第一章 微型计算机系统概述本章学习目标了解计算机的发展历程和主要性能指标。理解“冯诺依曼”体系结构和工作原理。熟悉未来计算机的发展趋势和主要应用领域。掌握微型计算机的基本组成结构。掌握计算机硬件和软件的功能以及相互依赖关系。1.1微型计算机系统简介n1.1.1微型计算机发展史n 微型计算机的CPU系统分为两大系列：Zilog生产的Z8000, Motorola MC68000系列和Intel 80X86系列，本书主要讲解 Intel 80X86系列微型计算机。n 1946年，在美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台电子 计算机ENIAC。这台电子计算机初露头角，便在计算圆周率 上大显身手。英国数学家契依列用了15年时间，于1873年将 圆周率的值计算到小数点后的707位，这是人工计算圆周率 的最高纪录。电子计算机ENIAC每秒钟能做5000次加减运算 ，仅用几十分钟就打破了这项纪录。n ENIAC重30t，用17468个真空管，70000个电阻器，占地 约140m2，耗电174kW，稳定工作时间只有几小时。而现在 功能与它相当的计算机仅重60g，耗电只需0.7W，可以长时 间连续工作。nCPU可以按组成的元件划分，也可以按CPU生产年代进行划 分。n1按所采用的逻辑元件可划分为4代n 第1代（19461957年），电子管计算机，也叫真空管 计算机，采用电子管做主要元器件，所有指令与数据都用 “1”或“0”来表示，分别对应电子器件的“接通”与“关断“，这 就是计算机可以理解的机器语言。内存储器采用磁芯，外 存储器有纸带、卡片、磁带、磁鼓等，内存容量仅几千字 节，运算速度仅为每秒几千次。输入输出主要用穿孔卡 ，速度很慢。第一代计算机大多用于科学计算。n 第2代（19581964年），晶体管计算机，它的主要逻 辑元件是晶体管。内存储器普遍采用磁芯，外存储器用磁 带和磁盘等，这就使存储容量增大，可靠性提高。晶体管 有一系列优点：体积小、重量轻、耗电省、速度快、寿命 长、价格低、功能强。用它做计算机的开关元件使机器的 结构与性能都发生了新的飞跃。这时，汇编语言取代了机 器语言，出现了高级程序设计语言，如ALGOL60, FORTRAN, COBOL等。应用领域也扩大到数据处理和事务 管理中。 n 第3代（19651970年），中小规模集成电路计算机，它 的主要逻辑元件是中小规模集成电路。所谓集成电路，是 指将晶体管、电阻、电容等电子元件构成的电路微型化， 并集成在一块如同指甲大小的硅片上。用半导体存储器取 代磁芯存储器，内存容量大幅度增加，运算速度为每秒几 十万次至几百万次。高级程序设计语言在这一时期得到了 很大发展，出现了操作系统和会话式语言。计算机开始广 泛应用于各个领域。n 第4代（1970年至今），大规模或超大规模集成电路计算 机，它的主要逻辑元件是大规模或超大规模集成电路。不 仅使计算机进一步微型化，而且提高了性能，降低了价格 ，为其广泛应用创造了条件。运算速度达到每秒几百万次 以上，操作系统不断完善，计算机网络时代开始。 n2按CPU的生产年代可划分为7代n 目前的计算机均以Intel公司的X86系列或其他与之兼容的CPU。从第1 代PC问世至今，CPU已发展到第7代，相应产生了7个档次的计算机系列 。n 第1代，1981年，IBM公司推出的采用8088为CPU的IBM PC/XT机，作 为第1代计算机的代表，它是准16位微型计算机。第1代计算机主要流行 于20世纪80年代中期。n 第2代，1985年，IBM公司推出了IBM PC/AT机，标志着第2代计算机 的诞生。该机采用80286为CPU，它是标准的16位CPU计算机，内存容量 配置可达16MB，其数据处理和存储能力都得到了明显提高，可以运行多 任务操作系统，是20世纪80年代末的主流机型。 n 第3代，1987年，Intel公司推出了80386微处理器（80386处理器分为 SX和DX,DX性能优于SX)，标志着32位CPU计算机的诞生，内存容量配置 可达232=4096MB,由该档次CPU组装的计算机称为386计算机。