1-1-微型計算機系統(tǒng)概論

1計算機組成技術(shù)主講教師：吳銳哈工大計算機學院2關(guān)于課程是計算機基礎(chǔ)教育系列課程的核心課程之一

是電類專業(yè)主干必修課1.課程性質(zhì)3關(guān)于課程2.課程任務獲得硬件方面的基本理論、基本知識、基本技能；

培養(yǎng)從硬件和軟件的結(jié)合上思考、分析、解決問題的初步能力；

為進一步學習、應用相關(guān)新知識、新技術(shù)打下必要基礎(chǔ)。4硬件結(jié)構(gòu)及工作原理；指令系統(tǒng)及編程接口基本原理、方法與技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應用微機原理——微機接口——典型應用——關(guān)于課程3.課程內(nèi)涵-----《計算機硬件技術(shù)及應用》5計算機專業(yè)課程體系軟件類硬件類

高級語言程序設(shè)計

匯編語言程序設(shè)計數(shù)字邏輯

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

計算機原理

編譯原理操作系統(tǒng)

接口技術(shù)6

?知識單元和知識點多（相對學時數(shù)）?理論性、系統(tǒng)性、實踐性都很強?數(shù)學推導、證明少,邏輯推理、判斷多（所以既好學,又難學）

4.課程特點關(guān)于課程7（2）理論與實踐緊密結(jié)合,重視上機實驗（3）適當?shù)瘍?nèi)部結(jié)構(gòu)原理,而強化外部接口應用5.學習方法（1）抓重點:基本概念的熟悉；基本原理的理解；基本方法技能的掌握。關(guān)于課程86.教學特點關(guān)于課程發(fā)展迅猛,但許多基本原理是相同的。側(cè)重原理的學習,不過分深究具體的細節(jié)（如數(shù)百個引腳并不一一進行研究）。次序進行了調(diào)整,選擇和補充了一定內(nèi)容。通過實驗,加深理解。9?主教材選用——《計算機硬件技術(shù)及應用基礎(chǔ)》,鄒逢興?正確對待教材?教學參考書關(guān)于教材——計算機組成原理,唐朔飛編著,高等教育出版社出版——IBMPC匯編語言程序設(shè)計（第二版）,沈美明、溫冬嬋編著,清華大學出版社出版——微型計算機系統(tǒng)原理及應用(第三版),周明德著,清華大學出版社10——

吳銳——

計算機學院硬件教研室——綜合樓520室——simple@——

86402036關(guān)于教師11——

考試70%——

實驗20%——作業(yè)和平時出勤10%關(guān)于考試12第一章微型計算機系統(tǒng)組成及工作原理131.1計算機發(fā)展史“圖靈機”:1937年,提出現(xiàn)代計算機的理論模型-“圖靈機”模型；ENIAC:1946年，世界上第一臺電子計算機；馮.諾依曼結(jié)構(gòu):1946年，另一臺計算機EDVAC,采用了馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)在絕大多數(shù)計算機的體系結(jié)構(gòu)；14世界上第一臺計算機ENIAC1946年2月,美國研制成功ENIAC(ElectronicNumbericalIntergratorAndCaculator,愛尼克)。它由18000多個電子管、1500多個繼電器等組成,重30噸,耗電150千瓦,占地170平方米,運算速度為每秒5000次。從計算能力來看,不如現(xiàn)在的小計算器。1516第一代計算機:1946年~1958年，電子管，每秒5000次加減法運算；第二代計算機:1958年~1965年，晶體管，每秒計算幾萬次~幾十萬次；第三代計算機:1965年~1970年，集成電路，每秒計算幾百萬次~幾千萬次，每平方毫米集成100個門電路； 以大型機和超級計算機為代表。17第四代計算機:1971年以后，大規(guī)模集成電路，集成度越來越高 小規(guī)模集成電路（SSI）:芯片集成度為1~10個等效邏輯門； 中規(guī)模集成電路（MSI）:10~100個等效邏輯門 大規(guī)模集成電路（LSI）:100~10000 超大規(guī)模集成電路（VLSI）:10000個以上 巨大（甚大）規(guī)模集成電路（ULSI）:100萬以上一個重要代表:微處理器18微處理器的發(fā)展主要公司:Intel公司，Motolola公司，Zilog公司，TI公司;第一代微處理器:1971年~1972年，基本指令時間10-15微秒，時鐘頻率1MHz； Intel:4004和404019第二代微處理器:1972年~1977年，8位微處理器，基本指令時間1-2微秒，時鐘頻率4MHz Intel:8008和8080 Motolola:M6800和M6809 Zilog:Z-8020第三代微處理器:1978年~1983年，16位微處理器，基本指令時間0.2微秒，時鐘頻率10MHz Intel:8088、8086和80286 Motolola:M68000 Zilog:Z-800021第四代微處理器：1984年以后，32位微處理器，基本指令時間0.05微秒 Intel：80386.80486，Pentium Motolola：M68020摩爾定律:每18個月微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴大一倍，計算性能翻一番，而價格保持不變。微電子技術(shù)的發(fā)展與進步，主要是靠工藝技術(shù)的不斷改進，使得器件的特征尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到提高。從0.5、0.35、0.25、0.18、0.15、0.13、0.11微米一直發(fā)展到目前最新的90納米、80納米、65納米…VLSI本身線寬的極限在5nm；微電子以摩爾定律的幾何增長最多可以持續(xù)到2017年。22代表計算機發(fā)展的公司IBM(InternalBusinessMachine)

