第1章 微型計(jì)算機(jī)概論

1、第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論第1章 微型計(jì)算機(jī)概論1.1 微型計(jì)算機(jī)概述1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 1.3 微機(jī)的主要性能指標(biāo)及應(yīng)用 第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1 微型計(jì)算機(jī)概述1.1.1 微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況 20世紀(jì)40年代，由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫克利和埃克特領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，研制成功了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator Computer)。 ENIAC由17486個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器、7萬(wàn)個(gè)電阻器、1萬(wàn)個(gè)電容器和6千個(gè)開關(guān)組成。每秒鐘能只能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算或者400次乘法運(yùn)算，僅相

2、當(dāng)于一個(gè)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)。第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論ENIAC的研制背景：第二次世界大戰(zhàn)火炮射擊表火炮射擊表l美國(guó)軍方要求彈道研究院每天提供六張射擊表l200多名計(jì)算員花兩個(gè)多月的時(shí)間才可完成一張射擊表第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1945年，馮諾依曼發(fā)表了一份長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)的報(bào)告， 即著名的“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”。報(bào)告提出 的體系結(jié)構(gòu)一直延續(xù)至今，即馮諾伊曼結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備共共 5個(gè)部分個(gè)部分組成組成； 數(shù)據(jù)和程序數(shù)據(jù)和程序 均以均以二進(jìn)制代

3、碼二進(jìn)制代碼形式不加區(qū)別形式不加區(qū)別 地存放在存儲(chǔ)器地存放在存儲(chǔ)器中，存放位置中，存放位置 由存儲(chǔ)器的地址由存儲(chǔ)器的地址指定指定； 計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)自動(dòng)地地從存儲(chǔ)器中從存儲(chǔ)器中取出指令取出指令加以執(zhí)行加以執(zhí)行；3 微型計(jì)算機(jī)原理“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”馮諾依曼美籍匈牙利數(shù)學(xué)家1926年（22歲），獲匈牙利布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位1931年（28歲），成為普林斯頓大學(xué)終身教授1933年，轉(zhuǎn)入普林斯頓高等研究院19511953年，任美國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)主席約翰馮諾依曼1954年，任美國(guó)原子能委員會(huì)委員 John Von Neumann1944年博弈論與經(jīng)濟(jì)行為190319571945年

4、“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1.1 微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)1） 馮諾依曼提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念，這是所有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的模板，被稱“馮 諾依曼結(jié)構(gòu)”。馮諾依曼計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)： (1) 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。 (2) 采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)可以送到運(yùn)算器中運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。 (3) 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示。 (4) 指令按順序執(zhí)行。第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖示馮 諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)由運(yùn)算器、控制

5、器 、 存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成。運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序和程序和數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入地址地址指令指令結(jié)果輸出結(jié)果輸出5 微型計(jì)算機(jī)原理馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)控制器結(jié)果輸出地址指令運(yùn)算器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器命令輸出設(shè)備狀態(tài)輸入設(shè)備命令和應(yīng)答程序和數(shù)據(jù)輸入 狀態(tài)和請(qǐng)求命令和應(yīng)答狀態(tài)和請(qǐng)求第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1.1 微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)2） 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器得到了飛速發(fā)展。 第一代：4位和低檔8位微處理器 400440408008 第二代：中高檔8位微處理器 8080、MC6800 、Z-80 、650

6、2 第三代：16位微處理器 80868088 80286 、MC68000 、Z8000第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1.1 微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)3） 第四代：32位微處理器 MC68020、80386 80486 Pentium系列 第五代：64位微處理器 Itanium、64位RISC微處理器芯片第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1.2 微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 微型計(jì)算機(jī)除了具有一般電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高和通用性強(qiáng)等常規(guī)功能外，還具有如下特點(diǎn)： (1) 可靠性高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 (2)體積小、重量輕、耗電省 。 (3)性價(jià)比高 。 (4)結(jié)構(gòu)

7、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、適應(yīng)性強(qiáng) 。 (5)維護(hù)方便 。 第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.1.3 微型計(jì)算機(jī)的分類 按組織結(jié)構(gòu)和規(guī)模分： 單片機(jī)、單板機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦 按微處理器位數(shù)分： 4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)。 按應(yīng)用范圍和表現(xiàn)形式分： 通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論超級(jí)計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)1993年年2011年國(guó)家分布年國(guó)家分布3.日本：日本：30臺(tái)臺(tái)4.英國(guó)：英國(guó)：27臺(tái)臺(tái)1.美國(guó)：美國(guó)：263臺(tái)臺(tái)2.中國(guó)：中國(guó)：74臺(tái)臺(tái)6.德國(guó)：德國(guó)：20臺(tái)臺(tái)5.法國(guó)：法國(guó)：23

