《微型計算機(jī)系統(tǒng)與接口》第1章.ppt

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2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,微型計算機(jī)系統(tǒng)與接口,艾德才等編著中國水利水電出版社,21世紀(jì)高職高專新概念教材,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,本書遵照教育部的要求，教材內(nèi)容緊跟時代，把微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)反映到我們的本科生課堂上來，時時處處注意到教材內(nèi)容的知識性、先進(jìn)性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,,知識性：本書涵蓋了目前世界上微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的技術(shù)知識:包括分支轉(zhuǎn)移預(yù)測技術(shù)超標(biāo)量執(zhí)行技術(shù)微機(jī)的流水線操作技術(shù)高速緩沖存儲器技術(shù)分段存儲管理技術(shù)分頁存儲管理技術(shù)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)高速總線傳輸技術(shù)等。它們構(gòu)成了各種高性能軟件的載體。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,,先進(jìn)性：計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，新技術(shù)層出不窮。本教材的教學(xué)內(nèi)容描述的是世界上最新的微型計算機(jī)理念、技術(shù)和知識，展示給學(xué)生的是目前微機(jī)領(lǐng)域里的頂尖技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)過程，以啟迪學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,,系統(tǒng)性：計算機(jī)本身就是一個由硬件和軟件組成的龐大的復(fù)雜系統(tǒng)。其中包括有豐富的知識和先進(jìn)的技術(shù)。目前絕大多數(shù)流行的系統(tǒng)軟件和各種應(yīng)用軟件是以Pentium為平臺開發(fā)出來的，了解計算機(jī)軟件的載體——硬件及其組成、工作原理、以及軟件是怎樣依附于硬件的，從而達(dá)到對計算機(jī)系統(tǒng)（軟件、硬件）基本知識的融會貫通。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,第1章微處理機(jī)系統(tǒng)概論,1.1微處理機(jī)的發(fā)展微處理機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，是大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物。在這以前，計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計算機(jī)時期、晶體管計算機(jī)時期、中小規(guī)模集成電路計算機(jī)時期。大規(guī)模集成電路于1970年研制成功，并開始以它作為計算機(jī)的主要功能部件。此時計算機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模集成電路時期，計算機(jī)的微型化成為可能。微型計算機(jī)的發(fā)展是以微處理機(jī)的發(fā)展來表征的。將傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件（CPU），稱為微處理機(jī)。微型計算機(jī)是以微處理機(jī)為核心，再配上存儲器、接口電路等芯片構(gòu)成的。微處理機(jī)一經(jīng)問世，就以體積小、重量輕、價格低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)和應(yīng)用面廣等一系列優(yōu)點(diǎn)占領(lǐng)世界計算機(jī)市場，并得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代社會不可缺少的主要工具。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1946年，世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC在美國賓州誕生；同年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Schockley博士發(fā)明了被譽(yù)為“20世紀(jì)最偉大發(fā)明”的晶體管；今天，Internet盛行、信息高速公路初見端倪，信息技術(shù)在近半個世紀(jì)內(nèi)以令人炫目的速度繁衍、演化著。在這場改變?nèi)祟惿娣绞降淖兏镏?，CPU以其作為計算機(jī)“大腦”和“心臟”這一核心地位而始終處于變革風(fēng)暴的前沿。說到CPU的發(fā)展，就以Intel產(chǎn)品為例加以說明。正是由于IBM選定了Intel的芯片作為其個人計算機(jī)IBMPC的CPU，從此Intel的發(fā)展之路在很大程度上反映了CPU發(fā)展之路、PC機(jī)的發(fā)展歷史。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1965年，摩爾（G.Moore）經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，集成電路內(nèi)芯片的晶體管數(shù)目，幾乎每隔18個月到24個月，其集成度就要翻一翻。