第1章 微型計(jì)算機(jī)概論

第1章微型計(jì)算機(jī)概論1.1微型計(jì)算機(jī)概述1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3微機(jī)的主要性能指標(biāo)及應(yīng)用1.1微型計(jì)算機(jī)概述1.1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況20世紀(jì)40年代，由美國賓夕法尼亞大學(xué)莫克利和?？颂仡I(lǐng)導(dǎo)的研究小組，研制成功了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorComputer)。ENIAC由17486個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器、7萬個(gè)電阻器、1萬個(gè)電容器和6千個(gè)開關(guān)組成。每秒鐘能只能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算或者400次乘法運(yùn)算，僅相當(dāng)于一個(gè)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)。ENIAC的研制背景：第二次世界大戰(zhàn)火炮射擊表美國軍方要求彈道研究院每天提供六張射擊表200多名計(jì)算員花兩個(gè)多月的時(shí)間才可完成一張射擊表馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1945年，馮·諾依曼發(fā)表了一份長達(dá)101頁的報(bào)告，即著名的“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”。報(bào)告提出的體系結(jié)構(gòu)一直延續(xù)至今，即馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。①計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備共5個(gè)部分組成；②數(shù)據(jù)和程序均以二進(jìn)制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲(chǔ)器中，存放位置由存儲(chǔ)器的地址指定；③計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行；④……3

《微型計(jì)算機(jī)原理》“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”馮·諾依曼

美籍匈牙利數(shù)學(xué)家

1926年（22歲），獲匈牙利布達(dá)佩

斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位

1931年（28歲），成為普林斯頓大

學(xué)終身教授

1933年，轉(zhuǎn)入普林斯頓高等研究院

1951~1953年，任美國數(shù)學(xué)會(huì)主席約翰·馮·諾依曼

1954年，任美國原子能委員會(huì)委員

John

Von

Neumann

1944年《博弈論與經(jīng)濟(jì)行為》

1903~1957

1945年“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”1.1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)1）馮·諾依曼提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念，這是所有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的模板，被稱“馮·

諾依曼結(jié)構(gòu)”。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)：(1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。(2)采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)可以送到運(yùn)算器中運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。(3)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制碼表示。(4)指令按順序執(zhí)行。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖示馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成。運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)輸入地址指令結(jié)果輸出5

《微型計(jì)算機(jī)原理》馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)控制器結(jié)果輸出地址指令

運(yùn)算器數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)器命令

輸出設(shè)備

狀態(tài)輸入設(shè)備命令和應(yīng)答程序和數(shù)據(jù)輸入

狀

態(tài)

和

請

求命令和應(yīng)答狀態(tài)和請求1.1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)2）隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，微處理器得到了飛速發(fā)展。

第一代：4位和低檔8位微處理器

4004→4040→8008

第二代：中高檔8位微處理器

8080、MC6800、Z-80、6502

第三代：16位微處理器

8086∕8088→80286

、MC68000、Z80001.1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概況（續(xù)3）第四代：32位微處理器

MC68020、80386→80486→Pentium系列

第五代：64位微處理器

Itanium、64位RISC微處理器芯片1.1.2微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)微型計(jì)算機(jī)除了具有一般電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高和通用性強(qiáng)等常規(guī)功能外，還具有如下特點(diǎn)：(1)可靠性高，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。(2)體積小、重量輕、耗電省。(3)性價(jià)比高。(4)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。

(5)維護(hù)方便。

1.1.3微型計(jì)算機(jī)的分類按組織結(jié)構(gòu)和規(guī)模分：單片機(jī)、單板機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦

按微處理器位數(shù)分：

4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)。

按應(yīng)用范圍和表現(xiàn)形式分：

通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)1993年~2011年國家分布3.日本：30臺(tái)4.英國：27臺(tái)1.美國：263臺(tái)2.中國：74臺(tái)6.德國：20臺(tái)5.法國：23臺(tái)2011年11月榜單世界上第一個(gè)商業(yè)微處理器Intel4004微處理器1971年誕生面積：4.2mm×3.2mm制造工藝：10微米晶體管數(shù)量：2250主頻：最高740KHz字長：4位與4001/4002/4003共同構(gòu)成了芯片組：

