第1章-包含計(jì)算機(jī)發(fā)展史

西安郵電學(xué)院計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室2007.3微機(jī)原理教材及參考書(shū)《微型計(jì)算機(jī)原理》王忠民王鈺王曉婕編著《微型計(jì)算機(jī)原理》學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)王鈺王勁松刑高峰編著序言學(xué)習(xí)這門課的目的？學(xué)習(xí)內(nèi)容這門課的要求第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論主要內(nèi)容:計(jì)算機(jī)的發(fā)展概述微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)I/O接口與輸入輸出設(shè)備微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史機(jī)械計(jì)算機(jī)時(shí)代的拓荒者電子管時(shí)代晶體管時(shí)代集成電路時(shí)代

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路未來(lái)的計(jì)算機(jī)機(jī)械計(jì)算機(jī)1623年：德國(guó)科學(xué)家契克卡德（W.Schickard）制造了人類有史以來(lái)第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)，這臺(tái)機(jī)器能夠進(jìn)行六位數(shù)的加減乘除運(yùn)算。1642年：法國(guó)科學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明了著名的帕斯卡機(jī)械計(jì)算機(jī)，首次確立了計(jì)算機(jī)器的概念。

機(jī)械計(jì)算機(jī)1674年：萊布尼茨改進(jìn)了帕斯卡的計(jì)算機(jī)，使之成為一種能夠進(jìn)行連續(xù)運(yùn)算的機(jī)器，并且提出了“二進(jìn)制”數(shù)的概念。

1725年：法國(guó)紡織機(jī)械師布喬（B.Bouchon）發(fā)明了“穿孔紙帶”的構(gòu)想。機(jī)械計(jì)算機(jī)1834年：巴貝奇提出了分析機(jī)的概念，機(jī)器共分為三個(gè)部分：堆棧，運(yùn)算器，控制器。他的助手，英國(guó)著名詩(shī)人拜倫的獨(dú)生女阿達(dá)?奧古斯塔（AdaAugusta）為分析機(jī)編制了人類歷史上第一批計(jì)算機(jī)程序。

1852年：阿達(dá)?奧古斯塔（AdaAugusta）去世，年僅36歲。1871年：為計(jì)算機(jī)事業(yè)貢獻(xiàn)了畢生精力的巴貝奇（C.Babbage)去世。他與阿達(dá)所設(shè)想的分析機(jī)最終也未能問(wèn)世，但是他們卻為后人留下了一份寶貴的遺產(chǎn)，那就是面對(duì)困難不屈不撓的精神，以及那數(shù)十種設(shè)計(jì)方案和程序。機(jī)械計(jì)算機(jī)1854年：布爾發(fā)表《邏輯的數(shù)學(xué)分析》，創(chuàng)立了一門全新的學(xué)科－布爾代數(shù)，為百年后出現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)學(xué)方法和理論基礎(chǔ)。1868年：美國(guó)新聞工作者克里斯托夫?肖爾斯（C.Sholes）發(fā)明了沿用至今的QWERTY鍵盤。

機(jī)械計(jì)算機(jī)1886年：美國(guó)人DorrE.Felt(1862-1930),制造了第一臺(tái)用按鍵操作的計(jì)算器。

1890年：美國(guó)在第12次人口普查中使用了由統(tǒng)計(jì)學(xué)家霍列瑞斯（H.Hollerith）博士發(fā)明的制表機(jī)，從而完成了人類歷史上第一次大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。此后霍列瑞斯根據(jù)自己的發(fā)明成立了自己的制表機(jī)公司，并最終演變成為IBM公司。機(jī)械計(jì)算機(jī)1895年：英國(guó)青年工程師弗萊明（J.Fleming）通過(guò)“愛(ài)迪生效應(yīng)”發(fā)明了人類第一只電子管。

