微型计算机原理与汇编语言程序设计课件202jm-第章绪论

第1章绪论微处理器、微型计算机和微型计算机系统按系统结构和基本工作原理，计算机由五大部分组成：运算器、控制器、

器、输入设备、输出设备。按体积、性能和价格，计算机分为五类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型计算机（单板机、单片机）。微型计算机特点：集成度高、体积小、重量轻、耗电省、可靠性高、结构灵活、价格低廉、

方便、应用面广。图1.1

微型计算机的基本结构3种不同功能的总线：数据总线DB

(Data

Bus)地址总线AB

(Address

Bus)控制总线CB

(Control

Bus)主 器MI/O接口I/O设备地址线AB数据线DB控制线CB微处理器CPU1.1.2

微型计算机主要性能指标字长字长：计算机一次能处理二进制数的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围也越大，运算精度也越高，功能越强，主存容量可以越大。字长一般是字节的倍数。主频主频：计算机CPU的时钟频率。主频的高低在很大程度上决定了计算机运算的速度。主频的单位是MHz（兆赫）：8086：4.77～10MHz80386：20MHz～50MHzPentium：66MHz～750MHzCore（酷睿）i7：3.33GHz微型计算机主要性能指标的信息量，一般用二进主存容量主存容量：微型计算机主存所能

制位（b）数或字节（B）数表示。主存容量越大，能

的信息就越多。4．速度速度由存取时间和存取周期来表示。存取时间（

器时间）：是指启动一次器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。存取周期：指

器进行连续两次独立的器操作(如连续两次读操作)所需的最小间隔时间，通常存取周期大于存取时间。

速度的快慢对计算机的工作速度影响很大。5．运算速度运算速度：普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，用MIPS作为计量单位，即每秒执行百万条指令。1.2

微型计算机的应用1.

科学计算：科学研究和工程技术中的数值计算，如数理化问题求解、工程设计、2.信息处理：对大量的信息进行、气象预报、军事等方面。、传输、统计、分析、合并、分类等，如企业管理、物资管理、报表统计、帐目计算、信息

检索等。

3.检测及控制系统与装置：对工业生产过程中的某些信号自动进行检测和处理，如计算机检测系统、智能化仪器仪表。4.

通信：体现在通信设备、计算机网络等方面，如交换机、智能

、5.数字多等设备，物联网应用。技术：对文本、图形、图像、声音、

等多种

信息进行处理，如，可视

、

会议、电子及玩具与

系统等。6.计算机辅助系统：如，计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统、计算机辅助教学系统、计算机辅助决策系统等。1.3

CISC与RISC结构的微处理器CISC

：复杂指令系统计算机(Complex

Instruction

Set

Computer)RISC：精减指令系统计算机(Reduced

Instruction

Set

Computer)RISC与CISC

主要区别：指令系统内存电路结构RISC简单，指令短、等长专有指令、简单简单，设计周期较短，面积小，功耗低CISC复杂，指令长、不等长很多指令、复杂复杂，设计周期长，技术更新难，功能强典型的RISC与CISC微处理器：CISC体系结构：In

x86、AMD、

TI（德州仪器）、Cyrix、VIA（威盛）等。RISC体系结构：IBM的PowerPC和Power2，Sun的SPARC，HP的PA-RISC

7000和MIPS的R系列，ARM微处理器。1.4

微处理器及微型计算机发展简况计算机诞生背景：第二次计算机诞生时间：第一台计算机的名字：ENIACElectronic

Numerical

Integrator

And

Computer

电子数字积分计算机研制单位：

宾夕法尼亚大学莫尔电工学院，

军械部委托ENIAC描述：18000多个电子管，7200个二极管，

1500个继电器，10000只电容和7000个电阻，重量30吨，占地面积170平方米，耗电150千瓦，

50万个焊点，安装在一排2.75米高的金属柜里，运算速度每秒5万次，电子管平均每隔7分钟烧坏一只，当时价值48万

。勃雷纳德总负责勃雷纳德军方代表 冯·

诺依曼研制顾问ENIAC1.4.1

微处理器的发展微处理器是用一片或少数几片大规模集成电路组成的

处理器。微处理器从最初发展至今已经有40多年的历史，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位机、8位机、16位机、32位机、64位机。In

、AMD、VIA1.

