第1章微型计算机概述

1、第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述第1章 微型计算机概述1.1 1.1 计算机概述计算机概述 1.1.1 1.1.1 计算机硬件基本结构计算机硬件基本结构 1.1.2 1.1.2 计算机工作原理计算机工作原理 1.1.3 1.1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标 1.1.4 CISC1.1.4 CISC和和RISCRISC1.2 1.2 微型计算机概述微型计算机概述 1.2.1 1.2.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统 1.2.2 1.2.2 微处理器的发展微处理器的发展 1.2.3 1.2.3 微型计算机的分类微型计算机的分类 1.2

2、.4 1.2.4 微型计算机的结构微型计算机的结构第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述内容提要内容提要 本章作为全书的基础，首先介绍微型计算机的发展历程本章作为全书的基础，首先介绍微型计算机的发展历程和由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五和由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成的计算机硬件体系结构，然后阐述冯个基本部分组成的计算机硬件体系结构，然后阐述冯诺依诺依曼提出的计算机设计思想和工作原理。着重论述了微处理曼提出的计算机设计思想和工作原理。着重论述了微处理器、微型计算机和微型计算机系统的基本概念和三总线结器、微型计算机和微型计算机系统的基本概念和

3、三总线结构。学习本章内容，除要掌握有关基本概念外，特别要掌构。学习本章内容，除要掌握有关基本概念外，特别要掌握微型计算机的基本结构和工作原理。握微型计算机的基本结构和工作原理。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1 计算机概述 1946年美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制的大型电子数年美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制的大型电子数字积分计算机字积分计算机(ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Calculator)，最初是专门用于火炮弹道计算，后经多，最初是专门用于火炮弹道计算，后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。次改进而成为能

4、进行各种科学计算的通用计算机。 新的重大突破是由数学家冯新的重大突破是由数学家冯诺伊曼领导的设计小组完诺伊曼领导的设计小组完成的。成的。1945年年3月他们发表了一个全新的存储程序式通用电月他们发表了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案子计算机方案电子离散变量自动计算机电子离散变量自动计算机(EDVAC, Electronic Discrete Variable Automatic Computer)。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 到目前为止，计算机的发展已经历了四代，虽然在某些方面已有较大到目前为止，计算机的发展已经历了四代，虽然在某些方面已有较大突破，但其基本结构仍未有

5、大的改变。四个发展阶段主要以硬件为主要标突破，但其基本结构仍未有大的改变。四个发展阶段主要以硬件为主要标志，但也包括了软件技术的发展。志，但也包括了软件技术的发展。 第第1代计算机（代计算机（19461958) 电子管为基本电子器件；使用机器语言电子管为基本电子器件；使用机器语言和汇编语言；主要应用于国防和科学计算；运算速度每秒几千次至几万次。和汇编语言；主要应用于国防和科学计算；运算速度每秒几千次至几万次。 第第2代计算机代计算机(19581964) 晶体管为主要器件；软件上出现了操作晶体管为主要器件；软件上出现了操作系统和算法语言；运算速度每秒几万次至几十万次。系统和算法语言；运算速度每秒

6、几万次至几十万次。 第第3代计算机代计算机(19641971) 普遍采用集成电路，体积缩小；软件上普遍采用集成电路，体积缩小；软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统；运算速度每秒几十万广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统；运算速度每秒几十万次至几百万次。次至几百万次。 第第4代计算机代计算机(1971现在现在) 以大规模、超大规模集成电路为主要器件；以大规模、超大规模集成电路为主要器件；软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想；网络操作软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想；网络操作系统、数据库管理系统得到了广泛是使用；运算速度每秒几百万次至上

7、亿系统、数据库管理系统得到了广泛是使用；运算速度每秒几百万次至上亿次。次。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1.1 1.1.1 计算机硬件基本结构计算机硬件基本结构 目前，计算机硬件体系结构基本上还是经典的冯目前，计算机硬件体系结构基本上还是经典的冯诺依曼结构，由运算诺依曼结构，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成。器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成。 1运算器（运算器（ALU，Arithmetic Logical Unit）运算器的核心是运算器的核心是算术逻辑单元，能完成各种算术和逻辑运算的部件。算术逻辑单元，能完成各种算术和逻辑

8、运算的部件。 2控制器（控制器（CU，Control Unit）能发出各种控制信息，使计算能发出各种控制信息，使计算机各部件协调工作的部件。机各部件协调工作的部件。 3存储器（存储器（M，Memory）能记忆程序和数据的部件。能记忆程序和数据的部件。 4输入设备（输入设备（IN，Input device）能将程序和数据输入的部件。能将程序和数据输入的部件。 5输出设备（输出设备（OUT，Output device）能将结果数据和其它信能将结果数据和其它信息输出的部件。息输出的部件。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 从图可见，计算机五大部件之间有两类信息在流动：一类从图可见，计算机

