微机原理及接口技术 第一部分 微机概述

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1 微型计算机的发展

1.1 微型计算机发展

“冯·诺依曼”机

电子计算机的发展与分类

1.2 微型计算机的发展

CPU：集成工艺的胜利

微型计算机

微处理器

微型计算机发展史（主要讲微处理器的发展过程）

什么叫双核CPU?

睿频 

核心显卡

Intel X86系列微型计算机的发展

2 微型计算机的组成和层次结构

2.1 微型计算机的硬件系统

微处理器——核心部件

存储器——存放程序和数据

I/O设备及其接口电路

系统总线

总线按其传输的信号分类

总线使用特点

2.2 IBM PC系列机系统

3 微型计算机的工作原理

3.1 冯诺依曼存储程序工作原理

3.2 微型计算机的工作过程

4 常用术语和指标

1．位和字节

2．字长

3．主频

4．微处理器的生产工艺

5．微处理器的集成度

5 数制及转换,原码,补码,BCD码（自学复习）

原码（Sign-Magnitude）

反码（Ones' Complement）

补码（Two's Complement）

总结

何谓“ABCDEF”？

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学习方法很重要

复习并掌握相关知识

课堂：听讲与理解、适当笔记

课后：认真读书、完成作业

实验：充分准备、勇于实践

总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩

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1 微型计算机的发展

1.1 微型计算机发展

世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的 ENIAC

1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），装有18,000个电子管，总重量达30吨，运算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2 ，造价100万美元 采用十进制计数方式，编程采用接插线进行。不过它还没有引入CPU的概念。最初的目的是为军队编制各种武器的弹道表

冯·诺依曼（John von Neumann，1903~1957），20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”，原籍匈牙利，布达佩斯大学数学博士

后来，冯·诺依曼（Von Neumann）提出了采用二进制计算、储存程序并在程序控制下自动执行一个任务的思想；还提出新机器应由运算、控制、存储、输入和输出五大部件（部分）组成

“冯·诺依曼”机

1949年，剑桥大学的M.V.Wilkes等人在EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator)机上实现

电子计算机的发展与分类

电子计算机的发展（四代）：

电子管计算机（1946-1956）

晶体管计算机（1957-1964）

中小规模集成电路计算机（1965-1970）

大、超大规模集成电路计算机（1971至今）

微型计算机是第四代计算机的典型代表

近年来涌现出功能越来越强大的通用微处理器（如单片机）、专用微处理器（如DSP）、片上系统（SoC：System on Chip）、ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）、FPGA/CPLD（Field-Programmable Gate Array / Complex Programmable Logic Device）、ARM（Advanced RISC Machines）等，使计算机的应用深度和广度越来越高

(reduced instruction set computer，精简指令集计算机)：在一片集成电路芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分

电子计算机按其性能分类：

大型计算机         中型计算机         小型计算机         微型计算机

1.2 微型计算机的发展

微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的

微处理器的 集成度 每隔18-24个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍——摩尔定律

单位面积芯片上集成的晶体管的密度叫作 集成度

1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。而计算机的体积，也由ENIAC的房间般大小，缩小为衣橱般体积

CPU：集成工艺的胜利

晶体管可以做得很小，那么可不可以将众多晶体管放在一起，配合其他元件，实现特定功能呢？ 在1958年，美国德州仪器的工程师JackKilby就发明了安装有三个元件的集成电路 1964年，集成工艺的提升，让集成电路内已经可以安装更多的晶体管时，IBM 360才成为首款使用集成电路的计算机。而这款计算机不仅永远改变了IBM，同样永远的改变了计算机行业 而随着集成度的提高，一个改变了计算机发展步伐的产品，也正在孕育之中，那就是处理器

IBM 360成为首款使用集成电路的计算机

微型计算机

以大规模、超大规模集成电路为主要部件、以微处理器为核心所构造的计算机系统

微处理器

严格讲，微处理器≠ CPU

CPU（Central Processing Unit）由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能 微处理器 除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器（Registers）以及高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，被称为微处理器

微型计算机发展史（主要讲微处理器的发展过程）

第一代：四位机和低档八位机

1971年：Intel 4004，是世界上第一片单片微处理器 4位微处理器，寻址空间为4096个半字节, 指令系统包括45条指令

1972年：Intel 8008，第一片8位微处理器 采用了10um生产工艺，集成度为3500个晶体管，工作频率为500KHz，基本指令48条

第二代：中高档8位微机

1974年：Intel 8080采用了6um生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz

1975年4月，MITS（三菱）公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair 8800。Altair 8800的BASIC语言解释器是Bill Gates编写的

