大工16秋《计算机原理》辅导资料七

计算机原理辅导资料七
主题：第六章第五—九节“CPU发展历程”、“硬连线控制器”的相关知识
学习时间：2016年11月14日--11月20日
内容：
我们这周主要学习第六章第五—九节CPU的相关知识。

希望通过这五节内容的学习能使同学们进一步掌握计算机CPU的相关知识。

一、学习要求
1．了解CPU的发展历程；
2．掌握硬连线控制器。

二、主要内容
（一） CPU的发展历史
1．X86时代的CPU
CPU的溯源可以一直到1971年。

在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL 公司推出了世界上第一台微处理器4004。

这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器i4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。

可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU 的发展历程，就通过它来展开的“CPU历史之旅”。

1978年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。

由于这些指令集应用于 i8086和i8087，所以人们也将这些指令集统一称之为X86指令集。

虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的X86指令，而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。

至于在后来发展壮大的其他公司，例如AMD和Cyrix等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU 命名，但到了586时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。

1979年，INTEL公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。

8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位。

1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代。

也正是从8088开始，PC（personal computer——个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。

1982年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，INTEL已经推出了划时代的最新产品80286芯片，该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz 逐步提高到20MHz。

其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻
址16MB内存。

从80286开始，CPU的工作方式也演变出两种来：实模式和保护模式。

2．Intel80286处理器
1985年INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。

80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。

它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。

除了标准的80386芯片，也就是经常说的80386DX外，出于不同的市场和应用考虑，INTEL又陆续推出了一些其它类型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。

1988年推出的80386SX 是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片，其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同，分别是16位和24位(即寻址能力为16MB)。

1990年推出的80386SL和80386 DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。

80386SL与80386 DL的不同在于前者是基于80386SX 的，后者是基于80386DX的，但两者都增加了一种新的工作方式：系统管理方式。

当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“休眠”状态，以达到节能目的。

1989年，大家耳熟能详的80486 芯片由INTEL推出，这种芯片的伟大之处就在于它突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。

80486的时钟频率从25MHz 逐步提高到33MHz、50MHz。

80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。

它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。

由于这些改进，80486 的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。

80486和80386一样，也陆续出现了几种类型。

上面介绍的最初类型是80486DX。

1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。

80486 DX2由系用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通讯。

80486 DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。

80486DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。

为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到16KB。

80486 DX4的时钟频率为100MHz，其运行速度比66MHz的80486 DX2快40%。

80486也有SL增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。

（二）硬连线控制器
硬连线控制器，是由基本逻辑电路组成的，对指令中的操作码进行译码，并产生相应的时序控制信号的部件，又称组合逻辑控制器。

硬连线控制器由指令部件、地址部件、时序部件、操作控制部件和中断控制部件等组成(参见“中央处理器”条目中的控制器部分)。

其中操作控制部件用来产生各种操作控制命令，它根据指令要求和指令流程，按照一定顺序发出各种控制命令。

操作控制部件的输人信号有:指令译码器的输出信号、时序信号和运算结果标志状态信号等。

设计时根据指令流程、操作时间表得到各种操作控制命令的逻辑表达式，可采用由基本逻辑电路（与门、或门、与非门等）组成的逻辑网络来实现。

也可采用可编程逻辑器件PLD来实现。

PLD的“与”阵列及“或”阵列和操作控制命令的“与
一或”逻辑表达式相对应，为设计组合逻辑控制器提供了一种理想器件。

80年代出现的通用阵列逻辑电路具有与可编程逻辑器件PLD类似的结构，它不但可编程并且是可擦除的，为设计提供了更大的灵活性。

组合逻辑控制器的最大优点是速度快。

但因其线路复杂而且不规整，不便于调试、维护、修改，也不便于仿真不同的机器的指令集。

三、习题
（一）选择题
1.CPU中也有一个类似作息时间的东西，我们称之为（）。

A.信号
B.时钟
C.时序信号
D.节拍
答案：C
2.一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做（）。

A.微命令
B.微程序
C.程序
D.微指令
答案：B
（二）判断题
1．CPU的基本组成部分包括运算器、Cache、控制器。

答案：正确
2．一个算术运算产生一个判决。

答案：错误
（三）简答题
简述CPU维护的相关知识。

答：因此对于CPU的维护，主要是解决散热的问题。

这里建议不要超频，或者不要超频太高。

在超频的时候，也须一次超一个档位地进行，而不要一次过就大幅度提高CPU的频率。

只因为超频都具有一定的危险性，如果一次超得太高，会容易出现烧坏CPU的意外。

另外，如果CPU超频太高也会容易产生CPU电压在加压的时候不能控制的现象，这时当电压的范围超过10%的时候，就会对CPU造成很大的伤害。

只因增加了CPU的内核电压，就直接增加了内核的电流，这种电流的增加会产生电子迁移现象，从而缩短了CPU的寿命，甚至导致CPU内伤而烧毁。

要解决CPU的散热问题，我们可以通过不要超频太高（从维护角度来看，最好不要超频），与及采用更良好的散热措施的方法。

其中，散热措施可以为CPU 改装一把强劲的风扇，让机箱风扇与电源的抽风风扇形成对流，使用主机能够得到更良好的通风环境。

另外，由于CPU风扇与及风扇下面的散热片是负责通风散热的工作，要不断旋转使平静的空气形成风，因此对于空气中的灰尘也接触得较多，这样就容易在风扇与及散热片上囤积灰尘影响风扇的转速与及使到散热不佳了。

