微型计算机课件：第1章 微型计算机的硬件基础

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微型计算机的硬件基础

北京理工大学

第一章微型计算机系统概论©2014BIT

1.1微型计算机概述

1.1.1计算机的发展

1.1.2微型计算机系统的三个层次

1.1.3微型计算机的常用术语

1.2微型计算机的基本组成

1.2.1计算机的组成

1.2.2微型计算机的硬件组成与结构

1.2.3微型计算机的软件

1.3微型计算机的工作原理

1.3.1微型计算机的结构

1.3.2微型计算机的工作过程

地址

1吗1.5Intel最新个人计算机

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1.1微型计算机的概述

•1/1.1计算机的发展：

•电子管计算机(1938-1955)

世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾

夕法尼亚大学设计制造的ENIAC(ElectronicNumerical

IntegratorandComputer)

•晶体管计算机(1957-1964)

•中小规模集成电路计算机(1965-1970)

•超大规模集成电路计算机(1971■今)

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(1946,18000电子管，150千瓦，重

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年份大事

1938KonradZuse建成亍第二台二进制的机电式通用计算机91

1943AlanTuring等建成了一台真空管计算机

1945J.W.Mauchley教授等研制成ENIAC

1947由IBM公司和哈佛大学共同制成自动机电式哈佛MarkI计算机

1948曼彻斯特MarkI成为第一台存储程序的数字计算机

1952EDVAC研制成功

1952IBM制成第一台军用的存储程序电子计算机IBM701

1954UmvacllO3A成为第一台商业计算机，采用磁芯存储器

1956采用晶体管的Univac商用计算机开发成功

I960DEC公司11月研制成PDP-1,第一台具有显示器和键盘的商用计算机

1961IBM公司研制成7030,号称超级计算机

1962英国研制成Atlas计算机，首次采用虚拟存储器和流水操作

1964IBM宣布System/360

1964CDC660。研制成功，第一台商用超级计算机

1965DEC推出PDP-8,采用晶体管线路

1968SeymourCray设计成功CDC7600超级计算机，40MFLOPS

1971Intel推出第一个微处理器芯片4004

1972DEC推出PDP-11

1975第一台微型机Altair8800研制成功

1976Cray-1研制成功，第一台向量结构超级计算机

1977TonyWCommodore推出商品微型机

1980Apollo公司研制成第一台工程工作站

1981IBM推出PC机

1982Cr.X-MP推出，将两台Cray-1链接在一起

1982日本启动“第五代”计算机项目

1985Cray-2和ConnectionMachine研制成功，性能均达每秒十亿次运算

1989Cray-3研制成功，采用神化镇芯片

1991Cr守Y-MPC90研制成功，采用16个处理机

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微型计算机的发展速度

•微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的

•微处理器的集成度每隔两年就会翻一番，芯片的

性能也随之提高一倍

摩尔定律

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微型计算机的发展

1971年〜1977年是微处理器发展的早期阶段：

•字长为4位或8位，集成度约为3000〜10000晶体管/片,

微处理器的主频为0.1〜5MHz。

•1971年：Intel4004,是世界上第一片单片微处理器

•4位微处理器，寻址空间为4096个半字节，指令系统包括

45条指令

•1972年：Intel8008,是世界上第一片8位微处理器。

•8008采用了10叩1生产工艺，集成度为3500个晶体管，

工作频率为200KHZ。

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微型计算机的发展

•1974年：Intel8080

•采用了6|uim生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为

2MHZo

■1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上

第一台个人计算机Altair8800。值得一提的是，Altair

8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的

■1976年：Intel8085Intel公司生产的最后一种8位通用

微处理器，

•8085的工作频率提高到5MHz,指令系统的指令数上升

到246条。

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1974年INTEL8080

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X86系列微型计算机的发展

第一代：8086/8088（1978年-1981年）

•1978年--8086

•采用了3Hm工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz。

它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空

间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线

结构，并设置了6字节的指令预取队列

•引入了段的概念。

•1979年—8088

•除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位

数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部

支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处

理器。

•1981年8月，旧M公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微

型计算机旧M5150PersonalComputer,即著名的IMBPC。

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1978年一8086

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X86系列微型计算机的发展

•第二代:80286（1982年-1984年）

•采用1.5nm工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率

为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总

线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。

■1985年旧M公司推出以80286为CPU的微型计算机IBM

PC/AT,并制定了一个新的开放系统总线结构，这就

是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、

高性能的I/O扩展总线。

