第1章 計算機系統(tǒng)概述 微型計算機原理(第三版)課件

微型計算機原理微型計算機原理

1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的分類及應用

1.3計算機的基本構成

1.4微型計算機的基本構成

1.5微型計算機的工作過程

1.6計算機的性能指標1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的分類及應用1.微型計算機（電子計算機的一種）微型計算機簡稱“微型機”、“微機”，由于其具備人腦的某些功能，所以也稱其為“微電腦”。微型計算機是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。它是以微處理器為基礎，配以內存儲器及輸入輸出(I/0)接口電路和相應的輔助電路而構成的裸機。微型計算機（電子計算機的一種）微型計算機的特點是體積小、靈活性大、價格便宜、使用方便。把微型計算機集成在一個芯片上即構成單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)。由微型計算機配以相應的外圍設備（如打印機）及其他專用電路、電源、面板、機架以及足夠的軟件構成的系統(tǒng)叫做微型計算機系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)（即通常說的電腦）。微型計算機的特點是體積小、靈活性大、價格便宜、使用方便。10世紀，早期的計算工具——算盤。

17世紀，出現計算尺，隨后出現機械式、機電式、電動式計算儀器。1642年，法國發(fā)明實現十進制加減運算的機械式計算機。

20世紀40年代，德國采用繼電器制造機電式計算機。

這些類型計算機的出現，為電子數字計算機的發(fā)展奠定了基礎。1.1計算機的發(fā)展10世紀，早期的計算工具——算盤。17世紀，出1946年由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIACElectronicNumericalIntegratorAndCalculator第一臺電子數字積分計算機重達30噸占地170m218000個電子管1500個繼電器耗電150kW1.1.1電子數字計算機的發(fā)展1946年由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIACElectroENIAC與現代微型機的比較：ENIAC掌上電腦

PC機筆記本電腦缺點：存儲容量?。?0個字長為10位的十進制數）；用線路連接的方法來編排程序。ENIAC與現代微型機的比較：ENIAC掌上電腦PC機1.馮·諾依曼計算機結構

（1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部件構成。

（2）采用存儲程序的方式，將程序和數據放在同一存儲器中，參加運算。（3）采用二進制碼表示數據和指令。（4）指令由操作碼和地址碼組成。

（5）以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。1.馮·諾依曼計算機結構（1）計算機由運算器、控制時間器件圖片軟件存儲信息應用46－58電子管機器、匯編語言磁鼓、延時線科學計算58－64晶體管高級語言磁芯數據處理、工業(yè)控制64－71集成電路操作系統(tǒng)磁芯文字、圖形處理71－今大規(guī)模集成電路數據庫、網絡等半導體社會的各個領域2.電子數字計算機的發(fā)展的四個階段

時間器件圖片軟件存儲信息應用46－58電子管機器、匯編語言第五代計算機設想：

（3）知識庫管理功能。要求能完成知識獲取、檢索和更新等功能。

（2）解題推理功能。根據自身存儲的知識進行推理，具有問題求解和學習的功能。

（1）智能接口功能。能自動識別自然語言、圖形、圖象。即有語音識別、視覺、感知、理解功能。

1981年日本提出實現智能計算機，但沒有取得預期的結果。美國也有多家公司推出智能計算機。一般要求智能計算機具有下列功能：第五代計算機設想：（3）知識庫管理功能。要求能完成知識

微型機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的，以微處理器為中心的微型機是電子計算機的第四代產品。微處理器自1971年誕生以來，發(fā)展迅猛，每2～3年就更換一代。微型計算機指采用超大規(guī)模集成電路，形成體積小、重量輕、功能強、耗電少的計算機系統(tǒng)。微型計算機電子計算機技術超大規(guī)模集成電路工藝技術結晶1.1.2微型計算機的發(fā)展

微型機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的，以微處理器為根據微處理器的發(fā)展可把微型機的發(fā)展分為4個階段：代次微處理器（字長）工藝/集成度執(zhí)行速度(MIPS)時鐘頻率(MHz)代表產品第一代71～73年4位機和低檔8位機PMOS/22500.06<1MCS-4,MCS-84004，8008第二代74～77年高性能8位機NMOS/>22500.75<4Intel8080,8085M6800,Z80第三代78～84年16位機HMOS/13萬1.54~10Intel8086,80286M68000,Z8000第四代85～至今32位機0.09μm/315萬11216~3GIntel8386,80486Pentium,Ⅱ,Ⅲ，4

另外，2004年，AMD推出了64位機

2005年，Intel推出雙核處理器。根據微處理器的發(fā)展可把微型機的發(fā)展分為4個階段：代次微處理器IntelCPU的發(fā)展：Intel4004Intel8086Intel80286(16bit)Intel80386(32bit)Intel80486IntelCPU的發(fā)展：Intel4004Intel8PentiumPentium4PentiumIIIPentiumIIPentiumPentium4PentiumIIIPen

1958年我國第一臺電子計算機（103機）在北京誕生;

1959年研制成大型通用電子管計算機（104機）;

1960年研制成第一臺自己設計的通用電子管計算機（107機）;

