第1章-包含计算机发展史

西安邮电学院计算机系系统结构教研室2007.3微机原理教材及参考书《微型计算机原理》王忠民王钰王晓婕编著《微型计算机原理》学习与实验指导王钰王劲松刑高峰编著序言学习这门课的目的？学习内容这门课的要求第1章微型计算机系统导论主要内容:计算机的发展概述微型计算机系统的组成微型计算机硬件系统I/O接口与输入输出设备微型计算机的工作过程计算机发展简史机械计算机时代的拓荒者电子管时代晶体管时代集成电路时代

大规模、超大规模集成电路未来的计算机机械计算机1623年：德国科学家契克卡德（W.Schickard）制造了人类有史以来第一台机械计算机，这台机器能够进行六位数的加减乘除运算。1642年：法国科学家帕斯卡（B.Pascal）发明了著名的帕斯卡机械计算机，首次确立了计算机器的概念。

机械计算机1674年：莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。

1725年：法国纺织机械师布乔（B.Bouchon）发明了“穿孔纸带”的构想。机械计算机1834年：巴贝奇提出了分析机的概念，机器共分为三个部分：堆栈，运算器，控制器。他的助手，英国著名诗人拜伦的独生女阿达•奥古斯塔（AdaAugusta）为分析机编制了人类历史上第一批计算机程序。

1852年：阿达•奥古斯塔（AdaAugusta）去世，年仅36岁。1871年：为计算机事业贡献了毕生精力的巴贝奇（C.Babbage)去世。他与阿达所设想的分析机最终也未能问世，但是他们却为后人留下了一份宝贵的遗产，那就是面对困难不屈不挠的精神，以及那数十种设计方案和程序。机械计算机1854年：布尔发表《逻辑的数学分析》，创立了一门全新的学科－布尔代数，为百年后出现的数字计算机的开关电路设计提供了重要的数学方法和理论基础。1868年：美国新闻工作者克里斯托夫•肖尔斯（C.Sholes）发明了沿用至今的QWERTY键盘。

机械计算机1886年：美国人DorrE.Felt(1862-1930),制造了第一台用按键操作的计算器。

1890年：美国在第12次人口普查中使用了由统计学家霍列瑞斯（H.Hollerith）博士发明的制表机，从而完成了人类历史上第一次大规模数据处理。此后霍列瑞斯根据自己的发明成立了自己的制表机公司，并最终演变成为IBM公司。机械计算机1895年：英国青年工程师弗莱明（J.Fleming）通过“爱迪生效应”发明了人类第一只电子管。

电子管时代1936年：阿兰•图灵发表论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》，首次阐明了现代电脑原理。有限状态控制器q1，q2，q3，q4，q5……DATABD……读写磁头磁带图灵机程序：用状态，符号来确定的工作过程。<q，b，a，m，q‘>控制器当前状态当前磁带原有符号改变后的符号控制器下一状态磁头移动的方向电子管时代1940年：冯•诺依曼提出沿用至今的冯氏体系结构，被称为计算机之父。该结构的基本思想为：以二进制形式表示指令和数据。指令和数据事先存放在存储器中，计算机在工作的时候高速的从存储器中取出指令，并加以执行。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。电子管时代1943年：绰号为“巨人”的用来破译德军密码的计算机在英国布雷契莱庄园制造成功，此后又制造多台，为第二次世界大战的胜利立下了汗马功劳。电子管时代1946年：2月14日，美国宾西法尼亚大学摩尔学院教授莫契利和埃克特共同研制成功了ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)计算机。

这台计算机总共安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多电阻器，10000多只电容器和6000只继电器，电路的焊接点多达50万个,机器被安装在一排2.75米高的金属柜里，占地面积为170平方米左右，总重量达到30吨，其运算速度达到每秒钟5000次加法，可以在3/1000秒时间内做完两个10位数乘法。