四位微处理器4004，In 4040。1970年代初。典型产品：In字长：4位特点：指令系统比较简单，运算功能较差，价格低廉应用：面向家电、计算器和二次仪表2.

八位微处理器八位微处理器1974年-1977年。低档8位微处理器：In

80088位微处理器：In

8080，Motorola的MC6800，R6502（Apple

II，1977）高档8位微处理器：In

8085，Zilog的Z80，MC6809字长：8位特点：指令系统比较完善，运算速度提高一个数量级，寻址能力有所增强，有中断和DMA，汇编、BASIC、FORTRAN应用：面向家电、智能仪表、工业控制Apple

II（6502）Sol-20（8080）Commodore

PET2001（6502）TRS-80（Z80）EpsonHX-20笔记本（日立6301

）3.十六位微处理器1978年-1980年。In 8086、Z8000、MC68000

—16位8086数据总线16位、地址总线20位In 8088

—准16位外部数据总线8位， 数据总线16位IBM

PC、IBM

PC/XTIn 80286、MC68010

—高档16位结构，数据总线16位，地址总线24位IBM

PC/AT实地址模式、虚地址保护模式虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址空间特点：指令系统丰富，采用多级中断，多种寻址方式，段式配有功能强大的系统应用：工业控制3.

十六位微处理器IBM

PCIBM

PC/AT4.

三十二位微处理器三十二位微处理器1980年代初开始，之后十余年迅速发展。典型产品：Z80000，MC68020，80386，80486，PentiumIn

80386：AB32位，DB32位，实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式In

80486：80386+8KBCache，部分采用RISC技术，突发总线技量结构，分支

技术，

常用指令硬术，使用时钟倍频技术Pentium：AB32位，DB64位，件化，使用微程序设计Pentium

MMX：增加57条MMX指令，采用SIMD技术Pentium

Pro：AB36位，DB64位，实现动态执行技术（乱序执行）Pentium

II：Pentium

Pro+MMX，双独立总线结构Pentium

III：增加70条SSE指令，首次内置序列号Pentium

4：超级管道技术，增加144条SSE2指令AMD：K5-Pentium；K6-Pentium

MMX；K7（AMD崛起）-Athlon速龙（Duron钻龙是速龙的简化版）-Pentium

III，Athlon

X2-Pentium

D，Sempron

闪龙（代替钻龙）-Celeron。5.

位处理器5.位处理器2001年开始。Itanium（安腾，2001年）：采用EPIC技术、RISC技术和CISC技术，具有数据预装功能，采用三级高速缓存Itanium

2（2002年）：第二代64位产品，大幅提升50%-100%的效能。AMD

Opteron（皓龙，2003年）：兼容32位x86处理器，AB40位，48位虚拟地址，用于服务器、工作站。Core（酷睿，2006年）：双

设计，Virtualization

Technology（VT虚拟化技术）EM64T（Extended

Memory

64

Technology，即扩展64位内存技术）SSSE3

（SupplementalStreaming

SIMD

Extensions

3，SIMD

流技术扩展3或数据流单指令多数据扩展指令集3）AMD：K8-Opteron皓龙-Xeon，Turion锐龙-Pentium

M，K10-phenom羿龙-Core

2IBM：POWER系列，Performance

Optimization

With

Enhanced

RISC，增强RISC性能优化1.4.2

微处理器的发展趋势1）高性能化，计算能力、

能力不断提升。2）形式多样化，便携式（笔记本电脑和PDA），其他各种各样形状、人机交互方式的微型计算机系统。3）多

化，多

信息处理能力更强。4）网络化，连入公共互联网络。5）多核结构，提高整体指令执行速度，使用多核处理器后，多个独立任务可以由不同的处理单元执行，较单核而言，减少任务之间切换。6）

