(第1讲)第1章-微型计算机系统
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称为裸机
外围设备 软件
系统软件 应用软件
微处理器、微型计算机、微型计算机的系统
微型计算机系统
微处理器 微型计算机
运算器 控制器
寄存器组 内部总线 内存储器 输入输出 接口电路 外部设备 软件 系统总线
操作系统
Operating System (OS)
加里· 基尔代尔——“DOS之父”
内存 OR 外存 磁盘、光盘、U盘、硬盘等存储器等构成 相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢 高性能微机的存储系统
√
主存储器、辅助存储器 微处理器内部的寄存器（Register） 高速缓冲存储器（Cache）
内存和外存的差别
CPU要用外存中的信息
必须先将信息传送到内存中
计算机的抽象定义
通用计算机设想 存在任何计算机都无法 解决的问题
运算器、控制器、存储器、 输入和输出设备 存储程序的工作原理
计算机工作原理
存储程序计算机硬件结构
控制器
输入设备
运算器
输出设备
指令流
存储器
控制命令 数据流
微处理器： 微机的运算和控制核心 MPU（Micro Processing Unit 或
最早创造了磁盘操作系统（DOS - Disk Operation System）
最早为A盘、B盘和C盘（CD-ROM）编写了驱动程序
图形用户界面（GUI）的先驱之一 开发了DrLogo计算机语言 首创了世界上第一个实用的软件API Basic程序的发明者
提出Bios概念
基本输入输出系统 加里·基尔代尔
Microprocessor），也称 CPU（Central Processing Unit)
计算机存储程序的工作原理
把程序本身当作数据来对待
同样的方式储存
程序和数据→内存储器
执行程序前
在执行程序时
不断地 取指令 执行指令 保存结果
CPU根据当前程序指针的内容取出指令 再取出下一条指令并执行
采用 Intel 4004 的计算器
ETI计算器公司的目标
计算器芯片 通用计算机芯片
特德.霍夫的目标
计算器=4004+程序存储器+数据存储器+移位寄存器+键盘+数码管
4004芯片的广告 "宣告集成电子产品新纪元——
装在一块芯片上的可编制程序的计算机！"
微处理器之父--特德· 霍夫
特德· 霍夫（1937.10.28~），1937年出生在美国纽
Unix
Linux
Mac OS X
……
“ 微 型 计 算 机 系 统 ”
的 基 本 组 成
CPU 和 PC的发展
微机原理及应用
微机——微型计算机
PC，Personal Computer
PC
微机、微处理器、操作系统 三者关系？
两个关键
微处理器
——英特尔
特德.霍夫
操作系统
DOS操作系统 ——微软
加里· 基尔代尔
PC业的最大赢家：微软和英特尔
人和公司
特德.霍夫 加里·基尔代尔
比尔· 盖茨 保罗· 艾伦
1941年，“ENIAC”的发明者之一莫科里在阿坦纳索夫家 借住5天，借此机会盗取了研究成果及想法，之后与埃克 特一起制造了“ENIAC”并申请了专利，被世人称为“现 代计算机之父”而阿坦纳索夫并未重视自己的重大发明 “ABC”，学校也没有重视此项发明，并拆掉了“ABC”。 后经过美国法院判决，推翻并吊销了莫科里的专利，“现 代计算机的基本想法是来自约翰-文森特-阿坦纳索夫”。
ENIAC-第一台疑问
世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学的约 翰· 文森特· 阿坦纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他 的研究生克利福特· 贝瑞（CliffordBerry）先生在1937年至 1941年间开发的“阿坦纳索夫-贝瑞计算机（AtanasoffBerryComputer，简称ABC）”。
I/O端口的地址
“微型计算机”的基本组成
主板
主板
内存条插槽
ATA接口 （光驱、硬盘接口）
PCI插槽 (声卡、网卡、 CPU插槽 电视卡等)
AGP插槽
“微型计算机系统”的基本组成
微型计算机
微处理器
运算器、控制器、寄存器组、内部总线
内存储器、输入输出接口电路、系统总线 微型计算机如果不配有软件
专用微处理器
MCU ：常用于控制领域
单片机（Single
Chip Microcomputer）
Controller）
微控制器（Micro
嵌入式控制器（Embedded）
生产商：英特尔（Intel）、爱特梅尔（Atmel）等
DSP：专注于数字信号的高速处理
数字信号处理器（Digital
数据总线（DATA Bus, DB） 读（Read）：操作数据输入CPU 写（Write）：操作数据输出到外界（主存或外设） 控制总线（Control Bus, CB） 输出：有些控制信号或状态信号 输入：有些请求或联络信号 输入、输出
AB与CPU寻址范围的关系
处理器总线，CPU引脚 AB
Signal Processor）
生产商：美国德州仪器公司（TI）
巨型机
计算机
小型机
通用微机
微型机 单片机