電子管時(shí)代1936年：阿蘭?圖靈發(fā)表論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用》，首次闡明了現(xiàn)代電腦原理。有限狀態(tài)控制器q1，q2，q3，q4，q5……DATABD……讀寫(xiě)磁頭磁帶圖靈機(jī)程序：用狀態(tài)，符號(hào)來(lái)確定的工作過(guò)程。<q，b，a，m，q‘>控制器當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前磁帶原有符號(hào)改變后的符號(hào)控制器下一狀態(tài)磁頭移動(dòng)的方向電子管時(shí)代1940年：馮?諾依曼提出沿用至今的馮氏體系結(jié)構(gòu)，被稱為計(jì)算機(jī)之父。該結(jié)構(gòu)的基本思想為：以二進(jìn)制形式表示指令和數(shù)據(jù)。指令和數(shù)據(jù)事先存放在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在工作的時(shí)候高速的從存儲(chǔ)器中取出指令，并加以執(zhí)行。由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。電子管時(shí)代1943年：綽號(hào)為“巨人”的用來(lái)破譯德軍密碼的計(jì)算機(jī)在英國(guó)布雷契萊莊園制造成功，此后又制造多臺(tái)，為第二次世界大戰(zhàn)的勝利立下了汗馬功勞。電子管時(shí)代1946年：2月14日，美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)摩爾學(xué)院教授莫契利和埃克特共同研制成功了ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)計(jì)算機(jī)。

這臺(tái)計(jì)算機(jī)總共安裝了17468只電子管，7200個(gè)二極管，70000多電阻器，10000多只電容器和6000只繼電器，電路的焊接點(diǎn)多達(dá)50萬(wàn)個(gè),機(jī)器被安裝在一排2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右，總重量達(dá)到30噸，其運(yùn)算速度達(dá)到每秒鐘5000次加法，可以在3/1000秒時(shí)間內(nèi)做完兩個(gè)10位數(shù)乘法。

電子管時(shí)代

1947年：貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利，布拉頓，巴丁創(chuàng)造出了世界上第一只半導(dǎo)體放大器件，他們將這種器件命名為“晶體管”。

1949年：當(dāng)時(shí)尚在美國(guó)哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的上海籍華人留學(xué)生王安向美國(guó)國(guó)家專利局申請(qǐng)了磁芯的專利。

1950年：東京帝國(guó)大學(xué)的YoshiroNakamats發(fā)明了軟磁盤。

電子管時(shí)代1950年：阿蘭?圖靈發(fā)表論文《機(jī)器能思考嗎》，從而為人工智能奠定了基礎(chǔ)，圖靈也獲得了“人工智能之父”的美譽(yù)。1952年：由馮?諾伊曼設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)EDVAC問(wèn)世。這臺(tái)計(jì)算機(jī)總共采用了2300個(gè)電子管，運(yùn)算速度卻比擁有18000個(gè)電子管的ENIAC提高了10倍。晶體管時(shí)代貝爾實(shí)驗(yàn)室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC。

集成電路時(shí)代

1959年：2月6日，來(lái)自曾開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)晶體管收音機(jī)的TI公司的基爾比向美國(guó)專利局申報(bào)專利“半導(dǎo)體集成電路”。集成電路時(shí)代1965年：DEC公司推出了PDP-8型計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著小型機(jī)時(shí)代的到來(lái)。集成電路時(shí)代1968年：美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的恩格巴特博士發(fā)明了世界上第一只鼠標(biāo)。1969年：貝爾實(shí)驗(yàn)室的kenThompson，DennisRitchie在一部PDP－7上開(kāi)發(fā)了Unix操作系統(tǒng)。

微處理器計(jì)算機(jī)1971年：INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能夠?qū)嶋H工作的微處理器4004，該處理器在面積約12平方毫米的芯片上集成了2250個(gè)晶體管，運(yùn)算能力足以超過(guò)ENIAC。1972年：曾經(jīng)開(kāi)發(fā)了Unix操作系統(tǒng)的DennisRitchie領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)出C語(yǔ)言。

