代,第一代,晶体管计算机（,19551964,年）,1.1,计算机的发展史,第三代,第四代,集成电路计算机 （,1965-1974,年）,主要采用中、小规模集成电路，运算速度达每秒千万次，可靠性大大提高，体积进一步缩小，价格大大降低。软件方面进步很大，有了操作系统，开展了计算机语言的标准化工作并提出了结构化程序设计方法，出现了计算机网络。计算机应用开始向社会化发展，其应用领域和普及程度迅速扩大。,微型计算机的出现和发展是计算机发展史上的重大事件，使得计算机在存储容量、运算速度、可靠性和性能价格比等方面都比上一代计算机有了较大突破。各种系统软件、应用软件大量推出，功能配置空前完善，充分发挥了计算机的功能，把计算机的发展和应用带入了一个全新时代。,大规模集成电路计算机（,1975,年至今）,计算机的发展史,第五代,高性能微处理器、大规模高密度电路,（,1991,至今）,指令级并行，可扩展并行与分布处理,计算机的发展史,1946,年第一台电子数字积分计算器,(ENIAC),在美国建造完成。,1982,年,微电脑开始普及，大量进入学校和家庭。,36,年,计算机的主要特点,自动性,高速性,逻辑性,通用性,准确性,特点,1.2,计算机的分类,从原理上,数字计算机,模拟计算机,从结构上,从用途上,专用计算机,通用计算机,从字长上,4,位、,8,位、,16,位机,32,位、,64,位机,位片机,单片机、单板机,微机系统等,1.3,计算机的分类,按规模和处理能力,大型机,巨型机,中型机,小型机,微型机,1.3,巨型和大型机一般是计算中心和军事部门,中型机和小型机中小用户交换机等,航空航天,科学研究,家用电器,计算机的应用,1.4,工业控制、电子商务,计算机辅助系统,人工智能及智能化产品,计算机技术的发展趋势,多媒体技术,两极化,网络化,智能化,非,冯,诺依曼体系结构计算机,1.5,非冯,诺依曼体系结构计算机,电子计算机自问世以来已历经,60,多年的历史，但计算机所遵循的基本结构,形式始终是冯,诺依曼机结构。它的基本结构特征是“,共享数据,和,串行执行,”的,计算机模型。按照这种结构，程序和数据放在共享存储器内，,CPU,取出指令和,数据进行相应的计算，因此,CPU,与共享存储器间的信息通路成为影响系统性能,的“,瓶颈,”。多年来在并行计算机结构及处理的研究已经取得了很多成果，如阵,列机、流水机、向量机等，使计算速度有了很大提高，但就本质上仍无法克服,冯,诺依曼机结构上的缺陷。,随着计算机发展，人们除了继续对命令式语言进行改进外，提出了若干,非,冯,诺依曼型的程序设计语言,，并探索了适合于这类语言的新型计算机系统结,构，大胆地脱离了冯,诺依曼原有的计算机模式，寻求有利于开发高度并行功,能的新型计算机模型，例如，光子计算机（光处理器利用光的高速和无干扰,性，使用光学元件构成处理器。尚在研发中），并行计算机、数据流计算机以,及量子计算机等。,非冯,诺依曼体系结构计算机,传统的冯,诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即,使有关,数据,巳经准备好，也必须,逐条执行指令序列,。而提高计算机性能的根本,方向之一是并行处理。因此，近年来人们谋求突破传统冯,诺依曼体制的束,缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般,认为它表现在以下三个方面的努力。,在冯,诺依曼体制范畴内，对传统冯,诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速 度。这些方向已比较成熟，成为标准结构；,用多个冯,诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃；,从根本上改变冯,诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是,真正,非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的,前景,，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。