•80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的

主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片

组（chipsets）o

•引入保护模式。支持虚拟内存管理。

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X86系列微型计算机的发展

•第三代：80386（1985年"988年）

•第一个实用的32位微处理器，采用了1.5|LLm工艺，集成了

275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、

数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386

的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机

已经达到超级小型机的水平。

•80386的其他一些版本：80386SX,包含16位数据总线和24位地

址总线，寻址空间为16MB；80386SL/80386SLC,包含I6位

数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。由于这些微处理

器由于与I/O之间传输为16位，故也称为准32位微处理器。

•支持分页方式内存管理。

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1985年:80386

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X86系列微型计算机的发展

•第四代:80486(1989年-1992年)

•采用1pim工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为

25MHZo80486微处理器由三个部件组成：一个80386

体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处

理器(FPU)和一个8KB容量的高速缓冲存储器。

80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指

令在一个时钟周期内疣成，而不是原来的两个，这样

80486的处理速度一般比80386快2到3倍。

•Intel公司还生产过80486的其他一些版本：80486SX,

工作频率20MHz,不包含数学协处理器；80486DX2,

采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ,内存存取

速度为33MHz；80486DX4,采用三倍时钟，内部执行

_____速度达到100MH乙内存存取速度为33MHz。

^0

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X86系列微型计算机的发展

•第五代：Pentium（1993年-1997年）

•Pentium处理器的发展分成三代

•第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用

0.8pim工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为

60MHz/66MHZo

■第二代Pentium处理器（以P54c代称，1994年）采用

0.6pim工艺，工作频率为90MHz/100MHz。

■第三代PentiumMMX（以P55c代称1997年）增加了

57条多媒体指令

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1993年：IntelPentium

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X86系列微型计算机的发展

•增加了一条执行流水线，取得超标量（u,V）O

•8kbI-cache,8KBytesD-cacheo

•在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可

以说它是CISC和RISC技术相结合的产物

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X86系列微型计算机的发展

•第六代：P6(1996-1999)

•PentiumPro、PentiumII、PentiumIII

•采用0.6|iim工艺，集成度550万-750万晶体管,

时钟频率166MHz-1GHz,采用二级高速缓存，2级超

标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令。

•PentiumII增力DlntelMMX技术。

•PentiumIII采用StreamingSIMDExtensions(SSE)

到结构中.

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1997年：IntelPentiumII

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2000年：IntelPentium4

1999年:IntelPentiumIII

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X86系列微型计算机的发展

•第七代Pentium4处理器(2000-2005)

•Pentium4处理器基于NetBurst®构架，支持超线程，最高达到

3.4Go

•第八代Core™一一64位(2006-)

•Intel®dual-coreTechnology。

网

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•台式机芯片Corei7980X

三

一=

।£a

二!

,

匕

亥芯片都采用最新的32纳米制造工艺，最低的Corei7980价格为999美元。

荚特尔在芯片上增加了AES-NI（高级加密标准新指令）技术，

再过增强加密性能提高安全性。

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ITANIUM2（2.14亿晶体管,1GHz主频，0.18微

米线宽，328个寄存器，....）

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X86系列微型计算机的发展

IntelPerformanceProcessors

iCOMP,Index3.0

IntoTPentium*IIIProcessor733MHz2510

IntelPentiumIIIProcMSor700MHz

IntelPentiumIIIPTOCMSOT667MHz

InWPentiumIIIPr1r650MHz

Into!PentiumHIProceMOT600EMHz2110

pontlum*MHz

IntelPenUumIIIProceseor550MHz1780

IntelPenbumIIIProcMtorMHx

IntelPenttumIIIProcMsor450MHz

onmdbcrMfy•MUff*necM•JO•W«m«f

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微型计算机的发展方向

A从单处理器向多处理器发展

80486有一个定点处理器，一个浮点处理器；Pentium有二个

定点处理器，一个浮点处理器；PentiumPro有四个定点处理

器，二个浮点处理器；

PentiumII片内集成了二级Cache。

»指令系统由复杂指令系统向精简指令系统发展

复杂指令系统(CISC-ComplexInstructionSetComputer)

