[信息与通信]001第1章 微型计算机概述.ppt

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1、第 章 微型计算机 概述,本章内容,计算机硬件基本结构,计算机的常用术语,计算机的工作原理,1,1983年，“银河号”巨型计算机研制成功，运算速度达每秒1亿次。 1984年，中国第一台10亿次巨型银河计算机型通过鉴定。 1994年，银河计算机型在国家气象局投入正式运行，用于天气预报。 1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒25亿次。 1997年，银河并行巨型计算机研制成功，每秒运算速度为130亿次。 1999年，银河四代巨型机研制成功。 2000年， “神威-I”高性能计算机问世，其主要技术指标和性能达到国际先进水平。运算速度达每秒3840亿次，我国成为继美国、日本之后，世界上

2、第三个具备研制高性能计算机能力的国家。,计算机的三个发展方向：巨型化、单片化、网络化 （）巨型化：高速度，具有海量数值计算、信息处理、多媒体等功能。,中国巨型计算机之父最高科技奖得主 ：金怡濂,巨型机研究带给我的启示 节选 光明日报 作者：中国工程院院士 金怡濂,我记得一件事给我很深的刺激，大概在70年代末、80年代初，中国急需一台超级计算机。当时要购买巨型机是很困难的，因为西方国家对我们实行禁运。经过了种种谈判，我们花外汇买到了一台计算机。但是人家还要有一个条件，要有两个专家来监督我们使用这台计算机，许干什么，不许干什么，要他来监督。专家有一个小房子，中国人是不准进的。这件事对我们搞计算机的

3、人来说，大大伤害了我们的自尊心，刺痛了我们。我们也深感自己没能为国分忧。所以，我体会，关键的部位，我们要下决心自己开发，要让我们的计算机在国际上有一席之地。,巨型机研究带给我的启示 节选 光明日报 作者：中国工程院院士 金怡濂,我工作的50年里有两点体会。一是在学校里必须要打好基础。我在苏联学计算机的时候，计算机是每秒一万次，占的地方大概是一百多平方米。而现在一台微机每 秒几亿次，就一点大。在这种情况下，这些技术全要从学校学到是不可能的。我在清华大学的时候就没有学过计算机，也不知道计算机是个什么内容。主要靠学校给你的基础知识，给你的工作能力。第二点是要培养思维能力和想象能力。我在清华读书时，有

4、个教授叫闵乃大。他讲的课理论是很深的，公式一写两黑板。但是他每次讲完课以后，他就问学生一个问题，说你抓住了概念没有。这给我很大启示，不管这个问题多么深奥、多么复杂、公式多么长，最重要的是你要抓住它的本质。,2002年8月，中科院第一台万亿次秒超级计算机联想深腾1800问世。它包括20个机柜、256个计算功能节点机、526个高性能处理器，其内存总容量为272GB，系统总硬盘空间为6TB。按照运算速度，这台机器在全球超级计算机当年TOP500中排名43。 2003年11月联想公司研制的 “联想深腾6800高性能计算平台” -系统峰值5.3万亿次，当年Top500排名14 2004年6月曙光公司的研

5、制的“曙光4000A” -系统峰值10万亿次，当年Top500排名10 - 2004年9月曙光4000A落户上海超级计算中心 2010年5月，“星云”天津下线,事实上,1997年8月 已研制出每秒1.8万亿次机 1998年11月已研制出每秒3.1万亿次机 2001年已研制出每秒12.8万亿次机 美国还制定了民用超变速计算机研制计划： 2003年：每秒40万亿次 2005年：每秒100万亿次 2010年：每秒1000万亿次,日本研制出“地球模拟器”,2002年4月，日本NEC公司宣布研制出目前世界上运算速度最快的超级计算机: “地球模拟器” 5120个处理机; 运算峰值:40万亿 FLOP/s;

6、 投资400亿日元,历经4年; 安装在横滨地球模拟研究和开发中心,并已正式投入运行., 2004底，IBM研制出 系统峰值70万亿次高性能计算机,中国龙芯“龙芯1号”,2002年9月28日，我国自主开发的第一款高性能通用CPU龙芯1号面世，结束了中国计算机产业没有“心脏”的历史。龙芯1号达到20世纪90年代中期国际先进水平。 龙芯1号是兼顾通用及嵌入式特点的32位CPU，是基于0.18微米CMOS工艺，平均功耗0.5瓦,支持最新版的Linux, Windows 等OS;总线频率为75MHz133MHz. 第一台基于龙芯的服务器“龙腾”也同时面世。,“龙芯2号”研发成功,2004年“龙芯2号”研

