第2章微型计算机概论

第2章微型计算机概论一、内容简介：1 计算机和微型计算机的发展概况2 微型计算机系统的硬件基本组成3 8086微处理器二、教学目标：使学生对微型计算机系统有一个基本了解，尤其对微型计算机的硬件基本组成有一个清晰的认识；建立起微机系统的概念。

熟练掌握8086微处理器的内部结构，引脚信号和存储体系。

三、重点内容：微型计算机的基本概念；特点。

硬件软件的概念；8086微处理器的结构四、教学时数：42.1 计算机概论电子计算机：1946～系统结构, 元器件技术, 组装工艺, 软件功能……第一代电子计算机称为电子管计算机。

如Intel8008, 电子管和继电器；机器语言4/8位, 0.5`0.8MHz AB=4~8位第二代: 计算机称为晶体管计算机，其主要逻辑元件采用的是晶体管。

如Intel8085, 晶体管和磁芯存储器；汇编语言; 高级语言, 监控程序8位, 1~2.5 MHz AB=16位第三代: 计算机的内存储器采用了半导体存储器，可靠性和存取速度有了明显的改善。

如Intel8088, 中小规模集成电路；汇编语言；高级语言; 操作系统16位, 5~10 MHz AB=20~24位第四代: 计算机以采用大规模和超大规模集成电路为标志。

如Intel80486, LSI/VLSI和半导体存储器；汇编语言；操作系统, 硬化32位, 10 MHz以上AB=24~32位第五代: ULSI/GSI ；汇编语言；高级语言; 操作系统12万亿次/秒计算机（Computer）又称电脑，是20世纪最重要的科技成果。

计算机是一种能够自动地、高速地、精确地进行信息处理的现代化电子设备，是一种帮助人类从事脑力劳动（包括记忆、计算、分析、判断、设计、咨询、诊断、决策、学习与创作等思维活动）的工具。

1944年哈佛大学和IBM公司合作,在美国首次制造出了现代计算机的雏形——马克Ⅰ。

1942年美国物理学家毛希利（John·Mauchely）提出了一个名曰“高速电子管计算装置”的现代计算机制造方案。

该机于1946年正式交付使用，取名ENIAC——电子数字积分机和计算机。

微型计算机的发展第一阶段（1971~1973）：典型的微型机以Intel 4004和Intel 4040为基础。

微处理器和存储器采用PMOS工艺，工作速度很慢。

微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。

主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。

第二阶段（1974~1977）：以8位微处理器为基础，典型的微处理器有Intel 8080/8085、Zilog公司的Z80及Motorola公司的6800。

微处理器采用高密度MOS（HMOS）工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。

存储器容量达64KB，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。

配有简单的操作系统（如CP/M）和高级语言。

第三阶段（1978~1981）：以16位和准32位微处理器为基础，如Intel公司的8086、Motorola的68000和Zilog的Z8000。

微处理器采用短沟道高性能NMOS工艺。

在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。

第四阶段（20世纪80年代）：80年代初，IBM公司推出开放式的IBM PC，这是微型机发展史上的一个重要里程碑。

IBM PC采用Intel 80x86（当时为8086/8088、80286、80386）微处理器和Microsoft公司的MS DOS操作系统并公布了IBM PC的总线设计。

第五阶段（20世纪90年代开始）：RISC（精简指令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。

微型计算机的特点和应用范围特点：1．体积小、重量轻、价格低廉2．简单灵活、可靠性高、使用环境要求不高3．功耗低微型机的应用范围：1．科学计算2．数据处理3．办公自动化4．过程控制5．辅助系统6．仿真2.1.1 计算机硬件基本结构图2.1.1 计算机的结构框图双线：数据信息单线：控制信息计算机系统是一个复杂的工作系统，它由硬件系统和软件系统组成。

所谓计算机的硬件系统，通俗地说就是构成计算机的看得见摸得着的部件，即构成计算机的硬件设备。

例如：计算机的主机、显示器、键盘、磁盘驱动器等。

图2.1.2 冯·诺依曼型结构图2.1.3 哈佛型结构微型计算机的硬件组成部分主要有微处理器（CPU）、存储器、I/O设备和系统总线。

见图2.1.4所示。

系统总线包括地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB组成。

在微机中，各功能部件之间通过系统总线相连，这使得各个部件的之间的相互关系变为面向系统总线的单一关系。

一个部件只要满足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中。

图2.1.4 微型计算机的功能模块微处理器----------采用大规模集成技术、在一片(或几片)芯片上集成的计算机中央处理器 CPU ——大、中型计算机的中央处理器MPU(μp)——微处理器微型计算机----------以微处理器为基础, 配以存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及其他配套电路构成的裸机2.1.2 计算机工作原理1.五个基本部分 运算器输入设备存储器 输出设备 控制器数据/程序 结果图2.1.5 微型计算机的基本组成 2.数据、指令均以二进制代码形式不加区别放在存储器中，计算机自动区分。

3.编好的程序事先存入存储器。

指令：命令计算机完成某种基本操作的代码程序：能完成某项任务的指令序列2.1.3 计算机的性能指标字节：计算机存储信息的基本单位，Byte字长：计算机处理信息的基本单位，一个Word中所包含二进制数据位数。