精简指令系统(RISC-ReducedInstructionSet)

Computerlntel80486以上均支持精简指令

A嵌入式处理器(单片机)应用前景广阔

该类处理器主要应用在工业系统或家用电器等专用场合。

INTELMSC-51,96单片机；ARM；PowerPC；DSP数字信号

处理器。

鼠叫其"

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A由单核处理器想多核处理器发展

A生产制造工艺发展，集成度越来越大

“Tick”代表新的制程,比如65nm、45nm,制程的

升级通常在奇数年，现在是32nm,下一代是22nm。

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1.1.2微型计算机系统的三个层次

•微处理器

•严格讲，微处理器WCPU

•CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算

术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成

•把CPU和一组称为寄存器(Registers)的特殊存储器

集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之

中，这个器件才被称为微处理器

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•微型计算机

•以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存

储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入/输出接口

电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。

•将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称

为单片微型计算机，简称单片机。

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・微型计算机系统

以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及

控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型

计算机系统。

微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机

•软件分为系统软件和应用软件两大类。

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1.1.3微型计算机的常用术语

•1.位和字节

•位(bit)是计算机所能表示的最小最基本的数据单

位，它指的是取值只能为。或1的一个二进制数值位。

位作为单位时记作b

•字节(byte)由8个二进制位组成，通常用作计算存

储容量碣单位。字节作为单位时记作B

•K是kelo的缩写，1K=1024=210；

•M是mega的缩写，1M=1024K=220；

•G是Giga的缩写，1G=1024M=23。；

是tera的缩写，1T=1024G=24。。

工切______________

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•字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的

位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位

数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、

16位和32位等等。

•8088称为准16位微处理器，而80386sx称为准32

位微处理器。

"rm半字节

30

字节

7430

1111111TTTI川I字

F870

1111111TTI11111111ITT双字

1F18171^870

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•主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主

频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。

•早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从

80486DX2开始，主频=外部总线频率x倍频系数

•外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz,

外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，

因而微型计算机的运行速度也越快。

•倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。

•通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称

主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。

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•MIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来

表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指

令

•由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS

通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统

计平均值。

•主频为25MHz的80486其性能大约是20MlpS,

•主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS

，rUTE

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•5.iCOMP(IntelComparativeMicroprocessor