1976年：Intel 8085——Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条

1977年：Z80，Zilog公司，8位机，优于8080，8085

第三代：16位微处理器芯片

8086/8088（1978年-1981年）

1978年--8086

采用了3um工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77 MHz。它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。同时，CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列

1979年—8088

除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器

1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的IBM PC机

1982，IBM推出PC/XT（Extended Technology）机

80286（1982年-1984年）

采用1.5um工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB

1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBM PC/AT（Advanced Technology），并制定了一个新的开放系统总线结构ISA—16位、高性能的I/O扩展总线

80年代中期到90年代初，80286 一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）

芯片组是一组共同工作的集成电路（“芯片”）。通常指两个主要的主板芯片组：北桥和南桥

第四代：32位微处理器芯片

80386（1985年-1988年）

第一个实用的32位微处理器，采用了1.5um工艺，集成了27.5万个晶体管，工作频率达到16MHz。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB，每秒可执行500万条指令

80486（1989年-1992年）

采用1um工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。80486把80386的内部结构做了修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍

Pentium:奔腾（1993年-1997年）

Pentium处理器的发展分成三代

第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用0.8um工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz

第二代Pentium处理器（1994年）采用0.6um工艺，工作频率为90MHz/100MHz]

第三代Pentium MMX（多能奔腾，1997年）增加了57条多媒体指令（多媒体扩展指令系统）

在体系结构上， Pentium在内核中采用了RISC（reduced instruction set computer）技术

接着有Pentium Pro(高能奔腾）、Pentium II、Pentium III、 Pentium IV 、Pentium D……

还有同级别但经济的Celeron（赛扬）、Xeon（至强）……

AMD公司作为竞争者，也推出了各级别的产品，如K5、K6、K6-2、K6-3、K7、Duron、Athlon等微处理器

第五代：64位微处理器芯片

Itanium（安腾），2001年5月发布

采用0.18微米工艺制造，工作频率为733MHz/800MHz，Itanium处理器的内部/外部数据总线及地址总线都是64位

什么叫双核CPU?

双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。

双核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。

如Pentium D，90nm工艺

睿频 

是指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升 10%~20%， 以保证程序流畅运行的一种技术

处理器应对复杂应用时，可自动提高运行主频以提速，轻松进行对性能要求更高的多任务处理;当进行工作任务切换时，如果只有内存和硬盘在进行主要的工作，处理器会立刻处于节电状态。这样既保证了能源的有效利用，又使程序速度大幅提升。通过智能化地加快处理器速度，从而根据应用需求最大限度地提升性能，为高负载任务提升运行主频高达20%以获得最佳性能即最大限度地有效提升性能以符合高工作负载的应用需求:通过给人工智能、物理模拟和渲染需求分配多条线程处理，可以给用户带来更流畅、更逼真的游戏体验

核心显卡

英文原名Core graphics card，核心图形卡，意思是集成在核心中的显卡

核心显卡是新一代的智能图形核心，它整合在智能处理器当中，依托处理器强大的运算能力和智能能效调节设计，在更低功耗下实现同样出色的图形处理性能和流畅的应用体验 　　 TDP（Thermal Design Power，热功耗设计）指基于CPU在最糟糕应用状况下规定的功耗指标，要求散热解决方案设计成可以将这个指标的功耗驱散掉

DDR=Double Data Rate双倍速率同步动态随机存储器。严格的说DDR应该叫DDR SDRAM，人们习惯称为DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写，即同步动态随机存取存储器。而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的

SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输;而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此称为双倍速率同步动态随机存储器。DDR内存可以在与SDRAM相同的总线频率下达到更高的数据传输率

Intel X86系列微型计算机的发展

微型化─ 便携式、低功耗

巨型化─ 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度

智能化─ 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力

系列化、标准化─ 便于各种计算机硬、软件兼容和升级

网络化─ 网络计算机和信息高速公路

多机系统─ 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享)

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2002年，44年之后，我国信息技术产业再次迎来了令人兴奋的时刻。1958年9月研制出我国第一台电子计算机的中国科学院计算所今天在这里宣布，由该所研制的商品化通用高性能中央处理器（CPU）芯片——“龙芯”1号投产成功，这是我国信息产业在掌握计算机核心技术的道路上迈出的关键一步。装载这颗“龙芯”的中国第一台具有自主核心技术的服务器——“龙腾”也应运诞生。