MCS-4（MicroComputerSet）為日本Busicom公司的計(jì)算器而研制基于Intel4004的產(chǎn)品基于4004的計(jì)算器Busicom141-PF（1971年）BusicomLE-120A電路板4003移位寄存器(I/O)4004微處理器4001只讀存儲(chǔ)器(ROM)4002隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)1970年代的微處理器1972年，Intel推出8008微處理器1974年，Intel推出8080微處理器1976年，Zilog推出Z80微處理器1978年，Intel推出了首款16位微處理器8086，及其簡化版80881970年代中期，微處理器的優(yōu)勢已經(jīng)被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同，RCA（美國無線電公司）、Honeywell、Fairchild、NI、AMD、Motorola以及Zilog等大批公司進(jìn)入這一領(lǐng)域，競爭日益激烈。微型計(jì)算機(jī)的早期代表：IBMPC1981年，IBMPC5150誕生售價(jià)約1600美元Intel8088CPU，主頻4.77MHz，內(nèi)存16KB因開放性架構(gòu)逐漸成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的制造標(biāo)準(zhǔn)IBMPC的興衰1984年，IBM稅后凈收益65.8億美元1985年，IBM占據(jù)全球PC市場份額的80％

1991年，IBM虧損28.6億美元1992年，IBM虧損49.7億美元

2005年，聯(lián)想以17.5億美元

收購了IBM的全球PC業(yè)務(wù)第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)：Altair愛德華·羅伯茨EdwardRoberts1942~2010Altair

8800包含兩塊集成電路，Intel8080微處理器和一塊256字節(jié)的存儲(chǔ)器面板上的8個(gè)手動(dòng)開關(guān)和幾排小燈泡作為輸入和輸出1974年，微型儀器與自動(dòng)測量系統(tǒng)公司（簡稱MITS公司）出品，每臺(tái)售價(jià)397美元。1975年，全部2000臺(tái)銷售一空?！疤O果”的傳奇史蒂夫·沃茲尼亞克史蒂夫·喬布斯1975年，AppleI微型計(jì)算機(jī)的早期代表：AppleII1977年，蘋果電腦AppleII問世售價(jià)約1300美元摩托羅拉6502CPU，主頻1MHz，內(nèi)存4KB1980~1990年代美國教育系統(tǒng)電腦的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)VisiCalc電子表格軟件史蒂夫·喬布斯（1955.2.24~2011.10.5）2010iPad2007iPhone

1984Macintosh1991年，StevenJobs和BillGates在交談當(dāng)前微型計(jì)算機(jī)的主要形態(tài)及衍生服務(wù)器臺(tái)式機(jī)筆記本平板電腦智能手機(jī)嵌入式微機(jī)1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

從系統(tǒng)組成來的觀點(diǎn)來看，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)和軟件軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其組成框圖如圖1-1。圖1-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)以微處理器為核心，配以內(nèi)存儲(chǔ)器以及輸入輸出（I/O）接口和相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成，采用總線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。圖1-2為典型的微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)1）

微處理器

微處理器的全部電路集成在一塊大規(guī)模集成電路中。它包括運(yùn)算器（ALU）、寄存器組、控制器，這3個(gè)基本部分由內(nèi)部總線連接在一起。微處理器把一些信號(hào)通過寄存器或緩沖器送到集成電路的引線上，以便與外部的微機(jī)總線相連接。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

圖1-3微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)2）

存儲(chǔ)器微存儲(chǔ)器是微機(jī)中重要的組成部分，它用來存放和記憶程序和數(shù)據(jù)的裝置。顯然，存儲(chǔ)器的容量越大，能記憶的信息越多，計(jì)算機(jī)的功能就越強(qiáng)。微機(jī)上的存儲(chǔ)器分為“內(nèi)部存儲(chǔ)器”和“外部存儲(chǔ)器”兩類。內(nèi)部存儲(chǔ)器位于主機(jī)的內(nèi)部的電路板上，用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，CPU可以通過總線直接訪問，通常造價(jià)高、速度快，但是容量??；外部存儲(chǔ)器位于主機(jī)外部，用于存放大量的信息，如暫不運(yùn)行的程序和暫不處理的數(shù)據(jù)，CPU要通過I/O接口進(jìn)行訪問，通常造價(jià)低、容量大、數(shù)據(jù)可以長期保存，但是速度慢。30

