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1、微机原理及应用Microcomputer Principium and Application,讲授人：张潞 Office : 图书馆827 E_mail: Tel: : 89723952 13614017025,课程简介,课程类型：学科基础课（考查） 课程组成：课堂教学（28学时） 实验（4学时） 成绩构成：30点名20期末测试 30课后作业20实验 （实验成绩不得低于10分）,第一章 计算机基础知识,高科技产品前瞻,Google Project Glasses 拓展现实,“北斗腕表”,Android智能手表Im Watch亮相MWC展会 配置蓝牙耳机，可以通过手机与手表进行连接。,中国的筹
2、算记数是十进制记数法，它与现今通行于世的阿拉伯数字记法不同： 筹算有纵式、橫式兩种形式。,其中纵式代表：个位数、百位数、万位。而横式則代表：十位数和千位、十万位。,1.1 计算机的产生 筹,算盘是我国古代重大科学成就之一。它具有结构简单、运算简易、携带方便等优点，因而被广泛采用，历久不衰。,1.1 计算机的产生 算盘,帕斯卡的计算机是一种系列齿轮组成的装置，外形像一个长方盒子，用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动，只能够做加法和减法。,(Pascal,1642年,法国),1. 1 计算机的产生 世界第一台机械式加法计算机,莱布尼茨为计算机增添了一种名叫“步进轮”的装置。它能够连续重复地做加减法
3、，在转动手柄的过程中，使这种重复加减转变为乘除运算。,1674年，Leibnitz,德国,1.1 计算机的产生,世界第一台机械式乘法计算机,（Babbage,1792-1871,英国),从法国人杰卡德（J.Jacquard）发明的提花织布机上获得了灵感 ,差分机1822年研制成功。所谓“差分”的含义，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算，快速编制不同函数的数学用表。,1 计算机的产生 差分机,1834年研制的分析机 （未成功，Babbage,Ada),Babbage设计的分析机不仅包括齿轮式“存贮仓库”（Store）和“运算室”即“作坊”（Mill），而且还有他未给出名
4、称的“控制器”装置，以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。巴贝奇以他天才的思想，划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构。,1. 1 计算机的产生 失败的分析机,1936年美国人霍华德艾肯（Howard Aiken，19001973）提出了用机电方法而不是纯机械方法来实现巴贝奇分析机的想法，并在1944年制造成功MARK-I计算机。,1. 2 计算机的产生 最后一台“史前”计算机,第一台计算机 第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。经过三年紧张的工作，第一台电子计算
5、机终于在1946年2月14日问世了。这台机器的名字叫“ENIAC” ，即“电子数值积分和计算机”的英文缩写。它采用穿孔卡输入输出数据，每分钟可以输入125张卡片，输出100张卡片。,1. 1 计算机的产生 第一台真正意义上的“计算机”,第一台计算机产生,1946年电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美国宾夕法尼亚大学诞生。,装有18800个电子管、7万个电阻器。1万个电容器和6000个开关，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦。每秒能进行5000次加法运算。,第一台计算机,手动连线编程 耗时 易错
6、难维护,微型计算机分类与特点, 体积小，重量轻，功耗低 价格低廉，性能优良 可靠性高、结构灵活 使用环境要求不高，应用面广,计算机按照体积、性能和价格进行分类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机。 微型机具有的特点：,巴贝奇 （英国，17921871）,后人完成的巴贝奇分析机,计算机第一定律摩尔定律,集成电路内芯片的晶体管数目，每隔24个月，其集成度会增加一倍，性能也将提升一倍。 奇数工艺年和偶数架构年,Intel名誉董事长 戈登摩尔（Gordon Moore）于1965年提出,微型计算机的发展概况,微机的发展经历了5代 第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器） 第二代微处理器：1
7、973年（8位微处理器） 第三代微处理器：1978年（16位微处理器） 第四代微处理器：1983年（32位微处理器） 第五代微处理器：1993年（32位64位微处理器）,微处理器的发展,第一代4位或低档8位微处理器,典型产品： Intel 4004（71年，4位微处理器） Intel 8008（72年，8位微处理器） 特点： 集成度： 2300只晶体管片 时钟频率：小于1MHz 平均指令执行时间：10-15s 采用机器语言编程。,第一代相关图片,微处理器的发展,第二代中高档8位微处理器,典型产品： Intel 8080（1973年） Motorola MC6800（1974年） Zilog Z
8、80（1975年） Intel 8085（1976年） 特点： 集成度： 4500只晶体管片 时钟频率：l-4MHz 平均指令执行时间：1-2s,第二代相关图片,第二代相关图片,第三代16位微处理器,典型产品： Intel 8086（1978年） Zilog Z8000（1979年） Motorola 68000（1979年） Intel 80286（1983年） Motorola 68010（1983年） 特点： 集成度： 2万-7万只晶体管片 时钟频率：4-25MHz 平均指令执行时间：0.5s,微处理器的发展,第三代相关图片,微处理器的发展,第四代32位高档微处理器,典型产品： Zilo
