微机原理与接口技术课件

微机原理

与接口技术

(80386〜Pentium)

艾德才等编著

2005年1月版权所有©天津大学电子信息工程学院课件制作组

■本书遵照教育部的要求，教材

内容紧跟时代，把微机领域内

的最新技术反映到我们的本科

生课堂上来，时时处处注意到

教材内容的知识性、先进性和

系统性的特点。

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知识I性.

•本3涵盖了目前世界上微机领域内最先进的

技术知识：

■包括分支转移预测技术

•超标量执行技术

•微机的流水线操作技术

•高速缓冲存储器技术

•分段存储管理技术

•分页存储管理技术

•浮点数据处理技术

•高速总线传输技术等。

•它们构成了各种高性能软件的载体。

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•先进性：

・计算机技术飞速发展，新技术层出

不穷。

•本教材的教学内容描述的是世界上

最新的微型计算机理念、技术和知

识，展示给学生的是目前微机领域

里的顶尖技术及其实现过程，以启

迪学生的想象力、创造力。

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・系统性：

・计算机本身就是一个由硬件和软件组成的

庞大的复杂系统。其中包括有丰富的知识

和先进的技术。目前绝大多数流行的系统

软件和各种应用软件是以Pentium为平台

开发出来的，了解计算机软件的载体——

硬件及其组成、工作原理、以及软件是怎

样依附于硬件的，从而达到对计算机系统

（软件、硬件）基本知识的融会贯通。

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第嗦

计算机基础知识

•1.1计算机基础

•1.1.1计算机的发展

•世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic

NumericalIntegratorandComputer,电子数值积分与计

算机）是由美阖宾夕法尼亚大事于1946年研制成功并投入

使用的。ENIAC是一个庞然大物

•从第一台电子计算机问世至今，仅仅半个世纪，其发展速

度是世界上任何其他学科无法比拟的。计算机已经使人类

社会从制造业社会发展到了信息化社会，改变了社会的面

貌，促使人们的工作和生活方式发生了惊人的变化，成为

科技发展的最有影响的商品，并且它还将继续预示着未来

世界的变化，使数千年人类文明史中曾经有过的各种神话

般的幻想逐渐变为现实。

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•1.1.1.2计算机的发展阶段

•从第一台计算机'可世以来，计算机的生产技术发展异常迅

速，在推动计算机硬件发展的各种因素中，电子逻辑器件

的发展是起决定作用的因素。因此，计算机的发展阶段常

以计算机使用的器件来划分。

•第一代电子计算机：

电子管计算机时代。从1946年开始，用电子管作为计算机的

基本器件。其主要特点是：体积大、耗电多、价格高、速

度慢。

・第二代电子计算机：

晶体管计算机时代。晶体管于1947年在贝尔实验室发明，

它的小体根、低耗电以及载流子的高速运行的特点，使电

了管重尘莫及。

・第三代电子计算机：中、小规模集成电路计算机时代。

・第四代电子计算机：大规模和超大规模集成电路计算机时

代。

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•1.1.1.3微处理器的发展历程

•1.全球第一块微处理器4004

•4004主要用来处理算术运算，它集成了2300多个

晶体管，具有4位带宽，工作频率为108kHz,寻

址空间只有640B。

•2.新一代8位微处理器8080

在1974年，推出了新一代8位微处理器—8080。

8080集成了6000个晶体管，其时钟频率为2MHz。

8080是一个划时代的产品，它的诞生，使得Intel

有了自己真正意义上的微处理器.

3.第一代微处理机——16位的8086CPU

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•4.第二代微处理机——16位的80286CPU

•80286芯片于1982年2月1日正式发布，总线带宽为16位，

集成了13万多个晶体管，因此性能也有了很大的提高，主

频达到了20MHz。

•5.第三代微处理机——32位的80386CPU

•1985年10月，Intel推出它的第三代微处理机——32位的

80386DXo80386DX是一块集成进了27.5万个晶体管的

全32位微处理机，其时钟频率达到33MHz,数据总线和

地址总线均为32位，具有4GB的物理寻址能力。

•6.第四代微处理机——32位的80486CPU

•80486微处理机于1989年4月正式发布。这是一款在一片

芯片内集成进了120万个晶体管的CPU,是Intel第一次将

微处理机的晶体管数目突破100万只。

•7.第五代微处理机——32位的Pentium

•Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理机Pentium。

Pentium芯片内部集成进310万个晶体管，单是最初版本

的66MHz的Pentium微处理机运算性能，就比33MHz的

80486DX高出3倍多，而100MHz的Pentium贝肚匕33MHz

的80486DX快6〜8倍。较之后辈的Pentium微处理机，这

种Pentium微处理机又叫经典奔腾(ClassicPentium)。

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•8.高能奔腾(PentiumPro)