所以使用一段时间后，要及时清除CPU风扇与散热片上的灰尘。

除以上所述之外，对于CPU的维护还需要将BIOS的参数设置正确，以及不要在操作系统上同时运行太多的应用程序，导致系统繁忙等的维护措施与应用习惯。

这是因为BIOS参数设置不正确，与及同时运行太多应用程序的话，会容易导致CPU工作不正常或工作量过大，从而使到CPU在运转的过程中产生大量热量，这样就加快了CPU的磨损，以及也容易导致死机现象的出现。

四、知识扩展
（一）操作系统的发展史
从1946年诞生第一台电子计算机以来，它的每一代进化都以减少成本、缩小体积、降低功耗、增大容量和提高性能为目标，随着计算机硬件的发展，同时也加速了操作系统(简称OS)的形成和发展。

1．早期的操作系统
最初的电脑并没有操作系统，人们通过各种操作按钮来控制计算机，后来出现了汇编语言，操作人员通过有孔的纸带将程序输入电脑进行编译。

这些将语言内置的电脑只能由操作人员自己编写程序来运行，不利于设备、程序的共用。

为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就很好实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理。

随着计算技术和大规模集成电路的发展，微型计算机迅速发展起来。

从20世纪70年代中期开始出现了计算机操作系统。

1976年，美国DIGITAL RESEARCH 软件公司研制出8位的CP/M操作系统。

这个系统允许用户通过控制台的键盘对系统进行控制和管理，其主要功能是对文件信息进行管理，以实现硬盘文件或其他设备文件的自动存取。

此后出现的一些8位操作系统多采用CP/M结构。

2．DOS操作系统
计算机操作系统的发展经历了两个阶段。

第一个阶段为单用户、单任务的操作系统，继CP/M操作系统之后，还出现了C-DOS、M-DOS、TRS-DOS、S-DOS和MS-DOS等磁盘操作系统。

其中值得一提的是MS-DOS，它是在IBM-PC及其兼容机上运行的操作系统，它起源于SCP86-DOS，是1980年基于8086微处理器而设计的单用户操作系统。

后来，微软公司获得了该操作系统的专利权，配备在IBM-PC机上，并命名为PC-DOS。

1981年，微软的MS-DOS 1.0版与IBM的PC面世，这是第一个实际应用的16位操作系统。

微型计算机进入一个新的纪元。

1987年，微软发布MS-DOS 3.3版本，是非常成熟可靠的DOS版本，微软取得个人操作系统的霸主地位。

从1981年问世至今，DOS经历了7次大的版本升级，从1.0版到现在的7.0版，不断地改进和完善。

但是，DOS系统的单用户、单任务、字符界面和16位的大格局没有变化，因此它对于内存的管理也局限在640KB的范围内。

3．操作系统新时代
计算机操作系统发展的第二个阶段是多用户多道作业和分时系统。

其典型代表有UNIX、XENIX、OS/2以及Windows操作系统。

分时的多用户、多任务、树形结构的文件系统以及重定向和管道是UNIX的三大特点。

OS/2采用图形界面，它本身是一个32位系统，不仅可以处理32位OS/2系统的应用软件，也可以运行16位DOS和Windows软件。

它将多任务管理、图形窗口管理、通信管理和数据库管理融为一体。

Windows是Microsoft公司在1985年11月发布的第一代窗口式多任务系统，它使PC机开始进入了所谓的图形用户界面时代。

Windows 1.x版是一个具有多窗口及多任务功能的版本，但由于当时的硬件平台为PC/XT，速度很慢，所以Windows 1.x版本并未十分流行。

1987年底，Microsoft公司又推出了MS-Windows 2.x版，它具有窗口重叠功能，窗口大小也可以调整，并可把扩展内存和扩充内
存作为磁盘高速缓存，从而提高了整台计算机的性能，此外它还提供了众多的应用程序。

1990年，Microsoft公司推出了Windows 3.0，它的功能进一步加强，具有强大的内存管理，且提供了数量相当多的Windows应用软件，因此成为386、486微机新的操作系统标准。

随后，Windows发表3.1版，而且推出了相应的中文版。

3.1版较之3.0版增加了一些新的功能，受到了用户欢迎，是当时最流行的Windows版本。

1995年，Microsoft公司推出了Windows 95。

在此之前的Windows 都是由DOS引导的，也就是说它们还不是一个完全独立的系统，而Windows 95是一个完全独立的系统，并在很多方面做了进一步的改进，还集成了网络功能和即插即用功能，是一个全新的32位操作系统。

1998年，Microsoft公司推出了Windows 95的改进版Windows 98，Windows 98的一个最大特点就是把微软的Internet浏览器技术整合到了Windows 95里面，使得访问Internet资源就像访问本地硬盘一样方便，从而更好地满足了人们越来越多的访问Internet资源的需要。

Windows 98已经成为目前实际使用的主流操作系统。

从微软1985年推出Windows 1.0以来，Windows系统从最初运行在DOS下的Windows 3.x，到现在风靡全球的Windows 9x/Me/2000/NT/XP，几乎成为了操作系统的代名词。

4．操作系统Linux
Linux是目前全球最大的一个自由软件，它是一个可与UNIX和Windows相媲美的操作系统，具有完备的网络功能。

Linux最初由芬兰人Linus Torvalds开发，其源程序在Internet网上公布以后，引起了全球电脑爱好者的开发热情，许多人下载该源程序并按自己的意愿完善某一方面的功能，再发回到网上，Linux也因此被雕琢成为一个全球最稳定的、最有发展前景的操作系统。

从发展前景上看，Linux取代UNIX和Windows还为时过早，但一个稳定性、灵活性和易用性都非常好的软件，肯定会得到越来越广泛的应用。

（二）可编程逻辑器
可编程逻辑器件英文全称为：programmable logic device 即 PLD。

PLD是作为一种通用集成电路产生的，它的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。

一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。

这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。

特点
PLD与一般数字芯片不同的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样，都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。