微型計算機課件：第1章 微型計算機的硬件基礎(chǔ)

?2014BIT

微型計算機的硬件基礎(chǔ)

北京理工大學(xué)

第一章微型計算機系統(tǒng)概論?2014BIT

1.1微型計算機概述

1.1.1計算機的發(fā)展

1.1.2微型計算機系統(tǒng)的三個層次

1.1.3微型計算機的常用術(shù)語

1.2微型計算機的基本組成

1.2.1計算機的組成

1.2.2微型計算機的硬件組成與結(jié)構(gòu)

1.2.3微型計算機的軟件

1.3微型計算機的工作原理

1.3.1微型計算機的結(jié)構(gòu)

1.3.2微型計算機的工作過程

地址

1嗎1.5Intel最新個人計算機

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1.1微型計算機的概述

?1/1.1計算機的發(fā)展：

?電子管計算機(1938-1955)

世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓

夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的ENIAC(ElectronicNumerical

IntegratorandComputer)

?晶體管計算機(1957-1964)

?中小規(guī)模集成電路計算機(1965-1970)

?超大規(guī)模集成電路計算機(1971■今)

，rUTE

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(1946,18000電子管，150千瓦，重

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年份大事

1938KonradZuse建成亍第二臺二進制的機電式通用計算機91

1943AlanTuring等建成了一臺真空管計算機

1945J.W.Mauchley教授等研制成ENIAC

1947由IBM公司和哈佛大學(xué)共同制成自動機電式哈佛MarkI計算機

1948曼徹斯特MarkI成為第一臺存儲程序的數(shù)字計算機

1952EDVAC研制成功

1952IBM制成第一臺軍用的存儲程序電子計算機IBM701

1954UmvacllO3A成為第一臺商業(yè)計算機，采用磁芯存儲器

1956采用晶體管的Univac商用計算機開發(fā)成功

I960DEC公司11月研制成PDP-1,第一臺具有顯示器和鍵盤的商用計算機

1961IBM公司研制成7030,號稱超級計算機

1962英國研制成Atlas計算機，首次采用虛擬存儲器和流水操作

1964IBM宣布System/360

1964CDC660。研制成功，第一臺商用超級計算機

1965DEC推出PDP-8,采用晶體管線路

1968SeymourCray設(shè)計成功CDC7600超級計算機，40MFLOPS

1971Intel推出第一個微處理器芯片4004

1972DEC推出PDP-11

1975第一臺微型機Altair8800研制成功

1976Cray-1研制成功，第一臺向量結(jié)構(gòu)超級計算機

1977TonyWCommodore推出商品微型機

1980Apollo公司研制成第一臺工程工作站

1981IBM推出PC機

1982Cr.X-MP推出，將兩臺Cray-1鏈接在一起

1982日本啟動“第五代”計算機項目

1985Cray-2和ConnectionMachine研制成功，性能均達每秒十億次運算

1989Cray-3研制成功，采用神化鎮(zhèn)芯片

1991Cr守Y-MPC90研制成功，采用16個處理機

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微型計算機的發(fā)展速度

?微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的

?微處理器的集成度每隔兩年就會翻一番，芯片的

性能也隨之提高一倍

摩爾定律

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微型計算機的發(fā)展

1971年?1977年是微處理器發(fā)展的早期階段：

?字長為4位或8位，集成度約為3000?10000晶體管/片,

微處理器的主頻為0.1?5MHz。

?1971年：Intel4004,是世界上第一片單片微處理器

?4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié)，指令系統(tǒng)包括

45條指令

?1972年：Intel8008,是世界上第一片8位微處理器。

?8008采用了10叩1生產(chǎn)工藝，集成度為3500個晶體管，

工作頻率為200KHZ。

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微型計算機的發(fā)展

?1974年：Intel8080

?采用了6|uim生產(chǎn)工藝，集成度為6000個晶體管，主頻為

2MHZo

■1975年4月，MITS公司推出了以8080為CPU的世界上

第一臺個人計算機Altair8800。值得一提的是，Altair

8800的BASIC語言解釋器是BillGates編寫的

■1976年：Intel8085Intel公司生產(chǎn)的最后一種8位通用

微處理器，

?8085的工作頻率提高到5MHz,指令系統(tǒng)的指令數(shù)上升

到246條。

，rUTE

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1974年INTEL8080

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X86系列微型計算機的發(fā)展

第一代：8086/8088（1978年-1981年）

?1978年--8086

?采用了3Hm工藝，集成了29,000個晶體管，工作頻率為4.77MHz。

它的寄存器和數(shù)據(jù)總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空

間達1MB。同時，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大的改進，采用了流水線

結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了6字節(jié)的指令預(yù)取隊列

?引入了段的概念。

?1979年—8088

?除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位