這條未經(jīng)嚴(yán)格證明但又千真萬確的“金科玉律”，經(jīng)過近30年的檢驗(yàn)，始終表現(xiàn)出令人驚異的準(zhǔn)確性。Intel于1971年順利開發(fā)出全球第一塊微處理器--4004芯片。這項(xiàng)突破性的發(fā)明當(dāng)時被用于一種計算器中。這一創(chuàng)舉開始了人類將智能內(nèi)嵌于電腦和無生命設(shè)備的歷程。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．1971年:全球第一塊微處理器40044004主要用來處理算術(shù)運(yùn)算，它集成了2300多個晶體管，具有4位帶寬，工作頻率為108kHz，尋址空間只有640B。2．新一代8位微處理器8080在1974年,推出了新一代8位微處理器——8080。8080集成了6000個晶體管，其時鐘頻率為2MHz。8080是一個劃時代的產(chǎn)品，它的誕生，使得Intel有了自己真正意義上的微處理器．3.第一代微處理機(jī)——16位的8086CPU。它的出現(xiàn)成為20世紀(jì)70年代微處理機(jī)發(fā)展過程中的重要分水嶺。8086是真正16位CPU，其內(nèi)集成進(jìn)了29000個晶體管，主頻速率達(dá)5MHz/8MHz/10MHz，尋址空間達(dá)到了1MB，第一次超過640KB。8088是8086的一個簡化版本，時鐘頻率為4.77MHz，它將8位數(shù)據(jù)總線獨(dú)立出來，減少了管腳，因此成本也較低。1979年，Intel的這兩款CPU，得到藍(lán)色巨人IBM的青睞，由于IBM采用Intel的8086與8088作為個人計算機(jī)IBMPC的CPU。個人計算機(jī)PC時代從此誕生。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,4．第二代微處理機(jī)——16位的80286CPU80286芯片于1982年2月1日正式發(fā)布，總線帶寬為16位，集成了13萬多個晶體管，因此性能也有了很大的提高，主頻達(dá)到了20MHz。5．第三代微處理機(jī)——32位的80386CPU1985年10月，Intel推出它的第三代微處理機(jī)——32位的80386DX。80386DX是一塊集成進(jìn)了27.5萬個晶體管的全32位微處理機(jī)，其時鐘頻率達(dá)到33MHz，數(shù)據(jù)總線和地址總線均為32位，具有4GB的物理尋址能力。6．第四代微處理機(jī)——32位的80486CPU80486微處理機(jī)于1989年4月正式發(fā)布。這是一款在一片芯片內(nèi)集成進(jìn)了120萬個晶體管的CPU，是Intel第一次將微處理機(jī)的晶體管數(shù)目突破100萬只。7．第五代微處理機(jī)——32位的PentiumIntel在1993年推出了全新一代的高性能處理機(jī)Pentium。Pentium芯片內(nèi)部集成進(jìn)310萬個晶體管，單是最初版本的66MHz的Pentium微處理機(jī)運(yùn)算性能，就比33MHz的80486DX高出3倍多，而100MHz的Pentium則比33MHz的80486DX快6～8倍。較之后輩的Pentium微處理機(jī)，這種Pentium微處理機(jī)又叫經(jīng)典奔騰（ClassicPentium）。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,8．高能奔騰（PentiumPro）Intel于1996年推出了新x86系列CPU——PentiumPro。PentiumPro芯片內(nèi)部集成進(jìn)550萬個晶體管，內(nèi)部時鐘頻率為133MHz。9．多能奔騰（PentiumMMX）1996年底Intel又推出了Pentium系列的改進(jìn)版本，也就是平常所說的PentiumMMX（多能奔騰）。MMX技術(shù)是Intel最新發(fā)明的一項(xiàng)多媒體增強(qiáng)指令集技術(shù)，它的英文全稱可以翻譯成“多媒體擴(kuò)展指令集”。MMX是Intel公司在1996年為增強(qiáng)PentiumCPU在音像、10．二代奔騰PentiumⅡ1997年5月，Intel推出了與PentiumPro同一個檔次的PentiumⅡ。PentumⅡ有一系列的不同檔次的產(chǎn)品，其中第一代的產(chǎn)品就是PentiumⅡKlamath芯片。作為PentiumⅡ的第一代芯片，它運(yùn)行在66MHz總線上，主頻分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz四種。由于它代表了Pentium系列機(jī)當(dāng)時的最高性能，所以將其稱之為二代奔騰Pentium。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,11．PentiumⅢ應(yīng)該把PentiumⅢ稱之為“多能奔騰二代處理機(jī)”（PentiumIIProcessorwithMMX2Technology）。Intel于1999年2月發(fā)布了PentiumⅢ芯片——Katmai，作為第一款專為提高用戶的互聯(lián)網(wǎng)計算體驗(yàn)而設(shè)計的微處理機(jī)，使用戶能夠盡享豐富的音頻、視頻、動畫和栩栩如生的三維效果。針對不同需求，PentiumⅢ推出了移動PentiumⅢ和PentiumⅢXeon（至強(qiáng)）處理機(jī)。12．Pentium4Pentium4是Intel新一代高性能32位微處理機(jī)，在體系結(jié)構(gòu)上，Pentium4完全不同于它的前輩機(jī)PentiumII和PentiumⅢ。PentiumII和PentiumⅢ采用的是與PentiumPro相同的P6結(jié)構(gòu)形式，而Pentium4采用的則是NetBurst的新式處理機(jī)結(jié)構(gòu)。