西安電子科技大學(xué)通院微機(jī)原理第一章ppt.ppt

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1,2019/12/18,肖瀟xiaoxiao@xiaozju@手機(jī)：15202435293QQ:150066297MSN:xiaozju@辦公室：東大樓318,2019/12/18,2,第1章概述,,3,2019/12/18,第1章概述,1.1緒論1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件組成1.3計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)1.4微處理器發(fā)展歷程1.5基礎(chǔ)知識(shí),4,2019/12/18,計(jì)算機(jī)分類,服務(wù)器（Server）工作站（Workstation）臺(tái)式機(jī)（DesktopPC）筆記本（Notebook）手持設(shè)備又稱掌上電腦（HandheldPC）,5,2019/12/18,1.1緒論1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展史簡(jiǎn)介,1946年2月14日，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)ENIAC(TheElectronicNumericalIntegratorAndComputer)誕生在費(fèi)城40年代中期，馮諾依曼(1903～1957)參加了賓夕法尼亞大學(xué)的小組，1945年設(shè)計(jì)電子離散可變自動(dòng)計(jì)算機(jī)EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer),6,2019/12/18,第一代(1946～1958)：電子管數(shù)字計(jì)算機(jī),電子管，主存儲(chǔ)器采用汞延遲線、磁鼓、磁芯；輔助存儲(chǔ)器采用磁帶；軟件主要采用機(jī)器語言、匯編語言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主，只在重要部門或科學(xué)研究部門使用；體積大、耗電大、可靠性差、價(jià)格昂貴、維修復(fù)雜。,7,2019/12/18,第二代(1958～1964)：晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī),晶體管，可靠性和性能比提高；主存儲(chǔ)器磁芯；輔助存儲(chǔ)器磁盤軟件出現(xiàn)了各種各樣的高級(jí)語言及其編譯程序，還出現(xiàn)了以批處理為主的操作系統(tǒng)；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算和各種事務(wù)處理為主，并開始用于工業(yè)控制。,8,2019/12/18,第三代(1964～1971)：集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī),小、中規(guī)模集成電路(SSI、MSI)，主存儲(chǔ)器磁芯，計(jì)算機(jī)的體積更小、耗電量更少、可靠性和性能比更高；軟件逐漸完善，分時(shí)操作系統(tǒng)、會(huì)話式語言等多種高級(jí)語言都有新的發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，用于科學(xué)計(jì)算，文字處理、企業(yè)管理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的信息管理系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)管理、交通管理、情報(bào)檢索等領(lǐng)域。,9,2019/12/18,第四代(1971年以后)：大規(guī)模集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī),采用了大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路（VLSI）；計(jì)算機(jī)發(fā)展到了微型化、耗電極少、可靠性很高的階段第四代計(jì)算機(jī)的另一個(gè)重要分支是以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微處理器和微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)大致經(jīng)歷了四個(gè)階段,10,2019/12/18,第一階段（1971年～1973年）,微處理器：4004、4040、80081971年Intel公司研制出MCS4微型計(jì)算機(jī)（CPU為4040，四位機(jī)）。后來又推出以8008為核心的MCS-8型,11,2019/12/18,第二階段（1973年～1977年）,8位微處理器：8080、8085、M6800、Z80初期產(chǎn)品有Intel公司的MCS一80型（CPU為8080，八位機(jī)）。后期有TRS-80型（CPU為Z80）和APPLE-Ⅱ型（CPU為6502）,12,2019/12/18,第三階段（1978年～1983年）,16位微處理器：8086、8088、80186、80286、M68000、Z8000微型計(jì)算機(jī)代表產(chǎn)品是IBM-PC（CPU為8088）。本階段的頂峰產(chǎn)品是APPLE公司的Macintosh（1984年）和IBM公司的PC／AT（1984年）微型計(jì)算機(jī),13,2019/12/18,第四階段（1983年至今）,32和64位微處理器：80386、80486和Pentium及對(duì)應(yīng)的386、486和Pentium微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)品微型計(jì)算機(jī)的性能主要取決于它的核心器件——微處理器（CPU）的性能,14,2019/12/18,第五代：智能計(jì)算機(jī),將把信息采集、存儲(chǔ)、處理、通信和人工智能結(jié)合一起具有形式推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將突破傳統(tǒng)的馮諾依曼機(jī)器的概念，實(shí)現(xiàn)高度的并行處理。,15,2019/12/18,1.