微處理器原理與應(yīng)用一課件

微處理器原理與應(yīng)用1~4章學(xué)時(shí)：20學(xué)時(shí)Email：計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1946年2月15日，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問世，這臺(tái)電子計(jì)算機(jī)叫“ENIAC”一、計(jì)算機(jī)的五代變化第一代為1946—1958年，電子管計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制第三代為1965—1970年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：小型計(jì)算機(jī)第四代為1971—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)第五代為1991年開始，第五代計(jì)算機(jī)又稱“知識(shí)信息處理系統(tǒng)”（KIPS）巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史中國(guó)人的智慧之光

最古老的計(jì)算工具：算籌

我國(guó)春秋時(shí)期出現(xiàn)的算籌是世界上最古老的計(jì)算工具。計(jì)算的時(shí)候擺成縱式和橫式兩種數(shù)字，按照縱橫相間的原則表示任何自然數(shù)，從而進(jìn)行加、減、乘、除、開方以及其它的代數(shù)計(jì)算。負(fù)數(shù)出現(xiàn)后，算籌分紅黑兩種，紅籌表示正數(shù)，黑籌表示負(fù)數(shù)。這種運(yùn)算工具和運(yùn)算方法，在當(dāng)時(shí)世界上是獨(dú)一無二的。中國(guó)人發(fā)明算盤

