第六章 微電子技術與計算機技術

世界近現(xiàn)代科技史□第一章科學技術是第一生產力□第二章古代科學技術的發(fā)展□第三章近代科學的誕生□第四章現(xiàn)代物理學□第五章現(xiàn)代生物學□第六章微電子技術與計算機技術□第七章新材料新能源技術□第八章空間技術與海洋技術2第六章

微電子和計算機技術3引言微電子技術已經滲透到社會的各個領域，影響面極廣，發(fā)展微電子技術是當今高科技發(fā)展的關鍵問題。計算機的面貌也日新月異，它的用途越來越廣，功能越來越全，效率也越來越高。計算機已廣泛應用于人類社會的各個領域。大規(guī)模應用計算機的浪潮，席卷了工業(yè)、科技、經濟、軍事、金融、文教乃至家庭生活。為此應該了解、學習這兩個科學技術領域的一些基本概念和基本知識。4本章概要電子管、晶體管及集成電路的最基本的原理、變遷和發(fā)展計算機工作基本原理、電子計算機的組成流水線和平行處理的基本概念，存儲管理，以及總線、外設和接口等計算機的軟件系統(tǒng)的有關概念論述計算機的分類及發(fā)展趨勢52.1微電子技術微電子技術的開始從電子管到晶體管到集成電路集成電路的設計和制作集成電路用于電路設計應用和展望62.1.1從電子管到晶體管到集成電路電子管晶體管厚膜電路集成電路72.1.1從電子管到晶體管到集成電路1．電子管電子管又稱“真空管”（VacuumTube）電子管擁有三個最基本的極陰極(Cathode,K)：釋放出電子流屏極(Plate，P)：吸引和收集陰極發(fā)射的電子柵極(Gird,G)：控制電子流的流量電子管的放大作用直熱式三極管燈絲（Filament）的制作材料鎢絲釷鎢合金氧化鹼土92.1.1從電子管到晶體管到集成電路2．晶體管半導體是制造晶體管的基本材料本征半導體、自由電子和空穴共價電子與N型半導體、P型半導體p-n結二極管和三極管極其工作原理102.1.1從電子管到晶體管到集成電路3．集成電路“集成電路”(IntegratedCircuit，IC)

把由若干個晶體管、電阻、電容等器件組成的、實現(xiàn)某種特定功能的電子線路，集中制造在一塊小小的半導體芯片上集成度發(fā)展神速

1962：幾個、1965：近100個（IC）

1967：100~1000個（中規(guī)模IC）

1967-1973：1000—10000個（LSIC）

1978：達10萬~100萬個單元（VLSIC）

目前集成度已突破千萬單元1112微電子工業(yè)的幾個熱點半導體工藝已經達到0.18微米及更小HardwareDescriptionLanguage(HDL)硬件描述語言HDL有兩種用途：系統(tǒng)仿真和硬件實現(xiàn)注意：所有的HDL描述都可以用于仿真，但不是所有的HDL描述都能用硬件實現(xiàn)HDL和傳統(tǒng)的原理圖輸入方法的關系就好比是高級語言和匯編語言的關系VeryHighspeedintegratedcircuitDescriptionLanguage(VHDL)是一種用于電路設計的高級語言。超高速集成電路硬件描述語言，主要是應用在數(shù)字電路的設計13微電子工業(yè)的幾個熱點印刷電路板的自動設計——

ORCADOrcad是個電子設計自動化軟件,可以對你設計的電路進行直流掃描分析、交流掃描分析、溫度分析等等，它是世界上使用廣泛的EDA軟件,在歐美地區(qū)有相當數(shù)量的電路工程師在使用它數(shù)字信號處理機——

DSP數(shù)字信號處理（DSP）是指利用專用或通用的數(shù)字信號處理芯片，以數(shù)字計算的方法對信號進行處理。

它具有處理速度快，靈活，精確，抗干擾能力強，體積小等優(yōu)點。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；（3）片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；（7）可以并行執(zhí)行多個操作；（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。142.1.2集成電路的設計和制作1．傳統(tǒng)的設計和制造方法設計和繪制電子線路圖集成電路的線路圖轉繪成芯片布局圖分解成與制造工藝對應的各個層次的布局圖數(shù)字化成“掩膜（Mask）”圖紙在半導體材料（例如硅晶片）上進行鍍膜、光刻、酸洗、燒結芯片測試、切割、分檔、引腳焊接、封裝152.1.2集成電路的設計和制作2．使用硬件設計語言硬件描述語言HardwareDiscriptionLanguage，HDL可以描述硬件電路的功能，信號連接關系及定時關系，更有效的表示電路的特性源程序便于保存、便于修改和閱讀方便能全自動生產、避免大量的差錯代表：美國國防部的VHDL（VHSICHDL）