超级计算机指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速 运算的电脑，其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格 与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处 理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外 围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大 都可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上。 超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大 的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家 科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意 义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。（看视频资料）
执行指令后
如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行
微处理器的基本性能指标
字长
数据宽度微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数
例如：一次进行运算、传输的位数 字长越长，计算能力越高，速度越快 微处理器的基本时间单位 微处理器的处理速度，主频越高，运算速度越快 表明微处理器的生产工艺水平 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
特德.霍夫的设想——微型、通用、计算机芯片
加大芯片集成度，功能随之增强
复杂的输入输出信号
输入信号
集成电路的指令
输出信号
送出数据 控制其它芯片和装置
特德.霍夫设计的基础
图灵 “人工智能之父”
冯· 诺依曼 “电子计算机之父 ”
1936年 《可计算数学》
1946年 计算机组成
微型计算机的结构——应用角度
微 处 理 器
系统总线BUS
地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
存储器
I/O接口 I/O设备
微型计算机的系统组成
CPU 数据、指令 控 制 信 号 数 据 结 果
运算器 控制器
数据结果
内存条
数据、指令
存储器
数据结果
硬盘 打印机
U盘
输入 输出 设备
数据、指令
微处理器
约州的曼彻斯特，微处理器（CPU）之父。
1971年11月15日，英特尔公司发布世界上首枚微
处理器芯片Intel 4004，该芯片上集 成了两千个晶
体管，处理能力相当于世界上第一台计算机。这 颗微处理器的总设计师就是特德· 霍夫（Ted
Hoff），他因发明了微处理器，被英国《经济学
家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的 科学家之一”。
个数 m，能访问的存储单元或I/O端口个数：2m 存储单元按字节（Byte，B）划分
即，每个存储单元能存1个字节数据
CPU可访问(寻址)的存储器(内存/主存)容量： 2mB
)B
例：m=15，则可访问存储器容量为：( 215 或 5K 215
存储容量数据表达 1KB＝210 B＝1024 B 1MB＝220 B＝1024 KB 1GB＝230 B＝1024 MB
中央处理器 CPU：微机的运算和控制中心
包含
控制器 运算器（整数运算器）
Байду номын сангаас
寄存器（高速存储单元）
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 Cache ……
高性能 CPU 内部还有
存储器
存储器（Memory）：存放程序和数据的部件 计算机运行时， 主板上的主存储器（主存、内存） 半导体存储器芯片组成（RAM部分断电后信息丢失） CPU从哪里取指令和数据？ 相对造价高、速度快、但容量小 以外设形式出现的辅助存储器（辅存或外存）
只读存储器ROM(Read Only Memory)
(a)只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入
(b)存储微机系统管理程序BIOS等(芯片制造时写入)
I/O 接口和I/O设备
I/O设备（Peripheral） ：人机交互
I/O接口（Interface） ：外设和主机间的桥梁
为什么需要 O（Output）设备：显示器、打印机 这些功能？
安装位置
I（Input）设备：键盘、鼠标
功能：信号变换、数据缓冲、联络控制
与主板一体：较简单的I/O接口电路 插在主板上：较复杂的I/O接口电路制成独立的电路
板（接口卡Card）
系统总线
总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道 系统总线（System Bus） 地址总线（Address Bus, AB） 输出（单向）：主存单元或I/O端口的地址信息
内存
外存
集成芯片，价格高
容量小 断电，信息大部分丢失
价格低
容量大 断电，信息不丢失
CPU可以直接访问
存放当前正在使用或经 常使用的程序和数据
CPU不能直接访问
存放暂时不用的程序和 数据
内存分类
随机存取存储器RAM(Random Access Memory) (a)可以被CPU随机地读和写，又称为读写存储器 (b)用来暂时存储用户输入的数据与程序