9、g Z80000（1983年） Motorola 68020（1984年） Intel 80386（1985年） Intel 80486（1989年） Motorola 68040（1989年） 特点： 集成度： 15万-50万只晶体管片 时钟频率：16-100MHz 平均指令执行时间：0.1s,第四代相关图片,微处理器的发展,第五代32位64位微处理器的发展,典型产品： Intel Pentium系列产品（1993年起） IBM公司 Power PC系列产品（1996年起） AMD公司系列产品 特点： 集成度：300万以上 时钟频率：100M几GHZ 发展方向：32位64位转换、支持多媒体处
10、理、向多核方向发展、不一味追求主频的提高。,第五代相关图片,微处理器生产商,Intel（英特尔公司） 创建于1968年，开始主要生产存储器芯片，后转向微处理器。自1981年IBM公司选择Intel的微处理器推出第一款PC后，Intel公司便确定了其在微处理器上的领先位置。 AMD（超微公司） 创建于1969年，最开始时主要生产其他公司开发出的新产品。,中国心龙芯,龙芯（英语：Loongson，旧称GODSON）是中国科学院计算所自主开发的通用CPU。 龙芯课题组成立于2001年，隶属于中国科学院计算技术研究所。 系列产品：龙芯13号。,输 入 设 备,输 出 设 备,存储器,运算器,控制器,C
11、PU,Central Processing Unit,计算机基本结构,微处理器,微处理器称为CPU，是微机的核心部件，包含有运算器、控制器、寄存器组等部件，负责对计算机系统的各个部件进行统一的协调和控制。,运算器：即算术逻辑部件(ALU)。 所谓多核，指的就是一个CPU中包含多个运算器。 控制器：控制逻辑部件。负责对整机的控制，使CPU内部、 外部协调工作。 寄存器组：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。,微型计算机,CPU,内部存储器,I/O接口,I/O设备,地址总线ABUS,数据总线DBUS,控制总线CBUS,访存举例,微 处 理 器 CPU,内部存储器,I/O接口,I/O设备,地址总
12、线ABUS,数据总线DBUS,控制总线CBUS,计算机基本工作原理,在计算机中计算54？,01000001,01000010,00100001,01011100,10000011,1111,原始数据,存储程序区,存储器,存储器：用于存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机能够实现存储程序工作原理的基础。,C P U,高速缓冲存储器,主 存 储 器,辅助存储器,存储器,主存储器（内存） 直接访问，速度较快，容量不大，存放当前运行的程序和数据。 辅助存储器（外存） 通过I/O接口进行访问，速度较慢，容量大，一般用来存放历史数据与软件。 高速缓冲存储器（cache） 为了匹配CPU和主存之间
13、的速度差，利用程序访问的局部性原理设置的部件。,外部存储器,高速缓冲 又称Cache，一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。 Cache出现的原因：主存速度跟不上CPU的速度，程序执行的局部性特点 。 当前CPU的高速缓存一般又分为一级高速缓存（L1 Cache）和二级高速缓存（L2 Cache），对于同类的CPU来说，高速缓冲的容量越大，则CPU的执行效率越高，速度越快。,微型计算机的性能指标,I/O 接口,I/O接口电路作用：用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。,工作速度,信号电平,数据格式,需要引入 I/O接口电路,总线,在计算机系统中，各个部件之间传送
14、信息的公共通道叫总线，微型计算机是通过总线结构连接各种功能部件。 总线结构的分类,单总线结构 面向CPU的双总线 面向主存储器的双总线,总线结构,单总线结构 系统的内部存储器和I/O接口均挂在单总线上。,总线结构,面向CPU的双总线结构 在CPU和主存储器之间，CPU与I/O设备之间分别设置一组总线。,面向主存储器的双总线结构 所有的部件和设备均挂在总线上，可以通过总线交换信息，同时又在CPU与主存储器之间增加一组高速存储总线。,总线结构,1.3 计算机数据格式,数制,二进制（Binary） 八进制（Octal） 十进制（Decimal） 十六进制（Hex）,需要解决的问题： 各进制之间如何相
15、互转换？,十数制与其它数制之间的转换,十进制（D.X）,二进制 八进制 （n） 十六进制,整数部分转换： 用D除以n； 保存余数mi； (最先得到的余数标号为1) 将得到的结果置成D； 重复、和直到商为0； mpm1即为整数部分。,小数部分转换： 用X乘以n； 保存结果的整数部分ki； (最先得到的数标号为1) 将得到的结果去整置成X； 重复、和直到达到要求或X为0。 k1Kp即为小数部分,十数制与其他数制之间的转换,举例 将（12.625）10转换成二进制数。,12,2,6, 0,2,3, 0,2,1, 1,2,0, 1,（12）10=（1100）2,0.6252=1.25, 1,0.252
16、=0.5, 0,0. 52=1.0, 1,（0.625）10=（0.101）2,（12.625）10=（1100.101）2,十数制与其他数制之间的转换,二进制到八、十六进制的转换,以小数点为中心，向左向右取3或4位转换,举例 将（10101110.11000010）2转换成八进制和十六进制数。,10101110.11000010,二八进制,6,5,2,0,6,0,0,4,10101110.11000010,二十六进制,E,A,C,2,（10101110.11000010）2 =（256.604）8,（10101110.11000010）2 =（0AE.C2）16,BCD码,BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示