电子管时代

1947年：贝尔实验室的肖克利，布拉顿，巴丁创造出了世界上第一只半导体放大器件，他们将这种器件命名为“晶体管”。

1949年：当时尚在美国哈佛大学计算机实验室的上海籍华人留学生王安向美国国家专利局申请了磁芯的专利。

1950年：东京帝国大学的YoshiroNakamats发明了软磁盘。

电子管时代1950年：阿兰•图灵发表论文《机器能思考吗》，从而为人工智能奠定了基础，图灵也获得了“人工智能之父”的美誉。1952年：由冯•诺伊曼设计的计算机EDVAC问世。这台计算机总共采用了2300个电子管，运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC提高了10倍。晶体管时代贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。

集成电路时代

1959年：2月6日，来自曾开发出第一台晶体管收音机的TI公司的基尔比向美国专利局申报专利“半导体集成电路”。集成电路时代1965年：DEC公司推出了PDP-8型计算机，标志着小型机时代的到来。集成电路时代1968年：美国加利福尼亚大学的恩格巴特博士发明了世界上第一只鼠标。1969年：贝尔实验室的kenThompson，DennisRitchie在一部PDP－7上开发了Unix操作系统。

微处理器计算机1971年：INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能够实际工作的微处理器4004，该处理器在面积约12平方毫米的芯片上集成了2250个晶体管，运算能力足以超过ENIAC。1972年：曾经开发了Unix操作系统的DennisRitchie领导开发出C语言。

微处理器计算机1974年：Intel推出了自己的第一款8位微处理芯片8080。电脑爱好者爱德华•罗伯茨（E.Roberts）发布了自己制作的装配有8080处理器的计算机“牛郎星”，这也是世界上第一台装配有微处理器的计算机，从此掀开了个人电脑的序幕。1975年：比尔•盖茨在成功为牛郎星配上了BASIC语言之后从哈佛大学退学，与好友保罗.艾伦一同创办了微软公司，并为公司制定了奋斗目标：“每一个家庭每一张桌上都有一部微型电脑运行着微软的程序！”微处理器计算机西蒙•克雷博士独自创立“克雷研究公司”，专注于巨型机领域。1975年克雷完成了自己的第一个超级计算机“克雷一号”（CARY-1），实现了每秒一亿次的运算速度。该机占地不到7平方米，重量不超过5吨，共安装了约35万块集成电路，同时这也标志着巨型机跨进了第三代电脑的行列。

集成电路计算机1976年：4月1日，斯蒂夫.沃兹尼亚克和斯蒂夫.乔布斯共同创立了苹果公司，并推出了自己的第一款计算机：Apple－Ⅰ。

PC时代

1981年：由后来被IBM内部尊称为PC机之父的唐•埃斯特奇领导的开发团队完成了IBM个人电脑的研发，IBM宣布了IBMPC的诞生，由此掀开了改变世界历史的一页。同年同日：微软推出来MS-DOS1.0版PC时代

1982年：一名年仅15岁的少年通过计算机网络闯入了“北美空中防务指挥系统”，这是首次发现的从外部侵袭的网络事件。这个年轻人就是后来被判入狱的世界头号黑客，被美国联邦法院宣判终生不得接触计算机产品的凯文.米特尼克。他的另一件“事迹”就是在1994年的时候向圣迭戈超级计算机中心发动进攻，将整个互联网置于危险的境地。

1982年：Intel发布80286处理器。时钟频率提高到20MHz，并增加了保护模式，可访问16M内存。支持1GB以上的虚拟内存。每秒执行270万条指令，集成了134000个晶体管。PC时代

1983年：1月，苹果公司推出了研制费用高达5000万美元的丽萨（Lisa）电脑，这也是世界上第一台商品化的图形用户界面的个人计算机，同时这款电脑也第一次配备了鼠标。1985年：intel公司推出了计算机历史上有着举足轻重地位的80386处理器，这也是intel公司的第一枚32位处理器。1985年：在经历了多次延期之后，微软公司终于正式推出了Windows1.0操作系统。

PC时代1988年：11月2日，由23岁研究生罗伯特•莫里斯（R.T.Morris）编制的“蠕虫”病毒在互联网上大规模发作，这也是互联网第一次遭受病毒的侵袭，从此，计算机病毒逐渐传播开来。1989年：4月10日，英特尔公司在拉斯维加斯电脑大展上首度发表集成有120万晶体管的486处理器。

