[计算机软件及应用]第01章微型计算机系统概述

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1、2019/1/17,1,微型机系统与接口,理论总学时：48学时 实验总学时：16学时 合计： 64学时,第1章 概 述,1.1 80x86系列结构的概要历史 1.2 计算机基础 1.3 计算机的硬件和软件 1.4 微型计算机的结构 1.5 多媒体计算机,1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）。 重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。 采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容，

2、研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。 ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。 到现在为止，计算机经历了电子管、晶体管、中小集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路5个时代的发展。,第一台计算机,1971年，Intel 公司发布了Intel 4004，这是一个4位微处理器，也被认为是世界上第一个微处理器。从此，微处理器得到了极其迅速的发展。,1.1 80x86系列的概要历史,微处理器的发展 以美国Intel公司产品为代表,字长 集成度/片 时钟频率 第一代：4004 4位 约 2300 0.1MHz 第二代：8008 8位

3、 约 6000 2MHz 第三代：8086 16位 约 29000 4.77MHz 第四代：80386 32位 约27.5万 33MHz 第五代：奔腾 超级32位 约310万 100MHz 第六代：安腾 64位 约 1亿 字长：一次所能传输处理的二进制数的位数，决定数据总线的宽度,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代,典型产品有Intel 4004(1971年、4位)和Intel 8008（1972年、8位）。 特点: 1.字长： 4位或8位 2.时钟频率：1MHz 3.平均执行指令时间：1520s 4.集成度：2000管/片,第二代（19731978年）：中高档8位微处

4、理器时代,Intel 8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOS Technology的6502等。 特点: 1.字长： 8位 2.时钟频率： 24MHz 3.平均执行指令时间： 12 s 4.集成度：5000 10000管/片,第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代,Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog 公司的Z8000 特点: 1.字长： 16位 2.时钟频率： 540MHz 3.平均执行指令时间： 0.5 s 4.集成度：20000 60000管/片,第四

5、代（1983-1993年）：32位微处理器时期,1983年Zilog公司推出Z8000微处理器 1984年Motorola公司推出MC68020微处理器 1985年， Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386 1989年， Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040 特点: 1.字长： 32位 2.时钟频率： 10120MHz 3.平均执行指令时间： 0.2s 4.集成度：几十万上百万管/片,第五代（19931996）：Pentium微处理器的时代,1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium） 时钟频率：60/66MHz 运行速度：10

6、0MIPS 集成度：310万管/片 1995年2月， Intel公司的Pentium Pro 时钟频率：166MHz以上 集成度：550万管/片 1996年 Intel公司的Pentium MMX （多能奔腾）,第六代（1997至今）：加强型Pentium时代,1997年到1999年，Intel公司的Pentium 、Pentium 、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。 2001年底， Pentium 主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。 AMD公司的Athlon CPU，1.33GHz主频及2GHz

7、主频。,第七代：64位CPU时代,2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置24MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。 AMD公司的AMD-K8,Intel的CPU的发展史,Intel 4004,Intel 的发展史就是从这块cpu起步的,8008,8085,8086,80286，Intel最后一块16位cpu,80386，Intel第一代32位cpu,486，这是Intel最后一代以数字编号的cpu,pentium，传说中的586,p

8、entium pro,pentium mmx,pentium,celeron，引发超频热潮,pentiumIII_katmai,pentiumIII,Intel pentiumIII tualatin/coppermine,Intel pentium_423,Intel pentium_478,微处理器是微型计算机进行控制和处理的核心， 通常也直接用CPU（中央处理单元）表示微处理器。 微处理器主要由三部分组成： (1) 算术逻辑单元ALU。ALU用来进行算术运算和逻辑运算。 (2) 控制部件。控制部件用来产生一定的时序控制信号，控制指令所规定的操作的执行。 (3) 寄存器。寄存器用于存放指令

9、、操作数和中间结果及地址信息等。 这三部分通过微处理器的内部总线相连。,20年来, Intel微处理器有了极大的发展,形成了IA-32结构,目前IA-64结构正在推出,微处理器正在向64位发展。IA-32结构得到如此广泛应用的两个关键因素是: 1、在IA-32上运行的软件的兼容性 2、每一代交付的IA-32处理器的性能大大高于上一代产品.,Intel Pentium4处理器 Intel Pentium 4处理器是最新的IA-32处理器,并是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。,安腾处理器家族是专为高端企业和高性能应用设计的，能为业务智能、数据库、企业资源规划、供应链管理、高性

10、能计算、计算机辅助工程和安全交易提供领先的性能。,1.2 计算机基础,1.2.1 计算机的基本结构 上一节介绍了个人计算机系统的外观、主要构成，也介绍了CPU、主板、内存条、硬盘等计算机部件，虽然这些部件的功能与性能都有了巨大的发展，但是计算机的基本结构基本未变，如图1-7所示,图1-7中的各部分构成了计算机硬件（Hardware）。在上述的计算机硬件中，人们往往把运算器、控制器和存储器合在一起称为计算机的主机；而把各种输入、输出设备统称为计算机的外围设备（或称外部设备Peripheral）。 在主机部分中，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU（Central Processing

