1、第一章 微型機(jī)概述,教學(xué)內(nèi)容,微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式,重點(diǎn)和難點(diǎn),計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 處理器 存儲(chǔ)器 總線,第一章 微型機(jī)概述,1. 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3. 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式,1. 微型機(jī)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是能夠自動(dòng)地、快速地、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息處理的電子工具。 1946年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)由電子管構(gòu)成的-ENIAC電子計(jì)算機(jī)。,1946年2月14日，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫奇來(lái)（Mauchly）博士和他的學(xué)生愛克特（Eckert） 設(shè)計(jì)以真空管取代繼電器的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，電子

2、數(shù)字積分器與計(jì)算器）， 用來(lái)計(jì)算炮彈彈道。 用了18800個(gè)真空管，長(zhǎng)50英尺，寬30英尺， 占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大）。它的計(jì)算速度快，每秒可從事5000次的加法運(yùn)算，運(yùn)作了九年之久。,以采用的電子器件的不同來(lái)劃分的: 電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。 微型計(jì)算機(jī)屬于第四代電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，即大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，是電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。,主機(jī)按體積、性能和價(jià)格分: 巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。 微型機(jī)其工作原理，與其它幾類計(jì)算機(jī)并沒有本質(zhì)上的差別。不同的是： 采用了集成度較高的器件

3、； 組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的兩大核心部分運(yùn)算器和控制器，集成在一片集成電路芯片上，顯然該芯片是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心，稱為中央處理器CPU，或者微處理器MPU。,微處理器是微機(jī)系統(tǒng)的核心部分，自70年代初出現(xiàn)第一片微處理器芯片以來(lái)，微處理器的性能和集成度幾乎每?jī)赡攴环?，其發(fā)展速度大大超過了前幾代計(jì)算機(jī)。 微機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，主要涉及到以下幾個(gè)方面： CPU、主頻、緩存、新技術(shù)。,1.1 微型機(jī)的幾個(gè)階段,1.1.1 第一代：4位及低檔8位微處理器 1971年，Intel公司推出第一片4位微處理器Intel4004，以其為核心組成了一臺(tái)高級(jí)袖珍計(jì)算機(jī)。隨后出現(xiàn)的Intel4040，是第一片通用的

4、4位微處理器。 1972年，Intel8008，8位，集成度約2000管/片，時(shí)鐘頻率1MHz。,1.1.2 第二代：中、低檔8位微處理器 1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，時(shí)鐘頻率24MHz。 這一時(shí)期，微處理器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，組成微機(jī)系統(tǒng)的其它部件也愈來(lái)愈齊全，系統(tǒng)朝著提高集成度、提高功能與速度，減少組成系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量的方向發(fā)展。,1.1.3 第三代：高、中檔8位微處理器 1975年1976年，Z-80，Intel8085，8位，時(shí)鐘頻率24MHz，集成度約10000管/片，還出現(xiàn)了一系列單片機(jī)。,

5、1.1.4 第四代：16及低檔32位微處理器 1978年，Intel首次推出16位處理器8086：時(shí)鐘頻率48MHz，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為20位，可直接訪問1MB內(nèi)存單元。 1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088： 4 8MHz，集成度達(dá)到2萬(wàn)6萬(wàn)管/片。它與8086不同的是外部數(shù)據(jù)總線為8位（地址線為20位）。 1982年，Intel推出了80286（10MHz）：16位結(jié)構(gòu)，但地址總線擴(kuò)展到24位，可訪問16MB內(nèi)存，其工作頻率也較8086提高了許多。80286向后兼容8086的指令集和工作模式（實(shí)模式），并增加了部分新指令和一種新的工作模式保護(hù)模式。,

6、1985年，Intel推出了32位處理器80386（20MHZ）:該芯片的內(nèi)外部數(shù)據(jù)線及地址總線都是32位，可訪問4GB內(nèi)存，并支持分頁(yè)機(jī)制。除了實(shí)模式和保護(hù)模式外，80386又增加了一種“虛擬8086”的工作模式，可以在操作系統(tǒng)控制下模擬多個(gè)8086同時(shí)工作。 1989年推出了80486（時(shí)鐘頻率為3040MHz）:集成度達(dá)到15萬(wàn)50萬(wàn)管/片（168個(gè)腳），甚至上百萬(wàn)管/片。早期的80486相當(dāng)于把80386和完成浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及8kB的高速緩存集成到一起，這種片內(nèi)高速緩存稱為一級(jí)（L1）緩存，80486還支持主板上的二級(jí)（L2）緩存。后期推出的80486 DX2首次引