VerilogHDL日本電子工業(yè)振興協(xié)會的UDL/I162.1.2集成電路的設計和制作2．使用硬件設計語言TOPDOWN設計方法(三層描述)：行為描述寄存器傳輸方式描述邏輯綜合描述HDL語言設計硬件的主要優(yōu)點系統(tǒng)硬件描述能力強設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛HDL語言可以與工藝無關編程HDL語言標準、規(guī)范、易于共享和復用17網站18網站19向微米工藝的極限挑戰(zhàn)目前，由Intel為代表的多家公司正在開發(fā)“極端紫外”光刻技術，用氙燈將波長降至0.01微米；IBM則致力于0.005微米波長的X射線光刻技術研究工作。202.1.3集成電路用于電路設計為了加快電路設計的速度，除直接用HDL等語言幫助制造專用的集成電路外，一般還可以利用集成電路作為模塊和分立元件進行組合以完成電路設計。主要有：可編程邏輯控制器或可編程邏輯部件ProgrammableLogicController，PLC或

ProgrammableLogicDevice，PLD用于設計用戶專用集成電路芯片數(shù)字信號處理器DigitalSignalProcessor,DSP用于多種信號處理212.1.3集成電路用于電路設計1．可編程邏輯控制器功能：利用器件生產商所提供的編程語言，按需要寫出相應的程序，經調試和修改、輸入并固定到PLC/PLD芯片中(燒結芯片)，成為用戶專用芯片。分類復雜可編程邏輯器件

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）場可編程門陣列（含有RAM）

FPGA（FieldProgrammableGateArray）

與標準的邏輯器件相比其主要優(yōu)點:規(guī)模大、體積小–加密性能好可實現(xiàn)在線編程–有利于電子設計自動化(EDA)AROMasAND/ORLogicDevicePLDSummaryPLAExamplePALExample262.1.3集成電路用于電路設計2．數(shù)字信號處理器功能：DSP是一種具有特殊結構的微處理器，B不同的型號被設計成專門用來處理復雜的圖形、圖像、視頻和音頻數(shù)字化信息。DSP的發(fā)展過程DSP發(fā)展歷程大致分為三個階段:70年代理論先行,80年代產品普及,90年代突飛猛進。90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件。現(xiàn)在的DSP屬于第五代產品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領域大顯身手，而且逐漸滲透到人們日常消費領域

應用領域：通信、語音、圖像/圖形、軍事、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療、家用電器等與標準的邏輯器件相比其主要優(yōu)點:接口方便、編程方便、穩(wěn)定性好、精度高、重復性好、集成方便27282.1.4應用和展望1．微電子技術的應用微電子技術被廣泛應用于社會的各個行業(yè)微電子技術和計算機技術相輔相成，推動了信息技術的高速度發(fā)展傳統(tǒng)工業(yè)的行業(yè)改造和技術更新使商業(yè)領域的傳統(tǒng)賬冊產生了根本的變化與其他技術的結合和滲透發(fā)展成新的技術現(xiàn)代化的軍事與國防也離不開微電子技術深刻地、廣泛地影響著人們的生活292.1.4應用和展望2．微電子技術展望電子元器件和線路越來越小、細，集成度越來越高，芯片運行的速度越來越高快摩爾定律：集成度每18個月翻一番，而價格保持不變甚至下降人的頭發(fā)100微米

Intel803861.20微米工藝33MHzIntel804860.80微米工藝100MHzIntelPentium0.60微米工藝200MHzIntelPII0.35微米工藝500MHzIntelPIII0.25微米工藝800MHz最近已經達到0.13微米2GMHz目前集成電路制造商進軍≤0.1微米工藝