數(shù)據(jù)總線是為了利用當時現(xiàn)有的8位設(shè)備控制芯片。由于8088內(nèi)部

支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位，故8088稱為準16位微處

理器。

?1981年8月，舊M公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微

型計算機舊M5150PersonalComputer,即著名的IMBPC。

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1978年一8086

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第二代:80286（1982年-1984年）

?采用1.5nm工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率

為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是地址總

線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。

■1985年舊M公司推出以80286為CPU的微型計算機IBM

PC/AT,并制定了一個新的開放系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)，這就

是的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)（ISA）。該結(jié)構(gòu)提供了一個16位、

高性能的I/O擴展總線。

?80年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的

主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片

組（chipsets）o

?引入保護模式。支持虛擬內(nèi)存管理。

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第三代：80386（1985年"988年）

?第一個實用的32位微處理器，采用了1.5|LLm工藝，集成了

275,000個晶體管，工作頻率達到16MHz。80386的內(nèi)部寄存器、

數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的。通過32位的地址總線，80386

的可尋址空間達到4GB。這時由32位微處理器組成的微型計算機

已經(jīng)達到超級小型機的水平。

?80386的其他一些版本：80386SX,包含16位數(shù)據(jù)總線和24位地

址總線，尋址空間為16MB；80386SL/80386SLC,包含I6位

數(shù)據(jù)總線和25位地址總線，尋址空間為32MB。由于這些微處理

器由于與I/O之間傳輸為16位，故也稱為準32位微處理器。

?支持分頁方式內(nèi)存管理。

?!

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1985年:80386

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第四代:80486(1989年-1992年)

?采用1pim工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為

25MHZo80486微處理器由三個部件組成：一個80386

體系結(jié)構(gòu)的主處理器，一個與80387相兼容的數(shù)學(xué)協(xié)處

理器(FPU)和一個8KB容量的高速緩沖存儲器。

80486把80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了修改，大約有一半的指

令在一個時鐘周期內(nèi)疣成，而不是原來的兩個，這樣

80486的處理速度一般比80386快2到3倍。

?Intel公司還生產(chǎn)過80486的其他一些版本：80486SX,

工作頻率20MHz,不包含數(shù)學(xué)協(xié)處理器；80486DX2,

采用雙倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行速度達到66MHZ,內(nèi)存存取

速度為33MHz；80486DX4,采用三倍時鐘，內(nèi)部執(zhí)行

_____速度達到100MH乙內(nèi)存存取速度為33MHz。

^0

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第五代：Pentium（1993年-1997年）

?Pentium處理器的發(fā)展分成三代

?第一代Pentium處理器（以P5代稱，1993年）采用

0.8pim工藝技術(shù)，集成了310萬個晶體管，工作頻率為

60MHz/66MHZo

■第二代Pentium處理器（以P54c代稱，1994年）采用

0.6pim工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。

■第三代PentiumMMX（以P55c代稱1997年）增加了

57條多媒體指令

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1993年：IntelPentium

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?增加了一條執(zhí)行流水線，取得超標量（u,V）O

?8kbI-cache,8KBytesD-cacheo

?在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技術(shù)，可

以說它是CISC和RISC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第六代：P6(1996-1999)

?PentiumPro、PentiumII、PentiumIII

?采用0.6|iim工藝，集成度550萬-750萬晶體管,

時鐘頻率166MHz-1GHz,采用二級高速緩存，2級超

標量流水線結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行3條指令。

?PentiumII增力DlntelMMX技術(shù)。

?PentiumIII采用StreamingSIMDExtensions(SSE)

到結(jié)構(gòu)中.

