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1、课程概况课程概况课程总学时：课程总学时：40 其中课堂教学其中课堂教学34学时，上机学时，上机4学时，考试学时，考试2学时学时课程内容简介：计算机的硬件结构及工作原理，计算课程内容简介：计算机的硬件结构及工作原理，计算机的指令系统及基本接口机的指令系统及基本接口成绩评定方法：笔试成绩评定方法：笔试 70%，平时，平时30%教材：化学工业出版社教材：化学工业出版社微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用第一章第一章 计算机基础知识计算机基础知识 计算机发展与应用计算机发展与应用 微型计算机基本结构微型计算机基本结构 计算机主要技术指标计算机主要技术指标 一、一、计算机的发展概况计算机的发展概况
2、二、二、计算机系统发展动态计算机系统发展动态 三、三、计算机的应用领域计算机的应用领域 第一节第一节 计算机发展与应用计算机发展与应用一、一、计算机的发展概况计算机的发展概况计算机的年代根据组成计算机元器件的不同而划分的。计算机的年代根据组成计算机元器件的不同而划分的。计算机的年代根据组成计算机元器件的不同而划分的。计算机的年代根据组成计算机元器件的不同而划分的。第第 1 代代电子计算机：由电子计算机：由电子管电子管组成。组成。1946年-1959年：ENIAC1946年2月15日，世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功，承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、
3、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170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。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，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。(而人最快的运算速度每秒仅5次加法运算)，还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。这样的速度在当时已经是人类智慧的最高水平。第第 2 代代电子计算机：由电子计算机：由晶体管晶体管组
4、成。组成。1959年-1964年：美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。装有800只晶体管，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，计算能力实现了一次飞跃。第第 3 代代电子计算机：由电子计算机：由中、小规模中、小规模集成电路集成电路组成。组成。1964年-1970年：集成电路的问世催生了微电子产业，采用集成电路作为逻辑元件成为第三代计算机的最重要特征。此外，系列兼容和采用微程序设计也是第三代计算机的重要特点。IBM于1964年研制出计算机历史上最成功的机型之一IBM S/360。它是第三代计
5、算机的杰出代表。第第 4 代代电子计算机：由电子计算机：由大、超大规模大、超大规模集成电路集成电路组成。组成。1970年-：从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、小型机和微型机。自从1946年世界上第一台电子计算机诞生以来，电子计算机已经走过了半个多世纪的历程。从第一代电子管计算机到现在正在开发的第六代神经网络计算机，计算机的体积不断变小，但性能、速度却在不断提高。二、计算机系统发展动态二、计算机系统发展动态从目前的研究方向看，未来计算机将向着以下几个方面发展：研究表明，计算机运行速度的快慢与芯
6、片之间信号传输速度直接相关，研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输速度直接相关，然而，目前普遍使用的二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分然而，目前普遍使用的二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。信号，从而延长了信息传输的时间。而最新研制的而最新研制的“空气胶滞体空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息。此外，它还可以降低电耗，而且不需要对计算迅速地传输各种信息。此外，它还可以降低电耗，而且不需要对计算机的芯片进行任何改造，只需换上机的芯片进行任何改造，只需换上“空气胶滞体空气胶滞体”导线，
7、就可以成倍导线，就可以成倍地提高计算机的运行速度。地提高计算机的运行速度。高速计算机高速计算机 生物计算机在生物计算机在20世纪世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨大的存储能力。大的存储能力。由于蛋白质分子能够自我组
8、合，再生新的微型电路，使得生物计算机由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。生物计算机生物计算机 光学计算机，是利用光作为信息的传输媒体。光学计算机，是利用光作为信息的传输媒体。与电子相比，光子具有许多独特的优点：它的速度永远等于光速，具与电子相比，光子具有许多独特的优点：它的速度永远等于光速，具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。有电子所不具备的频率及偏振特
9、征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅扰、互相影响。一块直径仅2厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现有全部电缆总和的过全世界现有全部电缆总和的300多倍。多倍。光学计算机的并行处理能力非常强，具有超高速的运算速度。光学计光学计算机的并行处理能力非常强，具有超高速的运算速度。光学计算机的信息存储量大，抗干扰能力强，在任何恶劣的环境条件下都可算机的信息存储量大，抗干扰能力强，在任何恶劣的环境条件下都可以开展工作。以
10、开展工作。光学计算机光学计算机 三、三、计算机的应用领域计算机的应用领域计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的主要应用领域如下：计算机的主要应用领域如下：科学计算科学计算(或数值计算或数值计算)科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和
11、复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。决的各种科学计算问题。数据处理数据处理(或信息处理或信息处理)数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。传播等一系列活动的统称。数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是：电子数据处理电子数据处理(Electronic Data Processing,简称EDP),它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。管理
12、信息系统管理信息系统(Management Information System,简称MIS),它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。决策支持系统决策支持系统(Decision Support System,简称DSS),它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等等各行各业。情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等等各行各业
13、。辅助技术辅助技术(或计算机辅助设计与制造或计算机辅助设计与制造)计算机辅助技术包括计算机辅助设计计算机辅助技术包括计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称简称CAD)、计、计算机辅助制造算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,简称简称CAM)和计算机辅助教学和计算机辅助教学(Computer Aided Instruction,简称简称CAI)等。等。过程控制过程控制(或实时控制或实时控制)过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动
