知識(shí)就是力量電子計(jì)算機(jī)是這種力量的放大器而把人類(lèi)知課件

知識(shí)就是力量。電子計(jì)算機(jī)是這種力量的放大器。而把人類(lèi)知識(shí)予以擴(kuò)大的機(jī)器也會(huì)把一切方面的力量予以擴(kuò)大。

－－費(fèi)根鮑姆（美）知識(shí)就是力量。電子計(jì)算機(jī)是這種力量的放大器。而

微型計(jì)算機(jī)原理鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院

微型計(jì)算機(jī)原理課程內(nèi)容、地位、作用課程內(nèi)容、地位、作用第1章微型機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)1·1微型機(jī)概述

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微型機(jī)系統(tǒng)的組成1·3微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1·4微處理器模型的組成1·5存儲(chǔ)器概述1·6微機(jī)的工作原理與程序執(zhí)行過(guò)程1·7微機(jī)中的幾個(gè)主要性能指標(biāo)1·8微型機(jī)系統(tǒng)的配置1·9計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)第1章微型機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)1·1微型機(jī)1

微型機(jī)概述

1.1.1微型機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史計(jì)算機(jī)（Computer）又稱(chēng)電腦，是20世紀(jì)最重要的科技成果。計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)地、高速地、精確地進(jìn)行信息處理的現(xiàn)代化電子設(shè)備，是一種幫助人類(lèi)從事腦力勞動(dòng)（包括記憶、計(jì)算、分析、判斷、設(shè)計(jì)、咨詢(xún)、診斷、決策、學(xué)習(xí)與創(chuàng)作等思維活動(dòng)）的工具。1944年哈佛大學(xué)和IBM公司合作,在美國(guó)首次制造出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛形——馬克Ⅰ。

1942年美國(guó)物理學(xué)家毛希利（John·Mauchely）提出了一個(gè)名曰“高速電子管計(jì)算裝置”的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)制造方案。該機(jī)于1946年正式交付使用，取名ENIAC——電子數(shù)字積分機(jī)和計(jì)算機(jī)。1微型機(jī)概述

1.1.1微型機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史計(jì)算機(jī)（Co世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)是1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)制造的ENIAC1946年由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），裝有18,000個(gè)電子管，總重量達(dá)30噸，運(yùn)算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2

，造價(jià)100萬(wàn)美元。不過(guò)它還沒(méi)有引入CPU的概念馬克Ⅰ世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)是1946年美國(guó)賓夕法尼亞大計(jì)算機(jī)的發(fā)展

第一代電子計(jì)算機(jī)稱(chēng)為電子管計(jì)算機(jī)。第二代計(jì)算機(jī)稱(chēng)為晶體管計(jì)算機(jī)，其主要邏輯元件采用的是晶體管。第三代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器采用了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可靠性和存取速度有了明顯的改善。第四代計(jì)算機(jī)以采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為標(biāo)志。關(guān)于第五代計(jì)算機(jī)人們正在進(jìn)行著多方面的探索。從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及信息理論方面，“非馮結(jié)構(gòu)”（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－－仿人腦的思維和記憶模型），更便于處理某些智能型問(wèn)題。計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代電子計(jì)算機(jī)稱(chēng)為電子管計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來(lái)表征的微處理器的集成度每隔18個(gè)月就會(huì)翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍

------摩爾定律GordonE.Moore，Intel公司的創(chuàng)始人之一

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來(lái)表征的GordonE.第一階段1971~1973：典型的微型機(jī)以Intel4004和Intel4040為基礎(chǔ)。微處理器和存儲(chǔ)器采用PMOS工藝，工作速度很慢。微處理器的指令系統(tǒng)不完整；存儲(chǔ)器的容量很小，只有幾百字節(jié)；沒(méi)有操作系統(tǒng)，只有匯編語(yǔ)言。主要用于工業(yè)儀表、過(guò)程控制或計(jì)算器中。第一階段1971~1973：典型的微型機(jī)以Intel400第二階段1974~1977：以8位微處理器為基礎(chǔ)，典型的微處理器有Intel8080/8085、Zilog公司的Z80及Motorola公司的6800。微處理器采用高密度MOS（HMOS）工藝，具有較完整的指令系統(tǒng)和較強(qiáng)的功能。存儲(chǔ)器容量達(dá)64KB，配有熒光屏顯示器、鍵盤(pán)、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，構(gòu)成了獨(dú)立的臺(tái)式計(jì)算機(jī)。配有簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)（如CP/M）和高級(jí)語(yǔ)言。第二階段1974~1977：以8位微處理器為基礎(chǔ)，典型的微處4位、8位微處理器Intel4004Intel8008Intel80854位、8位微處理器Intel4004Intel8008Int第三階段1978~1981：以16位和準(zhǔn)32位微處理器為基礎(chǔ)，如Intel公司的8086、Motorola的68000和Zilog的Z8000。微處理器采用短溝道高性能NMOS工藝。在體系結(jié)構(gòu)方面吸納了傳統(tǒng)小型機(jī)甚至大型機(jī)的設(shè)計(jì)思想，如虛擬存儲(chǔ)和存儲(chǔ)保護(hù)。第三階段1978~1981：以16位和準(zhǔn)32位微處理器為基礎(chǔ)第四階段20世紀(jì)80年代：80年代初，IBM公司推出開(kāi)放式的IBMPC，這是微型機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。IBMPC采用Intel80x86（當(dāng)時(shí)為8086/8088、80286、80386）微處理器和Microsoft公司的MSDOS操作系統(tǒng)并公布了IBMPC的總線(xiàn)設(shè)計(jì)。第四階段20世紀(jì)80年代：80年代初，IBM公司推出開(kāi)放式的Intel8086與Intel8088Intel8086與Intel8088Intel80286（1982年-1984年）采用1.5

