第1章微型计算机概述-上传

1、计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2E-mail：课程内容课程内容计算机硬件技术基础微型计算机系统概述微型机输入/输出与接口技术外部存储器内部存储器微处理器微型机总线常用微机外部设备多媒体技术3E-mail：第第1章章 微型计算机系统概论微型计算机系统概论 综观计算机技术综观计算机技术50多年的发展历程，由于电子元器件的飞速发展，计算机性多年的发展历程，由于电子元器件的飞速发展，计算机性能得到了极大提高，其体积大大缩小，应用越来越普及。微型计算机由能得到了极大提高，其体积大大缩小，应用越来越普及。微型计算机由70年代末年代末期期8位机开始走向位机开始走向16位机的发展阶段。到位机的发展阶段。

2、到80年代，微机这一高科技领域的产品已年代，微机这一高科技领域的产品已触及到社会的各个角落。自触及到社会的各个角落。自80年代后期开始，微机进入年代后期开始，微机进入32位机的发展阶段。位机的发展阶段。教学内容教学内容1.1 微型计算机发展微型计算机发展1.2 微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构1.3 微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构1.4 微机性能微机性能1.5 实例：计算机性能评估的测试程序实例：计算机性能评估的测试程序习题习题4E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展1.1.1 计算机发展的阶段计算机发展的阶段 在电子计算机出现后短短的半个多世纪里，计算机技术发展飞速，正

3、迅速渗在电子计算机出现后短短的半个多世纪里，计算机技术发展飞速，正迅速渗透到社会的各个领域之中，并逐步进入家庭，成为一个国家现代化的重要标志之透到社会的各个领域之中，并逐步进入家庭，成为一个国家现代化的重要标志之一。一。 计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。作过程的实质是电子器件状态的快速变化。 1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的、能够按照人们事先的安排、年，世界上出现了第一台由电子管构成的、能够按照人们事先的安排、快速完成所要求计算任务的快速完成所要

4、求计算任务的ENIAC电子计算机。电子计算机。自此，计算机及其相关技术经历自此，计算机及其相关技术经历了一个快速发展的过程。了一个快速发展的过程。 计算机的应用范围由窄到广，功能越来越强，技术越来越完善，经过了四个计算机的应用范围由窄到广，功能越来越强，技术越来越完善，经过了四个重要的历史阶段，成为人类处理信息必不可少的工具之一。其发展历程的各个阶重要的历史阶段，成为人类处理信息必不可少的工具之一。其发展历程的各个阶段，是以所采用的电子器件的不同来划分的，即段，是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路电路和大规

5、模及超大规模集成电路计算机。四个阶段的特点如表计算机。四个阶段的特点如表1.1所示：所示： 5E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展 表表1.1 计算机发展计算机发展的的四个阶段四个阶段起止年代起止年代主要元件主要元件主要元件图例主要元件图例速度（次速度（次/ /秒）秒）特点与应用领域特点与应用领域第第一一代代40年代末至年代末至50年年代末代末电子管电子管500010000计算机发展的初级阶段，体积巨大，计算机发展的初级阶段，体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容运算速度较低，耗电量大，存储容量小。主要用来进行科学计算。量小。主要用来进行科学计算。第第二二代代50年代末至年代末

6、至60年年代末代末晶体管晶体管几万几十万几万几十万体积减小，耗电较少，运算速度较体积减小，耗电较少，运算速度较高，价格下降。不仅用于科学计算，高，价格下降。不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务管理，并逐还用于数据处理和事务管理，并逐渐用于工业控制。渐用于工业控制。第第三三代代60年代中期开始年代中期开始中、小规模中、小规模集成电路集成电路几十万几百万几十万几百万体积、功耗进一步减少，可靠性及体积、功耗进一步减少，可靠性及速度进一步提高。应用领域进一步速度进一步提高。应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动拓展到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面。控制、城市交通管理等方面。第