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在求解一些更復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題時(shí)，算籌顯得越來越不方便了。于是在大約六、七百年前，中國(guó)人發(fā)明了算盤，它結(jié)合了十進(jìn)制計(jì)數(shù)法和一整套計(jì)算口訣并一直沿用至今，被許多人看作是最早的數(shù)字計(jì)算機(jī)。萊布尼茲乘法機(jī)（1673年）萊布尼茲同時(shí)還提出了“可以用機(jī)械代替人進(jìn)行繁瑣重復(fù)的計(jì)算工作”的偉大思想，這一思想至今鼓舞著人們探求新的計(jì)算機(jī)。萊布尼茲認(rèn)為，中國(guó)的八卦是最早的二進(jìn)制計(jì)數(shù)法。在八卦圖的啟迪下，萊布尼茲系統(tǒng)地提出了二進(jìn)制運(yùn)算法則。1673年，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明乘法機(jī)，這是第一臺(tái)可以運(yùn)行完整的四則運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機(jī)復(fù)制品送給康熙皇帝。第一臺(tái)“巨人”計(jì)算機(jī)各國(guó)科學(xué)家對(duì)采用繼電器的機(jī)電式計(jì)算機(jī)進(jìn)行了大量的研制工作，1943年，英國(guó)科學(xué)家研制成功第一臺(tái)“巨人”計(jì)算機(jī)，專用于破譯德軍密碼?！熬奕恕彼悴簧险嬲臄?shù)字電子計(jì)算機(jī)，但在繼電器計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之間起到了橋梁作用。第一臺(tái)“巨人”有1500個(gè)電子管，5個(gè)處理器并行工作，每個(gè)處理器每秒處理5000個(gè)字母。二戰(zhàn)期間共有10臺(tái)“巨人”在英軍服役，平均每小時(shí)破譯11份德軍情報(bào)。第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC）水銀延遲線：史上最笨重的主存儲(chǔ)器研制ENIAC的工程師莫齊利想到了水銀延遲線（MercuryDelayLine）——二戰(zhàn)期間為軍用雷達(dá)開發(fā)的一種存儲(chǔ)裝置－－作為內(nèi)存。將一塊石頭擲入水中，形成波浪，波頭經(jīng)過一段時(shí)間才能傳播到遠(yuǎn)方某處，水銀延遲線的工作原理就是這樣。1951年3月，由莫齊利和埃克特設(shè)計(jì)的第一臺(tái)通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)UNIVAC-1使用了水銀延遲線存儲(chǔ)裝置。UNIVAC-1使用的水銀延遲線是一根直徑10mm、長(zhǎng)150cm的管子，內(nèi)部充滿水銀，兩端各有一個(gè)轉(zhuǎn)換器分別進(jìn)行電-聲轉(zhuǎn)換和聲-電轉(zhuǎn)換，這樣，脈沖信號(hào)從管子一端進(jìn)入，轉(zhuǎn)換成超聲波，960ms后超聲波到達(dá)管子的另一端，然后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。為了讓存儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，水銀的溫度需要保持在40℃左右，因此要將水銀管置于一個(gè)類似混凝土攪拌機(jī)的容器中，容器中設(shè)置有加熱器用來加熱水銀管。第一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)EDVAC（1950年）1950問世的第一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)EDVAC，共采用了2300個(gè)電子管，運(yùn)算速度卻比擁有18000個(gè)電子管的“埃尼阿克”提高了10倍，首次實(shí)現(xiàn)了馮·諾依曼體系的兩個(gè)重要設(shè)想：存儲(chǔ)程序和采用二進(jìn)制。這兩個(gè)設(shè)想對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)至關(guān)重要，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”，馮·諾伊曼機(jī)體系延續(xù)至今。晶體管誕生（1947年）1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊、巴丁、布拉頓發(fā)明點(diǎn)觸型晶體管；1950年又發(fā)明了面結(jié)型晶體管。相比電子管，晶體管體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱少、功耗低，電子線路的結(jié)構(gòu)大大改觀，運(yùn)算速度則大幅度提高。肖克萊、巴丁、布拉頓于1956年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。發(fā)明晶體管的肖克萊在加利福尼亞創(chuàng)立了當(dāng)?shù)氐谝患野雽?dǎo)體公司，這一地區(qū)后來被稱為硅谷。晶體管計(jì)算機(jī)1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一個(gè)高級(jí)程序語言FORTRAN，它被廣泛用于科學(xué)計(jì)算。1956年9月，IBM的一個(gè)工程小組向世界展示了第一臺(tái)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl）1958年制成的1401及后續(xù)的1410/1440系列計(jì)算機(jī)，是第二代計(jì)算機(jī)中的代表，用戶在當(dāng)時(shí)可以以每月2500美元的價(jià)格租用IBM1401。1958年11月，IBM709大型計(jì)算機(jī)，IBM公司自IBM701，性能最為優(yōu)秀的電子管計(jì)算機(jī)，但同時(shí)它也是IBM最后一款電子管計(jì)算機(jī)。1959年，格雷斯·霍波（G.Hopper）博士主持開發(fā)的第一個(gè)廣泛使用的高級(jí)編程語言COBOL。其他1957年10月，諾依斯（N.Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）共同從晶體管之父肖克利的實(shí)驗(yàn)室出走，創(chuàng)辦了仙童（fairchild）公司，這就是歷史上著名的“八天才叛逆”，從此，才有了我們熟悉的Intel，AMD，IDT等等一大批我們熟知的企業(yè)。八天才叛逆的兩個(gè)重要人物：諾依斯和摩爾。IBMSystem/360（1964年）中、小規(guī)模集成電路電子計(jì)算機(jī)的代表。一種說法是該系統(tǒng)有360種用途，另一種說法是這個(gè)系統(tǒng)就像一個(gè)360度的圓周，涵蓋所有應(yīng)用。以前的IBM計(jì)算機(jī)，一小部分機(jī)種支持科學(xué)計(jì)算類應(yīng)用，大部分機(jī)種則專用于商業(yè)應(yīng)用。而S/360的總體方案則指明要同時(shí)支持科學(xué)計(jì)算、商業(yè)應(yīng)用和信息處理。第五代計(jì)算機(jī)第五代計(jì)算機(jī)又稱“知識(shí)信息處理系統(tǒng)”（KIPS）。用與以往不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)來開發(fā)的新型電子計(jì)算機(jī)。以進(jìn)行知識(shí)處理的人工智能為目標(biāo)，能模仿人的問題處理與推斷能力，能用自然語言進(jìn)行對(duì)話方式的信息處理由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片計(jì)算機(jī)開始出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)從第三代起，與集成電路技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。LSI的采用，一塊集成電路芯片上可以放置1000個(gè)元件，VLSI達(dá)到每個(gè)芯片1萬個(gè)元件，現(xiàn)在的ULSI芯片超過了100萬個(gè)元件。1965年摩爾觀察到芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，1970年這種態(tài)勢(shì)減慢成每18個(gè)月翻一番，這就是人們所稱的摩爾定律。微處理器的發(fā)展微處理器大致可分為三類：通用高性能微處理器（也稱通用CPU）、嵌入式微處理器和DSP處理器、嵌入式微控制器（后兩種也有統(tǒng)稱嵌入式CPU）

