第1章-包含計算機發(fā)展史

西安郵電學院計算機系系統(tǒng)結構教研室2007.3微機原理教材及參考書《微型計算機原理》王忠民王鈺王曉婕編著《微型計算機原理》學習與實驗指導王鈺王勁松刑高峰編著序言學習這門課的目的？學習內容這門課的要求第1章微型計算機系統(tǒng)導論主要內容:計算機的發(fā)展概述微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機硬件系統(tǒng)I/O接口與輸入輸出設備微型計算機的工作過程計算機發(fā)展簡史機械計算機時代的拓荒者電子管時代晶體管時代集成電路時代

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路未來的計算機機械計算機1623年：德國科學家契克卡德（W.Schickard）制造了人類有史以來第一臺機械計算機，這臺機器能夠進行六位數的加減乘除運算。1642年：法國科學家帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明了著名的帕斯卡機械計算機，首次確立了計算機器的概念。

機械計算機1674年：萊布尼茨改進了帕斯卡的計算機，使之成為一種能夠進行連續(xù)運算的機器，并且提出了“二進制”數的概念。

1725年：法國紡織機械師布喬（B.Bouchon）發(fā)明了“穿孔紙帶”的構想。機械計算機1834年：巴貝奇提出了分析機的概念，機器共分為三個部分：堆棧，運算器，控制器。他的助手，英國著名詩人拜倫的獨生女阿達?奧古斯塔（AdaAugusta）為分析機編制了人類歷史上第一批計算機程序。

1852年：阿達?奧古斯塔（AdaAugusta）去世，年僅36歲。1871年：為計算機事業(yè)貢獻了畢生精力的巴貝奇（C.Babbage)去世。他與阿達所設想的分析機最終也未能問世，但是他們卻為后人留下了一份寶貴的遺產，那就是面對困難不屈不撓的精神，以及那數十種設計方案和程序。機械計算機1854年：布爾發(fā)表《邏輯的數學分析》，創(chuàng)立了一門全新的學科－布爾代數，為百年后出現的數字計算機的開關電路設計提供了重要的數學方法和理論基礎。1868年：美國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。

機械計算機1886年：美國人DorrE.Felt(1862-1930),制造了第一臺用按鍵操作的計算器。

1890年：美國在第12次人口普查中使用了由統(tǒng)計學家霍列瑞斯（H.Hollerith）博士發(fā)明的制表機，從而完成了人類歷史上第一次大規(guī)模數據處理。此后霍列瑞斯根據自己的發(fā)明成立了自己的制表機公司，并最終演變成為IBM公司。機械計算機1895年：英國青年工程師弗萊明（J.Fleming）通過“愛迪生效應”發(fā)明了人類第一只電子管。

電子管時代1936年：阿蘭?圖靈發(fā)表論文《論可計算數及其在判定問題中的應用》，首次闡明了現代電腦原理。有限狀態(tài)控制器q1，q2，q3，q4，q5……DATABD……讀寫磁頭磁帶圖靈機程序：用狀態(tài)，符號來確定的工作過程。<q，b，a，m，q‘>控制器當前狀態(tài)當前磁帶原有符號改變后的符號控制器下一狀態(tài)磁頭移動的方向電子管時代1940年：馮?諾依曼提出沿用至今的馮氏體系結構，被稱為計算機之父。該結構的基本思想為：以二進制形式表示指令和數據。指令和數據事先存放在存儲器中，計算機在工作的時候高速的從存儲器中取出指令，并加以執(zhí)行。由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部件組成計算機系統(tǒng)。電子管時代1943年：綽號為“巨人”的用來破譯德軍密碼的計算機在英國布雷契萊莊園制造成功，此后又制造多臺，為第二次世界大戰(zhàn)的勝利立下了汗馬功勞。電子管時代1946年：2月14日，美國賓西法尼亞大學摩爾學院教授莫契利和?？颂毓餐兄瞥晒α薊NIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)計算機。

