微機(jī)原理與接口技術(shù)課件 第一章 高教版 尹建華.ppt

1、第一章 微型機(jī)概述,教學(xué)內(nèi)容,微型計算機(jī)的發(fā)展 計算機(jī)系統(tǒng) 計算機(jī)的數(shù)據(jù)格式,重點和難點,計算機(jī)系統(tǒng) 處理器 存儲器 總線,第一章 微型機(jī)概述,1. 微型計算機(jī)的發(fā)展 2. 計算機(jī)系統(tǒng) 3. 計算機(jī)的數(shù)據(jù)格式,1. 微型機(jī)的發(fā)展,計算機(jī)系統(tǒng)是能夠自動地、快速地、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息處理的電子工具，其工作過程的實質(zhì)是電子器件狀態(tài)的快速變化。 1946年，世界上出現(xiàn)了第一臺由電子管構(gòu)成的-ENIAC電子計算機(jī)。,1946年2月14日，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫奇來（Mauchly）博士和他的學(xué)生愛克特（Eckert） 設(shè)計以真空管取代繼電器的ENIAC（Electronic Numerical Integra

2、tor and Calculator，電子數(shù)字積分器與計算器）， 用來計算炮彈彈道。用了18800個真空管，長50英尺，寬30英尺， 占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大）。它的計算速度快，每秒可從事5000次的加法運算，運作了九年之久。,以采用的電子器件的不同來劃分的，即電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計算機(jī)。 微型計算機(jī)屬于第四代電子計算機(jī)產(chǎn)品，即大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計算機(jī)，是電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。,主機(jī)按體積、性能和價格分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。 微型機(jī)其工作原理，與其它幾類計算機(jī)并沒有本質(zhì)上的差

3、別。不同的是： 采用了集成度較高的器件； 組成計算機(jī)硬件系統(tǒng)的兩大核心部分運算器和控制器，集成在一片集成電路芯片上，顯然該芯片是整個微機(jī)系統(tǒng)的核心，稱為中央處理器CPU，或者微處理器MPU。,微處理器是微機(jī)系統(tǒng)的核心部分，自70年代初出現(xiàn)第一片微處理器芯片以來，微處理器的性能和集成度幾乎每兩年翻一番，其發(fā)展速度大大超過了前幾代計算機(jī)。 微機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，主要涉及到以下幾個方面： CPU、主頻、緩存、新技術(shù)。,1.1 微型機(jī)的幾個階段,1.1.1 第一代：4位及低檔8位微處理器 1971年，Intel公司推出第一片4位微處理器Intel4004，以其為核心組成了一臺高級袖珍計算機(jī)。隨后出

4、現(xiàn)的Intel4040，是第一片通用的4位微處理器。 1972年，Intel8008，8位，集成度約2000管/片，時鐘頻率1MHz。,1.1.2 第二代：中、低檔8位微處理器 1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，時鐘頻率24MHz。 這一時期，微處理器的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，組成微機(jī)系統(tǒng)的其它部件也愈來愈齊全，系統(tǒng)朝著提高集成度、提高功能與速度，減少組成系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量的方向發(fā)展。,1.1.3 第三代：高、中檔8位微處理器 1975年1976年，Z-80，Intel8085，8位，時鐘頻率24MHz，集成度約10

5、000管/片，還出現(xiàn)了一系列單片機(jī)。,1.1.4 第四代：16及低檔32位微處理器 1978年，Intel首次推出16位處理器8086（時鐘頻率48MHz），8086的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為20位，可直接訪問1MB內(nèi)存單元。 1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088（ 4 8MHz），集成度達(dá)到2萬6萬管/片。它與8086不同的是外部數(shù)據(jù)總線為8位（地址線為20位）。 1982年，Intel推出了80286（10MHz），該芯片仍然為16位結(jié)構(gòu)，但地址總線擴(kuò)展到24位，可訪問16MB內(nèi)存，其工作頻率也較8086提高了許多。80286向后兼容8086的指令集和工作

6、模式（實模式），并增加了部分新指令和一種新的工作模式保護(hù)模式。,1985年，Intel推出了32位處理器80386（20MHZ），該芯片的內(nèi)外部數(shù)據(jù)線及地址總線都是32位，可訪問4GB內(nèi)存，并支持分頁機(jī)制。除了實模式和保護(hù)模式外，80386又增加了一種“虛擬8086”的工作模式，可以在操作系統(tǒng)控制下模擬多個8086同時工作。 1989年推出了80486（時鐘頻率為3040MHz），集成度達(dá)到15萬50萬管/片（168個腳），甚至上百萬管/片。早期的80486相當(dāng)于把80386和完成浮點運算的數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及8kB的高速緩存集成到一起，這種片內(nèi)高速緩存稱為一級（L1）緩存，80486還