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn),記憶能力強(qiáng)計(jì)算精度高與邏輯判斷準(zhǔn)確高速的處理能力能自動(dòng)完成各種操作,16,2019/12/18,1.1.3計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向——計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,科學(xué)計(jì)算（或稱為數(shù)值計(jì)算）過程檢測(cè)與控制信息管理（數(shù)據(jù)處理）計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）,17,2019/12/18,1.1.3計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向——計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向,巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化,18,2019/12/18,1.1.4計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展,機(jī)器語言。是由“0”和“1”組成的二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制是計(jì)算機(jī)的語言基礎(chǔ)匯編語言。用一些簡(jiǎn)潔的英文字母、符號(hào)串來替代一個(gè)特定的指令的二進(jìn)制串高級(jí)語言。接近于數(shù)學(xué)語言或人的自然語言，編出的程序能在所有機(jī)器上通用面向?qū)ο笳Z言。面向具體的應(yīng)用功能，也就是對(duì)象（object）。其方法就是軟件的集成化。如C++和Java基于規(guī)則的智能化語言。以可視化編程方法為特征，是一種應(yīng)用的裝配環(huán)境。如VisualC++、VisualBasic,19,2019/12/18,計(jì)算機(jī)語言的未來發(fā)展趨勢(shì),簡(jiǎn)單性：提供最基本的方法來完成指定的任務(wù)，只需理解一些基本的概念，就可以用它編寫出適合于各種情況的應(yīng)用程序；面向?qū)ο螅禾峁┖?jiǎn)單的類機(jī)制以及動(dòng)態(tài)的接口模型；通過繼承機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了代碼的復(fù)用。安全性：用于網(wǎng)絡(luò)、分布環(huán)境下有安全機(jī)制保證；平臺(tái)無關(guān)性：與平臺(tái)無關(guān)的特性使程序可以方便地被移植到網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器、不同平臺(tái)。,20,2019/12/18,1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件組成,,21,2019/12/18,計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),22,2019/12/18,1.2.1計(jì)算機(jī)的硬件組成——計(jì)算機(jī)主要部件,1964年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼（VonNeumann）提出了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；從本質(zhì)上講，存儲(chǔ)程序控制仍是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，因此統(tǒng)稱為諾依曼型計(jì)算機(jī)；基本工作原理可概括為“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”物理結(jié)構(gòu)上，計(jì)算機(jī)由微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備3個(gè)部分組成,23,2019/12/18,基于微處理器的PC系統(tǒng)的組成,,24,2019/12/18,存儲(chǔ)器,用來存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)和結(jié)果的記憶裝置分為內(nèi)存和外存兩部分內(nèi)存容量較小，存取速度較快，一般用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，常用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；外存容量較大，速度較慢，一般用來存放暫時(shí)不殘余運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，常用硬磁盤和光盤,25,2019/12/18,PC系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器映像圖,,26,2019/12/18,主存儲(chǔ)器三個(gè)主要部分,TPA。640KB，用于駐留操作系統(tǒng)和其他控制PC系統(tǒng)的程序，TPA也存放任何當(dāng)前激活的或非激活的系統(tǒng)應(yīng)用程序，用于系統(tǒng)程序、數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序系統(tǒng)區(qū)。384KB。系統(tǒng)包括BIOSROM或Flash存儲(chǔ)器中的程序，以及視頻RAM的數(shù)據(jù)區(qū)XMS（eXtendedMemorySystem，擴(kuò)展內(nèi)存系統(tǒng)）,27,2019/12/18,I/O系統(tǒng),允許微處理器與外部設(shè)備進(jìn)行通信。I/O地址允許PC機(jī)訪問64K個(gè)不同的I/O設(shè)備輸入設(shè)備任務(wù)：是把程序和原始數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中，并將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能識(shí)別和接收的信息方式。如鍵盤、鼠標(biāo)和掃描儀等。輸出設(shè)備任務(wù)：是將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算操作結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接收的形式輸出，其種類繁多，如顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等,28,2019/12/18,微處理器,PC系統(tǒng)的核心是微處理器。