微处理器
Central Processing Unit （ CPU )
特德.霍夫 与 微处理器
世界上首枚微处理器芯片
“二战”以 ENIAC Integrator Intel 4004，英特尔， 1971— 年Electronic Numerical 来最有影响 的科学家之 集成了两千个晶体管 一 4位
微软的Windows操作系统
第一代：Windows 1.0
第二代：Windows 2.0
第三代：Windows 3.0/3.1
第四代：Windows 95/98/98SE/ME
第五代：Windows 2000/XP 第六代：Windows Vista 第七代：Windows 7
其他操作系统
45条指令 处理能力接近于世界上第一台计算机（1946年ENIA）
做计算器（受日本ETI计算器公司的委托）
ENIAC
在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院揭幕典礼。就是世 界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）。这 个庞然大物占地面积达170平方米，重达30吨。在揭幕仪 式上，“埃尼阿克”为来宾表演了它的“绝招”----—分 别在1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算，这 比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。 ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积约63平方米，30个 操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电 量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468真空管7,200 水晶 二极管, 1,500中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器， 1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400 次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。
时钟频率
集成度
微处理器的基本性能指标
通用微处理器
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） 32位微处理器 80386，80486，Pentium～Pentium 4 32位PC机，APPLE公司的Macintosh机 64位微处理器
外围设备 软件
系统软件 应用软件
微处理器、微型计算机、微型计算机的系统
微型计算机系统
微处理器 微型计算机
运算器 控制器
寄存器组 内部总线 内存储器 输入输出 接口电路 外部设备 软件 系统总线
操作系统
Operating System (OS)
加里· 基尔代尔——“DOS之父”
内存 OR 外存 磁盘、光盘、U盘、硬盘等存储器等构成 相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢 高性能微机的存储系统
√
主存储器、辅助存储器 微处理器内部的寄存器（Register） 高速缓冲存储器（Cache）
内存和外存的差别
CPU要用外存中的信息
必须先将信息传送到内存中
计算机的抽象定义
通用计算机设想 存在任何计算机都无法 解决的问题
运算器、控制器、存储器、 输入和输出设备 存储程序的工作原理
计算机工作原理
存储程序计算机硬件结构
控制器
输入设备
运算器
输出设备
指令流
存储器
控制命令 数据流
微处理器： 微机的运算和控制核心 MPU（Micro Processing Unit 或
最早创造了磁盘操作系统（DOS - Disk Operation System）
最早为A盘、B盘和C盘（CD-ROM）编写了驱动程序
图形用户界面（GUI）的先驱之一 开发了DrLogo计算机语言 首创了世界上第一个实用的软件API Basic程序的发明者
提出Bios概念
基本输入输出系统 加里·基尔代尔
Microprocessor），也称 CPU（Central Processing Unit)
计算机存储程序的工作原理
把程序本身当作数据来对待
同样的方式储存
程序和数据→内存储器
执行程序前
在执行程序时
不断地 取指令 执行指令 保存结果
CPU根据当前程序指针的内容取出指令 再取出下一条指令并执行
采用 Intel 4004 的计算器
ETI计算器公司的目标
计算器芯片 通用计算机芯片
特德.霍夫的目标
计算器=4004+程序存储器+数据存储器+移位寄存器+键盘+数码管
4004芯片的广告 "宣告集成电子产品新纪元——
装在一块芯片上的可编制程序的计算机！"
微处理器之父--特德· 霍夫
特德· 霍夫（1937.10.28~），1937年出生在美国纽
Unix
Linux
Mac OS X
……
“ 微 型 计 算 机 系 统 ”
的 基 本 组 成
CPU 和 PC的发展
微机原理及应用
微机——微型计算机
PC，Personal Computer
PC
微机、微处理器、操作系统 三者关系？
两个关键
