第1章 微型计算机系统概论(精品)

,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,计算机硬件技术基础,湖北师范学院,计算机科学与技术学院,主讲教师：洪家平,计算机硬件技术基础,本课程特点：,内容多,(,计算机组成原理、微机原理与接口、计算机体系结构,),学时少,进度快，难度大，应用广。,讲课内容,:,组成原理、汇编语言、接口技术,.,讲课学时,:,共,72+18,学时,其中,:,讲课,72,学时,+,实验,18,学时,总评成绩：,理论考试,70%+,实验考试,20%+,平时成绩,10%,如何学好这门课给同学们提几点建议,:,1,、课程特点：,学习计算机硬件、软件的工作原理与相关知识。,理论联系实际非常紧密的课程,课程内容更新极快。,2,、观念转变（教师角色、学生地位的转变）,:,教师角色的转变：,教师从原来以教师为中心的,“讲解者”,的角色转化为学生学习的,指导者,、学生活动的,导演者,的角色。,学生地位的转变,:,学生由原来单纯,听讲、接受灌输,的被动地位转化为：,有机的,主动参与、发现、探究的主体地位,;,3,、抓住教学过程中的几个环节,1,）、上课时要主动参与、发现、探究,将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具，主动参与、发现、探究；,2,）、课堂上布置自学内容，通过自学而,培养自学的能力,；,3,）、独立完成作业,同学之间相互交流，一起讨论，但一定要,独立完成作业,；,4,）、,实验课,实验课前要预习，,写出预习报告,，做到心中有数，有的放矢；实验课后，,要写实验报告，总结经验和教训，,提高自己分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。,参考书：,计算机硬件技术基础,张菊鹏 等编著,清华大学出版社出版,IBMPC,汇编语言程序设计,沈美明 温冬婵 编著,清华大学出版社出版,微机计算机技术及应用,戴梅萼 编著,清华大学出版社出版,习题集,:,计算机硬件技术基础 习题集,沈永林 胡振山编著,第,1,章,微型计算机系统概论,1.1,微型计算机的发展,1,1971,：全球第一块微处理器,4004,芯片,4004,主要用来处理算术运算，它集成了,2300,多个晶体管，具有,4,位带宽，工作频率为,108KHz,，寻址空间只有,640B,。这些参数和当今流行的,Pentium 4,相比，简直就是“小巫见大巫”，但它对整个微处理器领域的影响，却远在后者之上。,2,新一代,8,位微处理器,8080,在,1974,年,Intel,又推出了新一代,8,位微处理器芯片,8080,。,8080,集成了,6000,个晶体管，其时钟频率为,2MHz,。,8080,是一个划时代的产品，它的诞生，使得,Intel,有了自己真正意义上的微处理器。,3,第一代微处理器,16,位的,8086,Intel,于,1978,年推出了,16,位的微处理器芯片,8086,，它的出现成为,70,年代微处理器发展过程中的重要分水岭。,4,第二代微处理器,16,位的,80286,80286,芯片于,1982,年,2,月,1,日正式公布，其总线带宽为,16,位，集成了,13,万多个晶体管，主频达到了,20MHz,。,80286,的,24,位地址总线，使得它可以访问到,16MB,地址空间,。,5,第三代微处理器,32,位的,80386,1985,年,10,月，,Intel,推出它的第三代微处理器芯片,32,位的,80386DX,。,80386DX,是一块集成进了,27.5,万个晶体管的全,32,位微处理器，其时钟频率达到,33MHz,，数据总线和地址总线均为,32,位，具有,4GB,的物理寻址能力。它能够管理高达,64TB,的虚拟存储空间,。,6,第四代微处理器,32,位的,80486,Intel,于,1989,年,4,月正式推出,80486,微处理器芯片。