m工藝，集成了134,000個(gè)晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線(xiàn)仍然為16位，但是地址總線(xiàn)增加到24位，使存儲(chǔ)器尋址空間達(dá)到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計(jì)算機(jī)IBMPC/AT，并制定了一個(gè)新的開(kāi)放系統(tǒng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這就是的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（ISA）。該結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)16位、高性能的I/O擴(kuò)展總線(xiàn)。80年代中期到90年代初，80286一直是微型計(jì)算機(jī)的主流CPU。在這一時(shí)期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。Intel80286Intel80286（1982年-1984年）Intel8080386的其他一些版本：80386SX，包含16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和24位地址總線(xiàn)，尋址空間為16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和25位地址總線(xiàn)，尋址空間為32MB。由于這些微處理器由于與I/O之間傳輸為16位，故也稱(chēng)為準(zhǔn)32位微處理器。

80386（1985年-1988年）第一個(gè)實(shí)用的32位微處理器，采用了1.5

m工藝，集成了275,000個(gè)晶體管，工作頻率達(dá)到16MHz。80386的內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)都是32位的。通過(guò)32位的地址總線(xiàn)，80386的可尋址空間達(dá)到4GB。這時(shí)由32位微處理器組成的微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到超級(jí)小型機(jī)的水平。Intel8038680386的其他一些版本：80386SX，包含16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)

80486（1989年-1992年）采用1

m工藝，集成了120萬(wàn)個(gè)晶體管，工作頻率為25MHz。80486微處理器由三個(gè)部件組成：一個(gè)80386體系結(jié)構(gòu)的主處理器，一個(gè)與80387相兼容的數(shù)學(xué)協(xié)處理器和一個(gè)8KB容量的高速緩沖存儲(chǔ)器。80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，而不是原來(lái)的兩個(gè)，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司還生產(chǎn)過(guò)80486的其他一些版本：80486SX,工作頻率20MHz，不包含數(shù)學(xué)協(xié)處理器；80486DX2，采用雙倍時(shí)鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達(dá)到66MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz；80486DX4，采用三倍時(shí)鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達(dá)到100MHZ，內(nèi)存存取速度為33MHz。Intel8048680486（1989年-1992年）Intel第五階段20世紀(jì)90年代開(kāi)始：RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）技術(shù)的問(wèn)世使微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。第五階段20世紀(jì)90年代開(kāi)始：RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）技PentiumMMX（以P55C代稱(chēng)1997年）增加了57條多媒體指令在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技術(shù)，可以說(shuō)它是CISC和RISC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物第五代：Pentium

PentiumMMX（以P55C代稱(chēng)1997年）增加了57

微型計(jì)算機(jī)的分類(lèi)從不同的角度對(duì)微型機(jī)進(jìn)行分類(lèi):4位微處理器1.單片機(jī)8位微處理器2.單板機(jī)16位微處理器3.個(gè)人計(jì)算機(jī)32位微處理器4.多用戶(hù)系統(tǒng)64位微處理器5.微型機(jī)網(wǎng)絡(luò)微型計(jì)算機(jī)的分類(lèi)從不同的角度對(duì)微型機(jī)進(jìn)行分類(lèi):微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

微處理器：運(yùn)算器、控制器的合稱(chēng)，指由大規(guī)模集成電路構(gòu)成的中央處理器。微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer)：指以微處理器為基礎(chǔ)，配以?xún)?nèi)存儲(chǔ)器以及輸入/輸出接口電路和相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成的裸機(jī)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)：指由微型計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的外部設(shè)備（如打印機(jī)、顯示器、磁盤(pán)機(jī)、磁帶機(jī)和鍵盤(pán)等），足夠的軟件、電源、面板和機(jī)架而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微處理

微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成運(yùn)算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲(chǔ)器總線(xiàn)輸入輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成運(yùn)算器控制器1.2微型機(jī)系統(tǒng)的組成1.2.1硬件系統(tǒng)(見(jiàn)P6圖1.2)1.2.2軟件系統(tǒng)

操作系統(tǒng)