微处理器
——英特尔
特德.霍夫
操作系统
DOS操作系统 ——微软
加里· 基尔代尔
PC业的最大赢家：微软和英特尔
人和公司
特德.霍夫 加里·基尔代尔
比尔· 盖茨 保罗· 艾伦
1941年，“ENIAC”的发明者之一莫科里在阿坦纳索夫家 借住5天，借此机会盗取了研究成果及想法，之后与埃克 特一起制造了“ENIAC”并申请了专利，被世人称为“现 代计算机之父”而阿坦纳索夫并未重视自己的重大发明 “ABC”，学校也没有重视此项发明，并拆掉了“ABC”。 后经过美国法院判决，推翻并吊销了莫科里的专利，“现 代计算机的基本想法是来自约翰-文森特-阿坦纳索夫”。
ENIAC-第一台疑问
世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学的约 翰· 文森特· 阿坦纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他 的研究生克利福特· 贝瑞（CliffordBerry）先生在1937年至 1941年间开发的“阿坦纳索夫-贝瑞计算机（AtanasoffBerryComputer，简称ABC）”。
I/O端口的地址
“微型计算机”的基本组成
主板
主板
内存条插槽
ATA接口 （光驱、硬盘接口）
PCI插槽 (声卡、网卡、 CPU插槽 电视卡等)
AGP插槽
“微型计算机系统”的基本组成
微型计算机
微处理器
运算器、控制器、寄存器组、内部总线
内存储器、输入输出接口电路、系统总线 微型计算机如果不配有软件
专用微处理器
MCU ：常用于控制领域
单片机（Single
Chip Microcomputer）
Controller）
微控制器（Micro
嵌入式控制器（Embedded）
生产商：英特尔（Intel）、爱特梅尔（Atmel）等
DSP：专注于数字信号的高速处理
数字信号处理器（Digital
数据总线（DATA Bus, DB） 读（Read）：操作数据输入CPU 写（Write）：操作数据输出到外界（主存或外设） 控制总线（Control Bus, CB） 输出：有些控制信号或状态信号 输入：有些请求或联络信号 输入、输出
AB与CPU寻址范围的关系
处理器总线，CPU引脚 AB
Signal Processor）
生产商：美国德州仪器公司（TI）
巨型机
计算机
小型机
通用微机
微型机 单片机
超级计算机指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速 运算的电脑，其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格 与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处 理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外 围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大 都可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上。 超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大 的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家 科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意 义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。（看视频资料）
执行指令后
如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行
微处理器的基本性能指标
字长
数据宽度微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数
例如：一次进行运算、传输的位数 字长越长，计算能力越高，速度越快 微处理器的基本时间单位 微处理器的处理速度，主频越高，运算速度越快 表明微处理器的生产工艺水平 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
特德.霍夫的设想——微型、通用、计算机芯片
加大芯片集成度，功能随之增强
复杂的输入输出信号
输入信号
集成电路的指令
输出信号
送出数据 控制其它芯片和装置
特德.霍夫设计的基础
图灵 “人工智能之父”
冯· 诺依曼 “电子计算机之父 ”
1936年 《可计算数学》
1946年 计算机组成
微型计算机的结构——应用角度
微 处 理 器
系统总线BUS
地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
存储器
I/O接口 I/O设备
微型计算机的系统组成
CPU 数据、指令 控 制 信 号 数 据 结 果
运算器 控制器
数据结果
内存条
数据、指令
存储器
数据结果
硬盘 打印机
U盘
输入 输出 设备
数据、指令
微处理器
约州的曼彻斯特，微处理器（CPU）之父。
1971年11月15日，英特尔公司发布世界上首枚微
处理器芯片Intel 4004，该芯片上集 成了两千个晶
体管，处理能力相当于世界上第一台计算机。这 颗微处理器的总设计师就是特德· 霍夫（Ted