在一片芯片内集成了,120,万个晶体管的,CPU,，是,Intel,第一次将微处理器的晶体管数目突破,100,万只。它不仅把浮点运算部件集成进芯片之内，同时还把一个其规模大小为,8KB,的一级高速缓冲存储器,Cache,也集成进了,CPU,芯片内。芯片的整数处理部件采用了,RISC,结构，以加速处理单一指令的速度，而芯片内部其他方面则保留,CISC,原样，用以处理复杂的指令，并保证其兼容性。,第五代微处理器,32,位的,Pentium,Intel,在,1993,年推出了全新一代的高性能微处理器,Pentium,。,Pentium,是拉丁文“五”（,Pente,）和元素周期表的公用后缀,IUM,组合而成。其寓意是指,Pentium,为该公司的第五代产品，为它起了一个“奔腾”中文名字。,Pentium,芯片内集成进,310,万个晶体管，这种,Pentium,又被称之为经典奔腾。,（,1,）高能奔腾（,Pentium Pro,）,Intel,于,1996,年推出了,Pentium Pro,。,Pentium Pro,芯片内集成了,550,万个晶体管，内部时钟频率为,133MHz,，处理速度几乎是,100MHz,经典,Pentium,的,2,倍。,Pentium Pro,内的一级（片内）高速缓冲存储器,Cache,大小为,16KB,，其中,8KB,为指令,Cache,，,8KB,为数据,Cache,。在,Pentium Pro,的一个封装内，除,Pentium Pro,芯片外还包括一个,256KB,的二级,Cache,芯片，二级,Cache,与微处理器同频运行。这样的设计令,Pentium Pro,达到了最高的性能。,（,2,）多能奔腾（,Pentium MMX,）,1996,年底,Intel,又推出了,Pentium MMX,（多能奔腾）。,MMX,技术是,Intel,最新发明的一项多媒体增强指令集技术,（,3,）二代奔腾,Pentium,1997,年,5,月，,Intel,推出了与,Pentium Pro,同一个档次的,Pentium,。由于它代表了,Pentium,系列机当时的最高性能，所以将其称之为二代奔腾,Pentium,。,Pentium,虽采用了与,Pentium Pro,相同的核心结构，增加了,MMX,指令集，以加速,16,位操作系统的执行速度。在,Pentium,里面，集成进,750,万个晶体管，比,Pentium Pro,多了,200,万个晶体管。,Intel,将,Pentium,上的一级高速缓冲存储器,Cache,从,16KB,加倍到,32KB,，（,16KB,指令,Cache+16KB,数据,Cache,）。,（,4,）,Pentium,Intel,于,1999,年,2,月发布了,Pentium,芯片。,Pentium,称为“多能奔腾二代处理机”。,CPU,主频更达到,733MHz,，芯片内集成进了,2800,万个晶体管，体积更小。,Pentium,由于增加了,MMX,指令，其浮点运算和三维处理能力明显增强。,Pentium,增加了,71,条称为互联网,SSE,（,Streaming SIMD Extensions,直译为单指令多数据流扩展）的指令。,（,5,）,Pentium 4,Pentium 4,是,Intel,新一代高性能,32,位微处理器，在体系结构上，,Pentium II,和,Pentium,采用的是与,Pentium Pro,相同的,P6,结构形式，而,Pentium 4,采用的则是,NetBurst,的新式处理机结构，可以更好地处理目前互联网用户的需求。它采用的新技术主要包括：,1.2,微型计算机与微处理器,首先简单介绍微型计算机系统、微型计算机硬件系统以及微处理器这三个常用的技术术语，以便对微型计算机系统建立一个层次化的概念。,1,微型计算机系统是一个系统，是由微型计算机硬件系统和软件系统组成。软件系统是由操作系统、用于高级语言的编译程序、用于低级语言的汇编程序、数据库管理程序、系统的调试工具、以及各种应用软件程序等组成。