采用NetBurst機(jī)構(gòu)是為了加快以突發(fā)方式傳送數(shù)據(jù)速度，如流媒體、MP3播放程序和視頻壓縮程序等的傳送速度。專家們指出：“該設(shè)計意味著從傳統(tǒng)整數(shù)運(yùn)算性能（如標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)應(yīng)用程序）向媒體運(yùn)算性能變遷的重大革新”。但是NetBurst仍然是由開發(fā)P6的原班人馬完成的。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.2微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu),從第一臺電子計算機(jī)問世以來，它的更新?lián)Q代實(shí)質(zhì)上是硬件的更新?lián)Q代。就其基本工作原理而言，都是存儲程序控制的原理，其基本結(jié)構(gòu)屬于馮諾依曼型計算機(jī)，即電子數(shù)字計算機(jī)。它至少應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸入設(shè)備五部分組成。原始的馮.諾依曼機(jī)在結(jié)構(gòu)上是以運(yùn)算器和控制器為中心，但隨著計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計實(shí)踐和發(fā)展，已逐步演變到以存儲器為中心的結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,圖1.1計算機(jī)基本結(jié)構(gòu),2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.2.1寄存器寄存器是中央處理器（CPU）中的一個非常重要的部件，根據(jù)其功能和作用，寄存器可以分為以下幾類：1）基本寄存器；2）系統(tǒng)級寄存器；3）浮點(diǎn)寄存器；4）調(diào)試和測試寄存器等。這里著重介紹基本寄存器，包括通用寄存器、指令寄存器、標(biāo)志寄存器和段寄存器。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.通用寄存器以80486為例，共配置了8個32位的通用寄存器供程序員使用。這八個32位的寄存器不僅可以保存32位數(shù)據(jù)，以便支持32位的數(shù)據(jù)操作，還可以進(jìn)行16位的操作，以便與Intel系列16位機(jī)兼容。所以可以把這八個32位通用寄存器的低半段看成是八個16位的通用寄存器。在進(jìn)行地址計算和進(jìn)行絕大多數(shù)算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算時，這8個寄存器都可以使用，只有少數(shù)幾條指令要使用專用寄存器保存其操作數(shù)。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,2.指令指針寄存器EIP像80486微處理機(jī)，其指令指針寄存器是一個32位寄存器，如圖1.2所示。在指令指針寄存器內(nèi)存放的是當(dāng)前代碼段內(nèi)下一條要執(zhí)行指令的偏移量。這個偏移量是相對于目前正在運(yùn)行的代碼段寄存器CS而言的。偏移量加上當(dāng)前段的地址，形成了下一條指令的地址。由指令指針寄存器的性質(zhì)決定了程序設(shè)計人員不能直接使用這個寄存器。它是由控制轉(zhuǎn)移類指令、中斷處理過程和異常事故處理過程隱含地控制著的。,圖1.2指令址針寄存器,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,3.標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器是一個32位寄存器，如圖1.3所示。它的作用是用來存放有關(guān)80486微處理機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志信息、控制標(biāo)志信息及系統(tǒng)標(biāo)志信息。狀態(tài)標(biāo)志信息報告了算術(shù)運(yùn)算類指令在執(zhí)行完以后的機(jī)器狀態(tài)；控制標(biāo)志信息僅有一個DF標(biāo)志，用來控制串操作過程中執(zhí)行方向問題，即用來決定是給目標(biāo)變址寄存器EDI、源變址寄存器ESI增正值（增值）還是增負(fù)值（減值）的問題。系統(tǒng)標(biāo)志信息用來控制輸入/輸出、屏蔽中斷、調(diào)試、任務(wù)轉(zhuǎn)換和控制保護(hù)方式與虛擬8086方式間的轉(zhuǎn)換等操作。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,80486的標(biāo)志寄存器,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,4.段寄存器段寄存器也叫選擇符，它們的名字和用途分別是：代碼段寄存器CS、數(shù)據(jù)段寄存器DS、堆棧段寄存器SS、附加數(shù)據(jù)段寄存器ES、附加數(shù)據(jù)段寄存器FS、附加數(shù)據(jù)段寄存器GS。因?yàn)槎渭拇嫫鲀?nèi)保存的是16位的段選擇符，這就是將段寄存器稱之為段選擇符的原因。每個段都有一個描述符與之對應(yīng)，描述符給出了每個段的基址、界限以及其他一些段屬性。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.2.2算術(shù)和邏輯部件ALU,運(yùn)算器即是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算部件ALU，它的主要任務(wù)是對信息進(jìn)行加工處理。