第2章 微型計(jì)算機(jī)概述-1

微機(jī)原理及應(yīng)用第二章微型計(jì)算機(jī)概論2/27/20241華東師大通信工程系馬潮副教授第二章微型計(jì)算機(jī)概論2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

1．第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

1946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）。重量30噸，占地170平方米，每小時(shí)耗電150千瓦，價(jià)值約40萬(wàn)美元。采用18000只電子管，70000個(gè)電阻，10000支電容，研制時(shí)間近三年，運(yùn)算速度為每秒5000次加減法運(yùn)算。

ENIAC的不足：運(yùn)算速度慢、存儲(chǔ)容量小、全部指令沒有存放在存儲(chǔ)器中、機(jī)器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差。2/27/20242華東師大通信工程系馬潮副教授2．馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

1946年6月，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（JoheVonNeumman）提出了“存儲(chǔ)程序”的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案。

其特點(diǎn)是：采用二進(jìn)制數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)指令。指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，能自動(dòng)依次執(zhí)行指令。由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部分組成計(jì)算機(jī)硬件。

工作原理的核心是“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”。按照這一原理設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑。

2/27/20243華東師大通信工程系馬潮副教授3．按邏輯部件化分的計(jì)算機(jī)發(fā)展階段按電子部件的演變經(jīng)歷了四代：（1）第一代（1946年~1958年）：電子管計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：體積大、耗電多、運(yùn)算速度慢，存儲(chǔ)容量小。（2）第二代（1959年~1964年）：晶體管計(jì)算機(jī)

特點(diǎn)：體積減小，重量輕、省電、壽命長(zhǎng)、可靠性提高，運(yùn)算速度可達(dá)每秒百萬(wàn)次。（3）第三代（1965年~1970年）：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：存儲(chǔ)容量1~4兆字節(jié)。運(yùn)算速度每秒幾百萬(wàn)至千萬(wàn)次，可靠性有較大提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步降低，出現(xiàn)了向大型化和小型化發(fā)展的趨勢(shì)。

2/27/20244華東師大通信工程系馬潮副教授（4）第四代（1971年-）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路使計(jì)算機(jī)發(fā)生了巨大的變化，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的集成度越來(lái)越高。Intel公司推出了微處理器，誕生了微型計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度、可靠性、性能價(jià)格比等方面都比上一代計(jì)算機(jī)有較大突破。4．按計(jì)算機(jī)應(yīng)用劃分的計(jì)算機(jī)發(fā)展階段（1）超、大、中、小型計(jì)算機(jī)階段（1946年~1980年）采用計(jì)算機(jī)來(lái)代替人的腦力勞動(dòng)，提高了工作效率，能夠解決較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。（2）微型計(jì)算機(jī)階段（1981年~1990年）微型計(jì)算機(jī)大量普及，幾乎應(yīng)用于所有領(lǐng)域，對(duì)世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。（3）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段（1991年至今）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為人類實(shí)現(xiàn)資源共享提供了有力的幫助，從而促進(jìn)了信息化社會(huì)的到來(lái)，實(shí)現(xiàn)了遍及全球的信息資源共享。2/27/20245華東師大通信工程系馬潮副教授2.1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

1．未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)朝著微型計(jì)算機(jī)和巨型計(jì)算機(jī)兩級(jí)方向發(fā)展。當(dāng)前開發(fā)和研究的熱點(diǎn)是多媒體計(jì)算機(jī)。未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的總趨勢(shì)是智能化計(jì)算機(jī)。今后計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主流是計(jì)算機(jī)與通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。非馮·諾依曼型體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)是提高現(xiàn)代計(jì)算機(jī)性能的另一個(gè)研究焦點(diǎn)。