Intel

(IntegrateElectronics)MicrosoftCO,.23計算機的形態(tài)計算機在今天已經(jīng)是千差萬別,顯現(xiàn)或隱藏在我們周圍的很多角落,不注意你根本不能發(fā)覺,其實你一時一刻都離不開計算機…...24計算機的發(fā)展多種多樣的計算機產(chǎn)品25指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)軟件硬件指令系統(tǒng)計算機系統(tǒng)1.2微型計算機系統(tǒng)的層次26微處理器微處理器

微型計算機系統(tǒng)微型計算機微處理器微處理器

微型計算機微型計算機系統(tǒng)1.2微型計算機系統(tǒng)的層次微型計算機系統(tǒng)從局部到全局存在三個層次微處理器本身不是計算機,不能獨立工作,它是微型計算機的核心部件,包括算術(shù)邏輯部件ALU,控制部件和寄存器組三個基本部分。微型計算機是以微處理器為核心,加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器（ROM和RAM）、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成的。它不是完整的計算系統(tǒng),也不能獨立工作。微型計算機系統(tǒng)是以微型計算機為核心,再配以相應的外圍設(shè)備、電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件而構(gòu)成的完整計算系統(tǒng)。它可以獨立工作,有實用意義。微處理器微處理器

微型計算機系統(tǒng)微型計算機微處理器微型計算機微處理器

微型計算機系統(tǒng)1.3微機的分類按構(gòu)成分類:單片機、單板機、多板機

單片機將CPU、內(nèi)存、I/O接口電路全部集成一塊芯片上，構(gòu)成具備基本功能的計算機，稱單片機。特點：超小型、高可靠性、價廉應用：智能儀表、工業(yè)實時控制、家用電器等產(chǎn)品：Intel的8051、8096/8098系列

Motorola的6801、6805系列

Hitachi(日立)的H8S、SH系列1.3

微機的分類

單板機將CPU、內(nèi)存、I/O接口及其它輔助電路全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。特點：結(jié)構(gòu)簡單、價廉應用：過程控制、數(shù)據(jù)處理1.3

微機的分類把CPU、內(nèi)存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上，各印刷板插在主機板的總線插槽上，通過系統(tǒng)總線連接起來，構(gòu)成多板機。產(chǎn)品:IBMPC/XT、486機、Pentium機等