8、臺(tái)臺(tái)2011年年11月榜單月榜單第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論世界上第一個(gè)商業(yè)微處理器Intel 4004 微處理器1971年誕生面積：4.2mm3.2mm制造工藝：10微米晶體管數(shù)量：2250主頻：最高740KHz字長(zhǎng)：4位與4001/4002/4003 共同構(gòu)成了芯片組： MCS-4（Micro Computer Set）為日本Busicom公司的計(jì)算器而研制第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論基于Intel4004的產(chǎn)品基于基于4004的計(jì)算器的計(jì)算器Busicom 141-PF（1971年）年）Busicom LE-120A電路板電路板4003移位寄存器移位寄存器

9、(I/O)4004微處理微處理器器4001只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)4002隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1970年代的微處理器1972年，Intel推出8008微處理器1974年，Intel推出8080微處理器1976年，Zilog推出Z80微處理器1978 年，Intel 推出了首款16位微處理器8086，及其簡(jiǎn)化版80881970年代中期，微處理器的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同，RCA（美國(guó)無(wú) 線電公司）、Honeywell、Fairchild、NI、AMD、Motorola 以及 Zilog 等大批公司進(jìn)入這一領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。第第1 1章

10、章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)的早期代表：IBM PC1981年，IBM PC 5150誕生售價(jià)約1600美元Intel 8088 CPU，主頻4.77MHz，內(nèi)存16KB因開放性架構(gòu)逐漸成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的制造標(biāo)準(zhǔn)第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論IBM PC的興衰1984年，IBM稅后凈收益65.8億美元1985年，IBM占據(jù)全球PC市場(chǎng)份額的80 1991年，IBM虧損28.6億美元1992年，IBM虧損49.7億美元 2005年，聯(lián)想以17.5億美元 收購(gòu)了IBM的全球PC業(yè)務(wù)第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)：Altair愛(ài)德華愛(ài)德華羅伯茨

11、羅伯茨Edward Roberts19422010Altair 8800l包含兩塊集成電路， Intel 8080微處理器和一塊256字節(jié)的存儲(chǔ)器l面板上的8個(gè)手動(dòng)開關(guān)和幾排小燈泡作為輸入和輸出1974年，微型儀器與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)公司（簡(jiǎn)稱 MITS公司）出品，每臺(tái)售價(jià)397美元。1975年，全部2000臺(tái)銷售一空。第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論“蘋果”的傳奇史蒂夫沃茲尼亞克史蒂夫喬布斯1975年，Apple I第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)的早期代表：Apple II1977年，蘋果電腦Apple II問(wèn)世售價(jià)約1300美元摩托羅拉6502 CPU，主頻1

12、MHz，內(nèi)存4KB19801990年代美國(guó)教育系統(tǒng)電腦的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)VisiCalc電子表格軟件第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論史蒂夫喬布斯（1955.2.242011.10.5）2010iPad2007iPhone1984Macintosh1991年，年，Steven Jobs和和Bill Gates 在交談在交談第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論當(dāng)前微型計(jì)算機(jī)的主要形態(tài)及衍生服務(wù)器臺(tái)式機(jī)筆記本平板電腦智能手機(jī)嵌入式微機(jī)第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 從系統(tǒng)組成來(lái)的觀點(diǎn)來(lái)看，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)和軟件軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其組

13、成 框圖如圖1-1 。圖1-1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng) 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)以微處理器為核心，配以內(nèi)存儲(chǔ)器以及輸入輸出（I/O）接口和相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成，采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。圖1-2為典型的微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)1） 微處理器 微處理器的全部電路集成在一塊大規(guī)模集成電路中。它包括運(yùn)算器（ALU）、寄存器組、控制器，這3個(gè)基本部分由內(nèi)部總線連接在一起。微處理器把一些信號(hào)通過(guò)寄存器或緩沖器送到集成電路的引線上，以便與外

