理学微机原理概述.pptx

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1、第一节 计算机发展概述计算机的分类计算机的发展历程计算机的应用领域第1页/共68页计算机的分类计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机1989年由IEEE巨型机委员会提出的运算速度分类法 巨型机是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。通常有极高的速度、极大的容量。核物理研究、核武器设计、航空航天器设计、国民经济预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理等第2页/共68页2008年，美国已研制出新一代全球最快计算机，最大运算速度每秒1000万亿次，比此前全球最快计算机、研制的“蓝色基因”快1倍多。，“走鹃”一天的计算量相当于地球上60亿人每周7天、每天24小时不吃不喝用计算器

2、算46年。2010年10月28日消息，中国高性能计算机TOP100组织今天发布数据，“天河一号”超级计算机二期工程系统峰值性能达到每秒4700万亿次，其运算速度与能效达到国际领先水平，此举将为我国科学研究和经济发展注入强大动力。一个形象的比喻：如果说用4700万次的“天河一号”来计算一天时间，这一天时间所产生的计算量，用一个双核的台式PC机来算的话，要算620年。国际TOP500组织2011年6月20日在网站上公布了最新全球超级计算机500强排行榜，日本超级计算机“京”以每秒8162万亿次的实测运算速度跻身榜首，中国的“天河一号”排名降至第二，但中国进入榜单的超级计算机总数在全球仅次于美国。2

3、012年世界第一，IBM红杉超级计算机，美国加利福尼亚州，160万颗CPU，16.32千万亿次/秒。我国的天河-1A 和星云，2012年进入世界前十。第3页/共68页计算机的分类计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法 具有极强的综合处理能力，一般用于大型事务处理系统，采用主机+终端的方式，可同时支持上万个用户，可支持几十个大型数据库。主要应用在政府、银行、大公司、大企业等。第4页/共68页计算机的分类计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 规模小、结构简单、设计试制周期短，软件开发成本低，易于操作维护。广泛应用

4、于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。第5页/共68页计算机的分类计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机工作站是一种高档的微型计算机，是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、软件开发、模拟仿真等专业领域。第6页/共68页计算机的分类计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机微型机标志着一个国家的计算机普及程度。伴随着超大规模集成电路的应用，小型计算机微型化。微型机又分通用机（又称PC机或个人计算机）和专用机。

5、微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、网络应用、多媒体技术、工业控制、家用电器等领域。美国的IBM和苹果公司为PC机的普及起到了重要作用，现在PC机开始成为普通家庭的一种常规电器。第7页/共68页第8页/共68页计算机的发展历程计算机的发展分别经历了：第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模集成电路计算机1904年，英国物理学家弗莱明发明了人类第一只电子管，标志着世界从此进入了电子时代。1946年，第一台真正意义上的数字电子计算机ENIAC诞生，重30 吨，用了18000 个电子管。5000次加减法运算/秒。第9页/共68页计算机的发展历程计算机的发展分

6、别经历了：第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机1947年美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布莱顿发明了晶体管，开辟了电子时代新纪元。1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名TRADIC，装有800个晶体管。1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。第10页/共68页计算机的发展历程计算机的发展分别经历了：第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机20世纪60年代，诺伊斯和基尔比分别发明了集成电路。1968年，诺伊斯和摩尔、格鲁夫成立了英特尔公司，

7、开始了IT业的一段传奇。1964年，IBM360标志着第三代电脑正式登上了历史舞台。第11页/共68页计算机的发展历程计算机的发展分别经历了：第一代电子管计算机第二代晶体管计算机第三代中小规模集成电路计算机第四代超大规模计算机1972 年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。基于大规模集成电路及后来的超大规模集成电路。这一时期的计算机功能更强，体积更小。1972年，Intel公司推出8008微处理器，八位机。1978年，十六位机8086是现代个人电脑微处理器的最初架构。第12页/共68页计算机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术 科学计算是指利用计算机来

8、完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。领域：天气预报、地质勘探、航天器部件空气动力学计算方法：建立数学模型、建立数学模型求解的计算方法、计算机编程实现。第13页/共68页计算机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等，占80以上应用。第14页/共68页计算机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术 计算机控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。领域：军事制导、机器人、工业生产线第15页/共68页计算

9、机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。第16页/共68页计算机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术 人工智能是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。第17页/共68页计算机的应用领域科学计算、数据处理和管理、计算机控制、辅助技术、人工智能、网络技术 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。提供各种软、硬件资源的共享。第18页/共68页第二节 微型计算机系统之一微型计算机的组成微处理器的基本性能指标通用微处理器的发展专用微处理器