存储容量：存储单元——以字节为单位存储单元地址——地址总线宽度决定存储容量——存储器能够存放信息的最大字节数指令系统：一台计算机所固有的基本操作指令的集合指令条数，一条指令的功能强弱运算速度：完成一个具体任务所用时间；每秒执行基本指令的条数。

百万条指令/秒（MIPS）计算机主频——时钟频率系统配置：外设；软件2.1.4 CISC和RISCCISC技术和RISC技术是以计算机指令系统的优化方法来分类而形成的技术概念，它们代表着目前计算机指令系统的两个截然不同的优化方向。

优化方法之一是增强计算机指令系统的功能，即设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的，常用的功能改用硬件的指令系统实现，以提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer），简称CISC 另一种优化方法是在80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机（压缩指令系统计算机），即（Reduced Instruction Set Computer），简称RISC。

RISC具有简单的指令集，指令少、指令码等长，寻址方式少、指令功能简单；通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，从而提高计算机的工作主频。

同时CPU配备大量的通用寄存器（常称为寄存器文件register file），以编译技术优化寄存器的使用，来提高子程序执行的速度。

强调对指令流水线的优化,采用超标量和超级流水线。

所以一般RISC计算机的速度是同等CISC计算机的3 倍左右。

2.1.5 流水线技术流水线技术是一种同时进行若干操作的并行处理方式。

类似于工厂的流水作业装配线。

在计算机中把CPU的一个操作(分析指令，加工数据等)进一步分解成多个可以单独处理的子操作，使每个子操作在一个专门的硬件上执行，这样，一个操作需顺序地经过流水线中多个硬件的处理才能完成。

但前后连续的几个操作可以依次流入流水线中，在各个硬件间重叠执行，这种操作的重叠提高了CPU的效率。

1、标量流水工作原理通常CPU按顺序方式执行指令，执行完一条指令后，才取出下一条指令来执行，而且，一条机器指令内各个微操作也是顺序串行执行的。

顺序执行的优点是控制简单，但机器各部分的利用率不高。

图2.1.6 一次重叠方式假如把两条指令或若干条指令在时间上重叠起来将大幅度提高程序的执行速度。

下图示出了一次重叠方式。

所谓“一次重叠”指的是任何时候都只是“执行K”与“分析K+1”重叠。

由于这两个子过程是分别由分析和执行两个独立部件实现的，所以就不必等待上一条指令的“分析”、“执行”子过程都完成后才送入下一条指令，而是可以在上条指令的“分析”子过程结束，转入“执行”子过程时，就可接收下一条指令进入“分析”子过程。

这样，机器的吞图2.1.7 指令执行时空图吐率(这里指单位时间内机器所能处理的指令数或是机器能输出的结果数量)，就由于把执行一条指令的过程分解成二个子过程而提高一倍。

显然，上述“重叠”和“流水”在概念上是密切联系的。

可以这样看：“一次重叠”和“流水”的差别在于前者把一条指令的执行过程只分解为二个子过程，而后者则是分解成更多个子过程。

也就是说，标量流水是重叠方式的进一步发展。

若把执行一条指令分解成“取指令码”、“指令译码”、“取操作数”和“执行”子过程，则指令执行时空图如右图所示。

当流水线正常流动时，是每隔△t（=t i+1-t i）就会流出一个结果；然而，在指令刚开始流动时，情况并不如此，由图可看出，在t4之前(即首条指令流入后的4△t时间内)流水线并没有流出任何结果。

也就是说，对首条指令来讲，流水方式和顺序方式是一样的。

以上讨论的是指令执行流水线，经常采用的还有运算操作流水线，在这种流水线中，把运算操作分成几个子过程，每个子过程设置专门的逻辑电路完成指定的操作。

和上述原理类似，可实现几个子过程并行处理。

2、超流水线超标量方法超流水线是指某些CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14 步，PⅣ为20步。

将流水线设计的步(级)数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。

超标量(Super Scalar)是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。

一般地，超级标量机具有如下特点：(1) 配置有多个性能不同的处理部件，采用多条流水线并行处理。

(2) 能同时对若干条指令进行译码，将可以并行执行的指令送往不同的执行部件，从而达到在每个周期启动多条指令的目的。

(3) 在程序运行期间，由硬件(通常是状态记录部件和调度部件)来完成指令调度。

从原理上讲，超级标量机主要是借助硬件资源重复(例如有两套译码器和ALU等)来实现空间的并行操作。

小结：2.计算机的基本结构及工作原理3. 计算机的性能指标4.CISC和RISC，流水线技术2.2 微型计算机图2.2.1 计算机系统组成2.2.1微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器（Microprocessor）——采用大规模集成技术、在一片(或几片)芯片上集成的计算机中央处理器CPU——大、中型计算机的中央处理器微型计算机（Micro Computer）——以微处理器为基础, 配以存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及其他配套电路构成的裸机微型计算机系统（Micro Computer System）2.2.2微处理器的发展微处理器（Micro Processing Unit），即微型化的中央处理器。