微機(jī)-第1章基礎(chǔ)

第1章微機(jī)基礎(chǔ)王耀威56教研室yaow

微機(jī)原理及應(yīng)用內(nèi)容：微型計(jì)算機(jī)組成匯編語言（小學(xué)期已學(xué)）接

術(shù)及其應(yīng)用計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用要求：內(nèi)容多、概念多，易講難學(xué)，需課堂下多復(fù)習(xí)。掌握概念，認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的整體，再分解成各個(gè)部件，最終形成整體。每人至少看三遍書。特別掌握上機(jī)實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用考試：閉卷筆試

70分上機(jī)實(shí)驗(yàn)

20分平時(shí)成績

10分計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用參考書：計(jì)算機(jī)組成原理IBM

PC/XT系列匯編語言接

術(shù)及應(yīng)用第一章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)Computer

VS

Calculator模擬人腦電腦：是一種利用電子學(xué)原理，根據(jù)一系列指令來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的機(jī)器。處理信息的工具。根據(jù)圖靈機(jī)理論，一部具有最基本功能的計(jì)算機(jī)，應(yīng)當(dāng)能夠完成任何其它計(jì)算機(jī)能做的事情。只要不考慮時(shí)間和因素，從個(gè)人數(shù)碼助理（PDA）到超級(jí)計(jì)算機(jī)都應(yīng)該可以完成同樣的作業(yè)。計(jì)算機(jī)的分類個(gè)人計(jì)算機(jī)：臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜計(jì)算機(jī)–性能價(jià)格比服務(wù)器（

）?）高可靠性、吞吐率低時(shí)延可擴(kuò)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（低成本，低功耗，小體積電子計(jì)算機(jī)研制基礎(chǔ)1937年，年僅21歲的麻省理工學(xué)院克勞德·香農(nóng)（Claude

Shannon）了他的偉大《對(duì)繼電器和開關(guān)電路中的符號(hào)分析》，文中首次提及數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用。他向人們展示了如何使用開關(guān)來實(shí)現(xiàn)邏輯和數(shù)算。AlmonStrowger，他為一個(gè)含有邏輯門電路的設(shè)備申請(qǐng)了專利；尼古拉·特斯拉（Nikola

Tesla），他早在1898年就曾申請(qǐng)含有邏輯門的電路設(shè)備；LeeDeForest，于1907年他用真空管代替了繼電器。馮·諾依曼的構(gòu)想馮·諾依曼在一個(gè)報(bào)告中對(duì)EDVAC計(jì)劃進(jìn)行了描述。馮·諾依曼的報(bào)告被稱為

“在計(jì)算機(jī)科學(xué)史上最具的”。該報(bào)告是最早專門定義計(jì)算機(jī)部件并描述其功能的文檔?；隈T·諾依曼

中提出的概念，

可以定義“計(jì)算機(jī)”為一種可以接受輸入、處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)并產(chǎn)生輸出的裝置。馮·諾依曼的三個(gè)重要設(shè)計(jì)思想采用二進(jìn)制數(shù)表示指令和數(shù)據(jù);將程序（由一系列指令組成）和數(shù)據(jù)存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，并讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行五大基本部件;馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾伊曼瓶頸將CPU與內(nèi)存分開并非十全十美，反而會(huì)導(dǎo)致所謂的馮·諾伊曼瓶頸（von ann

bottleneck）在CPU與內(nèi)存之間的流量（資料傳輸率）與內(nèi)存的容量相比起來相當(dāng)小，在現(xiàn)代電腦中，流量與CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情況下（當(dāng)CPU需要在巨大的資料上執(zhí)行一些簡單指令時(shí)），資料流量就成了整體效率非常嚴(yán)重的限制。CPU將會(huì)在資料輸入或輸出內(nèi)存時(shí)閑置。由于CPU速度遠(yuǎn)大于內(nèi)存讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴(yán)重。集成電路中的晶體管數(shù)平均每18個(gè)月翻一番，

的性能也隨之提高一倍引起計(jì)算機(jī)突飛猛進(jìn)的主要原因是集成度的提高多核，Why？發(fā)展多核的原因冷卻問題指令級(jí)優(yōu)化已經(jīng)接近極限主要瓶頸：

器時(shí)延量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的設(shè)備。不同于電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。量子計(jì)算機(jī)仍處于研究階段。然而

, 的D-Wave

SystemInc.