微處理器計(jì)算機(jī)1974年：Intel推出了自己的第一款8位微處理芯片8080。電腦愛(ài)好者愛(ài)德華?羅伯茨（E.Roberts）發(fā)布了自己制作的裝配有8080處理器的計(jì)算機(jī)“牛郎星”，這也是世界上第一臺(tái)裝配有微處理器的計(jì)算機(jī)，從此掀開(kāi)了個(gè)人電腦的序幕。1975年：比爾?蓋茨在成功為牛郎星配上了BASIC語(yǔ)言之后從哈佛大學(xué)退學(xué)，與好友保羅.艾倫一同創(chuàng)辦了微軟公司，并為公司制定了奮斗目標(biāo)：“每一個(gè)家庭每一張桌上都有一部微型電腦運(yùn)行著微軟的程序！”微處理器計(jì)算機(jī)西蒙?克雷博士獨(dú)自創(chuàng)立“克雷研究公司”，專注于巨型機(jī)領(lǐng)域。1975年克雷完成了自己的第一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)“克雷一號(hào)”（CARY-1），實(shí)現(xiàn)了每秒一億次的運(yùn)算速度。該機(jī)占地不到7平方米，重量不超過(guò)5噸，共安裝了約35萬(wàn)塊集成電路，同時(shí)這也標(biāo)志著巨型機(jī)跨進(jìn)了第三代電腦的行列。

集成電路計(jì)算機(jī)1976年：4月1日，斯蒂夫.沃茲尼亞克和斯蒂夫.喬布斯共同創(chuàng)立了蘋(píng)果公司，并推出了自己的第一款計(jì)算機(jī)：Apple－Ⅰ。

PC時(shí)代

1981年：由后來(lái)被IBM內(nèi)部尊稱為PC機(jī)之父的唐?埃斯特奇領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了IBM個(gè)人電腦的研發(fā)，IBM宣布了IBMPC的誕生，由此掀開(kāi)了改變世界歷史的一頁(yè)。同年同日：微軟推出來(lái)MS-DOS1.0版PC時(shí)代

1982年：一名年僅15歲的少年通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)闖入了“北美空中防務(wù)指揮系統(tǒng)”，這是首次發(fā)現(xiàn)的從外部侵襲的網(wǎng)絡(luò)事件。這個(gè)年輕人就是后來(lái)被判入獄的世界頭號(hào)黑客，被美國(guó)聯(lián)邦法院宣判終生不得接觸計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的凱文.米特尼克。他的另一件“事跡”就是在1994年的時(shí)候向圣迭戈超級(jí)計(jì)算機(jī)中心發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，將整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)置于危險(xiǎn)的境地。

1982年：Intel發(fā)布80286處理器。時(shí)鐘頻率提高到20MHz，并增加了保護(hù)模式，可訪問(wèn)16M內(nèi)存。支持1GB以上的虛擬內(nèi)存。每秒執(zhí)行270萬(wàn)條指令，集成了134000個(gè)晶體管。PC時(shí)代

1983年：1月，蘋(píng)果公司推出了研制費(fèi)用高達(dá)5000萬(wàn)美元的麗薩（Lisa）電腦，這也是世界上第一臺(tái)商品化的圖形用戶界面的個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)這款電腦也第一次配備了鼠標(biāo)。1985年：intel公司推出了計(jì)算機(jī)歷史上有著舉足輕重地位的80386處理器，這也是intel公司的第一枚32位處理器。1985年：在經(jīng)歷了多次延期之后，微軟公司終于正式推出了Windows1.0操作系統(tǒng)。

PC時(shí)代1988年：11月2日，由23歲研究生羅伯特?莫里斯（R.T.Morris）編制的“蠕蟲(chóng)”病毒在互聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模發(fā)作，這也是互聯(lián)網(wǎng)第一次遭受病毒的侵襲，從此，計(jì)算機(jī)病毒逐漸傳播開(kāi)來(lái)。1989年：4月10日，英特爾公司在拉斯維加斯電腦大展上首度發(fā)表集成有120萬(wàn)晶體管的486處理器。

PC時(shí)代1990年：紐約地方法院正式開(kāi)庭，判處“蠕蟲(chóng)”病毒制造者莫里斯：88年有期徒刑，3年緩刑，罰款1萬(wàn)美元和400小時(shí)公益勞動(dòng)。微軟宣布推出Windows3.0操作系統(tǒng)，并在年底創(chuàng)下銷售100萬(wàn)套的紀(jì)錄。當(dāng)時(shí)的Windows3.0操作系統(tǒng)提供了對(duì)多媒體，網(wǎng)絡(luò)等眾多最先進(jìn)技術(shù)的支持，從而被成為軟件技術(shù)的一場(chǎng)革命。