302.2計算機基本結構和原理了解計算機基本工作原理、基本結構及其發(fā)展的趨勢，將有利于在計算機技術高速發(fā)展的形勢下，跟上它前進的步伐。計算機系統(tǒng)的基本組成：硬件和軟件硬件構成：中央處理單元、輸入接口和設備、輸出接口和設備、以及存儲器等軟件組成：程序、文件以及有關的文檔資料31從外觀角度，計算機硬件又由以下部分組成：至主機音箱鼠標鍵盤顯示器2.2.1計算機基本工作原理322.2.1計算機基本工作原理1．基本組成組成：存儲器、運算器、控制器、輸入設備與輸出設備等五大部分運算器、控制器制作在同一芯片內合稱“中央處理器（CPU）早期的以控制器、運算器為機器的中心快速中央處理在等待慢速的外圍設備控制器的負擔過重現(xiàn)計算機改成以主存儲器為中心系統(tǒng)的輸入／輸出與CPU的運算并行多種輸入和輸出并行33342.2.1計算機基本工作原理2．二進制編碼計算機內部是一個二進制數(shù)字世界機器數(shù)用二進制數(shù)碼表示。為什么？有如下特點：二進制只有二個數(shù)，即0，1，易物理實現(xiàn)。它可用任何具有兩個不同穩(wěn)定狀態(tài)的元件來表示，可靠性高。如：開關的通——1，斷——0四則運算簡單35節(jié)省存儲設備：十進制表示0~9需要10個設備，而用二進制只需4個設備就可表示0~15便于邏輯代數(shù)應用

由于邏輯代數(shù)的結果只有兩種狀態(tài)：真、假，完全可用二進制的0和1替代。使邏輯表達式的分析和設計更為簡單計算機的數(shù)字系統(tǒng)數(shù)制：指按進位的原則進行計數(shù)，稱進位計數(shù)制進位計數(shù)制有三個要素:

數(shù)位——數(shù)碼在一個數(shù)的位置

基數(shù)——某計數(shù)制中,數(shù)碼的個數(shù)

位權——某計數(shù)制中,數(shù)位中數(shù)碼所代表數(shù)值的大小等于這數(shù)碼乘上一個固定的值,該值稱為位權.位權表示法數(shù)制的特點：數(shù)字的總個數(shù)等于基數(shù)，R進制所需要的數(shù)碼有R個。如十進制使用10個數(shù)字（0~9）；最大的數(shù)字比基數(shù)小1，如十進制中最大的數(shù)字為9；每個數(shù)字都要乘以基數(shù)的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定計算機內部使用二進制數(shù)一個二進制數(shù)可按位權展開成一個多項式，例如：

(11.101)2＝21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-337數(shù)制 按進位的原則進行計數(shù)逢N進1采用位權表示法數(shù)制與編碼定義：38常用進位計數(shù)制表示方法

進位制的性質數(shù)制數(shù)碼進位方法基數(shù)二 0，1 逢2進1 2 八 0～7 逢8進18十 0～9 逢10進110十六0～9,

逢16進116

A～F對于R進制，所用的數(shù)碼就是0~（R-1），為R個數(shù)39數(shù)制間的轉換數(shù)制與編碼十進制數(shù)非十進制數(shù)非十進制數(shù)十進制數(shù)二、八、十六進制之間的轉換40數(shù)制間的轉換十進制數(shù)轉換成非十進制數(shù)分整數(shù)和小數(shù)兩部分進行轉換十進制整數(shù)轉換為非十進制整數(shù)規(guī)則采用除基取余法，即“除基取余，先余為低（位），后余為高（位）”。5578660余數(shù)1655716330余數(shù)(55)10=(101111)2(55)10=(67)8(55)10=(37)1641

8753891811

0結果為：113余數(shù)法：除基數(shù)取余數(shù)、由下而上排列。示例：十進制整數(shù)非十進制整數(shù)42275123712180291240220211

0又例：75DB結果為：100101143十進制小數(shù)轉換為非十進制小數(shù)采用乘基取整法，即“乘基取整，先整為高（位），后整為低（位）”。例：(0.625)10=()2例：(0.32)10=()20.625整數(shù)×2.1.2510.25×20.500.5×21.010.1010.32整數(shù)×2.0.640×21.2810.28×20.560×21.121

……0.0101……44例：將十進制數(shù)86.25轉換成二進制數(shù)整數(shù)部分：余數(shù)小數(shù)部分：整數(shù)2860最低位0.252431×222110.500最高位2100×22511.001最低位2202110最高位所以：（86.25)10=(1010110.01)2R進位制數(shù)的十進制數(shù)值等于一個多項式的值，即：（KnKn-1…K0.K-1..K-m)R=KnRn+Kn-1Rn-1+…+K0R0+K-1R-1+K-2R-2+…+K-mR-m=(KiRi)10該多項式叫權展開式其中：R稱為基數(shù)，表示R進制；Ki稱為位上的系數(shù)，對于R進制來說可在0~(R-1)之間的R個數(shù)碼中選取；Ri表示權。i=n,n-1…1,0,-1,…-m（正整數(shù)）多項式以K0R0為界，K0R0(含其本身)以左邊為該數(shù)的整數(shù)部分，以右(不含其本身)為該數(shù)的小數(shù)部分。46位權法：把各非十進制數(shù)按權展開求和轉換公式：(F)10=a1×xn-1+a2×xn-2+...+am-1×x1+am×x0+am+1×x-1+...示例：(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1