多板機輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備

CPU存儲器運算器ALU1.4微機的體系結(jié)構(gòu)由運算器、存儲器、控制器和I/O設(shè)備組成；指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲器中,按地址尋訪；指令和數(shù)據(jù)均以二進制表示；指令由操作碼和數(shù)據(jù)組成；指令在存儲器中順序存放,順序執(zhí)行,特定情況下根據(jù)條件改變執(zhí)行的順序；馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的特點311.位(bit)2.字節(jié)(Byte)3.字和字長(word)4.位編號1.5有關(guān)術(shù)語321.位(bit)計算機能表示的最小單位在計算機中采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令，故:位就是一個二進制位，有兩種狀態(tài)，“0”和“1”2.字節(jié)(Byte)相鄰的8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)，1Byte＝8bit如:11000011010101111.5有關(guān)術(shù)語333.字和字長字是CPU內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位。

字長是每一個字所包含的二進制位數(shù),常與CPU內(nèi)部的寄存器、運算裝置、總線寬度一致。1.5有關(guān)術(shù)語字長是衡量CPU工作性能的一個重要參數(shù)。不同類型的CPU有不同的字長。如:Intel4004是4位

8080是8位

8088/8086/80286是16位

80386/80486是32位

10101100011001011001100001000011被加數(shù)

+11000011110000110001010101011000加數(shù)進位

11111111111101110000001010001010110110011011和

4位8次

8位4次16位2次32位1次4.位編號為便于描述，對字節(jié),字和雙字中的各位進行編號。從低位開始，從右到左依次為0、1.2．．．←編號7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字節(jié)數(shù)據(jù)Data地址Address36

1構(gòu)成部件

2工作過程1.6

微型計算機的組成及工作過程微機的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成；輸入/輸出設(shè)備通過輸入/輸出接口與系統(tǒng)相連；

(輸入/輸出接口簡稱I/O接口)各部件通過總線連接。構(gòu)成部件1構(gòu)成部件總線BUS存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU(1)總線總線是連接多個功能部件的一組公共信號線微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸總線BUS存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU按信號的作用，總線分為三類:地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU三總線結(jié)構(gòu)40地址總線AB(AddressBus):單向用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址總線的條數(shù)

決定CPU的尋址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G41數(shù)據(jù)總線DB(DataBus):雙向用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定一次可最多傳送數(shù)據(jù)的寬度。

8根→一次傳送8位16根→一次傳送16位32根→一次傳送32位64根→一次傳送64位42控制總線CB(ControlBus):用于傳送各種控制信號。有的是CPU發(fā)出,如讀控制信號、寫控制信號；

有的是發(fā)向CPU,如外設(shè)向CPU發(fā)出的中斷申請信號。43(2)中央處理器CPU計算機的核心部件用來實現(xiàn)指令的自動裝入和自動執(zhí)行,實現(xiàn)計算機本身的自動化。存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPUCPU結(jié)構(gòu)示意圖地址信號標志寄存器指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制器指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP數(shù)據(jù)信號控制信號(3)存儲器（內(nèi)存）內(nèi)存是存儲程序和數(shù)據(jù)的部件,由地址譯碼器、內(nèi)存單元等構(gòu)成。n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖46

內(nèi)存單元內(nèi)存單元的地址內(nèi)存單元的內(nèi)容對內(nèi)存的讀/寫操作內(nèi)存單元存儲信息的基本單元。每片內(nèi)存芯片有若干個內(nèi)存單元。每個單元可存儲1位或多位等二進制數(shù)。n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111內(nèi)存單元的地址為區(qū)分各內(nèi)存單元,每個內(nèi)存單元對應有一個地址。地址線上的數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼后只有唯一的內(nèi)存單元被選中。n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111內(nèi)存單元的內(nèi)容每個內(nèi)存單元所存儲的二進制數(shù)據(jù)。n根CPU地址線AB數(shù)據(jù)線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111對內(nèi)存的讀/寫操作CPU發(fā)出地址信號,選中相應的內(nèi)存單元。若是讀操作,CPU發(fā)出內(nèi)存讀控制信號,被選中的內(nèi)存單元將其內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入CPU。若是寫操作,CPU發(fā)出內(nèi)存寫控制信號,CPU將欲寫的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線,寫入被選中的內(nèi)存單元。n根CPU地址線AB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111數(shù)據(jù)線DB(4)外設(shè)和輸入/輸出接口（I/O接口）外設(shè)的電信號、運行速度與CPU不匹配,不能與CPU直接相連,必須通過I/O接口與CPU相連。存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU52鍵盤→鍵盤接口顯示器→顯卡鼠標→串行接口網(wǎng)絡→網(wǎng)卡打印機→并行接口音箱、麥克風→聲卡I/O接口實例I/O接口結(jié)構(gòu)示意圖CPU通過對I/O端口進行讀/寫操作,實現(xiàn)對外設(shè)的控制。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU54

