第一章 微型计算机系统概论

微型计算机的发展

• 微型计算机（Microcomputer）
  1)性能适中、价格低廉、体积较小的计算机
  2)最常见的计算机
  3)现代计算机三大主要应用形式【桌面个人微机（PC机）、服务器、嵌入式计算机系统】的主角
  4)采用微处理器【采用一块大规模集成电路芯片构成】为核心构造的计算机

• 处理器(Processor):计算机的运算和控制核心，即*处理单元(Central Processing Unit,CPU)

• 处理器的基本性能指标
  字长（Word Length） 4 8 16 32 64 128
  处理器每个时间单位处理的二进制数据位数（例如一次运算、传输的位数），指示处理器的数据处理能力
  时钟频率 Hz kHz Mhz GHz
  表明处理器的处理速度，反映了处理器的基本时间单位
  集成度
  通常用芯片上集成的晶体管数量来表达，表明处理器的生产工艺水平【晶体管只是一个由电子信号控制的电子开关，集成电路在一个芯片上组合了成千上万个晶体管完成特定功能】

通用微处理器【MPU】

• 4位微处理器
  1971年，Intel 4004，第一个微处理器
• 8位微处理器
  M6800、Z80和Intel 8080/8085
  Apple公司苹果机
• 16位微处理器
  Intel 8086/8088
  16位个人计算机（PC：Personal Computer）【IBM公司采用Intel公司的微处理器和Microsoft公司的操作系统开发】
• 32位微处理器
  80386，80486，Pentium(奔腾)～Pentium 4
  32位PC机，APPLE公司的Macintosh机
• 64位微处理器
  IA-64结构：Itanium（安腾）
  x86结构：AMD的64位处理器、Intel 64处理器
  

专用微处理器

• 单片机(Single Chip Microcomputer)（国际上称呼:微控制器，嵌入式控制器，简称MCU）
  指通常用于控制领域的微处理器芯片，一个芯片几乎就是一个计算机
  Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列
  爱特梅尔（Atml）公司的8位AVR系列
  Microchip Technology公司的PIC系列
  基于ARM内核的微处理器
• 数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）
  实际上也是一种微控制器(单片机)，但专注于数字信号的高速处理
  美国德州仪器TI公司TMS320各代产品
  主要应用于通信、消费类电子产品和计算机
• 主要应用形式：嵌入式系统

摩尔定律

• 集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展
  从利用算盘实现机械式计算到电子计算机出现，经历千年历史。
  从1946年第一台通用的电子数字计算机ENIAC(Electronics Numerical Integrator And Calculator)开始到现在计算机广泛应用的信息时代，只有几十年时间。
• 摩尔定律（Moore’s Law）
  1）集成电路上晶体管密度每年将翻倍
  2）每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍
  3）每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半
• 摩尔定律不会永远持续
  20世纪80年代中期以前，微处理器的性能提高主要是工艺技术驱动；今后，性能提高更多地得益于计算机系统结构的革新
  现在，多核处理器使得摩尔定律延续

Intel 80x86系列处理器

16位80x86处理器

• 8086
  16位结构的处理器：数据总线为16位
  主存容量1MB：地址总线为20位
  时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）
  准16位微处理器8088：外部数据总线为8位
  IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU

• 80286
  16位数据总线、24位地址总线（16MB主存）
  实方式（Real Mode）
  保护方式（Protected Mode）
  IBM PC/AT机使用Intel 286 CPU

• 处理器总线【Bus】
  数据总线（DB：Data Bus）
  处理器与存储器或外设交换信息的通道
  个数(条数)是一次能够传送数据的二进制位数
  地址总线（AB：Address Bus）
  指定存储器或外设的具体单元
  个数反映访问的主存储器容量或外设范围
  由于每个信号只能为高或低电平两种状态，对应1/0两种编码，所以对于20位地址信号线的8086来说，最多能组合2的20次方个状态(编码)，每个编码就是一个地址，每个地址指示一个存储单元或I/O端口，其中包含一个字节数据。这样，8086主存容量为2的20次方B=1024x1024B=1024KB=1MB。
  
  控制总线（CB：Control Bus）
  控制处理器数据传送等操作
  例如:存储器读信号（MEMR）、存储器写（MEMW）
  外设读（IOR）、外设写（IOW）

IA-32处理器

• 英特尔32位结构 IA-32（Intel Architecture-32）
  指令集结构

• IA-32处理器
  Intel 80386
  Intel 80486
  Pentium
  Pentium Pro、Pentium II、Pentium III
  Pentium 4
  Celeron、Xeon、Pentium M