7、支持主板上的二級（L2）緩存。后期推出的80486 DX2首次引入了倍頻的概念，有效緩解了外部設(shè)備的制造工藝跟不上CPU主頻發(fā)展速度的矛盾。,1.1.5 第五代：高檔32位微處理器 1993年，Intel公司推出了新一代高性能處理器Pentium（奔騰），Pentium最大的改進(jìn)是它擁有超標(biāo)量結(jié)構(gòu)（支持在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一至多條指令），且一級緩存的容量增加到了16kB，這些改進(jìn)大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快數(shù)倍。除此之外，Pentium還具有良好的超頻性能，把一個低主頻CPU當(dāng)作高主頻CPU來使用，使得花費較低的代價可獲得較高的性能。 1996年，Intel公

8、司推出了Pentium Pro（高能奔騰），該芯片具有兩大特色，一是片內(nèi)封裝了與CPU同頻運行的256kB或512kB二級緩存；二是支持動態(tài)預(yù)測執(zhí)行，可以打亂程序原有指令順序，按照優(yōu)化順序同時執(zhí)行多條指令，這兩項改進(jìn)使得Pentium Pro的性能又有了質(zhì)的飛躍。,1997年初，Intel發(fā)布了Pentium的改進(jìn)型號Pentium MMX（多能奔騰），將一級緩存提高到32kB，同時增加了57條MMX（多媒體擴(kuò)展）指令，有效地增強(qiáng)了CPU處理音頻、圖像和通信等多媒體應(yīng)用的能力。 1997年推出了P。P是對Pentium Pro的改進(jìn)，因為其核心結(jié)構(gòu)與Pentium Pro類似，但加快了16位指

9、令的執(zhí)行速度，且支持MMX指令集。,1998年推出了賽揚（Celeron），其特點是去掉了P的二級緩存以及其它可以省略的東西，從而將價格降了下來。 1999年又推出了開發(fā)代號為Coppermine的P，該芯片加入了引起爭議的CPU序列號功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，單一指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集，這是針對MMX的弱點和3DNow!設(shè)計的70條新指令，大大加強(qiáng)CPU在三維圖像和浮點運算方面的能力。,2000年11月21日，Intel又推出Pentium 4 。 采用前端系統(tǒng)總線（FSB）；高速執(zhí)行緩存；快速執(zhí)行引擎；256KB的高速緩存（ATC） ；高級動執(zhí)

10、行；改進(jìn)的浮運算和多媒體單元；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展2（SSE2） P4處理器兩種型號： 1）Willamette 全新的Socket423插座，0.18微米，集成了256KB二級緩存，支持SSE2指令集，多達(dá)20級的超標(biāo)量流水線，搭配I850/I845芯片組，還新增了執(zhí)行單元、解碼器和增加緩存容量等。陸續(xù)推出1.4-2.0GHz的主頻。 2）Northwood 在一年后，Intel發(fā)布第二個P4，代號為Northwood，全新的Socket478插座，0.13微米制程，集成了512KB二級緩存，支持SSE2指令集。,2004年，推出核心為Prescott的Pentium 4E處理器，在此

11、次推出的Pentium 4E處理器中，一個顯著的特點：再次改進(jìn)為90nm，集成了1億個晶體管。型號為3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4（“E”后綴商標(biāo)）支持超線程技術(shù)，800MHz前端總線和1MB二級緩存； 但工藝的提升，沒有使得功耗降低，主頻的提升，使得Prescott功耗開始走高。 2005年，推出了Pentium Extreme Edition 955，標(biāo)志著Intel進(jìn)入65nm時代。Pentium D 900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。但其TDP（Thermal Design Power）依然為130W。 2005年: Intel

12、Pentium D 處理器首顆內(nèi)含2個處理核心的Intel Pentium D 處理器登場，正式揭開x86處理器多核心時代。,2006年，推出45nm Penryn處理器。全新45nm Penryn家族共有7名成員，包括： 雙核心桌面處理器Wolfdate、 四核心桌面處理器Yorkfield、 雙核心行動處理器 Penryn、 雙核心Xeon DP處理器 Wolfdate DP、 四核心 Xeon DP處理器Harpertown、 雙核心 Xeon MP處理器Dunnington DC 四核心Xeon MP處理器Dunnington QC。,CPU芯片的新的發(fā)展趨勢： 基因芯片、光電芯片。,

13、網(wǎng)絡(luò)參考資料： /w/index.php?title=Pentium_D 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有進(jìn)位),例 1 求1001B+1011B。,2. 減法運算 規(guī)則: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位),例 2 求1100B-111B。,3. 乘法運算 規(guī)則: 00=0; 01=10=0; 11=1 例 3 求1011B1101B。,即 10100101B/1111B=1011B,4. 除法運算 規(guī)則: 0/1=0; 1/1=1 例 4 求10100101B/1111B,3.2.2 二進(jìn)制數(shù)的邏輯運算,1