×2-1=8+0+2+1+0.5 =(11.5)10非十進制數(shù)十進制數(shù)47非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)采用位權法，即把各非十進制數(shù)按權展開，然后求和例：1）(1101.0101)2=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+0×2-3+1×2-4=(13.3125)102）(7C.31)16=7×161+12×160+3×16-1+1×16-2

=(124.191)103）(315.7)8=3×82+1×81+5×80+7×8-1=(205.875)104）(123)4=1×42+2×41+3×40=(27)105）(345.5)6=3×62+4×61+5×60+5×6-1=(137.8333)10

整數(shù)從右向左三位并一位小數(shù)從左向右三位并一位二進制八進制二、八與十六進制之間的轉換一位拆三位一位拆四位

整數(shù)從右向左四位并一位小數(shù)從左向右四位并一位二進制十六進制

49二進制與其他進制間的轉換二進制與八進制間的轉換以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左、小數(shù)部分自左向右分別按每3位為一組（不足3位的用0補足）然后將每個3位二進制數(shù)轉換為對應的一位八進制數(shù)。2）八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位八進制數(shù)轉換為對應的3位二進制數(shù)。即:“三位一并法”;“一分為三”例:(10111001010.1011011)2=(010

111

001

010

.101

101

100)2=(2712.554)8例:(7451.12)8=(111

100

101

001.001010)2=(111100101001.00101)2

50二進制與其他進制間的轉換二進制與十六進制間的轉換以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左、小數(shù)部分自左向右分別按每4位為一組（不足4位的用0補足）然后將每個4位二進制數(shù)轉換為對應的一位十六進制數(shù)。4）十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位十六進制數(shù)轉換為對應的4位二進制數(shù)。即:四位一并法”;“一分為四”例:(1101110.01011)2=(0110

1110.0101

1000)2=(6E.58)H例:(5CA6.B2)H=(0101

1100

1010

0110.10110010)2=(101110010100110.1011001)2

51100 110 110 111 .010100

(4 6 6 7 .24)8100110110111.0101

(9 B 7.5)16示例：52計算機編碼數(shù)制與編碼BCD碼（余三碼/8421碼）國標碼（7445）ASCII碼漢字編碼字符編碼二進制編碼的十進制數(shù)53非數(shù)值信息的表示1.西文字符編碼1）英、數(shù)字符和特殊控制符字符作為人—機聯(lián)系的媒介，是最重要的數(shù)據(jù)類型之一當前的西文字符集由128個符號組成，通常用8位二進制編碼,即用一個字節(jié)來表示每一個符號，當前通用的兩個標準字符集是：ASCII碼：即AmericanStandardCodeforInformationInterchangeASCII字符編碼集

b6b5b4000001010011100101110111

b3b2b1b0

0000NULDLESP0@P,p

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC2“2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfv

