1.1 微型计算机概述（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第1课时- 电工版第五版 微型计算机概述 教学目标 清晰区分按微处理单元字长划分的五类机型 了解微型计算机的特点、分类及发展历程 能够根据实际应用场景判断适用的微处理单元字长类型 教学重难点 微型计算机的特点 微型计算机按微处理单元字长的分类 不同字长微处理单元的特点和发展 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 每天使用的手机能拍照、刷视频，家中的智能电视能联网播放节目，这些设备之所以能实现复杂功能，核心都离不开微型计算机技术。 视频中的微型计算机的快速发展分为哪些阶段？ 微型计算机为何能如此广泛地融入生活？ 让我们一起开启计算机应用的学习之旅。 新知讲授 微型计算机概述 微型计算机诞生于 20 世纪 70 年代初期，其标志性事件是 1971 年 Intel 公司推出世界首款微处理器 Intel 4004。 如今，从工业自动化生产线的控制单元，到医疗领域的便携式检测仪，再到消费电子中的智能穿戴设备，几乎所有数字设备都脱胎于微型计算机技术。 微型计算机概述 1971 年 Intel 公司推出世界首款微处理器 Intel 4004 几乎所有数字设备都脱胎于微型计算机技术。 新知讲授 微型计算机的特点 体积小，质量轻：采用大规模和超大规模集成电路，器件数目减少，体积缩小，如今几十片集成电路的微型计算机可实现过去占地百平、耗电百千瓦计算机的功能。 价格低廉：价格不断下降，性能迅速提高，已进入家庭。 可靠性高，结构简单：内部元器件数目和连线少。 应用面广：占领小型机领域，广泛应用于过程控制、测量仪器、教学、医疗、家电等新领域。 微型计算机的特点和发展 - 特点 新知讲授 微型计算机发展 早期，计算机多为体积庞大、价格昂贵的大型机，仅能应用于科研机构、大型企业； 自 20 世纪 70 年代初第一个微处理单元诞生，性能和集成度几乎每两年提高一倍，价格降低一半，近 50 年发展后已遍布社会各层面。不仅大幅降低了成本和体积，更让计算机从 “专业设备” 走向 “大众产品”。 微型计算机概述 新知讲授 微型计算机的分类 - 分类角度 按机器组成分类：位片式、单片式和多片式。 按制造工艺分类： MOS 型：采用金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）工艺制造，功耗低、集成度高，是目前主流类型（如大部分家用电脑的 CPU）；​ 双极型：采用双极型晶体管工艺，开关速度快，但功耗高、集成度低，仅用于对速度要求极高的特殊场景（如高速信号处理设备）。 按微处理单元字长分类：这是最常用、最能反映微型计算机性能的分类标准。 微型计算机的分类 - 分类角度 新知讲授 4 位微处理单元 4 位微处理单元是微型计算机的 “初代产品”，诞生于 20 世纪 70 年代初，典型代表为 Intel 4004（1971 年推出）及其改进版 Intel 4040。其核心特点如下： 集成度：芯片内集中了 4 位 CPU、少量 RAM（通常几十字节）、ROM（通常几百字节）、I/O 接口和时钟发生器，实现了 “单芯片计算机” 的雏形；​ 性能：运算能力弱（仅支持简单的加减运算），存储容量小，且 ROM 中通常只存放固定程序（如计算器的计算逻辑），无法灵活修改；​ 应用场景：主要用于对性能要求较低的简单设备，如早期电子计算器、电子手表、洗衣机控制面板等，是微型计算机技术的 “启蒙者”，为后续机型的发展奠定了基础。 