通用處理器追求高性能，它們用于運(yùn)行通用軟件，配備完備、復(fù)雜的操作系統(tǒng)；嵌入式微處理器和DSP處理器強(qiáng)調(diào)處理特定應(yīng)用問題的高性能，主要用于運(yùn)行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級(jí)操作系統(tǒng)，用于蜂窩電話、CD播放機(jī)等消費(fèi)類家電；嵌入式微控制器價(jià)位相對(duì)較低，在微處理器市場(chǎng)需求量最大，主要用于汽車、空調(diào)、自動(dòng)機(jī)械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。此外，為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式CPU在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對(duì)通用CPU都做了各種增強(qiáng)。通用微處理器通用微處理器一般指的是服務(wù)器用和桌面計(jì)算用的CPU芯片。目前，Intel的CPU和其兼容產(chǎn)品統(tǒng)治著微型計(jì)算機(jī)的大半江山，這類微處理器主要采用x86構(gòu)架的CISC（ComplexInstructionSetComputer）指令系統(tǒng)，同時(shí)，IBM、HP（COMPAQ）、SGI、SUN等公司也生產(chǎn)各具特點(diǎn)的服務(wù)器用高性能通用微處理器，如HP的PA-RISC，IBM的Power4和Sun的UltraSparc等，這些微處理器都是采用RISC(reducedinstructionsetcomputer)指令系統(tǒng)，通過超標(biāo)量、亂序執(zhí)行、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)、推測(cè)執(zhí)行等機(jī)制，提高指令級(jí)并行性，改善性能，這類芯片被廣泛用于各種工作站、服務(wù)器和高性能計(jì)算機(jī)中。CISC和RISC傳統(tǒng)上，通用微處理器的工作負(fù)載以非數(shù)值、不規(guī)則標(biāo)量應(yīng)用為主，為了實(shí)現(xiàn)處理器的高性能，主要的方法是開發(fā)指令級(jí)并行性（ILP,Instruction-LevelParallelism）。以Intelx86構(gòu)架為代表的CISC體系結(jié)構(gòu)以超流水結(jié)構(gòu)為提高性能的主要手段，這種結(jié)構(gòu)將指令流水線劃分成更簡(jiǎn)單的流水級(jí)以提高時(shí)鐘速率。RISC芯片則采用超標(biāo)量結(jié)構(gòu)提高處理器性能的主要手段，這種結(jié)構(gòu)在指令界面上保持與RISC結(jié)構(gòu)兼容，但在內(nèi)部由硬件做動(dòng)態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多個(gè)操作的并行執(zhí)行。Itanium和ItaniumIIIntel安騰處理器構(gòu)建在IA-64（IntelArchitecture64），也就是說“IA-64是一個(gè)與x86代碼的決裂，它是為未來設(shè)計(jì)的“。Itanium是專門用在高端企業(yè)級(jí)64-bit計(jì)算環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)的，對(duì)抗基于IBMPower4/5，HPPA-RISC，SunUltraSparc-III及DECAlpha的服務(wù)器。64位只是安騰處理器的一個(gè)技術(shù)特征。所有基于Intel安騰2處理器的系統(tǒng)都支持32Intel架構(gòu)（IA-32）軟件應(yīng)用，從而用戶移植到Intel安騰2架構(gòu)提供了更高的靈活性。Intel和HP公司早在1994年就啟動(dòng)了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)基于EPIC顯式并行體系結(jié)構(gòu)的IA-64芯片合作項(xiàng)目，陸續(xù)推出了Itanium和ItaniumII處理器。有人預(yù)計(jì)不久，IA-64對(duì)服務(wù)器市場(chǎng)的占有量將全面超過RISC，IA-64標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)形成，Intel將會(huì)主導(dǎo)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但是這些并不意味著IA-64將最終代替RISC體系結(jié)構(gòu)而一統(tǒng)天下。IBM、SUN等一些實(shí)力雄厚的公司，仍在繼續(xù)發(fā)展新的基于RISC體系結(jié)構(gòu)的芯片。Intel的發(fā)展史1971年11月15日，Intel公司工程師霍夫和費(fèi)金發(fā)明了世界第一個(gè)商用微處理器—Intel4004，每個(gè)售價(jià)為200美元，如圖1.4所示。雖然這款4位微處理器只有45條指令，每秒也只能執(zhí)行5萬條指令，運(yùn)行速度只有108KHz，甚至比不上計(jì)算機(jī)ENIAC，但它的集成度高，集成晶體管2300只，而且是第一個(gè)將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是微處理器誕生了。IntelC8008IntelC8008為世界上第一款八位微處理器。8008共推出兩種速度，0.5Mhz以及0.8Mhz，雖然比4004的工作時(shí)脈慢，不過因?yàn)槭前宋辉幚砥鳎ū绕?004的四位元），整體效能要比4004好上許多。8008可以支援到16KB的內(nèi)存X86構(gòu)架開始（第二代微處理器）1974年，8008發(fā)展成8080，成為第二代微處理器。1978年英特爾公司生產(chǎn)的8086是第一個(gè)16位的微處理器。這就是第三代微處理器的起點(diǎn)。1979年，英特爾公司又開發(fā)出了8088而且英特爾在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來因商標(biāo)注冊(cè)問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)字命名。1981年，美國(guó)IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機(jī)中，從而開創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。也正是從8088開始，個(gè)人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應(yīng)用到IBMPC機(jī)上開始，個(gè)人電腦真正走進(jìn)了人們的工作和生活之中，它也標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始。Inteli8085Inteli8086Intel802861982年，英特爾公司在8086的基礎(chǔ)上，研制出了80286微處理器，8086～80286這個(gè)時(shí)代是個(gè)人電腦起步的時(shí)代，國(guó)內(nèi)略微落后一些，九十年代初，國(guó)內(nèi)才開始普及計(jì)算機(jī)，Intel80286也是Intel最后一塊16位CPU。Intel80386