PC時(shí)代1991年：杰?維爾伯，約翰?卡麥克、約翰?羅米洛、亞德利安?卡麥克以及湯姆?豪爾共同創(chuàng)辦了idSoft公司。約翰?卡麥克是公司的首席技術(shù)領(lǐng)袖，負(fù)責(zé)游戲引擎的設(shè)計(jì)；約翰?卡麥克是首席關(guān)卡設(shè)計(jì)師以及游戲設(shè)計(jì)；亞德利安?卡麥克是首席美術(shù)設(shè)計(jì)；湯姆?豪爾是公司的主要游戲設(shè)計(jì)師。

PC時(shí)代1991年：來(lái)自芬蘭的大學(xué)生Linus.Torvalds開(kāi)發(fā)出了一種基于UNIX的操作系統(tǒng)－Linux，并且將源代碼全部公開(kāi)于互聯(lián)網(wǎng)上，從而引發(fā)了席卷全世界的開(kāi)放源代碼運(yùn)動(dòng)。Linux本身在經(jīng)過(guò)全世界無(wú)數(shù)程序員的改進(jìn)后也逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)成熟的操作系統(tǒng)，并在全世界逐漸的流行開(kāi)來(lái)。

PC時(shí)代1993年：我國(guó)接入Internet的第一根專線，中科院高能物理研究所租用ATT公司的國(guó)際衛(wèi)星接入美國(guó)斯坦福線性加速器中心的64K專線正式開(kāi)通。Intel公司正式發(fā)布奔騰（pentium）處理器。初期發(fā)布的奔騰集成了300多萬(wàn)個(gè)晶體管，工作在60-66MHz，每秒鐘可執(zhí)行1億條指令。

PC時(shí)代1993年：idSoft公司的FPS游戲作品《DOOM》正式提供下載。這款游戲也被稱為計(jì)算機(jī)歷史上最為優(yōu)秀的作品，因?yàn)樗谝淮巫屚婕殷w驗(yàn)到了流暢的三維空間。PC時(shí)代——windows操作系統(tǒng)1995年：微軟公司正式向全世界推出了劃時(shí)代的Windows95操作系統(tǒng)。1998年：微軟推出了Windows98操作系統(tǒng)。2000年：微軟正式發(fā)布Windows2000。2001年：微軟正式發(fā)布WindowsXP。2001年：微軟正式發(fā)布WindowsVista。

PC時(shí)代——CPU1995年

intel公司正式宣布推出PentiumPro處理器，其最高速度達(dá)到了200MHz。1998年Intel推出了440BX芯片組。AMD公司推出了K6-2處理器，并使用低價(jià)策略處處緊逼intel公司。intel推出了裝有二級(jí)高速緩存的賽揚(yáng)A處理器，這就是日后被眾多DIYer捧上神壇的賽揚(yáng)300A。1999年2月26日，Intel公司推出了PentiumⅢ處理器。AMD公司推出了采用全新架構(gòu)，名為Athlon的處理器，并且在CPU頻率上第一次超越了Intel公司。2000年AMD公司正式推出了主頻達(dá)到1GHz的“Athlon”處理器，從而掀開(kāi)了GHz處理器大戰(zhàn)。Intel公司推出了自己的1GHzPentium3處理器。AMD公司發(fā)布了“毒龍”（Duron）處理器，開(kāi)始在低端市場(chǎng)向Intel發(fā)起沖擊。Intel正式推出了Pentium4處理器。該處理器采用全新的Netburst架構(gòu)，總線頻率達(dá)到了400MHz，并且另外增加了144條全新指令，用于提高視頻，音頻等多媒體及3D圖形處理能力。未來(lái)的計(jì)算機(jī)。。。1.1引言

1.什么是計(jì)算機(jī)？

計(jì)算機(jī)是一種設(shè)備（機(jī)器）由各種電子器件組成的設(shè)備（故也稱為電子計(jì)算機(jī)）能夠自動(dòng)、高速、精確地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯控制和信息處理的設(shè)備現(xiàn)代化的高科技設(shè)備