在設(shè)計一臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)時，就應(yīng)確定運(yùn)算器能夠?qū)崿F(xiàn)哪些算術(shù)和邏輯運(yùn)算。我們常把各種算術(shù)運(yùn)算操作歸結(jié)為相加和移位的兩個最基本的操作，這就是運(yùn)算器以加法器為核心的原因。ALU能夠處理數(shù)據(jù)的位數(shù)和計算機(jī)有關(guān)，如Z80單板機(jī)，其ALU是8位的；8086微處理機(jī)的ALU是16位的；80386、80486的ALU則是32位的。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．2．3控制器,微處理機(jī)是按程序中每一條指令的要求，在控制器的統(tǒng)一指揮下工作的?？刂破魇俏⑻幚頇C(jī)工作的指揮和控制中心，了解控制器的工作原理有助于了解微機(jī)的全部工作過程?？刂破鞒ㄓ谐绦蛴嫈?shù)器PC和指令寄存器IR外，其內(nèi)還配備有：（1）指令譯碼器指令譯碼器主要是對指令寄存器中的操作碼進(jìn)行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，有的機(jī)器也需要對尋址方式字段進(jìn)行譯碼，用以產(chǎn)生有效地址所需的信號。（2）時序部件是產(chǎn)生各種時序信號的部件。計算機(jī)完成一條指令的過程是通過執(zhí)行若干個微操作來實(shí)現(xiàn)的，而且各個微操作的執(zhí)行順序又有嚴(yán)格的要求。時序部件用來產(chǎn)生一系列的時序信號，可以保證各個微操作的執(zhí)行順序。（3）微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件是用來產(chǎn)生各種微操作控制信號的。所謂微操作，即計算機(jī)中最簡單的且不能再分解的操作，如打開某個控制門、清除寄存器等。復(fù)雜操作是通過執(zhí)行一系列微操作實(shí)現(xiàn)的。（4）中斷機(jī)構(gòu)中斷機(jī)構(gòu)是專門用于處理計算機(jī)運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的異常情況和某些請求的部件。中斷機(jī)構(gòu)由硬件和軟件組成。請求中斷的事件稱為中斷源。中斷源的種類很多，如外設(shè)引起的中斷、運(yùn)算器產(chǎn)生的中斷、存儲器產(chǎn)生的中斷等。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．2．4存儲器,存儲器就是用來存儲程序和原始數(shù)據(jù)等信息的部件。正是有了存儲器，計算機(jī)才有了對信息的記憶功能。馮諾依曼的計算機(jī)概念的核心就是存儲程序控制。計算機(jī)的存儲器又可以分為兩大類：一類叫內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存；另一類叫外部存儲器，簡稱為外存。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．3計算機(jī)軟件組成,計算機(jī)的軟件包括：計算機(jī)運(yùn)行時所需的各種程序，以及描述程序功能、性能、設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及如何操作與使用的文檔資料。軟件是計算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，沒有配備任何軟件的“裸機(jī)”是無法使用。沒有配備足夠的軟件，計算機(jī)的功能就不能淋漓盡致地發(fā)揮出來，計算機(jī)的應(yīng)用范圍也將因此而大大縮小。組成計算機(jī)的軟件可分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是直接運(yùn)行在裸機(jī)上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其它軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行，它是系統(tǒng)軟件的核心。操作系統(tǒng)的作用是協(xié)調(diào)管理計算機(jī)系統(tǒng)的各種軟件、硬件資源，使之有效地被使用；組織協(xié)調(diào)計算機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)運(yùn)行自動化；為用戶提供方便、靈活、友好的用戶界面。PC機(jī)使用的操作系統(tǒng)目前最流行的是微軟公司的Windows系列和UNIX類的操作系統(tǒng)。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,Windows操作系統(tǒng)這是目前PC機(jī)上最流行的操作系統(tǒng)，它采用了以窗口(Window)、圖標(biāo)（Icon）、菜單（Menu）、指示器（Pointer）為特征的圖形用戶界面，使用戶能方便的使用PC機(jī)，減輕用戶記憶與理解操作命令的負(fù)擔(dān)。已經(jīng)發(fā)行的Windows操作系統(tǒng)有Windows3.1、Windows3.2、WindowsforWorkgroup、Windows95、Windows98、以及WindowsNT、Windows2000、WindowsXP等許多版本。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,UNIX操作系統(tǒng)UNIX操作系統(tǒng)是一個通用的、交互的分時系統(tǒng)，由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室在PDP-11系列機(jī)上研制而成。UNIX具有以下特點(diǎn)：?