第1章微型计算机基础知识

第1章微型计算机基础知识【本章重点】微型计算机的组成和各部分的作用，以及计算机中数的表示方法。【本章难点】计算机中数的表示方法：原码、反码、补码的关系。§1.1微型计算机的组成及工作原理1.1.1微型计算机中的基本概念1．微处理器（Microprocessor）2．微型计算机（1）单片微处理机（2）通用微型计算机3．微型计算机系统1.1.2微型计算机的基本结构CPU总线形成电路接口接口接口内存内存外设外设外设系统总线微型计算机的基本组成1.1.3微型计算机的基本工作过程微型计算机的基本工作过程是执行程序的过程，也就是CPU自动从程序存放的第1个存储单元起，逐步取出指令、分析指令，并根据指令规定的操作类型和操作对象，执行指令规定的相关操作。如此重复，周而复始，直至执行完程序的所有指令，从而实现程序的基本功能，这就是微型计算机的基本工作原理。工作过程：取指令分析指令执行指令§1.2微处理器及其发展1.2.1微处理器的发展历史1971.11，Intel公司第一枚微处理器芯片4004，4位机，它总共集成了2200个晶体管。1972年4月，Intel公司宣布另一种型号的微处理器8008研制成功。8位机。1975年1月，Motorola公司宣布推出它的8位微处理器6800。1979年，Intel公司推出了Intel8086/8088微处理器，它是最早的PC机的CPU。1983年，Intel公司推出了Intel80286微处理器，它是完全16位微处理器。1985年，Intel公司推出了Intel80386微处理器。1989年，Intel公司推出了Intel80486微处理器。1993年3月，Intel公司推出了名为Pentium（经典奔腾）的微处理。1995年11月Intel公司又推出了PentiumPro（高能奔腾）。1997年1月，Intel公司又推出了PentiumMMX（多能奔腾）。1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ（奔腾二代）1999年2月，Intel公司推出了PentiumⅢ（奔腾三代）2000年11月，Intel公司推出了Pentium4（奔腾四代）。第一代1971年～1973年第二代1974年～1977年第三代1978年～1980年第四代1980年以后典型的微处理器芯片Intel4004Intel4040Intel8008Intel8080M6800Z-80Intel8086/8088M68000Z-8000Intel80X86M68020Z-80000字长（位）4/881616/32集成度（晶体管数/芯片）1000～20005000～900020000～70000100000时钟频率（MHZ）0.5～0.81～45～1010数据总线宽度（位）4/881616/32地址总线宽度（位）4～8820～2424～32存储容量≤16KB实存≤64KB实存≤1MB实存≤4GB实存和64GB虚存指令执行时间（s）10～151～210.125软件水平机器语言汇编语言汇编语言高级语言操作系统汇编语言高级语言操作系统汇编语言高级语言部分软件硬化各代微处理器的特点1.2.2微处理器的内部结构1．总线部件2．预取部件3．译码器4．控制器5．运算逻辑部件6．存储器管理部件1.2.3Pentium系列微处理器1.2.3.1Pentium奔腾微处理器的主要特点：1、标量体系结构2、双流水线结构（1）转移预测部件（2）高性能的浮点运算（3）存储器页面大小任选1.2.3.2PentiumMMX的主要特点PentiumMMX是在奔腾芯片基础上增加了MMX技术。MMX技术的特点主要有二项。①采用S1MD型指令。SIMD（SingleIntroductionMultiData，单指令多数据流）是计算机系统结构的一种。②拥有积和运算功能。③拥有饱和运算功能。采用MMX技术后，提高了不同种类的应用性能，尤其对图形、图像、动画、音频数据处理的改进最为明显。1.2.3.3PentiumPro的主要特点1．三路超标量体系结构和14级超级流水线2．动态执行技术（1）数据流分析（2）增强的转移预测（3）推理执行3．优化的32位代码结构和66MHz的系统总线PentiumPro采用优化的32位代码结构和66MHz的系统总线。1.2.3.4PentiumII的主要特点PentiumⅡ是在PentiumPro的基础上增加了MMX技术，具有以下几个特点。①采用了DIB（DualindependentBus，双重独立总线）技术。PentiumⅡ可同时使用这两条总线，其中一条总线用于连接二级高速缓存，一条总线用于连接主存，这样充分提高了数据传输能力。②使用了SEC（SingleEdgeContact，半边接触盒）技术。将512KB二级高速缓存移出CPU内核，但用一个塑料盒将CPU与二级高速缓存封装在一起，中间用高速缓存总线相连。也正同为这一点，PentiumII采用了一种新型插槽Slot1，它与Socket7不兼容。③双16KB高速缓存。即16KB的数据高速缓存和16KB的代码高速缓存。1.2.3.5PentiumⅢ的主要特点PentiumⅢ采用了与PentiumⅡ相同的Slot1结构，同样支持100MH的系统外频。PentiumⅢ针对K6-2中的3DNOW!指令，在MMX指令集基础上增加了70条新的SSE指令集，从而大大增强了3D几何运算、动画、影像、音效等功能。PentiumⅢ利用数字信号处理软件解决方案，实现更高效的声音采样和过滤，提高语音引擎的反应速度与准确率，使语音能力成为现实。PentiumⅢ可在一个场景中渲染更多的三维对象，表现更多的光源（13个光源），实现渲染反问、光影效果；PentiumⅢ采用并行的SIMD浮点运算架构，并特别增加了8个128位寄存器来配合新指令的运算，使其在图像、视频上有额外的表现。进行实时同步MPEG2编码与解码无需MPEG硬件卡，可获得增强的数字电视体验，若配以宽带的Modem使可视电话成为可能。1.2.3.6Pentium4主要特点Pentium4CPU是目前Intel公司技术最先进、功能最强大的台式机处理器，采用先进技术设计，是目前中高档的微机微处理器。