2.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍概括起來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算、信息（數(shù)據(jù)）處理和過(guò)程控制等領(lǐng)域?？茖W(xué)計(jì)算特點(diǎn)：①

采用高級(jí)語(yǔ)言編程；②

時(shí)間不會(huì)影響結(jié)果的有效性；③

不需要專門的輸入輸出設(shè)備。信息處理和過(guò)程控制特點(diǎn)：①

采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，并要求有較高的程序設(shè)計(jì)能力；②

對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高；③

需要專門的輸入和輸出設(shè)備。1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展概述

1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)的發(fā)展依賴于電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展。

(1)計(jì)算機(jī)從誕生至今已經(jīng)歷了四代，現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)第五代：

①

電子管計(jì)算機(jī)

②

晶體管計(jì)算機(jī)

③

集成電路計(jì)算機(jī)

④

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)朝兩個(gè)方向：①

巨型機(jī):每秒上億次(容量大，速度快)②

微型機(jī):臺(tái)式機(jī)、筆記本機(jī)、單板機(jī)、單片機(jī)、掌上機(jī)等（易普及，應(yīng)用廣）

3.微型計(jì)算機(jī)是由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O接口電路組成的計(jì)算機(jī)。其核心是微處理器，也稱CPU。它的發(fā)展幾乎每?jī)赡攴环?。目前已?jīng)到了第五代：

①

4位或低檔8位微處理器

Intel4004或8008CPU

②

中高檔8位微處理器

Intel8080CPU

③16位高檔微處理器

Intel8086、80286

④32位高檔微處理器

Intel80386、80486

⑤64位高檔微處理器

Intel80586(Pentium)、PowerPC1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，如圖1.1所示。運(yùn)算器（ALU）控制器（CU）寄存器陣列（RA）RAM、ROM、EPROME2PROM、Cache等輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)等）外存儲(chǔ)器（軟驅(qū)、硬盤、光盤等）系統(tǒng)軟件用戶軟件(應(yīng)用軟件)主機(jī)外圍設(shè)備硬件軟件微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)接口電路內(nèi)存儲(chǔ)器微處理器（CPU）圖1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

1.硬件硬件是計(jì)算機(jī)工作的載體，是由各種電子器件組成的設(shè)備。主要包括微處理器、存儲(chǔ)器和輸入／輸出設(shè)備及其接口電路。如圖1.2所示。圖1.2微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器I/O設(shè)備輸入輸出接口電路I/O命令CPU芯片主機(jī)取指令/存取操作數(shù)命令取指令/存取操作數(shù)結(jié)果輸出讀入指令/數(shù)據(jù)I/O子系統(tǒng)……

2.軟件

所謂軟件，就是為了管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)以及為完成用戶的某種特定任務(wù)而編寫(xiě)的各種程序的總和。軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶軟件。

用戶軟件：也稱應(yīng)用軟件。是指用戶為解決各種實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的程序。

系統(tǒng)軟件：是指不需要用戶干預(yù)，為其它程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試以及運(yùn)行等建立一個(gè)良好環(huán)境的程序。系統(tǒng)軟件又包括操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)和系統(tǒng)應(yīng)用程序。

操作系統(tǒng)：用于提供人機(jī)接口和管理、調(diào)度計(jì)算機(jī)的所有硬件和軟件資源。其中最為重要的核心部分是常駐監(jiān)控程序(BIOS)。另外還包括I/O驅(qū)動(dòng)程序和文件管理程序等。

系統(tǒng)應(yīng)用程序：為用戶程序提供支持的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)應(yīng)用程序很多，如：

①

各種高級(jí)語(yǔ)言的編譯解釋程序；②

匯編程序；③

診斷和和調(diào)試程序；④

文字處理程序；⑤

服務(wù)性工具程序；⑥

數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序等。1.4微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

1.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

到目前為止，計(jì)算機(jī)仍沿用1940年由馮·諾依曼首先提出的體系結(jié)構(gòu)。其基本設(shè)計(jì)思想為：

①

以二進(jìn)制形式表示指令和數(shù)據(jù)。(電子數(shù)字計(jì)算機(jī))