微型计算机按微处理单元字长分类 新知讲授 8位微处理单元 8 位微处理单元诞生于 20 世纪 70 年代中期，标志着微型计算机技术进入成熟阶段，其核心优势在于 “通用性” 和 “配套性”： 性能提升：寻址能力从 4 位机的有限范围提升至 64KB（即 2¹⁶字节），可支持更复杂的程序运行；拥有功能灵活的指令系统和较强的中断能力；​ 配套完善：围绕 8 位微处理器，形成了完整的硬件生态和软件生态，降低了系统设计难度；​ 典型型号：Zilog 的 Z80（广泛用于早期个人电脑如 TRS-80）、Intel 的 8080/8085（用于工业控制设备）、Motorola 的 6800/6802（用于嵌入式系统）、Rockwell 的 6502（用于苹果早期电脑 Apple II）；​ 微型计算机按微处理单元字长分类 新知讲授 16位微处理单元 16 位微处理单元诞生于 20 世纪 70 年代末，在集成度、处理速度和数据总线宽度上实现了质的飞跃，其性能已可媲美 20 世纪 70 年代的中档小型计算机：​ 核心改进：数据总线宽度从 8 位提升至 16 位，大幅提高了数据传输速度；集成度进一步提升（晶体管数量达数万至数十万），支持更复杂的指令集（如 32 位地址线，寻址能力达 1MB）；​ 典型型号：Intel 的 8086/8088（8088 为准 16 位，数据总线 8 位，地址总线 16 位）、Zilog 的 Z8000、Motorola 的 MC68000；​​ 应用场景：主要用于个人电脑（如早期 IBM 兼容机）、小型服务器、工业控制中的高端设备（如精密机床）等场景，推动了个人计算机产业的快速发展。 微型计算机按微处理单元字长分类 新知讲授 32 位微处理单元 32 位微处理单元诞生于 20 世纪 80 年代初，标志着微型计算机进入 “高性能时代”，其核心特点是 “全面提升的运算能力和多任务处理能力”： 性能参数：典型产品为 Intel 80386（1985 年推出）、Motorola MC68020，主频率高达 20-40MHz，平均指令执行时间仅为 0.05μs，寻址能力提升至 4GB，可支持多任务操作系统；​ 技术突破：首次支持 “虚拟内存” 技术，可将硬盘空间作为临时内存使用，解决了大程序运行时内存不足的问题；同时支持 32 位数据运算，大幅提升了浮点运算（的速度；​ 应用场景：除了家用电脑和服务器，还广泛用于高端领域 —— 如人造卫星的控制系统、大型工业自动化系统、医疗影像设备（如 CT 机的图像处理）等，真正实现了 “微型机替代小型机” 的目标。 微型计算机按微处理单元字长分类 新知讲授 64 位微处理单元 64 位微处理单元是目前主流的技术形态，其核心定义和应用场景如下： 定义：CPU GPRs（通用寄存器）的数据宽度为 64 位，64 位指令集运行 64 位数据。 应用领域：​ 高端服务器：如 IBM 公司的 POWER5、HP 公司的 Alpha 芯片，用于数据中心、云计算平台，处理大规模数据运算（如大数据分析、人工智能训练）；​ 移动设备：Apple 公司的 A7 芯片（首次用于 iPhone 5s、iPad Air）、高通的骁龙 800 系列，通过 64 位技术提升移动设备的运算速度和能效比；​ 个人计算机：Intel 公司的 “安腾”（用于服务器）、“酷睿” 系列（如酷睿 i5/i7/i9），以及 AMD 的 “锐龙” 系列，成为家用和办公电脑的主流选择，支持 4K 视频编辑、3D 游戏等高性能需求。 微型计算机按微处理单元字长分类 新知讲授 早期发展（1971 - 1977 年） 1971 年 Intel 公司生产第一个微处理单元 Intel 4004， 1973 - 1977 年多家厂家生产多种型号，设计成功、应用广泛的有 Intel 公司的 8080/8085、Zilog 公司的 Z80、Motorola 公司的 6800/6802 和 Rockwell 公司的 6502， 此时期设计和生产技术成熟，配套器件齐全，微处理单元多方面得到发展。 微处理单元发展历程 1971 1973-1977 新知讲授 16 位微处理单元阶段（1978 - 1979 年） 一些厂家推出性能可与过去中档小型计算机相比的 16 位微处理单元，代表性芯片有 Intel 的 8086/8088、Zilog 的 Z8000 和 Motorola 的 MC68000，被称为超大规模集成电路的微处理单元。 