微机原理及应用(第1章)

还成功地推出了数值协同处理
器80387（亦称浮点运算部件
）。
6．第四代微处理器——32位的80486
80486处理器与1989年4月正式发布，这是一款在一个芯片内集 成了120万个晶体管的CPU。它使Intel第一次将微处理器的晶体管的 集成数目突破100万只，它不仅将浮点运算部件集成进芯片之内，同 时还把大小为8KB的一级高缓冲存储器Cache也集成在CPU芯片内。 （在CPU与内存之间设计一个容量较小速度很快的高速缓存，平时 存放的是最频繁使用的指令和数据）。这种集成大大地加快了指令执 行的速度，使指令平均执行时间由80386的4.5个时钟周期，降低到 80486的1.8个时钟周期。486引进了时钟倍频技术（即用一种特殊电 路使得大多数内部部件以输入时钟的倍频工作）但外部总线仍以外部 时钟频率工作，使得80486可以和低速器件相接，同时使主频超过 100MHz变为可能，倍频技术在后继CPU中一直沿用。
微处理器的品质决定了微型计算机的性能，所以微处
理器的发展历程也是微型计算机的发展历史。
二.微处理器的发展历程
美国Intel公司于1971年成功开发出全球第一块微处理 器4004芯片，这一芯片最初被应用于一种计算器中。这一 创举也开始了人类将智能内嵌于无生命设备的历程。 1 . 全球第一块微处理器——4004 4004主要用于处理算术运算，它集成了2300多个晶体 管，具有4位带宽，工作频率为108KHz，指令平均执行速 度仅为0.06MIPS。Intel公司于1972年又推出了8008芯片 ，8008芯片是4004的翻版，但是数据总线是8位，代表了8 位机时代的开始。
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一、计算机的诞生
1945年冯· 诺依曼第一次提出了计算机组成和工作方 式的基本思想： （1） 计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设 备五大部分组成； （2）数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存 储器中，地址码也是二进制形式，计算机能自动区别指令 和数据； （3）编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在 存储器中的指令序列（即程序）来工作，由程序计数器（ PC，Program Counter）控制指令的执行顺序。控制器具 有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。
10．二代奔腾——Pentium Ⅱ
1997年5月Intel推出了与Pentium Pro同一档次的Pentium Ⅱ。 Pentium Ⅱ中集成了750万个晶体管。Pentium Ⅱ采用Pentium Pro相 同的核心结构。Pentium Ⅱ比Pentium Pro 增加了MMX指令，采用 了0.28μm的制造工艺，因此加快了这些晶体管的操作速度。一级缓
8．第五代高性能奔腾 ——Pentium Pro
Pentium Pro
Intel于1996年推出了新X86系 列CPU——Pentium Pro。 Pentium Pro内部集成了550万个晶 体管，内部时钟频率为133MHz。 Pentium Pro内的一级（片内）缓 存Cache大小也只有16KB。但 Pentium的封装中，Pentium Pro 芯片外，还包括了一个256KB的二 级缓存。两个芯片间用高频宽的 内部通信线互连，处理器与高速 缓冲存储器Cache的连接线路也被 安置于该封装中，这样就使得高 速缓冲存储器能更容易地运行在 更高的频率上。
12．Pentium 4
2000年7月Intel公司发布了代号为Willamette的 Pentium 4微处理器，采用的是NetBurst的新式处理机结 构。Pentium 4在数据加密、视频压缩和对等网络等方面 的性能有了较大幅度的提高，主频从1.4GHZ起步，外频 为400MHZ，使用SSE2指令集，新增加144条指令（主要 用来增强微处理器视频和音频方面的多媒体性能）。
一、计算机的诞生
微处理器出现于20世纪70年代，是大规模集成电路发 展的产物。在这之前，计算机的发展经历了电子计算机时 期、晶体管计算机时期、中小规模集成电路计算机时期。 将计算机中的运算器和控制器集成在一片硅片上制成 的集成电路作为微型计算机的中央处理部件（Central Processing Unit，CPU），称为微处理器。 微型计算机是以微处理器为核心，再配上适量内存和 接口电路组成。
效率不高，但是它在微型计算机的历史上有着重要的意义。
பைடு நூலகம்
一、计算机的诞生
1947年贝尔实验室Shockley博士发明了被誉为“20世纪最伟大发明”的晶体 管。晶体管与电子管相比体积小、功耗低、载流子运行速度高，它开辟了电子 时代的新纪元 1949年，英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机 EDSAC（Electronic Discrete Sequential Automatic Computer）；美国则于1950 年制成了东部标准自动计算机SEAC（Standard Eastern Automatic Computer） 。至此，电子计算机发展的萌芽时期基本结束，开始了现代计算机的发展时期 。 从1958年开始，计算机用晶体管取代了电子管，这也使得计算机体积缩小、 功耗降低、性能提高。
3 . 第三代微处理器——16位的8086
Intel于1978年推出了16位CPU——8086，它的出现成为20世纪70年代 微处理器发展史上的里程碑。与此同时，MOTOROLA公司推出了MC68000 ，ZILOG公司推出了Z8000。 Intel8086是真正意义上的16位微处理器，其内部集成了29000个晶体管 ，主频速率分别是5MHz/8MHz/10MHz，寻址空间达到了1MB。MC68000内 部集成了68000个晶体管，Z8000内部集成了17500个晶体管。这些微处理器 的性能比第二代微处理器性能得到了较大提高，这些微处理器的指令系统更 加丰富。以这些微处理器为核心的微机系统采用了多处理器系统、中断技术 和存储器分段管理等技术，使得微处理器的发展迈向一个新台阶。 为了方便原来8位机用户的习惯，Intel推出了8086后不久便又推出了 8088，8088是8086的一个简化版本，其内部结构仍为16位，但外部数据线是 8位。1979年Intel公司这两款CPU得到了蓝色巨人IBM的青睐，IBM采用 Intel的8086与8088作为个人计算机IBM—PC的CPU，个人计算机PC时代从 此诞生。
2 .新一代的微处理器——8080
微处理器问世以后，众多公司开始着手研制微处理 器，相继形成了Intel公司、Motorola公司、Zilog公司三家 公司为代表。继4004和8008之后，Intel加大了在微处理器 上开发的研制力度。在1974年又推出了新一代微处理器 8080。8080集成了6000个晶体管，其时钟频率为2MHz。 8080是一个划时代的产品，它的诞生使得Intel有了真正意 义上的CPU。与此同时，MOTOROLA研制出了MC6800 ，ZILOG公司研制出了Z80，其内部集成了9000个晶体管 ，时钟频率达到了2MHz，它们是高性能的8位微处理器 。
9．第五代多能奔腾
Intel于1996年底又推出了Pentium的改进版本，也就是通常说的 Pentium MMX（多能奔腾）。MMX技术是Intel发明的一项多媒体增 强指令技术，它的英文全称可译成“多媒体扩展指令集”。MMX是 Intel公司在1996年为增强Pentium CPU在音像图形和通信方面而采用 的新技术，它除了增加了57条MMX指令外，还将CPU芯片内的一级 高速缓存由原来的16KB增加到32KB，因此带有MMX指令功能的 CPU比普通CPU在运行含MMX指令的程序时，处理多媒体能力提高 了60%左右。MMX技术不但是个创新，而且开创了CPU开发的新纪 元。在1999年被评为最受欢迎的CPU。Pentium MMX系列主频有3种 ：166MHz、200MHz、233MHz。
三、未来微处理器的发展方向
在计算机发展的初期，处理器性能的提高主要是为了满足科学 和工程计算的需求，非常重视浮点运算能力；而且主频不是很高，功 耗的问题不是很突出。随着Internet和媒体技术的迅猛发展，网络服
务和移动计算逐渐成为一种非常重要的计算模式，这一新的计算模式
迫切要求微处理器具有响应实时性、处理流式数据类型的能力、支持 数据级和线程级并行性、更高的存储和I/O带宽、低功耗、设计的可
存由16KB增加为32KB，二级缓存增加到512KB，在WINDOWS NT
下性能比Pentium Pro（配有256KB二级缓存）超出大约25%。
Pentium Ⅱ首次采用了Slot 1接口标准。
11．Pentium
Ⅲ
Pentium Ⅲ被称为“多能奔腾二代微处理器”，Intel公司于 1999年2月发布了P Ⅲ芯片。P Ⅲ作为专为提高用户互联网计算体验 而设计的微处理器，使用户尽享丰富的音频、视频、动画和栩栩如生 的三维效果。1999年10月Intel公司率先采用了0.18μm工艺技术，主 频达到733MHZ，芯片内部集成了2800万个晶体管，体积变小，耗能 更低，而性能更强，大幅提高了浮点运算的能力，P Ⅲ由于增加了 MMX指令，其浮点运算和三维处理方面的能力明显增强。
7．第五代微处理器——64位的Pentium
Intel于1993年推出了全新一代的高性能微处理器Pentium，Pentium是 拉丁文“五”Pente和元素周期表公用后缀——IUM组合而成。其定义是 Pentium为该公司的第五代产品，人们给它起了个好听的名字“奔腾”。 Pentium芯片内部集成了310万个晶体管，单是最初版本的66MHz的奔腾运算 性能就比33MHz的80486DX快6—8倍。较后继的奔腾，这种奔腾又叫经典奔 腾（Classic Pentium）。 作为世界上第一个586处理器，Pentium也是第一个超频最多的微处理器 ，由于Pentium的制造工艺优良，所以整个系列的CPU的浮点性能也是CPU 中最强的，可超频性能最大。Pentium家族中芯片的频率为60MHz、66MHz 、75MHz、90MHz、100MHz、120MHz、133MHz、150MHz、166MHz、 200MHz。Pentium内部配置大小为16KB的一级高速缓冲存储器Cache，这样 使得Pentium的处理能力更加强大。
微机原理及应用
杨杰 王亭岭 主编 李素萍 张晋华 许兰贵 胡铁红 副主编 郝用兴 主审