1964年我國開始推出第一批晶體管計算機。其運算速度為10～20萬次每秒。

1971年研制成第三代集成電路計算機。1974年后DJS-130晶體管計算機形成了小批量生產。1.1.3我國計算機的發(fā)展概況

1958年我國第一臺電子計算機（103機）在北京誕生;

1982年采用大、中規(guī)模集成電路研制成16位的DJS-150機。

1983年國防科技大學推出向量運算速度達一億次的銀河I巨型計算機。1992年向量運算速度達10億次的銀河Ⅱ投入運行。1997年銀河Ⅲ投入運行，速度為130億次每秒，內存容量為9.15GB。

1999年具有世界水平的大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)神威I號研制成功，其最高運算速度達每秒3840億次浮點運算。

2002年，國內第一臺萬億次超級計算機——聯想深騰誕生。1982年采用大、中規(guī)模集成電路研制成16位的DJS-1.按信息的表示形式和處理方式分類數字計算機：

處理離散的、數字化的信息模擬計算機：處理連續(xù)變化的模擬量信息數字模擬混合計算機：處理的信息既有數字量又有模擬量通常所說的計算機都指的是數字計算機。1.2計算機的分類及應用

1.2.1計算機的分類1.按信息的表示形式和處理方式分類數字計算機：處理離散的2.按用途分類：

通用計算機

：專用計算機：功能齊全、通用性強；功能單一、可靠性高，作為軍事、工業(yè)控制等方面的專用設備；一般所講的計算機都是通用計算機。3.按計算機的規(guī)模分類：

巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機。

2.按用途分類：通用計算機：專用計算機：功能齊全、通1.按微處理器的位數分類

2.按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類個人計算機（PC機）8位機、16位機、32位機、64位機單片機單板機將微型機的主要部件集成在一片大規(guī)模集成電路芯片上形成的計算機。

將微處理器、存儲器、輸入輸出接口、簡單外設等部件安裝在一塊印刷電路板上構成的計算機。

將一塊主機板和若干接口卡、外部存儲器、電源等部件組裝在一個機箱內，并配置顯示器、鍵盤等外部設備和系統(tǒng)軟件構成的計算機系統(tǒng)。

1.2.2微型機的分類

1.按微處理器的位數分類2.按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類1）科學計算：計算機應用最早也是最成熟的領域2）數據處理：最廣泛的應用3）過程控制：生產過程自動控制4）計算機輔助系統(tǒng)：CAD：計算機輔助設計

CAM：計算機輔助制造

CAI：計算機輔助教學5）人工智能：機器人、醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)6）信息通信：計算機網絡，資源共享和數據傳輸1.2.3計算機的應用

1）科學計算：計算機應用最早也是最成熟的領域1.2.3計1.3計算機的基本構成

1.3.1計算機的基本硬件結構存儲器運算器控制器輸出設備程序數據結果輸入設備CPU計算機硬件是指構成計算機的所有物理部件的集合。

數字計算機由五大部分構成

1.3計算機的基本構成1.3.1計算機的基本硬件結1．控制器

控制器是計算機的控制中樞，發(fā)出各種操作命令和控制信息，控制各部件協調工作。2．運算器運算器對信息或數據進行處理和運算，完成算術運算和邏輯運算。3．存儲器存儲器用來存儲程序和數據，是計算機各種信息的存儲和交流的中心。4．輸入設備輸入設備用于輸入原始數據和程序等信息。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標等。5．輸出設備輸出設備用于輸出計算結果和有用信息。常用輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。磁盤既是輸入設備也是輸出設備。1．控制器控制器是計算機的控制中樞，發(fā)出各種操作命令和控制（3）運算器和控制器合在一起稱為中央處理單元——CPU(CentralProcessingUnit)。注：（1）存儲器有很多存儲單元，每個存儲單元存放一個數據。為區(qū)分不同的存儲單元，為每個存儲單元進行編號，這個編號就稱為存儲單元的地址。

（2）輸入設備和輸出設備常合稱為輸入/輸出設備，簡稱I/O（Input/Output）設備。（3）運算器和控制器合在一起稱為中央處理單元——CPU(Ce1.3.2計算機軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、應用軟件兩大類

軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件

應用軟件

操作系統(tǒng)編輯程序診斷程序

語言處理程序

調試程序數據庫管理系統(tǒng)裝配連接程序通用軟件實用軟件用戶程序

匯編程序編譯程序解釋程序計算機軟件指各類程序和文檔資料的總和。

1.3.2計算機軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、應用應用軟件是為解決一些具體問題而編制的程序。一類是由軟件公司和計算機公司開發(fā)的通用軟件、實用軟件。另一類是用戶為解決各種實際問題而開發(fā)的用戶程序。1．系統(tǒng)軟件2．應用軟件操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，是計算機必須配置的軟件。

程序設計語言處理程序功能是將用各種高級語言編寫的程序翻譯成機器能識別的二進制代碼，這樣計算機才能執(zhí)行。

系統(tǒng)軟件的作用是管理、調度、監(jiān)控、維護計算機。監(jiān)控、調試、診斷程序是計算機的支持軟件，用于維護計算機系統(tǒng)。應用軟件是為解決一些具體問題而編制的程序。一類是由軟件公司和1.3.3計算機系統(tǒng)的層次結構