1985年10月17日，英特爾劃時(shí)代產(chǎn)品80386DX（32位）發(fā)布了。80386最經(jīng)典的產(chǎn)品為80386DX－33MHz，一般我們說的80386就是指它。80386使32位CPU成為了PC工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。1989年Intel又推出準(zhǔn)32位微處理器芯片80386SX。這是一種較便宜的普及型CPU80386。筆記本電腦設(shè)計(jì)的移動(dòng)處理器1989年，Intel的80386SL/80386DL才算首批專為筆記本電腦設(shè)計(jì)的移動(dòng)處理器（主頻16MHz起、工作電壓3.3V）。Intel推出的386SL處理器可謂是筆記本電腦專用處理器“領(lǐng)頭羊”，該批次處理器由16MHz的386SL、20MHz的386SL和16MHz的386SX等組成。最早的筆記本電腦處理器

Intel804861989年，我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由英特爾推出。這款經(jīng)過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片。Intel80486，這是intel最后一代以數(shù)字編號(hào)的CPU。Intel486DX1995年，33MHz的486SL和250MHz的486DX因?yàn)樾詢r(jià)比高，成為了市場(chǎng)低價(jià)機(jī)型的首選。MobilePentium75處理器則成為主流本本的配置。Pentium，傳說中的5861993年3月22日：全面超越486的新一代586CPU問世，為了擺脫486時(shí)代微處理器名稱混亂的困擾，英特爾公司把自己的新一代產(chǎn)品命名為Pentium(奔騰)以區(qū)別AMD和Cyrix的產(chǎn)品。AMD和Cyrix也分別推出了K5和6x86微處理器來對(duì)付芯片巨人，但是由于奔騰微處理器的性能最佳，英特爾逐漸占據(jù)了大部分市場(chǎng)。Pentium，傳說中的5861993年，全面超越486的新一代586CPU問世PentiumProPentiumMMX1997-1998年：PentiumII處理器1997年5月7日，英特爾發(fā)布PentiumII233MHz、PentiumII266MHz、PentiumII300MHz三款PII處理器，采用0.35微米工藝技術(shù)，核心提升到750萬晶體管組成。采用SLOT1架構(gòu)，引入了S.E.C封裝(SingleEdgeContact)技術(shù)，將高速緩存與處理器整合在一塊PCB板上，二級(jí)高速緩存的工作速度是處理器內(nèi)核工作速度的一半；處理器采用與PentiumPRO相同的動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，通過雙重獨(dú)立總線與系統(tǒng)總線相連，進(jìn)行多重?cái)?shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)性能；PentiumII也包含MMX指令集。Intel此舉希望用SLOT1構(gòu)架的專利將AMD等一棍打死，可沒想到Socket7平臺(tái)在以AMD的K6-2為首的處理器的支持下，走入了另一個(gè)春天。而從此開始，Intel也開始走上了一條前途不明的道路，開始頻繁的強(qiáng)行制定自己的標(biāo)準(zhǔn)，企圖借此迅速擠垮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但市場(chǎng)與用戶的需要使得Intel開始不斷的陷入被動(dòng)和不利的局面。AMD-K6&PentiumIICeleron300A1998年8月24日，熱愛硬件的人們都會(huì)無法忘記的日子，Intel推出了裝有二級(jí)高速緩存的賽揚(yáng)A處理器，這就是日后被眾多DIYer捧上神壇的賽揚(yáng)300A，一個(gè)讓經(jīng)典不能再經(jīng)典的型號(hào)。賽揚(yáng)300A，從某種意義上已經(jīng)是Intel的第二代賽揚(yáng)處理器。第一代的賽揚(yáng)處理器僅僅擁有266MHz、300MHz兩種版本，第一代的Celeron處理器由于不擁有任何的二級(jí)緩存，雖然有效的降低了成本，但是性能也無法讓人滿意。為了彌補(bǔ)性能上的不足，Intel終于首次推出帶有二級(jí)緩存的賽揚(yáng)處理器——采用Mendocino核心的Celeron300A、333、366。經(jīng)典，從此誕生。賽揚(yáng)300A的經(jīng)典，并不僅僅是因?yàn)樗某l(多數(shù)賽揚(yáng)300A可以輕松超頻至550MHZ)，還在于賽揚(yáng)300A的超頻性幾乎造就了一條專門為它而生的產(chǎn)業(yè)鏈，主板、轉(zhuǎn)接卡......有多少這樣的產(chǎn)品就為了賽揚(yáng)300A而生。一時(shí)間，報(bào)紙雜志網(wǎng)絡(luò)媒體都在討論這款Celeron300A的超頻方式、技巧、配合主板、內(nèi)存等等。DIY的超頻時(shí)代正式到臨。賽揚(yáng)300A（1998年）PentiumIII1999年2月26日，英特爾發(fā)布PentiumIII450MHz、PentiumIII500MHz處理器，同時(shí)采用了0.25微米工藝技術(shù),核心由950萬個(gè)晶體管組成，從此INTEL開始踏上了PIII旅程。AMDK6-III