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第 1章
微型计算机基础知识
学习目标：

了解微处理器的发展


掌握计算机数制间的转换
理解内存地址与内存内容间的区别
1.1 微处理器的发展
一、计算机的诞生 二、微处理器的发展历程 三、未来微处理器的发展方向
4、第三代微处理器——16位的80286
80286芯片于1982年2月1日 正式发布，总线带宽为16位， 集成了13万多个晶体管，因此 性能有了很大提高，主频达到 了20MHz，指令平均执行速度 为1.5MIPS，该处理器内部采 用存储管理部件，使得系统有 限资源能用于多任务软件。而 80286的24位地址总线使得它可 以访问到16MB的地址空间。 IBM PC/AT机采用80286作为 微处理器，并采用支持16位数 据传输的ISA总线标准。
一、计算机的诞生
1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）在美国宾州宾夕法尼亚大学诞 生。ENIAC占地面积150m2，重量为30t，使用了18000多个电子管， 功率为150KW，运算速度为5000次每秒。该计算机体积庞大，运行
80286：
5．第四代微处理器——32位的80386
为了支持图形用户接口（
GUI），1985年10月， Intel推 出了它的第四代微处理器80386
80386:
。80386是一块集成了27.5万个
晶体管的全32位微处理器，其 时钟频率为33MHz，数据总线
与地址总线均是32位，具有
4GB的物理寻址能力。为了加 快浮点操作速度，与此同时，