1．計算機語言

機器語言:計算機能識別并直接執(zhí)行的是一系列由二進制代碼編寫的指令。匯編語言:用助記符表示機器指令，來編寫程序。匯編語言程序

機器語言程序匯編程序

目標程序

源程序轉換

★匯編語言程序轉換成機器語言程序的過程：運行程序

1.3.3計算機系統(tǒng)的層次結構1．計算機語言機器語言是一種面向問題的語言，與自然語言相近，與計算機的種類無關。

高級語言程序的轉換過程：

高級語言程序

編譯程序或解釋程序

轉換

機器語言程序運行程序源程序目標程序

高級語言：高級語言程序（源程序）同樣必須轉換為機器語言程序（目標程序）才能執(zhí)行。

是一種面向問題的語言，與自然語言相近，與計算機的種類無關。上述轉換過程分兩種方式：編譯方式解釋方式將用戶編寫的源程序中全部語句轉化（翻譯）成機器語言程序后，再執(zhí)行機器語言程序。只要源程序不變，每次運行不需再翻譯，可直接運行，但源程序若有任何修改，都要重新經過編譯。將用戶編寫的源程序的一條語句翻譯成機器語言后，立即執(zhí)行它，且不保留機器語言，然后，再翻譯下一條語句，如此重復，直到程序結束。它的特點是翻譯一次只能執(zhí)行一次，當第二次重復執(zhí)行時，又要重新翻譯，因而效率較低。上述轉換過程分兩種方式：編譯方式解釋方式將用戶編寫的源程序中2．計算機系統(tǒng)的層次結構

計算機系統(tǒng)的多級層次結構如下圖所示：高級語言虛擬機M4

高級語言程序經編譯形成匯編語言或中間語言程序，而后在M3上運行。匯編語言虛擬機M3

匯編語言程序先翻譯成機器語言或操作系統(tǒng)語言，而后在M2上運行。操作系統(tǒng)虛擬機M2

一般用機器語言解釋操作系統(tǒng)語言。實際機器M1

直接由硬件執(zhí)行2．計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的多級層次結構如下圖所示1.4微型計算機的基本構成

1.4.1微型計算機系統(tǒng)組成

微型計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是機器部分，即所有硬設備的集合。是控制系統(tǒng)完成操作任務的程序系統(tǒng)。1.4微型計算機的基本構成1.4.1微型計算機系統(tǒng)微型機系統(tǒng)的組成關系算術邏輯部件寄存器組控制部件內部總線微處理器CPU(MP)存儲器(RAM、ROM)I/O接口系統(tǒng)總線微型計算機MCI/O設備（外圍設備）系統(tǒng)軟件微型計算機系統(tǒng)MCS微型機系統(tǒng)的組成關系算術邏輯部件寄存器組控制部件內部總線微1.4.2微型計算機的典型結構

系統(tǒng)總線(Bus)連接各部件，進行信息相互傳送的一組公共的傳輸線。按傳輸的信息類別可將系統(tǒng)總線分為三組總線：地址總線AB(AddressBus)數據總線DB(DataBus)控制總線CB(ControlBus)各部件之間通過這三組總線連接起來。

系統(tǒng)總線1.4.2微型計算機的典型結構系統(tǒng)總線(Bus)連接各微型計算機的典型硬件結構

微處理器CPUAB(地址總線)RAMROMI/O接口I/O接口······CB(控制總線)DB(數據總線)微型計算機的典型硬件結構AB(地址總線)I/OI/O···

用來傳送控制和狀態(tài)信息，如讀信號、寫信號、中斷信號等。有的是CPU到存儲器和外設接口的控制信號，有的是外設到CPU的信號。既有輸入線又有輸出線，但每條線一般是單向的。地址總線AB

是傳送地址信息的一組單向總線。它把CPU要訪問的外部單元地址送到存儲器或I/O口。數據總線DB

是傳送數據信息的雙向總線。數據在CPU與存儲器及CPU與I/O接口間傳送，即可取出又可存入，故數據總線是雙向的?？刂瓶偩€CB用來傳送控制和狀態(tài)信息，如讀信號、寫信號、中斷信號1.4.3微型機的典型配置

微型機硬件系統(tǒng)主機外部設備主板I/O接口卡電源機箱等鍵盤鼠標器顯示器軟盤驅動器硬盤驅動器光盤驅動器打印機等1.4.3微型機的典型配置微型機硬件系統(tǒng)主機外部設備主1.主板

微機的主板又稱系統(tǒng)板或母板，微機的大部分功能芯片都裝在這塊印制電路板上，其組成如下圖所示。

晶振及時鐘微處理器ROMBIOS內存（DRAM）CMOSRAM

高速緩存(Cache)