n 第4代，1987年，Intel公司推出了80486微处理器，它也分为SX和DX 两个档次，这就是通常所说的486计算机。n 第5代，1993年，Intel公司推出了Pentium微处理器，标志着第5代计 算机的诞生；1997年，Intel公司又推出了多功能Pentium MMX处理器， 这就是通常所说的奔腾计算机。 n 第6代，1998年，Intel公司推出了Pentium . Celeron， 后来又推出了Pentium .Pentium N，均为第6代CPU，这 标志着第6代计算机的诞生。n 第7代，2003年，AMD公司推出了面向台式机的64位处 理器Athlon 64，标志着64位计算机的诞生。2005年，Intel 公司和AMD公司相继发布了台式机的双核心CPU、三核心 CPU和四核心CPU，至此，计算机进入了多核心的第7代。AMD 超微半导体公司（Advanced Micro Devices）n1.1.2 微处理器的性能特点n 1971年，Intel公司开发出了第一代微处理器4004。它是 一个4位的微处理器，自身含有计算和逻辑功能，由2250个 MOS晶体管构成，每秒内能够执行约6万次操作。含有一个 累加器，16个用作暂存数据的寄存器，可寻址640字节的内 存，指令集含有45条指令。4004作为一般处理器来讲，功 能还不够强，只能作为计数器的核心来使用。但它是一种 新思想的第一代产物。n 自从4004微处理器诞生以来，CPU技术发展迅速。由于 不同型号CPU的指标不同，决定了其硬件系统的档次也不同 。如表1-1所示为近年来常见的CPU型号及其主要指标。n1.1.3计算机的发展趋势n 目前计算机的发展方向是：巨型化、微型化、网络化、智能化和新 概念计算机。n 1巨型化n 巨型化是指使计算机系统运算速度更高、存储容量更大、功能更完 善。巨型机主要用于尖端科技和国防系统的研究与开发，它的研制集 中体现了一个国家科学技术发展的水平。目前巨型机“蓝色基因/P”已经 达到每秒3000万亿次浮点运算，它在航空航天、军事工业、气象、人 工智能等几十个学科领域发挥着巨大的作用，特别是在复杂的大型科学 计算领域，而且其他的机种难以与之抗衡。n 2微型化n 微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞速发展。微处理器自 1971年问世以来，发展非常迅猛，几乎每隔两三年就会更新换代一次 ，这也使以微处理器为核心的微型计算机性能不断提升。据统计，仅在 2007年第3季度全球销售的PC就达到6850万台。另外，便于携带的笔记 本电脑、掌上型计算机以及形形色色的嵌入式专用计算机也不断推出。 08年n世界前三名是： 1.安置在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“蓝色基因 L”，研制者为美国IBM公司，浮点运算速度为每秒280.6万 亿次；2.安置在美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”，研制者为美国 克雷公司，浮点运算速度为每秒101.7万亿次；3.安置在美国桑迪亚国家实验室的“红色风暴”，研制者为克 雷公司，浮点运算速度为每秒101.4万亿次中国最快的是曙光4000A，它的运算速度超过了每秒10万亿 次（10TFops），是目前中国最快的超级计算机 13年n 国际组织日公布了最新全球超级计算机 强排行榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河 二号”以每秒.千万亿次的浮点运算速度，成为全球 最快的超级计算机。n 相比之下，美国能源部下属橡树岭国家实验室的“泰坦” 从上次第一名降至本次第二名，其运算速度为.千 万亿次。专家们表示，由于“天河二号”的速度比第二名快近 一倍，中国有可能保持桂冠至少一年时间。今后，全球最 快超级计算机的位置将可能出现由中美日三国计算机交替 把持的局面n 3网格化n 目前大部分计算机实现了联网，即利用现代通信技术和计算机技术 把分布在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，初步实 现了共享数据和软硬件资源的目的。