9、五大部件之间有两类信息在流动：一类是数据信息，用双线表示，包括原始数据、中间结果、计算是数据信息，用双线表示，包括原始数据、中间结果、计算结果和程序指令；另一类是控制信息，用单线表示，它是由结果和程序指令；另一类是控制信息，用单线表示，它是由控制器发出，指挥和协调其它各部件动作的信号。控制器发出，指挥和协调其它各部件动作的信号。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 不论是数据还是控制命令，计算机中都不论是数据还是控制命令，计算机中都是用是用“0”和和“1”表示二进制信息。数据输表示二进制信息。数据输入到存储器时，需经过运算器；数据输出入到存储器时，需经过运算器；数据输出时也要由运算器

10、送到输出设备。计算机工时也要由运算器送到输出设备。计算机工作时将存放在存储器中的程序逐条取出到作时将存放在存储器中的程序逐条取出到控制器，控制器执行指令时发出控制信号控制器，控制器执行指令时发出控制信号到运算器、存储器、输入设备、输出设备。到运算器、存储器、输入设备、输出设备。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1.2 1.1.2 计算机工作原理计算机工作原理 1945年冯年冯诺依曼第一次提出了计算机组成和工作方式的诺依曼第一次提出了计算机组成和工作方式的基本思想：基本思想： 1计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五部分组成

11、。五部分组成。 2数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，地址码也为二进制形式；计算机能自动区分指令和数器中，地址码也为二进制形式；计算机能自动区分指令和数据。据。 3编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在存编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作，由程序计数器（储器中的指令序列即程序来工作，由程序计数器（PC，Program Counter）控制指令的执行顺序。控制器具有判）控制指令的执行顺序。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。 第第

12、1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 其中，指令是命令计算机完成某种基本操作的其中，指令是命令计算机完成某种基本操作的代码。将各种算术运算、逻辑运算及存储器的读、代码。将各种算术运算、逻辑运算及存储器的读、写等作为基本操作，为每一个基本操作规定一个写等作为基本操作，为每一个基本操作规定一个代码，这个代码被称为指令。代码，这个代码被称为指令。 当需要计算机完成某项任务时，就将其分解成当需要计算机完成某项任务时，就将其分解成一系列的基本操作并用指令来表示，预先存放到一系列的基本操作并用指令来表示，预先存放到存储器中。计算机工作时就逐条执行指令，完成存储器中。计算机工作时就逐条执行指令，完成一系

13、列的基本操作，从而完成整个任务。把能完一系列的基本操作，从而完成整个任务。把能完成某项任务的指令序列称为程序。成某项任务的指令序列称为程序。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 使用计算机时，首先要将程序存储，即将指令序列存放到存储使用计算机时，首先要将程序存储，即将指令序列存放到存储器。然后在计算机工作时，控制器从存储器逐条取出指令、分析指器。然后在计算机工作时，控制器从存储器逐条取出指令、分析指令并执行指令。执行指令时，控制器依次发出各种控制命令信号给令并执行指令。执行指令时，控制器依次发出各种控制命令信号给其它部件，使运算器完成某种算术、逻辑运算或作寄存器与存储器其它部件，使运

14、算器完成某种算术、逻辑运算或作寄存器与存储器之间的数据传送，输入和输出等。计算机的工作过程就是执行指令之间的数据传送，输入和输出等。计算机的工作过程就是执行指令的过程。的过程。 程序中的指令一般按序存放在存储器的连续区域中。计算机开程序中的指令一般按序存放在存储器的连续区域中。计算机开始执行程序时，始执行程序时，PC中存放着第一条指令所在存储单元的地址，然后中存放着第一条指令所在存储单元的地址，然后每取出一条指令（确切地说是每取出一个指令字节），每取出一条指令（确切地说是每取出一个指令字节），PC中的内容中的内容自动加自动加1，指向下一条指令地址，从而保证了自动地按顺序取指令，指向下一条指令地

15、址，从而保证了自动地按顺序取指令和执行指令。和执行指令。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1.3 1.1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标 1. 字长字长 在计算机中，所有信息都是用二进制数码（在计算机中，所有信息都是用二进制数码（0，1）表示的。）表示的。其最小单位是位（其最小单位是位（bit），即一个二进制数位。），即一个二进制数位。CPU在处理在处理和传送信息时，往往是把一组二进制数码看作是一个整体来和传送信息时，往往是把一组二进制数码看作是一个整体来并行操作，这并行处理的一组二进制数称为一个字并行操作，这并行处理的一组二进制数称为一个字（Word），字所含有的二进制

16、位数称为字长。字长是），字所含有的二进制位数称为字长。字长是CPU交换、加工和存放信息时其信息位的最基本长度，它通常与交换、加工和存放信息时其信息位的最基本长度，它通常与寄存器、运算器、传输线的宽度相一致。因此，字长实际上寄存器、运算器、传输线的宽度相一致。因此，字长实际上表示的是表示的是CPU并行处理的最大位数。字长是计算机的重要性并行处理的最大位数。字长是计算机的重要性能指标，也是计算机分类的依据之一。能指标，也是计算机分类的依据之一。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 计算机中普遍以字节（计算机中普遍以字节（Byte）为单位，一个）为单位，一个字节由字节由8位二进制数组成，通常