应用更加广泛深入。7）智能化，智能化也是微型计算机发展的一个重要方向，微型计算机将具有更高的智能水平。In CPU的发展1958年，德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比在一块半导体硅晶片上将电阻、电容等分立元件集成在里面，制成世界上第一片集成电路。2000年，基尔比获

物理奖。1959年，

仙童公司的诺宜斯用一种平面工艺制成半导体集成电路，从此开启集成电路时代。之后，摩尔、诺宜斯、葛离开原来的仙童公司，创建了In

公司。离开仙童公司的，还有一个人叫杰瑞-桑德斯，他创建了AMD公司（1969年）。一开始，AMD设计能力较弱，直到1997年推出K6处理器，形成了

IN

与AMD双雄争霸的局面。摩尔Gordon

Moore

诺宜斯Robert

Noyce

葛Andy

Grove第一块集成电路板In

公司的诞生1965年，摩尔在一次中公开提出了一个推断：容量每12个月增长一倍。这就是著名的摩尔定律的“原型”。1975年修改：容量每两年可容纳的晶体管数目，约每隔18个月翻一番（摩尔定律）。（集成电便会增加一倍）1968年，摩尔、诺宜斯、葛创立In

公司（风险资本家阿瑟.罗克投资200万

），位于 加利福尼亚州，主要业务是计算机

器。In

是由“集成/电子(Integrated

Electronics)”两个英文单词组合而成。1969年，公司首批产品：双极型64比特

64bit

SRAM

3101

。随着

公司加入竞争，内存的生意越来越艰难，公司作出决定：放弃内存，全力投入微处理器业务。首款微处理器40041969年，英特尔为公司研发“

141-PF”计算器，计划设计12块，但英特尔的工程师霍夫等人提出了另一套设计方案：把中央处理器的全部功能集成在一块上，再加上器。从而产生了世界上第一片微处理器4004。1971年，微处理器4004，45条指令，108KHz，晶体管2300个，10微米。•为4004，第一个“4”代表此

是客户订购的产品

，后一个“4”是英特尔公司制作的第四个订制

。每个售价为200

。向英特尔支付了6万

，获得了微处理器所

。在认识代表此起初，到“大脑”的无限潜力之后，英特尔用6万

又换回微处理器设计的所

。“141-PF”计算器4004微处理器霍夫Ted

Hoff微处理器80081972年，8008微处理器，200KHz，晶体管3500个，10微米，8位数据，运算能力比4004强2倍，首次获得处理器的指令技术。1974年，在一个无线电《Radio-Electronics》杂志上介绍了使用8008的机器，叫Mark-8，这是已知最早的家用电脑，由8008和50个8008原本为德克萨斯州的Datapoint公司设计，但该公司无力支组成。用，于是双方达成协议，英特尔拥有8008知识

，而且还获得了由Datapoint公司开发的指令集。这套指令集奠定了X86系列微处理器指令集的基础。微处理器80801974年，8080微处理器，划时代意义，功能是8008的10倍，40脚，2MHz，晶体管6000个，6微米。竞争激烈：RCA（Fairchild仙童、无线电公司）、Honeywell（霍尼韦尔）、国家半导体公司、AMD超微、摩托罗拉、Zilog。1974年，4004、8008设计人之一Faggin（法金，2010年，由Obama总统颁发国家技术和发明奖章）创建Zilog公司，设计的Z80比8080更强大。1974年，罗伯茨提出了PC（