,1.6,CPU,发展,集成电路技术,IC,是信息产业的核心技术，被称为产业的发动机，关系到富,国强兵，在集成电路,IC,技术中，微处理器,CPU,的设计与制造又是,IC,产业的核心。,微处理器不仅仅是微机的核心部件，而且也是各种数字智能设备的关键部,件，因此，有人称,CPU,数字时代产业的“心脏”。,目前，全世界的,CPU,技术和制造技术主要掌握在少数发达国家的少数企业,手中，,Intel /AMD/IBM/Motorola/TI,等，生产嵌入式的台湾威盛公司,/,英国,ARM,公司,/,日本东芝,/,韩国三星,/,德国西门子等等。,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,CPU,应用领域的不同：,通用高性能微处理器：,用于组装各类计算机产品例如：个人计算机和高性能的工作站、服务器等,专用型微处理器：,作为被控制设备的控制中心例如：手机、,DVD,解码、机顶盒等,微控制器,:,MCS,、单片机作为一个部件使用例如：汽车、空调等,微处理器发展的几个阶段：,4位微处理器：4004、4040,8位微处理器：8008、8080、8085,16位微处理器：8088、8086（包含,CPU,最关键最重要的技术，其主要技术在当今最先进的微处理器中仍被继承和应用，并在性能上保持对其的兼容）,32位微处理器：80 2/3/4 86、,Pentium,等,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,微处理器发展的几个阶段：,64位微处理器：,Itanium,安腾处理器，采取了,后向不兼容,的策略，最终导致这个名叫安腾（,Itanium,）的产品在,2001,年推出后，由于缺乏配套应用而失败。,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,到了,2005,年,，当,CPU,主频接近,4GHz,时，英特尔和,AMD,发现，,速度,也会遇,到自己的,极限,，那就是单纯的主频提升，已经无法明显提升系统整体性能。频,率提高,50%,，性能提升可能微不足道,功耗大幅度增加,，随着功率增大，,散热问,题也越来越成为一个无法逾越的障碍。据测算，主频每增加,1G,，功耗将上升,25,瓦，而在芯片功耗超过,150,瓦后，现有的风冷散热系统将无法满足散热的需要。,3.4GHz,的奔腾四至尊版，晶体管达,1.78,亿个，最高功耗已达,135,瓦。实际上，,在奔腾四推出后不久，就在批评家那里获得了“电炉”的美称。更有好事者用它,来玩煎蛋的游戏。 很显然，当晶体管数量增加导致功耗增长超过性能增长速度,后，处理器的可靠性就会受到致命性的影响。就连戈登摩尔本人似乎也依稀看,到了“主频为王”这条路的尽头,2005,年,4,月，他曾公开表示，引领半导体市,场接近,40,年的“摩尔定律”，在未来,10,年至,20,年内可能失效。,1.6,CPU,发展,微处理器发展的几个阶段：,AMD,抢先手推出,64,位处理器后，英特尔才想起利用“多核”这一武器进行“帝,国反击战”。,2005,年,4,月，英特尔仓促推出简单封装双核的奔腾,D,和奔腾四至尊,版,840,。,AMD,在之后也发布了双核皓龙,(,Opteron,),和速龙,(,Athlon,) 64 X2,和处理器。,但真正的“双核元年”，则被认为是,2006,年。这一年的,7,月,23,日，英特尔基于酷睿,(Core),架构的处理器正式发布。从单核到双核，再到多核的发展，可能是摩尔,定律问世以来，在芯片发展历史上速度最快的性能提升过程,双核和多核处理器,2006,年 已经成为主流,Intel,和,AMD,1.6,CPU,发展,酷睿,处理器,Core Duo 2006,推出 双核处理器,1.6,CPU,发展,Intel CPU,Intel,酷睿,i7 990X,至尊版,CPU,名称,:Intel Core i7 990X Extreme Edition,CPU,核心： 六核心,CPU,针脚数目：,1156Pin,制程工艺：,32,纳米,处理器倍频：,26,处理器外频：,133MHz,CPU,支持指令集 ：,MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, EM64T,一级指令缓存：,384KB,一级数据缓存：,1536KB,三级缓存容量：,12MB,英特尔,于,2008,年推出的,64,位,四核心,CPU,皓龙,Opteron,处理器做为,AMD,推出专为服务器及工作站设计的全球首 款可与业内标准,x86,结构兼容的,64,位处理器,闪龙,双核,2100+ AM2,台式处理器,速龙,64 FX,是,AMD,为极限玩家倾力打造的高端游戏处理器。