這臺計算機總共安裝了17468只電子管，7200個二極管，70000多電阻器，10000多只電容器和6000只繼電器，電路的焊接點多達50萬個,機器被安裝在一排2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右，總重量達到30噸，其運算速度達到每秒鐘5000次加法，可以在3/1000秒時間內做完兩個10位數乘法。

電子管時代

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

1949年：當時尚在美國哈佛大學計算機實驗室的上海籍華人留學生王安向美國國家專利局申請了磁芯的專利。

1950年：東京帝國大學的YoshiroNakamats發(fā)明了軟磁盤。

電子管時代1950年：阿蘭?圖靈發(fā)表論文《機器能思考嗎》，從而為人工智能奠定了基礎，圖靈也獲得了“人工智能之父”的美譽。1952年：由馮?諾伊曼設計的計算機EDVAC問世。這臺計算機總共采用了2300個電子管，運算速度卻比擁有18000個電子管的ENIAC提高了10倍。晶體管時代貝爾實驗室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺晶體管計算機TRADIC。

集成電路時代

1959年：2月6日，來自曾開發(fā)出第一臺晶體管收音機的TI公司的基爾比向美國專利局申報專利“半導體集成電路”。集成電路時代1965年：DEC公司推出了PDP-8型計算機，標志著小型機時代的到來。集成電路時代1968年：美國加利福尼亞大學的恩格巴特博士發(fā)明了世界上第一只鼠標。1969年：貝爾實驗室的kenThompson，DennisRitchie在一部PDP－7上開發(fā)了Unix操作系統(tǒng)。

微處理器計算機1971年：INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能夠實際工作的微處理器4004，該處理器在面積約12平方毫米的芯片上集成了2250個晶體管，運算能力足以超過ENIAC。1972年：曾經開發(fā)了Unix操作系統(tǒng)的DennisRitchie領導開發(fā)出C語言。

微處理器計算機1974年：Intel推出了自己的第一款8位微處理芯片8080。電腦愛好者愛德華?羅伯茨（E.Roberts）發(fā)布了自己制作的裝配有8080處理器的計算機“牛郎星”，這也是世界上第一臺裝配有微處理器的計算機，從此掀開了個人電腦的序幕。1975年：比爾?蓋茨在成功為牛郎星配上了BASIC語言之后從哈佛大學退學，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：“每一個家庭每一張桌上都有一部微型電腦運行著微軟的程序！”微處理器計算機西蒙?克雷博士獨自創(chuàng)立“克雷研究公司”，專注于巨型機領域。1975年克雷完成了自己的第一個超級計算機“克雷一號”（CARY-1），實現了每秒一億次的運算速度。該機占地不到7平方米，重量不超過5噸，共安裝了約35萬塊集成電路，同時這也標志著巨型機跨進了第三代電腦的行列。

集成電路計算機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)立了蘋果公司，并推出了自己的第一款計算機：Apple－Ⅰ。

PC時代

1981年：由后來被IBM內部尊稱為PC機之父的唐?埃斯特奇領導的開發(fā)團隊完成了IBM個人電腦的研發(fā)，IBM宣布了IBMPC的誕生，由此掀開了改變世界歷史的一頁。同年同日：微軟推出來MS-DOS1.0版PC時代

1982年：一名年僅15歲的少年通過計算機網絡闖入了“北美空中防務指揮系統(tǒng)”，這是首次發(fā)現的從外部侵襲的網絡事件。這個年輕人就是后來被判入獄的世界頭號黑客，被美國聯邦法院宣判終生不得接觸計算機產品的凱文.米特尼克。他的另一件“事跡”就是在1994年的時候向圣迭戈超級計算機中心發(fā)動進攻，將整個互聯網置于危險的境地。

1982年：Intel發(fā)布80286處理器。時鐘頻率提高到20MHz，并增加了保護模式，可訪問16M內存。支持1GB以上的虛擬內存。每秒執(zhí)行270萬條指令，集成了134000個晶體管。PC時代