alComputer）概念，并为其发明的电脑命名为Altair（阿泰尔，“牛郎星”的意思），采用8080，比尔·盖茨和保罗•艾伦参与

设计。Altair8800的生命非常短暂，却从此点燃了PC创新之火，并激发了乔布斯、盖茨等无数

者。1975年，比尔·盖茨和保罗•艾伦（二人在1975年创建微软公司）发布了用于Altair的BASIC编译程序，从而开始了微软

的

之旅。《大众罗伯茨保罗•艾伦比尔·盖茨微处理器80851975年，8085微处理器，5MHz，晶体管6500个，3微米，8bit数据总线，兼容8080

，第一次使用5V电源单一供电（8080需要+5V、-5V、+12V三种电源）。同一时期还有MC6800

（1974）,Microchip

PIC16X（(1975），MOSTechnology6502（1975），Z80

（1976），MC6809

（1978）等8位微处理器。在8位微处理器市场竞争中Z80最为成功。微处理器8086/8088-进入x861978年，8086微处理器，4.77MHz，晶体管2.9万个，3.2微米，16bit数据。同时生产出与之配合的数学协处理器8087。的开始，x86架构也奠定了PC的基础。总线，3608086标志着x861979年，8088微处理器，8088是8086的简化版。1981年，IBM推出首批个人电脑，选用了8088。IBM

PC大获成功，成就了英特尔，也造就微软。比尔.盖茨搭车销售了DOS操作系统（由QDOS按需改进），攫取第一桶金。IBM

PC

(model

5150)使用8088的笔记本808880868087微处理器80186/802861980年：80186微处理器，8086的扩展产品。1982-1990年：80286微处理器，6-25MHz，晶体管14.3万个，1.5微米，指令集架构：x86-16，封装：PLCC68-pin，基于286处理器的个人计算机达到1500万台。80286的推出也是实模式与保护模式的分水岭。IBM将80286用在IBM

AT机中，与IBMPC机、PCXT机相比，AT机的外部总线为16位，内存可扩展到16MB，支持更大的硬盘，支持VGA显示系统。但此时，IBM

发生，很多人

快速转到286销售，因为286会对IBM小型机和PCXT销售有影响，于是兼容IBMPC的康柏公司钻了空子，快速推出286PC机，一举打败IBM成为PC市场的新霸主。801868018880286IBM

AT微处理器80386-进入32位时代1985年，80386微处理器，12.5-33MHz，晶体管27.5万个，1.5微米，32

bit数据总线，4G内存，IA-32架构，首次采用高速缓存（外置）。第一款具有“多任务”功能的处理器，对微软的操作系统发展有着重要的影响。有80386DX、80386SX之分。可配合使用80387增强浮点运算能力。80386将PC从16位机时代带入到32位机时代。80386的强大运算能力也使

PC机的应用领域得到巨大扩展，商业办公、科学计算、工程设计、多媒体处理等应用得到迅速发展。微处理器80486-首尝RISC性能•，80486微处理器，25-100MHz，晶体管125万个，0.8微米，In最后一款以数字为

的处理器。有80486DX、80486SX之分。80486首次

包含数值协处理器，整数处理部件首次使用RISC技术，还采用了突发总线方式，大大提高处理器与内存的

速度。由于这些改进，80486的性能比带有80387数值协处理器的80386快了4倍。486的相容

制造商有IBM、德州仪器、AMD、联华电子等。Pentium（奔腾）-第一款与数字无关的处理器1993-1999年，Pentium（奔腾）微处理器（5代），60-380MHz，晶体管310万个，0.8-0.25微米，指令集架构：x86，微架构：p5，工作电压降至3.3V，首次采用

