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1、计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础课件使用说明：1、所用计算机上应装载有flash软件 或插件，本课件的动画要用。2、单击课件上的箭头按钮，则启 动动画操作。3、单击课件上的方块按钮，则停 止动画操作。 二者可随时进行交换操作。天津大学天津大学 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院第1章微型计算机系统 概论计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1.1 微型计算机的发展 1 1971：全球第一块微处理器4004芯片 4004主要用来处理算术运算，它集成了2300多个晶体管，具 有4位带宽，工作频率为108KHz，寻址空间只有640B。这些 参数和当今流行的Pentium 4相比，简直就是“小
2、巫见大巫”，但 它对整个微处理器领域的影响，却远在后者之上。 2 新一代8位微处理器8080 在1974年Intel又推出了新一代8位微处理器芯片8080。 8080集成了6000个晶体管，其时钟频率为2MHz。8080是一个 划时代的产品，它的诞生，使得Intel有了自己真正意义上的微 处理器。 3第一代微处理器16位的8086 Intel于1978年推出了16位的微处理器芯片8086，它的出现成为 70年代微处理器发展过程中的重要分水岭。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础4第二代微处理器16位的80286 80286芯片于1982年2月1日正式公布，其总线带宽为16位 ，集成了13万多个
3、晶体管，主频达到了20MHz。80286的24位 地址总线，使得它可以访问到16MB地址空间。 5第三代微处理器32位的80386 1985年10月，Intel 推出它的第三代微处理器芯片32位的 80386DX。80386DX是一块集成进了27.5万个晶体管的全32 位微处理器，其时钟频率达到33MHz，数据总线和地址总线均 为32位，具有4GB的物理寻址能力。它能够管理高达64TB的 虚拟存储空间。 6第四代微处理器32位的80486Intel于1989年4月正式推出80486微处理器芯片。在一片芯片内集成了 120万个晶体管的CPU，是Intel第一次将微处理器的晶体管数目突破100万
4、只。它不仅把浮点运算部件集成进芯片之内，同时还把一个其规模大小为 8KB的一级高速缓冲存储器Cache也集成进了CPU芯片内。芯片的整数处 理部件采用了RISC结构，以加速处理单一指令的速度，而芯片内部其他方 面则保留CISC原样，用以处理复杂的指令，并保证其兼容性。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础第五代微处理器32位的Pentium Intel在1993年推出了全新一代的高 性能微处理器Pentium。Pentium是拉丁 文“五”（Pente）和元素周期表的公用后 缀IUM组合而成。其寓意是指Pentium 为该公司的第五代产品，为它起了一个“ 奔腾”中文名字。Pentium芯片内集成
5、进 310万个晶体管，这种Pentium又被称之 为经典奔腾。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础（1）高能奔腾（Pentium Pro） Intel于1996年推出了Pentium Pro。Pentium Pro芯片内集成了550万 个晶体管，内部时钟频率为133MHz，处理速度几乎是100MHz经典 Pentium的2倍。Pentium Pro内的一级（片内）高速缓冲存储器Cache大 小为16KB，其中8KB为指令Cache，8KB为数据Cache。在Pentium Pro 的一个封装内，除Pentium Pro芯片外还包括一个256KB的二级Cache芯 片，二级Cache与微处理器同
6、频运行。这样的设计令Pentium Pro达到了 最高的性能。 （2） 多能奔腾（Pentium MMX） 1996年底Intel又推出了Pentium MMX（多能奔腾）。MMX技术是Intel 最新发明的一项多媒体增强指令集技术 （3）二代奔腾Pentium 1997年5月，Intel推出了与Pentium Pro同一个档次的Pentium。由 于它代表了Pentium系列机当时的最高性能，所以将其称之为二代奔腾 Pentium。Pentium虽采用了与Pentium Pro相同的核心结构，增加了MMX指 令集，以加速16位操作系统的执行速度。在Pentium里面，集成进750 万个晶体管
7、，比Pentium Pro多了200万个晶体管。Intel将Pentium上的一级高速缓冲存储器Cache从16KB加倍到32KB ，（16KB指令Cache +16KB数据Cache）。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础（4）Pentium Intel于1999年2月发布了Pentium 芯片。 Pentium 称为“多能奔腾二代处理机”。CPU主频更 达到733MHz，芯片内集成进了2800万个晶体管，体 积更小。Pentium 由于增加了MMX指令，其浮点运 算和三维处理能力明显增强。Pentium 增加了71条称为互联网SSE（ Streaming SIMD Extensions直译
8、为单指令多数据流 扩展）的指令。 （5） Pentium 4 Pentium 4是Intel新一代高性能32位微处理器，在 体系结构上， Pentium II和Pentium 采用的是与 Pentium Pro相同的P6结构形式，而Pentium 4采用的 则是NetBurst的新式处理机结构，可以更好地处理目 前互联网用户的需求。它采用的新技术主要包括：计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1.2 微型计算机与微处理器首先简单介绍微型计算机系统、微型计算机 硬件系统以及微处理器这三个常用的技术术语 ，以便对微型计算机系统建立一个层次化的概 念。1微型计算机系统是一个系统，是由微型计 算机硬件系