0111BELETB‘7GWgw

1000BSCAN(8HXhx

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB*:JZjz

1011VTESC+;K[k{

1100FFFS,<L\l|

1101CRGS-=M]m}

1110SORS.>N^n~

1111SIUS/?O_o55ASCII碼7位二進制編碼，共有128個代碼當以一個字節(jié)來存放7位的ASCII碼時，其最高位通常置0，也可用于錯誤檢驗。128個代碼分兩類：可顯字符編碼從(0100000)21H~7EH(1111110),共95個控制字符（非可顯示字符）編碼從(0000000)00H~20H(001111),33個,及(1111111)7FH的代碼，共33個。漢字及全角英、數(shù)字符編碼漢字在計算機內的編碼通常用輸入碼（外碼）、機內碼、字模碼描述。機內碼中用于漢字的存儲、處理交換等操作的計算機內部代碼。一個漢字機內碼通常用兩個字節(jié)表示，且這兩個字節(jié)的最高位均為1，以區(qū)別英文字符的ASCII碼；輸入碼是用來輸入漢字的編碼。拼音、字形碼、五筆字型、區(qū)位碼等字模碼是漢字的輸出編碼，計算機內的字庫中存放的就是字模碼；機內碼與漢字字符是一一對應機內碼與輸入碼是一對多關系，表明一個漢字的輸入方法有多種；機內碼與字模碼也是一對多，表明一個漢字的輸出形式有多種，即有不同的字體輸出。57(A)國標碼國標標中所有符號按區(qū)位編排：94*941~15區(qū)：西文字母、數(shù)字、圖形符號，用戶自定義的專用符號，如10~15空，由用戶自定義。16區(qū)~55區(qū)：一級漢字，按拼音排序；56區(qū)~87區(qū)：二級漢字，接部首排序，國標碼用兩個字節(jié)的十六進制表示，如國際碼“啊”，3021H58（B）漢字機內碼以GB2312－80標準為基礎，長度兩個字節(jié)編碼每個字節(jié)的低七位表示漢字信息，把最高位變成1，即成漢字內碼例：“啊”國際碼是3021H，其機內碼B0A1H（十六進制表示）第1字節(jié)第2字節(jié)

0011000000100001高位置1

1011

0000

1010

0001

B0A1特點：能與ASCII嚴格區(qū)分，ASCII碼<7F,機內碼>7F代碼字長短與國標碼有簡單一一對應關系59(C)機外碼區(qū)位碼：由漢字或字符的區(qū)號和位號所組成，用十進制表示；（第1字節(jié)為區(qū)號，第2字節(jié)為位號）無重碼不好記代碼短與國標碼有簡單的對應關系區(qū)位碼與國標碼、機內碼關系：區(qū)位號（十六進制表示）+20H

國標碼（因為國標碼從21H開始編）國標碼+80H機內碼，所以機內碼總大于A1H例：“愛”的區(qū)位碼為1614，國標碼、機內碼？1614的十六進制=100E分別+20H=302E（國標碼）302E+80H=B0AE（機內碼）求：4687區(qū)位碼對應機內碼CEF760國標碼：也可作漢字輸入，特點同上首尾碼：按漢字形狀編碼。代碼短，兩鍵；重碼多；不易記拼音碼不需記憶；重碼多，代碼有時長五筆字型碼易記，重碼少漢字鍵盤一鍵一字；鍵盤大聯(lián)機手寫輸入不用學、不用記、操作方便，但識別困難、成本高語音輸入進行語音識別，A/D轉換(C)機外碼61(D)漢字編碼與漢字點陣字模漢字點陣字模：用二進制的1或0所表示出的漢字的點陣模型。有：簡易型16×16；普及型24×24提高型32×32；精密型48×48漢字庫:存儲漢字點陣字模的存儲器存在磁盤的漢字庫——軟字庫，用時調入內存存在ROM的漢字庫——硬字庫（漢卡），不占內存漢字點陣存儲方式一般為16點陣、24點陣62漢字庫中尋找漢字字模時采用地址碼漢字處理過程輸入碼機內碼地址碼字形碼。全角的英、數(shù)字符相當于一個漢字，半角的一個英、數(shù)字符與全角的它們碼長度不同，并且二碼間無關系63聲像數(shù)據(jù)數(shù)字化用CEPT或CAPTAIN視頻文本標準或GKS圖形標準編碼表示圖形用脈碼調制方法PCM和16位線形量化技術表示視頻數(shù)據(jù)流用傳真編碼、BMP格式或JPEG格式等表示圖像編碼用PAL、SECAM、NTSC等TV標準格式表示一段連續(xù)的音頻/視頻，或MPEG格式將信息存儲在計算機中。模數(shù)轉換（A/D）數(shù)據(jù)壓縮技術JPEG、GIFMPEG64Unicode碼信息編碼標準兩個字節(jié)表示每一個字符65信息的內部表示與外部顯示數(shù)值型數(shù)據(jù)編碼：使用二進制表示字符型數(shù)據(jù)（字母、漢字、符號、數(shù)字字符）等編碼：ASCII碼GB231280（漢字編碼字符集，基本集）Unicode碼（國際統(tǒng)一編碼）663．程序和數(shù)據(jù)的存儲計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子裝置。程序存儲和程序控制存儲器基本存儲單元地址、地址總線和尋址能力計算機存儲器極其作用高速緩存主存(內存）輔存(外存)674．指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)：指計算機所具有的各種指令的集合,一臺計算機中所有機器指令的集合，它反映了計算機具有的基本功能，是計算機軟件與硬件的接口。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍68指令格式與尋址方式指令是由硬件識別和執(zhí)行的，又是構成軟件（程序）的基本單元。當計算機的指令系統(tǒng)確定之后，計算機研制者構造能夠識別與執(zhí)行指令系統(tǒng)的硬件，在指令系統(tǒng)的基礎上建立程序系統(tǒng)，進而擴充與發(fā)揮計算機的功能。如圖所示694．指令系統(tǒng)指令:用來指揮硬件動作的命令.讓計算機完成某個操作指令組成:操作碼操作數(shù)操作碼：表示該指令應進行什么性質的操作和具有的功能。操作數(shù)：指定操作對象，0-3個尋址方式立即數(shù)直接地址間接地址變址指令集705．指令執(zhí)行指令譯碼取指令執(zhí)行指令存操作結果一般情況下，每完成一條指令，指令計數(shù)器加一圖2-2-4指令的執(zhí)行由起始地址開始，從存儲器中取一條，執(zhí)行一條，順序地執(zhí)行，直到程序（指令）執(zhí)行完畢程序計數(shù)器（PC）指令執(zhí)行步驟：取指令指令譯碼執(zhí)行指令存操作結果指令周期取指周期：內存CPU執(zhí)行周期：CPU譯碼有關部件動作71指令的執(zhí)行方式三種方式：順序執(zhí)行方式特點：就一程序言，各指令順序指令；就一指令言，內部各操作順序執(zhí)行優(yōu)點：控制簡單；缺點：速度慢重疊執(zhí)行方式多條指令同時執(zhí)行的方式流水線方式把指令的執(zhí)行過程分為若干個子過程，分別由不同的硬件去執(zhí)行的方式。取指分析執(zhí)行取指分析執(zhí)行執(zhí)行i條指令執(zhí)行i+1條指令722.2.2流水線和平行處理并行計算是為提高計算機的運行速度而始終不變的基本思想之一。并行計算的基本途徑：流水線并行方式：時間上實現(xiàn)并行處理多處理機并行方式：空間上實現(xiàn)并行處理731．流水線流水線特征