總線插槽

外設接口集成芯片組

揚聲器接口

鍵盤及鼠標接口

1.主板微機的主板又稱系統(tǒng)板或母板，微機的大部分

微處理器是主板的核心部件

。不同類型的微處理器構成不同性能的主板。

微處理器：時鐘：

處理器的時鐘，一般由片外的時鐘電路供給，由時鐘發(fā)生器對一定頻率的石英晶體經過分頻后得到。ROMBIOS：

主板上配置了一片稱為固件的只讀存儲器（ROM）芯片，內部固化了自檢程序、基本輸入/輸出控制程序（基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS）、系統(tǒng)配置程序等，稱為ROMBIOS。

微處理器是主板的核心部件。不同類型的微處理器構成不高速緩存：

微處理器和DRAM之間加入了一層速度接近CPU、容量較小的隨機存儲器，作為高速緩沖存儲器（Cache）。

CMOSRAM：內存：

微機系統(tǒng)的內存又叫主存，要求容量大、成本低、速度快。目前主要采用動態(tài)隨機存儲器（DRAM）作為內存。

是一種低功耗的半導體存儲器。存放設置參數。高速緩存：微處理器和DRAM之間加入了一層速度接近總線插槽：

主板上用于插接I/O接口卡的插槽。通過這些插槽可將外設I/O卡連接到系統(tǒng)總線上，并通過I/O接口卡將外設連接到主機。外圍接口集成芯片組：

采用少量幾片超大規(guī)模的集成I/O芯片來實現接口電路功能。鍵盤、鼠標、揚聲器接口：

一般直接集成在主板上，由單片機來控制。總線插槽：主板上用于插接I/O接口卡的插槽。通過這2.I/O接口卡

顯示卡是顯示器設備的接口電路。

一個微型機系統(tǒng)可配置多種輸入與輸出設備。它們是通過I/O接口卡與主機連接的。常用的I/O接口卡有多功能卡、顯示卡等。

多功能I/O接口卡集成了多種常規(guī)外設的接口驅動電路。通常一塊多功能接口卡可連接兩個硬盤驅動器、兩個軟盤驅動器、兩個串行口設備、一個并行口設備。目前，高檔微機的多功能I/O接口卡的所有功能已直接集成在主板上了。2.I/O接口卡顯示卡是顯示器設備的接口電路。1.4.4微型機的特點

★體積小、重量輕、功耗低。★價格低廉?！锟煽啃愿?、使用環(huán)境要求低。★結構靈活、使用方便。1.4.4微型機的特點★體積小、重量輕、功耗低?！飪r格1.5微型計算機的工作過程

1.5.1存儲器的組織及工作過程

存儲器：是用來存放數據和程序的。

在計算機內部，數據和程序都是用二進制碼的形式表示。一般8位二進制碼稱為一個字節(jié)（Byte）,一個或多個字節(jié)組成一個字（Word）。

存儲器每個存儲單元存放一個字節(jié)或一個字。這樣存儲器需要很多單元來存放數據和程序，為能識別不同的單元，賦予每個單元一個編號稱為地址。1.5微型計算機的工作過程1.5.1存儲器的組織及

256個單元，每個存儲單元一個編號，編號范圍為0～255，用8位二進制碼表示編號即為00000000～11111111（00H～FFH）。

下面以256個單元的存儲器為例，說明存儲器的組織。

來自地址線的地址信號，經過地址譯碼器的譯碼，選中相應的存儲單元，以便從中讀出信息或寫入信息?？刂撇考刂拼鎯ζ鞯淖x寫過程。256個單元，每個存儲單元一個編號，編號范圍為0～25地址譯碼器00單元01單元02單元03單元．．．FD單元DE單元FF單元00010203．．．FDFEFF控制邏輯讀/寫信號數據線地址線00單元00控制邏輯讀/寫信號數據線地址線

存儲器在進行讀寫工作時，先由CPU通過地址線給出要讀寫信息存放的單元地址，經過地址譯碼器的譯碼，選中相應的存儲單元。

再由讀寫控制信號，經過控制邏輯來控制讀出或寫入。

要讀出信息時，選中單元的數據經數據線送往CPU進行處理。

要寫入信息時，由CPU將數據通過數據線，寫入到選中的單元。存儲器在進行讀寫工作時，先由CPU通過地址線給出要讀1.5.2微型機的工作過程

微型機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。

程序是指令的序列，執(zhí)行程序就是逐條取出程序的指令，對指令進行分析，然后完成該指令規(guī)定的操作。取指令

執(zhí)行程序的過程：

分析指令執(zhí)行指令1.5.2微型機的工作過程微型機的工作過程就是執(zhí)行程序微機的工作過程示意：

××××00111110001000111100011000000101地址譯碼器0001“02”030405..控制數據線地址線讀/寫信號微處理器0011111000111110020202“02”“02”0011111000111110“02”001111100011111000111110微機的工作過程示意：××00控制數據線地址線讀/寫微001

首先，CPU給出第一條指令的地址，如為02，通過地址總線送到地址譯碼器。經譯碼后找到存放第一條指令的02單元。

CPU發(fā)出讀命令，在讀命令控制下，將這條指令00111110讀出，經數據線送CPU。

CPU對該指令進行譯碼分析，發(fā)一系列的控制信號，完成該指令指定的操作。

該指令執(zhí)行完后，CPU再給出下條指令的地址，繼續(xù)按上述過程執(zhí)行，直到整個程序運行完畢為止。首先，CPU給出第一條指令的地址，如為02，通過地址總1.6計算機的性能指標

