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微处理器原理与应用主讲：王鹏伟章节：1~4章学时：20学时Email：wangpw@sdu.edu.cn计算机发展简史•1946年2月15日，世界上第一台电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学问世，这台电子计算机叫“ENIAC”一、计算机的五代变化•第一代为1946—1958年，电子管计算机：数据处理•第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业控制•第三代为1965—1970年，中小规模集成电路计算机：小型计算机•第四代为1971—1990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机•第五代为1991年开始，第五代计算机又称“知识信息处理系统”（KIPS）巨大规模集成电路计算机：单片机计算机发展简史中国人的智慧之光•最古老的计算工具：算筹我国春秋时期出现的算筹是世界上最古老的计算工具。计算的时候摆成纵式和横式两种数字，按照纵横相间的原则表示任何自然数，从而进行加、减、乘、除、开方以及其它的代数计算。负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的。•中国人发明算盘随着计算技术的发展，在求解一些更复杂的数学问题时，算筹显得越来越不方便了。于是在大约六、七百年前，中国人发明了算盘，它结合了十进制计数法和一整套计算口诀并一直沿用至今，被许多人看作是最早的数字计算机。帕斯卡加法机（1642年）帕斯卡从加法机的成功中得出结论：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维活动。1971年瑞士人沃斯把自己发明的高级语言命名为Pascal，以表达对帕斯卡的敬意。1642年，法国数学家、物理学家和思想家帕斯卡发明加法机，这是人类历史上第一台机械式计算机，其原理对后来的计算机械产生了持久的影响。莱布尼兹乘法机（1673年）莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。莱布尼兹认为，中国的八卦是最早的二进制计数法。在八卦图的启迪下，莱布尼兹系统地提出了二进制运算法则。1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。据记载，莱布尼兹曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。第一台“巨人”计算机•各国科学家对采用继电器的机电式计算机进行了大量的研制工作，1943年，英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专用于破译德军密码。“巨人”算不上真正的数字电子计算机，但在继电器计算机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。•第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报。第一台电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）水银延迟线：史上最笨重的主存储器水银延迟线：史上最笨重的主存储器•研制ENIAC的工程师莫齐利想到了水银延迟线（MercuryDelayLine）——二战期间为军用雷达开发的一种存储装置－－作为内存。•将一块石头掷入水中，形成波浪，波头经过一段时间才能传播到远方某处，水银延迟线的工作原理就是这样。1951年3月，由莫齐利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-1使用了水银延迟线存储装置。UNIVAC-1使用的水银延迟线是一根直径10mm、长150cm的管子，内部充满水银，两端各有一个转换器分别进行电-声转换和声-电转换，这样，脉冲信号从管子一端进入，转换成超声波，960ms后超声波到达管子的另一端，然后再转换成电信号输出。为了让存储系统稳定工作，水银的温度需要保持在40℃左右，因此要将水银管置于一个类似混凝土搅拌机的容器中，容器中设置有加热器用来加热水银管。第一台并行计算机EDVAC（1950年）1950问世的第一台并行计算机EDVAC，共采用了2300个电子管，运算速度却比拥有18000个电子管的“埃尼阿克”提高了10倍，首次实现了冯·诺依曼体系的两个重要设想：存储程序和采用二进制。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。晶体管诞生（1947年）•1947年，贝尔实验室的肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；•1950年又发明了面结型晶体管。相比电子管，晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路的结构大大改观，运算速度则大幅度提高。•肖克莱、巴丁、布拉顿于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。•发明晶体管的肖克莱在加利福尼亚创立了当地第一家半导体公司，这一地区后来被称为硅谷。第一台晶体管计算机TRADIC（1954年）•贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算计算能力实现一次飞跃。晶体管计算机•1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。•1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl）•1958年制成的1401及后续的1410/1440系列计算机，是第二代计算机中的代表，用户在当时可以以每月2500美元的价格租用IBM1401。•1958年11月，IBM709大型计算机，IBM公司自IBM701，性能最为优秀的电子管计算机，但同时它也是IBM最后一款电子管计算机。•1959年，格雷斯·霍波（G.Hopper）博士主持开发的第一个广泛使用的高级编程语言COBOL。其他•1957年10月，诺依斯（N.Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）共同从晶体管之父肖克利的实验室出走，创办了仙童（fairchild）公司，这就是历史上著名的“八天才叛逆”，从此，才有了我们熟悉的Intel，AMD，IDT等等一大批我们熟知的企业。八天才叛逆的两个重要人物：诺依斯和摩尔。IBMSystem/360（1964年）•中、小规模集成电路电子计算机的代表。一种说法是该系统有360种用途，另一种说法是这个系统就像一个360度的圆周，涵盖所有应用。以前的IBM计算机，一小部分机种支持科学计算类应用，大部分机种则专用于商业应用。而S/360的总体方案则指明要同时支持科学计算、商业应用和信息处理。第四代计算机（1970年）•以大规模或超大规模集成电路为主要电路元器件的电子计算机。1970年，IBM推出IBMS/370系列机，采用大规模集成电路取代磁芯进行存储，以小规模集成电路作为逻辑元件，被称为三代半计算机。S/370采用了虚拟存储器技术，首次实行软硬件价格分离策略，从而明确了软件的价值，并不断向大容量、高速度发展。直到1971年内涵2300个晶体管的Intel4004芯片问世，微型计算机出现了。•第四代计算机使电子计算机向两个方向发展，一是出现了运算速度达数亿次的巨型计算机，二是出现了小巧灵活的微处理机以及以微处理机为核心的微型计算机。第五代计算机•第五代计算机又称“知识信息处理系统”（KIPS）。用与以往不同的系统结构和技术来开发的新型电子计算机。以进行知识处理的人工智能为目标，能模仿人的问题处理与推断能力，能用自然语言进行对话方式的信息处理•由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。•计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。LSI的采用，一块集成电路芯片上可以放置1000个元件，VLSI达到每个芯片1万个元件，现在的ULSI芯片超过了100万个元件。•1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种态势减慢成每18个月翻一番，这就是人们所称的摩尔定律。微处理器的发展•微处理器大致可分为三类：通用高性能微处理器（也称通用CPU）、嵌入式微处理器和DSP处理器、嵌入式微控制器（后两种也有统称嵌入式CPU）•通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；•嵌入式微处理器和DSP处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；•嵌入式微控制器价位相对较低，在微处理器市场需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。此外，为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式CPU在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用CPU都做了各种增强。通用微处理器发展史通用微处理器•通用微处理器一般指的是服务器用和桌面计算用的CPU芯片。目前，Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机的大半江山，这类微处理器主要采用x86构架的CISC（ComplexInstructionSetComputer）指令系统，同时，IBM、HP（COMPAQ）、SGI、SUN等公司也生产各具特点的服务器用高性能通用微处理器，如HP的PA-RISC，IBM的Power4和Sun的UltraSparc等，这些微处理器都是采用RISC(reducedinstructionsetcomputer)指令系统，通过超标量、乱序执行、动态分支预测、推测执行等机制，提高指令级并行性，改善性能，这类芯片被广泛用于各种工作站、服务器和高性能计算机中。CISC和RISC•传统上，通用微处理器的工作负载以非数值、不规则标量应用为主，为了实现处理器的高性能，主要的方法是开发指令级并行性（ILP,Instruction-LevelParallelism）。以Intelx86构架为代表的CISC体系结构以超流水结构为提高性能的主要手段，这种结构将指令流水线划分成更简单的流水级以提高时钟速率。•RISC芯片则采用超标量结构提高处理器性能的主要手段，这种结构在指令界面上保持与RISC结构兼容，但在内部由硬件做动态调度，实现多个操作的并行执行。x86构架•x86是由Intel推出的一种复杂指令集，用于控制芯片的运行的程序，x86架构于1978年推出的Intel8086中央处理器中首度出现。x86架构是可变指令长度的CISC体系结构。字组（word,4字节）长度的存储器访问允许不对齐存储器地址，字组是以低位字节在前的顺序储存在存储器中。向前兼容性一直都是在x86架构的发展背后一股驱动力量。但在较新的微架构中，x86处理器会把x86指令转换为更像RISC的微指令再予执行，从而获得可与RISC比拟的超标量性能，而仍然保持向前兼容。x86架构的处理器一共有四种执行模式，分别是实时模式，保护模式，系统管理模式以及虚拟V86模式。•8086是16位处理器；直到1985年32位的80386的开发，这个架构都维持是16位。接着一系列的处理器表示了32位架构的细微改进，推出了数种的扩充。•到2002年，由于32位特性的长度，x86的架构开始到达某些设计的极限，处理大量的信息储存大于4GB会有困难。Intel原本打算在64位的时代完全地舍弃x86兼容性，推出新架构称为IA-64技术。IA-64与x86的软件天生不兼容；它使用各种模拟形式来运行x86的软件，不过，以模拟方式来运行的效率十分低下，并且会影响其他程序的运行。•AMD主动把32位x86（或称为IA-32）扩充为64位，x86-64出现了，即AMD64架构，且以这个技术为基础的第一个产品是单内核的Opteron和Athlon64处理器家族。由于AMD的64位处理器产品线首先进入市场，且微软也不愿意为Intel和AMD开发两套不同的64位操作系统，Intel也被迫采纳AMD64指令集且增加某些新的扩充到他们自己的产品，命名为EM64T架构，后被Intel正式更名为Intel64。Itanium和ItaniumII•Intel安腾处理器构建在IA-64（IntelArchitecture64），也就是说“IA-64是一个与x86代码的决裂，它是为