量技术。1997年，Pentium

MMX微处理器，增加57条多术，流水线：5级→6级，Cache：8KB→16KB，指令，采用SIMD技工作电压降到2.8V。英特尔之后的桌上型

处理器皆包含了MMX指令。Pentium商标：Pentium

Pro、Pentium

II、Pentium

III、Pentium4、Pentium

M、Pentium

D、Pentium

Extreme

Edition、Pentium

Dual-CorePentium：“桌上型”，Celeron：“经济型”（通常是低效能、低价格），Xeon：服务器、工作站。Pentium

II-开始多技术应用1995年，Pentium

Pro处理器（6代），150-200MHz，0.5-0.35微米，指令集架构：x86，微架构：p6，p6架构是In

后期数款CPU架构的基础，专为32位服务器、工作站设计，但其16bit指令执行能力低于Pentium，造成Windows3.X和Windows9X与DOS系统下性能低下，被市场所诟病。1997-1999年，PentiumII处理器，

233-450MHz，晶体管450-750万个，0.35-0.25微米，指令集架构：x86，微架构：p6，动态执行技术，用于高效处理

、音频和图形数据，凸现多

处理能力。1998年，Pentium

II

Xeon（至强）处理器，取代Pentium

Pro，面向中高端企业级服务器、工作站市场。1999年，Celeron（赛扬）处理器，与PentiumII内核一样，最大区别在于：二级缓存设定为Pentium

II的一半（128KB）。Pentium

III1999-2003年，Pentium

III处理器，450MHz-1.4GHz，前端总线速度100-133MHz，晶体管950万个，0.25-0.13微米，指令集架构：x86，微架构：

p6，相当于Pentium

II的加强版，新增70条新指令(SIMD，SSE)，主要用于因特网流式音频、扩展（提升网络演示多

流、图像的性能）、3D、流和语音识别功能的提升。Pentium

III的改进就是后来的Pentium

M。1999年，Pentium

III

Xeon处理器，Pentium

II

Xeon的后继者，继承了PentiumIII新增的指令，面对企业级的市场，加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。Pentium

4-进入奔4时代2000-2007年，Pentium

4处理器（7代），1.3-3.8GHz

，前端总线速度400-1066MHz，晶体管4200万个，0.18-0.065微米，指令集架构：x86

(i386)、x86-64、SSE、SSE2、SSE3、VT-x(虚拟化技术)，微架构：NetBurst，

31级流水线，16KB一级缓存，1MB二级缓存。

In

止步于4GHz。可以创建专业品质的影片，通过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，目前仍然强大的个人电脑处理器产品。Pentium4引入了NetBurst新结构，带来的好处：较快的系统总线、高级传输缓存、高级动态执行、超长管道处理技术、快速执行引擎、高级浮点以及多指令集(SSE2)等等。HT技术下的P4处理器2002-2004年：超线程P4处理器，超线程（HT）技术可将电脑性能提升达25%。超线程（HT）技术：Hyper-Threading

Technology，通过在一颗处理器上整合两个逻辑处理器（注：是处理器而不是运算单元）单元，使得具有这种技术的新型CPU具有能同时执行多个线程的能力。HT原理：把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的“实体”处理器变成两个“逻辑”处理器，对操作系统来说，就是两个处理器，因此操作系统会把工作线程分派给这“两颗”处理器去执行，实现同时在同一颗处理器上并行执行。两个逻辑处理器共享这颗CPU的所有执行资源。采用超线程（HT）技术的P4处理器：P4处理器至尊版3.20GHz、P4处理器3.4GHz，面向高端