17、用位二进制数组成，通常用D7D6D0来表示从最高位（来表示从最高位（MSB）到最低位（）到最低位（LSB）的各）的各数位。因此，计算机字长的位数，也可以用数位。因此，计算机字长的位数，也可以用“字字节节”单位取代。比如字长单位取代。比如字长8位，可说成一个字节位，可说成一个字节字长或字长字长或字长1字节；字长字节；字长16位，可说成字长位，可说成字长2字字节，用节，用D15D14D0表示其各数位。表示其各数位。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 存储容量存储容量 存储器（通常指内存储器）是计算机存放二进制信息的存储器（通常指内存储器）是计算机存放二进制信息的“仓库仓库”，由，

18、由若干存储单元组成。存储单元的编号称为存储单元地址（是二进制的数字若干存储单元组成。存储单元的编号称为存储单元地址（是二进制的数字码）。码）。 存储单元的数目由传送地址信息的传输线的条数决定。若有存储单元的数目由传送地址信息的传输线的条数决定。若有16条地址条地址线，所能编出的地址码有线，所能编出的地址码有216=65536种，由此可区分种，由此可区分65536个单元。计个单元。计算机中把算机中把210=1024规定为规定为1K，因此，因此65536个单元可以称为个单元可以称为64K个单元。个单元。若有若有20条地址线，条地址线，220=1048576=1024K，1024K规定为规定为1兆（

19、兆（1M），），即即20条地址线有条地址线有2201M个单元地址码。若有个单元地址码。若有30条地址线，则有条地址线，则有230=1KM=1G个单元地址码。个单元地址码。 存储单元一般是以字节存储单元一般是以字节(8bit)为单位的，信息的读出和写入以字节为为单位的，信息的读出和写入以字节为单位。所以存储容量可以看作是存储器能够存放信息的最大字节数。单位。所以存储容量可以看作是存储器能够存放信息的最大字节数。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 3. 指令系统指令系统 计算机在设计时，就确定了它能完成的各种基计算机在设计时，就确定了它能完成的各种基本操作。一台计算机所固有的基本操作指令

20、的集本操作。一台计算机所固有的基本操作指令的集合，称为该计算机的指令系统。计算机的指令系合，称为该计算机的指令系统。计算机的指令系统一般含有几十到几百条指令。统一般含有几十到几百条指令。 计算机能完成的基本操作种类越多，即指令系计算机能完成的基本操作种类越多，即指令系统的指令数越多，说明其功能越强。此外，一条统的指令数越多，说明其功能越强。此外，一条指令本身功能的强弱，也能说明该问题。指令本身功能的强弱，也能说明该问题。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 4. 运算速度运算速度 计算机完成一个具体任务所花费的时间就是完成该任计算机完成一个具体任务所花费的时间就是完成该任务的时间指标，

21、时间越短，表明计算机的速度越高。但务的时间指标，时间越短，表明计算机的速度越高。但是计算机各种指令执行时间是不一样的。以每秒执行基是计算机各种指令执行时间是不一样的。以每秒执行基本指令的条数来大致地反映计算机的运算速度。单位为本指令的条数来大致地反映计算机的运算速度。单位为百万条指令百万条指令/秒（秒（MIPS）。）。 现在，人们用计算机的主频现在，人们用计算机的主频时钟频率来表示运算时钟频率来表示运算速度，以兆赫兹（速度，以兆赫兹（MHz）或吉赫兹（）或吉赫兹（GHz）为单位。主）为单位。主频越高，表明运算速度越快。频越高，表明运算速度越快。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 5.

22、 系统配置系统配置 一台计算机要能正常工作，必须提供必要的人一台计算机要能正常工作，必须提供必要的人机联系手段，这包括配置相应数量的外部设备（如机联系手段，这包括配置相应数量的外部设备（如键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机、绘图仪等）键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机、绘图仪等）和配置实现计算机操作的软件。当然，外设配置越和配置实现计算机操作的软件。当然，外设配置越高档，软件配置越丰富，计算机的使用越便利，工高档，软件配置越丰富，计算机的使用越便利，工作效率也就越高。特别是软件配置，在很大程度上作效率也就越高。特别是软件配置，在很大程度上决定了计算机能力的发挥。决定了计算机能力的发挥。第第1 1章

23、章 微型计算机概述微型计算机概述1.1.4 CISC1.1.4 CISC和和RISCRISC 为了提高计算机性能，人们使为了提高计算机性能，人们使CPU有更大的指令系统、有更大的指令系统、更多的专用寄存器、更多的寻址方式和更强的指令计算功更多的专用寄存器、更多的寻址方式和更强的指令计算功能等，即能等，即CPU的结构沿着不断复杂化的方向发展。后来，的结构沿着不断复杂化的方向发展。后来，将它们称为复杂指令集计算机（将它们称为复杂指令集计算机（CISC， Complex Instruction Set Computer）。）。 CISC技术通过增强指令功能提高计算机的性能，指令技术通过增强指令功能提