基本字長

字長是指參與運算的數據的基本二進制位數。

當計算機的字長確定后，為提高精度可采用雙倍或多倍字長運算。

字長標志著計算精度，它決定了內部寄存器、運算器和數據總線的位數。一般為8位、16位、32位、64位等。1.6計算機的性能指標基本字長字長是指參與運16位地址線，可尋址的內存單元為：216=64KB(Byte)

24位地址線，可尋址的內存單元為：224=16MB(Byte)

內存容量

內存容量代表著內存儲器的存儲單元個數。計算機存儲器容量以字節(jié)（Byte）為單位。表示容量的單位有：KB（KiloByte）、MB（MemaByte）、

GB（GigaByte）、TB（TeraByte）。1KB=210Byte（1024），1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。

16位地址線，可尋址的內存單元為：216=64KB(Byte運算速度運算速度以每秒執(zhí)行的指令條數來表示。一般表示為每秒多少百萬條指令MIPS（MillionsofInstructionPerSecond）。

計算機對不同指令的執(zhí)行時間不同，一般用執(zhí)行指令的平均時間來衡量。

也可以用CPU時鐘頻率來比較它們的速度。如，266MHz、350MHz、550MHz、750MHz等。

運算速度運算速度以每秒執(zhí)行的指令條數來表示。一般表示為每秒多性能價格比

性能價格比是衡量計算機的一項綜合性能指標。除考慮計算機的性能外，還要考慮其價格，性能價格比越大，表明計算機性能好、價格低。外部設備的配置

指結構上允許配置外設的最大數量和種類。系統(tǒng)軟件的配置

系統(tǒng)軟件配置是否齊全，軟件功能強弱，是否支持多任務、多用戶操作系統(tǒng)等是計算機硬件性能能否充分發(fā)揮的重要因素。

性能價格比性能價格比是衡量計算機的一項綜合性能指標。THEENDTHEEND微型計算機原理微型計算機原理

1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的分類及應用

1.3計算機的基本構成

1.4微型計算機的基本構成

1.5微型計算機的工作過程

1.6計算機的性能指標1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的分類及應用1.微型計算機（電子計算機的一種）微型計算機簡稱“微型機”、“微機”，由于其具備人腦的某些功能，所以也稱其為“微電腦”。微型計算機是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。它是以微處理器為基礎，配以內存儲器及輸入輸出(I/0)接口電路和相應的輔助電路而構成的裸機。微型計算機（電子計算機的一種）微型計算機的特點是體積小、靈活性大、價格便宜、使用方便。把微型計算機集成在一個芯片上即構成單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)。由微型計算機配以相應的外圍設備（如打印機）及其他專用電路、電源、面板、機架以及足夠的軟件構成的系統(tǒng)叫做微型計算機系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)（即通常說的電腦）。微型計算機的特點是體積小、靈活性大、價格便宜、使用方便。10世紀，早期的計算工具——算盤。

17世紀，出現計算尺，隨后出現機械式、機電式、電動式計算儀器。1642年，法國發(fā)明實現十進制加減運算的機械式計算機。

20世紀40年代，德國采用繼電器制造機電式計算機。

這些類型計算機的出現，為電子數字計算機的發(fā)展奠定了基礎。1.1計算機的發(fā)展10世紀，早期的計算工具——算盤。17世紀，出1946年由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIACElectronicNumericalIntegratorAndCalculator第一臺電子數字積分計算機重達30噸占地170m218000個電子管1500個繼電器耗電150kW1.1.1電子數字計算機的發(fā)展1946年由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIACElectroENIAC與現代微型機的比較：ENIAC掌上電腦

PC機筆記本電腦缺點：存儲容量?。?0個字長為10位的十進制數）；用線路連接的方法來編排程序。ENIAC與現代微型機的比較：ENIAC掌上電腦PC機1.馮·諾依曼計算機結構

（1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部件構成。

（2）采用存儲程序的方式，將程序和數據放在同一存儲器中，參加運算。（3）采用二進制碼表示數據和指令。（4）指令由操作碼和地址碼組成。

（5）以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。1.馮·諾依曼計算機結構（1）計算機由運算器、控制時間器件圖片軟件存儲信息應用46－58電子管機器、匯編語言磁鼓、延時線科學計算58－64晶體管高級語言磁芯數據處理、工業(yè)控制64－71集成電路操作系統(tǒng)磁芯文字、圖形處理71－今大規(guī)模集成電路數據庫、網絡等半導體社會的各個領域2.電子數字計算機的發(fā)展的四個階段

時間器件圖片軟件存儲信息應用46－58電子管機器、匯編語言第五代計算機設想：

（3）知識庫管理功能。要求能完成知識獲取、檢索和更新等功能。

（2）解題推理功能。根據自身存儲的知識進行推理，具有問題求解和學習的功能。

（1）智能接口功能。能自動識別自然語言、圖形、圖象。即有語音識別、視覺、感知、理解功能。

1981年日本提出實現智能計算機，但沒有取得預期的結果。美國也有多家公司推出智能計算機。一般要求智能計算機具有下列功能：第五代計算機設想：（3）知識庫管理功能。要求能完成知識