10、微处理器总线成人教育学院网络教育课程第19页/共68页微型计算机的组成微型计算机系统：包括硬件和软件两大部分。微型计算机：微型计算机系统中的硬件部分，指以微处理器为核心，配以内存储器及输入输出接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。微处理器：微型计算机的运算和控制的核心，又称中央处理单元CPU，是一块大规模集成电路芯片。第20页/共68页微处理器总线数据总线（DB：Data Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线（CB：Control Bu

11、s）控制计算机各部分工作的信号线微处理器的对外引脚（Pin）：三组信号及电源和接地线N：2N第21页/共68页微处理器的基本性能指标字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数通常有8、16、32、64位时钟频率微处理器工作的基本时间单位单位赫兹，KHz、MHz、GHz集成度表明微处理器的生产工艺水平，常用芯片上集成的晶体管数量来表达超大规模集成电路通常10万门/片以上第22页/共68页通用微处理器的发展4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器Intel 8008/8080/8085、Apple II计算机16位微处理器Intel 8086/8088、IBM P

12、C 机32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 Intel Core 2 Duo/Intel Itanium(安腾)第23页/共68页通用微处理器的发展4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器Intel 8008/8080/8085、Apple II计算机16位微处理器Intel 8086/8088、IBM PC 机32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 Intel Core

13、 2 Duo/Intel Itanium(安腾)第24页/共68页微处理器的发展4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器Intel 8080/8085、Apple II计算机16位微处理器Intel 8086/8088/80286、IBM PC 机32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 Intel Core 2 Duo/Intel Itanium(安腾)DIP封装第25页/共68页4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器Intel 80

14、80/8085、Apple II计算机16位微处理器Intel 8086/8088、IBM PC 机32位微处理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器 Intel Core 2 Duo/Intel Itanium(安腾)微处理器的发展第26页/共68页微处理器的发展4位微处理器1971年，Intel 4004，第一个微处理器8位微处理器Intel 8080/8085、Apple II计算机16位微处理器Intel 8086/8088、IBM PC机32位微处理器80386，80486，PentiumPentiu

15、m 432位PC机，64位微处理器 Intel Core 2 Duo/Intel Itanium(安腾)第27页/共68页专用微处理器单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理的微控制器美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统IP（知识产权）级结构：片上系统SoC形式芯片级结构：将处理器、存储器、接口等芯片嵌入系统模块级结构：将计算机系统嵌入到应用系统中第28页/共68页第三节 微型计算机系统之二Intel 80X86系列微处理器微

16、型计算机的构成第29页/共68页Intel 80X86系列微处理器16位结构的微处理器8086：内部16位寄存器、外部16位数据总线 地址总线为20位（主存容量1MB）时钟频率4.77MHz准16位微处理器8088：内部16位寄存器、外部8位数据总线 IBM PC/XT机使用Intel 8088 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB1TB 240 B1024 GB第30页/共68页Intel 80X86系列微处理器超级16位微处理器80286：16位数据总线，24位地址总线（16MB主存）时钟频率22MHz两种工作方式：实模式：与808

17、6工作方式一样。保护模式：提供虚拟存储、保护机制和多任务管理的 硬件支持。IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU第31页/共68页Intel 80X86系列微处理器32位微处理器80386数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存三种工作方式：实模式、保护模式虚拟8086方式：保护方式下的8086工作方式英特尔32位架构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：80386，80486，Pentium系列第32页/共68页Intel 80X86系列微处理器高性能32微处理器80486 相当于 8048680386803878KB Cach

18、e 1、协处理器80387：协助CPU处理浮点数，在486中叫浮点处理单元FPU。2、高速缓冲存储器Cache：微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器，用于提高整个存储器系统的存取速度。3、指令流水线技术：指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行，这样多条指令可以在不同的执行阶段同时进行第33页/共68页Intel 80X86系列微处理器高性能32微处理器80486 相当于 8048680386803878KB Cache 1、协处理器80387：协助CPU处理浮点数，在486中叫浮点处理单元FPU。2、高速缓冲存储器Cache：微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器，用于提高

19、整个存储器系统的存取速度。3、指令流水线技术：指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行，这样多条指令可以在不同的执行阶段同时进行执行执行执行执行译码译码译码译码预取预取预取预取地址地址地址地址EUIUBUAU时间 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7第34页/共68页Intel 80X86系列微处理器俗称的80586微处理器，奔腾（pentium）微处理器 CPU内部仍是32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器第3

20、5页/共68页Intel 80X86系列微处理器Pentium Pro，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成CPU和一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行第36页/共68页Intel 80X86系列微处理器多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器Penti