这一阶段是微处理单元的 “性能跃升” 期，核心突破是 “从 8 位到 16 位，比肩小型机”： 微处理单元发展历程 1978-1979 新知讲授 高性能 16 位和 32 位阶段（1980 - 1983 年以后） 1980 年以后出现 Intel 80286、Motorola 68010 等高性能 16 位微处理单元， 1983 年以后生产出 Intel 80386 和 Motorola 68020 等 32 位微处理单元。 这一阶段是微处理单元的 “性能迭代加速期”，核心特征是 “16 位机性能升级，32 位机正式登场”： 微处理单元发展历程 1980-1983 新知讲授 微处理单元发展历程 - Pentium 系列阶段（1993 年起） 1993 年 Intel 公司推出 Pentium 微处理单元，后续有 Pentium MMX、Pentium Pro、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ、Pentium IV 相继问世，Pentium Ⅲ 主频可达 450MHz 以上，增加多种功能，Pentium IV 主频达 1.7GHz 以上。这一阶段是微处理单元的 “性能爆发期”，核心特征是 “主频快速提升，功能全面升级”，Intel 的 Pentium 系列成为行业标杆： 微处理单元发展历程 1993起 新知讲授 微处理单元发展历程 - 20 世纪末新高峰 20 世纪末至 21 世纪初，微处理单元进入 “多元化发展期”，核心特征是 “按场景细分产品线，多核技术萌芽”： 有 3.0GHz 以上的 Pentium IV 处理单元，还有面对网络服务器的 “至强” 处理单元，多核心的 “酷睿”“安腾” 系列处理单元及适合笔记本计算机省电的 “凌动” 处理单元，微处理单元速度加快，接口多样，核心数和线程数提升，未来会融入更多新技术。 微处理单元发展历程 随堂检测1 微型计算机按制造工艺可分为哪几类？ 答案：MOS 型和双极型。 8 位微处理单元构成的微型计算机系统在寻址能力方面有什么特点？ 答案：寻址能力可以达到 64KB。 练一练 随堂检测2 16 位微处理单元中具有代表性且使后续高档微型计算机设计需与之兼容的芯片是哪个？ 答案：Intel 8086/8088。 32 位微处理单元的典型产品主频率和平均指令执行时间分别是多少？ 答案：主频率高达 20 - 40MHz，平均指令执行时间为 0.05μs。 练一练 随堂检测3 64 位微处理单元的定义是什么？ 答案：64 位微处理单元指的是 CPU GPRs（通用寄存器）的数据宽度为 64 位，64 位指令集就是运行 64 位数据的指令，处理单元一次运行 64 位数据。 微型计算机具有哪些特点？ 答案：体积小，质量轻；价格低廉；可靠性高，结构简单；应用面广。 练一练 随堂检测4 早期发展阶段设计最成功、应用最广泛的微处理单元型号有哪些（列举至少两个）？ 答案：Intel 公司的 8080/8085、Zilog 公司的 Z80、Motorola 公司的 6800/6802 和 Rockwell 公司的 6502。 Pentium Ⅲ 微处理单元增加了哪些功能？ 答案：增加了浮点运算、并行处理、图像处理和接入互联网的功能。 练一练 师生互动 1 讨论微处理单元未来发展可能融入的新技术及对社会各领域的影响。探讨量子计算、人工智能、新材料应用等新技术在微处理单元设计生产中的可能性及带来的变革。 课题小结 1. 微型计算机概述 微型计算机概述 2.微型计算机按微处理单元字长分类 4 位微处理单元 8 位微处理单元 16 位微处理单元 32 位微处理单元 64 位微处理单元 特点 发展 微型计算机的分类 - 分类角度 早期发展（1971 - 1977 年） 16 位微处理单元阶段（1978 - 1979 年） 高性能 16 位和 32 位阶段（1980 - 1983 年以后） Pentium 系列阶段（1993 年起） 20 世纪末新高峰 3. 微处理单元发展历程 谢谢观看 THANKS Lavf58.46.101 $