1999年2月22日：AMD發(fā)布K6-III400MHz版本，在一些測(cè)試中，它的性能超越了后來發(fā)布的IntelPentiumIII。它包括了23M晶體管，并且基于100MHzSpuersocket7主板，與那些使用66MHz總線的芯片相比，性能的提升是卓越的。PentiumIIItualatin/coppermineSocket370PentiumIII光是桌上型就擁有KatmaiSlot1、CoppermineSlot1以及CoppermineSocket370等三種不同的系列。后期，英特爾放棄插卡式界面而又回歸到插槽界面（Socket370）。Pentium42000年11月21日，Intel全球同步發(fā)布了新一代的微處理器Pentium4（奔騰4）。Pentium4處理器，Socket423接口，原始代號(hào)為Willamette，采用0.18微米鋁導(dǎo)線工藝，配合低溫半導(dǎo)體介質(zhì)（Low-Kdiclcctric）技術(shù)制成，是一顆具有超級(jí)深層次管線化架構(gòu)的處理器。Pentium4處理器最主要的特點(diǎn)就是拋棄了Intel沿用了多年的P6結(jié)構(gòu)，采用了新的NetBurstCPU結(jié)構(gòu)。NetBurst結(jié)構(gòu)具有不少明顯的優(yōu)點(diǎn)：20段的超級(jí)流水線、高效的亂序執(zhí)行功能、2倍速的ALU、新型的片上緩存、SSE2指令擴(kuò)展集和400MHz的前端總線等從P4開始，Intel已不再每一兩年就推出全新命名的中央處理器芯片（CPU），反而一再使用Pentium4這個(gè)名字，這個(gè)作法，導(dǎo)致Pentium4這個(gè)家族有一堆兄弟姊妹，而且這個(gè)P4家族延續(xù)了五年。Pentium4（Willamette）Socket423Pentium4（Willamette）致命弱點(diǎn)耗電驚人。所以，P4系統(tǒng)使用的主板被設(shè)計(jì)為電源的12V電壓（ATX12），通過一個(gè)4腳的插座和3.3V、5V一起供給主板，另外還在20針電源接口的旁邊另加了一個(gè)6針的輔助電源接口。最致命的硬傷還是Willamette核心屬于Pentium4最早期的產(chǎn)品，因此它的發(fā)熱量很大、頻率提升困難，只有1.7GHz和1.8GHz兩個(gè)版本。而且它的二級(jí)緩存只有256KB，超深的處理流水線使得總體性能并不理想。Socket423不兼容的封裝，升級(jí)困難且只能使用Rambus這個(gè)怪物內(nèi)存，雙通道的Rambus內(nèi)存達(dá)到了前所未有的2.5GB/S的內(nèi)存數(shù)據(jù)帶寬，但是由于Rambus內(nèi)存價(jià)格昂貴所以使得早期P4平臺(tái)相當(dāng)昂貴。Pentium4（Northwood）Socket478Pentium4CPUNorthwood核心的Celeron全部都是400MHzFSB；Pentium4CPU后面帶有“A”字樣是400MHzFSB，帶有“B”字樣的則是533MHzFSB，帶有“C”字樣的則是800MHzFSB。Prescott核心的CeleronD，無論是Socket478接口還是Socket775接口，全部都是533MHzFSB。Socket478接口的Pentium4都是800MHzFSB。Socket775接口的Pentium4505/515是533MHzFSB，而Pentium4520/530/540則是800MHzFSB，Pentium46XX系列CPU則都是800MHzFSB。PentiumD是首批雙核處理器，單一處理器中具有兩個(gè)奔騰四處理核心。Smithfield核心的PentiumEE840是800MHzFSB，而Presler核心的PentiumEE955和965都是1066MHzFSB。Core2DuoCore2Duo改變了以Pentium命名處理器的傳統(tǒng)，不在有奔騰5、6的叫法了。英文名是Core，服務(wù)器版開發(fā)代號(hào)為Woodcrest，桌面版開發(fā)代號(hào)為Conroe，移動(dòng)版開發(fā)代號(hào)為Merom，分雙核、四核、八核三種。桌面平臺(tái)的Core2DuoE4x00系列800MHzFSB，E6x00系列大部分都是1066MHz，E8x00系列則是1333MHz。Corei3/i5/i72010年6月份，Intel發(fā)布革命性的處理器——第二代Corei3/i5/i7。第二代Corei3/i5/i7隸屬于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的SandyBridge微架構(gòu)，相比第一代產(chǎn)品主要帶來五點(diǎn)重要革新：