,2,微型计算机硬件系统是以微处理器为核心，再给它配以外围控制电路、存储器模块及其控制电路、输入,/,输出接口电路、用系统总线把各个部件有机地连接起来，就构成了一个典型的微型计算机硬件系统。,3,微处理器是微型计算机的核心，微处理器芯片通常称之为,CPU,。微处理器芯片是通过总线对存储器和输入,/,输出操作进行控制的。,1,3,1,微型计算机硬件组成,1,微型计算机硬件系统,从宏观上来说，微型计算机硬件的基本构成都是由微处理器、存储器系统和输入,/,输出系统三大块构成，如图所示。,微处理器,存储器系统,输入,/,输出系统,总线,1.3,微型计算机的组成,2,微处理器,计算机系统的核心部件是微处理器，充当计算机系统核心作用的微处理器，因时代的变迁和与时俱进的微处理器技术的飞速发展而变化着，,它们曾经是,16,位的,8086,（,8088,）、,80186,、,80286,微处理器,32,位的,80386,、,80486,、经典奔腾,Pentium,、高能奔腾,Pentium Pro,、二代奔腾,Pentium II,、,Pentium III,、,Pentium 4,，,目前的,64,位的微处理器。,3,存储器,存储器就是用来存储信息的部件。,计算机的存储器可以分为两大类：,一类叫内部存储器，简称为内存或主存；,另一类叫外部存储器，简称为外存。内存是计算机主机的一个组成部分，用它来存放当前正在使用的、或者经常使用的程序和数据。,外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。,外存总是和外部设备相关的。,4,输入,/,输出系统,计算机系统内的输入,/,输出系统是人,机进行信息交互的一种非常重要的手段。输入,/,输出系统通常是由诸如打印机、显示器、键盘、光驱、鼠标、绘图仪、扫描仪、软盘驱动器、硬盘驱动器、磁带机等设备组成。一个计算机系统配备的输入,/,输出设备的多少因需要而异。,1,3,2,计算机软件的组成,计算机的软件包括：计算机运行时所需的各种程序，以及描述程序功能、性能、设计、内部结构及如何操作与使用的文档资料。,软件是计算机系统的灵魂，没有配备任何软件的“裸机”是无法使用。组成计算机的软件可分为：系统软件和应用软件两大类。,1,系统软件,（,1,）操作系统,(2),语言处理程序,（,3,）数据库管理系统,（,4,）实用程序与软件工具,2,应用软件,应用软件是计算机用户在各自的应用领域中开发和使用的程序。由于计算机的应用极其广泛，所以这类软件种类繁多，不胜枚举。,1,4,微型计算机的工作过程,计算机系统的基本功能是执行程序。程序是事先设计好的并被存放在存储器中的一串串指令组成。而硬件系统则是通过对一条条指令的操作而实现对程序的执行。,可以把一条指令的执行过程，简单的看成是两个操作步骤：,1,、,CPU,每次先从内存储器中读取指令；,2,、对从内存储器中读取指令进行译码，然后去执行被译好码的指令。,程序的执行过程是周期性的、重复地执行“取指令,-,分析指令,-,执行指令”，这样一个循环操作过程。,取下一条指令,执行指令,暂停,开始,取指周期,执行周期,1.5,数在计算机中的表示,1.5.1,带符号数的表示,数学中用正负号表示数的正负，而计算机中的数是用二进制表示的，符号位也被数字化，数字的最高位表示符号位。一般符号位为,0,表示正数，为,1,表示负数。这种连同符号位在内表示的数字称为机器数,1,、原码,最高位表示符号，其它位用二进制的绝对值表示的方法为原码。设有数,X,，则原码记作,X,原。例如：,X1=+1011010,，则,X1,原,=01011010,X2=-1011010,，则,X2,原,=11011010,数,0,的原码有正,0,和负,0,两种表示形式：,+0,原,=0000,-0,原,=1000,2,、反码,正数的反码与原码相同，负数的反码为原码除符号外将其各位按位取反。例如：,X1,原,=01011010,，,X1,反,=X1,原,=01011010,X2,原,=11011010,，,X2,反,=10100101,数,0,的