微型計算機(jī)原理 第1章課件

第1章

微型計算機(jī)概述

微型計算機(jī)具有體積小、重量輕、功能強、可靠性高、價格低廉等一系列優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。人們已經(jīng)越來越依賴于計算機(jī)的高速運算、高可靠性和海量存儲，越來越依賴功能完善、便捷易用的各類軟件，以及連接全球的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等等。1.1微型計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.2微型計算機(jī)的應(yīng)用1.3微型計算機(jī)的發(fā)展

1、主機(jī)硬件

圖1-2微機(jī)主機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2、軟件 計算機(jī)軟件包括固化在ROM中的基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS、操作系統(tǒng)、編譯/解釋程序、診斷程序、程序設(shè)計語言、應(yīng)用軟件等。1.1.2系統(tǒng)時鐘 系統(tǒng)時鐘CLK(Clock)由石英晶體振蕩器OSC(Oscillator)和專用的時鐘處理芯片組成,為系統(tǒng)提供所需工作頻率的穩(wěn)定脈沖，使系統(tǒng)各類芯片能夠有秩序地執(zhí)行程序和命令。

1.1.3中央處理單元 中央處理單元CPU(CentralProcessingUnit)完成對計算機(jī)的各種控制和運算。1、運算器 運算器是執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算的部件，其主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。4、相關(guān)術(shù)語（1）流水線技術(shù) 在CPU中，由5～6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，并將一條指令分成5～6步分別由這些電路單元同步執(zhí)行，使本來要5～6個時鐘周期才能完成的一條指令，在一個時鐘周期完成。

（2）超流水線和超標(biāo)量技術(shù) 超流水線是指CPU內(nèi)部的流水線超過通常的5～6步。流水線的步數(shù)越多，完成一條指令的速度就越快。超標(biāo)量(Super-Scalar)是指CPU中有一條以上的流水線，并且每時鐘周期可以完成一條以上的指令。

（3）亂序執(zhí)行技術(shù) 亂序執(zhí)行(Out-of-OrderExecution)是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序，分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。1.1.4存儲器 存儲器（Storage）用于存放程序和數(shù)據(jù)等。1、

隨機(jī)存儲器 隨機(jī)存儲器RAM是運行程序的空間。2、

只讀存儲器只讀存儲器ROM是非易失性存儲器，用來存放永久性的程序和數(shù)據(jù)。3、

高速緩沖存儲器 為了提高CPU的運行速度，在CPU和常規(guī)主存之間增設(shè)的一級（Level1）或二級（Level2）高速小容量存儲器，稱為高速緩沖存儲器（Cache）。4、輔助存儲器 由于RAM中的數(shù)據(jù)關(guān)機(jī)后會丟失，因此需要將其轉(zhuǎn)存到不會丟失的介質(zhì)上，如磁盤、U盤、光盤等。這些磁盤、U盤、光盤等存儲介質(zhì)，就是輔助存儲器。5、虛擬內(nèi)存 在運行大的軟件時，為了解決內(nèi)存短缺的問題，操作系統(tǒng)會把硬盤的一部分當(dāng)作內(nèi)存來使用，這就是虛擬內(nèi)存。

1、ISA總線 ISA(IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線，是由美國IBM公司推出的16位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率為8MB／s。2、MCA總線 MCA(Micro-ChannelArchitecture，微通道體系結(jié)構(gòu))總線，是由美國IBM公司推出的32位標(biāo)準(zhǔn)總線。數(shù)據(jù)傳輸率為40MB／s。3、EISA總線 EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線，是由Compaq、HP、AST等多家計算機(jī)公司聯(lián)合推出的32位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率為33MB／s。5、PCI總線 PCI(PeripheralComponentInterconnect，外設(shè)互連)總線，是由美國Intel公司推出的32／64位標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線是一種與CPU隔離的總線結(jié)構(gòu)，并能與CPU同時工作，適應(yīng)性強，速度快，數(shù)據(jù)傳輸率為大于132MB／s。

1.1.6輔助功能部件 輔助功能部件由主機(jī)板上的若干模塊組成，每一個輔助模塊都以獨特的方式，去協(xié)助整個系統(tǒng)運行。

11、主控芯片組 主板上的控制芯片組基本決定了主板的功能。芯片組在BIOS和操作系統(tǒng)的共同控制下，按規(guī)定的技術(shù)和規(guī)范，為CPU、內(nèi)存、圖形接口、IDE接口、I／O接口等提供工作平臺。1.1.7輸入/輸出接口 輸入/輸出接口是微型計算機(jī)連接外部輸入/輸出設(shè)備和各種控制對象并與之進(jìn)行信息交換的控制邏輯電路。1、輸入/輸出接口（1）并行接口 并行接口用于實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的并行數(shù)據(jù)通信。（2）串行接口 串行接口用于實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的串行通信。