，rUTE

1997年：IntelPentiumII

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2000年：IntelPentium4

1999年:IntelPentiumIII

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X86系列微型計算機的發(fā)展

?第七代Pentium4處理器(2000-2005)

?Pentium4處理器基于NetBurst?構(gòu)架，支持超線程，最高達到

3.4Go

?第八代Core?一一64位(2006-)

?Intel?dual-coreTechnology。

網(wǎng)

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?臺式機芯片Corei7980X

三

一=

?￡a

二!

,

匕

亥芯片都采用最新的32納米制造工藝，最低的Corei7980價格為999美元。

莢特爾在芯片上增加了AES-NI（高級加密標準新指令）技術(shù)，

再過增強加密性能提高安全性。

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ITANIUM2（2.14億晶體管,1GHz主頻，0.18微

米線寬，328個寄存器，....）

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X86系列微型計算機的發(fā)展

IntelPerformanceProcessors

iCOMP,Index3.0

IntoTPentium*IIIProcessor733MHz2510

IntelPentiumIIIProcMSor700MHz

IntelPentiumIIIPTOCMSOT667MHz

InWPentiumIIIPr1r650MHz

Into!PentiumHIProceMOT600EMHz2110

pontlum*MHz

IntelPenUumIIIProceseor550MHz1780

IntelPenbumIIIProcMtorMHx

IntelPenttumIIIProcMsor450MHz

onmdbcrMfy?MUff*necM?JO?W?m?f

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微型計算機的發(fā)展方向

A從單處理器向多處理器發(fā)展

80486有一個定點處理器，一個浮點處理器；Pentium有二個

定點處理器，一個浮點處理器；PentiumPro有四個定點處理

器，二個浮點處理器；

PentiumII片內(nèi)集成了二級Cache。

?指令系統(tǒng)由復(fù)雜指令系統(tǒng)向精簡指令系統(tǒng)發(fā)展

復(fù)雜指令系統(tǒng)(CISC-ComplexInstructionSetComputer)

精簡指令系統(tǒng)(RISC-ReducedInstructionSet)

Computerlntel80486以上均支持精簡指令

A嵌入式處理器(單片機)應(yīng)用前景廣闊

該類處理器主要應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)或家用電器等專用場合。

INTELMSC-51,96單片機；ARM；PowerPC；DSP數(shù)字信號

處理器。

鼠叫其"

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A由單核處理器想多核處理器發(fā)展

A生產(chǎn)制造工藝發(fā)展，集成度越來越大

“Tick”代表新的制程,比如65nm、45nm,制程的

升級通常在奇數(shù)年，現(xiàn)在是32nm,下一代是22nm。

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1.1.2微型計算機系統(tǒng)的三個層次

?微處理器

?嚴格講，微處理器WCPU

?CPU指的是計算機中執(zhí)行運算和控制功能的區(qū)域，由算

術(shù)邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要部分組成

?把CPU和一組稱為寄存器(Registers)的特殊存儲器

集成在一片大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路封裝之

中，這個器件才被稱為微處理器

，rUTE

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?微型計算機

?以微處理器為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的只讀存

儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM）、輸入/輸出接口

電路及系統(tǒng)總線等所組成的計算機，稱為微型計算機。

?將這些組成部分集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱

為單片微型計算機，簡稱單片機。

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?微型計算機系統(tǒng)

以微型計算機為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備以及

控制微型計算機工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型

計算機系統(tǒng)。

微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機

?軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。

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1.1.3微型計算機的常用術(shù)語

?1.位和字節(jié)

