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1、微机原理及应用,张仁彦 电话： 86057526-605 Email： 公共Email： (密码：20070509) 办公室： J11-328(创新实验室),考核方法,考试：开卷考试 成绩： 平时（作业 + 考勤）+ 试卷 20% + 80% 自动化二专 成绩 = 试卷成绩,内容,理论 12周，48个学时 教材 钱晓捷. 微型计算机原理及应用. 第1版. 北京:清华大学出版社. 2006 实验（独立设课） 7个实验,微机微型计算机,PC，Personal Computer,PC 两个关键 微处理器 特德.霍夫 操作系统 DOS操作系统 加里 基尔代尔 PC业的最大赢家：微软和英特尔,英特尔,微
2、软,微机、微处理器、操作系统 三者关系？,人和公司,比尔盖茨 保罗艾伦,加里 基尔代尔,特德.霍夫,微处理器 Central Processing Unit （ CPU ),特德.霍夫 与 微处理器,世界上首枚微处理器芯片 Intel 4004，英特尔，1971年 集成了两千个晶体管 4位 45条指令 处理能力接近于世界上第一台计算机（1946年ENIA） 做计算器（受日本ETI计算器公司的委托）,“二战”以来最有影响的科学家之一,ENIACElectronic Numerical Integrator,采用 Intel 4004 的计算器,ETI计算器公司的目标 计算器芯片 特德.霍夫的目标
3、 通用计算机芯片,4004芯片的广告 宣告集成电子产品新纪元 装在一块芯片上的可编制程序的计算机！,计算器=4004+程序存储器+数据存储器+移位寄存器+键盘+数码管,特德.霍夫的设想微型、通用、计算机芯片,加大芯片集成度，功能随之增强 复杂的输入输出信号 输入信号 集成电路的指令 输出信号 送出数据 控制其它芯片和装置,特德.霍夫设计的基础,1936年 可计算数学 计算机的抽象定义 通用计算机设想 存在任何计算机都无法解决的问题,1946年 计算机组成 运算器、控制器、存储器、输入和输出设备 计算机工作原理 存储程序的工作原理,图灵 “人工智能之父”,冯诺依曼 “电子计算机之父 ”,存储程序
4、计算机硬件结构,微处理器： 微机的运算和控制核心 MPU（Micro Processing Unit 或 Microprocessor），也称 CPU（Central Processing Unit),计算机存储程序的工作原理,把程序本身当作数据来对待 同样的方式储存 执行程序前 程序和数据内存储器 在执行程序时 CPU根据当前程序指针的内容取出指令 执行指令后 再取出下一条指令并执行 如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行,不断地 取指令 执行指令 保存结果,微处理器的基本性能指标,字长 数据宽度微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数 例如：一次进行运算、传输的位数 字长越长，计算能力越
5、高，速度越快 时钟频率 微处理器的基本时间单位 微处理器的处理速度，主频越高，运算速度越快 集成度 表明微处理器的生产工艺水平 常用芯片上集成的晶体管数量来表达,通用微处理器,4位微处理器 1971年，Intel 4004，第一个微处理器 8位微处理器 M6800、Z80和Intel 8080/8085 Apple公司苹果机 16位微处理器 Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer） 32位微处理器 80386，80486，PentiumPentium 4 32位PC机，APPLE公司的Macintosh机 64位微处理器,专用微处理器,MCU
6、 ：常用于控制领域 单片机（Single Chip Microcomputer） 微控制器（Micro Controller） 嵌入式控制器（Embedded） 生产商：英特尔（Intel）、爱特梅尔（Atml）等 DSP：专注于数字信号的高速处理 数字信号处理器（Digital Signal Processor） 生产商：美国德州仪器公司（TI）,计算机,巨型机,微型机,通用微机,单片机,小型机,微型计算机的结构应用角度,微型计算机的系统组成,控制总线CB,数据总线DB,地址总线AB,I/O设备,I/O接口,系统总线BUS,微处理器,存储器,微处理器,中央处理器 CPU：微机的运算和控制中心
7、 包含 控制器 运算器（整数运算器） 寄存器（高速存储单元） 高性能 CPU 内部还有 浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元 存储管理单元、代码保护机制 Cache ,存储器,存储器（Memory）：存放程序和数据的部件 主板上的主存储器（主存、内存） 半导体存储器芯片组成（RAM部分断电后信息丢失） 相对造价高、速度快、但容量小 以外设形式出现的辅助存储器（辅存或外存） 磁盘、光盘存储器等构成 相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢 高性能微机的存储系统 主存储器、辅助存储器 微处理器内部的寄存器（Register） 高速缓冲存储器（Cache）,计算机运行时， CPU从哪里取指令和数据
8、？ 内存 OR 外存,内存和外存的差别,内存 集成芯片，价格高 容量小 断电，信息大部分丢失 CPU可以直接访问 存放当前正在使用或经常使用的程序和数据,外存 价格低 容量大 断电，信息不丢失 CPU不能直接访问 存放暂时不用的程序和数据,CPU要用外存中的信息 必须先将信息传送到内存中,随机存取存储器RAM(Random Access Memory) (a)可以被CPU随机地读和写，又称为读写存储器 (b)用来暂时存储用户输入的数据与程序 只读存储器ROM(Read Only Memory) (a)只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入 (b)存储微机系统管理程序BIOS等(芯片制造时