2、擴(kuò)展槽 擴(kuò)展槽（ExpansionSlot）位于微機(jī)系統(tǒng)主板上，對內(nèi)一般匯集了系統(tǒng)的地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線等各種信號通道和電源等，對外則為各種板卡提供了一個符合某一總線標(biāo)準(zhǔn)的插槽。

1.2微型計算機(jī)的應(yīng)用1.2.1網(wǎng)絡(luò)與通信 計算機(jī)最重要的作用，就是用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺，以實現(xiàn)信息共享、資源共享和數(shù)據(jù)通信等。

1.2.2信息處理 依靠快速運算、準(zhǔn)確可靠處理和海量存儲能力，微型計算機(jī)可以對各項社會活動、經(jīng)濟(jì)活動、科學(xué)研究等產(chǎn)生的大量文字、圖形、圖像、視頻等數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行加工、計算、變換、分類、存儲、傳輸、輸出和控制等。1.2.3科學(xué)計算 科學(xué)計算是計算機(jī)的專長，并具有快速、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點，已被廣泛用于各類科學(xué)研究、工程計算、生產(chǎn)生活等。1.2.4監(jiān)測/控制 計算機(jī)監(jiān)測就是利用計算機(jī)、傳感器和相關(guān)軟件等對各種客觀環(huán)境、過程等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 計算機(jī)控制就是利用計算機(jī)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)軟件等，對生產(chǎn)過程、設(shè)備、航天器等進(jìn)行自動控制。 利用計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測、控制，不僅具有準(zhǔn)確、可靠、不知疲倦等一系列人體無法實現(xiàn)的優(yōu)點，更可以替代人體實現(xiàn)惡劣/危險環(huán)境下的各種作業(yè)。

1.2.5輔助設(shè)計/制造 計算機(jī)輔助設(shè)計CAD（ComputerAidedDesign）就是利用計算機(jī)和大量經(jīng)過數(shù)字化的相關(guān)知識和經(jīng)驗，實現(xiàn)快速的產(chǎn)品設(shè)計。 計算機(jī)輔助制造CAM（ComputerAidedManufacture）是利用計算機(jī)控制產(chǎn)品的加工和制造等。1.2.6模擬/仿真 計算機(jī)模擬/仿真，為人們的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、研究等提供了高效、安全、低成本和規(guī)范化、現(xiàn)代化、智能化的方法和手段。1.2.7人工智能 人工智能就是利用計算機(jī)的快速計算能力和大量累積的相關(guān)知識和經(jīng)驗等，讓計算機(jī)模擬人腦進(jìn)行邏輯思維、邏輯推理、自主學(xué)習(xí)、積累知識、知識重構(gòu)和自我完善，使計算機(jī)具有人腦的部分思維功能，以代替人們解決大量重復(fù)的問題、難以解決的問題或至今還不知道該如何解決的問題等。1.3微型計算機(jī)的發(fā)展1.3.1微機(jī)發(fā)展的幾個階段 計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計算機(jī)、半導(dǎo)體晶體管計算機(jī)、半導(dǎo)體中小規(guī)模集成電路計算機(jī)、半導(dǎo)體大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機(jī)等幾個時代。 微型計算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個階段：

1、4位微型機(jī)階段(20世紀(jì)70年代初) 4位微型機(jī)使用4位微處理器，如Intel4004和Intel4040等。2、8位微型機(jī)階段(20世紀(jì)70年代中期) 8位微型機(jī)使用８位微處理器，如Intel8080／8085、Z80、Motorola6800等。3、16位微型機(jī)階段(20世紀(jì)70年代末～80年代) 16位微型機(jī)使用16位微處理器，如Intel8086、Motorola68000、Z8000等16位和準(zhǔn)32位微處理器。4、32位微型機(jī)階段(20世紀(jì)90年代～) 32位微型機(jī)使用32位微處理器，并采用了超標(biāo)量、超流水線和分支預(yù)測等RISC技術(shù)，使微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。

1.3.2微型計算機(jī)的未來 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和個人電腦的日益普及，電腦將成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋仨毱?，電腦和網(wǎng)絡(luò)的使用將會越來越簡單、方便。 目前，半導(dǎo)體微處理器正在向64位過渡。預(yù)計幾年之內(nèi)，64位處理器將會成為市場主流。 芯片集成度的不斷提高，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片計算機(jī)將不可避免地會遇到發(fā)展極限。1.3.3真正的微型計算機(jī) 現(xiàn)在的微型計算機(jī)是相對于過去龐大的電子管計算機(jī)和半導(dǎo)體分立元件計算機(jī)而被命名為“微型計算機(jī)”的。以現(xiàn)在的眼光來看，“微型計算機(jī)”的“微型”二個字，實在是名不符實。未來的生物計算機(jī)、分子計算機(jī)、量子計算機(jī)等，才是真正名副其實的微型計算機(jī)。1、生物計算機(jī) 生物計算機(jī)用生物蛋白質(zhì)分子芯片替代目前計算機(jī)中使用的半導(dǎo)體芯片，使計算機(jī)重量更輕、體積更小、速度更快、容量更大，具