7、发成功 龙芯2号最高频率为300MHz，功耗1W-2W，成品率约为80%左右。测试表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII，达到PIII的水平,设计人员称龙芯2号的设计SPEC CPU2000分值可达到300分以上,设计频率在500MHz以上.性能可与1GHz以上的PIII或PIV的性能相当。 基于龙芯2号的Linux-PC已经投入运行。目前计算机的很多应用，包括流媒体的软解压、GNU 2.4的支持、Mozilla浏览器、Open Office办公软件等，在龙芯2号中都能比较流畅地运行。尤其是流媒体的软解压，对于标准的MP3播放，龙芯2号只要不到1%的CPU就可以了。,“龙芯3号”,中

8、科院龙芯工作组及曙光公司联手推出以龙芯3号为内核的两路刀片服务器，这款服务器也是龙芯3号流片成功后推出的首款成品。 龙芯总设计师胡伟武：最早认为龙芯是一个项目，后来认为这是一个产品，现在才发现龙芯其实是一个产业链。龙芯仍将继续向安全，通用和嵌入式三个方向同时发展，其中龙芯3B（八核处理器）将于2010年6月拿到样品，2011年3月出产品，并与曙光联手推出曙光6000高性能计算机 中国首台采用国产高性能通用处理器芯片“龙芯3A”和其他国产器件、设备和技术的万亿次高性能计算机“KD-60”由中国科技大学和深圳大学联合研制成功，并于2010年4月17日通过了专家鉴定。,CB50-A :使用通用性的C

9、PU和OS，曙光龙芯刀片服务器可以无缝平滑的运行X86 CPU Linux OS上的应用程序。主板由曙光公司设计，CPU采用龙芯3A CPU，BIOS为曙光研发，操作系统使用的是宏碁公司的redflag Linux。 功耗较低，每颗CPU单瓦特能效比是目前X86 CPU的2倍以上。,双处理器架构，共有8个处理器核心，峰值性能达32Gflops，支持最大64GB内存，单刀片功耗不超过110W。 一个42U高的机柜中，可安装6台TC2600，每个TC2600支持10片双路CB50-A，累计每个机柜最多拥有120个龙芯3A四核处理器，480个处理器核心，最大处理能力1920Gflops，最大功率不超

10、过8KW，具有很高的计算密度和能效比。,曙光TC2600刀片服务器机箱,计算机应用通常分成如下各个领域 科学计算，数据处理，实时控制 计算机辅助设计，人工智能，,由于微型计算机具有如下特点 体积小、价格低 工作可靠、使用方便、通用性强,所以，可以分为两个主要应用方向,微型计算机应用,将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中 例如：常用的MCS-51、MCS-96,用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：PC微机 功能越强越好、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器仪表方向 专用微机，例如：工控机、单片机 可靠性高、实时性强 程序相对简单

11、、处理数据量小,微型计算机应用的两个方向,1.1 计算机概述,计算机的CPU、主板、内存条、硬盘、软盘、显示卡、显示器、键盘、鼠标等。这些都是计算机的部件，虽然这些部件的功能与性能都有了巨大的发展，但是计算机的基本结构未变，如下图所示。,微型计算机组成框图,其次要有能记忆原始题目、原始数据和中间结果以及为了使机器能自动进行运算而编制的各种命令的器件，这种器件就称为存储器。,再次，要有能代替人的控制作用的控制器，它能根据事先给定的命令发出各种控制信息，使整个计算过程能一步步地自动进行。,计算机最早是作为运算工具出现的。显然，它首先要有能进行运算的部件，称为运算器。,但是光有运算器、控制器和存储器

12、还不够，原始 的数据与命令要输入，所以需要有输入设备；而计 算的结果(或中间过程)需要输出，就要有输出设备。 这样就构成了一个基本的计算机系统。,在计算机硬件(Hardware)中，往往把运算器、控制器和存储器合在一起称为计算机的主机；而把各种输入输出设备统称为计算机的外围设备或外部设备（Peripheral）。 在主机部分中，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU(Central Processing Unit)。随着半导体集成电路技术的发展，可以把整个CPU集成在一个集成电路芯片上，就把它称为微处理器(Microprocessor)。,系统总线 （1）、总线：传递信息的一组公用导