Performance)微处理效率E匕载指数

•iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而

编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微

型计算机中的重要性来确定的，iCOMP指数包含的指标

有整数数学计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理

等，这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有

关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应

用的综合性能。

•例如一开始的386DX33的ICOMP为68,486DX4/100为

420,后来由于CPU处理器的速度飞速发展,ICOMP指数

又经历了InteICOMPlndex2.0发展到了ICOMPlndex3.0o

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•6.微处理器的生产工艺

•指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的

宽度，一般以nm、nm为单位，数值越小，生产工艺越

先进，微处理器的功耗和发热量越小。

•目前微处理器的生产工艺已经达到90nm-65nm,45nm,

32nm,22nm。

•7.微处理器的集成度

•指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。

•最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，目前Pentium

III的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了

3000多倍。

L^ltanium2的集成度已经达到近10亿个晶体管，即将发布

^^20亿的新的处理器。

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•什么是迅驰技术？

英特尔于2003年3月12日，面向笔记本电脑推出的无线移动计算技

术的品牌名称。迅驰(Centrino)是:Centre(中心)写Neutrino

(中微子)两个单词的缩写。它由三部分组成：移动式处理器

(CPU)、相关芯片组以及802.11无线网络功能模块。迅驰品牌,

是英特尔首次将一系列技术用一个名字来命名。

英特尔“迅驰”移动计算技术是新一代笔记本电脑使用的创新技

术。用这个技术装备的笔记本电脑，将使用户脱离缆线的约束，

真正做到在移动中进行工作、学习、休闲、上网。而且在增加电

池寿命的同时，笔记本也将变得又轻又薄。这种创新的技术不仅

为笔记本系统带来崭新的性能和低功耗，并把无线通信和安全功

能集成在本机芯片中。

•专用的PENTIUM-M处理器，加专用的芯片组,加专用的独立无线网

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9什么是酷睿？

・“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓

然出众的性能和能效，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。

•酷睿2：英文Core2Duo,是英特尔推出的新一代基于Core微架

构的产品体系统称之一。于2006年7月27日发布。酷睿2,是一

个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。

其中，服务器版的开发代号为Woodcrest,桌面版的开发代号为

Conroe,移动版的开发代号为Merom。特性：

全新的Core架构

全部采用65nm制造工艺

全线产品为单核心，双核心，四核心，目前为止L2缓存容量存在

2MB和4MB两个版本，上市时曾出现过2MB缓存容量

性能提升40%

能耗降低40%,主流产品的平均能耗为65瓦特

总线提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，

Mhz(Merom)

迎端之

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•2007年8月28日，北京——英特尔公司今天推出了面

向企业和IT部门的最新一代英特尔®博锐丁乂处理器技术,

从而进一步增强了台式机的安全性。

•采用全新强大的英特尔®酷睿TM2双核处理器、英特尔®

Q35Express高速芯片组以及多项技术创新，能够为台

式机带来一系列的安全特性和管理能力，并且能够远程关

机并随时根据需要唤醒台式机，从而减少电源消耗。

•英特尔博锐处理器技术（前期开发代号为Weybridge）

中还添加了众多的安全特性，旨在防护基于软件的攻击，

同时过滤并防御病毒及其它威胁。

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11Tick-Tock”硅与微架构发展战略

•Tick-Tock”可以分为“Tick”与“Tock”，其中“Tick”

代表新的制程，比如65nm、45nm,制程的升级通常

在奇数年，比如2007年；而“Tock”代表微架构的升

级,比如从酷睿2至!jNehalem,通常在偶数年,如

2008年。因此，“Tick-Tock”的一个周期大约为两年。

这也是Intel为挑战未来十年甚至更远的处理器市场发

展制定的战略计划。

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IntelTick-Tock

Innovabondrivenbymanufacturingprocess

andmicroprocessoradvancesPERFORMANCE

NEl^CAPABILITIES

ENERGYEFFICIENCY

FORMFACTORADVANCES

65nmInterCore^45nmIntermicro-32nmIntelmicro-22nm

micro。architecturearchitecture

architecturecodenamecodename

NehalemSandyBridge

n-zWhereweregoingandwherewevebeen

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1.2计算机及微型计算机的组成

1.2.1计算机

用户观察到的计算

机硬件系统

Pro-700L

OI>

II9图L0计算机的组成-1

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•主机：包含了除输入/输出设备以外的所有部件，是

一个能独立工作的系统，所以有时也将主机称为微型

计算机。

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计算机的硬件系统

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IIII

n

u

n

nHl

n三

n三

n一

T

nH

i

nr

n

nn

ny

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ABDBCB

Itw图1.1微型计算机的组成・2

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专

总线插槽

业主机箱

主板（CPU、芯片组、

用

BIOS、RAM等）

户

显示卡

观

察

键盘接口

到

的并行接口

计

算SSnDOOL

口=还、

机光驱

硬串行接口

件

调制解调器

系

软驱键盘接口

统

图1.3计算机的组成・3

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系统级

计算机设计者观

察到的计算机硬

寄存器级

件系统

门级

晶体管级

物理级

图1.4计算机的组成・4

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微型计算机的硬件组成

（1）微处理器（Microprocessor）

主要由算术逻辑部件（ALU）、累加器、通用寄存器组、控制

逻辑部件、内部总线等组成。主要用途是产生时序控制信号、指

令译码、执行算术运算和逻辑运算等。

A算术逻辑部件（ALU）：

完成算术运算（+、一、X、!）等操作；

完成逻辑运算（与、或、非、异）等操作；

A通用寄存器组：

数据寄存器：AX、BX、CX、DX

指针及变址寄存器：SP、BP、SI、DI、IP

标志寄存器：FLAG

■段寄存器：CS、DS、SS、ES

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空制器：

工捕旨是执行指令、控制程序和数据的输入及结果

输出、异常情况和某些请求的处理；

绢成・

一程序计数器PC；

指令寄存器IR；

指令译码器；

时序部件；

微操作控制信号形成部件；

中断机构；

A内部总线：

用来传送CPU内部的数据及控制信号。

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(2).存储器(Memory)

