第1章 计算机基础知识第1讲

微型计算机技术皖西学院信息工程学院徐明鹃E_mail:xmj8217@课程地位

本课程是计算机专业基础教育的核心课程之一，本课程的任务主要是使学生获得计算机硬件技术方面的基础知识、基本思想和基本方法技能，使得学生从理论和实践上掌握微型计算机的基本组成、工作原理、硬件接口电路的工作原理和汇编语言的编程方法，培养学生利用硬件与软件相结合的方法分析解决本专业领域问题的思维方式和初步能力，为学习后续课程和以后跟踪计算机技术的新发展，进一步学习和应用相关方面的新知识、新技术打下必要基础。

硬件方面：微型机与小型机、中型机、大型机以至于巨型机在原理结构上没有本质上的区别，通过微机原理课程的学习，可以了解计算机组成的硬件原理和技术，为更深层次的研究和应用打下基础。计算机的应用，现在不仅仅在科学计算和信息处理方面。计算机在测控领域、机电一体化、智能化仪表方面的应用正在迅猛发展，微处理器在上述领域的应用已远远超过在普通计算机上的应用量。计算机应用于智能控制，是对传统电子技术的一场革命。无论是从研究的角度出发，还是从应用的角度出发上述领域都有着广阔的空间。这些领域都离不开计算机硬件技术。微型计算机技术课程在计算机类学生专业结构中的地位可以从硬件和软件两个方面说明：

软件方面：汇编语言是从底层（物理层或硬件层）控制计算机的语言。要从内核层次上掌握软件技术必须懂得汇编语言，因为汇编语言是面向机器的语言，汇编语言能够从物理层对计算机进行控制，不懂汇编语言算不上真正的软件技术人员。高级语言是傻瓜语言，低级语言才是专家语言。微型计算机技术中涉及的有关中断的概念、堆栈的概念、存储结构的概念等对软件技术都至关重要，学好该课程对于学好软件类的课程（比如：操作系统、数据结构、编译原理等）是非常重要的，在这些课程的学习中能提升你的领悟能力。学好微型计算机技术可以在软件和硬件方面都得到有效的训练，因此，是计算机专业学生的一门重要的专业基础课。教学内容第一章微型计算机概论第二章微处理器的结构概述第三章微处理器的指令系统第四章汇编语言程序设计第五章存储器及其接口第六章输入输出与中断技术第七章可编程接口芯片及通用I/O接口课时：64学时（理论48/上机16）

参考教材:《计算机硬件基础教程—原理、技术及应用》

史嘉权戴梅萼清华大学出版社《微型计算机原理及应用》

郑学坚周斌清华大学出版《计算机硬件技术基础》

谭浩强电子工业出版社《微型计算机原理与汇编语言程序设计》

杨立中国水利水电出版社学习方法“硬”功夫，正确认识本课程的难度，提高学习兴趣；（兴趣是最好的老师）注重理解性记忆，加强实验能力的培养；做好本课程的预习和复习任务，做好课堂笔记，认真完成课后作业；相互交流，共同进步，及时反馈。第一讲主要内容：1.1计算机发展概述1.2微型计算机系统的基本构成1.3微型计算机的基本工作原理第一章微型计算机概论1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。1.1计算机的发展概述电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机大规模集成电路计算机人工智能计算机计算机的发展1958年第二代晶体管计算机推出，用晶体管代替了电子管，大大降低了计算机的成本和体积，运算速度成百倍提高。1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士发明了晶体管。计算机的发展1965年中小规模集成电路为主体的计算机问世，使计算机的体积进一步缩小，配上各类操作系统，计算机性能极大提高。1958年9月12日，美国工程师杰克·基尔比成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。计算机的发展1970年大规模集成电路（LSI）研制成功，计算机发展到第四代，微型计算机是第四代计算机的典型代表。1971年在美国硅谷第一块通用微处理器Intel4004诞生，从而开创了微型计算机的新时代。计算机的发展计算机发展的四个方向：巨、微、网、智微处理器的发展1971.11，Intel公司第一枚微处理器芯片4004，4位机，它总共集成了2200个晶体管。1972年4月，Intel公司宣布另一种型号的微处理器8008研制成功，