7、入了倍頻的概念，有效緩解了外部設(shè)備的制造工藝跟不上CPU主頻發(fā)展速度的矛盾。,1.1.5 第五代：高檔32位微處理器 1993年，新一代高性能處理器Pentium（奔騰）:Pentium最大的改進(jìn)是支持在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一至多條指令，且一級(jí)緩存的容量增加到了16kB，這些改進(jìn)大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快數(shù)倍。Pentium有良好的超頻性能，把一個(gè)低主頻CPU當(dāng)作高主頻CPU來(lái)使用，使得花費(fèi)較低的代價(jià)可獲得較高的性能。 1996年，Intel公司推出了Pentium Pro（高能奔騰）:兩大特色，一是片內(nèi)封裝了與CPU同頻運(yùn)行的256kB或512kB二級(jí)緩存；

8、二是支持動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)執(zhí)行，可以打亂程序原有指令順序，按照優(yōu)化順序同時(shí)執(zhí)行多條指令，這兩項(xiàng)改進(jìn)使得Pentium Pro的性能又有了質(zhì)的飛躍。,1997年初，Intel發(fā)布了Pentium的改進(jìn)型號(hào)Pentium MMX（多能奔騰），將一級(jí)緩存提高到32kB，同時(shí)增加了57條MMX（多媒體擴(kuò)展）指令，有效地增強(qiáng)了CPU處理音頻、圖像和通信等多媒體應(yīng)用的能力。 1997年推出了P。P是對(duì)Pentium Pro的改進(jìn)，因?yàn)槠浜诵慕Y(jié)構(gòu)與Pentium Pro類似，但加快了16位指令的執(zhí)行速度，且支持MMX指令集。,1998年推出了賽揚(yáng)（Celeron），去掉了P的二級(jí)緩存以及其它可以省略的東西，從而將價(jià)格

9、降了下來(lái)。 1999年又推出了開發(fā)代號(hào)為Coppermine的P，該芯片加入了引起爭(zhēng)議的CPU序列號(hào)功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，單一指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集，這是針對(duì)MMX的弱點(diǎn)和3DNow!設(shè)計(jì)的70條新指令，大大加強(qiáng)CPU在三維圖像和浮點(diǎn)運(yùn)算方面的能力。,2000年11月21日，Intel又推出Pentium 4 。 采用前端系統(tǒng)總線（FSB）；高速執(zhí)行緩存；快速執(zhí)行引擎；256KB的高速緩存（ATC） ；高級(jí)動(dòng)執(zhí)行；改進(jìn)的浮運(yùn)算和多媒體單元；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展(SSE2 ) P4處理器兩種型號(hào)： 1）Willamette 全新的Socke

10、t423插座，0.18微米，集成了256KB二級(jí)緩存，支持SSE2指令集，多達(dá)20級(jí)的超標(biāo)量流水線，搭配I850/I845芯片組，還新增了執(zhí)行單元、解碼器和增加緩存容量等。陸續(xù)推出1.4-2.0GHz的主頻。 2）Northwood 在一年后，Intel發(fā)布第二個(gè)P4，代號(hào)為Northwood，全新的Socket478插座，0.13微米制程，集成了512KB二級(jí)緩存，支持SSE2指令集。,2004年，推出核心為Prescott的Pentium 4E處理器：90nm，1億個(gè)晶體管。型號(hào)為3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4（“E”后綴商標(biāo)）支持超線

11、程技術(shù)，800MHz前端總線和1MB二級(jí)緩存； 但沒有降低功耗，使得Prescott功耗開始走高。 2005年，推出了Pentium Extreme Edition 95565nm時(shí)代。Pentium D 900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。但其TDP（Thermal Design Power）依然為130W。 2005年: Intel Pentium D 處理器首顆內(nèi)含2個(gè)處理核心的Intel Pentium D 處理器登場(chǎng)，正式揭開x86處理器多核心時(shí)代。,2006年，推出45nm Penryn處理器。全新45nm Penryn家族共有7名成員，包括： 雙核心桌面處理器Wolfdate、