2/27/20246華東師大通信工程系馬潮副教授2．新型計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：建立在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，從內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)來(lái)模擬人腦的神經(jīng)系統(tǒng)。用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理單元模擬人腦的神經(jīng)元，并利用神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的分布式存儲(chǔ)和相互關(guān)聯(lián)來(lái)模擬人腦的活動(dòng)。生物計(jì)算機(jī)：使用由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白分子為材料的“生物芯片”，不僅具有巨大的存儲(chǔ)能力，而且能以波的形式傳播信息。由于它具備生物體的某些機(jī)能，所以更易于模擬人腦的機(jī)制。光子計(jì)算機(jī)：用光子代替電子，用光互連代替導(dǎo)線互連，用光硬件代替電子硬件，用光運(yùn)算代替電子運(yùn)算。2/27/20247華東師大通信工程系馬潮副教授3．計(jì)算機(jī)與信息化信息化就是全面發(fā)展和利用現(xiàn)代信息技術(shù)，借以提高人類社會(huì)的生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)、生活等諸方面的效率和創(chuàng)造能力，使社會(huì)的物質(zhì)財(cái)富和精神文明得到最大提高。信息化特點(diǎn)信息成為重要的戰(zhàn)略資源信息產(chǎn)業(yè)成為最大的產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)成為社會(huì)的基礎(chǔ)信息信息化三大技術(shù)支柱計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2/27/20248華東師大通信工程系馬潮副教授2.1.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、分類及應(yīng)用

1．計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)運(yùn)算速度快：PC機(jī)每秒種可以處理幾百萬(wàn)條指令，巨型機(jī)的運(yùn)算速度可以達(dá)到幾億次以上。計(jì)算精度高：普通微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度已達(dá)到32~64位二進(jìn)制數(shù)。具有“記憶”和邏輯判斷功能：“記憶”功能指的是計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)大量信息，供用戶隨時(shí)檢索和查詢。邏輯判斷功能指的是計(jì)算機(jī)不僅能夠進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算和實(shí)踐推理。記憶功能、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算相結(jié)合，使得計(jì)算機(jī)能夠模仿人類的某些智能活動(dòng)，成為人類腦力延伸的主要工具，所以計(jì)算機(jī)又稱為“電腦”。2/27/20249華東師大通信工程系馬潮副教授能自動(dòng)運(yùn)行并且具備人機(jī)交互功能：自動(dòng)運(yùn)行是把問題編成程序輸入計(jì)算機(jī)中，發(fā)出運(yùn)行指令后，計(jì)算機(jī)便在該程序控制下依次逐條執(zhí)行，不再需要人工干預(yù)。人機(jī)交互則是在人想要干預(yù)時(shí)，采用人機(jī)對(duì)話形式，有針對(duì)性地解決問題。

2/27/202410華東師大通信工程系馬潮副教授2．計(jì)算機(jī)的分類個(gè)人計(jì)算機(jī)：面向個(gè)人或家庭使用的低檔微型計(jì)算機(jī)。工作站：介于PC機(jī)和小型機(jī)之間的高檔微型機(jī)。小型計(jì)算機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易維護(hù)和使用。其規(guī)模和設(shè)置可以滿足一個(gè)中小型部門的工作需要。主機(jī)：具有大容量存儲(chǔ)器，多種類型的I/O通道，能同時(shí)支持批處理和分時(shí)處理等多種工作方式。其規(guī)模和配置可以滿足一個(gè)大中型部門的工作需要。小巨型計(jì)算機(jī)：也稱為桌上型超級(jí)計(jì)算機(jī)。最大的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，并且具有較好的性能價(jià)格比。巨型計(jì)算機(jī)：也稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)。具有極高的性能和極大的規(guī)模，價(jià)格昂貴，多用于尖端科技領(lǐng)域。2/27/202411華東師大通信工程系馬潮副教授3．計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