8位机。1975年1月，Motorola公司宣布推出它的8位微处理器6800。1979年，Intel公司推出了Intel8086/8088微处理器，16位。1983年，Intel公司推出了Intel80286微处理器，16位。1985年，Intel公司推出了Intel80386微处理器，32位。1989年，Intel公司推出了Intel80486微处理器。1993年3月，Intel公司推出了名为Pentium（经典奔腾）的微处理器。1995年11月Intel公司又推出了PentiumPro（高能奔腾）。微处理器的发展1997年1月，Intel公司又推出了PentiumMMX（多能奔腾）。1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ（奔腾二代）。1999年2月，Intel公司推出了PentiumⅢ（奔腾三代）。

2000年11月，Intel公司推出了Pentium4（奔腾四代）。2001年5月，Intel公司推出了64位微处理器Itanium。多核时代：多核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核）2005年04月，Intel公司推出了PentiumExtremeEdition840双核处理器，之后，AMD立刻发布了Athlon64X2。2006年11月，Intel推出四核处理器Kentsfield。2008年09月，Intel公司推出了Xeon（至强）7400六核处理器，代号“Gulftown”的首款六核心处理器将于三月中旬上市。2009年2月，Intel首次公布Nehalem-EX8核心至强处理器。微处理器的发展Intel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentiumIIIntelPentiumIIIIntelPentiumIV四核：Intel酷睿i7920(盒)双核：Intel酷睿2E8400(盒)八核：Intel处理器Nehalem-EX

微型计算机的主要性能指标：

位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。指令数：构成微型计算机的操作命令数。基本指令执行时间：计算机执行指令所花的时间。可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。

191.位(bit)

指计算机能表示的最基本最小的单位在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位就是一个二进制数，有两种状态，“0”和“1”2.字节(Byte)相邻的8位二进制数称为一个字节1Byte=8bit如：110000110101011120字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。

10101100011001011001100001000011

被加数

+

11000011110000110001010101011000

加数进位

1

11111111111

01110000001010001010110110011011

和

4位8次8位4次16位2次32位1次

字长是指机器在某时刻可以同时处理二进制数的位数。通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。

21例某CPU内含8位运算器，则：参加运算的数及结果均以

8位

表示,最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中

10110101

被加数8位

+10001111

加数8位进位1

111111

01000100

和8位PSW标志寄存器运算器标志寄存器运算器被加数加数和进位223．字和字长

字是CPU内部进行数据处理的基本单位。位1或01位字节110000118位字110000110011110016位双字1100001100111100110000110011110032位高字节低字节

高字

低字把一个字定为16位，1Word=2Byte

一个双字定为32位

1DWord=2Word=4Byte234.位编号为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。从低位开始，从右到左依次为0、1、2．．．←编号7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字节数据Data地址Address24D0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的编号为15~0双字的编号依此类推，为31~01.2微型计算机系统的基本构成运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成：

硬件主机外设微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。

硬件系统的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。

软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。

计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作。微型计算机系统的构成——主机箱电源光驱硬盘内存CPU主板扩展卡存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连；(输入/输出接口简称I/O接口)各部件通过总线连接。构成部件一、体系结构?（1）微处理器微处理器（微处理机）：由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称CPU（CenterProcessUnit）。其内部通常包括算术逻辑部件，累加器和通用寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑部件，内部总线等等。计算机的核心部件，用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组ABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器运算器CPU(2)内存

是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111内存结构示意图各种存储设备(3)外设和输入/输出接口（I/O接口）

外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU键盘→键盘接口显示器→显示卡鼠标→串行接口网络→网卡

打印机→并行接口音箱、麦可风→声卡各种接口卡(4)

总线

总线是连接多个功能部件的一组公共信号线，微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输。总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU

按信息的作用不同，总线分为三类：

地址总线、数据总线、控制总线通常称微型计算机采用三总线结构。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU数据总线DB(DataBus)：数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线。数据总线是双向总线，即数据既可以从CPU送到其它部件，也可以从