14、. “與”運算 “與”運算是實現(xiàn)“必須都有,否則就沒有”這種邏輯關(guān)系的一種運算。 運算符為“ ”, 其運算規(guī)則如下: 00=0, 01=10=0, 11=1 例 5 若X=1011B, Y=1001B, 求XY。,.,即 XY=1001B,2. “或”運算 “或”運算是實現(xiàn)“只要其中之一有,就有”這種邏輯關(guān)系的一種運算, 其運算符為“+”。 “或”運算規(guī)則如下: 0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=1 例 6 若X=10101B, Y=01101B, 求X+Y。,10101 01101 11101,+,即 X+Y=11101B,3. “非”運算 “非”運算是實現(xiàn)“求反”這種邏輯的一種運

15、算，如變量A的“非”運算記作 。 其運算規(guī)則如下:,例 7 若A=10101B, 求 。,4. “異或”運算 “異或”運算是實現(xiàn)“必須不同, 否則就沒有”這種邏輯的一種運算, 運算符為“”。其運算規(guī)則是:,例 8 若X=1010B, Y=0110B, 求XY。,1010 0110 1100,即 XY=1100B,計算機(jī)在數(shù)的運算中, 不可避免地會遇到正數(shù)和負(fù)數(shù), 那么正負(fù)符號如何表示呢？由于計算機(jī)只能識別0和1, 因此, 我們將一個二進(jìn)制數(shù)的最高位用作符號位來表示這個數(shù)的正負(fù)。 規(guī)定符號位用“0”表示正, 用“1”表示負(fù)。例如, X=-1101010B, Y=+1101010B, 則X表示為:

16、 11101010B, Y表示為01101010B。,3.3.1 機(jī)器數(shù)及真值,1.原碼、補碼、反碼 補碼 機(jī)器數(shù)（符號數(shù)）：正數(shù)：符號0絕對值 負(fù)數(shù)：符號12n|X| 2. BCD數(shù) 壓縮BCD：1字節(jié)存儲1位BCD數(shù) 非壓縮BCD：1字節(jié)存儲2位BCD數(shù) 3. ASCII碼 4. 數(shù)據(jù)類型 5. 浮點數(shù),3.3.2 數(shù)的碼制,1. 原碼 當(dāng)正數(shù)的符號位用0表示, 負(fù)數(shù)的符號位用1表示, 數(shù)值部分用真值的絕對值來表示的二進(jìn)制機(jī)器數(shù)稱為原碼, 用X原表示, 設(shè)X為整數(shù)。 若X=+Xn-2Xn-3X1X0, 則X原=0Xn-2Xn-3X1X0=X; 若X=-Xn-2Xn-3X1X0,則X原=1X

17、n-2Xn-3X1X0=2n-1-X。 其中, X為n-1位二進(jìn)制數(shù), Xn-2、Xn-3、 、X1、X0為二進(jìn)制數(shù)0或1。例如+115和-115在計算機(jī)中（設(shè)機(jī)器數(shù)的位數(shù)是8）其原碼可分別表示為 +115原= 01110011B; -115原= 11110011B,可見, 真值X與原碼X原的關(guān)系為,值得注意的是, 由于+0原=00000000B, 而-0原=10000000B, 所以數(shù) 0的原碼不唯一。 8位二進(jìn)制原碼能表示的范圍是: -127+127。,+115原= 01110011B; -115原= 11110011B,2. 反碼 一個正數(shù)的反碼, 等于該數(shù)的原碼; 一個負(fù)數(shù)的反碼, 由

18、它的正數(shù)的原碼按位取反形成。反碼用X反表示。 若X=-Xn-2Xn-3X1X0, 則X反=1Xn-2Xn-3X1X0。例如: X=+103, 則X反=X原=01100111B; X=-103, X原=11100111B, 則X反=10011000B。,3. 補碼 正數(shù)的補碼就是它本身, 負(fù)數(shù)補碼的求法: 用原碼求反碼, 再在數(shù)值末位加1, 即: X補=X反+1。 8位二進(jìn)制補碼能表示的范圍為: -128 +127, 若超過此范圍, 則為溢出。 對于n位計算機(jī)來說, 數(shù)X的補碼定義為,即正數(shù)的補碼就是它本身。 例如, +75補=01001001B -73補=10000000 B- 01001001B=10110111B 0補=+0補=-0補=00000000B 可見, 數(shù)0的補碼表示是唯一的。在用補碼定義求負(fù)數(shù)補碼的過程中, 由于做減法不方便, 一般該法不用。,負(fù)數(shù)補碼的求法: 用原碼求反碼, 再在數(shù)值末位加1, 即: X補=X反+1。 例如: -30補=-30反+1 =+30原+1=11100001+1=11100010B。 8位二進(jìn)制補碼能表示的范圍為: -128 +127, 若超過此范圍, 則為溢出。,3.4 定點數(shù)和浮點數(shù),1. 定點法 定點法