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西安电子科技大学通院微机原理.ppt

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    • 肖潇 xiaoxiao@ xiaozju@ :15202435293 :150066297 MSN:xiaozju@ 办公室:东大楼318Date1第1章 概述*2第1章 概述 n1.1 绪论 n1.2 计算机系统的硬、软件组成 n1.3 计算机的工作过程和主要性能指标 n1.4 微处理器发展历程 n1.5基础知识 Date3计算机分类n服务器(Server) n工作站(Workstation) n台式机(Desktop PC) n笔记本(Notebook)n手持设备又称掌上电脑(Handheld PC)Date41.1 绪论 1.1.1计算机发展史简介 n1946年2月14日,现代计算机ENIAC(The Electronic Numerical Integrator And Computer)诞生在费城n40年代中期,冯·诺依曼(1903~1957)参 加了宾夕法尼亚大学的小组,1945年设计 电子离散可变自动计算机 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Date5第一代(1946~1958):电子管数 字计算机 n电子管,主存储器采用汞延迟线、磁鼓、 磁芯;辅助存储器采用磁带;n软件主要采用机器语言、汇编语言;n应用以科学计算为主,只在重要部门或科 学研究部门使用;n体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、 维修复杂。

      Date6第二代(1958~1964):晶体管数 字计算机 n晶体管,可靠性和性能比提高;主存储器 磁芯;辅助存储器磁盘n软件出现了各种各样的高级语言及其编译 程序,还出现了以批处理为主的操作系统 ;n应用以科学计算和各种事务处理为主,并 开始用于工业控制 Date7第三代(1964~1971):集成电路 数字计算机 n小、中规模集成电路(SSI、MSI),主存储器磁 芯,计算机的体积更小、耗电量更少、可靠性 和性能比更高;n软件逐渐完善,分时操作系统、会话式语言等 多种高级语言都有新的发展n应用领域日益扩大,用于科学计算,文字处理 、企业管理、自动控制等领域,出现了计算机 技术与通信技术相结合的信息管理系统,可用 于生产管理、交通管理、情报检索等领域Date8第四代(1971年以后):大规模集 成电路数字计算机 n采用了大规模集成电路(LSI) 和超大规模 集成电路(VLSI);n计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠 性很高的阶段n第四代计算机的另一个重要分支是以大规 模、超大规模集成电路为基础发展起来的 微处理器和微型计算机微型计算机大致 经历了四个阶段Date9第一阶段(1971年~1973年 ) n微处理器:4004、4040、8008n 1971年Intel公司研制出MCS4微型计算机 (CPU为4040,四位机)。

      后来又推出 以8008为核心的MCS-8型 Date10第二阶段(1973年~1977年 ) n8位微处理器:8080、8085、M6800、 Z80n初期产品有Intel公司的MCS一80型( CPU为8080,八位机)后期有TRS-80 型(CPU为Z80)和APPLE-Ⅱ型(CPU 为6502) Date11第三阶段(1978年~1983年 ) n16位微处理器:8086、8088、80186、 80286、M68000、Z8000n微型计算机代表产品是IBM-PC(CPU为 8088)本阶段的顶峰产品是APPLE公 司的Macintosh(1984年)和IBM公司的 PC/AT (1984年)微型计算机 Date12第四阶段(1983年至今) n32和64位微处理器:80386、80486和 Pentiumn及对应的386、486和Pentium微型计算机 产品 n微型计算机的性能主要取决于它的核心器 件——微处理器(CPU)的性能 Date13第五代:智能计算机 n将把信息采集、存储、处理、通信和人工 智能结合一起具有形式推理、联想、学习 和解释能力;n系统结构将突破传统的冯·诺依曼机器的 概念,实现高度的并行处理。

      Date141.1.2 计算机的特点 n记忆能力强 n计算精度高与逻辑判断准确 n高速的处理能力 n能自动完成各种操作 Date151.1.3 计算机应用领域和发展方 向 ——计算机应用领域 n科学计算(或称为数值计算) n过程检测与控制 n信息管理(数据处理) n计算机辅助系统 Ø计算机辅助设计(CAD) Ø计算机辅助制造(CAM) Ø计算机辅助测试(CAT) Ø计算机辅助教学(CAI) Date161.1.3 计算机应用领域和发展方 向 ——计算机的发展方向 n巨型化 n微型化 n网络化 n智能化 Date171.1.4 计算机语言的发展 n机器语言 是由“0”和“1”组成的二进制数,二进制是计 算机的语言基础 n汇编语言用一些简洁的英文字母、符号串来替代一个 特定的指令的二进制串 n高级语言 接近于数学语言或人的自然语言,编出的程 序能在所有机器上通用 n面向对象语言 面向具体的应用功能,也就是对象( object)其方法就是软件的集成化 如C++和Java n基于规则的智能化语言以可视化编程方法为特征,是 一种应用的装配环境 如 Visual C++、Visual Basic Date18计算机语言的未来发展趋势 n简单性:提供最基本的方法来完成指定的任务 ,只需理解一些基本的概念,就可以用它编写 出适合于各种情况的应用程序 ;n面向对象:提供简单的类机制以及动态的接口 模型;通过继承机制,实现了代码的复用 。

