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微机原理与接口技术 作者：徐建平 成贵学 第1章微型计算机入门 【本章内容提要】 了解电子计算机的工作原理和发展历程。 了解微处理器的发展历程。 掌握微型计算机系统组成。 理解微型计算机的工作原理。 掌握计算机中的数制与编码。 了解数字电路的基础知识。 1.1 微型计算机概述 1.1.1 电子计算机的工作原理 20世纪30年代中期，冯·诺依曼大胆提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。 同时，他还提出预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能： 能够把需要的程序和数据送至计算机中； 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力； 必须具有算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力； 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作； 能够按照要求将处理结果输出给用户。 冯·诺依曼理论要点 计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。 程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址确定。 控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。 为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括： 输入数据和程序的输入设备。 记忆程序和数据的存储器。 完成数据加工处理的运算器。 控制程序执行的控制器。 输出处理结果的输出设备。 后来，人们将运算器和控制器等核心部件集成在一个集成电路芯片上，这便是CPU的由来。 1.1.2 电子计算机的发展历程 自1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生以来，计算机技术获得了迅猛发展。 根据计算机所用电子器件的不同，计算机已历经电子管、晶体管、集成电路、大规模及超大规模集成电路四个时代。 第一代电子管计算机（1946—1958） 其主要特点是： 硬件方面，采用电子管作为基本逻辑电路元件，主存储器采用汞延迟线、磁鼓和磁芯，外存储器采用磁带； 软件方面，只能使用机器语言和汇编语言； 计算机体积庞大、功耗大、可靠性差、价格昂贵； 应用以科学计算为主。 世界上第一台具有现代意义的应用电子管的计算机称为ENIAC。 这台计算机占地面积达170m2，总重量达到30吨，其运算速度达到每秒钟5000次加法，可以在3/1000秒时间内做完两个10位数乘法。 第一代计算机所采用的基本技术（采用二进制、存储程序控制的方法）却为现代计算机技术的发展奠定了坚实的理论基础 第二代晶体管计算机（1958—1964） 其主要特点是： 硬件方面，采用晶体管作为基本逻辑电路元件，主存储器主要采用磁芯，外存储器开始采用磁盘； 软件有了很大发展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统； 计算机的体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，性能比第一代计算机有很大的提高； 应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于工业控制。 贝尔实验室使用800只晶体管组装的世界上第一台晶体管计算机TRADIC 第三代集成电路计算机（1964—1971） 其主要特点是： 硬件方面，计算机主要逻辑部件采用中、小规模集成电路，主存储器开始采用半导体存储器； 软件方面，对计算机程序设计语言进行了标准化工作，并提出了结构化程序设计思想； 计算机的体积进一步减小，运算速度、运算精度、存储容量及可靠性等主要性能指标大为改善。 计算机的应用领域和普及程度有了迅速发展 DEC公司推出的世界上第一台采用集成电路的PDP-8型计算机 第四代大规模及超大规模集成电路计算机（自1971年开始） 其主要特点是： 硬件方面，计算机逻辑部件由大规模和超大规模集成电路组成，主存储器采用半导体存储器，计算机外围设备多样化、系列化； 软件方面，实现了软件固化技术，出现了面向对象的计算机程序设计编程思想，并广泛采用了数据库技术、计算机网络技术。 在第四代计算机发展过程中，最重要的成就之一表现在微处理器 （Microprocessor）的体积不断减小、集成度不断提高、运算速度越来越快。 例如，日本必威体育精装版开发的一款微处理器的运算速度已高达每秒1280亿次。 1.1.3 微处理器的发展历程 微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的产物，它以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以微处理器为核心，并配以存储器、输入/输出接口电路及系统总线等。 总线用于在CPU、存储器等部件之间传递数据、地址和控制信号，因此，微机的总线又被分为数据总线DB（Data Bus）、地址总线AD（Address Bus）和控制总线CD（Control Bus）。 微型计算机的发展以微处理器的发展为主要标志。 1971年，美国I