發(fā)布了一款號(hào)稱“全球第一款

型量子計(jì)算機(jī)”的計(jì)算設(shè)備“D-Wave

One”[1]。

該量子設(shè)備是否真的實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算目前還沒有得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同[2]。2012年物理獎(jiǎng)他們提出了突破性的實(shí)驗(yàn)方法，使測量和操控單個(gè)量子體系成為可能。目前發(fā)展的系統(tǒng)包括如下物理系統(tǒng)：量子電腦（liquid-state

NMR

quantum液態(tài)核磁computer）固態(tài)核磁量子電腦（silicon-based

NMRquantum

computer）離子陷阱（ion

trap）量子光學(xué)（quantum

optics）QED）腔室量子電動(dòng)力學(xué)（超導(dǎo)體方案拓?fù)淞孔佑?jì)算（topological

quantum

computing）相關(guān)學(xué)科信息工程：是電子工程的一個(gè)分支，主要研究計(jì)算機(jī)軟硬件和二者間的彼此聯(lián)系。計(jì)算機(jī)科學(xué)：是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的傳統(tǒng)稱謂。主要研究計(jì)算技術(shù)和執(zhí)行特定任務(wù)的高效算法。該門學(xué)科為解決確定一個(gè)問題在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)是否可解，如可解其效率如何，以及如何作成更加高效率的程序。時(shí)至今日，在計(jì)算機(jī)科學(xué)內(nèi)已經(jīng)衍生了許多分支，每一個(gè)分支都針對(duì)不同類別的問題進(jìn)行深入研究。?工程學(xué)：著重于研究開發(fā)高質(zhì)量

系統(tǒng)的方法學(xué)和實(shí)踐方式，并試圖壓縮并

開發(fā)成本及開發(fā)周期。信息系統(tǒng)：研究計(jì)算機(jī)在一個(gè)廣泛的有組織環(huán)境（商業(yè)為主）中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用。微型計(jì)算機(jī)基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))硬件及固件（

機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)編輯

，編譯操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)工具應(yīng)用應(yīng)用用戶應(yīng)用開發(fā)操作系統(tǒng)開發(fā)

通常可以把計(jì)算機(jī)硬件的五大基本部件可以分成三大類：即CPU、器和輸入/輸出子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)硬件組成27處理單元（CPU）CPU=算術(shù)邏輯單元+控制單元＋寄存器CPU=運(yùn)算器+控制器主機(jī)主機(jī)

=

CPU

+

主

器外部設(shè)備（廣義的輸入/輸出設(shè)備）除去主機(jī)以外的硬件裝置（如輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助

器等）計(jì)算機(jī)硬件組成28運(yùn)算器控制器主器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助器CPU控制數(shù)據(jù)地址或指令主機(jī)外設(shè)器計(jì)算機(jī)硬件組成

CPU包括三部分：算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元和寄存器。處理單元（CPU）寄存器程序計(jì)數(shù)器30

主

器是

單元的集合。單元都有惟一的標(biāo)識(shí)符——地器中傳

每一個(gè)址。

數(shù)據(jù)以字（或字節(jié)）的形式在入或傳出。主器31主

器高速緩沖

器寄存器速度輔助

器容量小大快慢3.器的層次結(jié)構(gòu)不同的器具有不同的容量、不同存取速度。323.器的層次結(jié)構(gòu)為了解決格之間的容量、存取速度和價(jià)，通常把各種不同容量、不同存取速度的器，按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，形成一個(gè)統(tǒng)一整體的

系統(tǒng)。器的存取速度比主存快，但

高速緩沖比CPU

高速緩沖的寄存器慢。器容量較小，常置于CPU和主存之間。4.高速緩沖 器(Cache)34通常有兩種類型的cache：內(nèi)，內(nèi)速度cache

與CPU制作在同一個(gè)部cache容量很小，可以以CPU的運(yùn)行。外部cache位于CPU和RAM之間。有可能封裝在CPU盒中，也有可能在CPU盒外。外部cache容量較大，一般運(yùn)行速度比CPU速度稍低。4.高速緩沖 器(Cache)35cache用來存放主存中一部分內(nèi)容的副本（拷貝），即當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分。cache

，以便快速地向CPUCPU可以直接提供指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU需要程序和數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢索cache

，然后檢索外部cache

，再往后是RAM。只有前者中找不到所需內(nèi)容時(shí)才繼續(xù)檢索后者。4.高速緩沖 器(Cache)36

輸入/輸出子系統(tǒng)中的設(shè)備可以分為兩大類：非

設(shè)備和

設(shè)備。3.3.3

輸入/輸出子系統(tǒng)設(shè)備非

設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備磁介質(zhì)

設(shè)備光

設(shè)備其他

設(shè)備37非

設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤輸入設(shè)備掃描儀音頻輸入設(shè)備輸入設(shè)備其他1.顯示器2.3.其他38外部設(shè)備設(shè)備又稱為輔助

器。用來存放暫時(shí)不參磁介質(zhì)設(shè)備硬盤軟盤磁帶…外部與運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。CPU不能直接

輔助器，需要時(shí)將信息先傳送到主存。輔助器光設(shè)備39微型計(jì)算機(jī)的工作原理微型計(jì)算機(jī)的工作過程微型計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成，因此，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條地從器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個(gè)基本步驟，所以，微型計(jì)算機(jī)的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機(jī)指令時(shí)才結(jié)束機(jī)器的運(yùn)行。結(jié)束取指令，PC

值加1Y停機(jī)?N譯碼并執(zhí)行40微型計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算1+2=?匯編語言程序?qū)?yīng)的機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的操作MOV

AL,

110110000將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中00000001ADD

AL,

200000100計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中00000010MOV

[0008],

AL10100010將AL中的數(shù)傳送到地址單元00080000100100000000HLT11110100停機(jī)4