微型计算机原理及应用.ppt

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1、微型计算机原理及应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目录序言第一章概论第二章微型计算机体系结构第三章指令系统第四章汇编语言程序设计第五章输入/输出接口(并行接口和DMA接口)第六章中断第七章计数/定时技术第八章串行通信第九章微型计算机存储器第十章总线第十一章高性能微处理机及其相关技术第十二章模拟接口（视时间定）序 言脑科学的结论告诉我们：人的左脑主司数学运算、逻辑思维及语言表达；右脑主司整体感觉、综合判断及直觉顿悟。制造计算机就是为了把我们左脑的重

2、复性劳动及程序性工作交出去，以便更好地创新。计算机发展历史简介：中国：古人用算筹计算，算盘法国人帕斯卡和德国人莱布尼兹：机械式加法器对数计算尺19世纪英国人：机械式计算机美国人霍勒里斯：数据处理器1924年霍勒里斯创办制表机器公司，后与其他公司合并，改为IBM20世纪初（1906年）发明电子三极管40年代：继电器计算机1945年：ENIAC第一台电子管计算机1946年：冯诺依曼计算机结构1949：英国剑桥大学制成世界上第一台程序内存的电子计算机，叫EDSAC第一代：1945年电子管计算机，ENIAC第二代：1959年晶体管计算机，IBM1403第三代：1962年，集成电路计算机，IBM360第

3、四代：1972年，大规模集成电路计算机，IBM370。计算机微型化1971年INTEL公司第一个微处理器4004第五代：20世纪80年代，超大规模集成电路计算机；微机进一步发展，从8080到80486第六代：20世纪90年代，超大型机和智能计算机；微机从586到P2、P3、P41945年世界上第一台计算机ENIAC诞生，至今已有59年，发展速度非常快。一、电子数字计算机 电子计算机总体上分为两类：电子模拟计算机和电子数字计算机。两者比较如下：比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无本书只

4、讲电子数字计算机。数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。我们主要介绍通用计算机，它又可分低单片机高体积功耗微型机性能数据存储量小型机简易性指令系统价格中型机大型机高巨型机低为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（超级微电脑）和单片机六大类，它们的区别在于体积、简易性、功耗、性能指标、数据存储量、指令系统规模和价格，如上图所示。1、巨型机（超级计算机）1996年美国Intel公司首次突破万亿次/秒大关，达到1.4万亿次/秒；美国RS6000，2万亿次/秒；“白色ASCI”（2000年）12.3万亿次/秒。我国1992年银河-为10亿次/秒，1996年银河-为100亿/秒1999年中国神威号

5、已达3840亿次/秒。2002年8月联想集团推出深腾1800每秒1.027万亿次浮点运算超级计算机，在2002年11月全球超级计算机中排名第43位。2003年联想集团将推出4万亿次/秒超级计算机。目前全球最快的计算机是日本NEC的用于“地球模拟”的超级计算机，35.86万亿次/秒，排在第一位。排在第二位和第三的是美国HP公司造的两台超级计算机，运算速度均为每秒7.73万亿次（到2002年底）。最新报道，世界上超级计算机正在开始王中王的角逐。Cray公司将推出最新的X1超级计算机，速度52万亿次/秒。IBM公司将为美国政府提供两台超级计算机，一台名为ASCIPurple，速度为100万亿次/秒；

6、另一台名为BlueGene/L，将达到360万亿次/秒，预计2005年交付使用。主要用于武器、生物技术和高能爆炸的模拟计算。全球500台超级计算机中91%由美国制造，其中惠普占137台；IBM占131台，SUN公司占88台（到2002年底）。我国计算机发展简介：1957年，哈尔滨工业大学研制成功我国第一台模拟式电子计算机。1958年，中国第一台计算机103型通用数字电子计算机研制成功，运行速度每秒1500次。1973年，中国第一台百万次集成电路计算机研制成功。1977年，中国第一台微型计算机DJS050机研制成功。1983年，银河号巨型计算机研制成功，运行速度每秒1亿次。1986年，中华学习机

7、投入生产。1987年，第一台国产的286微机长城286正式推出。1990年，长城486机问世。1992年11月，中国第一台10亿次巨型银河计算机型通过鉴定。1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒25亿次。1996年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。1997年6月，130亿次巨型银河计算机3型通过鉴定。1998年，中国微机销量达到408万台，国产占有率高达71.9%。1999年8月，神威计算机达到3840亿次2000年，曙光2000-，速度达到1170亿次/秒2002年8月，联想深腾1800超级计算机每秒1.027万亿次。2003年11月17日消息：美国能源部劳伦斯伯克利国