1、采用全新32nm的SandyBridge微架構(gòu)，更低功耗、更強(qiáng)性能。

2、內(nèi)置高性能GPU（核芯顯卡），視頻編碼、圖形性能更強(qiáng)。

3、睿頻加速技術(shù)2.0，更智能、更高效能。

4、引入全新環(huán)形架構(gòu)，帶來更高帶寬與更低延遲。

5、全新的AVX、AES指令集，加強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算與加密解密運(yùn)算。Corei3/i5/i7嵌入式微處理器和DSP處理器

嵌入式微處理器（EMPU）由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的，主要特點(diǎn)是具有32位以上的處理器，具有比較高的性能，價(jià)格也較高。與計(jì)算機(jī)CPU不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求，和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一個(gè)芯片上，也稱為單板計(jì)算機(jī)。ARM926嵌入式微控制器SAM9G45Sitara?ARM?

微處理器

(MPU)

嵌入式DSP處理器單片機(jī)單片機(jī)誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。P8051單片機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成CPU硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)關(guān)鍵概念：1）計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；2）數(shù)據(jù)與指令存儲(chǔ)在單一的讀寫存儲(chǔ)器中；3）存儲(chǔ)器的內(nèi)容通過位置尋址，而不考慮它容納的數(shù)據(jù)是什么；4）以順序的形式從一條指令到下一條指令來執(zhí)行（跳轉(zhuǎn)指令除外）。在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。對(duì)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)處理器由于取指令和存取數(shù)據(jù)需要從同一存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。CPU硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)的四條總線，即程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線，CPU硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)仍然使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理。改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲(chǔ)模塊（程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，兩條總線由程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分時(shí)共用。硬件體系結(jié)構(gòu)·總結(jié)

體系結(jié)構(gòu)與采用的獨(dú)立與否的總線無關(guān)，與指令空間和數(shù)據(jù)空間的分開獨(dú)立與否有關(guān)。51單片機(jī)雖然數(shù)據(jù)指令存儲(chǔ)區(qū)是分開的，但總線是分時(shí)復(fù)用得，所以屬于改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)。ARM9雖然是哈佛結(jié)構(gòu)，但是之前的版本(ARM7)也還是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。早期的x86能迅速占有市場(chǎng)，一條很重要的原因，正是靠了馮·諾依曼這種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低的總線結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的處理器雖然外部總線上看是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，但是由于內(nèi)部cache的存在，因此實(shí)際上內(nèi)部來看已經(jīng)很類似于改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)了。由于哈佛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)外圍設(shè)備的連接與處理要求高，不適合外圍存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，所以早期通用CPU難以采用這種結(jié)構(gòu)。而嵌入式CPU內(nèi)部集成了所需存儲(chǔ)器，所以便于采用哈佛結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的處理器依托cache的存在，已經(jīng)很好的將二者統(tǒng)一起來了。存儲(chǔ)器（memory）