MS-DOS

匯編程序

MASM和LINK

文本編輯程序

EDIT.COM

調(diào)試程序

DEBUG.EXE1.2微型機(jī)系統(tǒng)的組成1.2.1硬件系統(tǒng)(1.3微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)P9三大部分(CPU、存儲(chǔ)器、I/O）通過(guò)三總線(xiàn)（地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)）連接而成。微型機(jī)中有三股信息流：地址信息、數(shù)據(jù)信息、控制信息。單總線(xiàn)、雙總線(xiàn)、雙重總線(xiàn)。1.3微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)P9三大部分(CPU、存儲(chǔ)1.4微處理器模型的組成微處理器由運(yùn)算器、控制器、內(nèi)部寄存器陣列組成。1.4.1運(yùn)算器(ALU)

進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及移位操作的器件。1.4.2控制器指令寄存器IR:存放從存儲(chǔ)器中取來(lái)將要執(zhí)行的指令。指令譯碼器ID:對(duì)指令進(jìn)行譯碼。定時(shí)與控制電路：產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需的控制信號(hào)，每條指令對(duì)應(yīng)控制信號(hào)的某種組合。1.4.3內(nèi)部寄存器—存放參加運(yùn)算的數(shù)或地址、運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)、微機(jī)的工作狀態(tài)。如：A、PC、F、數(shù)據(jù)寄存器等。1.4微處理器模型的組成微處理器由運(yùn)算器、控制器、內(nèi)1.5存儲(chǔ)器概述1.5.1基本概念存儲(chǔ)器----微機(jī)中存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果）的部件。字節(jié)單元----8位二進(jìn)制數(shù)為一個(gè)字節(jié)，一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)容量----存儲(chǔ)單元的總數(shù)量。1.5存儲(chǔ)器概述1.5.1基本概念1.5.2存儲(chǔ)器組成譯碼器A5A4A3A2A1A03F0001MMNN存儲(chǔ)單元64個(gè)單元存儲(chǔ)單元的地址:由CPU發(fā)出,存儲(chǔ)單元的編號(hào)。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容：存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)信息。地址內(nèi)容1.5.2存儲(chǔ)器組成譯碼器A53F0001MMNN存儲(chǔ)單1.5.3讀寫(xiě)操作過(guò)程P13圖1.9讀操作過(guò)程：1.CPU經(jīng)地址總線(xiàn)發(fā)出地址信息，如04H，選中編號(hào)為04H的存儲(chǔ)單元。2.CPU發(fā)出讀控制信號(hào)，打開(kāi)該存儲(chǔ)單元的相應(yīng)的門(mén)電路。3.地址為04H的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)內(nèi)容(信息)被送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，進(jìn)入CPU相應(yīng)的寄存器，即讀入CPU。讀操作進(jìn)行后，該單元的原內(nèi)容不變。1.5.3讀寫(xiě)操作過(guò)程P13圖1.9

寫(xiě)操作過(guò)程：1.CPU經(jīng)地址總線(xiàn)發(fā)出地址信息，如08H，選中地址為08H的存儲(chǔ)單元。2.CPU把數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容（如26H）送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。3.CPU發(fā)出寫(xiě)控制信號(hào)，打開(kāi)相應(yīng)的門(mén)電路，將數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的信息寫(xiě)入該存儲(chǔ)單元。寫(xiě)操作進(jìn)行后，該單元的原內(nèi)容被新寫(xiě)入的數(shù)據(jù)代替，原內(nèi)容被沖掉。寫(xiě)操作過(guò)程：1.6微機(jī)的工作原理與程序執(zhí)行過(guò)程1.6.1微機(jī)的工作原理馮?諾依曼型計(jì)算機(jī):1.計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)和指令采用二進(jìn)制數(shù)。2.存儲(chǔ)程序。3.程序控制。1.6.2程序執(zhí)行過(guò)程(P14)編寫(xiě)計(jì)算3+2的程序B003MOVAL,03H;把立即數(shù)03送AL0402ADDAL,02H;將AL的內(nèi)容和02相加F4HLT;暫停1.6微機(jī)的工作原理與程序執(zhí)行過(guò)程1.6.1微機(jī)的工1.7微機(jī)中的幾個(gè)主要性能指標(biāo)1.7.1主板的結(jié)構(gòu)與性能1.主板的結(jié)構(gòu)集中了微機(jī)的主要部件和接口，如CPU、存儲(chǔ)器（包括高速緩沖存儲(chǔ)器）、系統(tǒng)芯片組等。硬盤(pán)、光驅(qū)、軟驅(qū)通過(guò)總線(xiàn)接在主板上。鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等通過(guò)接口或擴(kuò)充槽與主板相連接。系統(tǒng)芯片組：超大規(guī)模繼承電路，含并行接口、串行接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、DMA等。1.7微機(jī)中的幾個(gè)主要性能指標(biāo)1.7.1主板的結(jié)構(gòu)與