• 8036
  1）32位结构
  数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存
  80386指令系统全面升级为32位
  2）虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode）
  保护方式下的8086工作方式
  3）系统管理方式（System Management Mode）
  低功耗节能状态

• 80486
  1）80486＝80386＋80387＋8KB Cache
  2）集成浮点处理单元FPU
  8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387
  3）具有片上高速缓冲存储器(L1 Cache)
  高速缓冲存储器(Cache): 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器，用于提高整个存储器系统的存取速度。80486不仅在芯片内部集成有8KB第一级高速缓冲(L1 Cache)，而且支持外部第二级高速缓冲(L2 Cache)
  4）融合RISC【精简指令集计算机Reduced Instruction Set Computer】的技术的CISC【复杂指令集计算机Complex Instruction Set Computer】
  5）指令流水线
  指令流水线:指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行
  多条指令可以在不同的执行阶段同时进行
  6）时钟倍频(Clock Doubling)思想

• Pentium
  1)俗称的80586处理器，奔腾处理器
  2)32位结构，连接主存的外部数据总线是64位
  3)超标量（Superscalar）技术
  具有可以并行工作的2条整数处理流水线
  可以达到每个时钟周期执行2条指令
  4)双路高速缓冲结构
  8KB代码高速缓冲存储器
  8KB数据高速缓冲存储器

• Pentium Pro
  1)原称P6，中文名称为“高能奔腾”
  2)两个芯片组成
  CPU与一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）
  二级（L2）Cache（256KB或512KB）
  3)扩展的超标量技术
  12级指令流水线
  能同时执行3条指令
  4)动态执行技术
  分支预测、数据流分析和推测执行

• Pentium II
  1)多媒体扩展指令（MMX指令）
  MMX（MutliMedia eXtension）
  整数运算多媒体指令
  图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化
  提升微机对多媒体的处理能力
  2)Pentium MMX（多能奔腾）
  MMX指令应用于Pentium处理器
  3)Pentium II
  MMX指令应用于Pentium Pro

• Pentium III
  1)数据流SIMD扩展指令（SSE指令）
  SSE（Streaming SIMD Extensions）
  浮点单精度多媒体运算指令
  提高浮点3D数据的处理能力
  SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令
  2)Pentium III：SSE指令应用于Pentium II
  3)单指令多数据SIMD
  Single Instruction Multiple Data
  表示一条指令具有同时处理多组数据的能力

• Pentium 4
  1)NetBurst的微结构（Microarchitecture）
  指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel）
  进一步发掘指令之间可以同时执行的能力
  2)超线程HT（Hyper Threading）
  线程级并行TLP（Thread-Level Parallel）
  发掘程序中的并行性
  一个物理处理器形成两个逻辑处理器
  3)SSE2指令
  增强浮点双精度多媒体运算能力
  4)SSE3指令
  增强和完善MMX，SSE和SSE2指令

• Celeron和Xeon
  1)Celeron（赛扬）处理器
  面向低端（低价位）PC机
  2)Xeon（至强）处理器
  面向高端服务器、工作站
  3)Pentium M（Mobile）处理器
  针对便携式PC机（笔记本电脑）
  Centrino（迅驰）处理器，支持无线通信
  4)AMD处理器
  AMD公司生产的IA-32处理器兼容芯片
  Intel公司最主要的竞争对手

Intel 64处理器

• Intel 64结构
  64位线性地址空间，支持40位物理地址空间
  32位扩展工作方式（IA-32e）
  8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通用寄存器和64位指令指针等

• Intel Core微结构
  提高了性能并降低了功耗
  多核处理器的基础

• 多核技术（Multi-core）
  一个芯片上制作两个或多个处理器执行核心

微型计算机的系统组成

冯·诺依曼计算机结构

冯·诺伊曼计算机的基本思想

• 采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成
• 将程序和数据存放在存储器中，计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念
• 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现
• 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了5部分的基本功能

1.组成部件
5大部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备
3个硬件子系统：处理器、存储系统和输入输出系统