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶部件。人們編寫的程序（由指令序列組成）就存放在這里。它也可以存放程序中所用的數(shù)據(jù)、信息及中間結(jié)果。存儲(chǔ)器的主要功能是用來保存各類程序的數(shù)據(jù)信息。存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器兩類：主存儲(chǔ)器（也稱為內(nèi)存儲(chǔ)器），屬于主機(jī)的一部分。用于存放系統(tǒng)當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，屬于臨時(shí)存儲(chǔ)器；輔助存儲(chǔ)器（也稱外存儲(chǔ)器），它屬于外部設(shè)備。用于存放暫不用的數(shù)據(jù)和程序，屬于永久存儲(chǔ)器。輸入輸出（I/O）子系統(tǒng)

輸入輸出子系統(tǒng)一般包括輸入輸出設(shè)備及大容量存儲(chǔ)器兩類外部設(shè)備。輸入輸出設(shè)備是指負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)的外部世界通信用的輸入、輸出設(shè)備，如顯示終端、鍵盤輸入、打印輸出等多種類型的外部設(shè)備。大容量存儲(chǔ)器則是指可存儲(chǔ)大量信息的外部存儲(chǔ)器，如磁盤、磁帶、光盤等。機(jī)器內(nèi)部的存儲(chǔ)器則稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存，由于內(nèi)存的容量有限，所以計(jì)算機(jī)用外存儲(chǔ)器作為內(nèi)存的后援設(shè)備，它的容量可以比內(nèi)存大很多，但存取信息的速度要比內(nèi)存慢得多。所以，除必要得系統(tǒng)程序外，一般程序（包括數(shù)據(jù)）是存放在外存中得。只有當(dāng)運(yùn)行時(shí)，才把它從外存?zhèn)魉偷絻?nèi)存的某個(gè)區(qū)域，再由中央處理機(jī)控制執(zhí)行。系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線把中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備連接在起來，用來傳送各部分之間的信息。系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線三組。數(shù)據(jù)線傳送信息，地址線指出信息的來源和目的地，控制線則規(guī)定總線的動(dòng)作，如方向等。系統(tǒng)總線的工作由總線控制邏輯負(fù)責(zé)指揮。計(jì)算機(jī)軟件層次圖計(jì)算機(jī)軟件層次系統(tǒng)軟件的核心稱為操作系統(tǒng)（operatingsystem）。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)程序的集合，它的主要作用是對(duì)系統(tǒng)的硬、軟件資源進(jìn)行合理的管理，為用戶創(chuàng)造方便、有效和可靠的計(jì)算機(jī)工作環(huán)境。操作系統(tǒng)的主要部分是常駐監(jiān)督程序（residentmonitor），只要一開機(jī)它就存在于內(nèi)存中，它可以從用戶接受命令，并使操作系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。文件管理程序（）用來處理存儲(chǔ)在外存儲(chǔ)器中的大量信息，它可以和外存儲(chǔ)器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相連接，對(duì)存儲(chǔ)在其中的信息以文件（file）的形式進(jìn)行存取、復(fù)制及其他管理操作。I/O驅(qū)動(dòng)程序（I/Odriver）用來對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制或管理。當(dāng)系統(tǒng)程序或用戶程序需要使用I/O設(shè)備時(shí)，就調(diào)用I/O驅(qū)動(dòng)程序來對(duì)設(shè)備發(fā)出命令，完成CPU和I/O設(shè)備之間的信息傳送。調(diào)試程序（debug）是系統(tǒng)提供給用戶的能監(jiān)督和控制用戶程序的一種工具。它可以裝入、修改、顯示或逐條執(zhí)行一個(gè)程序。微機(jī)的匯編語言程序可以通過DEBUG來調(diào)試，完成建立、修改和執(zhí)行等工作。文本編輯程序（texteditor）用來建立、輸入或修改文本，并使它存入內(nèi)存儲(chǔ)器或大容量存儲(chǔ)器中。文本是由字母、數(shù)字、符號(hào)等組成的信息，它可以是一個(gè)用匯編語言或高級(jí)語言編寫的程序，也可以是一組數(shù)據(jù)或一份報(bào)告。系統(tǒng)程序中的翻譯程序（translator）包括匯編程序、解釋程序和編譯程序。計(jì)算機(jī)是通過逐條地執(zhí)行組成程序的指令來完成人們所給予任務(wù)的，所以指令就是計(jì)算機(jī)所能識(shí)別并能直接加以執(zhí)行的語句，當(dāng)然它是由二進(jìn)制代碼組成的。這種語言稱為機(jī)器語言，它對(duì)于人們顯然是不方便的。既然計(jì)算機(jī)能識(shí)別的唯一語言是機(jī)器語言，而用這種語言編寫程序又很不方便，所以在計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展過程中就出現(xiàn)了匯編語言和高級(jí)語言。匯編語言是一種符號(hào)語言，它和機(jī)器語言幾乎一一對(duì)應(yīng)，但在書寫時(shí)卻使用由字符串組成的助記符。例如，加法在匯編語言中一般時(shí)用助記符ADD表示的，而機(jī)器語言則用二進(jìn)制代碼來表示。顯然，相對(duì)機(jī)器語言來說，匯編語言是易于為人們所理解的，但計(jì)算機(jī)卻不能直接識(shí)別匯編語言。匯編程序就是用來把由用戶編制的匯編語言程序翻譯成機(jī)器語言程序的一種系統(tǒng)程序。微機(jī)的匯編程序有多種版本，如MASM、TASM等。MASM為Microsoft公司開發(fā)的匯編程序，TASM（TurboAssembler）則為Borland公司開發(fā)的匯編程序，它們都具有較強(qiáng)的功能和宏匯編能力。高級(jí)語言脫離開機(jī)器指令用人們更加易于理解的方式來編寫程序，當(dāng)然它們也要翻譯成機(jī)器語言才能在機(jī)器上執(zhí)行。高級(jí)語言的翻譯程序有兩種方式：一種是先把高級(jí)語言程序翻譯成機(jī)器語言程序，然后再在機(jī)器上執(zhí)行，這種翻譯程序稱為編譯程序（compiler），多數(shù)高級(jí)編程語言如PASCAL、FORTRAN、C、C++、Java、C#等通過編譯程序把編寫的程序轉(zhuǎn)換為匯編指令（assemblyinstruction），然后再轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的機(jī)器語言。另一種是直接在機(jī)器上運(yùn)行高級(jí)語言程序，一邊解釋一邊執(zhí)行，這種翻譯程序稱為解釋程序（interpreter），如BASIC、dBASE就經(jīng)常采用這種方式。計(jì)算機(jī)軟件層次連接程序（linker）用來把要執(zhí)行的程序與庫(kù)文件或其他已經(jīng)翻譯好的子程序（能完成一種獨(dú)立功能的程序模塊）連接在一起，形成機(jī)器能執(zhí)行的程序。裝入程序（loader）用來把程序從外存儲(chǔ)器傳送到內(nèi)存儲(chǔ)器，以便機(jī)器執(zhí)行。例如，計(jì)算機(jī)開機(jī)后就需要立即啟動(dòng)裝入程序把常駐監(jiān)督程序裝入存儲(chǔ)器，使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來。又如，用戶程序經(jīng)翻譯和連接后，由連接程序直接調(diào)用裝入程序，把可執(zhí)行的用戶程序裝入內(nèi)存以便執(zhí)行。系統(tǒng)程序庫(kù)（systemlibrary）和用戶程序庫(kù)（userlibrary），各種標(biāo)準(zhǔn)程序、子程序和一些文件的集合稱為程序庫(kù)，它可以被系統(tǒng)程序或用戶程序調(diào)用。操作系統(tǒng)還允許用戶建立程序庫(kù)，以提高不同類型用戶的工作效率。計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