24、高计算机的性能，指令码不等长，指令数量多。码不等长，指令数量多。CISC技术的复杂性在于硬件，在技术的复杂性在于硬件，在于于CPU芯片中控制器部分的设计与实现。自芯片中控制器部分的设计与实现。自PC机诞生以来，机诞生以来，主流产品一直使用主流产品一直使用Intel公司的公司的CPU或其它公司生产的兼容或其它公司生产的兼容产品，而产品，而Intel公司的公司的CPU沿用了沿用了CISC技术。技术。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 当当 CISC发展到一定程度后，人们发现一发展到一定程度后，人们发现一些复杂指令很少使用，但为了把它们加入到些复杂指令很少使用，但为了把它们加入到指令集中却

25、使控制器的设计变得十分复杂，指令集中却使控制器的设计变得十分复杂，并占用了相当大的并占用了相当大的CPU芯片面积。指令的执芯片面积。指令的执行周期也较长。因此，从处理器的执行效率行周期也较长。因此，从处理器的执行效率和开发成本两个方面考虑，有必要对复杂指和开发成本两个方面考虑，有必要对复杂指令集结构的处理器进行反思。令集结构的处理器进行反思。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1980年年Patterson和和Ditzel首先提出了精简指令集计算首先提出了精简指令集计算机（机（RISC， Reduced Instruction Set Computer）的概）的概念，另觅提高计算机

26、性能的途径。念，另觅提高计算机性能的途径。RISC具有简单的指令集，具有简单的指令集，指令少、指令码等长，寻址方式少、指令功能简单；强调寄指令少、指令码等长，寻址方式少、指令功能简单；强调寄存器的使用，存器的使用，CPU配备大量的通用寄存器（常称为寄存器文配备大量的通用寄存器（常称为寄存器文件件register file），以编译技术优化寄存器的使用；强调对），以编译技术优化寄存器的使用；强调对指令流水线的优化，采用超标量、超级流水线。通过简化指指令流水线的优化，采用超标量、超级流水线。通过简化指令系统使控制器结构简单，进而提高指令执行速度。令系统使控制器结构简单，进而提高指令执行速度。RIS

27、C技技术的复杂性在于软件，在于编译程序的编写与优化。目前，术的复杂性在于软件，在于编译程序的编写与优化。目前，RISC处理器产品主要用在工程工作站、嵌入式控制器和超级处理器产品主要用在工程工作站、嵌入式控制器和超级小型计算机上。小型计算机上。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.2 1.2 微型计算机概述微型计算机概述 1.2.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统 微处理器微处理器（Microprocessor）也被称为微处理机，它是）也被称为微处理机，它是微型计算机的核心部件，但并不是微型计算机。微处理器包微型计算机的核心部件，但并不是微型计

28、算机。微处理器包括算术逻辑部件括算术逻辑部件ALU、控制部件、控制部件CU和寄存器组和寄存器组R三个基本部三个基本部分和内部总线。相当于图分和内部总线。相当于图1.1中一般计算机系统结构中的运中一般计算机系统结构中的运算 器 和 控 制 器 的 组 合 ， 一 般 又 称 为 中 央 处 理 器算 器 和 控 制 器 的 组 合 ， 一 般 又 称 为 中 央 处 理 器 CPU（Central Processing Unit）。）。 按照其处理信息的字长，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：四位微处理器、可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六八位微处理

29、器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器。十四位微处理器。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 微型计算机微型计算机（Micro Computer）简称为）简称为微机，它是以微处理器为核心，加上由大规微机，它是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器模集成电路制作的存储器M（ROM和和RAM）、）、I/O（输入输出）接口和系统总（输入输出）接口和系统总线组成的。鉴于微处理器在微型计算机中的线组成的。鉴于微处理器在微型计算机中的重要性，其性能很大程度上决定了微型计算重要性，其性能很大程度上决定了微型计算机的性能。机的性能。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算

30、机概述 微型计算机系统微型计算机系统（Micro Computer System）是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算机系统。软件分为系统软件和应用成的完整的计算机系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件是用来为用户解决具体语言处理程序等。应用软件是用来为用

31、户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。应用问题的程序及有关的文档和资料。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.2.2 1.2.2 微处理器的发展微处理器的发展 美国美国Intel公司是目前世界上最具影响的微处公司是目前世界上最具影响的微处理器生产厂家，也是世界上第一个微处理器芯片理器生产厂家，也是世界上第一个微处理器芯片的生产厂家，其生产的的生产厂家，其生产的80 x86系列微处理器一直系列微处理器一直是个人微机的主流微处理器，该系列微处理器的是个人微机的主流微处理器，该系列微处理器的发展是微型计算机发展的一个缩影。回顾发展是微型计算机发展的一个缩影。回顾Intel公司微处理