科學(xué)計(jì)算：也稱為數(shù)值計(jì)算，是指用計(jì)算機(jī)來(lái)解決科學(xué)研究和工程技術(shù)中所提出的復(fù)雜的數(shù)學(xué)及數(shù)值計(jì)算問題。數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理也稱為信息處理，是人們利用計(jì)算機(jī)對(duì)所獲取的信息進(jìn)行采集、記錄、整理、加工、存儲(chǔ)和傳輸，并進(jìn)行綜合分析等。過(guò)程控制：過(guò)程控制是用傳感器在現(xiàn)場(chǎng)采集受控對(duì)象的數(shù)據(jù)，通過(guò)比較器求出與設(shè)定數(shù)據(jù)的偏差，由計(jì)算機(jī)按控制模型進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服裝置對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制和調(diào)整。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)：是采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種輔助功能的系統(tǒng)。例如，CAD、CAM、CAT、CAE和CAI等。人工智能：是用計(jì)算機(jī)執(zhí)行某些與人的智能活動(dòng)有關(guān)的復(fù)雜功能，模擬人類的某些智力活動(dòng)，如圖形和聲音的識(shí)別，推理和學(xué)習(xí)的過(guò)程。2/27/202412華東師大通信工程系馬潮副教授2.2計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.2.1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2/27/202413華東師大通信工程系馬潮副教授各部分的主要功能：（1）輸入設(shè)備：用于輸入原始信息和處理信息的程序。如鍵盤、鼠標(biāo)器和掃描儀等。（2）輸出設(shè)備：用來(lái)輸出計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果及程序清單。如顯示器和打印機(jī)。（3）存儲(chǔ)器：用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器交換信息，是計(jì)算機(jī)中各種信息存儲(chǔ)和交流的中心。（4）運(yùn)算器：用來(lái)對(duì)信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。也稱為算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心，用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)各部件的操作，使其協(xié)調(diào)一致地工作。計(jì)算機(jī)中的兩類信息：一類是采用雙線表示的數(shù)據(jù)信息流，它包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、計(jì)算結(jié)果和程序中的指令；另一類是采用單線表示的控制信息流，它是控制器發(fā)出的各種操作命令。2/27/202414華東師大通信工程系馬潮副教授2.2.2計(jì)算機(jī)的工作原理

1．存儲(chǔ)程序原理把事先編制好的由計(jì)算機(jī)指令組成的程序存放到存儲(chǔ)器內(nèi)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算時(shí)依次取出指令，根據(jù)指令的功能進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，這就是存儲(chǔ)程序原理。2．程序的自動(dòng)執(zhí)行程序在執(zhí)行前先裝入內(nèi)存儲(chǔ)器，CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，分析識(shí)別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。程序的執(zhí)行流程：取指令—分析指令—執(zhí)行指令。2/27/202415華東師大通信工程系馬潮副教授2.3微型計(jì)算機(jī)的基本概念

2.3.1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展

將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡(jiǎn)稱為微處理器（Microprocessor）。微型計(jì)算機(jī)是以微處理器為核心，再配上存儲(chǔ)器、接口電路等芯片構(gòu)成的。按照計(jì)算機(jī)CPU、字長(zhǎng)和功能劃分，經(jīng)歷了5代的演變:第一代（1971年～1973年）：4位和8位低檔微處理器第二代（1974年～1978年）：8位中高檔微處理器第三代（1978年～1980年）：16位微處理器第四代（1981年～1992年）：32位微處理器第五代（1993年以后）：全新高性能奔騰系列微處理器2/27/202416華東師大通信工程系馬潮副教授2.3.2微型計(jì)算機(jī)的分類

1．按照CPU的字長(zhǎng)來(lái)分類有4位、8位、16位、32位、64位微型計(jì)算機(jī)等。2．按照微處理器器件的工藝來(lái)分類可分成MOS工藝、雙極型TTL工藝的微處理器。3．按照微型計(jì)算機(jī)的利用形態(tài)來(lái)分類

有單片機(jī)、單板機(jī)、位片機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)等。

2/27/202417華東師大通信工程系馬潮副教授2.3.3微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)介紹

位：這是計(jì)算機(jī)中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。字長(zhǎng)：是計(jì)算機(jī)在交換、加工和存放信息時(shí)的最基本的長(zhǎng)度。字節(jié)（Byte）：是計(jì)算機(jī)中通用的基本單元，由8個(gè)二進(jìn)制位組成。字：是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。主頻：也稱時(shí)鐘頻率，是指計(jì)算機(jī)中時(shí)鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。訪存空間：是該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪問的存儲(chǔ)單元數(shù)。指令數(shù)：構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的操作命令數(shù)?；局噶顖?zhí)行時(shí)間：計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所花的時(shí)間?？煽啃裕褐赣?jì)算機(jī)在規(guī)定時(shí)間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價(jià)格比：是衡量計(jì)算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。