,1.6,CPU,发展,AMD CPU,1.6,CPU,发展,AMD CPU,AMD,速龙,II X4 635(,散,),CPU名称,:,Athlon II X4 635 2.9GHz,CPU核心,:,四核,CPU针脚数目,:,938Pin,制程工艺,:,45纳米,CPU频率,:,2.9GHz,处理器倍频,:,14.5,处理器外频,:,200MHz,内存控制器,:,DDR3-1333/DDR2-1066,CPU支持指令集,:,MMX, 3D NOW!, SSE, SSE2, SSE3, SSE4a, EMT64,一级指令缓存,:,256KB,二级缓存容量,:,2MB,工作功率,:,95W,工作温度,:,71,1.6,CPU,发展,1.6,CPU,发展,技术瓶颈,英特尔的首席财政官,布赖恩特直言不讳地指出，要想让多,核完全发挥效力，需要硬件业和软件业更多革命性的更新。其,中，可编程性是多核处理器面临的最大问题。一旦核心多过八,个，就需要执行程序能够并行处理。尽管在并行计算上，人类,已经探索了超过,40,年，但编写、调试、优化,并行处理程序的能,力还非常弱,。,1999,年,12,月，,北京大学,成功研制国内第一套支持微处理器正向设计的开发平台及第一个具有自主知识产权的,16,位嵌入式微处理器的原型系统，标志第一代中国芯的问世。,2001,年,7,月，,方舟科技,有限公司，方舟一号,CPU,问世，用在金融、税务等终端机上。年底方舟二号问世。,2003,年，北京,北大众志微,系统科技公司和北京大学微处理器研发中心研制了号称国内最齐全的,CPU,系统芯片，并开始进行实际的使用。北大众志,-863CPU,得到,863,计划的重点支持，在电子政务、教务、企业、医疗信息化的应用示范中，得到好评。,2002,年,11,月，,上海复旦微电子公司,研制成功，神威一号，高性能嵌入式,32,位微处理器,2003,年,8,月底，,六合万通微电子公司,研发的用于网路安全通讯的万通一号,VLSI,芯片通过了测试验证。,1.6,CPU,发展（在中国）,2001,年,3,月，,中兴微电子,，,星光一号,，第一块具有自主知识产权的百万门数码影像专用芯片，达到奔腾系列水平，,2002-2004,星光三号、四号陆续诞生，,数字图像处理芯片,，应用在手机彩信、摄像头等。中国电信指定的唯一标准芯片方案，计算机图像输入芯片世界,40%,，覆盖欧日美等,16,个国家。,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,龙芯（英文名：,Loongson,，旧称,GODSON1,）是中国科学院计算所自主研发的通用,CPU,，采用简单,指令集,，类似于,MIPS,指令集。,龙芯,1,号的频率为,266MHz,，最早在,2002,年开始使用。,龙芯,2,号的频率最高为,1GHz,。,龙芯,3,号还尚未有成品，而设计的目标则在,多核心,的设计。,龙芯,CPU,，在中国做到影响最大的还是,中科院计算技术研究所,研制,2002,年,9,月，,龙芯一号,loongson-1,旧称,Godson-1,研发完成，,32,位的处理器，主频,266 MHz,2002,年，中国科学院计算所牵头和七家企业成立了龙芯联盟,1.6,CPU,发展（在中国）,龙芯一号,1.6,CPU,发展（在中国）,龙芯二号,2005.4.18,龙芯二号,loongson-2,旧称,Godson-2,问世，,64,位元处理器，内频为,300MHz,至,1GMHz,，在北京人民大会堂发布，达到,2000,年国际先进水平，达,Intel,的,P3,及,P4,水平。