微處理器通過執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器和I/O系統(tǒng)的控制運(yùn)算器。算術(shù)邏輯運(yùn)算部件（ArithmeticandLogiccalUnit,ALU）是對(duì)信息進(jìn)行加工、運(yùn)算的部件，執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器的核心是加法器控制器。根據(jù)程序中的命令發(fā)出的各種控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作以完成指令所要求的各種操作，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心,29,2019/12/18,1.2.1計(jì)算機(jī)的硬件組成——計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu),總線是一組能為多個(gè)部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時(shí)地發(fā)送與接收各部件的信息PC設(shè)計(jì)目標(biāo)是以較小的硬件代價(jià)組成具有較強(qiáng)功能的系統(tǒng)，而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求系統(tǒng)總線按傳輸信息的不同分為：地址總線（AddressBus）。由單方向的多根信號(hào)線組成，用于CPU向存儲(chǔ)器、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔ⅲ粩?shù)據(jù)總線（DataBus）。由雙方向的多根信號(hào)線組成，用于CPU從存儲(chǔ)器、外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以由CPU向存儲(chǔ)器、外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)；控制總線（ControlBus）。由雙方向的多根信號(hào)線組成，用于CPU向存儲(chǔ)器、外設(shè)發(fā)送控制命令和從存儲(chǔ)器、外設(shè)讀入反饋信息。,30,2019/12/18,單系統(tǒng)總線,,31,2019/12/18,1.2.2馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想,根據(jù)程序（指令序列）和數(shù)據(jù)的存放形式，存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想可分為馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu),32,2019/12/18,1.馮諾依曼結(jié)構(gòu),馮諾依曼結(jié)構(gòu)也稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)思想即指令和數(shù)據(jù)是不加區(qū)別地混合存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中的，共享數(shù)據(jù)總線CPU與共享存儲(chǔ)器間的信息交換成了影響高速計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)性能的“瓶頸”Intel公司的80 x86CPU，ARM公司的ARM7，MIPS公司的MIPS等,33,2019/12/18,馮諾依曼結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì),,34,2019/12/18,2.哈佛結(jié)構(gòu),哈佛結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)是完全分開的哈佛結(jié)構(gòu)至少有兩組總線：程序存儲(chǔ)器（PM）的數(shù)據(jù)總線和地址總線，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（DM）的數(shù)據(jù)總線和地址總線由于指令和數(shù)據(jù)分開存放，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度Motorola公司的MC68系列，ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）,35,2019/12/18,哈佛結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì),,36,2019/12/18,應(yīng)用,現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)中的高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）采用哈佛結(jié)構(gòu)，將Cache分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache兩個(gè)部分將馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，不僅可以提高存儲(chǔ)器的利用率，而且可以提高程序執(zhí)行的效率，縮短指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期,37,2019/12/18,1.2.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),軟件：為了運(yùn)行、管理和維修計(jì)算機(jī)所編制的各種程序的總和軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類系統(tǒng)軟件：使用和管理計(jì)算機(jī)的各種軟件統(tǒng)，為用戶使用機(jī)器提供方便，擴(kuò)大機(jī)器功能，提高工作效率應(yīng)用軟件：是由用戶利用計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)軟件編制的解決實(shí)際應(yīng)用問題的程序,38,2019/12/18,計(jì)算機(jī)組成示意圖,,