適應(yīng)性強(qiáng)：可安裝在微型計算機(jī)、超級微型計算機(jī)、小型機(jī)、工作站、中型計算機(jī)以至大型計算機(jī)等不同計算機(jī)系統(tǒng)上。?功能強(qiáng)：UNIX是一個多用戶系統(tǒng)，可支持多用戶終端。UNIX又是多任務(wù)系統(tǒng)，具有前、后臺作業(yè)處理的功能。?易移植：只要對應(yīng)用程序做簡單的修改，即可由一個系統(tǒng)移植到另一個系統(tǒng)上。?用戶界面友好：用戶在終端上可使用shell命令直接與系統(tǒng)對話。?安全保密措施強(qiáng)：該系統(tǒng)是一個集權(quán)式的系統(tǒng)，可有效保護(hù)系統(tǒng)和用戶的資源免受破壞和侵襲。?系統(tǒng)的支持軟件豐富：軟件支持環(huán)境有分時多用戶環(huán)境、圖形軟件環(huán)境、數(shù)據(jù)庫軟件、CAD軟件包及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等。?與MS-DOS的軟件兼容。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,2．語言處理程序計算機(jī)的硬件系統(tǒng)只能直接識別并執(zhí)行用二進(jìn)制的0，1代碼表示的機(jī)器指令編寫的程序（機(jī)器語言程序）。但直接用機(jī)器指令編寫程序要經(jīng)過專門訓(xùn)練，程序難讀、難懂、易出錯，檢錯、糾錯也很費(fèi)時、費(fèi)力，限制了計算機(jī)的應(yīng)用。匯編語言（符號語言）是用直觀、形象便于記憶的字母、符號，代替0、1編碼的機(jī)器指令，如ADD,SUB…。用匯編語言編寫程序簡單，改善了程序的可讀性，提高了使用效率。使用匯編語言編寫的程序（匯編語言程序）計算機(jī)不能直接識別，必須通過翻譯，將其變?yōu)闄C(jī)器語言程序后，計算機(jī)才能理解并執(zhí)行，完成這種翻譯功能的程序叫做匯編程序。匯編語言是面向機(jī)器的低級語言。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,高級語言——能表達(dá)解題算法的面向應(yīng)用問題的語言。高級語言直觀通用，使用高級語言編程，可以不必了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)，從而大大有利于推廣使用計算機(jī)。高級語言的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。初級階段：代表語言是1954年問世的FORTRAN,它主要面向科學(xué)計算和工程計算。第二階段：可視為結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計階段，其代表是1968年問世的PASCAL語言，它定義了一個真正的標(biāo)準(zhǔn)語言，按嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化程序編程，具有豐富的數(shù)據(jù)類型，寫出的程序易讀懂，易檢查錯誤。第三階段：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計階段，其代表語言是C++。近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了更適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的面向?qū)ο蟮腏AVA語言，而且隨著Internet技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，JAVA語言越來越受到人們普遍歡迎。但是計算機(jī)不能識別用高級語言編寫的程序（高級語言程序），需要借助于編譯程序或解釋程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，機(jī)器才能理解、執(zhí)行。匯編程序、編譯程序和解釋程序統(tǒng)稱為語言處理程序，用于把人們編制的高級語言、匯編語言源程序，轉(zhuǎn)換為機(jī)器能夠理解的目標(biāo)程序，只有目標(biāo)程序才能在計算機(jī)上運(yùn)行。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,3．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并方便用戶訪問的計算機(jī)軟、硬件資源組成的計算機(jī)系統(tǒng)。它由以下四部分組成。①硬件資源：即計算機(jī)的硬件系統(tǒng)，CPU、主存儲器、輔助存儲器及外部設(shè)備等。②軟件資源：包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS，管理數(shù)據(jù)庫的軟件）和應(yīng)用程序等。③數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)的匯集，它們以一定的組織形式存儲在存儲介質(zhì)上（例如硬盤）。④數(shù)據(jù)庫管理員：管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的專門人員，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃、設(shè)計、協(xié)調(diào)和管理工作。數(shù)據(jù)庫是在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的集中管理下，有較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，較少的數(shù)據(jù)冗余，相互間有聯(lián)系的數(shù)據(jù)集合。有四種類型的數(shù)據(jù)庫：層次數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,4．