13、线。 （2）、系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。系统总线分为： （A）、地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。 内存容量的计算： 10条地址线可访问 210 = 1 KB 16条地址线可访问 216 = 64 KB 20条地址线可访问 220 = 1 MB 1K = 1024B 1M = 1024 KB 1G = 1024 MB,（B）、数据总线：传递数据信息的总线，即DB。 在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU； 在CPU进行写操作时，CPU

14、数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。 （C）、控制总线：传递控制信息的总线，即CB。 控制总线的方向：一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。 另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号、状态信号。,地址总线AB 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 数据总线DB CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU CPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部 数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线C

15、B 协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等 控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等,总线的使用特点： 1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。 2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。 3、通过总线插槽来接口板连接。,明确3个概念的区别,微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片 微型计算机（Microcomputer） 通常指微型计算机的硬件系统 还有一般的说法：微机、微型机 微型计算机系统（M

16、icrocomputer system） 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,区别3个概念,1.2.1 中央处理器CPU,中央处理单元CPU(Central Processor Unit)是一台计算机的心脏，主要由运算器和控制器构成，用来解释指令并进行算术和逻辑运算。,台式个人计算机的CPU，其形状比火柴盒略大，但集成了成千上万的逻辑门阵电路，这些逻辑门阵电路组成了用于进行运算的加法器、算术逻辑单元、译码器、数据选择器、触发器、寄存器、计数器等基本运算单元。CPU的形状如下图所示。,英特尔微处理器芯片,80386,Pentium,Intel 赛扬D 352,8088CPU,IA-32结构

17、微处理器的概要历史,80386,80486,奔腾,奔腾II,奔腾4,80286,8086,奔腾III,IA-64（安腾）,4004,不是我不明白， 这世界变化太快 扎扎实实掌握知识， 以不变应万变,IA-32,1971年：4004，宣告微型计算机时代的到来。 1972年：8008，8位微处理器 1974年：8080 1977年：8085（8080+支持电路） 1978年：8086，16位微处理器，2.9万 5-8MHz 3um 1979年：8088（外部数据线改为8位，称为准16位） 1982年：80286 1985年：80386（32位微处理器） 1989年：80486 1993年：Pent

18、ium（奔腾、586） 1995年：Pentium Pro（高能奔腾、P6 ） 1996年：MMX Pentium（多能奔腾） 1997年：Pentium ii（奔腾ii，真正的第6代微处理器686） 1999年： Pentium iii （奔腾iii） 2000年： Pentium 4（奔腾4） 2003年： Pentium 4 HT 1.25亿 3.4GHz 0.09um,主频 CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。 一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能都一样。,与CPU有关的几个

19、常见概念,主频是显示CPU性能的最根本的指标，选购电脑的CPU时，常常会说到“Pentium III 600”、“Pentium III 600B”、“Duron 600”、“Athon 900”等等，这些型号里面的数字就是CPU的主频。 大多数人都认为CPU的主频指的是CPU运行的速度，实际上这个认识是片面的。 CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度，CPU能够运行在更高的频率下说明CPU能够承受更高的运算速度，主频和实际的运算速度有关。,外频 CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 外频速度高，CPU就可以同时接受更多的来自外围设备的数据，从而使整

20、个系统的速度进一步提高.,倍频 原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。CPU主频的计算方式为： 主频 = 外频 x 倍频 也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就相应提高。,生产工艺 在生产CPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。其生产的精度以微米（um）来表示，精度越高，生产工艺越先进，在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细。 提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。这样CP

21、U的主频也可提高，在0.25微米的生产工艺最高可以达到600MHz的频率。而0.18微米的生产工艺CPU可达到G赫兹的水平上。,工作电压 是指CPU正常工作所需的电压，提高工作电压，可以加强CPU内部信号，增加CPU的稳定性能。但会导致CPU的发热问题，CPU发热将改变CPU的化学介质，降低CPU的寿命。 早期CPU工作电压为5V，随着制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有着很大的变化，PIIICPU的电压为1.7V，解决了CPU发热过高的问题。,1.2.2 内存,一台电脑必须拥有运算器、控制器、存储器和输入输出设备,运算器、控制器的作用由CPU来完成,存储器则分为内存储器和外存储器。内存储