,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,兼容性,1.6,CPU,发展（在中国）,人力和财力,1.6,CPU,发展（在中国）,RISC,（,Reduced Instruction,SetComputer,，精简指令集计算机）,x86,架构是重要地可变指令长度的,CISC,（复杂指令集计算机，,Complex Instruction Set Computer,）,架构,1.6,CPU,发展（在中国）,价格,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,曙光,5000A,的性能为,180.6TFlops,，目前在全球排名第十名，,IBM,公司的“走鹃”是目前全球排名第一的高性能计算机，其性能超千万亿次。据报道，,IBM,目前正在为美国能源部开发比走鹃快,20,多倍的“红杉”。,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,1.6,CPU,发展（在中国）,ST,网络安全领域,工控领域,SOC,设计,龙芯应用的成功案例,中科院计算所与世界最大的半导体制造商之一意法半导体龙芯处理器技术合作，通过该合作获得了,MIPS64,架构全部许可使用权，而意法半导体通过合作取得龙芯处理器芯片在全球制造和销售的授权。,曙光信息产业有限公司成功将我公司的,基于龙芯,2E,处理器的防火墙,TLFW-100L,防火墙,国内一家工控行业的领先企业推出了一款基于龙芯,2E,处理器的产品,网络芯片电子消费品中，比如数字音响、话机、车载电脑、工业控制器，汽车电子设备等产品中。,1.6,CPU,发展（在中国）,上海世博会为中国留下怎样的,“,财富,”,？,中科院院士、材料学家邹世昌,认为，世博会所留下的将是科技成果的推广，而上海将是受惠最大的城市，有望成中国最早一个无线网络全覆盖的城市。,2010,年,8,月,13,日,，中科院院士、材料学家邹世昌来到上海世博园，在公众参与馆中接受中新社记者专访。他认为，通过世博会，芯片技术将更多地为被大家所熟悉。在未来，上海整个城市将覆盖无线网络。,1.6,CPU,发展（在中国）,邹世昌描绘了,“,无线网络全覆盖,”,后的场景：看病不用出门，只要把芯片放在身上，信息就会通过网络传回到相关医院。,邹世昌透露，此次世博会广泛应用尚未被游客熟知的,世博门票技术,，是中国自主研发的技术。他说：,“,世博门票的前身，就是目前上海市民几乎人手一张的交通卡。从,20,世纪初，中国就开始自主研发该项技术，并应用到了交通领域。,”,而此次世博会门票则中包含了一个,“,RFID,的芯片,”,以及,一个线圈,，该线圈比门票的尺寸小一圈。目前上海世博会门票具备,安全性高,、,防伪能力佳,的特点。,RFID(Radio,Frequency Identification,的,),，即,射频识别,，俗称,电子标签,非接触式的自动识别技术,，它通过,射频信号,自动识别目标对象并获,取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境,1.6,CPU,发展（在中国）,作为在电子芯片技术领域孜孜以求了半世纪的家，邹世昌最为关注的还是信息技术在世博会上的应用。他相信，通过世博会的示范效应，芯片技术在今后将有更大的用武之地。,“,我们的生活中充斥着形形色色的芯片技术。汽车、电脑、手机、交通卡、身份证等等，芯片技术给我们的生活带来了便利。,”,邹世昌表示，,“,通过世博会，这一技术今后还可以扩大应用范围，比如电子支付等领域。,”,谈及中国信息化产业的发展，邹世昌院士指出，缺乏核心竞争力是中国相关产业的硬伤。邹世昌说，,中国集成电路工艺技术较国际先进水平差距不小,。要缩小差距，还需要在核心技术上取得突破。,差距,1.6,CPU,发展（在中国）,邹世昌介绍，目前，,中国集成电路芯片,80%,依靠进口,，在这方面消耗的外汇超过石油，成为,第一外汇消耗大户,。,国防、信息安全都要求尽早诞生更先进的中国,“,芯,”,。邹世昌说，如今集成电路芯片已无处不在，未来智能化生活、城市管理，都需要大量芯片。,他希望,年轻一代能奋勇自强,，早日掌握核心技术，造出更强的中国,“,芯,”,。,1.6,CPU,发展（在中国）,实现处理器国产势在必行,思考,在计算机发展历史中，做出杰出贡献的四位科学，并说出他们所做的贡献？,在当今为什么对冯诺依曼结构提出改进甚至改造？,CPU,在我国的发展情况如何？,学习了本次课后，你对于学习微机原理课程的理解，以及将来大家可能从事的发展方向？,