實(shí)用程序與軟件工具實(shí)用程序是指一些日常使用的輔助性、工具性程序，它們提供給用戶各種實(shí)用功能。如文件管理、系統(tǒng)的配置與初始設(shè)定、系統(tǒng)資源的管理、系統(tǒng)的診斷和調(diào)試、程序與文本的準(zhǔn)備與編輯、各類程序之間的裝配與連接、程序的調(diào)試與測試等。軟件工具則是指一類對軟件開發(fā)特別有用的工具程序，它們可用來幫助用戶對其他程序進(jìn)行開發(fā)、修復(fù)或者優(yōu)化性能等。系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、項(xiàng)目管理、文檔生成和質(zhì)量保證中都需要軟件工具的支持。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．3．2應(yīng)用軟件,應(yīng)用軟件是計算機(jī)用戶在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中開發(fā)和使用的程序。由于計算機(jī)的應(yīng)用極其廣泛，所以這類軟件種類繁多，不勝枚舉。如：科學(xué)計算類程序、工程設(shè)計類程序、數(shù)據(jù)處理類程序、信息管理類程序等等。在應(yīng)用軟件中有的通用應(yīng)用軟件非常流行，例如，文字處理軟件、電子表格軟件、繪圖軟件、網(wǎng)路通信軟件等。表1.1列出了PC機(jī)有代表性的通用應(yīng)用軟件。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,表1.1有代表性的通用軟件,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.4數(shù)據(jù)單位表示,1．4．1數(shù)據(jù)單位1.位(Bit)位是二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最小單位，一個二進(jìn)制位只能表示兩個狀態(tài)，即21=2。要表示的信息如果很大，就要把更多的二進(jìn)制位聯(lián)合起來組成一個整體。每增加一位，所表示的數(shù)的量就增加一倍，像ASCII碼用7位二進(jìn)制位的組合碼所能表示的數(shù)是27=128。而用8位二進(jìn)制位的組合碼所能表示的數(shù)則是28=256。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,2.字節(jié)(Byte)字節(jié)在微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)是常用的一個名詞、技術(shù)術(shù)語，常用B表示之。字節(jié)被規(guī)定成是由8個二進(jìn)制信息組成的一個數(shù)據(jù)單位，也就是說，1字節(jié)=8二進(jìn)制位，即1Byte=8bit。字節(jié)是計算機(jī)內(nèi)用來表示數(shù)據(jù)的一種單位。通常，在一個字節(jié)內(nèi)存放一個ASCII碼，2個字節(jié)即可用來存放一個漢字國標(biāo)碼。在給計算機(jī)內(nèi)的存儲器地址進(jìn)行編碼時，就采用了給每一個字節(jié)分配一個地址編碼的存儲器地址編碼方案。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,3字(Word)通常，把計算機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，一次存取加工和傳送的數(shù)據(jù)長度稱為字。一個字可以是由一個或幾個字節(jié)組成。由于字長是計算機(jī)一次所能處理的實(shí)際位數(shù)多少，決定了計算機(jī)數(shù)據(jù)處理的速率，是衡量計算機(jī)性能的重要標(biāo)志之一，通常字長越長，計算機(jī)的性能也就會越強(qiáng)。不同計算機(jī)的字長是不相同的，像Pentium的前輩機(jī)8086、80286就是16位的微處理機(jī)，而80386、80486則是32位的微處理機(jī)。就微處理機(jī)而論，說到字，就是每16位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個字。也就是說，一個字是由兩個字節(jié)組成。即1字=2個字節(jié)=16個bit。它是由連續(xù)存放的兩個相鄰的字節(jié)組成，是從16位微處理機(jī)那里繼承下來的一個概念。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,4雙字(DoubleWord)雙字，就是兩個字。也就是說，雙字是由兩個16位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)組成，即由32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)組成。所以，1雙字=2個字=4個字節(jié)=32個bit。它是由連續(xù)存放的四個相鄰的字節(jié)、或者說是由兩個相鄰的字組成。由于歷史的原因，是繼字之后又延續(xù)、拓寬下來的一個概念.在微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，它是一個非常重要的數(shù)據(jù)形式，在程序設(shè)計時經(jīng)常要用到32位的雙字。在32位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，使用32位的雙字進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，比起16位的微處理機(jī)其運(yùn)送精度大為提高。32位的數(shù)據(jù)可以以浮點(diǎn)形式和整數(shù)形式表示非常大的數(shù)或非常小的數(shù)。