但是信息的搜索和整合还需要手工 完成，效率较低。网格（Grid）技术可以更好地管理网上资源，它把整 个互联网虚拟成一台空前强大的一体化信息系统，犹如一台巨型机，并 在这个动态变化的网络环境中，实现计算资源、存储资源、数据资源、 信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。从而使用户从中享受可灵 活控制的、智能的、协作式的信息服务，并获得前所未有的便捷性和超 强能力。目前，世界上的主要国家和地区都把发展网格技术提到了战略 高度，纷纷投入巨资，抢占战略制高点。n 4.智能化n 智能化就是要求计算机具有模拟人的思维和感觉的能力，也是第5代 计算机要实现的目标。智能化的研究领域包括：自然语言的生成与理解 、模式识别、自动定理证明、自动程序设计、专家系统、学习系统、智 能机器人等。目前己研制出多种具有人的部分智能的机器人，可以代替 人在一些危险的工作岗位上工作。有人预测，家庭智能化的机器人将是 继PC之后，下一个家庭普及的信息化产品。n5新概念计算机n 尽管目前计算机的发展日新月异，但从本质上来说，其所采用的基 本元件仍然未超出4代机的范畴。随着技术的创新和发展，一些新概念 计算机也陆续出现，有的甚至开始走出实验室，进入应用领域。n 1)神经计算机：模仿人类大脑功能的神经计算机已经开发成功，它 标志着电子计算机的发展进入了一个新的时期。与以逻辑为主的计算机 不同，神经计算机本身可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行 动，而且它可同时并行处理实时变化的大量数据，并得出结论。以往的 信息处理系统只能处理条理清晰、经络分明的数据，而人的大脑却具有 处理支离破碎、含糊不清信息的灵活性。另外，神经计算机的信息不是 存在于存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中的。若有节点断裂 ，计算机仍有重建资料的能力。同时，它还具有联想记忆、视觉和声音 识别能力，具有与人脑类似的智慧和灵活性。它能识别文字、符号、图 形、语言以及声纳和雷达收到的信号，判读支票，对市场进行估计，分 析新产品，进行医学诊断，控制智能机器人，实现汽车和飞行器的自动 驾驶，发现和识别军事目标，进行智能指挥等。 n 2)超导计算机：随着高温超导技术的迅速发展，科学家们正试图寻找 出一种“高温”甚至“室温”的超导材料。一旦找到这些材料，人们就可以 利用它来制成超导开关器件和超导存储器，再利用这些器件制成超导计 算机。超导计算机的运算速度比现在的电子计算机快 100倍，而电能消 耗仅是电子计算机的千分之一。如果有一台中型计算机每小时耗电 10kW，那么，一台超导计算机只需一节干电池就可以工作。n 3)光子计算机：现有的计算机是由电子来传递和处理信息的。光子计 算机用光子取代电子，通过光纤进行数据传输、运算和存储。光子计算 机用不同波长的光表示数据，这远胜于电子计算机中通过“0”、 +1 状 态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速 的并行处理，光子计算机将使运算速度在目前基础上以指数级提升。 n 4)生物计算机：人类利用遗传工程技术仿制出以具有“开”与“关”功能 的蛋白质分子作为元件的计算机。它体积小，功效高。在1mm2的面积 上可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机己 经不是现在计算机的形状了，它可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方。 当生物计算机的内部芯片出现故障时，不需要人工干预就能自我修复。 它需要很少的能量就可以工作，而且电路间也没有信号干扰。所以，生 物计算机具有永久性和很高的可靠性。n 5)量子计算机：它是一类遵循量子力学规律