12、四核心桌面處理器Yorkfield、 雙核心行動(dòng)處理器 Penryn、 雙核心Xeon DP處理器 Wolfdate DP、 四核心 Xeon DP處理器Harpertown、 雙核心 Xeon MP處理器Dunnington DC 四核心Xeon MP處理器Dunnington QC。,I時(shí)代 ： 2008年11月17日 ，64位四核CPU酷睿i7 2009年8月i5 , 是Core i7的中低級(jí)版本 2010年初，酷睿i3為i5的精簡(jiǎn)版 2011年1月，Intel Sandy Bridge 微架構(gòu)處理器 2012年6月，Intel Ivy Bridge 微架構(gòu)處理器,發(fā)展過程(1) 197

13、1年，Intel 4004 1972年，Intel 8008 1974年，Intel 8080 1978年，Intel 8088,8086 1982年，Intel 80286 1985年，Intel 80386 1989年，Intel 80486,1993年，Intel Pentium 1995年，Intel Pentium Pro 1997年，Intel Pentium II 1998年，Intel Celeron 1998年，Intel Celeron 300A 1999年，Intel Pentium III,發(fā)展過程(2) 2000年，Intel Pentium IV 2003年，Int

14、el Pentium M 2004年，Intel Pentium E 2005年，Intel Pentium D 2006年，Intel Core 2 Duo 2008年，Intel Atom 2008年，Intel Core i7 2009年，Intel Core i5 2010年，Intel Core i3 2011年，Intel Sandy Bridge 2012年，Intel Ivy Bridge,網(wǎng)絡(luò)參考資料 維基百科 /w/index.php?title=Pentium_D 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有進(jìn)位),例 1 求1

15、001B+1011B。,2. 減法運(yùn)算 規(guī)則: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位),例 2 求1100B-111B。,3. 乘法運(yùn)算 規(guī)則: 00=0; 01=10=0; 11=1 例 3 求1011B1101B。,即 10100101B/1111B=1011B,4. 除法運(yùn)算 規(guī)則: 0/1=0; 1/1=1 例 4 求10100101B/1111B,3.2.2 二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算,1. “與”運(yùn)算 “與”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“必須都有,否則就沒有”這種邏輯關(guān)系的一種運(yùn)算。 運(yùn)算符為“ ”, 其運(yùn)算規(guī)則如下: 00=0, 01=10=0, 11=1 例 5 若X=1011B

16、, Y=1001B, 求XY。,.,即 XY=1001B,2. “或”運(yùn)算 “或”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“只要其中之一有,就有”這種邏輯關(guān)系的一種運(yùn)算, 其運(yùn)算符為“+”。 “或”運(yùn)算規(guī)則如下: 0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=1 例 6 若X=10101B, Y=01101B, 求X+Y。,10101 01101 11101,+,即 X+Y=11101B,3. “非”運(yùn)算 “非”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“求反”這種邏輯的一種運(yùn)算，如變量A的“非”運(yùn)算記作 。 其運(yùn)算規(guī)則如下:,例 7 若A=10101B, 求 。,4. “異或”運(yùn)算 “異或”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“必須不同, 否則就沒有”這種邏輯的一種運(yùn)算, 運(yùn)算符

17、為“ ”。其運(yùn)算規(guī)則是:,例 8 若X=1010B, Y=0110B, 求X Y。,1010 0110 1100,即 X Y=1100B,計(jì)算機(jī)在數(shù)的運(yùn)算中, 不可避免地會(huì)遇到正數(shù)和負(fù)數(shù), 那么正負(fù)符號(hào)如何表示呢？由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0和1, 因此, 我們將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的最高位用作符號(hào)位來(lái)表示這個(gè)數(shù)的正負(fù)。 規(guī)定符號(hào)位用“0”表示正, 用“1”表示負(fù)。例如, X=-1101010B, Y=+1101010B, 則X表示為: 11101010B, Y表示為01101010B。,3.3.1 機(jī)器數(shù)及真值,1.原碼、補(bǔ)碼、反碼 補(bǔ)碼 機(jī)器數(shù)（符號(hào)數(shù)）：正數(shù)：符號(hào)0絕對(duì)值 負(fù)數(shù)：符號(hào)12n|X| 2.

