计算机结构及单片机PPT第1章--计算机结构及单片机概述

第1章 计算机结构及单片机概述2023/11/81 微处理器的发展历史微处理器的发展历史1.1 计算机的常用术语计算机的常用术语1.2 计算机系统的组成及工作过程计算机系统的组成及工作过程1.3计算机的信息表示计算机的信息表示1.4单片微型计算机单片微型计算机1.5 本章主要介绍微处理器的发展历史，基于冯.诺依曼计算机设计思想的组成计算机的五大部件，计算机的工作原理及过程，计算机系统组成和计算机的信息的表示。重点掌握计算机中数字信息的表示方法和运算规则。通过本章的学习，学生可以了解到计算机程序的执行过程，信息表示和计算，为后续的指令和程序的学习打下基础。2023/11/821.1 微处理器的发展历史1971-1973年代表产品：Intel4004及4040、低档8位的Intel8008参数：字长4位，集成度2300管片，时钟频率1MHz特点：处理器的指令简单，运算能力差，速度慢，软件使用机器语言来编辑程序。2023/11/83第一代第一代4 4位或低档位或低档8 8位微处理器位微处理器2023/11/84第二代中高档第二代中高档8 8位微处理器位微处理器1973-1977年代表产品：Intel8008/8085、Zilog公司的Z80、Motoro1a的MC6800参数：字长8位，地址线16根，集成度1万管片，时钟频率24MHz。特点：处理器集成度提高了1到4倍，运算速度提高了10倍，软件方面除了使用汇编语言之外，还使用了BASIC等高级语言。1978-1980年代表产品：Intel80868088、Motoro1a68000和Zilog公司的Z8000参数：字长16位，地址线20根，集成度2万6万管片，时钟频率48MHz1981-1984年代表产品：Intel80286和Motoro1a 68010参数：字长16位，地址线24根，集成度约13万管片，时钟频率625MHz特点：16位处理器比8位的微处理器的集成度提高了一个数量级，它的内部结构和功能得以进一步的完善。2023/11/85第三代第三代1616位微处理器位微处理器1985-1989年代表产品：Intel80386和Motoro1a 68020参数：字长32位，地址线32根，集成度15万50万管片，时钟频率1640MHz。特点：32位处理器无论从结构、功能、应用范围等方面，可以说是二十世纪80年代小型机的微型化水平Intel80486：1989年由英特尔推出，集成了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到50MHz2023/11/86第四代第四代3232位微处理器位微处理器1993-1994年代表产品：Intel的Pentium及AMD、Cyrix的M1等参数：集成度350万管片，时钟频率50166MHzPentium：于1993年三月推出，它集成了310万个晶体管。它使用多项技术来提高CPU的性能，主要包括采用超标量结构，内置应用超级流水线技术的浮点运算器，增大片上的二级缓存的容量，采用内部奇偶效验以便检验内部处理错误等。2023/11/87第五代高档第五代高档3232位微处理器位微处理器1996年至今1996年Intel Pentium Pro微处理器被推出，Pentium Pro是32位数据结构设计的CPU，这是第一代Pentium产品，二级Cache有256KB或512KB，最大有1MB的二级Cache。所以Pentium Pro运行16位应用程序时性能一般。随后多能奔腾处理器Intel Pentium MMX推出，1997年之后，Intel又推出了Pentium II、Pentium III和Pentium 4 其他公司的类似产品也同时出现参数：CPU的集成度已经达到1千万个晶体管，时钟频率1GHz以上。2005年开始英特尔率先推出了采用双核设计的微处理器，双核就是2个核心又称为双内核。双核处理器是在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力。2023/11/88第六代微处理器第六代微处理器1.2 计算机的常用术语 一台微机的功能是由系统结构、硬件组成、指令系统、软件配置等多一台微机的功能是由系统结构、硬件组成、指令系统、软件配置等多方面来决定，而不是根据一两个指标来判断的。不同的性能代表了计算方面来决定，而不是根据一两个指标来判断的。不同的性能代表了计算机的不同功能，通常也用各种技术指标来评价微机的性能优劣。一般地机的不同功能，通常也用各种技术指标来评价微机的性能优劣。一般地讲，选用和设计微机时应考虑以下讲，选用和设计微机时应考虑以下几几个主要的性能指标。个主要的性能指标。2023/11/89 字长（Word）：字是计算机一次处理的指令和数据的基本单位，字中所包含的二进制位数的多少称为字长，字长是衡量计算机性能的重要标志。字长越长，一次处理的数字位数就越大，速度也就越快。现在主流微型计算机的字长是64位。主频（Main Frequency）：CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的CPU是多少兆赫的，这个就表示CPU的主频。CPU的主频是在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算速度有关。主频越高一个时钟周期内完成的指令就越多，CPU的速度就越快。2023/11/810 运算速度（MIPS）：单字长定点指令平均执行速度(Million Instructions Per Second，MIPS)，即每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量CPU速度的一个指标。例如Intel 80386 计算机可以每秒处理3百万到5百万机器语言指令，80386是3到5MIPS的CPU。MIPS是衡量CPU运算速度性能的指标。存储容量（Memory）：主存容量是指主存储器能够存储信息的总字节数。主存容量越大，可容纳的程序和数据就越多，处理问题的能力就越强。