8、家实验室16日公布了最新的全球超级计算机500强，中国联想集团为中科院建造的“深腾6800”以每秒4.183亿次的运算速度位居第14位。这也是迄今为止中国超级计算机在这一排名中取得的最好成绩。全球超级计算机500强评比一年两次，1993年发起至今已经进行了22届。评选由美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室、田纳西大学和德国的曼海姆大学共同完成.2003年7月23日，新华网报道，国家曙光信息产业集团宣布，2004年将建造一台每秒10万亿次的超级计算机，代号为“曙光4000A”，将采用2000多个64位AMDOpteron处理器。2003年11月26日，北京晚报报道：清华大学研制出万亿次超级计算机“

9、深超-21C”，最高速度到达15000亿次/秒，在全球排在第78位。2003年12月15日报道，曙光信息产业集团在北京宣布，将为上海超级计算中心建造一台运算速度每秒十万亿次的高性能计算机，用于航天、航空、汽车制造和精确天气预报。使我国成为继美国和日本后，第三个拥有制造十万亿次超级计算机能力的国家。2、微型机（微处理器）第一代：4位机，4040第二代：8位机，8080，6800，Z80第三代：16位机，8086，68000，Z8000第四代：32位机，80386，68020，Z80000第五代：64位机，Pentium,P2、P3、P4半导体技术从1m、0.5m、0.35m、0.25m0.18m

10、、0.15m、0.13m、0.1m80X86系列，奔4已达2.2GHZ(0.13微米）至3.4GHZ。微型机的核心部件是微处理器，也称为CPU。我国的计算机产业就是要有自主知识产权的CPU。科学院：2002年9月龙芯1号（主频300MHz）2003年12月龙芯2号（主频500MHz）上海交大：2003年2月汉芯1号（16位DSP）汉芯2号（24位DSP）2003年12月汉芯3号（32位DSP）北京大学：众志，1999年12月16位CPU2000年12月16/32位CPU2003年12月众志-863CPU（用于网络计算机）同济大学：神芯1号、神芯2号（用于手机）中星微电子公司：星光1号、星光2号

11、、星光3号北京中芯微系统公司：方舟1号、方舟2号、方舟3号复旦大学：神威1号（嵌入式32位CPU）哈工大：S698处理器（系统级设计平台）3、超级微电脑比药片还小的电脑进入人体。探索电脑与人脑的连接，将记忆芯片装入大脑，使电脑直接接受人脑的意念。微处理器首 批生 产时间性能(MIPS)首 批CPU频 率MHz集成度(百万)寄 存器 宽度外 部数 据总 线宽度最大寻址空间内含高速缓存大小808619780.880.12916161MB无8028619822.712.50.134161616MB无80386DX19856.0200.27532324GB无80486DX198920251.23232

12、4GB8KBL1Pentium1993100603.132644GB16KBL1PentiumPro19954402005.5326464GB16KBL1256KB或512KBL2PentiumII19974662667326464GB32KBL1256KB或512KBL2PentiumIII199910005008.2326464GB32KBL1512KBL2PentiumIV20001000100以上326464GBL1、L2注:MIPS每秒百万条指令微处理器地址与数据接口总线宽度二、光子计算机光子计算机中信息传输的介质是光。电子在固体中最大运动速度是593公里/秒，而光速是30万公里/秒

13、。光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而要想制造出真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶

14、体管这一基础元件。一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需要的条件如温度等仍较为苛刻，尚难于进入使用阶段。美国马萨褚塞州的一家光学技术公司-光导发光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光子计算机的：“光”路板，实现对光子移动的控制，并有望在今年（2000年）取得突破。1999年5月，在美国西北大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研出世界上最小的光子定耦合器，可以在宽度仅0.2至0.4微米的半导体层中对光进行分解和控制。下面推荐几片文章：1、突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机光子计算机展望_大众科技科技时代

15、_新浪网http:/ 4、从数字时代到量子时代：美国著名科学家、从数字时代到量子时代：美国著名科学家KAKUKAKU谈谈量子计算机量子计算机 5 5、印度科学家预言量子计算机将在、印度科学家预言量子计算机将在5 5年内问世年内问世 http:/ 2000/01/1211:08 科技日报6 6、量子计算机、量子计算机 http:/ 7、德科学家研制出五量子位量子计算机、德科学家研制出五量子位量子计算机http:/202.84.17.82/keji/751702011.htm8、科技文萃、科技文萃美研制出量子计算机美研制出量子计算机http:/ 子 计 算 机 量子计算机是一类遵循量子力学规律进行