過程被分成時間相等或成倍比的若干工序，分別固定在順序排列工位進行流水線目的

提高效率計算機流水線

執(zhí)行四個步驟的四個執(zhí)行部件同時執(zhí)行不同指令的相應處理，理想情況下，速度可提高四倍（參見圖2-2-7）752．流水線中的技術問題計算機流水線比工業(yè)生產流水線復雜計算機流水線的問題與處理指令多樣：多流水線每條指令的步驟數(shù)不同：按最多步驟、延遲技術各個步驟花費時間不同：化時長的分解成小步驟指令間的數(shù)據(jù)相關性：避免發(fā)生、相關性預測指令會發(fā)生跳轉：取消、重取指令 763．并行處理并行處理的概念和實例并行處理的關鍵問題分解各個部分能相互交換信息達到“協(xié)同”工作較高的性能價格比并行處理 實施方案多處理機系統(tǒng) –多計算機系統(tǒng)陣列計算機系統(tǒng) –脈動陣列計算機系統(tǒng)等實例曙光公司生產的天演系列和天潮系列計算機系統(tǒng)4847494979馮·諾依曼機特點計算機由五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備；以運算器為中心，由控制器集中控制整個系統(tǒng)。采用存儲程序的工作方式數(shù)據(jù)（指令和數(shù)據(jù)）以二進制表示指令由操作碼和地址碼兩部分組成指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在位置，一般按順序遞增；以運算器為中心，I/O設備與存儲之間的數(shù)據(jù)傳送都經過運算器。802.2.3存儲器及其管理1．存儲器器件的變革2．現(xiàn)代存儲技術3．存貯器的層次結構4．多級高速緩存5．虛擬存儲技術811．存儲器器件的變革(1)內存儲器內存分成只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）兩種存儲器器件的基本要求能表示兩個狀態(tài)（電路、磁性體、光器件）能保持狀態(tài)的穩(wěn)定（磁性體最佳）在控制條件下可以實現(xiàn)狀態(tài)轉換存儲器器件變革電子器件40年代，速度快，容量小，不能停電磁芯存儲器50年代半導體存儲器60年代、速度快、體積小、耗電省82831．存儲器器件的變革(2)目前常用內存半導體存儲器類型DRAM：電容充放電、結構簡單、容量大、功耗小SRAM：集成度低、成本高、功耗較大不同模式的DRAM快速頁模式（FPM，F(xiàn)astPageMode）擴充數(shù)據(jù)輸出（EDO，ExtendedDataOut）錯誤校驗與糾正（ECC，ErrorCheckingandCorrecting）BEDO（BurstEDO）同步動態(tài)RAM（SDRAM，SynchronousDynamicRAM）RDRAM（RambusDRAM）和DDRRAM（DoubleDateRateRAM）8485(1).只讀存儲器（ROM）