?位(bit)是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單

位，它指的是取值只能為?；?的一個二進制數(shù)值位。

位作為單位時記作b

?字節(jié)(byte)由8個二進制位組成，通常用作計算存

儲容量碣單位。字節(jié)作為單位時記作B

?K是kelo的縮寫，1K=1024=210；

?M是mega的縮寫，1M=1024K=220；

?G是Giga的縮寫，1G=1024M=23。；

是tera的縮寫，1T=1024G=24。。

工切______________

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?字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的

位數(shù)，它通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位

數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、

16位和32位等等。

?8088稱為準16位微處理器，而80386sx稱為準32

位微處理器。

"rm半字節(jié)

30

字節(jié)

7430

1111111TTTI川I字

F870

1111111TTI11111111ITT雙字

1F18171^870

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?主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主

頻越高表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。

?早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從

80486DX2開始，主頻=外部總線頻率x倍頻系數(shù)

?外部總線頻率頻率通常簡稱為外頻，它的單位也是MHz,

外頻越高說明微處理器與系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)交換的速度越快，

因而微型計算機的運行速度也越快。

?倍頻系數(shù)是微處理器的主頻與外頻之間的相對比例系數(shù)。

?通過提高外頻或倍頻系數(shù)，可以使微處理器工作在比標稱

主頻更高的時鐘頻率上，這就是所謂的超頻。

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?MIPS是MillionsofInstructionPerSecond的縮寫，用來

表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指

令

?由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，所以MIPS

通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)

計平均值。

?主頻為25MHz的80486其性能大約是20MlpS,

?主頻為400MHz的PentiumII的性能為832MIPS

，rUTE

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?5.iCOMP(IntelComparativeMicroprocessor

Performance)微處理效率E匕載指數(shù)

?iCOMP指數(shù)是Intel公司為評價其32位微處理器的性能而

編制的一種指標，它是根據(jù)微處理器的各種性能指標在微

型計算機中的重要性來確定的，iCOMP指數(shù)包含的指標

有整數(shù)數(shù)學(xué)計算、浮點數(shù)學(xué)計算、圖形處理以及視頻處理

等，這些指標的重要性與它們在應(yīng)用軟件中出現(xiàn)的頻度有

關(guān)，所以iCOMP指數(shù)說明了微處理器在微型計算機中應(yīng)

用的綜合性能。

?例如一開始的386DX33的ICOMP為68,486DX4/100為

420,后來由于CPU處理器的速度飛速發(fā)展,ICOMP指數(shù)

