微型计算机原理及应用备课讲稿

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1、微型计算机原理及应用,北京大学物理学院 蔡建新,目 录,序 言 第一章 概论 第二章 微型计算机体系结构 第三章 指令系统 第四章 汇编语言程序设计 第五章 输入/输出接口(并行接口 和DMA接口),第六章 中断 第七章 计数/定时技术 第八章 串行通信 第九章 微型计算机存储器 第十章 总线 第十一章 高性能微处理机及其相关 技术 第十二章 模拟接口（视时间定）,序 言,脑科学的结论告诉我们： 人的左脑主司数学运算、逻辑思维及语言表达；右脑主司整体感觉、综合判断及直觉顿悟。 制造计算机就是为了把我们左脑的重复性劳动及程序性工作交出去，以便更好地创新。,第一代：1945年电子管计算机，ENIA

2、C 第二代：1959年晶体管计算机，IBM1403 第三代：1962年，集成电路计算机，IBM360 第四代：1972年，大规模集成电路计算机， IBM370。计算机微型化1971年 INTEL公司第一个微处理器4004 第五代：20世纪80年代，超大规模集成电路计 算机；微机进一步发展，从8080到 80486 第六代： 20世纪90年代，超大型机和智能计算 机；微机从586到P2、P3、P4,1945年世界上第一台计算机ENIAC诞生，至今已有59年，发展速度非常快。 一、电子数字计算机 电子计算机总体上分为两类：电子模拟计算机 和电子数字计算机。两者比较如下：,本书只讲电子数字计算机。数

3、字计算机又可分为专用计 算机和通用计算机。我们主要介绍通用计算机，它又可分 低 单片机 高 体积 功耗 微型机 性能 数据存储量 小型机 简易性 指令系统 价格 中型机 大型机 高 巨型机 低,为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（超级微电 脑）和单片机六大类，它们的区别在于体积、简易性、功耗 、性能指标、数据存储量、指令系统规模和价格，如上图所 示。 1、巨型机（超级计算机） 1996年美国Intel公司首次突破万亿次/秒大关，达到1.4 万亿次/秒；美国RS6000，2万亿次/秒；“白色ASCI”（2000 年）12.3万亿次/秒。 我国1992年银河-为10亿次/秒，1996年银河-

4、为100 亿/秒1999年中国神威号已达3840亿次/秒。2002年8月联 想集团推出深腾1800每秒1.027万亿次浮点运算超级计算机， 在2002年11月全球超级计算机中排名第43位。,2003年联想集团将推出4万亿次/秒超级计算机。 目前全球最快的计算机是日本NEC的用于“地球模拟”的 超级计算机，35. 86万亿次/秒，排在第一位。排在第二位和 第三的是美国HP公司造的两台超级计算机，运算速度均为每 秒7.73万亿次（到2002年底）。 最新报道，世界上超级计算机正在开始王中王的角逐。 Cray公司将推出最新的X1超级计算机，速度52万亿次/秒。 IBM公司将为美国政府提供两台超级计算

5、机，一台名为 ASCI Purple，速度为100万亿次/秒；另一台名为Blue Gene/L ，将达到360万亿次/秒，预计2005年交付使用。主要用于武 器、生物技术和高能爆炸的模拟计算。 全球500台超级计算机中91%由美国制造，其中惠普占137 台；IBM占131台，SUN公司占88台（到2002年底） 。,我国计算机发展简介： 1957年，哈尔滨工业大学研制成功我国第一台模拟式 电子计算机。 1958年，中国第一台计算机103型通用数字电子计算 机研制成功，运行速度每秒1500次。 1973年，中国第一台百万次集成电路计算机研制成功。 1977年，中国第一台微型计算机DJS050机研

6、制成功。 1983年，银河号巨型计算机研制成功，运行速度每 秒1亿次。 1986年，中华学习机投入生产。 1987年，第一台国产的286微机长城286正式推出。 1990年，长城486机问世。 1992年11月，中国第一台10亿次巨型银河计算机型通 过鉴定。,1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每 秒25亿次。 1996年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。 1997年6月，130亿次巨型银河计算机3型通过鉴定。 1998年，中国微机销量达到408万台，国产占有率高 达71.9%。 1999年8月，神威计算机达到3840亿次 2000年，曙光2000-，速度达到1170亿次/

7、秒 2002年8月，联想深腾1800超级计算机每秒1.027万 亿次。 2003年11月17日消息：美国能源部劳伦斯伯克利国 家实验室16日公布了最新的全球超级计算机500强，中 国联想集团为中科院建造的“深腾6800”以每秒4.183亿,次的运算速度位居第14位。这也是迄今为止中 国超级计算机在这一排名中取得的最好成绩。 全球超级计算机500强评比一年两次，1993 年发起至今已经进行了22届。评选由美国能源 部的劳伦斯 伯克利国家实验室、田纳西大学 和德国的曼海姆大学共同完成 . 2003年7月23日，新华网报道，国家曙光信 息产业集团宣布，2004年将建造一台每秒10万 亿次的超级计算机