I/O端口

I/O端口的地址

I/O端口的內(nèi)容對I/O端口的讀/寫操作I/O端口I/O接口內(nèi)部通常有一個或多個寄存器,用以存放各種信息,稱I/O寄存器或I/O端口。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPUI/O端口的地址為區(qū)分各I/O端口,每個端口對應有一個端口地址。I/O端口1(23H端口)I/O端口2(24H端口)I/O端口3(25H端口)地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU

I/O端口的內(nèi)容10010101(狀態(tài)端口)01101010(數(shù)據(jù)端口)11000110(控制端口)地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU根據(jù)存放內(nèi)容的不同可分為:狀態(tài)端口，數(shù)據(jù)端口，控制端口指I/O端口存放的二進制數(shù)據(jù)。對I/O端口的讀/寫操作:（與內(nèi)存的讀/寫操作相類似）CPU發(fā)出地址信號，選中相應的I/O端口。若是讀操作，CPU發(fā)出I/O端口讀控制信號，被選中的I/O端口將其內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入CPU。若是寫操作，CPU發(fā)出I/O端口寫控制信號，CPU將欲寫的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線，寫入被選中的I/O端口中。I/O端口1(23H端口)I/O端口2(24H端口)I/O端口3(25H端口地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU592微型計算機的基本工作原理微機工作的過程本質(zhì)上就是以硬件為基礎(chǔ)執(zhí)行程序的過程。而程序是由若干條指令組成的,微機逐條執(zhí)行程序中的每條指令,即可完成一個程序的執(zhí)行,從而完成一項特定的工作。因此了解微機工作原理的關(guān)鍵,就是要了解指令和指令執(zhí)行的基本過程。微機工作過程的本質(zhì):60

1）指令與程序概述4.程序--為解決某一問題而編寫在一起的指令序列。3.指令結(jié)構(gòu)--任何一條指令均由兩部分組成：操作碼：指明要完成操作的性質(zhì)，如加、減、乘、除等。地址碼(操作數(shù))：指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)存放地址或數(shù)據(jù)。1.指令--規(guī)定計算機執(zhí)行特定操作的命令。2.指令系統(tǒng)--計算機全部指令的集合。指令系統(tǒng)準確定義了計算機的處理能力。不同型號的計算機有不同的指令系統(tǒng),從而形成各自的特點和相互差異。61

機器語言程序匯編語言程序高級語言程序

目前微機系統(tǒng)中使用著三個層次、三種形式的程序:62計算機中的指令以二進制代碼形式存在,叫機器碼指令。機器碼指令構(gòu)成的指令系統(tǒng)叫機器語言,用機器語言編寫的程序叫機器語言程序。機器語言程序優(yōu)點是能被計算機直接理解和執(zhí)行；缺點是編程繁瑣、不直觀、難記憶、易出錯。1）指令與程序概述機器語言程序匯編語言程序高級語言程序(1)機器語言程序631）指令與程序概述為克服機器語言程序的缺點,常用助記符來代替機器語言指令。助記符與機器語言指令之間有一一對應關(guān)系。這種用助記符構(gòu)成的指令系統(tǒng)叫匯編語言,用匯編語言編寫的程序叫匯編語言程序。匯編語言程序的優(yōu)點是直觀、易懂、便于記憶。但又存在著計算機無法識別的缺點。(2)匯編語言程序機器語言程序匯編語言程序高級語言程序641）指令與程序概述高級語言為比較接近于習慣的自然語言和數(shù)學語言的程序設(shè)計語言。它以語句和數(shù)據(jù)的定義為基礎(chǔ),且通常一個語句都是由一組機器語言指令或匯編語言指令構(gòu)成的。用高級語言編寫的程序即為高級語言程序。高級語言程序比匯編語言程序更直觀易懂,更易于面向問題和對象。(3)高級語言程序機器語言程序匯編語言程序高級語言程序651）指令與程序概述