又經(jīng)歷了InteICOMPlndex2.0發(fā)展到了ICOMPlndex3.0o

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?6.微處理器的生產(chǎn)工藝

?指在硅材料上生產(chǎn)微處理器時內(nèi)部各元器件間連接線的

寬度，一般以nm、nm為單位，數(shù)值越小，生產(chǎn)工藝越

先進，微處理器的功耗和發(fā)熱量越小。

?目前微處理器的生產(chǎn)工藝已經(jīng)達到90nm-65nm,45nm,

32nm,22nm。

?7.微處理器的集成度

?指微處理器芯片上集成的晶體管的密度。

?最早Intel4004的集成度為2250個晶體管，目前Pentium

III的集成度已經(jīng)達到750萬個晶體管以上，集成度提高了

3000多倍。

L^ltanium2的集成度已經(jīng)達到近10億個晶體管，即將發(fā)布

^^20億的新的處理器。

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?什么是迅馳技術(shù)？

英特爾于2003年3月12日，面向筆記本電腦推出的無線移動計算技

術(shù)的品牌名稱。迅馳(Centrino)是:Centre(中心)寫Neutrino

(中微子)兩個單詞的縮寫。它由三部分組成：移動式處理器

(CPU)、相關(guān)芯片組以及802.11無線網(wǎng)絡(luò)功能模塊。迅馳品牌,

是英特爾首次將一系列技術(shù)用一個名字來命名。

英特爾“迅馳”移動計算技術(shù)是新一代筆記本電腦使用的創(chuàng)新技

術(shù)。用這個技術(shù)裝備的筆記本電腦，將使用戶脫離纜線的約束，

真正做到在移動中進行工作、學(xué)習(xí)、休閑、上網(wǎng)。而且在增加電

池壽命的同時，筆記本也將變得又輕又薄。這種創(chuàng)新的技術(shù)不僅

為筆記本系統(tǒng)帶來嶄新的性能和低功耗，并把無線通信和安全功

能集成在本機芯片中。

?專用的PENTIUM-M處理器，加專用的芯片組,加專用的獨立無線網(wǎng)

?2014BIT

9什么是酷睿？

?“酷?！笔且豢铑I(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，設(shè)計的出發(fā)點是提供卓

然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。

早期的酷睿是基于筆記本處理器的。

?酷睿2：英文Core2Duo,是英特爾推出的新一代基于Core微架

構(gòu)的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱之一。于2006年7月27日發(fā)布?？犷?,是一

個跨平臺的構(gòu)架體系，包括服務(wù)器版、桌面版、移動版三大領(lǐng)域。

其中，服務(wù)器版的開發(fā)代號為Woodcrest,桌面版的開發(fā)代號為

Conroe,移動版的開發(fā)代號為Merom。特性：

全新的Core架構(gòu)

全部采用65nm制造工藝

全線產(chǎn)品為單核心，雙核心，四核心，目前為止L2緩存容量存在

2MB和4MB兩個版本，上市時曾出現(xiàn)過2MB緩存容量

性能提升40%

能耗降低40%,主流產(chǎn)品的平均能耗為65瓦特

總線提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，

Mhz(Merom)

迎端之

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?2007年8月28日，北京——英特爾公司今天推出了面

向企業(yè)和IT部門的最新一代英特爾?博銳丁乂處理器技術(shù),

從而進一步增強了臺式機的安全性。

?采用全新強大的英特爾?酷睿TM2雙核處理器、英特爾?

Q35Express高速芯片組以及多項技術(shù)創(chuàng)新，能夠為臺

式機帶來一系列的安全特性和管理能力，并且能夠遠程關(guān)

機并隨時根據(jù)需要喚醒臺式機，從而減少電源消耗。

?英特爾博銳處理器技術(shù)（前期開發(fā)代號為Weybridge）

中還添加了眾多的安全特性，旨在防護基于軟件的攻擊，

同時過濾并防御病毒及其它威脅。

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11Tick-Tock”硅與微架構(gòu)發(fā)展戰(zhàn)略

?Tick-Tock”可以分為“Tick”與“Tock”，其中“Tick”

代表新的制程，比如65nm、45nm,制程的升級通常

在奇數(shù)年，比如2007年；而“Tock”代表微架構(gòu)的升

級,比如從酷睿2至!jNehalem,通常在偶數(shù)年,如

2008年。因此，“Tick-Tock”的一個周期大約為兩年。

這也是Intel為挑戰(zhàn)未來十年甚至更遠的處理器市場發(fā)

展制定的戰(zhàn)略計劃。

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IntelTick-Tock

Innovabondrivenbymanufacturingprocess

andmicroprocessoradvancesPERFORMANCE

NEl^CAPABILITIES

ENERGYEFFICIENCY

FORMFACTORADVANCES

65nmInterCore^45nmIntermicro-32nmIntelmicro-22nm

micro。architecturearchitecture

architecturecodenamecodename

NehalemSandyBridge

n-zWhereweregoingandwherewevebeen

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1.2計算機及微型計算機的組成

1.2.1計算機

用戶觀察到的計算

機硬件系統(tǒng)

Pro-700L

OI>

II9圖L0計算機的組成-1

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?主機：包含了除輸入/輸出設(shè)備以外的所有部件，是

一個能獨立工作的系統(tǒng)，所以有時也將主機稱為微型

計算機。

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計算機的硬件系統(tǒng)