9、写入),内存分类,I/O 接口和I/O设备,I/O设备（Peripheral） I（Input）设备：键盘、鼠标 O（Output）设备：显示器、打印机 I/O接口（Interface） 功能：信号变换、数据缓冲、联络控制 安装位置 与主板一体：较简单的I/O接口电路 插在主板上：较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）,：人机交互,：外设和主机间的桥梁,为什么需要这些功能？,系统总线,总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道 系统总线（System Bus） 地址总线（Address Bus, AB） 输出（单向）：主存单元或I/O端口的地址信息 数据总线（DATA
10、Bus, DB） 读（Read）：操作数据输入CPU 写（Write）：操作数据输出到外界（主存或外设） 控制总线（Control Bus, CB） 输出：有些控制信号或状态信号 输入：有些请求或联络信号 输入、输出,AB与CPU寻址范围的关系,处理器总线，CPU引脚 AB 个数 m，能访问的存储单元或I/O端口个数：2m 存储单元按字节（Byte，B）划分 即，每个存储单元能存1个字节数据 CPU可访问(寻址)的存储器(内存/主存)容量： 2mB 例：m=15，则可访问存储器容量为：( 215 或5K )B,215 或 5K,1KB210 B1024 B 1MB220 B1024 KB 1G
11、B230 B1024 MB,存储容量数据表达,I/O端口的地址,“微型计算机”的基本组成,主板,“微型计算机系统”的基本组成,微型计算机 微处理器 运算器、控制器、寄存器组、内部总线 内存储器、输入输出接口电路、系统总线 外围设备 软件 系统软件 应用软件,微型计算机如果不配有软件 称为裸机,微处理器、微型计算机、微型计算机的系统,操作系统 Operating System (OS),加里 基尔代尔“DOS之父”,最早创造了磁盘操作系统（DOS - Disk Operation System） 最早为A盘、B盘和C盘（CD-ROM）编写了驱动程序 图形用户界面（GUI）的先驱之一 开发了DrL
12、ogo计算机语言 首创了世界上第一个实用的软件API Basic程序的发明者 提出Bios概念 基本输入输出系统,加里 基尔代尔,基尔代尔、Intel和操作系统,1972年，买第一台使用芯片的计算机 Intel 4004，4位 微处理器 写一些技术性的程序 试用新出炉的8008（作Intel的顾问） 创建了PC史上革命性的微处理程序设计语言 PL/M 打通了微处理器与微电脑的通道 1975年，为8080微处理器开发 CP/M 操作系统 世界上第一个磁盘操作系统(DOS) 命名 Bios 我要把这个小东西(CP/M)叫做Bios(基本内存输入输出系统)，它将适用于任何人们希望的操作环境。,IBM
13、 PC 和 微软,1980年，IBM PC 寻找 操作系统 基尔代尔 微软 盖茨 CP/M QDOS（Quick and Dirty Operating System） MSDOS（7.5万美元） MSDOS 卖给 IBM,微软的Windows操作系统,第一代：Windows 1.0 第二代：Windows 2.0 第三代：Windows 3.0/3.1 第四代：Windows 95/98/98SE/ME 第五代：Windows 2000/XP 第六代：Windows Vista 第七代：Windows 7,其他操作系统,Unix Linux Mac OS X ,“微型计算机系统”,的基本组成
14、,CPU 和 PC的发展,8位时代：Apple-II机，中华学习机 16位时代：IBM PC系列机 1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOS 1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology） 1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology） IBM PC/XT/AT机的兼容微机 32位时代：32位PC机 IA-32或其兼容微处理器 Windows或Linux 64位时代：,第1代：4位和低档8位微机,400440408008,第2代：中高档8位微机,Z80、I8085、M6800，Apple-II微机,Apple-II,第3代：1
15、6位微机,8086808880286,8086,DB：16位 AB ：20位 主存容量：1MB 时钟频率：5MHz （IBM PC使用4.77MHz） 存储器管理方式 实方式（Real Mode） 准16位微处理器8088 外部数据总线：8位 IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU,80286,DB：16位 AB：24位 主存容量： 16MB 存储器管理方式 实方式（Real Mode） 与8086工作方式一样 保护方式（Protected Mode） 提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持 IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU,IBM PC/AT机
16、,IBM PC/AT主板结构,IBM PC/AT IBM AT 结构 PC工业标准 Industry Standard Architecture，ISA 系统总线 ISA 总线,第4代：32位微机,80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4 32位PC机、Macintosh机、PS/2机,80386,486,Pentium,80386,32位结构 DB：32位 AB：32位 可寻址主存：4GB 存储器管理方式 兼容286 虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode） 保护方式下的8086工作方式 系统管理方式（System Management Mode） 低功耗节能状态,英特尔32位结构： IA-32（Intel Architecture-32） 80X86系列微处理器标准 IA-32微处理器： 80386，80486，Pentium系列,80486,8048680386803878KB Cache 浮点处理单元FPU 8086/8088：8087 80286：802