高級語言程序和匯編語言程序必須先翻譯成機器語言程序才能執(zhí)行。這個翻譯過程,對匯編語言程序叫匯編(Assemble);對高級語言程序有的叫解釋(Interpretation),有的叫編譯(Compilation)。通常又將翻譯前的程序叫源程序,而將翻譯后的機器語言程序叫目標程序。完成匯編、解釋、編譯的程序則分別叫作匯編程序(Assembler)、解釋程序(Interpreter)、編譯程序(Compiler),它們作為工具軟件事先存放在計算機中。662）指令與程序的執(zhí)行取指令--根據(jù)程序計數(shù)器PC中的值從存儲器讀出現(xiàn)行指令,送到指令寄存器IR,然后PC自動加1,指向下一條指令地址或本條指令下一字節(jié)。指令執(zhí)行三步曲:分析指令--將IR中的指令操作碼譯碼,分析其指令性質(zhì),如指令要求操作數(shù),則尋找操作數(shù)地址。執(zhí)行指令--取出操作數(shù),執(zhí)行指令規(guī)定的操作。根據(jù)指令不同還可能寫入操作結(jié)果。672)指令與程序的執(zhí)行微型機程序的執(zhí)行過程,實際上就是周而復始地完成這三階段操作的過程,直到遇到停機指令才結(jié)束運行。取指令，PC值加1停機？分析指令執(zhí)行指令結(jié)束YN程序執(zhí)行過程683）計算機的工作過程主機完成一條指令的過程6912356789（1)以取數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O7012356798（2)以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O71

程序執(zhí)行過程舉例程序如下:ORG1000H對應機器碼1:MOVA，5CH；B0H5CH2:ADDA，2EH；04H2EH3:JO100AH；70H0AH10H4:MOV(0200H)，A；A2H00H02H5:HLT；F4H程序功能:5CH+2EH,如結(jié)果無溢出，將結(jié)果存放到內(nèi)存0200H單元后停機；如有溢出，則直接停機。72100AHF4HCPU標志寄存器(FR)ALU程序計數(shù)器(PC)寄存器組+1地址寄存器(MAR)地址譯碼器地址0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H???內(nèi)容內(nèi)總線控制信號操作控制器(OC)指令譯碼器(ID)數(shù)據(jù)寄存器(MDR)指令寄存器(IR)讀控制寫控制內(nèi)存儲器B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02H累加器ACC假想模型機73給出程序第一條指令MOVA，5CH的操作細節(jié):⑴將PC初值1000H送至地址寄存器MAR⑵PC值自動加1，指向下一個字節(jié)地址⑶MAR驅(qū)動地址總線，尋址內(nèi)存1000H單元⑷CPU發(fā)讀內(nèi)存操作控制信號⑸將1000H中的B0H讀出，送至數(shù)據(jù)暫存器MDR⑹將B0H(操作碼)從MDR經(jīng)內(nèi)部總線送至IR⑺ID對B0H譯碼，知:取某操作數(shù)送累加器A⑻將PC內(nèi)容1001H送至地址寄存器MAR⑼PC值自動加1，指向下一個字節(jié)地址⑽MAR驅(qū)動地址總線，尋址內(nèi)存1001H單元⑾CPU發(fā)讀內(nèi)存操作控制信號⑿將1001H中的5CH讀出，送至數(shù)據(jù)暫存器MDR⒀將5CH(操作數(shù))從MDR經(jīng)內(nèi)部總線送至A。741.7微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標1、字長（CPU內(nèi)寄存器長度等）2、運算速度（CPU的工作頻率）3、存儲器容量（內(nèi)存大?。?、外設(shè)擴展能力5.軟件配置情況1.7微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標1、字長：是計算機內(nèi)部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，如8、16.32、64位。字長越長，數(shù)據(jù)精度就越高，處理速度越快，但硬件開銷越大。2.存儲器容量：是衡量計算機存儲信息量大小的重要指標，通常用字節(jié)表示。如8KBCache、256MB內(nèi)存、40GB硬盤，一般說容量越大越好。1.7微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標3.運算速度 一般用每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，而指令執(zhí)行速度又由機器時鐘周期決定，故主時鐘頻率越高，計算機運行速度越快。4.外設(shè)擴展能力主要指配接各種外設(shè)的可能性、靈活性和適應性。擴展外設(shè)的種類、型號的范圍、支持的程度將直接影響微機的綜合性能，如顯示分辨率、光驅(qū)、網(wǎng)絡連接、打印機的型號等。1.7微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標5.軟件配置情況軟件配置是否齊全，直接關(guān)系到計算機性能和效率。如所能支持的操作系統(tǒng)及高級語言等能否滿足應用要求，是否有豐富的應用軟件可供選用。781.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)