?2014BIT

IIII

n

u

n

nHl

n三

n三

n一

T

nH

i

nr

n

nn

ny

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ABDBCB

Itw圖1.1微型計算機的組成?2

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專

總線插槽

業(yè)主機箱

主板（CPU、芯片組、

用

BIOS、RAM等）

戶

顯示卡

觀

察

鍵盤接口

到

的并行接口

計

算SSnDOOL

口=還、

機光驅(qū)

硬串行接口

件

調(diào)制解調(diào)器

系

軟驅(qū)鍵盤接口

統(tǒng)

圖1.3計算機的組成?3

?2014BIT

系統(tǒng)級

計算機設(shè)計者觀

察到的計算機硬

寄存器級

件系統(tǒng)

門級

晶體管級

物理級

圖1.4計算機的組成?4

?2014BIT

微型計算機的硬件組成

（1）微處理器（Microprocessor）

主要由算術(shù)邏輯部件（ALU）、累加器、通用寄存器組、控制

邏輯部件、內(nèi)部總線等組成。主要用途是產(chǎn)生時序控制信號、指

令譯碼、執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算等。

A算術(shù)邏輯部件（ALU）：

完成算術(shù)運算（+、一、X、!）等操作；

完成邏輯運算（與、或、非、異）等操作；

A通用寄存器組：

數(shù)據(jù)寄存器：AX、BX、CX、DX

指針及變址寄存器：SP、BP、SI、DI、IP

標志寄存器：FLAG

■段寄存器：CS、DS、SS、ES

?2014BIT

空制器：

工捕旨是執(zhí)行指令、控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果

輸出、異常情況和某些請求的處理；

絹成?

一程序計數(shù)器PC；

指令寄存器IR；

指令譯碼器；

時序部件；

微操作控制信號形成部件；

中斷機構(gòu)；

A內(nèi)部總線：

用來傳送CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)及控制信號。

?2014BIT

(2).存儲器(Memory)

?內(nèi)部存儲器，簡稱內(nèi)存或主存，指CPU可以通過地址直

接讀寫的那些存儲單元，存放當前要執(zhí)行的程序和要處理

的數(shù)據(jù)。又分為：

?RAM隨機存取存儲器：SRAM、DRAM；

?ROM只讀存儲器：PROM、EPROM、EEPROM；

?外部存儲器，簡稱外存：硬盤、軟盤、磁帶、光盤。其中硬盤

接口的作用是將硬盤中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存或其他應(yīng)用系統(tǒng)中。

典型的硬盤接口有：

?IDE(IntegratedDriveElectronics)標準接口；

?SCSI(SmallComputerSystemInterface)標準接口；

?ESDI標準接口；

?IPI標準接口；

CACHERAM

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內(nèi)存外存

?2014BIT

（3）輸入/輸出單元

實現(xiàn)微處理器與外界之間的信息交換。主要實現(xiàn)與

外設(shè)之間的速度匹配、信號電平匹配、信號格式匹配、時

序控制、中斷控制等。

是用來輸入數(shù)據(jù)（通常是原始數(shù)據(jù)）和程序的裝置，其功能

是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機內(nèi)的表示形式并傳送到計算機內(nèi)部。常見

的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、圖形數(shù)字化儀、圖像掃描儀、數(shù)字照相

機和數(shù)字攝像機，等等。

是用來輸出數(shù)據(jù)（通常是處理結(jié)果）和程序的裝置，其功能

是將計算機內(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算

機外部。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖機，等等。

?2014BIT

?常用的輸入輸出接口芯片主要有：

?緩沖器：74LS244、74LS245

?鎖存器：74LS373

?可編程中斷控制器8259A；

?可編程計數(shù)器/定時器8253

?可編程外圍接口芯片8255A；

?串行通信和可編程接口芯片8250A

?模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器

____?DMA控缶U器

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(4)系統(tǒng)總線(systembus)