18、BCD數(shù) 壓縮BCD：1字節(jié)存儲(chǔ)1位BCD數(shù) 非壓縮BCD：1字節(jié)存儲(chǔ)2位BCD數(shù) 3. ASCII碼 4. 數(shù)據(jù)類型 5. 浮點(diǎn)數(shù),3.3.2 數(shù)的碼制,1. 原碼 當(dāng)正數(shù)的符號(hào)位用0表示, 負(fù)數(shù)的符號(hào)位用1表示, 數(shù)值部分用真值的絕對(duì)值來(lái)表示的二進(jìn)制機(jī)器數(shù)稱為原碼, 用X原表示, 設(shè)X為整數(shù)。 若X=+Xn-2Xn-3X1X0, 則X原=0Xn-2Xn-3X1X0=X; 若X=-Xn-2Xn-3X1X0,則X原=1Xn-2Xn-3X1X0=2n-1-X。 其中, X為n-1位二進(jìn)制數(shù), Xn-2、Xn-3、 、X1、X0為二進(jìn)制數(shù)0或1。例如+115和-115在計(jì)算機(jī)中（設(shè)機(jī)器數(shù)的位數(shù)是8

19、）其原碼可分別表示為 +115原= 01110011B; -115原= 11110011B,可見, 真值X與原碼X原的關(guān)系為,值得注意的是, 由于+0原=00000000B, 而-0原=10000000B, 所以數(shù) 0的原碼不唯一。 8位二進(jìn)制原碼能表示的范圍是: -127+127。,+115原= 01110011B; -115原= 11110011B,2. 反碼 一個(gè)正數(shù)的反碼, 等于該數(shù)的原碼; 一個(gè)負(fù)數(shù)的反碼, 由它的正數(shù)的原碼按位取反形成。反碼用X反表示。 若X=-Xn-2Xn-3X1X0, 則X反=1Xn-2Xn-3X1X0。例如: X=+103, 則X反=X原=01100111B;

20、 X=-103, X原=11100111B, 則X反=10011000B。,3. 補(bǔ)碼 正數(shù)的補(bǔ)碼就是它本身, 負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的求法: 用原碼求反碼, 再在數(shù)值末位加1, 即: X補(bǔ)=X反+1。 8位二進(jìn)制補(bǔ)碼能表示的范圍為: -128 +127, 若超過此范圍, 則為溢出。 對(duì)于n位計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō), 數(shù)X的補(bǔ)碼定義為,即正數(shù)的補(bǔ)碼就是它本身。 例如, +75補(bǔ)=01001001B -73補(bǔ)=10000000 B- 01001001B=10110111B 0補(bǔ)=+0補(bǔ)=-0補(bǔ)=00000000B 可見, 數(shù)0的補(bǔ)碼表示是唯一的。在用補(bǔ)碼定義求負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的過程中, 由于做減法不方便, 一般該法不用。,例：假

21、設(shè)目前正確時(shí)間為6點(diǎn)整，有一鐘表停在10點(diǎn)整，,如何校準(zhǔn)？,逆時(shí)針撥4格，即1046,順時(shí)針撥8格，到12點(diǎn)后從0開始重新計(jì)時(shí)，,即10812(自動(dòng)丟失)66,模：循環(huán)計(jì)數(shù)系統(tǒng)中所表示的最大數(shù),(-4)與(+8)對(duì)模12互為補(bǔ)數(shù)，同余數(shù),結(jié)論：對(duì)于某一確定的模(12)，某數(shù)(10)減,去絕對(duì)值小于模的另一個(gè)數(shù)(4) ，總可以用,某數(shù)(10)加上“另一數(shù)的負(fù)數(shù)(-4)與其模(12),之和(8)”(即補(bǔ)數(shù))來(lái)代替。,6,3,9,10,12,字長(zhǎng)為8位的二進(jìn)制數(shù)制中，模為 28256 D。,例：64-10 = 64+(-10) = 64+256-10 = 64+246,= 256+54 = 54,0100 0000, 0000 1010,0100 0000,64,-10,54,0100 0000,+ 1111 0110,1 0011 0110,自動(dòng)丟失,64,+246,54,結(jié)論：,(-10)與(+246)對(duì)模256互為補(bǔ)數(shù)，同余數(shù)；,246D = 1111 0110B就是(-10)的補(bǔ)碼表示；,負(fù)數(shù)表示為它的補(bǔ)碼，減法轉(zhuǎn)換為加法。,溢出及其判斷方法,判斷溢出的方法, 根據(jù)參加運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)的符號(hào)及運(yùn)算結(jié)果的符號(hào),判斷