超級微型機(SuperMicroComputer)巨型機(SuperComputer)小巨型機(MiniSuperComputer)超小型機(SuperMiniComputer)

統(tǒng)稱"四個Super"它們在發(fā)展過程中相互取長補短,既競爭又借鑒,推動著計算機技術(shù)不斷推陳出新,同時也使它們間的界限越來越模糊。當今計算機的四個發(fā)展方向:791.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)在高檔微型計算機中，除普遍采用了小、中、大型計算機中早已采用的堆棧、中斷、DMA.多寄存器結(jié)構(gòu)等技術(shù)外，還相繼引入了其它三種“Super”計算機中廣泛應用的許多現(xiàn)代先進計算機硬件、軟件技術(shù)，如：

微程序控制技術(shù)流水線技術(shù)高速緩沖存儲器技術(shù)虛擬存儲器技術(shù)亂序執(zhí)行技術(shù)分支預測技術(shù)

…

…801.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)1.微程序控制技術(shù)---將原來的硬件電路控制的指令操作步驟改用微程序來控制。其基本特點是綜合運用程序設(shè)計技術(shù)和只讀存儲技術(shù),將每條指令的微操作序列轉(zhuǎn)化為一個控制碼點的微程序存于PROM、EPROM或EPROM等可編程只讀存儲器中。當執(zhí)行指令時,就從ROM中讀出與該指令對應的微程序,并轉(zhuǎn)化為微操作控制序列。顯然,微程序是許多微指令的有序集合,每條微指令又由若干微操作命令組成?？梢?執(zhí)行一條機器指令,就是執(zhí)行一段微程序或一個微指令序列。這段微程序或微指令序列稱為指令解釋器。這種技術(shù)通過編程重寫ROM內(nèi)容,很容易改變或增加功能,有利于加快微處理器的更新?lián)Q代,同時也有利于提高微機的可靠性、可用性、可維護性和促進模擬與仿真技術(shù)的發(fā)展。811.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)

2.流水線技術(shù)---將每條指令分解為多步,并讓不同指令的各步操作重疊,從而實現(xiàn)幾條指令并行處理,以加速程序運行過程的技術(shù)。超流水線結(jié)構(gòu):5－6級以上流水線超標量設(shè)計技術(shù):含有2條以上流水線流水線技術(shù)是通過增加計算機硬件來實現(xiàn)的。一般一條流水線上有多少級，就應該有多少個獨立的功能部件來支持其并行操作。821.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)

3.高速緩存技術(shù)在32位微處理器和微機中,為了加快運算速度,普遍在CPU與常規(guī)主存儲器之間增設(shè)一級或兩級高速小容量存儲器,稱之為高速緩存器(Cache)。它的存取速度大體與CPU的處理速度相當。有了高速緩存器,CPU在對一條指令或一個操作數(shù)尋址時,首先要看其是否在Cache中,若在,就立即存?。环駝t,就要作一常規(guī)的存儲器訪問,同時將所訪問內(nèi)容及相關(guān)數(shù)據(jù)塊復制到高速緩存器中。一般CPU對Cache的命中率可在90%以上。高速緩存器及其控制邏輯是由硬件實現(xiàn)的,對用戶或程序員是透明的,不必用戶自己控制和操作。831.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)