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,5.四字(QuadWord)所謂四字，就是由2個32位的雙字、或者說是由4個16位二進(jìn)制數(shù)、或者說是由8個字節(jié)、或者說是由64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)組成，1四字=2個雙字=4個字=8個字節(jié)=64個bit，它可以存放非常大數(shù)據(jù)。它是由連續(xù)存放的8個相鄰的字節(jié)、或者說是由4個相鄰的字組成，可以滿足非常高精度的需要。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．4．2表示存儲器容量的計量單位,在微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，存儲器容量的大小通常是以字節(jié)數(shù)量的多少表示。目前常用的計量單位有3種，他們分別是KB、MB、GB、TB。1．KBKB是kilobyte的縮寫，是千字節(jié)的意思，其中K表示千，B表示字節(jié)。相當(dāng)于10的3次方，即103=1024。用二進(jìn)制表示則相當(dāng)于2的10次方，即210=1024，要用10位二進(jìn)制數(shù)表示。在16位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，常用K作為存儲容量的量度單位。目前常用K作為文件大小的量度單位。在以Pentium為平臺的32位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，它的高速緩沖存儲器Cache的容量常用KB量度。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,2．MBMB是megabyte的縮寫，是兆字節(jié)的意思，其中M表示兆，B表示字節(jié)。相當(dāng)于10的6次方，即106=1024K=10241024。用二進(jìn)制表示則相當(dāng)于2的20次方，即220=1M=1024K，要用20位二進(jìn)制數(shù)表示。目前，在以Pentium為平臺的32位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，它的存儲器容量常用MB量度。像在以Pentium4為平臺的微處理機(jī)內(nèi)，存儲器配置通常為128MB、256MB或512MB不等。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,3．GBGB是gigabyte的縮寫，是吉字節(jié)的意思，其中G表示1024M，B表示字節(jié)。相當(dāng)于10的9次方，即109=1024M=10241024K=102410241024。用二進(jìn)制表示，則相當(dāng)于2的30次方，即230=1024M=10241024K，要用30位二進(jìn)制數(shù)來表示。目前，在以Pentium為平臺的32位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，它的硬盤存儲器容量常用GB量度。像在以Pentium4為平臺的微處理機(jī)內(nèi)，配置的硬盤存儲器通常為20GB、40GB或80GB不等。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,4．TBTB是terabyte的縮寫，是太拉字節(jié)的意思，其中T表示1024G，B表示字節(jié)。相當(dāng)于10的12次方，即1012=1024G=10241024M=102410241024K=1024102410241024。用二進(jìn)制表示則相當(dāng)于2的40次方，即240=1024G，要用40位二進(jìn)制數(shù)來表示。目前，在以Pentium為平臺的32位微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，它的虛擬存儲容量可用TB量度。像在以Pentium為平臺的微處理機(jī)內(nèi)，它的虛擬存儲空間可達(dá)64MMB=641024K1024KB=6410241024MB=641024GB=64TB。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．4．3．編址與尋址,微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的存儲器，說到底是由一個個存儲單元組成的，為了對存儲器進(jìn)行有條不紊的操作和高效的管理，給每個存儲單元都編上一個號，也就是說給每一個存儲單元都分配一個地址碼，俗稱給存儲器地址“編址”。經(jīng)過編址之后的存儲器在邏輯上就形成了一線性地址空間，在這種情況下，存儲器中就可以存放各種各樣的信息了。微處理機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取操作時，首先要給出欲存取數(shù)據(jù)的地址，然后再由硬件的地址譯碼部件找到數(shù)據(jù)所在的存儲器地址，這樣一個過程被稱之為“尋址”。只有找到數(shù)據(jù)所在的存儲器地址，才可以存取所需的數(shù)據(jù)。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1.5微處理機(jī)主要性能指標(biāo),衡量一臺微型計算機(jī)好壞的主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）字長字長是指微型計算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。字長越長，運(yùn)算精度越高，功能越強(qiáng)（支持的指令越多），主存容量可以越大。