7、第四四代代70年代初开始年代初开始大规模和超大规模和超大规模集成大规模集成电路电路几千万千百亿几千万千百亿性能大幅度提高，价格大幅度下降，性能大幅度提高，价格大幅度下降，广泛应用于社会生活的各个领域，广泛应用于社会生活的各个领域，进入办公室和家庭。在办公自动化、进入办公室和家庭。在办公自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域识别、语音识别、专家系统等领域中大显身手。中大显身手。6E-mail：本章内容回顾本章内容回顾7E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展1.1.2 微型计算机的发展过程微型计算机的发展过程巨型机大型机中型机

8、小型机微型机（PC）体积性能价格8E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展1第一代，第一代，4位及低档位及低档8位微处理器，位微处理器，19711972年。年。 1971年，年，Intel公司推出第一片公司推出第一片4位微处理器位微处理器Intel 4004，一次可对，一次可对4个二进制个二进制数进行运算（即字长为数进行运算（即字长为4位），它的功能相当于一台位），它的功能相当于一台ENIAC计算机，计算机，4004芯片上芯片上集成了集成了2250个晶体管，工作频率为个晶体管，工作频率为108KHz。Intel公司把这种公司把这种4004芯片，与一块芯片，与一块随机存取存储器芯片、一

9、块只读存储器芯片和一块寄存器芯片组合在一起，制成随机存取存储器芯片、一块只读存储器芯片和一块寄存器芯片组合在一起，制成一台一台4位微型计算机位微型计算机MCS-4。这是世界上第一台微型计算机，从此揭开了微型机。这是世界上第一台微型计算机，从此揭开了微型机发展的序幕。发展的序幕。 1972年年4月，月，Intel 8008芯片问世。它是世界上最早的芯片问世。它是世界上最早的8位微处理器，在位微处理器，在13.8平方毫米的芯片上做出了能执行平方毫米的芯片上做出了能执行45种指令的中央处理器。它能同时对种指令的中央处理器。它能同时对8个二进制个二进制数字进行传送和运算（字长为数字进行传送和运算（字长

10、为8位），计算能力和适应范围都优于位），计算能力和适应范围都优于4004，因为，因为4004芯片一次只能对芯片一次只能对4个二进制数进行运算。一个英文字母就需要用个二进制数进行运算。一个英文字母就需要用8位二进制数位二进制数来表示，来表示，4004芯片一次还处理不了由芯片一次还处理不了由8个二进制数表示的数据，而个二进制数表示的数据，而8008芯片一次芯片一次就可以完成。就可以完成。 9E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展2第二代，中、高档第二代，中、高档8位微处理器，位微处理器，19731977年。年。1973年，年，Intel公司推出了公司推出了8080型微处理器，它的运算速

11、度比型微处理器，它的运算速度比4004型要快型要快20倍倍，芯片上集成了，芯片上集成了6000个晶体管，其时钟频率为个晶体管，其时钟频率为2MHz。8080是一个划时代的产品是一个划时代的产品，它的诞生使得，它的诞生使得Intel公司有了自己真正意义上的微处理器，也诞生了以公司有了自己真正意义上的微处理器，也诞生了以8080为核为核心的第一台微型机心的第一台微型机Altair。1975年年1976年，出现了集成度更高、性能更强年，出现了集成度更高、性能更强、速度更快的、速度更快的Z80微处理器。它是微处理器。它是Zilog公司在公司在Intel 8080的基础上加以提高而的基础上加以提高而制造

12、出来的一种制造出来的一种8位微处理器。位微处理器。1976年，年，Intel公司推出了公司推出了8080的更新型号的更新型号Intel 8085，芯片上集成了约，芯片上集成了约10000个晶体管。个晶体管。这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度、减少组成系统所需的件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度、减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。芯片数量的方向发展。10E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展3第三代，第三代，16位