21、um II：MMX指令应用于Pentium Pro第37页/共68页Intel 80X86系列微处理器单指令单数据SISD 一条指令处理的数据是依次数序处理的单指令多数据SIMD表示一条指令具有同时处理多组数据的能力数据流SIMD扩展指令（SSE指令）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力Pentium III：SSE指令应用于Pentium II 第38页/共68页Intel 80X86系列微处理器 pentium 4 20级超流水线、L2达到1MB NetBurst的微结构（Microarchitecture）指令级并行ILP（Instruction-Level Paralle

22、l）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力 超线程HT（Hyper Threading）线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）发掘程序中的并行性一个物理处理器被看成是两个逻辑处理器第39页/共68页Celeron（赛扬）微处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）微处理器面向高端服务器、工作站AMD微处理器AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手双核微处理器：单芯片多处理器SMP技术Intel的Pentium D：单芯片双Pentium 4核心64位微处理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器Intel的EM64T（IA-3

23、2的64位扩展）：XeonIA-64架构：itanium2(安腾)第40页/共68页微型计算机的构成控制总线CB数据总线DB地址总线AB微处理器I/O设备I/O接口存储器系统总线BUS冯.诺依曼体系计算机：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备指令和数据执行指令显示器、键盘、磁盘等第41页/共68页第42页/共68页第四节 微型计算机系统之三PC机内部结构图微型计算机的构成第43页/共68页微型计算机的构成微处理器是微机的核心、控制中心，中央处理器CPU大规模集成电路VLSI芯片，集成控制器运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存

24、储管理单元、代码保护机制高速缓存Cache等第44页/共68页存储器（Memory）是存放程序和数据的部件高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（Register）-CPU高速缓冲存储器（Cache）-CPU主存储器-主板上的辅助存储器-以外设形式出现的主存储器（主存、内存）半导体存储器芯片组成,RAM部分断电后信息丢失、ROM断电后信息不失相对造价高、速度快、但容量小辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢第45页/共68页I/O设备（Peripheral）：用户与微机交互输入（Input）设备，如标准输入设备：键盘输出（Output）

25、设备，如标准输出设备：显示器I/O接口（Interface）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的I/O接口电路与主板一体-集成显卡、集成网卡等较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）第46页/共68页PC机的内部结构8位时代：Apple-II机，中华学习机16位时代：IBM PC系列机1981年，IBM PC机：Intel 8088，DOS1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT机的兼容微机32位时代：32位PC机IA-3

26、2或其兼容微处理器第47页/共68页1616位微型机位微型机IBM PC/ATIBM PC/AT结构结构微处理器：微处理器：Intel 80286Intel 80286主存储器主存储器ROM-BIOSROM-BIOS：固化基本输入输出系统：固化基本输入输出系统 （Basic Input/Output SystemBasic Input/Output System）主存主要由主存主要由RAMRAM组成组成I/OI/O接口接口两个中断控制器两个中断控制器8259A8259A两个两个DMADMA控制器控制器8237A8237A定时控制器定时控制器82548254并行接口电路并行接口电路系统总线：系统

27、总线：ISAISA总线（总线（I/OI/O通道）通道）第48页/共68页第49页/共68页3232位位PCPC微型机结构微型机结构微处理器：微处理器：IA-32IA-32或其兼容微处理器或其兼容微处理器(含含Cache)Cache)芯片组：微处理器的主要辅助器件、主板的核心芯片组：微处理器的主要辅助器件、主板的核心主存储器：主存插槽和主存条主存储器：主存插槽和主存条多总线结构多总线结构系统总线：系统总线：PCIPCI总线（低速总线（低速ISAISA总线）总线）存储总线存储总线显示显示AGPAGP总线（加速图形接口）总线（加速图形接口）扩展槽和外设接口扩展槽和外设接口主存条插槽，主存条插槽，AG

28、PAGP插槽，插槽，PCIPCI插槽，插槽，IDEIDE插槽插槽PS/2PS/2键盘接口和键盘接口和PS/2PS/2鼠标接口，并行打印接口鼠标接口，并行打印接口LPTLPT，COM1COM1和和COM2COM2串行通信接口串行通信接口通用串行总线通用串行总线USBUSB接口，高速视频接口接口，高速视频接口IEEE1394IEEE1394第50页/共68页第51页/共68页PC机的内部结构第52页/共68页PC机的内部结构第53页/共68页PC机的内部结构第54页/共68页第五节 微型计算机系统之四操作系统文件路径微型计算机的软件系统DOS的内部命令和外部命令汇编语音和汇编程序第55页/共68页