1983年：1月，蘋果公司推出了研制費用高達5000萬美元的麗薩（Lisa）電腦，這也是世界上第一臺商品化的圖形用戶界面的個人計算機，同時這款電腦也第一次配備了鼠標。1985年：intel公司推出了計算機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”病毒在互聯網上大規(guī)模發(fā)作，這也是互聯網第一次遭受病毒的侵襲，從此，計算機病毒逐漸傳播開來。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120萬晶體管的486處理器。

PC時代1990年：紐約地方法院正式開庭，判處“蠕蟲”病毒制造者莫里斯：88年有期徒刑，3年緩刑，罰款1萬美元和400小時公益勞動。微軟宣布推出Windows3.0操作系統(tǒng)，并在年底創(chuàng)下銷售100萬套的紀錄。當時的Windows3.0操作系統(tǒng)提供了對多媒體，網絡等眾多最先進技術的支持，從而被成為軟件技術的一場革命。

PC時代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領袖，負責游戲引擎的設計；約翰?卡麥克是首席關卡設計師以及游戲設計；亞德利安?卡麥克是首席美術設計；湯姆?豪爾是公司的主要游戲設計師。

PC時代1991年：來自芬蘭的大學生Linus.Torvalds開發(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于互聯網上，從而引發(fā)了席卷全世界的開放源代碼運動。Linux本身在經過全世界無數程序員的改進后也逐漸成長為一個成熟的操作系統(tǒng)，并在全世界逐漸的流行開來。

PC時代1993年：我國接入Internet的第一根專線，中科院高能物理研究所租用ATT公司的國際衛(wèi)星接入美國斯坦福線性加速器中心的64K專線正式開通。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多萬個晶體管，工作在60-66MHz，每秒鐘可執(zhí)行1億條指令。

PC時代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算機歷史上最為優(yōu)秀的作品，因為它第一次讓玩家體驗到了流暢的三維空間。PC時代——windows操作系統(tǒng)1995年：微軟公司正式向全世界推出了劃時代的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時代——CPU1995年

intel公司正式宣布推出PentiumPro處理器，其最高速度達到了200MHz。1998年Intel推出了440BX芯片組。AMD公司推出了K6-2處理器，并使用低價策略處處緊逼intel公司。intel推出了裝有二級高速緩存的賽揚A處理器，這就是日后被眾多DIYer捧上神壇的賽揚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，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到1GHz的“Athlon”處理器，從而掀開了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，開始在低端市場向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，總線頻率達到了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。未來的計算機。。。1.1引言

1.什么是計算機？

計算機是一種設備（機器）由各種電子器件組成的設備（故也稱為電子計算機）能夠自動、高速、精確地進行算術運算、邏輯控制和信息處理的設備現代化的高科技設備

2.計算機的應用范圍概括起來說，計算機主要用于科學計算、信息（數據）處理和過程控制等領域?？茖W計算特點：①

采用高級語言編程；②

時間不會影響結果的有效性；③

不需要專門的輸入輸出設備。信息處理和過程控制特點：①

采用高級語言和匯編語言編程，并要求有較高的程序設計能力；②

對系統(tǒng)的實時性要求很高；③

需要專門的輸入和輸出設備。1.2計算機的發(fā)展概述

1.計算機的發(fā)展

計算機的發(fā)展依賴于電子技術，特別是微電子技術的發(fā)展。

(1)計算機從誕生至今已經歷了四代，現在正在開發(fā)第五代：

①

電子管計算機

②

晶體管計算機

③

集成電路計算機

④

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機2.計算機的發(fā)展趨勢朝兩個方向：①

巨型機:每秒上億次(容量大，速度快)②

微型機:臺式機、筆記本機、單板機、單片機、掌上機等（易普及，應用廣）

3.微型計算機是由微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口電路組成的計算機。其核心是微處理器，也稱CPU。它的發(fā)展幾乎每兩年翻一番。目前已經到了第五代：