13、微处理器，位微处理器，19781982年。年。1977年，超大规模集成电路工艺取得突破性进展，一块芯片上已经可以容纳年，超大规模集成电路工艺取得突破性进展，一块芯片上已经可以容纳10000个以上的晶体管。于是从个以上的晶体管。于是从1978年起，各大公司便推出了可与过去中档小型年起，各大公司便推出了可与过去中档小型机比拟的机比拟的16位微处理器，如位微处理器，如Intel公司的公司的8086，Motorola公司的公司的MC6800等。等。1982年，年，Intel公司又推出了增强型公司又推出了增强型16位微处理器芯片，即位微处理器芯片，即80286。它集成了。它集成了13万万多个晶体管，主频

14、达到了多个晶体管，主频达到了20MHz，在，在8086结构基础上增加了存储器保护和管理功结构基础上增加了存储器保护和管理功能以及对虚拟存储器寻址达能以及对虚拟存储器寻址达1G字节的功能，使得字节的功能，使得80286成为多用户，多任务处理成为多用户，多任务处理的微处理器，而这些操作曾是小型机和大型机所独占的范畴。的微处理器，而这些操作曾是小型机和大型机所独占的范畴。微处理器的发展，并不仅仅是集成度的提高和字长的增大，新一代的微处理器微处理器的发展，并不仅仅是集成度的提高和字长的增大，新一代的微处理器有着更多的寄存器，更强的存储器寻址能力，更多的寻址方式，更高的速度，更有着更多的寄存器，更强的存

15、储器寻址能力，更多的寻址方式，更高的速度，更新的体系结构，更大的指令系统和存储器管理功能。因此，新一代的微处理器功新的体系结构，更大的指令系统和存储器管理功能。因此，新一代的微处理器功能越来越强，并且拥有了越来越广阔的应用范围。能越来越强，并且拥有了越来越广阔的应用范围。 11E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展4第四代，第四代，32位微处理器，位微处理器，19831992年。年。在此期间，许多公司相继研制开发了在此期间，许多公司相继研制开发了32位微型机，如位微型机，如Motorola公司的公司的68020微微处理器、处理器、Zilog公司的公司的Z8000微处理器以及微处理器

16、以及Intel公司在公司在1985年年10月推出的月推出的80386微微处理器，它们都是处理器，它们都是32位的位的CPU芯片，用以制造超级微型机。其中，芯片，用以制造超级微型机。其中，80386芯片最芯片最具有代表性，因为它集成了具有代表性，因为它集成了27.5万个晶体管，时钟频率达到万个晶体管，时钟频率达到33MHz，使用这种微，使用这种微处理器，主机可装上处理器，主机可装上40M字节内存，若加上虚拟存储，可达字节内存，若加上虚拟存储，可达64M字节。字节。1989年，年，Intel公司又研制出了一种新型的微处理器芯片公司又研制出了一种新型的微处理器芯片80486，它使芯片的集，它使芯片的

17、集成度从成度从30万个晶体管一跃超过了万个晶体管一跃超过了100万个晶体管，主频超过万个晶体管，主频超过100MHz。80486能极能极大地加快计算机的运算速度，一块大地加快计算机的运算速度，一块80486芯片能完成以前的三种芯片（芯片能完成以前的三种芯片（80386微微处理器芯片和完成浮点运算的数学协处理器处理器芯片和完成浮点运算的数学协处理器80387芯片以及芯片以及8kB的高速缓存芯片的高速缓存芯片）的功能，这样就减少了三块芯片之间进行联系所需的时间，极大地提高了运算）的功能，这样就减少了三块芯片之间进行联系所需的时间，极大地提高了运算速度速度 12E-mail：1.1 微型计算机发展微

18、型计算机发展5第五代，第五代，64位微处理器，位微处理器，19931994年。年。1993年，年，Intel公司推出新一代高性能公司推出新一代高性能“奔腾奔腾”（Pentium）微处理器芯片，）微处理器芯片，这是一种速度更快的这是一种速度更快的64位微处理器，被称为位微处理器，被称为586或或P 5。Pentium是拉丁文是拉丁文“五五”（Pente）和元素周期表的公用后缀）和元素周期表的公用后缀IUM组合而成。其寓意是指组合而成。其寓意是指Pentium为该为该公司的第五代产品。公司的第五代产品。Pentium芯片集成了芯片集成了310万个晶体管，主频高达万个晶体管，主频高达60兆赫，以兆赫