“龙芯”1号达到了1997年国际先进水平。研制“龙芯”目的是带动新的产业，考虑的是有自主知识产权，保证网络安全等问题

龙芯2号：2004年6月，中科院计算所将研发出实际性能与奔腾4水平相当的“龙芯2号”通用CPU，比“龙芯1号”性能提高10至15倍

17年10月24日，中科院研究员、龙芯CPU首席科学家胡伟武表示，现在龙芯已经应用于包括北斗卫星在内的十几种国家重器中，以及应用于职能机构办公等信息系统中，还走到了国外，首先实现了从基本可用到可用的跨越。龙芯的性能已经超过了国外主流CPU的低端系列产品，正在向中高端迈进

2015年3月31日中国发射首枚使用"龙芯"的北斗卫星

龙芯3B是首款国产商用8核处理器，主频达到1GHz，支持向量运算加速，峰值计算能力达到128GFLOPS，具有很高的性能功耗比

FLOPS 是Floating-point Operations Per Second

目前国际上最新工艺为7nm，我国已普及28nm，正在尝试进军14nm。华为的海思麒麟990处理器将会使用台积电二代的7nm工艺制造

中国大陆集成电路制程工艺之所以落后于国际先进水平，除了技术基础薄弱的历史原因之外，主要是受到先进光刻机对华禁售禁运的影响

不过，随着大陆光刻技术的进步，国际技术封锁正在逐渐被打破。相信不久的未来，大陆自主集成电路制造水平赶上甚至超越国际水平会成为现实

2 微型计算机的组成和层次结构

微型计算机系统的三个层次：

微处理器——>微型计算机——>微型计算机系统

2.1 微型计算机的硬件系统

通用的微型计算机硬件系统是由处理器子系统、存储器、I/O（输入/输出）设备及其接口电路组成（如图所示）

微处理器——核心部件

运算器（ALU）：主要完成算术运算和逻辑运算

控制器：分析命令并指挥协调各部件统一行动完成命令规定的各种动作或操作的部件

高速存储单元（寄存器组）：存放原始数据、中间结果和最终结果以及程序的部件

存储器——存放程序和数据

分为主存和辅存

内存一般在主板上，cpu可直接访问。有随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）

ROM中的信息一般只能读不能写，其容量一般为几KB到几MB，如BIOS

而RAM则既可以读出信息，又可以写入信息。通常作为微机系统的主存储器，其容量从早期的几十KB到现在的高达几GB

I/O设备及其接口电路

I/O设备的种类很多，有电子式、电磁式、机械式等，无法与cpu直接匹配，所以不能将它直接连在总线上，而需接口电路完成信号转换、数据缓冲和驱动等任务

I/O接口电路最基本的接口电路有8255可编程并行接口电路、8253可编程定时/计数器、8251可编程串行接口电路、8237直接存储器存取电路（DMA）、82380多功能接口电路以及8259中断控制器电路等

系统总线

总线是指传递信息的一组公用导线

系统总线是指从微处理器子系统引出的若干信号线，通过他们完成cpu与存储器和I/O设备之间的信息交换

总线按其传输的信号分类

1．数据总线DB（Data Bus）数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的

2．地址总线AB（Address Bus）地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号

3．控制总线CB（Control Bus）控制总线是连接CPU的控制部件和内存、I/O设备等，用来控制内存和I/O设备的全部工作

总线使用特点

1、在某一时刻，只能有一个总线主控设备控制系统总线

2、某一时刻只能有一个设备向总线发送信号，但可以有多个设备同时从总线上获取信号

总线结构使得微机系统组态灵活，扩展方便

2.2 IBM PC系列机系统

16位IBM PC系列机是现代微机发展的基础

IBM PC/XT机

8088CPU

IBM PC/AT机

3 微型计算机的工作原理

3.1 冯诺依曼存储程序工作原理

数据和程序以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，地址码也是二进制形式 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

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地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

“程序存储，程序控制”——冯诺依曼原理

3.2 微型计算机的工作过程

微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而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，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，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