29、微型计算机的软件系统软件系统：系统软件：方便使用、维护和管理计算机系统的程序及其文档。应用软件：是解决某个问题的程序及其文档。操作系统：管理着系统的软硬件资源，为用户提供使用计算机的交互界面，为程序员提供可调用的驱动程序，为其他程序构建稳定的运行平台。第56页/共68页DOS操作系统是16位PC机主要采用DOS磁盘操作系统：命令行控制方式 又称MS-DOS，微软公司的创业产品。自举记录。它存储在DOS磁盘的第一个扇区。依靠它才能把DOS的其它程序模块依次读入内存。基本输入输出设备驱动程序，在IBMDOS中名为IBMBIO.COM或者在MSDOS中名为IO.SYS。DOS核心：文件管理功能模块。

30、IBMDOS中名为IBMDOS.COM或者在MSDOS中名为MSDOS.SYS。监控程序：完成对系统的监控任务，接受用户的指令并执行。在两个DOS版本中，都是名为COMMAND.COM的文件。第57页/共68页DOS操作系统是16位PC机主要采用DOS磁盘操作系统 又称MS-DOS，微软公司的创业产品。自举记录。它存储在DOS磁盘的第一个扇区。依靠它才能把DOS的其它程序模块依次读入内存。基本输入输出设备驱动程序，在IBMDOS中名为IBMBIO.COM或者在MSDOS中名为IO.SYS。DOS核心：文件管理功能模块。IBMDOS中名为IBMDOS.COM或者在MSDOS中名为MSDOS.SY

31、S。监控程序：完成对系统的监控任务，接受用户的指令并执行。在两个DOS版本中，都是名为COMMAND.COM的文件。第58页/共68页Windows操作系统是32位PC机主要采用的操作系统：以windows XP为例，有模拟dos环境。第59页/共68页Windows操作系统是32位PC机主要采用的操作系统：以windows XP为例，有模拟dos环境。第60页/共68页文件路径 操作系统以目录的形式管理磁盘上的文件（windows称之为文件夹）。当指明某个文件时，须指明文件所在磁盘的位置，用文件所在的分区、根目录、各级子目录构成该文件的路径。绝对路径：完整路径，具有唯一性。相对路径：从当前路

32、径开始，表示文件位置。当前路径：操作系统当前正在的位置。第61页/共68页文件路径 操作系统以目录的形式管理磁盘上的文件（windows称之为文件夹）。当指明某个文件时，须指明文件所在磁盘的位置，用文件所在的分区、根目录、各级子目录构成该文件的路径。绝对路径：完整路径，具有唯一性。相对路径：从当前路径开始，表示文件位置。当前路径：操作系统当前正在的位置。第62页/共68页文件路径 操作系统以目录的形式管理磁盘上的文件（windows称之为文件夹）。当指明某个文件时，须指明文件所在磁盘的位置，用文件所在的分区、根目录、各级子目录构成该文件的路径。绝对路径：完整路径，具有唯一性。相对路径：从当前路

33、径开始，表示文件位置。当前路径：操作系统当前正在的位置。第63页/共68页DOS内部命令和外部命令DOS内部命令：随DOS驻留主存的DOS命令使用方法命令关键字 参数选项常用命令改变目录CD文件列表DIR文件拷贝COPY清除屏幕CLS中止DOS环境EXIT帮助命令HELP第64页/共68页DOS内部命令和外部命令DOS的外部命名：与其他可执行文件一样,以文件形式保存在磁盘上,执行时：路径文件名 参数路径搜索顺序：先当前目录，后搜索路径内部命令PATH：查看和设置当前的搜索路径DOS支持的可执行文件COM文件EXE文件BAT批处理文件：纯文本文件第65页/共68页汇编语言和汇编程序 计算机语言通

34、常是一个能完整、准确和规则地表达人们的意图，并用以指挥或控制计算机工作的“符号系统”。计算机语言通常分为三类：即机器语言，汇编语言和高级语言。1.机器语言：机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。2.汇编语言：采用一定的英文缩写词（助记符）来代替机器语言中的指令和数据，又称为符号语言。3.高级语言：接近自然语言和数学语言的程序设计语言。高级语言程序中的一条语句的作用是靠若干条指令的程序段完成的。第66页/共68页汇编语言（Assembly Language）用助记符表示指令操作码和操作数本质上是机器语言优势：可以直接、有效地控制计算机硬件，容易产生运行速度快、指令序列短小的高效率目标程序劣势：与处理器密切有关，需熟悉硬件和细节，编程繁琐，调试、维护、移植困难汇编程序（Assembler）将源程序转换为机器代码MASM 6.15软件包MOV SI,0MOV BL,ALAND AL,0FHADD AH,30HMOV BUFSI,AL 第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页