微機原理及應用 課件 第1章 微型計算機概述

微機原理及應用第1章微型計算機概述

了解微型計算機的發(fā)展歷史

理解微型計算機系統(tǒng)的組成

掌握微型計算機的運算基礎學習目標：1.1計算機的發(fā)展1.1.1計算機的誕生1.1.2微處理器的發(fā)展1.1.3計算機的工作原理1.1.1計算機的誕生1946年2月14日，世界上公認的第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer,電子數(shù)值積分式計算機）由美國賓州賓夕法尼亞大學研制成功。ENIAC占地面積150m2，重達30

000kg，使用了18000多個電子管，功率為150kW，運算速度為5000次/秒。今天看來，ENIAC體積龐大，運行效率不高，且采用十進制運算，輸入和更換程序十分不便，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學技術的新紀元。

1947年，貝爾實驗室Shockley博士發(fā)明了被譽為“20世紀最偉大發(fā)明”的晶體管。晶體管與電子管相比體積小、功耗低、載流子運行速度快，它開辟了電子時代的新紀元。

1949年，英國劍橋大學數(shù)學實驗室率先制成電子離散時序自動計算機EDSAC（ElectronicDiscreteSequentialAutomaticComputer），EDSAC是世界上第一臺采用馮·諾依曼體系結構的計算機，威爾克斯作為主創(chuàng)憑此摘取了1967年度計算機世界最高獎——“圖靈獎”。此后60多年，計算機的發(fā)展日新月異，至今已經(jīng)歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和（超）大規(guī)模集成電路計算機4代的發(fā)展。表1-1簡要地描述了這一發(fā)展過程。

EDVAC(ElectronicDiscretevariableAutomaticComputer，離散變量自動電子計算機)方案明確奠定了新機器由五個部分組成，包括：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備，并描述了這五部分的職能和相互關系。報告中，馮·諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想(二進制和程序存儲)作了進一步的論證，為計算機的設計樹立了一座里程碑。電子管晶體管晶體管計算機

馮·諾依曼（JohnvonNeumann，1903~1957），20世紀最重要的數(shù)學家之一，在現(xiàn)代計算機、博弈論、核武器和生化武器等諸多領域內有杰出建樹的最偉大的科學全才之一，被后人稱為“計算機之父”和“博弈論之父”。原籍匈牙利，布達佩斯大學數(shù)學博士。先后執(zhí)教于柏林大學和漢堡大學。1930年前往美國，后入美國籍。歷任普林斯頓大學、普林斯頓高級研究所教授，美國原子能委員會會員。美國全國科學院院士。早期以算子理論、共振論、量子理論、集合論等方面的研究聞名，開創(chuàng)了馮·諾依曼代數(shù)。第二次世界大戰(zhàn)期間為第一顆原子彈的研制作出了貢獻。為研制電子數(shù)字計算機提供了基礎性的方案。

1944年與摩根斯特恩（OskarMorgenstern）合著《博弈論與經(jīng)濟行為》，是博弈論學科的奠基性著作。晚年，研究自動機理論，著有對人腦和計算機系統(tǒng)進行精確分析的著作《計算機與人腦》。

艾倫·麥席森·圖靈（AlanMathisonTuring，1912年6月23日－1954年6月7日），英國數(shù)學家、邏輯學家，被稱為計算機之父，人工智能之父。1931年圖靈進入劍橋大學國王學院，畢業(yè)后到美國普林斯頓大學攻讀博士學位，二戰(zhàn)爆發(fā)后回到劍橋，后曾協(xié)助軍方破解德國的著名密碼系統(tǒng)Enigma，幫助盟軍取得了二戰(zhàn)的勝利。2013年12月24日，在英國司法部長克里斯·格雷靈（ChrisGrayling）的要求下，英國女王向圖靈頒發(fā)了皇家赦免。圖靈對于人工智能的發(fā)展有諸多貢獻，提出了一種用于判定機器是否具有智能的試驗方法，即圖靈試驗，至今，每年都有試驗的比賽。此外，圖靈提出的著名的圖靈機模型為現(xiàn)代計算機的邏輯工作方式奠定了基礎。