32、器的发展历程，可了解微处理器的发公司微处理器的发展历程，可了解微处理器的发展历史。展历史。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1971年，年，Intel公司生产的公司生产的4位微处理器芯片位微处理器芯片4004宣告了微型计算机时代的到来。这款宣告了微型计算机时代的到来。这款4位微位微处理器虽然只有处理器虽然只有45条指令，每秒也只能执行条指令，每秒也只能执行5万万条指令，运行速度只有条指令，运行速度只有108KHz，甚至比不上，甚至比不上1946年世界第一台计算机年世界第一台计算机ENIAC。但它的集成。但它的集成度却要高很多，集成晶体管度却要高很多，集成晶体管2300只，一片只，

33、一片4004的重量还不到一盎司。的重量还不到一盎司。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1972年，年，Intel公司推出公司推出8008微处理器芯片。微处理器芯片。8008微处微处理器频率为理器频率为200KHz，晶体管的总数达到，晶体管的总数达到3500个，能处理个，能处理8位的数据。更为重要的是，位的数据。更为重要的是，Intel公司还首次获得了由公司还首次获得了由Datapoint公司开发的处理器的指令技术。这套指令集奠定公司开发的处理器的指令技术。这套指令集奠定了今天了今天Intel公司公司x86系列微处理器指令集的基础。系列微处理器指令集的基础。 在微处理器发展初期，具有

34、革新意义的芯片是在微处理器发展初期，具有革新意义的芯片是Intel公司公司于于1974年推出的年推出的8080微处理器。由于采用了复杂的指令集微处理器。由于采用了复杂的指令集以及以及40管脚封装，管脚封装，8080的处理能力大为提高，其功能是的处理能力大为提高，其功能是8008的的10倍，每秒能执行倍，每秒能执行29万条指令，集成晶体管数目万条指令，集成晶体管数目6000个，运行速度个，运行速度2MHz。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1978年，年，Intel公司推出了首枚公司推出了首枚16位微处理器位微处理器8086，同，同时生产出与之配合的数学协处理器时生产出与之配合的数

35、学协处理器8087，这两种芯片使用，这两种芯片使用相同的指令集，以后相同的指令集，以后Intel公司生产的微处理器，均对其兼公司生产的微处理器，均对其兼容。容。 为了方便与当时的为了方便与当时的8位外部设备连接，位外部设备连接，1979年年Intel公司公司推出了准推出了准16位微处理器位微处理器8088。两款微处理器都拥有。两款微处理器都拥有29000只晶体管，速度可分为只晶体管，速度可分为5MHz、8MHz、10MHz。8086内内部数据总线和外部数据总线均为部数据总线和外部数据总线均为16位；位；8088内部数据总线内部数据总线为为16位，外部数据总线为位，外部数据总线为8位。两款位。两

36、款CPU的地址总线均为的地址总线均为20位，可寻址位，可寻址1MB内存。内存。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1982年，年，Intel公司推出仍为公司推出仍为16位结构的位结构的80286微处理器，微处理器，但地址总线扩展为但地址总线扩展为24位，即主存储器具有位，即主存储器具有16MB容量。容量。80286设计了与设计了与8086工作方式一样的实方式（工作方式一样的实方式（Real Mode），还新增了保护方式（），还新增了保护方式（Protected Mode）。在实）。在实方式下，方式下，80286相当于一个快速的相当于一个快速的8086。在保护方式下，。在保护方式下，

37、80286提供了存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持。提供了存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持。这些传统上由操作系统实现的功能在微处理器的支持下，使这些传统上由操作系统实现的功能在微处理器的支持下，使微机系统的性能得到极大提高。微机系统的性能得到极大提高。80286微处理器集成了微处理器集成了14.3万只晶体管，具有万只晶体管，具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5 MHz四四种主频的产品。种主频的产品。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1985年，年，Intel公司推出第一款公司推出第一款32位微处理器位微处理器80386，数据总线，数据总线32位，地址总线位，地

38、址总线32位，可寻址位，可寻址4GB主存，时钟频率有主存，时钟频率有16MHz、25 MHz、32MHz。80386微处理器集成微处理器集成27.5万只晶体管，万只晶体管，每秒可以处理每秒可以处理500万条指令。同时也是第一款具有万条指令。同时也是第一款具有“多任务多任务”功能的处理器，所谓功能的处理器，所谓“多任务多任务”就是说就是说它可以同时处理多个程序的指令，这对微软的操作它可以同时处理多个程序的指令，这对微软的操作系统发展有着重要的影响。系统发展有着重要的影响。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 1989年，年，Intel公司推出最后一款以数字为编号的微处理公司推出最后一款