•内部存储器，简称内存或主存，指CPU可以通过地址直

接读写的那些存储单元，存放当前要执行的程序和要处理

的数据。又分为：

•RAM随机存取存储器：SRAM、DRAM；

•ROM只读存储器：PROM、EPROM、EEPROM；

•外部存储器，简称外存：硬盘、软盘、磁带、光盘。其中硬盘

接口的作用是将硬盘中的数据传输到主机内存或其他应用系统中。

典型的硬盘接口有：

•IDE(IntegratedDriveElectronics)标准接口；

•SCSI(SmallComputerSystemInterface)标准接口；

•ESDI标准接口；

•IPI标准接口；

CACHERAM

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内存外存

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（3）输入/输出单元

实现微处理器与外界之间的信息交换。主要实现与

外设之间的速度匹配、信号电平匹配、信号格式匹配、时

序控制、中断控制等。

是用来输入数据（通常是原始数据）和程序的装置，其功能

是将外界的信息转换成机内的表示形式并传送到计算机内部。常见

的输入设备有键盘、鼠标、图形数字化仪、图像扫描仪、数字照相

机和数字摄像机，等等。

是用来输出数据（通常是处理结果）和程序的装置，其功能

是将计算机内的数据和程序转换成人们所需要的形式并传送到计算

机外部。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图机，等等。

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•常用的输入输出接口芯片主要有：

•缓冲器：74LS244、74LS245

•锁存器：74LS373

•可编程中断控制器8259A；

•可编程计数器/定时器8253

•可编程外围接口芯片8255A；

•串行通信和可编程接口芯片8250A

•模数（A/D）和数模（D/A）转换器

____•DMA控缶U器

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(4)系统总线(systembus)

在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通

路叫总线。总线标准有以下四个特性：

/物理特性：指总线物理连接的方式。

/功能特性：描写这一组总线中每一根线的功能。

包括：地址总线、数据总线和控制总线。

/电器特性：定义每一根线上信号的传递方向及有

效电平范围。

/时间的定义每一根总线上的信号在什么时候

有效。

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按照传送的信息类型和功能可将总线分为:

(AddressBUS)

地址总线是专门用来传送地址信息的总线，一般

为单向传送，即由MPU发出。

/数据总线DB(DataBUS)

数据总线用于传送数据，具有双向传送功能。

/控制总线CB(controlBUS)