是一種只能讀出而不能寫入和修改信息的存儲器。其存儲信息在制作該存儲器時被寫入。計算機斷電后，ROM中的數(shù)據(jù)不會丟失。86(2).隨機存儲器（RAM）

是一種隨機讀寫存儲器，其內容可以讀出，也可以隨時重新寫入。計算機斷電后，RAM中數(shù)據(jù)全部消失。隨機存儲器可以分為靜態(tài)隨機存儲器和動態(tài)隨機存儲器。87類別對信息的修改斷電后信息情況用途ROM只讀不丟失永久存放特殊專用信息RAM可讀、可寫全部丟失存放臨時程序和數(shù)據(jù)只讀存儲器與隨機存儲器的區(qū)別88磁盤和磁盤驅動器磁盤是一種外存儲器。分為硬磁盤與軟磁盤。存取數(shù)據(jù)是通過對磁盤讀寫而實現(xiàn)的。存數(shù)據(jù)叫做寫磁盤；取數(shù)據(jù)叫做讀磁盤。89軟盤存儲器軟盤是目前被廣泛采用的外存儲介質使用方便，常用于數(shù)據(jù)備份和不同計算機之間的信息交流。寫保護

存儲格式磁道（同心圓信息記錄道,編號由0開始）扇區(qū)（sector)

磁面軟盤的容量=磁面數(shù)×磁道數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512B

保養(yǎng)90寫保護口外殼上可滑動的小方塊為寫保護孔若滑塊露出小孔，磁盤驅動器對盤只能讀不能寫如果堵住這個小孔,則該軟盤既能讀也能寫;沿半徑方向的長形孔，為讀寫窗口，磁頭接觸薄膜。3寸盤容量1.44M讀寫窗口91扇區(qū)末磁道0磁道92圖1-1磁盤軟盤驅動器安裝在機箱的前面。軟盤直徑是3.5英寸的軟盤，簡稱3寸盤。3寸盤的存儲容量是1.44MB。2*80*18*512932．現(xiàn)代存儲技術移動存儲設備閃存卡：CompactFlash(CF)卡SmartMedia(SM)卡MultiMediaCard(MMC)索尼公司的MemoryStick(MS)ScanDisk(SD)等942．現(xiàn)代存儲技術移動存儲設備磁光技術移動存儲產品：磁阻技術的ORB結合光學與電磁學可重復擦寫存儲技術的MO體積小巧的Click!IBM的Microdrive使用了DVD技術的Dataplay952．現(xiàn)代存儲技術移動存儲設備

