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1、KMU FWJ 第1章 微型计算机基础知识 微型计算机和单片机发展概述 计算机中的数制及数的转换 计算机中二进制数的运算 计算机中有符号数的表示方法 计算机中的字符编码 微型计算机组成原理 1 KMU FWJ 1.1 微型计算机和单片机发展概述 1.1.1 微型计算机的发展 1 电子计算机的发展 1945年12月，在美国宾夕法 尼亚大学，世界上第一台电子数 字积分计算机ENIAC研制成功 。 这台计算机总共安装了17468只电子管，7200个二极管， 70000多电阻器，10000多只电容器和6000只继电器，占地面积为 170平方米左右，总重量达30吨，耗电约140千瓦，运算速度达到 每秒能
2、进行5000次加法运算、 300次乘法运算。 标志着人类电子计算机时代的到来。 2 KMU FWJ 第一代：电子管电子计算机（1946年1958年） 基本逻辑元件：电子管 内存储器：水银延迟线 外存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带 程序设计语言：机器语言，汇编语言 应用：科学计算 第二代：晶体管电子计算机（1958年1965年） 基本逻辑元件：晶体管 内存储器：磁芯 外存储器：磁鼓、纸带、卡片、磁带 程序设计语言：机器语言，汇编语言 高级语言 应用：科学计算、数据处理、 事务处理、 工业控制 1960年贝尔实验室使用800只晶体 管组装的世界上第一台晶体管计 算机TRADIC 3 KMU FWJ
3、第三代：中、小规模集成电路电子计算机（1965年1970 年） 基本逻辑元件：中、小规模集成电路 内存储器：磁芯、半导体存储器 外存储器：磁盘、磁带 程序设计语言：汇编语言、 高级语言 应用：科学计算、数据处理、 自动控制、 文字处理 基本逻辑元件：晶体管 内存储器：半导体存储器 外存储器：磁盘、磁带、光盘 程序设计语言：汇编语言、高级语言 应用：科学计算、数据处理、自动控制 各类辅助设计、 图像识别、语言识别、通信、家用电器等 第四代：大规模、超大规模集成电路电子计算机（1971年开始） 1964年4月7日，IBM公司研制 成功世界上第一个采用集成电 路的通用计算机IBM 360系统 4 K
4、MU FWJ 第五代：智能计算机（20世纪80年代中期至今） 第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能 结合一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结 构将突破传统的冯诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。 现正在研制发展中，工作原理、结构至今尚未统一。 2 微型计算机的发展 1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯 片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行 6万次运算。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成 的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。 微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器为核心，配以
5、 存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。 划分阶段的标志：一般以CPU字长和微处理器型号。 5 KMU FWJ 第一代（19711973年）4位和低档8位微处理器 Intel4040 4位微处理器，集成了 2250个晶体管，频率为108KHz。 Intel8008 低档8位微处理器集成了 9000个晶体管，时钟频率0.5/0.8MHz Intel 4004 Intel 8008 第二代：晶体管电子计算机 Intel8080、MC6800、R6502 8位微处理器 Intel8085、Z80、MC6809 高档8位微处理器 指令比较完善，有中断与DMA，频率24MHz 程序设计
6、：汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M 后期配备CP/M操作系统 Intel 8080 Z80 6 KMU FWJ 第三代（19781982年）16位微处理器 Intel8086 、Z8000、MC68000 16位 CPU字长16位，16位数据线，20位地址线 Intel8088 准16位 CPU字长16位，8位数据线，20位地址线 1981年，IBM公司采用Intel 8088微处理 器生产了第一台通用微型计算机IBM PC， 从此IBM PC系列微机成为个人计算机的主 流机之一。 Intel 8086 Intel 80286 Intel80286、MC68010 高档16位 CPU
7、字长16位，16位数据线，24位地址线 7 KMU FWJ 第四代（19821992年）32位微处理器 Intel 80386 32位微处理器 数据总线32位，地址总线32位 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式 虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚拟空间 时钟频率12.5MHz、20MHz、25MHz、33MHz Intel 80486 32位微处理器 80386+80387+8KBCache = 80486 部分采用RISC技术、突发总线技术、时钟倍频技术 Intel 80386Intel 80486 8 KMU FWJ 第五代（19931995年）32
8、位奔腾微处理器 Pentium（奔腾） 32位微处理器 CPU字长32位，64位数据线，32位地址线， 内存寻址能力为4GB 8KB的代码和数据Cache，时钟频率120MHz Pentium MMX（多能奔腾） 32位微处理器 增加了57条 MMX（多媒体增强指令集）指令 采用了SIMD（单指令流多数据流）技术 同时处理8个字节的 数据 Intel Pentium Intel Pentium MMXAMD K5 9 KMU FWJ 第六代（19951999年）加强型Pentium微处理器 Pentium Pro(高能奔腾) 32位微处理器 CPU字长32位， 64位数据线、36位地址 线，L