2. 二进制编码
1)计算机采用二进制形式表示数据和指令
2)现实中的一切，计算机中都是0和1数码
3)二进制编码:按照一定规律组合的0和1数码
4)不同的信息用不同的数码表示
5)同样的信息也可以用不同的编码规则用不同的数码表示
二进制只支持“0”和“1”两个数码,表示电源的关和开等两种状态,对应数字信号的低电平和高电平
基本数据单位（二进制位）
1位 比特（bit：binary digit）
4位 半字节（Nibble）
8位 字节（Byte）
16位 字（Word）
32位 双字（Double word）
64位 4字（Quad word）
程序、指令、操作码
1)程序用程序设计语言编写，由指令构成
2)指令(机器语言)是控制计算机操作的命令
3)指令由操作码和地址码组成
操作码（Opcode）表明指令的操作
地址码、操作数（Operand）是参与操作的数据
4)指令的代码格式：二进制编码规则
处理器的母语是指令
3. 存储程序和程序控制
存储程序
把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，这些指令按一定的规则组成程序
程序控制
当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务
存储单元地址
为每个存储单元编排的一个唯一的编号(地址＝编号)
现代计算机中，主存储器是字节可寻址的：主存储器的每个存储单元具有一个地址，保存一个字节的信息

取指－译码－执行周期
取指（Fetch）:处理器从主存储器读取指令
译码（Decode）:翻译指令代码的功能
执行(Execute）:执行指令完成指令所规定的操作
程序计数器PC确定下一条指令的主存地址,PC具有自动增量的能力，实现程序的顺序执行,转移指令改变PC的数值，实现分支、循环、调用

微型计算机的硬件系统

1.微处理器
1)微机的核心、控制中心，*处理器CPU
2)大规模集成电路VLSI芯片，集成
控制器
运算器（整数运算器）
寄存器（高速存储单元）
3)高性能微处理器内部还有
浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元
存储管理单元、代码保护机制
高速缓冲存储器
……
2. 存储器
1)存储器（Memory）是存放程序和数据的部件
从读写功能，存储器可分为随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)和只读存储器(Read Only Memory,ROM)
2)高性能微机的存储系统
微处理器内部的寄存器（Register）
高速缓冲存储器（Cache）
主板上的主存储器
以外设形式出现的辅助存储器
3)主存储器（主存、内存）
半导体存储器芯片组成
RAM部分断电后信息丢失,ROM芯片中的信息可在断电后长期保存
相对造价高、速度快、但容量小
4)辅助存储器（简称辅存或外存）
磁盘、光盘存储器等构成
相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢
3.I/O接口和I/O设备
I/O设备(Peripheral）：用户与微机交互
输入（Input）设备
标准输入设备：键盘
输出（Output）设备
标准输出设备：显示器
I/O接口(Interface)：外设和主机间的桥梁
完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作
较简单的I/O接口电路与主板一体
较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）
4. 系统总线
总线（Bus）
用于多个部件互相连接、传递信息的公共通道，物理上就是一组共用导线。
系统总线（System Bus）
微机系统中信息交换的主要公共通道
地址总线
单向输出主存单元或I/O端口的地址信息
数据总线
读（Read）操作数据输入微处理器
写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）
控制总线
有些控制信号或状态信号输出
有些请求或联络信号输入

PC微机结构

• 16位IBM PC/AT
  微处理器： Intel 80286
  主存储器
  ROM-BIOS：固化基本输入输出系统（Basic Input/Output System）
  主存主要由RAM组成
  I/O接口
  两个中断控制器8259A
  两个DMA控制器8237A
  定时控制器8254
  并行接口电路
  系统总线： ISA总线（I/O通道）
  
• 32位PC
  微处理器： IA-32或其兼容微处理器(含Cache)
  控制芯片组： 微处理器的主要辅助器件
  主存储器： 主存插槽和主存条
  多总线结构
  系统总线： PCI总线（＋低速ISA总线）
  存储总线
  显示AGP总线
  扩展槽和外设接口
  主存条插槽，AGP插槽，PCI插槽，IDE插槽
  PS/2键盘接口和PS/2鼠标接口，并行打印接口LPT， COM1和COM2串行通信接口
  通用串行总线USB接口，高速视频接口IEEE1394
  

计算机系统的层次结构

1. 计算机程序设计语言
高级语言（High Level Language）
面向问题的程序设计语言
汇编语言（Assembly Language）
将机器指令用助记符号代替而形成的一种语言
本质上是机器语言
优势：可以直接、有效地控制计算机硬件，容易产生运行速度快、指令序列短小的高效率目标程序
劣势：与处理器密切有关，需熟悉硬件和细节，编程繁琐，调试、维护、移植困难
机器语言（Machine Language）
底层的计算机语言，对应机器指令

2. 软件与硬件的等价性原理
1）任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现，任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成
2）软硬件在逻辑功能上的等价，并不意味着性能和成本的等价
软件易于实现各种逻辑和运算功能，但是往往速度较慢
硬件则可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算