•Intel于1996年推出了新x86系列CPU——PentiumPro。

PentiumPro芯片内部集成进550万个晶体管，内部时钟频率为

133MHZo

•9.多能奔腾(PentiumMMX)

•1996年底Intel又推出了Pentium系列的改进版本，也就是平常

所说的PentiumMMX(多能奔腾)。MMX技术是Intel最新发

明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译成

“多媒体扩展指令集"。MMX是Intel公司在1996年为增强

PentiumCPU在音像、

•10.二代奔腾PentiumII

•1997年5月，Intel推出了与PentiumPro同一个档次的

PentiumIIoPentumII有一系列的不同档次的产品，其中第一

代的产品就是PentiumIIKlamath芯片。作为PentiumII的第一

代芯片，它运行在66MHz总线上，主频分233MHz、266MHz、

300MHz和333MHz四种。由于它代表了Pentium系列机当时的

最高性能，所以将其称之为二代奔腾Pentium。

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•11.PentiumIII

•应该把PentiumIII称之为“多能奔腾二代处理机”（PentiumII

ProcessorwithMMX2Technology）。Intel于1999年2月发布了

PentiumIII芯片-Katmai,作为第一款专为提高用户的宣联网

计篡体验而设计的微处理机，使用户能够尽享丰富的音频、视频、

动画和栩栩如生的三维效果。针而不同需求，PentiumIII推出了

移动PentiumIII和PentiumIIIXeon（至强）处理机。

•12.Pentium4

•Pentium4是Intel新一代高性能32位微处理机，在体系结构上，

Pentium4完全不同于它咱前辈机PentiumII和PentiumIIL

PentiumII和PentiumIII采用的是与PentiumPro相同的P6结构

形式，而Pentium4采用的则是NetBurst的新式处理机结构。采

用NetBurst机构是为了加快以突发方式传送数据速度，如流媒体、

MP3播放程序和视频压缩程序等的传送速度。专家们指出：“该

设计意味着从传统整数运算性能（如标准的商业应用程序）向媒

体运算性能变迁的重大革新”。但是NetBurst仍然是由开发P6的

原班人马完成的。

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•1.1.14未来的计算机发展

•未来的计算机将向高性能、人性化、网络化三

个方向发展。

•1.高性能

•2.人性化

•3.网络化

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•1.1.3计算机的组成与性能评测

・任何一个计算机系统都是由密切相关的硬件和软件

组成，硬件是计算机的物质基础，软件是发挥和扩

大计算机功能的程序，两者相辅相成，缺一不可。

没有硬件，计算机便不存在，软件无法运行；没有

软件，只有硬件构成的“裸机”，用户无法使用。

•计算机硬件的组成

•计算机硬件主要包括：中央处理器（CPU）、主存

储器、辅助存储器、输入/输出（I/O）设备以及把它

们连接在一起的总线。图1.1是这几个组成部分的连

接示意图。CPU、主存储器合起来，称为主机。输

入/输出设备和辅助存储器，统称为外部设备，简称

外设。

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总线《

计算机硬件的组成

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•1.中央处理器（CPU）

•中央处理器简称为CPU,它是计算机的核心。

CPU由运算器、控制器和一些寄存器组成。运算

器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控

制器的功能是：控制、指挥运算器及其他部件的

工作，它是计算机的指挥中心。寄存器用来存放

正在处理的数据和运算结果。

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•2.主存储器和辅助存储器

•存储器是计算机中存放程序和数据的部件。计算机中的存

储器分为两类：主存储器（简称为主存或内存）和辅助存

储器（简称为辅存或外存）。

•主存储器可以和CPU直接交换信息，是计算机中的工作存

储器。程序和数据事先都必须存放在主存中，计算机工作

时，所执行的指令和数据都从主存中取出，处理结果一般

也都存放在主存中。主存的存取速度快而容量相对较小。

■辅助存储器的存储容量很大，但存取速度较慢。辅助存储

器中存放着计算机系统中几乎所有的信息。计算机运行时,

辅助存储器的信息需要首先进入主存后，才能被CPU使用。

目前微机系统中使用的辅助存储器，主要是磁表面存储器

（磁盘、磁带）和光盘存储器。

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•3.输入/输出设备

•输入/输出设备又称I/O设备，是计算机与外界（包

持人、另一台计算机或其他设备）联东和沟通的

桥梁，用户通过输入/输出设备与计算配系统进行

通信。

•输入设备是指用户能向计算机输入信息的设备。

其功能是将计算机程序、文本、图形、图像、声

音等各种数据，转换成计算机能处理的数据形式,

并输入到计算机中。目前常用的输入设备有：键

盘、鼠标器、触摸屏、数字化仪、扫描仪、图像

输入装置、声音输入装置等。

•输出设备是指能从计算机输出信息的设备。其功

能是将计算机的处理结果转换成人可直接识别的

文本、图形、图像以及声音形式。目前常用的输

出设备有：显示器、打印机、绘图仪、多媒体音

响设备等。

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•4.总线