PC时代1990年：纽约地方法院正式开庭，判处“蠕虫”病毒制造者莫里斯：88年有期徒刑，3年缓刑，罚款1万美元和400小时公益劳动。微软宣布推出Windows3.0操作系统，并在年底创下销售100万套的纪录。当时的Windows3.0操作系统提供了对多媒体，网络等众多最先进技术的支持，从而被成为软件技术的一场革命。

PC时代1991年：杰•维尔伯，约翰•卡麦克、约翰•罗米洛、亚德利安•卡麦克以及汤姆•豪尔共同创办了idSoft公司。约翰•卡麦克是公司的首席技术领袖，负责游戏引擎的设计；约翰•卡麦克是首席关卡设计师以及游戏设计；亚德利安•卡麦克是首席美术设计；汤姆•豪尔是公司的主要游戏设计师。

PC时代1991年：来自芬兰的大学生Linus.Torvalds开发出了一种基于UNIX的操作系统－Linux，并且将源代码全部公开于互联网上，从而引发了席卷全世界的开放源代码运动。Linux本身在经过全世界无数程序员的改进后也逐渐成长为一个成熟的操作系统，并在全世界逐渐的流行开来。

PC时代1993年：我国接入Internet的第一根专线，中科院高能物理研究所租用ATT公司的国际卫星接入美国斯坦福线性加速器中心的64K专线正式开通。Intel公司正式发布奔腾（pentium）处理器。初期发布的奔腾集成了300多万个晶体管，工作在60-66MHz，每秒钟可执行1亿条指令。

PC时代1993年：idSoft公司的FPS游戏作品《DOOM》正式提供下载。这款游戏也被称为计算机历史上最为优秀的作品，因为它第一次让玩家体验到了流畅的三维空间。PC时代——windows操作系统1995年：微软公司正式向全世界推出了划时代的Windows95操作系统。1998年：微软推出了Windows98操作系统。2000年：微软正式发布Windows2000。2001年：微软正式发布WindowsXP。2001年：微软正式发布WindowsVista。

PC时代——CPU1995年

intel公司正式宣布推出PentiumPro处理器，其最高速度达到了200MHz。1998年Intel推出了440BX芯片组。AMD公司推出了K6-2处理器，并使用低价策略处处紧逼intel公司。intel推出了装有二级高速缓存的赛扬A处理器，这就是日后被众多DIYer捧上神坛的赛扬300A。1999年2月26日，Intel公司推出了PentiumⅢ处理器。AMD公司推出了采用全新架构，名为Athlon的处理器，并且在CPU频率上第一次超越了Intel公司。2000年AMD公司正式推出了主频达到1GHz的“Athlon”处理器，从而掀开了GHz处理器大战。Intel公司推出了自己的1GHzPentium3处理器。AMD公司发布了“毒龙”（Duron）处理器，开始在低端市场向Intel发起冲击。Intel正式推出了Pentium4处理器。该处理器采用全新的Netburst架构，总线频率达到了400MHz，并且另外增加了144条全新指令，用于提高视频，音频等多媒体及3D图形处理能力。未来的计算机。。。1.1引言

1.什么是计算机？

计算机是一种设备（机器）由各种电子器件组成的设备（故也称为电子计算机）能够自动、高速、精确地进行算术运算、逻辑控制和信息处理的设备现代化的高科技设备

2.计算机的应用范围概括起来说，计算机主要用于科学计算、信息（数据）处理和过程控制等领域。科学计算特点：①

采用高级语言编程；②

时间不会影响结果的有效性；③

不需要专门的输入输出设备。信息处理和过程控制特点：①

采用高级语言和汇编语言编程，并要求有较高的程序设计能力；②

对系统的实时性要求很高；③

需要专门的输入和输出设备。1.2计算机的发展概述

1.计算机的发展

计算机的发展依赖于电子技术，特别是微电子技术的发展。

(1)计算机从诞生至今已经历了四代，现在正在开发第五代：

①

电子管计算机

②

晶体管计算机

③

集成电路计算机

④

大规模、超大规模集成电路计算机2.计算机的发展趋势朝两个方向：①

巨型机:每秒上亿次(容量大，速度快)②

微型机:台式机、笔记本机、单板机、单片机、掌上机等（易普及，应用广）

3.微型计算机是由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路组成的计算机。其核心是微处理器，也称CPU。它的发展几乎每两年翻一番。目前已经到了第五代：