2/27/202418華東師大通信工程系馬潮副教授2.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

2.4.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成：

硬件微計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備微處理器內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設(shè)備過(guò)程I/O通道2/27/202419華東師大通信工程系馬潮副教授軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序2/27/202420華東師大通信工程系馬潮副教授硬件系統(tǒng)是由電子部件和機(jī)電裝置所組成的計(jì)算機(jī)實(shí)體。硬件的基本功能是接受計(jì)算機(jī)程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務(wù)。軟件系統(tǒng)是指為計(jì)算機(jī)運(yùn)行工作服務(wù)的全部技術(shù)資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計(jì)算機(jī)硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個(gè)寬松的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作。2/27/202421華東師大通信工程系馬潮副教授MostmicroprocessorsavailablearestandardVonNeumannmachines2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

2/27/202422華東師大通信工程系馬潮副教授微處理器CPU存儲(chǔ)器RAM接口電路時(shí)鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線2/27/202423華東師大通信工程系馬潮副教授各組成模塊及其功能：

1．中央處理單元

中央處理單元CPU(ControlProcessingUnit)是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，是包含有運(yùn)算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件的一塊大規(guī)模集成電路芯片，俗稱處理器(Processor)。

2．主存儲(chǔ)器

主存儲(chǔ)器是微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等各種信息的部件。按其功能和性能，可以分為：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnlyMemory）

2/27/202424華東師大通信工程系馬潮副教授3．系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是CPU與其他部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道。根據(jù)傳送內(nèi)容可分成以下3種：數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）：用于CPU與主存儲(chǔ)器、CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。地址總線AB（AddressBus）：用于CPU訪問主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備時(shí)，傳送相關(guān)的地址?？刂瓶偩€CB（ControlBus）：用于傳送CPU對(duì)主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備的控制信號(hào)。4．輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input/Output）電路，即通常所說(shuō)的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計(jì)算機(jī)外部設(shè)備交換信息的橋梁。2/27/202425華東師大通信工程系馬潮副教授5．主機(jī)板

主機(jī)板也稱為系統(tǒng)主板或簡(jiǎn)稱主板。主機(jī)板上有CPU芯片、內(nèi)存槽、擴(kuò)展槽、各種跳線和一些輔助電路。

6．外存儲(chǔ)器

分為軟磁盤、硬磁盤、光盤存儲(chǔ)器。磁盤存儲(chǔ)器由磁盤、磁盤驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器接口電路組成，統(tǒng)稱為磁盤機(jī)。光盤存儲(chǔ)器是由光盤、光盤驅(qū)動(dòng)器和接口電路組成。7．輸入/輸入設(shè)備

計(jì)算機(jī)最常用的輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。計(jì)算機(jī)最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機(jī)。

2/27/202426華東師大通信工程系馬潮副教授2.4.3微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件是指支持計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序，以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序的各種技術(shù)資料的總稱。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)通常采用分層設(shè)計(jì)關(guān)系。處在低層的軟件要向上層軟件提供服務(wù)，上層軟件必須在低層軟件支持下才能運(yùn)行。2/27/202427華東師大通信工程系馬潮副教授2/27/202428華東師大通信工程系馬潮副教授驅(qū)動(dòng)軟件(Firmware、固件)最基本和最基礎(chǔ)的各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和管理程序,最底層的直接面向硬件系統(tǒng)。

BIOs系統(tǒng)軟件(OperatingSystem、操作系統(tǒng))的主要功能是簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供服務(wù)。

WindowsXP、Windows7/8、……應(yīng)用軟件(Applications)處于軟件系統(tǒng)的最外層，直接面向用戶，為用戶服務(wù)。應(yīng)用軟件是為了解決各類應(yīng)用問題而編寫的程序，包括用戶編寫的特定程序，以及商品化的應(yīng)用軟件和套裝軟件。

Word、………2/27/202429華東師大通信工程系馬潮副教授2.4.4計(jì)算機(jī)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)語(yǔ)言也稱為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是人機(jī)交流信息的一種特定語(yǔ)言。在編寫程序時(shí)用指定的符號(hào)來(lái)表達(dá)語(yǔ)義。機(jī)器語(yǔ)言

匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言2/27/202430華東師大通信工程系馬潮副教授2.5微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.5.1微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

通常，微型計(jì)算機(jī)具備以下特點(diǎn)：功能強(qiáng)可靠性高價(jià)格低適應(yīng)性強(qiáng)周期短，見效快體積小、