39、以数字为编号的微处理器器80486。80486微处理器集成了微处理器集成了125万个晶体管，时钟频万个晶体管，时钟频率由率由25MHz逐步提升到逐步提升到33MHz、40MHz、50MHz及后来的及后来的100MHz。 386和和486推向市场后，均大获成功，推向市场后，均大获成功，Intel公司在芯片领公司在芯片领域的霸主地位日益凸现。此后，域的霸主地位日益凸现。此后，Intel公司开始告别微处理器公司开始告别微处理器数字编号时代，进入数字编号时代，进入Pentium时代。时代。 1993年，年，Intel公司发布了公司发布了Pentium（俗称（俗称586）微处理）微处理器。本来按照惯常的

40、命名规律是器。本来按照惯常的命名规律是80586，但因数字很难进行，但因数字很难进行商标版权保护，因此商标版权保护，因此Intel公司决定使用自创的品牌公司决定使用自创的品牌“Pentium”作为新产品的商标。同时，作为新产品的商标。同时，Intel公司为其取了公司为其取了一个响亮的中文名称一个响亮的中文名称“奔腾奔腾”，并进行了商标注册。，并进行了商标注册。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 Pentium是是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3

41、.3V。Intel奔腾处理器采用了奔腾处理器采用了0.60m工艺技术制造，核心由工艺技术制造，核心由320万个晶体管组成。支持计算机更轻松的集成万个晶体管组成。支持计算机更轻松的集成“现实世界现实世界”数数据，如语音、手写体和图片等。据，如语音、手写体和图片等。“奔腾奔腾”二字频繁出现在漫二字频繁出现在漫画和电视谈话节目中，使其在推出之后很快成为一个家喻户画和电视谈话节目中，使其在推出之后很快成为一个家喻户晓的词语。晓的词语。 奔腾是一个划时代的产品，并且影响了奔腾是一个划时代的产品，并且影响了PC领域十领域十年之久，目前该年之久，目前该“名字名字”依然在沿用。依然在沿用。第第1 1章章 微型

42、计算机概述微型计算机概述 19951996年，年，Intel公司相继发布了公司相继发布了Pentium 120MHz、Pentium 133MHz、Pentium 150MHz、Pentium 166MHz、Pentium 180MHz、Pentium 200MHz等处理器，这些处理器采用了等处理器，这些处理器采用了0.60m、0.35m两种工艺技术，核心提升到由两种工艺技术，核心提升到由550万个晶体管组成。万个晶体管组成。此时此时CPU除了含除了含8KB代码和代码和8KB数据数据L1 Cache（一级高速缓存）外，还（一级高速缓存）外，还封装了封装了256KB或或512KB的的L2 Cac

43、he（二级高速缓存）。（二级高速缓存）。 1997年，年，Intel公司推出公司推出Pentium MMX（Multi-Media eXtension）芯片，它在芯片，它在x86指令集的基础上新增了指令集的基础上新增了57条多媒体指令。这些指令专门条多媒体指令。这些指令专门用来处理视频、音频和图像数据，使用来处理视频、音频和图像数据，使CPU在多媒体操作上具有更强大的在多媒体操作上具有更强大的处理能力，处理能力，Pentium MMX还使用了许多新技术。单指令多数据流还使用了许多新技术。单指令多数据流SIMD技术能够用一个指令并行处理多个数据，缩短了技术能够用一个指令并行处理多个数据，缩短了C

44、PU在处理视频、音频、在处理视频、音频、图形和动画时用于运算的时间；流水线从图形和动画时用于运算的时间；流水线从5级增加到级增加到6级，一级高速缓存级，一级高速缓存扩充为扩充为16KB，一个用于数据高速缓存，另一个用于指令高速缓存，因而，一个用于数据高速缓存，另一个用于指令高速缓存，因而速度大大加快；速度大大加快；Pentium MMX还吸收了其它还吸收了其它CPU的优秀处理技术，如的优秀处理技术，如分支预测技术和返回堆栈技术。分支预测技术和返回堆栈技术。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 同年，Intel公司又发布Pentium II 233MHz、Pentium II 266M

45、Hz、Pentium II 300MHz三款PII处理器，采用了0.35m工艺技术，核心提升到750万个晶体管组成。 1999年，Intel公司发布Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz处理器，同时采用了0.25m工艺技术，核心由950万个晶体管组成， 2000年，Intel公司推出 Pentium 4处理器。从Pentium 4开始，Intel公司不再每一两年就推出全新命名的CPU，Pentium 4这个名字连续使用了5年。 为了满足不断发展的应用和市场需求，Intel公司从Pentium II开始将同一代处理器产品进一步细化。面向低端（低价位PC），In

46、tel公司推出Celeron（赛扬）处理器；面向高端（服务器），Intel公司推出Xeon（至强）处理器。Celeron处理器采用减少Cache容量、改用低成本封装或降低时钟频率等方法来降低芯片成本。Xeon处理器主要用于网络服务器或图形工作站，通过增加Cache容量、提高工作频率、支持多处理器、率先采用革新技术等方法提高性能，但价格也相应较高。另外，针对便携式PC要求功耗低、发热量小等特点，Intel公司推出了Pentium M（Mobile）系列处理器；还有Centrino（迅驰）系列处理器产品，可以支持无线通信。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 2005年年4月，月，Inte