22、器简称为内存，由半导体存储器构成；外存储器则包括了硬盘、软盘、光驱、磁带机等许多设备,系统内（主）存的容量会在很大程度上影响性能。因为系统中内存容量越大，就使越多的数据能被存储到离CPU更近的存储单元中，而不是存储到速度较慢的硬盘等其他存储介质上。,主存储器通常由大规模的MOS电路构成，其工作速度虽然比硬盘高了许多，但仍比CPU慢一个数量级。为此，现代计算机常采用速度更高的存储器（当然容量更小）作为CPU与主存储器之间的高速缓存（Cache）。而且自486以后，把Cache做进了CPU的内部，形成了多级Cache结构。,现代PC机几乎都采用高速缓存、主存储器和后备存储器（如硬盘）这样的多级存储

23、体系，就是为了取得存储容量大、存取速度快与成本之间的适当的折衷。,存储器,内存（主存）,外存（辅存）,RAM,ROM,SRAM,DRAM,ROM,EPROM,E2PROM,软盘 硬盘 光盘,存储器的结构, 为了能区分不同的存储单元，对这些存储单元分别编了号，用两位十六进制数表示，这就是它们的地址。 如00H、01H、02H、FFH,存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址(8位二进制数)，经过存储器中的地址译码器来寻找的(每给定一个地址号，可从256个存储单元中找到相应于这个地址号的某一存储单元)，然后就可以对这个存储单元的内容进行读或写的操作,每一个存储单元可以存放8位二进制信息(通

24、常也用两位十六进制数表示)，就是它们的内容。,存储器由256个存储单元组成,(1) 读操作 若已知在04号存储单元中，存的内容为10000100即84H，若要把它读出至数据总线上。 则要求CPU的地址寄存器先给出地址号04，然后通过地址总线送至存储器，存储器中的地址译码器对它进行译码，找到04号存储单元。 再要求CPU发出读的控制命令，于是04号存储单元的内容84H就出现在数据总线上，由它送至数据寄存器DR，如下图所示。,读操作,(2) 写操作 若要把数据寄存器中的内容26H写入到10号存储单元。 则要求CPU的AR地址寄存器先给出地址10，通过地址总线(AB)送至存储器，经译码后找到10号存

25、储单元； 然后把DR数据寄存器中的内容26H经数据总线(DB)送给存储器；且CPU发出写的控制命令，于是数据总线上的信息26H就可以写入到10号存储单元中，如下图所示。,写操作,信息写入后，在没有新的信息写入以前，该信息是一直保留的，而且我们的存储器的读出是非破坏性的，即信息读出后存储单元的内容不变,大家不要误会了,除非再次写入新的信息。,在计算机中，基本上有两种信息在流动。 一种信息为数据，即各种原始数据、中间结果等。这些数据要由输入设备输入，存于存储器中。在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存储器中，或最后由运算器经输出设备输出。,计算机中的信息,另一种信

26、息为程序，即人们给计算机的各种控制命令，也以数据的形式由输入设备存至存储器中。在运行时从存储器中取出送入控制器，由控制器经过译码后变为各种控制信号。,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,I/O设备,1.2.3 I/O设备和I/O接口,1.3 常用的名词术语和二进制编码,1，位、字节、字及字长 (1) 位(Bit) “位”是指一个二进制位。它是计算机中信息存储的最小单位，一般用b表示 (2) 字节(Byte) “字节”是指相邻的8个二进制位。通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B 例如8086/8088有20条地址线，它的存储器寻址范围（容量）是2

27、20字节，记做1MB。 1K=1024=210 1M=1024K=220 1G=1024M=230 1T=1024G=240 1KB1K8b,(3) 字(Word)和字长 “字”是计算机内部进行数据传递、处理的基本单位。通常它与计算机内部的寄存器、运算装置、数据总线宽度相一致。故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 一个字所包含的二进制位数称为字长。常见的微型计算机的字长有8位、16位、32位和64位,2，数字编码 计算机中的数用二进制表示。 比如计算机中的十进制数的每一位用若干位二进表示，这就是十进制数的二进制编码，简称二-十进制编码(BCD)。,3. 字符编码 同样，字母、数