8、，代号为“曙光4000A”，将 采用2000多个64位AMD Opteron处理器。,2003年11月26日，北京晚报报道：清华大学 研制出万亿次超级计算机“深超 - 21C”，最高 速度到达15000亿次/秒，在全球排在第78位。 2003年12月15日报道，曙光信息产业集团在 北京宣布，将为上海超级计算中心建造一台运 算速度每秒十万亿次的高性能计算机，用于航 天、航空、汽车制造和精确天气预报。使我国 成为继美国和日本后，第三个拥有制造十万亿 次超级计算机能力的国家。,2、微型机（微处理器） 第一代： 4位机，4040 第二代： 8位机，8080，6800，Z80 第三代：16位机，8086

9、，68000，Z8000 第四代：32位机，80386，68020，Z80000 第五代：64位机，Pentium, P2、P3、P4 半导体技术从1m、0.5 m、0.35 m、0.25 m 0.18m、0.15 m、0.13 m、0.1 m 80X86系列，奔4已达2.2GHZ (0.13微米）至3.4 GHZ。 微型机的核心部件是微处理器，也称为CPU。我国的 计算机产业就是要有自主知识产权的CPU。 科学院：2002年9月龙芯1号（主频300MHz）,2003年12月龙芯2号（主频500MHz） 上海交大：2003年2月汉芯1号（16位DSP） 汉芯2号（24位DSP） 2003年12

10、月汉芯3号（32位DSP） 北京大学：众志，1999年12月16位CPU 2000年12月16/32位CPU 2003年12月众志-863CPU（用于网络计算机） 同济大学：神芯1号、神芯2号（用于手机） 中星微电子公司：星光1号、星光2号、星光3号 北京中芯微系统公司：方舟1号、方舟2号、方舟3号 复旦大学：神威1号（嵌入式32位CPU） 哈工大：S698处理器（系统级设计平台） 3、超级微电脑 比药片还小的电脑进入人体。探索电脑与人脑的连接，将 记忆芯片装入大脑，使电脑直接接受人脑的意念。,微处理器地址与数据接口总线宽度,二、光子计算机 光子计算机中信息传输的介质是光。电子在固 体中最大运

11、动速度是593公里/秒，而光速是30万 公里/秒。光子计算机利用光子取代电子进行数据 运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长 的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通 过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可 以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行 处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈 指数上升。,美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子 计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每 秒10亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子 计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力 人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了， 用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。 然而要想制

12、造出真正的光子计算机，需要开发出 可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶 体管这一基础元件。一般说来，科学家们虽然可 以实现这样的装置，但是所需要的条件如温度等 仍较为苛刻，尚难于进入使用阶段。,美国马萨褚塞州的一家光学技术公司-光导发 光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔 航天中心合作开发用来制造光子计算机的：“光” 路板，实现对光子移动的控制，并有望在今年 （2000年）取得突破。1999年5月，在美国西北 大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20 多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研出 世界上最小的光子定耦合器，可以在宽度仅0.2至 0.4微米的半导体层中对光进行分解和

13、控制。 下面推荐几片文章：,1、突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望_大众科技 科技时代_新浪网 摘要： . 突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望_大众科技 科技时代_新浪网.首页.聊天. 导航.新浪首页.& 科技时代.& 大众科技.& 正文.突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望.据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高。. 光子计算 机. .,2、分子、dna、量子光子计算机展望 2001/11/27 摘要： . 分子、dna、量子光子计算机展望.基础研究.- .更多内容.前沿搜索.首页.&科技前沿.&高新技术.&具体内容.分子、dna、量子光

14、子计算机展望.据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高。. 光子计算机. .,3、fjirsm GB 5117字节 2001/10/31 摘要： .计算机的智能将超过人类，并根据计算机的发展历史和人、机思维每秒运行的速度比较，预测，其时就在不久的将来2050年。. 未来的计算机： dna计算机、光子计算机、三维计算机、生物计算机和量子计算机。.其实，每个生物细胞里都在进行着极为复杂的信息流动。早在1994年科学家就已经开始利用专门的dna微序列完成最简单的数学计算。 . 二、 光子计算机.光子运载信息的速度远比电子来得快.,4、网易电脑频道- 21世纪的10大技术趋势（

15、下） http:/210.82.88.158:8404/scienceimport/0802/010120_39798_32448.html 9713字节 2002/12/12 摘要： . 微光子技术是在精细范围内导光的技术，如同微电子技术可以制造电子集成电路、电子设备和电子计算机，微光子技术同样可用于制造光子集成电路、光子设备和光子计算机。微光子学的前沿技术取得最新成果.目前，科学家正在研究光子晶体的理论极限，开发光子集成电路的关键技术和构筑件。展望将来，微光子技术发展前景无限，它不仅仅给电讯技术造成巨大冲击，谁又能预测超高速的光子计算机何时问世呢？ . 微流体技术. .,光子计算机研究取得的新进展 2002年08月22日 导语：据8月号光谱杂志封面文章载文指出， 计算机内数据的传输与城市交通正好相反。在微处理 器的“闹市区”，即其内核，数据以惊人的速率传输。 但在远离“闹市”的地方 ，也就是将微处理器与微处 理器、电路板与电路板连接起来的导线所形成的“宽 阔道路”上，相比之下，数据传输速度可以用“爬行” 来形容。英特尔的奔腾4处理器工作主频高达2.4 GHz，但是系统总线却只有400 MHz。数据离开计算 机进入全球高速光纤