11、 Unit）。随着半导体集成电路技术的发展，可以把整个CPU集成在一个集成电路芯片上，就把它称为微处理器（Microprocessor）。,单片微型计算机：一个芯片上包括中央处理器、存储器、接口电路的完整计算机功能电路，又称单片机。 单板微型计算机：将中央处理器、存储器、接口电路等组装在一块印刷电路板上的微型计算机。 微型计算机系统：包括中央处理器、存储器、接口电路的主板，以及其他如存储器扩展板、电源、外设接口板组装在一个机箱内。一般的个人计算机。,微型计算机的概念结构,存 储 器,I/O 接 口,输 入 设 备,I/O 接 口,地址总线 AB,输 出 设 备,C P U,数据总线 DB,控制

12、总线 CB,I/O 接 口,1.2.2 常用的名词术语和二进制编码 1位、字节、字及字长 （1）位（Bit） “位”指一个二进制位。它是计算机中信息存储的最小单位。 （ 2）字节（Byte） “字节”指相邻的8个二进制位。 （3）字（Word）和字长 “字”是计算机内部进行数据传递处理的基本单位。通常它与计算机内部的寄存器、运算装置、总线宽度相一致。,2数字编码 为便于机器识别和转换，计算机中的十进制数的每一位用二进制编码表示，这就是所谓的十进制数的二进制编码，简称二-十进制编码（BCD码）。 二-十进制编码的方法很多，最常用的是8421 BCD码。8421 BCD码有10个不同的数字符号，逢

13、10进位，每位用四位二进制表示。,3.字符编码 字母、数字、符号等各种字符也必须按特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。字符编码的方式很多，世界上最普遍采用的一种字符编码是ASCII码。 ASCII码用七位二进制编码，它有128种组合，可以表示128种字符。,4汉字编码 用计算机处理汉字，每个汉字必须用代码表示。键盘输入汉字是输入汉字的外部码。外 部码必须转换为内部码才能在计算机内进行存储和处理。为了将汉字以点阵的形式输出，还要将内部码转换为字形码。 （1）外部码 汉字主要是从键盘输入，每个汉字对应一个外部码，外部码是计算机输入汉字的代码，是代表某一个汉字的一组键盘符号。外部码也叫输入码。

14、,（2）内部码 汉字内部码也称汉字内码或汉字机内码。在不同的汉字输入方案中，同一汉字的外部码不同，但同一汉字的内部码是唯一的。 （3）交换码 计算机之间或计算机与终端之间交换信息时，要求其间传送的汉字代码信息完全一致。为此，国家根据汉字的常用程度定出了一级和二级汉字字符集，并规定了编码，这就是国标GB2312-1980信息交换用汉字编码字符集基本集。GB2312-1980中汉字的编码即国标码。,这个字符集中的任何一个图形、符号及汉字都是用两个7位的字节表示（在计算机中当然用两个8位字节，每个字节的最高位为1来表示）。 在GB2312-1980标准中，对每个图形字符或汉字给出了两种汉字代码。一种

15、是用两个字节二进制数给出的国标码（即内部码中所用到的）；另一种是四位十进制的区位码，其中高二位是某字符或汉字所在的区号，低二位是在区中的位置号。例如“啊”字的国标码是3021H，区位码是1601D。,（4）输出码 汉字输出码又称汉字字形码或汉字发生器的编码。汉字可以写在一个方块中；一个方块可以看作m行n列的矩阵，称为点阵。一个m行n列的点阵共有mn个点。 在计算机中用一组二进制数字表示点阵，用二进制数l表示点阵中的黑点，用二进制数0表示点阵中的非黑点。,1.2.3 指令程序和指令系统 计算机要真正能够进行计算还必须要有软件的配合，首先是各种程序（Program）。 我们知道，计算机所以能脱离人

16、的直接干预，自动地进行计算，这是由于人把实现这个计算的一步步操作用命令的形式即一条条指令（Instruction）预先输入到存储器中，在执行时，机器把这些指令一条条地取出来，加以翻译和执行。,一条指令，对应着一种基本操作。计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统（Instruction Set）。 在使用计算机时，必须把要解决的问题编成一条条指令。这些指令的集合就称为程序。 指令通常分成操作码（Opcode，即operation code）和操作数（Operand）两大部分。操作码表示计算机执行什么操作；操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址。,程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的。计算机在执行时要能把这些指令一条条取出来加以执行，必须要有一个电路能追踪指令所在的地址，这就是程序计数器PC（Program