Hoff），他因发明了微处理器，被英国《经济学
家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的 科学家之一”。
个数 m，能访问的存储单元或I/O端口个数：2m 存储单元按字节（Byte，B）划分
即，每个存储单元能存1个字节数据
CPU可访问(寻址)的存储器(内存/主存)容量： 2mB
)B
例：m=15，则可访问存储器容量为：( 215 或 5K 215
存储容量数据表达 1KB＝210 B＝1024 B 1MB＝220 B＝1024 KB 1GB＝230 B＝1024 MB
中央处理器 CPU：微机的运算和控制中心
包含
控制器 运算器（整数运算器）
Байду номын сангаас
寄存器（高速存储单元）
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 Cache ……
高性能 CPU 内部还有
存储器
存储器（Memory）：存放程序和数据的部件 计算机运行时， 主板上的主存储器（主存、内存） 半导体存储器芯片组成（RAM部分断电后信息丢失） CPU从哪里取指令和数据？ 相对造价高、速度快、但容量小 以外设形式出现的辅助存储器（辅存或外存）
只读存储器ROM(Read Only Memory)
(a)只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入
(b)存储微机系统管理程序BIOS等(芯片制造时写入)
I/O 接口和I/O设备
I/O设备（Peripheral） ：人机交互
I/O接口（Interface） ：外设和主机间的桥梁
为什么需要 O（Output）设备：显示器、打印机 这些功能？
安装位置
I（Input）设备：键盘、鼠标
功能：信号变换、数据缓冲、联络控制
与主板一体：较简单的I/O接口电路 插在主板上：较复杂的I/O接口电路制成独立的电路
板（接口卡Card）
系统总线
总线（Bus）：传递信息的一组公用导线、信息通道 系统总线（System Bus） 地址总线（Address Bus, AB） 输出（单向）：主存单元或I/O端口的地址信息
内存
外存
集成芯片，价格高
容量小 断电，信息大部分丢失
价格低
容量大 断电，信息不丢失
CPU可以直接访问
存放当前正在使用或经 常使用的程序和数据
CPU不能直接访问
存放暂时不用的程序和 数据
内存分类
随机存取存储器RAM(Random Access Memory) (a)可以被CPU随机地读和写，又称为读写存储器 (b)用来暂时存储用户输入的数据与程序
微处理器
Central Processing Unit （ CPU )
特德.霍夫 与 微处理器
世界上首枚微处理器芯片
“二战”以 ENIAC Integrator Intel 4004，英特尔， 1971— 年Electronic Numerical 来最有影响 的科学家之 集成了两千个晶体管 一 4位
微软的Windows操作系统
第一代：Windows 1.0
第二代：Windows 2.0
第三代：Windows 3.0/3.1
第四代：Windows 95/98/98SE/ME
第五代：Windows 2000/XP 第六代：Windows Vista 第七代：Windows 7
其他操作系统
45条指令 处理能力接近于世界上第一台计算机（1946年ENIA）
做计算器（受日本ETI计算器公司的委托）
ENIAC
在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院揭幕典礼。就是世 界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）。这 个庞然大物占地面积达170平方米，重达30吨。在揭幕仪 式上，“埃尼阿克”为来宾表演了它的“绝招”----—分 别在1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算，这 比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。 ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积约63平方米，30个 操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电 量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468真空管7,200 水晶 二极管, 1,500中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器， 1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400 次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。
时钟频率
集成度
微处理器的基本性能指标
通用微处理器
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） 32位微处理器 80386，80486，Pentium～Pentium 4 32位PC机，APPLE公司的Macintosh机 64位微处理器