9、1 16KB ，L2 256/512KB，时钟频率 300MHz。 Pentium II 32位微处理器 CPU字长32位，L1 16KB，L2256/512KB 增加MMX技术。 Pentium III 32位微处理器 CPU字长32位，L1 32KB，L2 512KB。 时钟频率500MHz,2000年高达1GHZ。 增加128位的SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流）寄存器和 72条指令，流式SIMD扩展SSE（Streaming SIMD Extensions）， Intel Pentium Pro Intel Pentium II
10、I 10 KMU FWJ Pentium 4 32位微处理器 集成4200万个晶体管，采用超级流水线技术和快速执行引擎 2000年，时钟频率1.3GHz2001年，钟钟频率2 GHz 2002年，钟钟频率3.06GHz2003年，钟钟频率3.2 GHz 2004年，钟钟频率3.4GHz，最高3.8GHz 在此阶段AMD公司的类似产品有： AMD K6、AMD K7、AMD Athlon XP 等。 Intel Pentium 4AMD K6AMD Athlon XP 11 KMU FWJ 第六代后（2000年至今）和多核处理器 64位微处理器 Intel Itanium 2 IA-64架构 6
11、4位微处理 器，采用0.18m工艺，集成约2.2亿个晶体 管，集成L1、L2和L3 Cache到芯片内，主 频为1GHz。 由于IA-64与原x86 架构的软件天生不兼 容，应用不是很成功。 Intel Itanium 2 AMD Opteron AMD Opteron、AMD Athlon64 AMD64 架构 64位微处理器，采用0.13m SOI(Silicon On Insulator)工艺，集成1亿多 个晶体管，主频为1.6GHz。 由于AMD64架构完全兼容X86-32指令集 ，代表了微处理器的发展方向，Opteron和 Athlon64获得了成功。 12 KMU FWJ 多核心微
12、处理器（典型产品） IBM Power7(2010年2月) 8核处理器 ，采用45nmSOI工艺，集成了12 亿个晶体管，拥有8个处理器内核，12个执行单元、每核256KB L2缓存和 32MB共享片上L3缓存，主频在3.04.14GHz之间。 IBM Power7 AMD Magny-Cours Intel Core i7(2010年2月) 4核处理器，拥有8MB三级缓存，支持三通 道 DDR3内存，主频2.663.06GHz，功耗130W，片上集成7.31亿晶体管。 AMD Magny-Cours (2010年3月) 12核处理器，采用AMD G34 Maranello平台，支持四通道DD
13、R3内存，通过四个多线程互连总线连接2个 六核芯片，共拥有12MB三级缓存，每核心二级缓存为512KB。采用45nm SOI工艺，主频1.92.2GHz，功耗65105W。 Intel Core i7 13 KMU FWJ 1.1.2 单片机的发展 将CPU、ROM、RAM、定时器/计数器以及输入/输出(I/O) 等接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。称 为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)， 简称单片机 。 为满足工业测控的应用需求，单片机出现和迅速发展，更 能反映单片机本质的名称应是微控制器(Microcontrollor， MCU)。 单片
14、机只是一块集成电路，从组成和功能上看，已具有微 机系统的含义。单片机的特点： 性价比高。高性能、低价格； 控制功能强。工作任务针对性强，适用于专门的控制用途； 高集成度、高可靠性、体积小； 低电压、低功耗； 品种多样，型号繁多，发展更新快。 14 KMU FWJ 1 单片机的发展简史 自从1974年美国仙童（Fajrdsld）公司生产的世界上第一块 单片机（FS）以来，单片机的发展特别迅速，各种新型和高性 能单片机不断推陈出新。迄今为止已有30多年历史，大致经历 了五个发展阶段。 第一阶段(19711974)：单片机萌芽阶段 典型代表：仙童公司的FS系列单片机，8位的CPU、64B的 RAM和
15、两个并行端口，需外接ROM。 第二阶段(19741978)：初级单片机阶段 以Intel MCS-48系列为代表。集成8位CPU、2个8位并行I/O口 、和8位定时器/计数器和64字节的RAM。寻址范围不大于4KB。 这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，它以体积 小，功能全，低价位赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了 基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 15 KMU FWJ 第三阶段(19781983)：高性能单片机阶段 这时期代表产品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司 的MC6801系列、Zilog公司的Z80系列、TI公司的TMS7000系 列等。 其
16、中以1980年推出的MCS-51系列单片机为典型代表。 MCS-51系列单片机：8位CPU、4个8位并行I/O口、2个8位 定时器/计数器、128字节的RAM，4KB的ROM，1个全双工的 串行口，5个中断源，寻址范围64KB。 MCS-51系列单片机具有良好兼容性，为新一代微控制器奠 定了良好的基础。在MCS-51 技术实现开放后，Philips、Atmel 、Dallas和Siemens等公司纷纷推出了基于MCS-51 内核的微控 制器。 16 KMU FWJ 第四阶段(1983):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶 段 这一阶段8位单片机巩固发展，各大公司均竞相研制出品种 多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种。 特点：单片机真正单片化，集成较多RAM、ROM、数目繁 多的I/O接口、多种中断系统，有的还带A/D转换器，功能越来 越强大，寻址空间达64KB。 同时16位的单片机也逐步推出。代表产品有Intel公司的 MCS-96系列、TI公司的TMS9900、NEC公司的783XX系列和 NS公司的HPC16040等。 17 KMU FWJ 现阶段：32位单片微机系