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微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，如圖1.1所示。運算器（ALU）控制器（CU）寄存器陣列（RA）RAM、ROM、EPROME2PROM、Cache等輸入設備（鍵盤、鼠標等）輸出設備（顯示器、打印機等）外存儲器（軟驅、硬盤、光盤等）系統(tǒng)軟件用戶軟件(應用軟件)主機外圍設備硬件軟件微型計算機系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)接口電路內存儲器微處理器（CPU）圖1.1微型計算機系統(tǒng)的組成

1.硬件硬件是計算機工作的載體，是由各種電子器件組成的設備。主要包括微處理器、存儲器和輸入／輸出設備及其接口電路。如圖1.2所示。圖1.2微型計算機硬件系統(tǒng)的組成運算器控制器存儲器外存儲器I/O設備輸入輸出接口電路I/O命令CPU芯片主機取指令/存取操作數命令取指令/存取操作數結果輸出讀入指令/數據I/O子系統(tǒng)……

2.軟件

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

用戶軟件：也稱應用軟件。是指用戶為解決各種實際問題而編寫的程序。

系統(tǒng)軟件：是指不需要用戶干預，為其它程序的開發(fā)、調試以及運行等建立一個良好環(huán)境的程序。系統(tǒng)軟件又包括操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)和系統(tǒng)應用程序。

操作系統(tǒng)：用于提供人機接口和管理、調度計算機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驅動程序和文件管理程序等。

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

①

各種高級語言的編譯解釋程序；②

匯編程序；③

診斷和和調試程序；④

文字處理程序；⑤

服務性工具程序；⑥

數據庫管理程序等。1.4微型計算機硬件系統(tǒng)

1.微型計算機系統(tǒng)組成

到目前為止，計算機仍沿用1940年由馮·諾依曼首先提出的體系結構。其基本設計思想為：

①

以二進制形式表示指令和數據。(電子數字計算機)

②

程序和數據事先存放在存儲器中，計算機在工作時能夠自動地、高速地從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。

③

由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部件組成計算機系統(tǒng)。

簡單地講，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——二進制數

微型計算機體系結構的特點之一是采用了總線結構，通過總線將微處理器、存儲器、I/O接口電路連接起來，而輸入/輸出設備則是通過I/O接口實現微機的信息交換，如圖1.3所示。輸出設備輸入設備定時電路(CPU)RAMROMI/O接口地址總線(AB)數據總線(DB)控制總線(CB)圖1.3微型計算機硬件系統(tǒng)結構微處理器

所謂總線，是計算機中各功能部件間傳遞信息的公共通道。根據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)出到存儲器或I/O端口。

②

數據總線DB（DataBus）：雙向，由CPU送出或送往CPU。

③

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

2.微處理器

微處理器由運算器(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微處理器結構PCRAARDRIRIDPLA標志寄存器A…至外部CB微處理器（CPU）內部數據總線DB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H地址單元內容外部AB外部DBALUIR

(1)運算器 運算器又稱算術邏輯單元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，用來進行算術或邏輯運算以及多位循環(huán)等操作。

(2)控制器 控制器又稱控制單元(CU，ControlUnit)，是全機的指揮控制中心。它負責把指令逐條從存儲器中取出，經譯碼分析后向全機發(fā)出取數、執(zhí)行、存數等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。它應包括：①指令寄存器IR(InstructionRegister)：用來存放從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼。②指令譯碼器ID(InstructionDecoder)：用來對指令寄存器IR中的指令操作碼字段(指令中用來說明指令功能的字段)進行譯碼，以確定該指令應執(zhí)行什么操作。③可編程邏輯陣列PLA(ProgrammableLogicArray)：用來產生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種微操作控制信號，并經過控制總線CB送往有關部件，從而使計算機完成相應的操作。