4 常用术语和指标

1．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。位作为单位时记作b

字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B

K是kelo的缩写，1K=1024=210

M是mega的缩写，1M=1024K=220

G是giga的缩写，1G=1024M=230

T是tera的缩写，1T=1024G=240

P是Peta的缩写，1P=1024T=250

2．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、32位和64位等等

8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器

64位操作系统

64位操作系统是指特别为64位架构计算机系统而设计的操作系统

64位操作系统的优点，在于能够利用64位处理器的优势，在处理多媒体内容时能够有更佳的表现

与32位区别

简单的说x86代表32位操作系统 x64代表64位操作系统。如果你的CPU是双核以上，那肯定支持64位操作系统了。如果你的电脑内存大于4G，那就要用64位的系统了，因为32位的Windows 7也好，Vista也好，最大都只支持3.25G的内存。而64位的windows 7和Windows 10最大将支持128G的内存

3．主频

主频也叫做时钟频率，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，从80486DX2开始，主频=外部总线频率*倍频系数

外部总线频率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频与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准主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频

4．微处理器的生产工艺

指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，目前以nm为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小

2009年，英特尔研制出22纳米微处理器制造工艺。22纳米晶圆由多个芯片构成，每个芯片都包含364兆位的SRAM存储器，在指甲盖大的面积上集成了29亿个晶体管

5．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，Pentium III的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍

阿兰·麦席森·图灵 （Alan Mathison Turing ，1912年6月23日-1954年6月7日），英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。曾协助英国军方破解德国的著名密码系统“谜”(Enigma)，帮助盟军取得了二战的胜利。人们为纪念其在计算机领域的卓越贡献而设立“图灵奖”

5 数制及转换,原码,补码,BCD码（自学复习）

在计算机科学中，原码、反码和补码是数字表示方法，它们用于简化计算机中数字的算术运算，尤其是二进制数的加减运算。下面我将简要介绍这三种表示方法：

1. 原码：原码是最直观的表示方法，它直接用二进制数表示一个数，包括正负号。在原码中，最高位（最左边的位）是符号位，0 表示正数，1 表示负数。其余位表示数值本身。例如，十进制数 +5 的原码表示为0000 0101，而 -5 的原码表示为 1000 0101。

2. 反码：反码主要用于表示负数。对于正数，其反码与其原码相同。对于负数，其反码是将原码除符号位外的所有位取反（0 变 1，1 变 0）。例如，十进制数-5的反码表示为1111 1010。

3. 补码：补码是计算机中最常用的表示方法，用于进行二进制加法运算。对于正数，其补码与其原码相同。对于负数，其补码是其反码加 1。补码的一个重要特性是，任何数的补码加上该数本身，结果总是 0。例如，十进制数 -5 的补码表示为 1111 1011。

补码的使用可以简化计算机中的算术运算，因为加法和减法可以统一为加法运算。当进行减法运算时，可以将减数的补码与被减数相加，从而得到结果。

这里有一个简单的示例来说明补码运算：

• 假设我们要计算十进制数 5 - (-3)。

• 首先，将两个数转换为二进制：5 的二进制是 0101，-3 的补码是 1101。

• 然后，将5和-3的补码进行二进制加法运算：0101 + 1101 = 10010。

• 最后，将结果转换回十进制：10010 等于 18，这与 5 + 3 的结果一致。

原码（Sign-Magnitude）

概念：

• 原码是一种最简单的表示有符号数的方法。

• 使用最高位（最左边的一位）表示符号：0表示正数，1表示负数。

• 其余位表示数值的大小。

示例：

• 8位原码表示：

  • +5：00000101

  • -5：10000101

反码（Ones' Complement）

概念：

• 反码是通过对原码的数值部分逐位取反（0变1，1变0）得到的。

• 正数的反码和原码相同。

• 负数的反码是其原码除符号位外所有位取反。

示例：

• 8位反码表示：

  • +5：00000101

  • -5：11111010

补码（Two's Complement）

概念：

• 补码是反码加1得到的。

• 正数的补码和原码相同。

• 负数的补码是其反码加1。

示例：

• 8位补码表示：

  • +5：00000101

  • -5：11111011（反码为11111010，加1得到11111011）

总结

• 原码：简单但有两个零。

• 反码：解决了一部分问题，但仍有两个零。

• 补码：最常用、最有效，只有一个零，简化了计算机的加减法运算。

计算机内部广泛使用补码表示有符号整数，因为它简化了硬件设计和运算处理。了解这些概念有助于理解计算机的底层运算机制和一些算法的实现原理。

何谓“ABCDEF”？

A（AI）是人工智能

B（Blockchain）是区块链技术

C（Cloud Edge Collaboration）是云边协同

D（Big Data）是大数据

E（Ethics）是伦理

F（5th generation mobile communications）是5G

本文标签： 微机第一部分接口原理技术