微型機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的，以微處理器為中心的微型機是電子計算機的第四代產品。微處理器自1971年誕生以來，發(fā)展迅猛，每2～3年就更換一代。微型計算機指采用超大規(guī)模集成電路，形成體積小、重量輕、功能強、耗電少的計算機系統(tǒng)。微型計算機電子計算機技術超大規(guī)模集成電路工藝技術結晶1.1.2微型計算機的發(fā)展

微型機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的，以微處理器為根據微處理器的發(fā)展可把微型機的發(fā)展分為4個階段：代次微處理器（字長）工藝/集成度執(zhí)行速度(MIPS)時鐘頻率(MHz)代表產品第一代71～73年4位機和低檔8位機PMOS/22500.06<1MCS-4,MCS-84004，8008第二代74～77年高性能8位機NMOS/>22500.75<4Intel8080,8085M6800,Z80第三代78～84年16位機HMOS/13萬1.54~10Intel8086,80286M68000,Z8000第四代85～至今32位機0.09μm/315萬11216~3GIntel8386,80486Pentium,Ⅱ,Ⅲ，4

另外，2004年，AMD推出了64位機

2005年，Intel推出雙核處理器。根據微處理器的發(fā)展可把微型機的發(fā)展分為4個階段：代次微處理器IntelCPU的發(fā)展：Intel4004Intel8086Intel80286(16bit)Intel80386(32bit)Intel80486IntelCPU的發(fā)展：Intel4004Intel8PentiumPentium4PentiumIIIPentiumIIPentiumPentium4PentiumIIIPen

1958年我國第一臺電子計算機（103機）在北京誕生;

1959年研制成大型通用電子管計算機（104機）;

1960年研制成第一臺自己設計的通用電子管計算機（107機）;

1964年我國開始推出第一批晶體管計算機。其運算速度為10～20萬次每秒。

1971年研制成第三代集成電路計算機。1974年后DJS-130晶體管計算機形成了小批量生產。1.1.3我國計算機的發(fā)展概況

1958年我國第一臺電子計算機（103機）在北京誕生;

1982年采用大、中規(guī)模集成電路研制成16位的DJS-150機。

1983年國防科技大學推出向量運算速度達一億次的銀河I巨型計算機。1992年向量運算速度達10億次的銀河Ⅱ投入運行。1997年銀河Ⅲ投入運行，速度為130億次每秒，內存容量為9.15GB。

1999年具有世界水平的大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)神威I號研制成功，其最高運算速度達每秒3840億次浮點運算。

2002年，國內第一臺萬億次超級計算機——聯想深騰誕生。1982年采用大、中規(guī)模集成電路研制成16位的DJS-1.按信息的表示形式和處理方式分類數字計算機：

處理離散的、數字化的信息模擬計算機：處理連續(xù)變化的模擬量信息數字模擬混合計算機：處理的信息既有數字量又有模擬量通常所說的計算機都指的是數字計算機。1.2計算機的分類及應用

1.2.1計算機的分類1.按信息的表示形式和處理方式分類數字計算機：處理離散的2.按用途分類：

通用計算機

：專用計算機：功能齊全、通用性強；功能單一、可靠性高，作為軍事、工業(yè)控制等方面的專用設備；一般所講的計算機都是通用計算機。3.按計算機的規(guī)模分類：

巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機。

2.按用途分類：通用計算機：專用計算機：功能齊全、通1.按微處理器的位數分類

2.按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類個人計算機（PC機）8位機、16位機、32位機、64位機單片機單板機將微型機的主要部件集成在一片大規(guī)模集成電路芯片上形成的計算機。

將微處理器、存儲器、輸入輸出接口、簡單外設等部件安裝在一塊印刷電路板上構成的計算機。

將一塊主機板和若干接口卡、外部存儲器、電源等部件組裝在一個機箱內，并配置顯示器、鍵盤等外部設備和系統(tǒng)軟件構成的計算機系統(tǒng)。

1.2.2微型機的分類

1.按微處理器的位數分類2.按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類1）科學計算：計算機應用最早也是最成熟的領域2）數據處理：最廣泛的應用3）過程控制：生產過程自動控制4）計算機輔助系統(tǒng)：CAD：計算機輔助設計

CAM：計算機輔助制造

CAI：計算機輔助教學5）人工智能：機器人、醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)6）信息通信：計算機網絡，資源共享和數據傳輸1.2.3計算機的應用