在計算機系統(tǒng)中，各個部件之間傳送信息的公共通

路叫總線。總線標準有以下四個特性：

/物理特性：指總線物理連接的方式。

/功能特性：描寫這一組總線中每一根線的功能。

包括：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

/電器特性：定義每一根線上信號的傳遞方向及有

效電平范圍。

/時間的定義每一根總線上的信號在什么時候

有效。

?2014BIT

按照傳送的信息類型和功能可將總線分為:

(AddressBUS)

地址總線是專門用來傳送地址信息的總線，一般

為單向傳送，即由MPU發(fā)出。

/數(shù)據(jù)總線DB(DataBUS)

數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)，具有雙向傳送功能。

/控制總線CB(controlBUS)

控制總線用于傳送各種控制信號。

★總線上的信號必須與總線相連的各個元件產(chǎn)生的

信號相一致。

?2014BIT

?從傳輸方向上看，數(shù)據(jù)總線是雙向的，即數(shù)據(jù)可以從

CPU傳送到其他部件，也可從其他部件傳送到CPU。

?地址總線是單向的，即地址只能由CPU傳送到存儲器或

I/O端口，用以給出CPU將要訪問的部件的地址。

■控制總線中的信號線有的是單向的，也有的是雙向的。

?2014BIT

?(5)時鐘電路

?是微型計算機的心臟，它可使微處理器和總線控

制器之間實現(xiàn)同步。微處理器通常需要1?4個相位

時鐘。

?微處理器的工作時鐘一般有兩種產(chǎn)生方法：

??由專用時鐘電路加發(fā)振晶體產(chǎn)生工作時鐘，然

后送到微處理器時鐘引腳。

?發(fā)振晶體直接加到微處理器時鐘引腳，由微處

理器內(nèi)部時鐘電路處理后生成工作時鐘。

?2014BIT

1.2.3微型計算機的軟件

計算機軟件通?？梢苑殖上到y(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件-指系統(tǒng)應(yīng)該配置的那一部分軟件，用于對

計算機的管理和使用。例如操作系統(tǒng)、編譯程序、匯編

程序、調(diào)試程序、診斷程序、標準程序庫等，還包括各

種各樣的高級語言的編譯器、匯編程序、文本編輯等。

編程可分為三級，它們是：

/機器語言

/匯編語言

/高級語言

?2014BIT

?匯編語言具有以下優(yōu)點：

需要較少的存儲器和較少的執(zhí)行時間；

具有解決高技術(shù)問題的能力，而這些問題對于高級語言來說是

困難的，甚至是無法解決；

可以幫助人們更好地理解計算機的結(jié)構(gòu)和工作原理。

?應(yīng)用軟件■■是為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件。

它可以是一個特定的程序，比如一個圖像瀏覽器。

也可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程

序的集合，比如微軟的Office軟件。

?2014BIT

微型計算機的軟硬件組成

CPU

r主機Memory一RAM,ROM

iI/O口

（硬件

「I/O設(shè)備一輸入設(shè)備，輸出設(shè)備

I外設(shè)

數(shù)據(jù)通道一軟盤，硬盤，光盤

〔外部電路一ADC,DAC

MCS<

「系統(tǒng)軟件-如操作系統(tǒng)Windows,Linux等

軟件<應(yīng)用軟件一Office,MSN,Protel

編程語言及數(shù)據(jù)庫一Oracle,Sybase,SQL

?2014BIT

1.3計算機的工作原理

1.3.1微型計算機的結(jié)構(gòu)

（1）馮?諾依曼計算機由

五部分組成，如圖

1.5所示。

?數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存

儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進制形

?控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（即程序）工

作，并由一個程序計數(shù)器（PC）控制指令的執(zhí)行?？?/p>

制器具有判斷能力，能夠根據(jù)計算結(jié)果選擇不同的動

作流程

I<3

?2014BIT

輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備

命

程序和數(shù)命輸出結(jié)果

狀

指

狀

令

地

據(jù)輸入令

態(tài)

令

態(tài)

址

和

和

和

和

應(yīng)