•总线（Bus）是连接计算机中CPU、主存、

辅存、各种输入/输出接口部件的一组物理信

号线及其相关的控制电路，它是计算机中各

部件间传送信息的公共通路。故总线又称为

系统总线。系统总线上有三类信号：数据、

地址和控制信号。负责传输这些信号的线路

分别称为数据线、地址线和控制线。图1.1中

系统总线和辅存、I/O设备的连接是通过接口

实现的。这是因为它们的速度不能和主机相

匹配，而且表达信息的格式也不相同。

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•封售机的软仔狗或

•计算机的软件包括：计算机运行时所需的各种程

序，以及描述程序功能、性能、设计、内部结构

及如何操作与使用的文档资料。软件是计算机系

统的灵魂，没有配备任何软件的“裸机”无法投

入使用。没有配备足够的软件，计算机的功能就

不能很好地发挥，计算机的应用范围也将因此而

夫大缩小。

•组成计算机的软件可分为：系统软件和应用软件

两大类。

•1.系统软件

•系统软件泛指那些为计算机配置的基础性软件，

其中最重要的是操作系统、语言处理程序、数据

库管理系统及实用程序与工具软件。

•(1)操作系统：

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•(2)语言处理程序

•(3)数据库管理系统

•(4)实用程序与软件工具

•2.应用软件

•应用软件是计算机用户在各自的应用领域中开发

和使用的程序。由于计算机的应用极其广泛，所

以这类软件种类繁多，不胜枚举。如：科学计算

类程序、工程该让类程序、数据处理类程序、信

•尼应用软件中存/加用应用软件非常流行，例如,

文字处理软件、电子表格软件、绘图软件、网路

通信软件等。

•PC机有代表性的通用应用软件。

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•分类名称文字处理WPS,Word,Word

perfect,Amipro,PageMaker

•电子表格Excel,Lotus,...

•绘图软件Paintbrush,AutoCAD,

Photoshop,CoreDraw,...

•网络通信OutlookExpress,Internet

Explorer,FTP,...

•简报软件PowerPoint,ShowPartner,...

•统计软件SPSS,SAS,BMDP,・・.

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•计算机的性能评测

•评测一台计算机的性能，是一个极为复杂的工作。

它与计算机的硬件、软件及处理对象都有着密切

的关系。对PC计算机的硬件性能评测，通常有如

下几个主要技术指标。

•1.字长

•2.时钟频率

•3.主存储器容量和速度

•4.硬磁盘存储器性能

•5.系统总线的传输速率

•6.系统可靠性

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•1.2.1二进制

•关于二进制的知识

•二进制数的基数是2,使用0~1符号

•八进制数的基数是8,使用0~7八个符号，运

算时逢八进一。

・十六进制数的基数是16,使用0~9、A、B、

C、D、E、F十六个符号，

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•计算机之所以采用二进制，主要是

其手下面的原因。

•1.二进制在技术上容易实现

•2.二进制的运算规则特别简单

•它们的基本运算规则是：

•加法减法

•0+0=00—0=0

•0+1=10—1=1（向高位借1）

•1+0=11—0=1

•1+1=0（向高位进1）1—1=0

•3.二进制可以使计算机方便地进行逻辑运算

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•1.2.2数值信息在计算机内的表示

•计算机中的数值数据又分成整数和实数两大类。

•整数的表示

•在计算机中，整数的小数点隐含在个位数的右

面，也叫做定点数。计算机中的整数分为无符

号整数和有符号整数。

•1.无符号整数

•2.有符号整数

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­.2.2.2实数的表示

•实数是既有整数又有小数的数，例如：

56.815,-1284.2,0.002345等都是实数。一

个实数总可以表示成一个纯小数和一个乘

，之积。

•浮点数的长度可以是32位、64位甚至更多,

位数越多，可表示的数值的范围就越大，

精度也越高。

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•1.2.3数值数据的运算

•整数的算术、逻辑运算

•实数的运算

•浮点乘除运算

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1.3文字信息与

文本在计算机内的表示

•计算机不仅能对数值数据进行表示和处理（主要

是各种运算），而且对于诸如文字、图像、图形、

声音等信息也能进行各种处理。但它们必须表示

成二进制数据形式，这些通称为非数值数据。本

节介绍文字和文本信息的表示。

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•1.3.1西文字符的编码

■计算机的许多应用，需要对字符或专用符

号进行操作。但是字符不能直接进入计算

机内部，必须将它们进行数字化处理，由

连续排列的二进制数码来表示。西文由拉

丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号

组成，它们通称为“字符"。所有字符的

集合叫做“字符集”。字符集中的每一个

字符各有一个二进制代码表示，它们互相

区别，构成了该字符集的代码表。

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