47、l公司推出第一款双核处理器平台，此公司推出第一款双核处理器平台，此款产品的问世标志着一个新时代的到来。双核和多核处理器款产品的问世标志着一个新时代的到来。双核和多核处理器设计用于在一枚处理器中集成两个或多个完整执行内核，以设计用于在一枚处理器中集成两个或多个完整执行内核，以支持同时管理多项活动。超线程技术能够使一个执行内核发支持同时管理多项活动。超线程技术能够使一个执行内核发挥两枚逻辑处理器的作用，与该技术结合使用时，挥两枚逻辑处理器的作用，与该技术结合使用时，Intel奔腾奔腾处理器至尊版处理器至尊版840能够充分利用以前可能被闲置的资源，同能够充分利用以前可能被闲置的资源，同时处理四个软件

48、线程。时处理四个软件线程。 2005年年5月，带有两个处理内核的月，带有两个处理内核的Intel奔腾奔腾D处理器随处理器随Intel 945高速芯片组家族一同推出，带来了某些消费电子高速芯片组家族一同推出，带来了某些消费电子产品的新特性，例如：环绕立体声音频、高清晰度视频和增产品的新特性，例如：环绕立体声音频、高清晰度视频和增强图形功能等。强图形功能等。2006年年1月，月，Intel公司发布了公司发布了Pentium D 9xx系列处理器。系列处理器。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 2006年年7月，月，Intel公司面向家用和商用个人电脑与笔记本电脑，发公司面向家用和商用个人

49、电脑与笔记本电脑，发布了十款全新英特尔酷睿布了十款全新英特尔酷睿2双核处理器和英特尔酷睿至尊处理器。英特尔双核处理器和英特尔酷睿至尊处理器。英特尔酷睿酷睿2双核处理器包含双核处理器包含2.91亿个晶体管，其能效比最出色的亿个晶体管，其能效比最出色的Intel奔腾处奔腾处理器高出理器高出 40%。 目前，人们已将目光放在了目前，人们已将目光放在了“双核双核”、“多核多核”上，上，“双核双核”已成为已成为市场的主流，曾经风光无限的市场的主流，曾经风光无限的“奔腾奔腾”系列产品也将逐渐退出历史的舞系列产品也将逐渐退出历史的舞台。世界正在走入一个台。世界正在走入一个“双核双核”、“多核多核”的时代。的

50、时代。 2008年年11月，月，Intel公司发布三款基于公司发布三款基于Nehalem架构的架构的Core i7处理处理器：器：Core i7-965，Core i7-940，Core i7-920。这是迄今为止最先进、。这是迄今为止最先进、性能最强劲，同时也是结构最为复杂的处理器。三款性能最强劲，同时也是结构最为复杂的处理器。三款i7处理器均采用处理器均采用8MB三级高速缓存，支持目前最先进的、可提供最佳内存性能的三通道三级高速缓存，支持目前最先进的、可提供最佳内存性能的三通道DDR3-1066内存技术。内存技术。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.2.3 1.2.3 微型计算

51、机的分类微型计算机的分类1. 按微处理器的字长分类按微处理器的字长分类 按微处理器的字长可分为按微处理器的字长可分为8位、位、16位、位、32位和位和64位微位微型计算机。型计算机。2按用途分类按用途分类 通用微型计算机通用微型计算机 通用微型计算机是能够面向各种不同应用的微型计算机通用微型计算机是能够面向各种不同应用的微型计算机系统，具有强大的处理能力和较大的体积，拥有较多的外系统，具有强大的处理能力和较大的体积，拥有较多的外设和各种接口。主要包括个人计算机（设和各种接口。主要包括个人计算机（PC）和工作站）和工作站（workstation）。）。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述

52、 个人计算机个人计算机：是一种通用微型机，体积小，价格较廉，：是一种通用微型机，体积小，价格较廉，并主要为每次一人使用，用户界面并主要为每次一人使用，用户界面“友好友好”。又可分为：台。又可分为：台式、便携式、手持式。主流产品采用式、便携式、手持式。主流产品采用Intel公司的微处理器公司的微处理器或兼容的微处理器，使用或兼容的微处理器，使用Windows或或Linux操作系统。操作系统。 工作站工作站：工作站是指具有完整人机交互界面，集高性能：工作站是指具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，IO和网络功能完善

53、，使用多任务、多用户操作系统的小型通用和网络功能完善，使用多任务、多用户操作系统的小型通用个人化的计算机系统。目前工作站普遍采用个人化的计算机系统。目前工作站普遍采用RISC处理器芯处理器芯片，片，32位结构或位结构或64位结构，工作站采用的主要是位结构，工作站采用的主要是UNIX操操作系统。工作站在工程领域、商业领域及办公领域中获得广作系统。工作站在工程领域、商业领域及办公领域中获得广泛的应用。泛的应用。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 嵌入式计算机嵌入式计算机 另一类微型计算机被安装在特定的应用系统中，使用者甚另一类微型计算机被安装在特定的应用系统中，使用者甚至感觉不到其存在。