同时，也使与外存之间交换信息的次数减少，从而加快运算速度。计算机的最大主存容量问以由CPU的地址总线位数来决定。地址总线为32位时，CPU的最大寻址空间为4GB，地址总线为20位时，CPU的最大寻址空间为1MB。2023/11/811 位（Bit）：计算机所能处理的的最小数据单位，表示二进制中的1位。即只能存储一个0或一个1。如果将计算机的基本存储元件想象为一个小灯泡，那么一个位的大小对应的是一个小灯泡，或者表示亮，或者表示灭的状态。1位也称为1bit。总线（Bus）：总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。2023/11/812 字节（Byte）：计算机的存储器存储容量大，里面有着数量庞大的存储单元。为了方便对数据的存储和管理，于是将这些存储单元划分成一些不同级别的单位。Byte常简写为B，将八位二进制数表示成一个字节。字节是计算机存取数据的最基本的存储单元。为了方便存取数据，计算机按线性顺序对每个字节进行编号，这个编号就是这个存储单元的地址。这犹如一座大厦里的每个房间都有一个房间号一样。CPU是根据地址访问存储单元中的信息的。常用的存储容量单位之间的换算公式1B=8bit 1KB=210B=1024B 1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB 1TB=210GB=1024GB1.3 计算机系统的组成及工作工程 程序存储思想是由冯程序存储思想是由冯.诺伊曼和他的同事提出的。基于这一原理设计诺伊曼和他的同事提出的。基于这一原理设计出一个完整的现代计算机模型。出一个完整的现代计算机模型。冯冯.诺依曼提出计算机设计思想，可以简要地概述为以下三点：诺依曼提出计算机设计思想，可以简要地概述为以下三点：2023/11/813 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码采用程序存储的方式，指令自动执行，计算机无需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令计算机系统的组成2023/11/814 计算机的硬件系统指的是组成计算机的各种电子物理设备。软件系统则指的是计算机运行所需的各种程序和数据及其有关资料的集合。软件是存储在计算机的存储器中的，是客观存在的。硬件是物质基础，是软件的载体，两者相辅相成，缺一不可。2023/11/815 运算器运算器：主要由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和一些寄存器组构成。它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。算术运算就是指加、减、乘、除等操作；而逻辑运算一般泛指非算术性质的运算，例如比较大小、移位、逻辑加、逻辑乘等。在执行程序指令的时候，各种复杂的运算往往先分解为一系列的算术运算和逻辑运算，然后再由运算器去执行。运算器的数据存取，是在控制器的控制下，在内存储器或内部寄存器中完成的，设置寄存器是因为可以减少CPU对内存储器的访问，以便节省时间。2023/11/816 控制器控制器：控制器是计算机的指挥中心。一般由指令寄存器、指令译码器、时序部件和控制电路等组成。它的主要功能按时钟提供的统一节拍，从内存储器中取出指令，并分析执行，使计算机各个部件能够协调工作。在执行程序时，计算机的工作是周期性的，取指令、分析指令、执行指令，周而复始地进行。大致的过程是，控制器首先按照程序计数器中的地址从内存中取出指令，并对指令进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制信号，指挥它们执行相应的操作。然后再取出下一条指令，重复上述过程。这样逐一执行程序指令，就能完成程序所设定的任务。控制器和运算器合在一起被称为中央处理器单元，通常称做（Central Processing Unit，CPU）。CPU是计算机的核心部件。2023/11/817 存储器存储器：存储器是计算机用来存储程序和数据的设备，由一系列的存储单元组成每个存储单元按顺序进行编号，这种编号称为存储单元的地址。如同一座楼房的房间编号一样，每个存储单元都对应着唯一的地址。存储器是计算机中的重要组成部分，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能存储程序和数据，使计算机能够自动工作。注意：存储器分为内存储器和外存储器两种，内存储器简称内存，外存储器简称外存。当计算机执行程序时，相应的指令和数据就会送到内存中，再由CPU读取执行，处理的结果也会首先放置到内存中，在输送到外存保存。外存储器用来存储暂时用不到的程序和数据，并可长期保存。分类上，外存储器也可以作为输入输出设备。一般将CPU和内存储器合起来称为主机2023/11/818 输入设备输入设备：输入设备用来将外部数据（如文字、数值、声音、图像等）转变为计算机可识别的形式（二进制代码），输入到计算机中，以便加工、处理最常用的输入设备是键盘。对于微型计算机，由于一般使用的是图形用户界面，鼠标已经成为和键盘同等重要的输入设备。随着计算机的多媒体技术的发展，出现了多种多样的输入设备。常用的有扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、数码相机等。2023/11/819 输出设备输出设备：输出设备的作用是将计算机处理的结果用为人们所能接受的形式（如字符、图像、语音、视频等）表示出来。显示器、打印机、绘图仪等都属于输出设备输入/输出设备通常放置于主机外部，故也称为外部设备。它们实现了外部世界与主机之间的信息交换，提供了人机交互的硬件环境。计算机硬件结构框图2023/11/820 在计算机中，各部件之间传输的信息可分成三种类型：地址、数据（包括指令）和控制信号。大部分计算机（特别是微型计算机）的各部件之间传输各种信息是通过总线进行的。2023/11/8211.3.1 1.3.1 微处理器的工作原理微处理器的工作原理中央处理器（CPU），是电子计算机