閃盤：深圳朗科公司開發(fā)的優(yōu)盤(OnlyDisk)華旗資訊的愛國者迷你王(MiniKing)等移動硬盤963、存儲器的層次結構計算機系統(tǒng)對存儲器的要求：容量、速度存儲體系結構的概念：存儲體系結構是指由不同層次的存儲器，經相應的硬件和軟件有機組合而成的存儲系統(tǒng)結構。特點：整個存儲系統(tǒng)的硬件結構為層次結構，常見的有：二級、三級在存儲器層次結構中，各層次間的信息調度由輔助硬件或軟件直接完成97二級存儲體系由主存和輔存組成CPU主存輔存輔助軟、硬件98多級存儲體系三級存儲器層次結構以二級為基礎，在CPU與主存之間加入高速緩沖存儲器cache組成。CPUCACHE主存輔存輔助硬件輔助軟硬件99存儲系統(tǒng)的層次結構CPUCACHE主存（內存）輔存（外存）根據(jù)各種存儲器的存儲容量、存取速度和價格比的不同，將它們按照一定的體系結構組織起來，使所放的程序和數(shù)據(jù)按照一定的層次分布在各種存儲器中。100高速緩沖存儲器特點:位于CPU與主存之間,是存儲器層次結構中級別最高的一級容量比主存小,一般有數(shù)KB到數(shù)MB速度一般比主存快5~10倍;由快速半導體存儲元件組成;其內容是主存的部分副本用途可用來存放指令,也可用來存放數(shù)據(jù)101主存和高速緩存之間的關系Cache引入:為解決CPU和主存之間的速度差距，提高整機的運算速度。Cache工作原理——程序訪問的局部性在較短時間內由程序產生的地址往往集中在存儲器邏輯地址空間的很小范圍內。數(shù)據(jù)分布不如指令明顯，但對數(shù)組的訪問及工作單元的選擇可使存儲地址相對集中。CPU與Cache之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而Cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位，一個塊是由若干字組成，是定長的。102主存與輔存之間的關系主存:(半導體存儲器組成)優(yōu):速度快缺:容量受限,單位成本高,斷電丟失信息。輔存:(光盤,磁盤)優(yōu):容量大,信息長久保存,單位成本低.缺:存取速度慢CPU正在運行的程序和數(shù)據(jù)存放在主存暫時不用的程序和數(shù)據(jù)存放在輔存。輔存只與主存進行數(shù)據(jù)交換1034．多級高速緩存目的：解決快速CPU和低速內存之間的矛盾多級高速緩存第一級Cache：在CPU的芯片內外部連線用內部連線替代提高對Cache的存取速度，容量小第二級Cache：在片外，安裝在主板上，容量為256K字節(jié)或512K字節(jié)Cache的“命中率”的問題各級緩存和內存間內容保持一致的問題同步更新內存內容滯后更新內容的方法1045．虛擬存儲技術目的：擴大內存容量方法：暫時不用的內存數(shù)據(jù)存入外存

—虛擬內存需要時從外存調入內存運行得失：增加內存容量、降低運行速度1052.2.4總線、外設和接口1．總線和多重總線2．外部設備3．主機板上的ISA到PCI總線4．硬盤接口類型及選擇5．從RS232C到USB1061．總線和多重總線總線頻繁的數(shù)據(jù)信息交換的公共通道類型：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線總線的管理：申請、等待、判定、交用獨立雙重總線（DualIndependentBus）PentiumII芯片中實現(xiàn)前端總線：微處理器和主存間的信息交換后端總線：微處理器和高速緩存間信息交換1072．外部設備(1)外存儲器：軟盤、硬盤、光盤和磁帶機輸入設備：鍵盤和鼠標輸出設備：顯示器和打印機其他設備：

繪圖機、掃描儀、攝像頭、照片輸出機、

數(shù)碼照相機、聲卡、音響等等1082．外部設備(2)接連接存儲設備(DirectAccessStorage，DAS)硬盤：目標高速、大容量，已達單碟40GB100GB常用接口標準：

EIDE（EnhancedIntegratedDriveElectric）接口

SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口光盤：CD-ROM、CD-R（WORM）、CD-RW（E-R/W）DVD常用接口標準：IDE109光盤和光盤驅動器光盤即CD-ROM，只讀光盤存儲器。光盤上用“平地”和“凹坑”來表示二進制信息，通過激光的反射來讀出其中存儲的信息。所有數(shù)據(jù)都經過數(shù)字化處理變成0和1，對應的就是光盤上的Pit(凹點)和Land(平面)。110衡量一個CD-ROM的性能如何有兩個指標，一是數(shù)據(jù)的傳輸速率；數(shù)據(jù)傳輸率以150KB/S為一倍速(與音樂CD相當)，目前已經達到40倍速。二是數(shù)據(jù)的讀取時間。111DVD和DVD-ROMDVD的英文全稱是DigitalVideoDisk，即數(shù)字視頻光盤或數(shù)字影盤，后來的含義是DigitalVersatileDisk，即數(shù)字通用光盤。112DVD優(yōu)于CD、VCD主要基于以下幾個方面：1、容量大、讀取速度快。

DVD由兩個厚度各為0.6mm的基質層粘貼而成，采取多面多層的技術，即每一張光盤可以存儲雙層信息。2、高分辨率的視頻。

DVD的分辨率可達720*480，遠超于VCD的352*240。3、高保真的音質。1132．外部設備(3)移動存儲設備軟盤：3.5英寸/1.44MB5.5英寸/1.2MBZIP盤/100MBSuperDisk(LSl20)1142．外部設備(4)顯示器、顯示卡、鍵盤和鼠標顯示器參數(shù)：尺寸、分辨率、材料類型CDR、LCD顯示卡總線類型：ISA、EISA、VISA和PCI顯卡二維、三維加速顯示卡顯示內存的型號（DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM）和容量（>最大分辯率*色彩位