1）科學計算：計算機應用最早也是最成熟的領域1.2.3計1.3計算機的基本構成

1.3.1計算機的基本硬件結構存儲器運算器控制器輸出設備程序數據結果輸入設備CPU計算機硬件是指構成計算機的所有物理部件的集合。

數字計算機由五大部分構成

1.3計算機的基本構成1.3.1計算機的基本硬件結1．控制器

控制器是計算機的控制中樞，發(fā)出各種操作命令和控制信息，控制各部件協調工作。2．運算器運算器對信息或數據進行處理和運算，完成算術運算和邏輯運算。3．存儲器存儲器用來存儲程序和數據，是計算機各種信息的存儲和交流的中心。4．輸入設備輸入設備用于輸入原始數據和程序等信息。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標等。5．輸出設備輸出設備用于輸出計算結果和有用信息。常用輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。磁盤既是輸入設備也是輸出設備。1．控制器控制器是計算機的控制中樞，發(fā)出各種操作命令和控制（3）運算器和控制器合在一起稱為中央處理單元——CPU(CentralProcessingUnit)。注：（1）存儲器有很多存儲單元，每個存儲單元存放一個數據。為區(qū)分不同的存儲單元，為每個存儲單元進行編號，這個編號就稱為存儲單元的地址。

（2）輸入設備和輸出設備常合稱為輸入/輸出設備，簡稱I/O（Input/Output）設備。（3）運算器和控制器合在一起稱為中央處理單元——CPU(Ce1.3.2計算機軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、應用軟件兩大類

軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件

應用軟件

操作系統(tǒng)編輯程序診斷程序

語言處理程序

調試程序數據庫管理系統(tǒng)裝配連接程序通用軟件實用軟件用戶程序

匯編程序編譯程序解釋程序計算機軟件指各類程序和文檔資料的總和。

1.3.2計算機軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、應用應用軟件是為解決一些具體問題而編制的程序。一類是由軟件公司和計算機公司開發(fā)的通用軟件、實用軟件。另一類是用戶為解決各種實際問題而開發(fā)的用戶程序。1．系統(tǒng)軟件2．應用軟件操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，是計算機必須配置的軟件。

程序設計語言處理程序功能是將用各種高級語言編寫的程序翻譯成機器能識別的二進制代碼，這樣計算機才能執(zhí)行。

系統(tǒng)軟件的作用是管理、調度、監(jiān)控、維護計算機。監(jiān)控、調試、診斷程序是計算機的支持軟件，用于維護計算機系統(tǒng)。應用軟件是為解決一些具體問題而編制的程序。一類是由軟件公司和1.3.3計算機系統(tǒng)的層次結構

1．計算機語言

機器語言:計算機能識別并直接執(zhí)行的是一系列由二進制代碼編寫的指令。匯編語言:用助記符表示機器指令，來編寫程序。匯編語言程序

機器語言程序匯編程序

目標程序

源程序轉換

★匯編語言程序轉換成機器語言程序的過程：運行程序

1.3.3計算機系統(tǒng)的層次結構1．計算機語言機器語言是一種面向問題的語言，與自然語言相近，與計算機的種類無關。

高級語言程序的轉換過程：

高級語言程序

編譯程序或解釋程序

轉換

機器語言程序運行程序源程序目標程序

高級語言：高級語言程序（源程序）同樣必須轉換為機器語言程序（目標程序）才能執(zhí)行。

是一種面向問題的語言，與自然語言相近，與計算機的種類無關。上述轉換過程分兩種方式：編譯方式解釋方式將用戶編寫的源程序中全部語句轉化（翻譯）成機器語言程序后，再執(zhí)行機器語言程序。只要源程序不變，每次運行不需再翻譯，可直接運行，但源程序若有任何修改，都要重新經過編譯。將用戶編寫的源程序的一條語句翻譯成機器語言后，立即執(zhí)行它，且不保留機器語言，然后，再翻譯下一條語句，如此重復，直到程序結束。它的特點是翻譯一次只能執(zhí)行一次，當第二次重復執(zhí)行時，又要重新翻譯，因而效率較低。上述轉換過程分兩種方式：編譯方式解釋方式將用戶編寫的源程序中2．計算機系統(tǒng)的層次結構

計算機系統(tǒng)的多級層次結構如下圖所示：高級語言虛擬機M4

高級語言程序經編譯形成匯編語言或中間語言程序，而后在M3上運行。匯編語言虛擬機M3

匯編語言程序先翻譯成機器語言或操作系統(tǒng)語言，而后在M2上運行。操作系統(tǒng)虛擬機M2

一般用機器語言解釋操作系統(tǒng)語言。實際機器M1

直接由硬件執(zhí)行2．計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的多級層次結構如下圖所示1.4微型計算機的基本構成

1.4.1微型計算機系統(tǒng)組成

微型計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是機器部分，即所有硬設備的集合。是控制系統(tǒng)完成操作任務的程序系統(tǒng)。1.4微型計算機的基本構成1.4.1微型計算機系統(tǒng)微型機系統(tǒng)的組成關系算術邏輯部件寄存器組控制部件內部總線微處理器CPU(MP)存儲器(RAM、ROM)I/O接口系統(tǒng)總線微型計算機MCI/O設備（外圍設備）系統(tǒng)軟件微型計算機系統(tǒng)MCS微型機系統(tǒng)的組成關系算術邏輯部件寄存器組控制部件內部總線微1.4.2微型計算機的典型結構