①

4位或低档8位微处理器

Intel4004或8008CPU

②

中高档8位微处理器

Intel8080CPU

③16位高档微处理器

Intel8086、80286

④32位高档微处理器

Intel80386、80486

⑤64位高档微处理器

Intel80586(Pentium)、PowerPC1.3微型计算机系统的组成微型计算机系统主要由硬件和软件组成，如图1.1所示。运算器（ALU）控制器（CU）寄存器阵列（RA）RAM、ROM、EPROME2PROM、Cache等输入设备（键盘、鼠标等）输出设备（显示器、打印机等）外存储器（软驱、硬盘、光盘等）系统软件用户软件(应用软件)主机外围设备硬件软件微型计算机系统输入/输出(I/O)接口电路内存储器微处理器（CPU）图1.1微型计算机系统的组成

1.硬件硬件是计算机工作的载体，是由各种电子器件组成的设备。主要包括微处理器、存储器和输入／输出设备及其接口电路。如图1.2所示。图1.2微型计算机硬件系统的组成运算器控制器存储器外存储器I/O设备输入输出接口电路I/O命令CPU芯片主机取指令/存取操作数命令取指令/存取操作数结果输出读入指令/数据I/O子系统……

2.软件

所谓软件，就是为了管理、维护计算机以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序的总和。软件可分为系统软件和用户软件。

用户软件：也称应用软件。是指用户为解决各种实际问题而编写的程序。

系统软件：是指不需要用户干预，为其它程序的开发、调试以及运行等建立一个良好环境的程序。系统软件又包括操作系统OS(OperatingSystem)和系统应用程序。

操作系统：用于提供人机接口和管理、调度计算机的所有硬件和软件资源。其中最为重要的核心部分是常驻监控程序(BIOS)。另外还包括I/O驱动程序和文件管理程序等。

系统应用程序：为用户程序提供支持的系统程序。系统应用程序很多，如：

①

各种高级语言的编译解释程序；②

汇编程序；③

诊断和和调试程序；④

文字处理程序；⑤

服务性工具程序；⑥

数据库管理程序等。1.4微型计算机硬件系统

1.微型计算机系统组成

到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯·诺依曼首先提出的体系结构。其基本设计思想为：

①

以二进制形式表示指令和数据。(电子数字计算机)

②

程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够自动地、高速地从存储器中取出指令并加以执行。

③

由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。

简单地讲，就是：①

系统组成——五大部件

②

工作方式——程序控制

③

信息形式——二进制数

微型计算机体系结构的特点之一是采用了总线结构，通过总线将微处理器、存储器、I/O接口电路连接起来，而输入/输出设备则是通过I/O接口实现微机的信息交换，如图1.3所示。输出设备输入设备定时电路(CPU)RAMROMI/O接口地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)图1.3微型计算机硬件系统结构微处理器

所谓总线，是计算机中各功能部件间传递信息的公共通道。根据所传送的信息类型不同，总线分为三种：

①

地址总线AD（AddressBus）： 单向，由CPU发出到存储器或I/O端口。

②

数据总线DB（DataBus）：双向，由CPU送出或送往CPU。

③

控制总线CB（ControlBus）：整体双向，个体单向，传送方向固定。CU

2.微处理器

微处理器由运算器(ALU)、控制器(CU)、和寄存器阵列(RA)三部分组成，如图1.4所示。图1.4微处理器结构PCRAARDRIRIDPLA标志寄存器A…至外部CB微处理器（CPU）内部数据总线DB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H地址单元内容外部AB外部DBALUIR

(1)运算器 运算器又称算术逻辑单元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，用来进行算术或逻辑运算以及多位循环等操作。