②

程序和數(shù)據(jù)事先存放在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)地、高速地從存儲(chǔ)器中取出指令并加以執(zhí)行。

③

由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單地講，就是：①

系統(tǒng)組成——五大部件

②

工作方式——程序控制

③

信息形式——二進(jìn)制數(shù)

微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是采用了總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)總線將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路連接起來(lái)，而輸入/輸出設(shè)備則是通過(guò)I/O接口實(shí)現(xiàn)微機(jī)的信息交換，如圖1.3所示。輸出設(shè)備輸入設(shè)備定時(shí)電路(CPU)RAMROMI/O接口地址總線(AB)數(shù)據(jù)總線(DB)控制總線(CB)圖1.3微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微處理器

所謂總線，是計(jì)算機(jī)中各功能部件間傳遞信息的公共通道。根據(jù)所傳送的信息類型不同，總線分為三種：

①

地址總線AD（AddressBus）： 單向，由CPU發(fā)出到存儲(chǔ)器或I/O端口。

②

數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）：雙向，由CPU送出或送往CPU。

③

控制總線CB（ControlBus）：整體雙向，個(gè)體單向，傳送方向固定。CU

2.微處理器

微處理器由運(yùn)算器(ALU)、控制器(CU)、和寄存器陣列(RA)三部分組成，如圖1.4所示。圖1.4微處理器結(jié)構(gòu)PCRAARDRIRIDPLA標(biāo)志寄存器A…至外部CB微處理器（CPU）內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H地址單元內(nèi)容外部AB外部DBALUIR

(1)運(yùn)算器 運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，用來(lái)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算以及多位循環(huán)等操作。

(2)控制器 控制器又稱控制單元(CU，ControlUnit)，是全機(jī)的指揮控制中心。它負(fù)責(zé)把指令逐條從存儲(chǔ)器中取出，經(jīng)譯碼分析后向全機(jī)發(fā)出取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。它應(yīng)包括：①指令寄存器IR(InstructionRegister)：用來(lái)存放從存儲(chǔ)器取出的將要執(zhí)行的指令碼。②指令譯碼器ID(InstructionDecoder)：用來(lái)對(duì)指令寄存器IR中的指令操作碼字段(指令中用來(lái)說(shuō)明指令功能的字段)進(jìn)行譯碼，以確定該指令應(yīng)執(zhí)行什么操作。③可編程邏輯陣列PLA(ProgrammableLogicArray)：用來(lái)產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種微操作控制信號(hào)，并經(jīng)過(guò)控制總線CB送往有關(guān)部件，從而使計(jì)算機(jī)完成相應(yīng)的操作。

(3)內(nèi)部寄存器陣列

寄存器陣列RA(RegisterArray)實(shí)際上相當(dāng)于微處理器內(nèi)部的RAM。微處理器內(nèi)部的寄存器有以下作用：○可避免頻繁訪問(wèn)存儲(chǔ)器○縮短指令長(zhǎng)度和指令執(zhí)行時(shí)間○提高機(jī)器的運(yùn)行速度○方便程序設(shè)計(jì)

雖然不同計(jì)算機(jī)的CPU中其RA會(huì)有所不同，但一般至少要有以下幾個(gè)寄存器。①程序計(jì)數(shù)器PC(ProgramCounter)：程序計(jì)數(shù)器有時(shí)也被稱為指令指針I(yè)P(InstructionPointer)。它被用來(lái)存放下一條要執(zhí)行指令所在存儲(chǔ)單元的地址。②地址寄存器AR(AddressRegister)：地址寄存器用來(lái)存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址。③數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(DataRegister)：數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來(lái)暫時(shí)存放指令或數(shù)據(jù)。④指令寄存器IR(InstructionRegister)：指令寄存器用來(lái)保存從存儲(chǔ)器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器對(duì)其操作碼字段進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的微操作命令。