《微型計(jì)算機(jī)原理》存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)

地址的位數(shù)由控

制器地址線的位

數(shù)確定

每個(gè)存儲(chǔ)單元中

內(nèi)容的位數(shù)由設(shè)

計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)對存

儲(chǔ)器的編址方法

確定1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)3）

I/0設(shè)備和I/O接口I/O設(shè)備是指微機(jī)上配備的輸入/輸出設(shè)備，也稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備（簡稱外設(shè)），它主要為微機(jī)提供具體的輸入/輸出手段。輸入設(shè)備是微機(jī)系統(tǒng)用來接受信息的部件，目前常見的有鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、掃描儀等。輸出設(shè)備的種類比較多，常用的有顯示器、打印機(jī)語音輸出裝置等。由于各種外設(shè)的工作速度、驅(qū)動(dòng)方法各異，不能直接將它們簡單的連接到總線與CPU進(jìn)行連接。因此，需要一個(gè)接口部件，來完成它們之間的速度匹配、信號(hào)變換、與CPU聯(lián)絡(luò)等工作。這部分電路被稱為I/O接口電路，簡稱I/O接口。38

《微型計(jì)算機(jī)原理》4.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備

用來輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置

其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)內(nèi)的表示形式

并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部

常見輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、圖形數(shù)字化儀、

圖像掃描儀等39

《微型計(jì)算機(jī)原理》5.輸出設(shè)備

輸出設(shè)備

用來輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置

其功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成人們

所需要的形式并傳送到計(jì)算機(jī)外部

常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)（續(xù)4）

系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是微機(jī)中各種部件之間傳遞信息的一組公共數(shù)據(jù)傳輸線路。通常把CPU芯片內(nèi)部的總線稱為內(nèi)部總線，而連接系統(tǒng)各部件間的總線稱為外部總線或稱為系統(tǒng)總線。

數(shù)據(jù)總線(DB)：用于CPU與內(nèi)存或I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳遞。地址總線(AB)：用于傳送存儲(chǔ)單元或I/O接口的地址信息?？刂瓶偩€(CB)：傳送控制器的各種控制信息。

①

地址總線（

Address

Bus，簡稱AB或ABus）

②

數(shù)據(jù)總線（Data

Bus，簡稱DB或DBus）

③

控制總線（Control

Bus，簡稱CB或CBus）

CPU9

《微型計(jì)算機(jī)原理》微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微處理器存儲(chǔ)器

I/O接口外設(shè)地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB單向雙向控制總線CB

雙向1.2.2微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

微機(jī)的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支撐軟件組成。

系統(tǒng)軟件：它是一類對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身進(jìn)行管理與控制的軟件，它提供用戶使用計(jì)算機(jī)操作環(huán)境以及應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境。如：WindowsXP、Windows7、Windows8等。

運(yùn)用軟件：它是指用戶利用計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件，開發(fā)解決各種實(shí)際問題的程序。如：繪圖軟件AutoCAD、圖像處理軟件Photoshop、QQ游戲平臺(tái)等。支撐軟件：傳支撐各種軟件的開發(fā)與維護(hù)的軟件，又稱為軟件開發(fā)環(huán)境。如：WebSphere、Studio.NET等。1.3微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)及應(yīng)用1.3.1微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

字長：微機(jī)的字長是指微處理器內(nèi)部一次可以并行處理二進(jìn)制代碼的位數(shù)

，它一般決定于微機(jī)的通用寄存器、內(nèi)存儲(chǔ)器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長越長，所表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，字長越長的微處理器數(shù)據(jù)處理速度越高。