應(yīng)

請

請

答

答

求

求控制器

圖1.5馮?諾依曼計算機的組成

?2014BIT

?馮?諾依曼的設(shè)計思想被譽為計算機發(fā)展史上的里

程碑，標志著計算機時代的真正開始。

雖然計算機技術(shù)發(fā)展很快，但“存儲程序原理”

至今仍然是計算機內(nèi)在的基本工作原理。自計算

機誕生的那一天起，這一原理就決定了人們使用

計算機的主要方式——編寫程序和運行程序。

?2014BIT

?存儲程序工作原理是指把程序存儲在計算機內(nèi)，使計

算機能像快速存取數(shù)據(jù)一樣地快速存取組成程序的指

令。為實現(xiàn)控制器自動連續(xù)地執(zhí)行程序，必須先把程

序和數(shù)據(jù)送到具有記憶功能的存儲器中保存起來，然

后給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據(jù)存

儲程序中的指令順序周而復(fù)始地取指令、譯碼、執(zhí)行,

直到完成全部指令操作為止，即控制器通過指令流的

串行驅(qū)動實現(xiàn)程序控制。

?2014BIT

(2)哈佛結(jié)構(gòu)與改進的哈佛結(jié)構(gòu):

?利用相互獨立的存儲器模塊分別存儲指令和數(shù)據(jù)，

以便實現(xiàn)并行處理；

?具有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可以同時取指令

和操作數(shù)，提高了處理速度。

A改進的哈佛結(jié)構(gòu)增加了可以混合存放數(shù)據(jù)和指令的

存儲模塊。

?2014BIT

1.3.2微型計算機的工作過程

?微型計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組

成，因此，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條地

從存儲器中取出指令并完成指令所指定的操作。

?由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所

以，微型計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的

過程，直到遇到停機指令時才結(jié)束機器的運行。

?2014BIT

微型計算機的工作過程

計算1+2=?

匯編語言程序?qū)?yīng)的機器指令對應(yīng)的操作

MOVAL,110110000將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中

00000001

ADDAL,200000100計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中

00000010

MOV[0008],AL10100010將AL中的數(shù)傳送到地址單元0008

00001001

00000000

HLT11110100停機

?2014BIT

微型計算機的工作過程

控制信號

程序*呼《PC）寄存器1

內(nèi)總線

地址叫卜（MAR）

O0

10110000

O1

O200000001

O300000100

O400000010

------------讀控制

O510100010

------------耳控制

O600001001

內(nèi)存儲器

O700000000

11110100

?2014BIT

1.4地址

?所有的存儲單元和I/O寄存器總是以字節(jié)為單位，每個字節(jié)都有

與之相聯(lián)系的辨識地址。

?地址是由多位數(shù)組合而成，所有可能的組合，形成了一個地址空

間。

A地址線的多少決定了地址空間的大小，假設(shè)地址為n位寬，那么將

有2n個地址(即0?2rM),

假設(shè)有20根地址線，則占有的存儲容為22J1MB；

?對于字或字節(jié)的位可用號碼來標識：

例如：b計0是指最低有效位(LSB,LeastsignificantBit)

bit7是最高有效位(MSB,MostsignificantBit)

?2014BIT

?為了準確地對存儲器進行讀或?qū)?，通常以字?jié)（或以

字）為單位將存儲器劃分為一個個存儲單元，并依次

對每一個存儲單元賦予一個序號（從零開始的無符號

整數(shù)），該序號稱為。

?存儲單元中存放的數(shù)據(jù)或指令稱為。

地址是識別存儲器中不同存儲單元的惟一標識，如圖

L6所不。

，rUTE

?2014BIT

圖1.6存儲器及其地址

?2014BIT

?存儲單元的地址和內(nèi)容都是二進制數(shù)碼，但它們是完全不

同的兩個概念，如同高級語言中的變量名和變量的值是不

同的兩個概念一碎。

?地址的位數(shù)由控制器地址線的位數(shù)確定