圖靈測試：如果電腦能在5分鐘內回答由人類測試者提出的一系列問題，且其超過30%的回答讓測試者誤認為是人類所答，則電腦通過測試。2014年6月7日是計算機科學之父—圖靈（AlanTuring）逝世60周年紀念日。這一天，在英國皇家學會舉行的“2014圖靈測試”大會上，聊天程序“尤金·古斯特曼”（EugeneGoostman）首次“通過”了圖靈測試。

圖靈機，又稱圖靈計算、圖靈計算機，是由數(shù)學家阿蘭·麥席森·圖靈（1912～1954）提出的一種抽象計算模型，即將人們使用紙筆進行數(shù)學運算的過程進行抽象，由一個虛擬的機器替代人們進行數(shù)學運算。所謂的圖靈機就是指一個抽象的機器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個一個的小方格，每個方格有不同的顏色。有一個機器頭在紙帶上移來移去。機器頭有一組內部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個時刻，機器頭都要從當前紙帶上讀入一個方格信息，然后結合自己的內部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉換自己的內部狀態(tài)，然后進行移動。

表1-1計算機的發(fā)展歷程計算機時代年份存儲器重要特征第一代電子管時代1946年~1957年磁鼓存儲器機器語言第二代晶體管時代1958年~1963年磁芯存儲器發(fā)展到高級語言第三代集成電路時代1964年~1970年半導體存儲器發(fā)展到總線結構第四代（超）大規(guī)模集成電路1971年~半導體存儲器發(fā)展到微處理器電子管晶體管超大規(guī)模集成電路集成電路1.1.2

微處理器的發(fā)展微處理器出現(xiàn)于20世紀70年代，是大規(guī)模集成電路發(fā)展的產物。將計算機中的運算器和控制器集成在一片硅片上制成的集成電路作為微型計算機的中央處理部件（CPU，CentralProcessingUnit），稱為微處理器。微型計算機以微處理器為核心，再配上適量內存、接口電路和外部設備組成。1.1.2

微處理器的發(fā)展微處理器的品質決定了微型計算機的性能，因此微處理器的發(fā)展歷程也是微型計算機的發(fā)展歷史。美國Intel公司于1971年成功開發(fā)出全球第一塊微處理器4004芯片，這一芯片最初被應用于一種計算器中。這一創(chuàng)舉也開始了人類將智能內嵌于無生命設備的歷程。近30多年來微處理器本身不斷更新?lián)Q代，從4位發(fā)展到8位、16位、32位乃至64位。其應用范圍幾乎滲透到社會的各個領域。型號推出年份時鐘頻率處理器位寬地址總線外部數(shù)據(jù)總線晶體管數(shù)40041971108kHz4

0.23萬萬808019742MHz81680.5萬萬808519763MHz81680.6萬萬808619788MHz1620162.9萬萬808819798MHz162082.9萬萬8018619828MHz1620165.6萬萬80286198212.5MHz16241613.4萬萬803861985≥20MHz32323227.5萬萬804861989≥25MHz323232120萬萬Pentium1993.03≥60MHz323264310萬萬PentiumPro1995.11≥200MHz323664550萬萬PentiumMMX1997.01≥166MHz323664450萬萬Pentium21997.05≥266MHz323664750萬萬Pentium31999.01≥500MHz323664950萬萬Pentium42000.11≥1.3GHz3236643400萬萬PentiumM二代二代2004.10≥1GHz3236641.4億億PentiumD雙核雙核2005.043.2GHz3236642.3億億Core2雙核雙核2006.071.66~2.93GHz6436642.91億億

四核2008.112.66~3.2GHz6436647.31億億表1-2Intel歷代微處理器的典型產品1.1.2

微處理器的發(fā)展

正如著名的摩爾定律所預言：每過18個月，微處理器的集成度將翻一番，性能會提高一倍或價格降低一半。隨著互聯(lián)網(wǎng)和媒體技術的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡服務和移動計算逐漸成為一種非常重要的計算模式，這一新的計算模式迫切要求微處理器具有響應實時性、處理流式數(shù)據(jù)類型的能力，支持數(shù)據(jù)級和線程級并行性，更高的存儲和I/O帶寬，低功耗，設計的可伸縮性及縮短芯片進入和退出市場的周期等。目前，片內多處理器及多線程技術正在成為處理器體系結構設計的熱點。