⑤累加器A(Accumulator)：累加器是使用最頻繁的一種寄存器。在執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí)，它用來(lái)存放一個(gè)操作數(shù)，而運(yùn)算結(jié)果通常又放回累加器，其中原有信息隨即被破壞。因此，顧名思義，累加器是用來(lái)暫時(shí)存放ALU運(yùn)算結(jié)果的。⑥標(biāo)志寄存器FLAGS(FlagRegister)：標(biāo)志寄存器有時(shí)也稱為程序狀態(tài)字PSW(ProgramStatusWord)。它用來(lái)存放執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令或測(cè)試指令后建立的各種狀態(tài)信息以及對(duì)CPU操作進(jìn)行控制的控制信息。

3.存儲(chǔ)器

這里講的存儲(chǔ)器是指內(nèi)存儲(chǔ)器(由稱為主存或內(nèi)存)。它是微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)裝置和記憶裝置，用來(lái)存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果。

(1)基本概念

①

位：二進(jìn)制信息的最小單位。

②

字節(jié)：由8位二進(jìn)制數(shù)組成,可以存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。字節(jié)是字的基本組成單位。

③

字：計(jì)算機(jī)中作為一個(gè)整體來(lái)處理和運(yùn)算的一組二進(jìn)制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù)倍。

④

字長(zhǎng)：每個(gè)字包括的位數(shù)稱為計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。

⑤

存儲(chǔ)單元地址：每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為存儲(chǔ)單元地址。

⑥

存儲(chǔ)容量：內(nèi)存中存儲(chǔ)單元的總數(shù)。

(2)內(nèi)存的操作

CPU對(duì)內(nèi)存的操作有兩種：讀或?qū)憽?/p>

①

讀操作：是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入CPU內(nèi)部。（非破壞性操作）

②

寫(xiě)操作：是CPU將其內(nèi)部信息送到內(nèi)存單元保存起來(lái)。（破壞性操作）

操作過(guò)程：

①CPU給出地址信息（地址信息→AR→AB→譯碼→選中存儲(chǔ)單元）

②

CPU發(fā)“讀”或“寫(xiě)”控制信號(hào)

③

取出或存入數(shù)據(jù)來(lái)自CPU的寫(xiě)信號(hào)來(lái)自CPU的讀信號(hào)00H取出：內(nèi)存單元數(shù)據(jù)→DB→DR→CPU內(nèi)部；存入：CPU內(nèi)部→DR→DB→內(nèi)存單元數(shù)據(jù)。

10101101B00011010B10111010B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B10111010B地址內(nèi)容地址譯碼器00H10101101B00011010B00000000B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B00000000B地址內(nèi)容地址譯碼器存儲(chǔ)器讀操作存儲(chǔ)器寫(xiě)操作

(3)存儲(chǔ)器的分類

按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類：隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。

①

隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）

作用：存放用戶程序,數(shù)據(jù),部分系統(tǒng)程序。

特點(diǎn)：可隨機(jī)讀寫(xiě),但斷電后,內(nèi)容丟失。

②

只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnlyMemory）

作用：存放永久性的程序和數(shù)據(jù),系統(tǒng)引導(dǎo)程序,監(jiān)控程序及操作系統(tǒng)中的I/O管理程序等。

特點(diǎn)：只能讀不能寫(xiě),但斷電后內(nèi)容不丟。

4.I/O接口與輸入輸出設(shè)備

I/O接口是微機(jī)與輸入輸出設(shè)備之間信息交換的橋梁。不同的外設(shè)必須通過(guò)不同的I/O接口才能與微機(jī)相連。

(1)常用的外設(shè)有：

①

輸入設(shè)備：鍵盤,鼠標(biāo),掃描儀,光驅(qū)等。

②

輸出設(shè)備：顯示器,打印機(jī),繪圖儀等。

(2)外設(shè)的種類有：機(jī)械式、電子式、機(jī)電式、光電式等。（速度問(wèn)題）

(3)外設(shè)的信號(hào)有：數(shù)字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量等。（信號(hào)問(wèn)題）

(4)計(jì)算機(jī)是電子設(shè)備，采用的是數(shù)字信號(hào)。

因此，要解決計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的速度和信號(hào)之間的問(wèn)題，就需要在它們之間有一種設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)速度匹配和信號(hào)