28、字、符号等各种字符也必须按照特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。字符编码的方式很多，世界上最普遍采用的一种字符编码是ASCII码（美国信息交换标准码）。 （American Standard Code for Information Interchange）,ASCII码用7位二进制编码，它有128种组合，可以表示128种字符。包括09，十个阿拉伯数字字符，大、小写英文字母（72个），常用标点符号和各种控制字符。 在计算机中用一个字节表示一个ASCII码字符，即在7位ASCII前最高位置为0。 例如，0011000000111001(即30H39H)是数字09的ASCII码，而01000

29、00101011010(即41H5AH)是大写英文字母AZ的ASCII码。,4， 汉字编码 计算机能否处理汉字是能否在我国推广计算机应用的关键. 用计算机处理汉字，每个汉字必须用代码表示 键盘输入汉字是输入汉字的外部码 外部码必须转换为内部码才能在计算机内进行存储 和处理 不同的汉字处理系统之间交换信息采用交换码 为了将汉字以点阵的形式输出，还要将内部码转换为字形码,(1) 外部码 汉字主要是从键盘输入，每个汉字对应一个外部码，外部码是计算机输入汉字的代码，是代表某一个汉字的一组键盘符号。外部码也叫输入码。汉字的输入方法不同，同一个汉字的外部码可能不一样。,(2) 内部码 汉字内部码也称汉字内

30、码或汉字机内码。在不同的汉字输入方案中，同一汉字的外部码不同，但同一汉字的内部码是唯一的。内部码通常是用其在汉字字库中的物理位置表示，可以用汉字在汉字字库中的序号或者用汉字在汉字字库中的存储位置表示。汉字在计算机中至少要用两个字节表示(有用三字节、四字节表示的)，在微型计算机中常用的是两字节汉字内码。 其特点是: 占2个字节,其最高位都是“1”,ASCII码的最高位是“0”,(3) 交换码 不同计算机系统之间交换信息时，要求其间传送的汉字代码信息要完全一致。,(4) 输出码 汉字输出码又称汉字字形码或汉字发生器的编码。 众所周知，汉字无论字形有多少变化，也无论笔划有多有少，都可以写在一个方块中

31、。 一个方块可以看作m行n列的矩阵，称为点阵。一个m行n列的点阵共有mn个点。例如1616点阵的汉字，共有256个点。每个点可以是黑点或者非黑点，凡是笔划经过的点用黑点，于是利用点阵描绘出了汉字字形，汉字的点阵字形在计算机中称为字模。,汉字“中”的1616点阵字模,汉字输出通常使用点阵表示的字模码.一个汉字有多种字体、字形,用不同的字模码表示.不同的字体有不同的字库. 内码 字库地址 选字体 字模码,输入设备 代码转换软件 加汉字标识 字模库 输出设备,1.4 指令、程序和指令系统,计算机的几个主要部件构成了计算机的硬件的基础。但是，有硬件只是具有了计算的可能。计算机要真正能够进行计算还必须要

32、有软件的配合,首先是各种程序(Program)。,计算机所以能脱离人的直接干预，自动地进行计算，这是由于人把实现计算的一步步操作用命令的形式即一条条指令(Instruction)预先输入到存储器中，在执行时，机器把这些指令一条条地取出来，加以翻译和执行。,计算机的运算是通过取数送数运算存数等操作实现的。,把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。通常一条指令对应着一种基本操作。,一台计算机能执行什么样的操作，能做多少种操作，是由设计计算机时所规定的指令系统决定的。 计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统(Instruction Set) 。,在使用计算机时，必须把要解决

33、的问题编成一条条指令，这些指令的集合就称为程序。,用户为解决自己的问题所编制的程序，称为源程序(Source Program)。,指令通常分成操作码(Opcode即operation code)和操作数(Operand)两大部分。,操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址。, 计算机发展初期，就是用指令的机器码直接来编制用户的源程序，这就是机器语言阶段。,因为计算机只认得二进制数码，所以计算机的指令系统中的所有指令，都必须以二进制编码的形式来表示。, 但是机器码是由一连串的0和1组成的，没有明显的特征，不好记忆，不易理解，易出错。所以，编写程序成为一种十分困难而且十分繁琐的工作。因而，逐渐进入了汇编语言阶段。用户用汇编语言(操作码用助记符代替，操作数也用一些符号来表示)编写源程序。,作业,教材P11 1.2 1.4 1.5 1.6,