14、部的微機(jī)總線相連接。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。 圖1-3 微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)2） 存儲(chǔ)器 微存儲(chǔ)器是微機(jī)中重要的組成部分，它用來(lái)存放和記憶程序和數(shù)據(jù)的裝置。顯然，存儲(chǔ)器的容量越大，能記憶的信息越多，計(jì)算機(jī)的功能就越強(qiáng)。 微機(jī)上的存儲(chǔ)器分為“內(nèi)部存儲(chǔ)器”和“外部存儲(chǔ)器”兩類。內(nèi)部存儲(chǔ)器位于主機(jī)的內(nèi)部的電路板上，用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，CPU可以通過(guò)總線直接訪問(wèn)，通常造價(jià)高、速度快，但是容量?。煌獠看鎯?chǔ)器位于主機(jī)外部，用于存放大量的信息，如暫不運(yùn)行的程序和暫不處理的數(shù)據(jù)，CPU要通過(guò)I/O接口進(jìn)行訪問(wèn)，通常造價(jià)低、容量

15、大、數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存，但是速度慢。30 微型計(jì)算機(jī)原理存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)地址的位數(shù)由控制器地址線的位數(shù)確定每個(gè)存儲(chǔ)單元中內(nèi)容的位數(shù)由設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的編址方法確定第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)3） I/0設(shè)備和I/O接口 I/O設(shè)備是指微機(jī)上配備的輸入/輸出設(shè)備，也稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備（簡(jiǎn)稱外設(shè)），它主要為微機(jī)提供具體的輸入/輸出手段。輸入設(shè)備是微機(jī)系統(tǒng)用來(lái)接受信息的部件，目前常見(jiàn)的有鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、掃描儀等。輸出設(shè)備的種類比較多，常用的有顯示器、打印機(jī)語(yǔ)音輸出裝置等。 由于各種外設(shè)的工作速度、驅(qū)動(dòng)方法各異，不能直接將它們簡(jiǎn)單的連接到總線

16、與CPU進(jìn)行連接。因此，需要一個(gè)接口部件，來(lái)完成它們之間的速度匹配、信號(hào)變換、與CPU聯(lián)絡(luò)等工作。這部分電路被稱為I/O接口電路，簡(jiǎn)稱I/O接口。 38 微型計(jì)算機(jī)原理4.輸入設(shè)備輸入設(shè)備用來(lái)輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)內(nèi)的表示形式并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部常見(jiàn)輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、圖形數(shù)字化儀、圖像掃描儀等39 微型計(jì)算機(jī)原理5.輸出設(shè)備輸出設(shè)備用來(lái)輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置其功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成人們所需要的形式并傳送到計(jì)算機(jī)外部常見(jiàn)的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)4） 系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線

17、是微機(jī)中各種部件之間傳遞信息的一組公共數(shù)據(jù)傳輸線路。通常把CPU芯片內(nèi)部的總線稱為內(nèi)部總線，而連接系統(tǒng)各部件間的總線稱為外部總線或稱為系統(tǒng)總線。 數(shù)據(jù)總線(DB)：用于CPU與內(nèi)存或I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳遞。 地址總線(AB)：用于傳送存儲(chǔ)單元或I/O接口的地址信息。 控制總線(CB)：傳送控制器的各種控制信息。 地址總線（ Address Bus，簡(jiǎn)稱AB或ABus） 數(shù)據(jù)總線（Data Bus，簡(jiǎn)稱DB或DBus） 控制總線（Control Bus，簡(jiǎn)稱CB或CBus） CPU9 微型計(jì)算機(jī)原理微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微處理器存儲(chǔ)器I/O接口外設(shè)地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB單向

18、雙向控制總線CB雙向第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.2.2 微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng) 微機(jī)的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支撐軟件組成。 系統(tǒng)軟件：它是一類對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身進(jìn)行管理與控制的軟件，它提供用戶使用計(jì)算機(jī)操作環(huán)境以及應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境。如：Windows XP 、 Windows 7 、 Windows 8等。 運(yùn)用軟件：它是指用戶利用計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件，開發(fā)解決各種實(shí)際問(wèn)題的程序。如：繪圖軟件AutoCAD 、圖像處理軟件Photoshop 、QQ游戲平臺(tái)等。 支撐軟件：傳支撐各種軟件的開發(fā)與維護(hù)的軟件，又稱為軟件開發(fā)環(huán)境。如：Web Sphere 、Studio.NET等。第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)概論微型計(jì)算機(jī)概論1.3 微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)及應(yīng)用1.3.1 微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo) 字長(zhǎng)：微機(jī)的字長(zhǎng)是指微處理器內(nèi)部一次可以并行處理二進(jìn)制代碼的位數(shù) ，它一般決定于微機(jī)的通用寄存器、內(nèi)存儲(chǔ)器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長(zhǎng)