1.1.3計算機的工作原理1946年6月，馮·諾依曼等人在《電子計算機裝置邏輯初探》的報告中，首次提出了“程序存儲”和“二進制運算”的概念，這個報告的內容可簡要概括為以下幾點：（1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備五大部分組成。（2）數(shù)據(jù)和指令以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，地址碼也是二進制形式，計算機能自動區(qū)分指令和數(shù)據(jù)。（3）編寫好的程序事先存入存儲器。控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（即程序）來工作，由程序計數(shù)器（PC，ProgramCounter）控制指令的執(zhí)行順序。控制器具有判斷能力，能根據(jù)計算結果選擇不同的動作流程。1.1.3計算機的工作原理

目前，計算機硬件體系結構基本上還是經(jīng)典的馮·諾依曼結構，如圖1-1所示。

指令執(zhí)行流程圖圖1-1計算機硬件基本結構1.1.3計算機的工作原理馮·諾依曼計算機工作原理：把程序輸入到計算機存儲器中，然后執(zhí)行程序，由控制器向內存儲器發(fā)出取指令命令；控制器對取出的指令進行譯碼，并根據(jù)指令的操作要求，向存儲器和運算器發(fā)出存、取命令和運算命令；經(jīng)過運算器運算后，運算結果保存到存儲器中；最后，在控制器發(fā)出取指令及輸出指令的作用下，將存儲器中的運算結果輸出到輸出設備。

輸出結果信息

運算器

控制器

存儲器

輸入設備

輸出設備

原始數(shù)據(jù)或程序

表示數(shù)據(jù)流

表示控制流

輸出結果信息表示數(shù)據(jù)流表示控制流原始數(shù)據(jù)或程序1.2微型計算機系統(tǒng)1.2.1系統(tǒng)組成與結構1.2.2微型計算機分類1.2.3微型計算機的性能指標1.2.1系統(tǒng)組成與結構

微型計算機系統(tǒng)（MicroComputerSystem）是以微型計算機為主體，再配以相應的外圍設備、電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件而構成的完整計算機系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，硬件是基礎，軟件是靈魂，二者缺一不可。硬件和軟件分別由多個部分組成，自成系統(tǒng)，也常稱為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)組成如圖1-2所示。

圖1-2

微型計算機系統(tǒng)組成1.2.1系統(tǒng)組成與結構1．硬件系統(tǒng)組成微型計算機硬件系統(tǒng)是機器的實體部分，由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。其中運算器和控制器常常集成在一起，稱為微處理器，即CPU。

1）微處理器微處理器是微型計算機的核心芯片，它主要包括運算器、控制器及相關寄存器等。

2）存儲器存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。按照在系統(tǒng)中的位置，存儲器一般分為內存儲器和外存儲器兩類。內存儲器又稱為內存或主存，CPU可以直接訪問。外存儲器屬于外設的范疇。

1.2.1系統(tǒng)組成與結構3）輸入/輸出（I/O）設備和輸入/輸出接口（I/OInterface）

I/O設備是微型機系統(tǒng)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)及現(xiàn)場信息要通過輸入設備輸入給微型機。CPU的計算結果通過輸出設備輸出到外部。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。由于各種外設的工作速度、驅動方法差別很大，無法與CPU直接匹配，所以不可能將它們簡單地連接到系統(tǒng)總線上，而需要通過I/O接口電路來充當外設與CPU之間的橋梁，來輔助CPU工作，實現(xiàn)CPU與外設之間的速度匹配、信號電平匹配、信號格式匹配、時序控制、中斷控制等。1.2.1系統(tǒng)組成與結構2．體系結構硬件系統(tǒng)的五大部分加上電源，通過系統(tǒng)總線有機地連在一起。系統(tǒng)總線是各個部件之間傳輸信息的公共通道。一般有三組總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。典型的微機系統(tǒng)總線結構如圖1-3所示。圖1-3典型的微機系統(tǒng)總線結構1.2.1系統(tǒng)組成與結構

3．軟件系統(tǒng)組成軟件系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件是由設計者提供給用戶的、充分發(fā)揮計算機效能的一系列軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和各種支持軟件。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，它的主要功能是對系統(tǒng)的軟硬件資源進行合理的管理。程序設計語言是用來編寫程序的語言，是人和計算機交換信息所用的工具，通常分為機器語言、匯編語言和高級語言三類。1.2.2