系統(tǒng)總線(Bus)連接各部件，進行信息相互傳送的一組公共的傳輸線。按傳輸的信息類別可將系統(tǒng)總線分為三組總線：地址總線AB(AddressBus)數據總線DB(DataBus)控制總線CB(ControlBus)各部件之間通過這三組總線連接起來。

系統(tǒng)總線1.4.2微型計算機的典型結構系統(tǒng)總線(Bus)連接各微型計算機的典型硬件結構

微處理器CPUAB(地址總線)RAMROMI/O接口I/O接口······CB(控制總線)DB(數據總線)微型計算機的典型硬件結構AB(地址總線)I/OI/O···

用來傳送控制和狀態(tài)信息，如讀信號、寫信號、中斷信號等。有的是CPU到存儲器和外設接口的控制信號，有的是外設到CPU的信號。既有輸入線又有輸出線，但每條線一般是單向的。地址總線AB

是傳送地址信息的一組單向總線。它把CPU要訪問的外部單元地址送到存儲器或I/O口。數據總線DB

是傳送數據信息的雙向總線。數據在CPU與存儲器及CPU與I/O接口間傳送，即可取出又可存入，故數據總線是雙向的?？刂瓶偩€CB用來傳送控制和狀態(tài)信息，如讀信號、寫信號、中斷信號1.4.3微型機的典型配置

微型機硬件系統(tǒng)主機外部設備主板I/O接口卡電源機箱等鍵盤鼠標器顯示器軟盤驅動器硬盤驅動器光盤驅動器打印機等1.4.3微型機的典型配置微型機硬件系統(tǒng)主機外部設備主1.主板

微機的主板又稱系統(tǒng)板或母板，微機的大部分功能芯片都裝在這塊印制電路板上，其組成如下圖所示。

晶振及時鐘微處理器ROMBIOS內存（DRAM）CMOSRAM

高速緩存(Cache)

總線插槽

外設接口集成芯片組

揚聲器接口

鍵盤及鼠標接口

1.主板微機的主板又稱系統(tǒng)板或母板，微機的大部分

微處理器是主板的核心部件

。不同類型的微處理器構成不同性能的主板。

微處理器：時鐘：

處理器的時鐘，一般由片外的時鐘電路供給，由時鐘發(fā)生器對一定頻率的石英晶體經過分頻后得到。ROMBIOS：

主板上配置了一片稱為固件的只讀存儲器（ROM）芯片，內部固化了自檢程序、基本輸入/輸出控制程序（基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS）、系統(tǒng)配置程序等，稱為ROMBIOS。

微處理器是主板的核心部件。不同類型的微處理器構成不高速緩存：

微處理器和DRAM之間加入了一層速度接近CPU、容量較小的隨機存儲器，作為高速緩沖存儲器（Cache）。

CMOSRAM：內存：

微機系統(tǒng)的內存又叫主存，要求容量大、成本低、速度快。目前主要采用動態(tài)隨機存儲器（DRAM）作為內存。

是一種低功耗的半導體存儲器。存放設置參數。高速緩存：微處理器和DRAM之間加入了一層速度接近總線插槽：

主板上用于插接I/O接口卡的插槽。通過這些插槽可將外設I/O卡連接到系統(tǒng)總線上，并通過I/O接口卡將外設連接到主機。外圍接口集成芯片組：

采用少量幾片超大規(guī)模的集成I/O芯片來實現接口電路功能。鍵盤、鼠標、揚聲器接口：

一般直接集成在主板上，由單片機來控制?？偩€插槽：主板上用于插接I/O接口卡的插槽。通過這2.I/O接口卡

顯示卡是顯示器設備的接口電路。

一個微型機系統(tǒng)可配置多種輸入與輸出設備。它們是通過I/O接口卡與主機連接的。常用的I/O接口卡有多功能卡、顯示卡等。

多功能I/O接口卡集成了多種常規(guī)外設的接口驅動電路。通常一塊多功能接口卡可連接兩個硬盤驅動器、兩個軟盤驅動器、兩個串行口設備、一個并行口設備。目前，高檔微機的多功能I/O接口卡的所有功能已直接集成在主板上了。2.I/O接口卡顯示卡是顯示器設備的接口電路。1.4.4微型機的特點

★體積小、重量輕、功耗低?！飪r格低廉?！锟煽啃愿?、使用環(huán)境要求低?！锝Y構靈活、使用方便。1.4.4微型機的特點★體積小、重量輕、功耗低?！飪r格1.5微型計算機的工作過程

1.5.1存儲器的組織及工作過程

存儲器：是用來存放數據和程序的。

在計算機內部，數據和程序都是用二進制碼的形式表示。一般8位二進制碼稱為一個字節(jié)（Byte）,一個或多個字節(jié)組成一個字（Word）。

存儲器每個存儲單元存放一個字節(jié)或一個字。這樣存儲器需要很多單元來存放數據和程序，為能識別不同的單元，賦予每個單元一個編號稱為地址。1.5微型計算機的工作過程1.5.1存儲器的組織及

256個單元，每個存儲單元一個編號，編號范圍為0～255，用8位二進制碼表示編號即為00000000～11111111