9、统和软件系统组成。软件系统是由 操作系统、用于高级语言的编译程序、用于低 级语言的汇编程序、数据库管理程序、系统的 调试工具、以及各种应用软件程序等组成。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2微型计算机硬件系统是以微处理器为核心， 再给它配以外围控制电路、存储器模块及其 控制电路、输入/输出接口电路、用系统总线 把各个部件有机地连接起来，就构成了一个 典型的微型计算机硬件系统。 3微处理器是微型计算机的核心，微处理器芯 片通常称之为CPU。微处理器芯片是通过总 线对存储器和输入/输出操作进行控制的。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础131 微型计算机硬件组成1微型计算机硬件系统从宏观上来说，
10、微型计算机硬件的基本 构成都是由微处理器、存储器系统和输入/ 输出系统三大块构成，如图所示。微处理器存储器系统 输入/输出系统总线计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2微处理器计算机系统的核心部件是微处理器，充当 计算机系统核心作用的微处理器，因时代的 变迁和与时俱进的微处理器技术的飞速发展 而变化着，它们曾经是16位的8086（8088）、 80186、80286微处理器32位的80386、80486、经典奔腾 Pentium、高能奔腾Pentium Pro、二代奔腾 Pentium II、Pentium III、Pentium 4，目前的64位的微处理器。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基
11、础3存储器存储器就是用来存储信息的部件。计算机的存储器可以分为两大类：一类叫内部存储器，简称为内存或主存；另一类叫外部存储器，简称为外存。内存 是计算机主机的一个组成部分，用它来存放 当前正在使用的、或者经常使用的程序和数 据。外存存放相对来说不经常使用的程序和数 据。外存总是和外部设备相关的。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础4输入/输出系统计算机系统内的输入/输出系统是人 机进行信息交互的一种非常重要的手段。 输入/输出系统通常是由诸如打印机、显示 器、键盘、光驱、鼠标、绘图仪、扫描仪 、软盘驱动器、硬盘驱动器、磁带机等设 备组成。一个计算机系统配备的输入/输出 设备的多少因需要而异。计
12、算机硬件技术基础计算机硬件技术基础132 计算机软件的组成计算机的软件包括：计算机运行时所需的各种程序， 以及描述程序功能、性能、设计、内部结构及如何操作与 使用的文档资料。软件是计算机系统的灵魂，没有配备任何软件的“裸机 ”是无法使用。组成计算机的软件可分为：系统软件和应用 软件两大类。 1系统软件（1）操作系统(2) 语言处理程序（3）数据库管理系统（4）实用程序与软件工具 2应用软件应用软件是计算机用户在各自的应用领域中开发和使用的 程序。由于计算机的应用极其广泛，所以这类软件种类繁 多，不胜枚举。 计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础14 计算机的工作过程计算机系统的基本功能是执行程序
13、。程序是事先设计好 的并被存放在存储器中的一串串指令组成。而硬件系统则是 通过对一条条指令的操作而实现对程序的执行。可以把一条指令的执行过程，简单的看成是两个操作步骤：1、CPU每次先从内存储器中读取指令；2、对从内存储器中读取指令进行译码，然后去执行被译好码 的指令。程序的执行过程是周期性的、重复地执行“取指令-分析指令 -执行指令”，这样一个循环操作过程。 取下一 条指令执行指令暂停 开始取指周期执行周期计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1.5 数在计算机中的表示1.5.1 带符号数的表示数学中用正负号表示数的正负，而计算 机中的数是用二进制表示的，符号位也被数 字化，数字的最高位表示符
14、号位。一般符号 位为0表示正数，为1表示负数。这种连同符 号位在内表示的数字称为机器数 计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1、原码最高位表示符号，其它位用二进制的绝对 值表示的方法为原码。设有数X，则原码记 作X原。例如：X1 =+1011010，则X1原=01011010X2 =-1011010，则X2原=11011010数0的原码有正0和负0两种表示形式：+0原=0000-0原=1000计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2、反码正数的反码与原码相同，负数的反码为 原码除符号外将其各位按位取反。例如：X1原=01011010，X1反=X1原 =01011010X2原=11011010，X
15、2反=10100101数0的反码也有正0和负0两种表示形式：+0反=0000-0反=1111计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础3、补码正数的补码与原码相同，负数的补码等与 该数的反码在最低位加1。例如：X1原=01011010，X1补=01011010X2原=11011010，X2反=10100101，X2补=10100110数0的补码只有一种表示形式：+0补=-0补=0000计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1.5.2 补码的运算在计算机中最基本的运算是加、减、乘、除 ，实际上二进制的乘法运算可以转换为加法和 左移运算，而除法可以转换为减法和右移运算 。而减法可以通过补码的加法运算来实现
16、。目 前微机系统都采用补码表示数据，采用补码运算主要是为了解决使减法运算变 成加法运算的问题。 补码的减法规则是： X-Y补= X补+ -Y补计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础例：假设机器字长为8位二进制数，计算65 - 10。 解： X-Y补= 65补+ -10补65补=01000001， -10补 =111101100 1 0 0 0 0 0 1 + 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 进位自然丢失计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1.6 定点数与浮点数在计算机中带有小数部分的数有定点数和浮点 数两种表示形式。定点数是指将小数点的位置固定 在某个位置上。浮点数是指小数点的位置可以浮动 。 1、定点数如果的小数点的位置隐含固定最低位之后，表示 纯整数。如果的小数点的位置隐含固