(3)內部寄存器陣列

寄存器陣列RA(RegisterArray)實際上相當于微處理器內部的RAM。微處理器內部的寄存器有以下作用：○可避免頻繁訪問存儲器○縮短指令長度和指令執(zhí)行時間○提高機器的運行速度○方便程序設計

雖然不同計算機的CPU中其RA會有所不同，但一般至少要有以下幾個寄存器。①程序計數器PC(ProgramCounter)：程序計數器有時也被稱為指令指針I(yè)P(InstructionPointer)。它被用來存放下一條要執(zhí)行指令所在存儲單元的地址。②地址寄存器AR(AddressRegister)：地址寄存器用來存放正要取出的指令的地址或操作數的地址。③數據緩沖寄存器DR(DataRegister)：數據緩沖寄存器用來暫時存放指令或數據。④指令寄存器IR(InstructionRegister)：指令寄存器用來保存從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器對其操作碼字段進行譯碼，產生執(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)行算術邏輯運算時，它用來存放一個操作數，而運算結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，累加器是用來暫時存放ALU運算結果的。⑥標志寄存器FLAGS(FlagRegister)：標志寄存器有時也稱為程序狀態(tài)字PSW(ProgramStatusWord)。它用來存放執(zhí)行算術運算指令、邏輯運算指令或測試指令后建立的各種狀態(tài)信息以及對CPU操作進行控制的控制信息。

3.存儲器

這里講的存儲器是指內存儲器(由稱為主存或內存)。它是微型計算機的存儲裝置和記憶裝置，用來存放指令、原始數據、中間結果和最終結果。

(1)基本概念

①

位：二進制信息的最小單位。

②

字節(jié)：由8位二進制數組成,可以存放在一個存儲單元中。字節(jié)是字的基本組成單位。

③

字：計算機中作為一個整體來處理和運算的一組二進制數，是字節(jié)的整數倍。

④

字長：每個字包括的位數稱為計算機的字長。

⑤

存儲單元地址：每個存儲單元的編號稱為存儲單元地址。

⑥

存儲容量：內存中存儲單元的總數。

(2)內存的操作

CPU對內存的操作有兩種：讀或寫。

①

讀操作：是CPU將內存單元的內容讀入CPU內部。（非破壞性操作）

②

寫操作：是CPU將其內部信息送到內存單元保存起來。（破壞性操作）

操作過程：

①CPU給出地址信息（地址信息→AR→AB→譯碼→選中存儲單元）

②

CPU發(fā)“讀”或“寫”控制信號

③

取出或存入數據來自CPU的寫信號來自CPU的讀信號00H取出：內存單元數據→DB→DR→CPU內部；存入：CPU內部→DR→DB→內存單元數據。

10101101B00011010B10111010B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B10111010B地址內容地址譯碼器00H10101101B00011010B00000000B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B00000000B地址內容地址譯碼器存儲器讀操作存儲器寫操作

(3)存儲器的分類

按工作方式，內存可分為兩大類：隨機讀寫存儲器和只讀存儲器。

①

隨機讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）

作用：存放用戶程序,數據,部分系統(tǒng)程序。

特點：可隨機讀寫,但斷電后,內容丟失。

②

只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）

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

特點：只能讀不能寫,但斷電后內容不丟。

4.I/O接口與輸入輸出設備

I/O接口是微機與輸入輸出設備之間信息交換的橋梁。不同的外設必須通過不同的I/O接口才能與微機相連。

(1)常用的外設有：

①

輸入設備：鍵盤,鼠標,掃描儀,光驅等。

②

輸出設備：顯示器,打印機,繪圖儀等。

(2)外設的種類有：機械式、電子式、機電式、光電式等。（速度問題）

(3)外設的信號有：數字量、模擬量、開關量等。（信號問題）

(4)計算機是電子設備，采用的是數字信號。

因此，要解決計算機和外設之間的速度和信號之間的問題，就需要在它們之間有一種設備來實現速度匹配和信號