它采用了HT（Hyper—Threading，超线程）技术，使一个处理器同时运行两个独立的软件线程；采用了超级流水线技术（HyperPipelinedtechnology）、800／533／400MHz前端总线（FSB，FrontSideBus）、执行跟踪高速缓存和快速执行引擎；另外它还提供了许多增强特性，包括高级传输高速缓存、高级动态执行、增强浮点和多媒体单元以及SSE2（StreamingSIMDExtensions2，SIMD流技术扩展2）等。它在网络广播、多媒体、视频剪辑、图像处理、网络视频流、语音、3D、CSD和游戏等方面的功能大大加强了。处理器第一代第二代第三代第四代核心S-423WillametteS-478Norhwood533MHZDSB&HT800MHZFSB&HT发布日期2000年11月2002年4月2002年11月2003年4月主频（GHZ）1.4～2.01.8～2.42.4～3.062.4～3.0+制造工艺（m）0.180.130.130.13晶体管数目42M55M55M55M核心电压1.751.51.5251.550一级高速缓存8KB8KB8KB8KB二级高速缓存256KB512KB512KB512KB外频（MHZ）100100133133前端总线（MHZ）400400533800多媒体指令集MMX/SSE/SSE2MMX/SSE/SSE2MMX/SSE/SSE2MMX/SSE/SSE2超线程技术无无只有3.06GHZ有有目前流行的Pentium4CPU可分为四代，技术特性如表1.2.4微处理器的发展趋势歌登.摩尔（GordonMoore）是Intel公司奠基者之一，他在1964年提出一个摩尔定理，摩尔定理说每18个月半导体集成电路里面晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18个月其性能会提升一倍。这个非常著名的摩尔定理，从1964年提出以来（尽管当时计算机集成电路芯片还没有出现），到1971年Intel公司首次做出第一块CPU4004芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，CPU一直是遵循摩尔定理在发展的，后来到1995年歌登·摩尔对摩尔定理稍微修改了一下，原来是每一年半（18个月）后来改成两年，也就是说每两年芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。对Intel而言，IA-64是其下—个10~15年的架构。新的IA-64将使Intel摆脱x86架构的限制，从而设计出超越所有现有RISCCPU和x86CPU的新型处理器。IA-64处理器，具有64位寻址能力和64位宽的寄存器，所以被称为64位CPU。1.3.1数制的表示1.常用数制（1）十进制数我们熟悉的十进制数有两个主要特点：有十个不同的数字符号：0、1、2、…、9；低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”的计数原则进行计数。例如：1234.45=1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋4×10-15×10-2式中的10称为十进制数的基数,103、102、101、100、10-1称为各数位的权。十进制数用D结尾表示。1.3数制与编码（2）二进制数在二进制中只有两个不同数码：0和1，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。例如，二进制数11011011.01可表示为：(11011011.01)2==1×27＋1×26＋0×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2（3）八进制数在八进制中有0、1、2…、7八个不同数码，采用“逢八进一”“借一当八”的计数原则进行计数。八进制数用Q结尾表示。例如，八进制数（503.04）Q可表示为：（503.04）Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2（4）十六进制数在十六进制中有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六个不同的数码，采用“逢十六进一”“借一当十六”的计数原则进行计数。十六进制数用H结尾表示。例如，十六进制数（4E9.27）H可表示为（4E9.27）H=4×162＋14×161＋9×160＋2×16-1＋7×16-22．不同进制数之间的相互转换表1-4列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。表1-3各种进位制的对应关系十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F711177161000020108100010817100012111（1）二、八、十六进制数转换成为十进制数根据各进制的定义表示方式，按权展开相加，即可转换为十进制数。【例1-1】将（10101）B，(72)Q，（49）H转换为十进制数。(10101)B=1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=37(72)Q=7×81+2×80=58(49)H=4×161＋9×160=73（2）十进制数转换为二进制数十进制数转换二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,采用不同方法进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。①整数部分：除2取余法。具体方法是：将要转换的十进制数除以2，取余数；再用商除以2，再取余数，直到商等于0为止，将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为结果。【例1-2】将十进制数25转换成二进制数252121226023021101余数最低位最高位所以（25）D=11001B②小数部分：乘2取整法。具体方法是：将十进制小数不断地乘以2，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，最后得到的为