4.虛擬存儲器技術(shù)

---通過硬件和軟件的綜合來擴大用戶可用存儲空間的技術(shù)。程序預先放在外存儲器中,在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理調(diào)度下,按某種置換算法依次調(diào)入內(nèi)存儲器被CPU執(zhí)行。從CPU角度看到的是一個速度接近內(nèi)存,卻具有外存容量的假想存儲器,即虛擬存儲器在采用虛擬存儲器的計算機系統(tǒng)中,有虛地址空間(邏輯地址空間)和實地址空間(物理地址空間)兩個地址不同的空間。虛地址空間是程序可用的空間,而實地址空間是CPU可訪問的內(nèi)存空間。后者容量由CPU地址總線寬度決定,而前者則由CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定,前者比后者大得多。841.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)它本質(zhì)上是按數(shù)據(jù)流驅(qū)動原理工作的,根據(jù)操作數(shù)是否準備好來決定一條指令是否立即執(zhí)行。不能立即執(zhí)行的指令先放到一邊,而把能立即執(zhí)行的后續(xù)指令提前執(zhí)行。5.亂序執(zhí)行技術(shù)---允許指令按照不同于程序中指定的順序發(fā)送給執(zhí)行部件,從而加速程序執(zhí)行過程的一種技術(shù)。亂序執(zhí)行技術(shù)必須以數(shù)據(jù)流分析和微指令操作數(shù)、執(zhí)行狀態(tài)和執(zhí)行結(jié)果的緩沖寄存為前提,并且需提供復雜的硬件支持。851.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)6.RISC技術(shù)---即精簡指令集計算(ReducedInstructionSetComputing)技術(shù)RISC技術(shù)提出的初衷是精簡CPU芯片中指令的數(shù)目,簡化芯片的復雜程度,使每條指令的執(zhí)行速度更快,保證能在一個時鐘周期內(nèi)完成。這種初衷是基于當時傳統(tǒng)的CISC的CPU執(zhí)行完一條指令均需多個時鐘周期,而每個時鐘周期因芯片過于復雜又無法縮得很短的情況而提出的。現(xiàn)在,RISC和CISC的本質(zhì)區(qū)別已不再是指令集的大小,而是內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)的不同。861.8高檔微機中應用的現(xiàn)代先進計算機技術(shù)RISC處理器的主要特征表現(xiàn)在:①比CISC處理器有更多的內(nèi)部通用寄存器；②采用調(diào)入/存儲體系結(jié)構(gòu),將內(nèi)存中的操作數(shù)預先調(diào)入內(nèi)部寄存器,以最大程度減少訪問內(nèi)存的指令數(shù)；③采用統(tǒng)一的指令長度,以簡化取指令和指令譯碼的邏輯電路；④內(nèi)置大容量指令/數(shù)據(jù)Cache；⑤內(nèi)置高性能浮點運算部件；⑥采用超標量和超流水線設(shè)計；⑦采用分支預測和亂序執(zhí)行技術(shù)。87代表計算機發(fā)展的公司IBM(InternalBusinessMachine)