19、，以后又陆续推出后又陆续推出75兆赫、兆赫、90兆赫、兆赫、100兆赫、兆赫、120兆赫、兆赫、133兆赫、兆赫、的芯片。的芯片。Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），这些改进大大提升了指令），这些改进大大提升了CPU的性能，使得的性能，使得Pentium的速度比的速度比80486快数倍快数倍。除此之外，。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，可以把一个低主频还具有良好的超频性能，可以把一个低主频CPU当作高主当作高主频频CPU来使用，使得花费较低的代价即可获得较高的性能。来使用

20、，使得花费较低的代价即可获得较高的性能。“奔腾奔腾”芯片广泛地芯片广泛地运用于各种微型计算机和多媒体计算机上，使计算机拥有更为强大的功能，可运运用于各种微型计算机和多媒体计算机上，使计算机拥有更为强大的功能，可运行更为强劲有力的软件。由于行更为强劲有力的软件。由于“奔腾奔腾”芯片的问世和价格的不断降低，装备了芯片的问世和价格的不断降低，装备了“奔腾奔腾”CPU的计算机已逐渐占领了微型计算机的市场，使的计算机已逐渐占领了微型计算机的市场，使486芯片迅速退出市场芯片迅速退出市场13E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展6.第六代，高性能微处理器，第六代，高性能微处理器，1999年至今

21、。年至今。以以Pentium Pro、Pentium 、Pentium 和和Pentium 4为代表的第六代微处为代表的第六代微处理器，带有更强的多媒体效果和更贴近现实的体验，其主频为理器，带有更强的多媒体效果和更贴近现实的体验，其主频为450MHz几几GHz。1996年，年，Intel公司推出了公司推出了Pentium Pro（高能奔腾）微处理器，该芯片具有两（高能奔腾）微处理器，该芯片具有两大特色，一是片内封装了与大特色，一是片内封装了与CPU同频运行的同频运行的256KB或或512KB二级缓存；二是采用二级缓存；二是采用了了“动态预测执行动态预测执行”的创新技术，可以打乱程序原有指令顺序

22、，按照优化顺序同的创新技术，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得时执行多条指令，这两项改进使得Pentium Pro的性能有了质的飞跃。的性能有了质的飞跃。Pentium Pro的代号为的代号为P 6，它集成了，它集成了550万个晶体管，时钟频率高达万个晶体管，时钟频率高达266MHz。1996年底，年底，Intel发布了发布了Pentium的改进型号的改进型号Pentium MMX（多能奔腾）（多能奔腾），将一级缓存提高到，将一级缓存提高到32kB，同时增加了，同时增加了57条条MMX（多媒体扩展）指令，有效地（多媒体扩展）指令，有效地增强了增强了CPU处理

23、音频、图像和通信等多媒体应用的能力，具有处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力，具有MMX、双总线、动、双总线、动态执行三大特点。态执行三大特点。14E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展微型计算机的发展历史（共微型计算机的发展历史（共6代）代） 第第1代（代（4位）位） 第第2代（代（8位）位） 第第3代（代（16位）位） 第第4代（代（32位）位） 第第5代（代（64位）位） 第第6代（高性能微处理器）代（高性能微处理器）15E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展微型计算机发展和预言若干规律微型计算机发展和预言若干规律（1）Moore（摩尔）（摩尔）定律定律（2）Bell（贝尔）（贝尔）定律定律（3）Gilder（吉尔德）（吉尔德）定律定律（4）Metcalfe（麦特卡尔夫）（麦特卡尔夫）定律定律（5）半导体存储器发展规律半导体存储器发展规律（6）硬盘存储技术发展规律硬盘存储技术发展规律16E-mail：1.1 微型计算机发展微型计算机发展1.1.3微型计算机的应用和特点微型计算机的应用和特点应用领域应用领域（1）科学计算）科学计算（2）过程检测与控制）过程检测与控制（3）