16、高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早

17、期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性：如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠

18、加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目

19、前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用

20、它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。摘自科技日报四、生物计算机美国普林斯顿大学的研究人员新近开发出一种使用（核糖核酸）来解决计算问题的简单的生物计算机，这是分子计算领域取得的新突破。科学家研制的RNA计算机实际上是一个含有1024种不同RNA链的试管。研究者指出，用分子计算来处理某些问题比传统的计算方法更为有效。将生命活动的指令进行编码的遗传分子DNA和RNA里可储存比常规存储芯片更多的数据，试管状的生物计算机中含有大量遗传物质片段，每一个片段就是一个微型计

21、算工具，因此生物计算机能够同时进行数千次甚至上百万次计算。兰德韦贝指出，计算机在研制方面比计算机有优越性，因为研究人员不能随心所欲地剪切A分子，但只需一把“全球通剪刀”即一种切割酶就能随意剪切分子。自年美国南加州大学的科学家首次提出计算机理论以来，生物计算机日益引起关注，美国现有十多个研究小组从事此类研究。下面推荐几片文章：1、生物计算机生物计算机日本的下一代计算机http:/ 物 计 算 机70年代就有人发现，脱氧核糖核酸处在不同状态下，可产生有信息和无信息。联想到晶体管的通导或截止电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，激发了科学家们去研制生物电子元件的灵感。脱氧核糖核酸即DNA，由于生物电子

22、元件比硅芯片上的电子元件要小很多，甚至可小到几十亿分之一米。而且，生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型硅集成电路高5个数量级。如果让几万亿个DHA分子在某种酶的作用下进行化学反应，就能使DNA计算机同时运行几十亿次，这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计算机快十万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。如体积为一立方米的液体DNA计算机，存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多。美国科学家首创的DNA计算法，就是利用核苷酸A与T、G与C各自的结合方式，成功地求解了复杂的数学难题，他们还计划继续求解更多的数学难题。预计有可能在今后5年内将实用

23、的生物计算机推向世界。许多科学家认为，21世纪将是生物计算机的时代。世界最小生物计算机问世:靠DNA运行2003-02-27日前，以色列科学家研制出一“台”速度达每秒330万亿次运算的生物计算机。这种计算机的运算速度比现在普通计算机快10万倍。它的运算速度何以如此之快？其中的奥秘是：它依靠DNA运行。美国国家地理杂志报道称，一年前，以色列维茨曼科学研究所的研究人员开发出一种由DNA和生物酶分子制成的可运行程序的分子计算机。现在，该研究所的研究人员又研制出一种速度更快的计算机。这种计算机中的DNA既可以为整个计算机提供输入信息，又可以为计算机提供运行所必须的能量。这种计算机可以算得上生物计算机上

24、的一个巨大进步。上周，吉尼斯世界纪录宣布这台计算机是世界上迄今为止最小的生物计算目前，生物计算机仅处于起步阶段，要想真正了解更多的奥秘还需学应用领域内它将发挥更为重要的作用。这种计算机内部有一个叫FokI的生物酶，FokI生物酶打破DNA双螺旋结构中的连接键，DNA就可以为计算机提供足够的能量。利用DNA来储存和处理信息的创意始于1994年，当时一位加州科学家首次使用试管中的DNA来解一道简单的数学题。其实，这种创意最终还是来自于大自然。大自然中早就存在生物纳米计算机，几乎所有的生物中都含有这样的计算装置。但是，这些天然的计算装置不是由人类控制的。比如，我们就无法让一棵树计算出圆周率小数点后面

25、的数字。因此，科学家就想研制出一台可以人为控制的生物计算机，生物计算机就诞生了。自从第一位科学家的大胆尝试之后，世界上就有许多科研单位开始研制生物计算机。看来，这种生物计算机的前景不容小觑。(上海青年报记者汪庆红)2004年1月28日解放日报报道：上海交大宣布：交大生命科学研究中心和中科院上海生命科学院营养科学研究所已经在试管中完成了DNA计算机的雏形研制工作，标志着我国第一台“DNA计算机”在上海问世。五、分子计算机分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少，并能更长期地存储大量数据。洛杉矶加洲大学和惠普公司研究小组曾在英国科学杂志上发文，称他们能通过把能生成晶体结构的轮烷分子夹在金属电极之间，制作出分子“逻辑门”这种分子电路的基础元件。美国国家橡树岭实验室则采用把菠菜中的一种微小蛋白质分子附着于金箔表面并控制分子排列方向的办法制造出逻辑门。这种蛋白质可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高。下面推荐几片文章：1、分子、dna、量子光子计算机展望http:/