Intel

(IntegrateElectronics)MicrosoftCO,.附錄88IBM公司發(fā)展史（1）早期的IBM公司以生產(chǎn)打孔機、制圖機、現(xiàn)金出納機為主,20世紀20年代,該公司大概擁有1000人,公司的創(chuàng)始人是老Thomas.Watson附錄89IBM公司發(fā)展史（2）ENIAC誕生不久,老Thomas.Watson以商人的敏銳,感覺到計算機將在商業(yè)領(lǐng)域存在巨大的商機。如何將又大、又笨、又耗電的ENIAC應用到商業(yè)領(lǐng)域？這不僅是Thomas.Watson所面臨的問題，也是我們隨時會遇到的技術(shù)難題。附錄90IBM公司發(fā)展史（3）老Thomas.Watson的想法是:第一:減少功能;第二:減小體積;第三:只完成乘法功能;第四:盡快推出一款乘法器;第五:用于商場收款系統(tǒng);1946年9月,IBM的第一臺乘法器IBM604問世,并于當年賣出幾千臺!?附錄91IBM公司發(fā)展史（4)1950年IBM推出的IBM701電子管計算機。50年代~70年代初期,IBM公司以大中型計算機為其主要產(chǎn)品,一直到個人計算機的出現(xiàn)。到1971年老ThomasWatson退休時,IBM公司的年營業(yè)額達75億美元附錄92IBM70193IBM公司發(fā)展史（5)1971年老homas.Watson退休,他的兒子小Thomas.Watson接任,此時的IBM沉浸在其成功的成就中,在世界上,沒有人能夠挑戰(zhàn)IBM的地位,當然是在中大型計算機領(lǐng)域.附錄94Intel公司的發(fā)展史(1)1957年從肖克利半導體公司分離出一個新的公司“仙童”公司?！跋赏惫菊心剂税藗€年輕有為的半導體技術(shù)人員，號稱“八人幫”。但由于管理的不善及領(lǐng)導者的獨裁，很快其中的三個精英:羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾、安迪·格魯夫共同離開了仙童公司，成立了Intel公司。Intel來自（IntegratedElectronics集成電子）附錄95Intel的三位創(chuàng)業(yè)者,也是計算機界的三位領(lǐng)袖附錄96Moore`sLawinEconomicIntel公司的第一任總裁Moore在研究了1957年~1964年的計算機的發(fā)展情況，與1965年提出了當時非常有預見、至今仍然有效的Moore`sLaw。定律的內(nèi)容如下:集成電路可容納的零件數(shù)量，每隔一年半左右就會增長一倍，性能也提高一倍。附錄97Intel公司發(fā)展史（2）Intel公司初期以生產(chǎn)磁蕊存儲芯片為主,并很快取得了較大的經(jīng)濟效益。1969年初,Intel公司接受了日本計算器公司Busicom的一份委托書,要求為其設(shè)計生產(chǎn)計算器芯片,并于1971年設(shè)計生產(chǎn)出Intel公司的第一個微處理（Micro_processingchip）芯片4004。1972年,Intel公司推出了8008。98Intel公司發(fā)展史（3）1976年,Intel公司推出了8080。成為了CPU（CentralProcessingUnit）產(chǎn)業(yè)標準。99個人計算機(PersonalComputer)的出現(xiàn)1975年以前的計算機仍然是龐大的、昂貴的,普通人無法擁有,甚至使用也需要非常專業(yè)的知識。1975年一家名為MITS的小公司經(jīng)營出現(xiàn)了危機,其領(lǐng)導者埃德.羅伯茨在危急時刻提出了一個全新的想法:設(shè)計一臺價格低廉、操作簡單的機器,但這種機器可以干什么用,沒人知道。100個人計算機(PersonalComputer)的出現(xiàn)很快埃德.羅伯茨說服了銀行為他提供貸款,開始設(shè)計這樣一臺“計算機”,但計算機應是什么形狀、有那些功能、市場前景如何，埃德.羅伯茨并不知道，他只有一個想法?。?！他的想法很快得到了《大眾電子學》的主編的認可，并承諾只要埃德.羅伯茨設(shè)計出來,不論是什么,都會刊登在《大眾電子學》的封面。101個人計算機(PersonalComputer)的出現(xiàn)1975年MITS公司設(shè)計生產(chǎn)出了他的設(shè)想,并為他起名為Altair（牛郎星）,并刊登在《大眾電子學》的首頁上。成千的訂單寄到了MITS,MITS成為了當時的熱點。102103雜志上的廣告價為439美元,但4月份第一臺機器出廠時,已降到不可思議的375美元。104Altair8800在金屬制成的小盒內(nèi),羅伯茨裝進兩塊集成電路,一塊即8080微處理芯片,另一塊是存儲器芯片。它只有256BRAM的內(nèi)存,儲存能力可達4096B。既