      n安全性:用于网络、分布环境下有安全机制保 证;n平台无关性:与平台无关的特性使程序可以方 便地被移植到网络上的不同机器、不同平台 Date191.2 计算机系统的硬、软件组 成 Date20计算机结构 Date211.2.1 计算机的硬件组成 ——计算机主要部件 n1964年,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(Von Neumann)提出了存储程序计算机的设计思想 ,奠定了现代计算机的结构基础;n从本质上讲,存储程序控制仍是现代计算机的 结构基础,因此统称为诺依曼型计算机 ;n基本工作原理可概括为“存储程序”和“程序控制” n物理结构上,计算机由微处理器、存储器和输 入/输出设备3个部分组成 Date22基于微处理器的PC系统的组 成 Date23存储器 n用来存储程序、原始数据和结果的记忆装 置n分为内存和外存两部分Ø内存容量较小,存取速度较快,一般用来存 放当前正在执行的程序和数据,常用半导体 存储器;Ø外存容量较大,速度较慢,一般用来存放暂 时不残余运行的程序和数据,常用硬磁盘和 光盘 Date24PC系统的主存储器映像图 Date25主存储器三个主要部分 nTPA 640KB,用于驻留操作系统和其他控制 PC系统的程序,TPA也存放任何当前激活的或 非激活的系统应用程序,用于系统程序、数据 、驱动程序和应用程序n系统区。

      384KB系统包括BIOS ROM或Flash 存储器中的程序,以及视频RAM的数据区nXMS(eXtended Memory System,扩展内存 系统) Date26I/O系统 n允许微处理器与外部设备进行通信I/O地址允 许PC机访问64K个不同的I/O设备 n输入设备任务:是把程序和原始数据送入计算 机中,并将它们转换成计算机内部所能识别和 接收的信息方式如键盘、鼠标和扫描仪等n输出设备任务:是将计算机的运算操作结果以 人或其他设备所能接收的形式输出,其种类繁 多,如显示器、打印机和绘图仪等 Date27微处理器 nPC系统的核心是微处理器微处理器通过执行 存储在存储器中的程序指令,实现对存储器和 I/O系统的控制n运算器算术逻辑运算部件(Arithmetic and Logiccal Unit, ALU)是对信息进行加工、运算 的部件,执行算术运算和逻辑运算运算器的 核心是加法器n控制器根据程序中的命令发出的各种控制信 号,使各部分协调工作以完成指令所要求的各 种操作,是整个计算机的指挥中心Date281.2.1 计算机的硬件组成 ——计算机的总线结构 n总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路,它 能分时地发送与接收各部件的信息 nPC设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系 统,而总线结构正好能满足这一要求 n系统总线按传输信息的不同分为: Ø地址总线(Address Bus)。

      由单方向的多根信号线组成,用于 CPU向存储器、外设传输地址信息; Ø数据总线(Data Bus)由双方向的多根信号线组成,用于 CPU从存储器、外设读入数据,也可以由CPU向存储器、外设 发送数据; Ø控制总线(Control Bus)由双方向的多根信号线组成,用于 CPU向存储器、外设发送控制命令和从存储器、外设读入反馈 信息 Date29单系统总线 Date301.2.2 冯·诺依曼结构与哈佛结构 的存储器设计思想 n根据程序(指令序列)和数据的存放形式 ,存储器设计思想可分为冯·诺依曼结构 与哈佛结构 Date311. 冯·诺依曼结构 n冯·诺依曼结构也称为普林斯顿结构,是一种传 统的存储器设计思想n即指令和数据是不加区别地混合存储在同一个 存储器中的,共享数据总线 nCPU与共享存储器间的信息交换成了影响高速 计算机和系统性能的“瓶颈” nIntel公司的80x86CPU,ARM公司的ARM7, MIPS公司的MIPS等 Date32冯·诺依曼结构存储器设计 Date332. 哈佛结构 n哈佛结构的指令和数据是完全分开的n哈佛结构至少有两组总线:程序存储器(PM) 的数据总线和地址总线,以及数据存储器(DM )的数据总线和地址总线 n由于指令和数据分开存放,可以使指令和数据 有不同的数据宽度 nMotorola公司的MC68系列,ARM公司的ARM9 、ARM10和ARM11。

      大多数数字信号处理器( DSP)Date34哈佛结构存储器设计 Date35应用n现代微型计算机中的高速缓冲存储器( Cache)采用哈佛结构,将Cache分为指 令Cache和数据Cache两个部分n将冯·诺依曼结构和哈佛结构结合起来, 不仅可以提高存储器的利用率,而且可以 提高程序执行的效率,缩短指令执行的时 钟周期 Date361.2.3 计算机软件系统 n软件:为了运行、管理和维修计算机所编 制的各种程序的总和n软件分为系统软件和应用软件两大类 Ø系统软件:使用和管理计算机的各种软件统 ,为用户使用机器提供方便,扩大机器功能 ,提高工作效率 Ø应用软件:是由用户利用计算机及其系统软 件编制的解决实际应用问题的程序 Date37计算机组成示意图 Date38计算机软硬件系统架构 Date39软件与硬件的关系 Date401.3 计算机工作过程和主要性能 指标1.3.1 计算机的工作过程 n编制好的程序放在内存中,由控制器控制 逐条取出指令执行 Date41计算机执行过程实例 Date421.3.2 计算机的主要性能指标 n机器字长是指参与运算的数的基本位数,由 加法器、寄存器的位数决定n数据通道宽度。

      数据总线一次所能并行传送信 息的位数,影响到信息传送能力,从而影响计 算机的有效处理速度通常所指的数据通道宽 度是指CPU外部数据总线的宽度 n存储器容量一个存储器所能存储的全部信息 量Date43表1.1 容量的字符通常意义 单位 通常意义 实际 表示K(Kilometers) 103 210=1024 M(Mega) 106 220=1048576 G(Giga) 。

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