14、控制。动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。广泛的应用。人工智能人工智能(或智能模拟或智能模拟)人工智能人工智能(Artificial Intelligence)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感
15、知、是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。网络应用网络应用 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。像、视频和声音等各类数据的传输与处理。微型计算机系统的
16、三个层次微型计算机系统的三个层次 微处理器(Microprocessor)微型计算机(Microcomputer)微型计算机系统(Microcomputer System)第二节第二节 微型计算机基本结构微型计算机基本结构微微型型计计算算机机系系统统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器(CPU)软件软件外围设备外围设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器(内存内存)RAMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪)输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、)辅助存储器辅助存储器(磁带、磁
17、盘、光盘磁带、磁盘、光盘)输入输入/输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC)(I/O接口接口)总线总线(AB、DB、CB)系统软件系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序监控程序)应用软件应用软件(科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理)程序设计语言程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路电源电路时钟电路时钟电路微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的三个层次核心级核心级微处理器微处理器v微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器ALU 控制器CU 寄存器组Re
18、gistersvCPU实现了运算功能和控制功能硬件系统级硬件系统级微型计算机微型计算机v以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机微型计算机。v将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片单片机机。系统级系统级v以微型计算机微型计算机为中心，配以相应的外围设备外围设备以及控制微型计算机工作的软件软件，就构成了完整的微型计算机系统。v微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机裸机v软件分为系统软件系统软件和应用软件应用软件两大类。v软件：为运行、管理和维护计算
19、机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件一、微型计算机的硬件体系结构一、微型计算机的硬件体系结构冯冯诺诺依依曼曼结结构构：从世界上第一台计算机（ENIAC）到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。冯诺依曼体系结构的三个重要思想：控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。数据和程序以二进制代码二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是
20、二进制形式。整个计算机结构应由：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。微型计算机的硬件体系结构微型计算机的硬件体系结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备CPU数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/O接口AB:Address BusDB:Data BusCB:Control Bus二、微型计算机的工作原理二、微型计算机的工作原理冯冯诺依曼存储程序的工作原理诺依曼存储程序的工作原理存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具
21、有记忆功能的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止。即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程 程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于执行每一条指令，都包括取取指指、译码译码和执行执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。微型计算机的工作过程实质上就是执行程序的过程。指令流控制命令数据流控制器按预先
22、存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。程序的执行过程程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n 取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式第三节第三节 计算机主要技术指标计算机主要技术指标1、位和字节、位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位。它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位记作b 字节（byte）由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位记
23、作BK是是kilo的缩写，的缩写，1K=1024210；M是是mega的缩写，的缩写，1M1024K220；G是是giga的缩写，的缩写，1G1024M230；T是是tera的缩写，的缩写，1T1024G240。2、字长、字长 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数。它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，但8086每周期能传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位
24、的，而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。3、主频、主频 主频即CPU的主时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行得越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，但随着芯片技术的不断发展，CPU的频率越来越快，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高。在这种情况下，出现了CPU倍频技术倍频技术，该技术使CPU内部工作频率为微处理器外频的23倍。外部总线频率通常简称为外频，它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。倍频系数是微处理器的主
25、频和外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频超频。4、MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS。由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。主频为400MHz的Pentium II的性能为832 MIPS。5、iCOMP iCOMP（intel COmparative Microprocessor Performance）指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的。iCOMP指数包含的指标有整数数学计算、浮点数数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。6、微处理器的集成度微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，目前Pentium IV的集成度已经达到5000万个晶体管以上，集成度提高了2万多倍。