字長一般是字節(jié)的倍數(shù)。目前微機(jī)的字長以32位為主，高檔微機(jī)將會很快發(fā)展到64位。（2）主頻主頻是指微型計算機(jī)中CPU的時鐘頻率。主頻的大小在很大程度上決定了微機(jī)運(yùn)算的速度。主頻的單位是MHz（兆赫）。例如80386的主頻為20～50MHz，80486機(jī)的主頻為25～100MHz，Pentium（奔騰）的主頻為66～750MHz，目前Pentium4的主頻可高達(dá)3GHz以上。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,（3）內(nèi)存容量內(nèi)存容量是指微型計算機(jī)所能存儲信息的字節(jié)數(shù)。內(nèi)存容量越大，能存儲的信息就越多，運(yùn)行的軟件功能就越豐富，信息處理能力就越強(qiáng)，目前微機(jī)的內(nèi)存容量從128ＭＢ到512ＭＢ，甚至多達(dá)1GB。（4）存取周期微型計算機(jī)內(nèi)主存完成一次讀/寫操作所需的時間稱為存儲器的存取時間，連續(xù)進(jìn)行兩次讀/寫所需的最短時間稱為存儲器的存取周期。存取周期越短，則存取速度越快。存取周期的大小影響計算機(jī)的運(yùn)算速度。（5）運(yùn)算速度運(yùn)算速度是指微機(jī)每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位用MIPS（百萬條指令/秒）。因此執(zhí)行不同類型的指令所需時間不同，因此用各種指令的平均執(zhí)行時間及相應(yīng)指令運(yùn)行的比例綜合計算，作為衡量運(yùn)算速度的標(biāo)準(zhǔn)。目前微機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)200～3000MIPS，甚至更高。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．6RISC和CISC,1．6．1復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)—CISC學(xué)過匯編語言的都知道，每一種CPU都有屬于它自己的指令系統(tǒng)。CPU正是通過執(zhí)行一系列的特定的指令來滿足應(yīng)用程序的某種要求。某一系列的CPU，如Intelx86系列機(jī)，為了增加新的功能，就必須增加新的指令；另一方面，為了保持向上兼容，又必須保留原有的指令。每條指令又有若干個不同的操作字段，用來選擇要操作的數(shù)據(jù)類型和存放的位置(是在寄存器中還是在內(nèi)存儲器中)。這就意味著一個較大的指令系統(tǒng)和復(fù)雜的尋址技術(shù)。即所謂“復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)”(CISC)。由于超大規(guī)模集成電路VLSI技術(shù)的日臻成熟，計算機(jī)硬件的成本不斷下降，而軟件成本卻在不斷地上升，為了進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)的效率和微機(jī)的性能，就要在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和功能更強(qiáng)的復(fù)雜的指令。而且還要盡可能的使指令系統(tǒng)與高級語言的語義相近，以便于編譯程序?qū)Ω呒壵Z言的編譯和進(jìn)一步地降低軟件成本。另外，為了使新的微機(jī)與它的前輩機(jī)在軟件上兼容，指令系統(tǒng)則只能擴(kuò)充，而不能減去任何一條指令，因此使得Intel系列微機(jī)的指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜。像在Pentium微處理機(jī)指令系統(tǒng)內(nèi)不僅繼承下它的前輩機(jī)的所有指令，而且又增加了Cache的指令和諸如8字節(jié)比較和交換等指令，指令數(shù)達(dá)300余。,2005年1月,版權(quán)所有天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組,1．6．2精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)—RISC,“精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)”(RISC)的核心思想則是通過簡化指令來使計算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單、合理，從而提高CPU的運(yùn)算速度。解決途徑就是減少微處理機(jī)指令總數(shù)和減少指令操作的時鐘周期數(shù)。經(jīng)過當(dāng)時的技術(shù)比較測試表明，處于同樣工藝水平的芯片，RISC的運(yùn)行速度要比CISC快3-5倍。經(jīng)過對CISC體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)的深入研究之后，得出著名的“8020結(jié)論”：即在CISC指令系統(tǒng)的計算機(jī)中，20%的指令在各種應(yīng)用程序中的出現(xiàn)頻率占整個指令系統(tǒng)的80%?；谶@一研究，他們提出了RISC計算機(jī)。并使其迅速走紅IT界，大有“山雨欲來風(fēng)滿樓”的趨勢。RISC的出現(xiàn)打亂了Intel的發(fā)展計劃。是繼續(xù)沿襲x86的CISC體系結(jié)構(gòu)、還是另辟蹊徑開發(fā)RISC類微處理機(jī)芯片，曾進(jìn)行過激烈的爭論，公司決定雙管齊下，在繼續(xù)開發(fā)CISC芯片的同時，投入大量的人力物力著手研制RISC類微處理機(jī)芯片。一方面，公司繼續(xù)執(zhí)行自己的戰(zhàn)略計劃，開發(fā)x86的下一個版本—80486；另一方面，則著手研制自己的RISC芯片--860。,