第1級(jí)是微程序設(shè)計(jì)或邏輯電路級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，由硬件直接執(zhí)行。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行應(yīng)用程序。第2級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語言級(jí)，它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。這一級(jí)也是硬件級(jí)。第3級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。第4級(jí)是匯編語言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語言編寫時(shí)，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語言編寫，則這一級(jí)可以不要。第5級(jí)是高級(jí)語言級(jí)，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級(jí)由各種高級(jí)語言編譯程序支持和執(zhí)行。計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的分類1、按處理數(shù)據(jù)的形態(tài)分類計(jì)算機(jī)分為數(shù)字計(jì)算機(jī)（DigitalComputer）和模擬計(jì)算機(jī)（AnalogueComputer）兩大類2、按照設(shè)計(jì)的目的分類計(jì)算機(jī)可分為專用計(jì)算機(jī)（SpecialPurposeComputer）和通用計(jì)算機(jī)（GeneralPurposeComputer）3、按照使用的用途分類計(jì)算機(jī)可分為高級(jí)科學(xué)計(jì)算機(jī)（AdvancedScientificComputer）、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IndustrialControlComputer）和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（DataComputer）。4、按照內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類計(jì)算機(jī)可分為單CPU處理機(jī)與多CPU處理機(jī)（并行機(jī)）；8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)或64位計(jì)算機(jī)以及CISC與RISC計(jì)算機(jī)等。5、按綜合性能指標(biāo)分類計(jì)算機(jī)按照運(yùn)算速度、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、軟件配置等多方面