微型計算機分類

1．按字長分類微型計算機按字長可分為4位機、8位機、16位機、32位機和64位機。

2．按組裝結構分類微型計算機按組裝結構可分為單片機、單板機和多板機。

3．按用途分類微型計算機按用途可分為通用計算機和嵌入式計算機。1.2.3

微型計算機的性能指標

一臺微型計算機的性能如何，是由它的系統(tǒng)結構、指令系統(tǒng)、硬件設備組成和軟件配置情況等因素決定的。以下是評價微型計算機性能的主要指標。1．字長2．運算速度3．存儲容量4．指令系統(tǒng)5．內核數(shù)目6．高速緩存7．總線性能8．系統(tǒng)配置1.2.3

微型計算機的性能指標

微型計算機系統(tǒng)的啟動過程ROMBIOS硬盤RAM②執(zhí)行自舉程序⑥執(zhí)行引導程序序讀出引導程④CPU①執(zhí)行加電自檢程序⑤裝入引導程序⑦裝入操作系統(tǒng)CMOS？從何處啟動③⑧運行操作系統(tǒng)顯示初始界面1.3微型計算機的運算基礎1.3.1無符號數(shù)的表示方法1.3.2數(shù)制的轉換與運算1.3.3符號數(shù)的表示及運算1.3.4計算機中的定點數(shù)和浮點數(shù)二進制與八卦圖返回1.3.1無符號數(shù)的表示方法

用一組符號表示數(shù)據(jù)時，其代表的數(shù)值大小與符號所在的位置有關，這種表示數(shù)的方法稱為位置計數(shù)表示法。按進位的原則進行計數(shù)，稱為進位計數(shù)制。每一種進位計數(shù)制都有自身的數(shù)碼個數(shù)，如十進制有10個數(shù)碼，二進制有2個數(shù)碼，而十六進制就有16個數(shù)碼。

1.3.1無符號數(shù)的表示方法1．十進制數(shù)的表示法十進制數(shù)有0，1，2，…，9共10個數(shù)碼。后綴為D或不加后綴。計數(shù)時，數(shù)碼在不同的位置，代表不同的數(shù)值大小。低位對高位的進位是“逢十進一”。

2．二進制數(shù)的表示法二進制數(shù)只有2個數(shù)碼0和1。后綴為B。計數(shù)時，是按“逢二進一”的原則計算的。

3.十六進制數(shù)的表示法十六進制數(shù)需要用16個數(shù)碼符號表示，采用0~9和A~F。后綴為H。計數(shù)時，是按“逢十六進一”的原則計算的。1.3.2數(shù)制的轉換與運算【例1.1】十進制數(shù)3890.568可以表示為

【例1.2】二進制數(shù)1101.101B可以表示為：【例1.3】十六進制數(shù)12AB.2C5H可以表示為：【例1.4】13D=1101B1.3.2數(shù)制的轉換與運算【例1.5】0.6875D=0.1011B0.6875D×2=1.375 …… B-1=10.375D×2=0.75 …… B-2=00.75D×2=1.5 ……B-3=10.5D×2=1.0 …… B-4=11.3.3符號數(shù)的表示及運算

機器數(shù)可以用不同的碼制來表示，常用的有原碼、反碼、補碼表示法。

1）原碼在用二進制原碼表示的數(shù)中，符號位為“0”表示正數(shù)，符號位為“1”表示負數(shù)，其他各數(shù)值取原值不變。2）反碼對于正數(shù)，反碼的表示與原碼相同，即[X]原=[X]反。對于負數(shù)，負數(shù)的反碼表示，除符號位仍為“1”外，其余各位數(shù)值位按位取反。3）補碼正數(shù)的補碼與它的原碼和反碼均相同。

負數(shù)的補碼：[X]補=[X]反+1。1.3.3符號數(shù)的表示及運算

表1-5原碼、反碼、補碼表

二進制數(shù)無符號數(shù)有符號數(shù)原碼補碼反碼000000000+00+0000000011+1+1+1000000102+2+2+2……………01111110126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-128-12710000001129-1-127-126……………11111101253-125-3-211111110254-126-2-111111111255-127-1-01.3.4計算機中的定點數(shù)和浮點數(shù)

對于任意一個二進制數(shù)，都可以表示為式中，J稱為數(shù)N的階；S稱為數(shù)N的尾數(shù)。尾數(shù)S表示數(shù)N