(2)控制器 控制器又称控制单元(CU，ControlUnit)，是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。它应包括：①指令寄存器IR(InstructionRegister)：用来存放从存储器取出的将要执行的指令码。②指令译码器ID(InstructionDecoder)：用来对指令寄存器IR中的指令操作码字段(指令中用来说明指令功能的字段)进行译码，以确定该指令应执行什么操作。③可编程逻辑阵列PLA(ProgrammableLogicArray)：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线CB送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。

(3)内部寄存器阵列

寄存器阵列RA(RegisterArray)实际上相当于微处理器内部的RAM。微处理器内部的寄存器有以下作用：○可避免频繁访问存储器○缩短指令长度和指令执行时间○提高机器的运行速度○方便程序设计

虽然不同计算机的CPU中其RA会有所不同，但一般至少要有以下几个寄存器。①程序计数器PC(ProgramCounter)：程序计数器有时也被称为指令指针IP(InstructionPointer)。它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址。②地址寄存器AR(AddressRegister)：地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。③数据缓冲寄存器DR(DataRegister)：数据缓冲寄存器用来暂时存放指令或数据。④指令寄存器IR(InstructionRegister)：指令寄存器用来保存从存储器取出的将要执行的指令码，以便指令译码器对其操作码字段进行译码，产生执行该指令所需的微操作命令。

⑤累加器A(Accumulator)：累加器是使用最频繁的一种寄存器。在执行算术逻辑运算时，它用来存放一个操作数，而运算结果通常又放回累加器，其中原有信息随即被破坏。因此，顾名思义，累加器是用来暂时存放ALU运算结果的。⑥标志寄存器FLAGS(FlagRegister)：标志寄存器有时也称为程序状态字PSW(ProgramStatusWord)。它用来存放执行算术运算指令、逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态信息以及对CPU操作进行控制的控制信息。

3.存储器

这里讲的存储器是指内存储器(由称为主存或内存)。它是微型计算机的存储装置和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。

(1)基本概念

①

位：二进制信息的最小单位。

②

字节：由8位二进制数组成,可以存放在一个存储单元中。字节是字的基本组成单位。

③

字：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。

④

字长：每个字包括的位数称为计算机的字长。

⑤

存储单元地址：每个存储单元的编号称为存储单元地址。

⑥

存储容量：内存中存储单元的总数。

(2)内存的操作

CPU对内存的操作有两种：读或写。

①

读操作：是CPU将内存单元的内容读入CPU内部。（非破坏性操作）

②

写操作：是CPU将其内部信息送到内存单元保存起来。（破坏性操作）

操作过程：

①CPU给出地址信息（地址信息→AR→AB→译码→选中存储单元）

②

CPU发“读”或“写”控制信号

③

取出或存入数据来自CPU的写信号来自CPU的读信号00H取出：内存单元数据→DB→DR→CPU内部；存入：CPU内部→DR→DB→内存单元数据。

10101101B00011010B10111010B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B10111010B地址内容地址译码器00H10101101B00011010B00000000B00100010B01H90HFFH…………ABDB10010000B00000000B地址内容地址译码器存储器读操作存储器写操作

(3)存储器的分类

按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器和只读存储器。

①

随机读写存储器RAM（RandomAccessMemory）

作用：存放用户程序,数据,部分系统程序。

特点：可随机读写,但断电后,内容丢失。

②

只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）

作用：存放永久性的程序和数据,系统引导程序,监控程序及操作系统中的I/O管理程序等。

特点：只能读不能写,但断电后内容不丢。

4.I/O接口与输入输出设备

I/O接口是微机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。不同的外设必须通过不同的I/O接口才能与微机相连。

(1)常用的外设有：

①

输入设备：键盘,鼠标,扫描仪,光驱等。

②

输出设备：显示器,打印机,绘图仪等。

(2)外设的种类有：机械式、电子式、机电式、光电式等。（速度问题）

(3)外设的信号有：数字量、模拟量、开关量等。（信号问题）

(4)计算机是电子设备，采用的是数字信号。

因此，要解决计算机和外设之间的速度和信号之间的问题，就需要在它们之间有一种设备来实现速度匹配和信号