54、一般地，我们把带有微处理器的专用微至感觉不到其存在。一般地，我们把带有微处理器的专用微机系统称为嵌入式计算机（机系统称为嵌入式计算机（Embedded computer）或嵌入）或嵌入式系统。它是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件式系统。它是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有高集成度、低功耗要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有高集成度、低功耗的特点，其操作系统和功能软件一般都固化在芯片中。软耗的特点，其操作系统和功能软件一般都固化在芯片中。软

55、件硬件都以高效率为原则，以实现在最小的硅片面积上实现件硬件都以高效率为原则，以实现在最小的硅片面积上实现更高的性能，以保证其竞争力。更高的性能，以保证其竞争力。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 作为系统核心的微处理器有三类：微控制器作为系统核心的微处理器有三类：微控制器（MCU，Micro Control Unit）、数字信号处理器）、数字信号处理器（DSP, Digital Signal Processing）和嵌入式微）和嵌入式微处理器（处理器（EMPU, Embedded Microprocessor Unit）。嵌入式系统广泛应用于仪器仪表、工业控）。嵌入式系统广泛应用于仪

56、器仪表、工业控制、测控系统、通讯设备、医疗设备、生产控制设制、测控系统、通讯设备、医疗设备、生产控制设备、武器装备等，特别是移动电话、备、武器装备等，特别是移动电话、MP3播放器、播放器、PDA等新型个人消费类产品中的应用有着十分巨大等新型个人消费类产品中的应用有着十分巨大的市场。的市场。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 3按微型计算机的组成和规模分类按微型计算机的组成和规模分类 多板机多板机：微型计算机的各组成部分安装在多个印刷电：微型计算机的各组成部分安装在多个印刷电路板上的微型计算机。如台式路板上的微型计算机。如台式PC 机、便携式机、便携式PC 机等。机等。 单板机单板机：

57、微型计算机的各组成部分安装在一个印刷电：微型计算机的各组成部分安装在一个印刷电路板上的微型计算机。一般用于教学、实验等。路板上的微型计算机。一般用于教学、实验等。 单片机单片机：微型计算机的各组成部分集成在一个超大规：微型计算机的各组成部分集成在一个超大规模集成电路芯片上，则称之为单片微型计算机，简称单片机。模集成电路芯片上，则称之为单片微型计算机，简称单片机。因单片机广泛应用于嵌入式系统，又被称为微控器或嵌入式因单片机广泛应用于嵌入式系统，又被称为微控器或嵌入式计算机。计算机。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.2.4 1.2.4 微型计算机的结构微型计算机的结构 116位微型

58、计算机结构位微型计算机结构 16位微型计算机的结构采用的是总线结构，如图所示。微处理器、存位微型计算机的结构采用的是总线结构，如图所示。微处理器、存储器、输入和输出接口电路构成了计算机的主机；输入设备和输出设备储器、输入和输出接口电路构成了计算机的主机；输入设备和输出设备统称为计算机外部设备，简称外设。以微型计算机为主体，配上系统软统称为计算机外部设备，简称外设。以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就构成了微型计算机系统。件和外设之后，就构成了微型计算机系统。第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 总线是传输信号的一组导线，作为微机各部件之间信息传输的总线是传输信号的一组导线，作

59、为微机各部件之间信息传输的公共通道。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到使用这种总公共通道。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到使用这种总线标准的系统中。这样的结构使得系统中各功能部件之间的相互关线标准的系统中。这样的结构使得系统中各功能部件之间的相互关系变成了各个部件面向总线的单一关系，不仅简化了整个系统，而系变成了各个部件面向总线的单一关系，不仅简化了整个系统，而且使系统的进一步扩充变得非常方便。总线结构这种模块化（或称且使系统的进一步扩充变得非常方便。总线结构这种模块化（或称为积木化）特点使得微机系统部件的组成相当灵活，实现起来也相为积木化）特点使得微机系统部件的组成相当灵活，实现起

60、来也相当简捷。当简捷。 微处理器通过系统总线实现和其它组成部分的联系。总线把微微处理器通过系统总线实现和其它组成部分的联系。总线把微处理器、存储器和处理器、存储器和I/O接口电路（外部设备与微型计算机相连的协接口电路（外部设备与微型计算机相连的协调电路）有机地连接起来，所有的地址、数据和控制信号都经过总调电路）有机地连接起来，所有的地址、数据和控制信号都经过总线传输。线传输。16位位PC微机中系统总线则称微机中系统总线则称ISA（Industry Standard Architecture）总线。）总线。 第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述 微机的系统总线按功能分成三组，即数据总线（