和人工智能。Pentium

M-面向移动处理器市场2003-2007年，Pentium

M处理器，900MHz-2.26GHz

，前端总线速度400-533MT/s，晶体管7700-14000万个，0.13-0.09微米，指令集架构：x86，微架构：P6，1-2MB

L2

Cache。M代表“移动”（Mobile）。供簿型笔记本电脑使用，Pentium

M并非从Pentium

4发展而来，架构更接近Pentium

III的短流水线设计。英特尔Centrino（迅驰）移动计算技术=Pentium

M+802.11无线WiFi技术+相关的 组。Centrino

是Center（

）和Neutrino（微中子）的结合，代表一种微小、快速、功能强大的装置。Pentium

M特点：省电，低功耗，延长电池

，主频比P4低，1.6GHz的Pentium

M总体运算性能与P4-M

2.4GHz相当。TCL

K40(Pentium-M

740/512M/60G)笔记本In Pentium

M

1600Pentium

D-开创双核处理器时代2005-2007年，Pentium

D处理器，首款双内核处理器，把两颗Pentium

4放在同一块

上，2.66-3.73GHz，前端总线速度533-1066MT/s，0.09-0.065微米，指令集架构：MMX,

SSE,

SSE2,

SSE3,

x86-64，微架构：NetBurst，支持超线程（HT）技术

。双内核处理器：基于独立缓存的松散型双同的处理器内核封装在同一块基板上。每个处理器耦合方案，两个相采用独立式缓存设计，两核之间互相隔绝，通过处理器外部(北桥)的仲裁器负责两个

之间的任务分配、数据同步等协调工作。面向数字化家庭

和数字化办公。Pentium

D

820Pentium

D

840Pentium

D

XeonIn Core-

In双核新一代微架构2006年-，In

Core（酷睿），用来取代Pentium

M架构

，1.06-2.33GHz，前端总线速度533-667MT/s，晶体管1.5亿个，

0.065微米，指令集架构：x86，微架构：P6。全球第一个低耗电的双核处理器。设计的出发点：提供出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。与PentiumD不同，

Core微架构通过

的传输总线共享同一个二级缓存，2个内核共同拥有4MB或2MB的共享式二级缓存。Core

T2500Core

Yonah

65nmConroe微架构In Core

2-真正采用Core微架构2006-2009年，

In

Core

2Duo

（酷睿2）（8代），第8代X86架构微处理器，基于Core微架构的产品体系统称，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。

1.06-3.33GHz，前端总线速度533-1600MT/s，晶体管2.9亿个，

0.065-0.045微米，指令集架构：x86、MMX、SSE、SSE2、SSE3、

SSSE3、x86-64，SSE4.1（限于45纳米），微架构：In

Core。能效比最出色的Pentium处理器高出

40%。Core2分为Solo（单核，只限手提电脑）、Duo（双核）、Quad（四核）及Extreme（极致版）型号。Core

2

Duo

E4300E6300Conroe的Core

2

Duo处理器Core

i7-取代Core

22008年，Corei7（酷睿i7）处理器，64位元四CPU，2.53-3.46GHz，前端总线速度2.5-6.4GT/s，0.045-0.032微米，指令集架构：x86、MMX、

SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSSE3S、EM64T、SSE4.1、SSE4.2、VT-X、AES、AVX

，微架构：In

Nehalem，

数量：4-6。Core

i7目标：提升高性能计算和虚拟化性能，取代Core

2。Nehalem微架构特点：支持超线程技术，拥有六

（12线程），内存控制器内建于CPU中，支持三通道DDR3SDRAM，放弃了传统的FSB，使用新的‘QuickPathInterconnect’

（快速通道互联QPI），QPI总线传输速度是FSB的5倍，采用三级内含式Cache，L1和Core微架构一样，L2每个内核256KB，L3片上所有内核共享，容量为4-20MB。in core

i7

920in core

i7

2600k联想ThinkPad

W701ds（Core

i7-720QM）Core

i5-Core

i7的低级版本2009年，Core

i5（酷睿i5）处理器，2.30-3.60GHz，前端总线速度2.5-5.0GT/s，0.045-0.032微米，晶体管3.8-11.6亿个，指令集架构：x86、MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、x86-64、SSE4、SSE4.2，微架构：In

Nehalem，

数量：2-4。与Core

i7支持三通道内存不同，Core

i5只集成双通道内存控制器，另外，整合一些北桥的功能，集成PCI-Express控制器，不支持超线程技术，共享8MB的L3缓存。in core

i5

750联想ThinkPad

T420s

4180AF1（In Core

i5-2410M

）in c