控制总线用于传送各种控制信号。

★总线上的信号必须与总线相连的各个元件产生的

信号相一致。

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•从传输方向上看，数据总线是双向的，即数据可以从

CPU传送到其他部件，也可从其他部件传送到CPU。

•地址总线是单向的，即地址只能由CPU传送到存储器或

I/O端口，用以给出CPU将要访问的部件的地址。

■控制总线中的信号线有的是单向的，也有的是双向的。

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•(5)时钟电路

•是微型计算机的心脏，它可使微处理器和总线控

制器之间实现同步。微处理器通常需要1〜4个相位

时钟。

・微处理器的工作时钟一般有两种产生方法：

•・由专用时钟电路加发振晶体产生工作时钟，然

后送到微处理器时钟引脚。

•发振晶体直接加到微处理器时钟引脚，由微处

理器内部时钟电路处理后生成工作时钟。

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1.2.3微型计算机的软件

计算机软件通常可以分成系统软件和应用软件。

系统软件-指系统应该配置的那一部分软件，用于对

计算机的管理和使用。例如操作系统、编译程序、汇编

程序、调试程序、诊断程序、标准程序库等，还包括各

种各样的高级语言的编译器、汇编程序、文本编辑等。

编程可分为三级，它们是：

/机器语言

/汇编语言

/高级语言

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•汇编语言具有以下优点：

需要较少的存储器和较少的执行时间；

具有解决高技术问题的能力，而这些问题对于高级语言来说是

困难的，甚至是无法解决；

可以帮助人们更好地理解计算机的结构和工作原理。

・应用软件■■是为了某种特定的用途而被开发的软件。

它可以是一个特定的程序，比如一个图像浏览器。

也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程

序的集合，比如微软的Office软件。

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微型计算机的软硬件组成

CPU

r主机Memory一RAM,ROM

iI/O口

（硬件

「I/O设备一输入设备，输出设备

I外设

数据通道一软盘，硬盘，光盘

〔外部电路一ADC,DAC

MCS<

「系统软件-如操作系统Windows,Linux等

软件<应用软件一Office,MSN,Protel

编程语言及数据库一Oracle,Sybase,SQL

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1.3计算机的工作原理

1.3.1微型计算机的结构

（1）冯・诺依曼计算机由

五部分组成，如图

1.5所示。

•数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存

储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形

•控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工

作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控

制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动

作流程

I<3

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输入设备存储器输出设备

命

程序和数命输出结果

状

指

状

令

地

据输入令

态

令

态

址

和

和

和

和

应

应

请

请

答

答

求

求控制器

图1.5冯・诺依曼计算机的组成

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•冯・诺依曼的设计思想被誉为计算机发展史上的里

程碑，标志着计算机时代的真正开始。

虽然计算机技术发展很快，但“存储程序原理”

至今仍然是计算机内在的基本工作原理。自计算

机诞生的那一天起，这一原理就决定了人们使用

计算机的主要方式——编写程序和运行程序。

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•存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计

算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指

令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程

序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，然

后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存

储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行,

直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的

串行驱动实现程序控制。

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(2)哈佛结构与改进的哈佛结构:

»利用相互独立的存储器模块分别存储指令和数据，

以便实现并行处理；

»具有独立的程序总线和数据总线，可以同时取指令

和操作数，提高了处理速度。

A改进的哈佛结构增加了可以混合存放数据和指令的

存储模块。

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1.3.2微型计算机的工作过程

・微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组

成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地

从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。

•由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所

以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的

过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。

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微型计算机的工作过程

计算1+2=?

汇编语言程序对应的机器指令对应的操作

MOVAL,110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中

00000001

ADDAL,200000100计算两个数的和，结果存放到AL中

00000010

MOV[0008],AL10100010将AL中的数传送到地址单元0008

00001001

00000000

HLT11110100停机

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微型计算机的工作过程

控制信号

程序*呼《PC）寄存器1

内总线

地址叫卜（MAR）

O0

10110000

O1

O200000001

O300000100

O400000010

------------读控制

O510100010

------------耳控制

O600001001

内存储器

O700000000

11110100

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1.4地址

»所有的存储单元和I/O寄存器总是以字节为单位，每个字节都有

与之相联系的辨识地址。

»地址是由多位数组合而成，所有可能的组合，形成了一个地址空

间。

A地址线的多少决定了地址空间的大小，假设地址为n位宽，那么将

有2n个地址(即0〜2rM),

假设有20根地址线，则占有的存储容为22J1MB；

»对于字或字节的位可用号码来标识：

例如：b计0是指最低有效位(LSB,LeastsignificantBit)

bit7是最高有效位(MSB,MostsignificantBit)

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•为了准确地对存储器进行读或写，通常以字节（或以

字）为单位将存储器划分为一个个存储单元，并依次

对每一个存储单元赋予一个序号（从零开始的无符号

整数），该序号称为。

•存储单元中存放的数据或指令称为。

地址是识别存储器中不同存储单元的惟一标识，如图

L6所不。

，rUTE

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图1.6存储器及其地址

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•存储单元的地址和内容都是二进制数码，但它们是完全不

同的两个概念，如同高级语言中的变量名和变量的值是不

同的两个概念一碎。

•地址的位数由控制器地址线的位数确定