微型计算机的基础知识1.pptVIP

微机原理与接口技术 课程内容 第一章 微型计算机的基础知识 1.1 微型计算机概述 1.2 微型计算机的基本组成 1.3 微型计算机的工作原理 1.4 计算机运算基础 自从1946年美国宾夕法尼亚大学研制出世界上 第一台数字电子计算机ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Calculator)以来，计算 机的发展突飞猛进，日新月异。短短几十年中，已 经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计 算机和大规模/超大规模集成电路计算机等四代的 发展历程，并自80年代中期起，开始了以模拟人的 大脑神经网络功能为基础的第五代计算机的研究。 1.1 微型计算机概述 作为第四代计算机的一个重要分支，微型计算 机于70年代初诞生了。微型计算机 (Microcomputer)与其它大、中、小型计算机的区 别，在于其中央处理器( CPU，Centra1 Processing Unit)采用了大规模、超大规模集成电 路技术，其它类型计算机的CPU则是由相当多的 分离元件电路或集成电路所组成。为了将这两种 CPU相区别, 把微型计算机的CPU芯片称为微处理 器MPU(Micro Processing Unit 或Microprocessor ) 。 1.1 微型计算机概述 序号 型号 推出时间 数据位数 地址位数 主频( H Z ) 第一代 4004 1971 4 12 740K 8008 1972 4 12 800K 第二代 8080 1976 8 16 2 M 8080A 1976 8 16 2 3M 8085A 1977 8 16 3 6M 第三代 8086 1978 16 20 4. 77 10M 8088 1978 8 20 4. 77 10M 80186 1982 16 20 8 16 M 80188 1982 8 20 8 16 M 80286 1982 16 24 6 12 . 5M 第四代 80386DX 1985 32 32 16 33 M 80486DX 1989 32 32 25 50 M 80486DX2 1992 32 32 50 66 M 80486DX4 1994 32 32 75 100M 第五代 Pentium(P5) 1993 64 36 60 133M Pentium(P54C) 1994 64 36 75 150M Pentium(P55C) 1995 64 36 75 200M Pentium Pro 1995 64 36 133 150M Pentium II 1997 64 36 233 450M Pentium III 1999 64 36 300 700M 第六代 64位CPU时代 2001 64 64 722 800M 第一代（第一代（1971-19731971-1973年）：年）：4 4位和低档位和低档8 8位位 微处理器时代微处理器时代 Intel 4004(1971年、4位)和Intel 8008（1972 年、8位）。 特点: 1.字长： 4位或8位 2.时钟频率：1MHz 3.平均执行指令时间： 1520s 4.集成度：2000管/片 第二代（19731978年）：中高档8位 微处理器时代Intel 8080,Motorola公司 的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司 的8085，Rockwell与MOS Technology的 6502等。 第三代（第三代（1978-19801978-1980年）：年）：1616位微处理器时代位微处理器时代 Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和 Zilog 公司的Z8000 特点: 1.字长： 16位 2.时钟频率： 540MHz 3.平均执行指令时间： 0.5 s 4.集成度：20000 60000管/片 第四代第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期 1985年， Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386 1989年， Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040 特点: 1.字长： 32位 2.时钟频率： 10120MHz 3.平均执行指令时间： 0.2s 4.集成度：几十万上百万管/片 第五代第五代（1983-1993年）：32位微处理器时期 1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium） 时钟频率：60/66MHz 运行速度：100MIPS 集成度：310万管/片 1995年2月， Intel公司的Pentium Pro 时钟频率：166MHz以上 集成度：550万管/片 1996年 Intel公司的Pentium MMX （多能奔腾） 第六代：第六代：6464位位CPUCPU时代时代 2001年5月，Intel公司正式推 出了第一种64位微处理器 Itanium。Itanium由英特尔和 惠普联合开发，主要用于工作 站和服务器机型，内置24MB 的3级缓存、工作频率为 800MHz及722MHz的产品，价格 为1177美元至4427美元。 AMD公司的AMD-K8 1、科学计算 2、过程控制 3、信息处理和事务管理 4、仪器、仪表控制 5、计算机辅助设计 6、人工智能 7、文化、教育、娱乐和家电 微型计算机系统的三个层次 1. 微处理器 微处理器( Microprocessor )也叫微处理机， 它本身不是计算机，但它是微型计算机的核心部 件。微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件和 寄存器组三个基本部分，通常由一片或几片LSI、 VLSI 器件组成。 2. 微型计算机 微型计算机(Micro Computer)是以微处理器为 核心，加上由大规模集成电路制作的存储器( ROM 和RAM )、输入/输出( I / O )接口和系统总线组 成的。 3. 微型计算机系统 微型计算机系统(Micro Computer System)是以微型计算机为核心，再配以 相应的外围设备、电源、辅助电路和控制 微型计算机工作的软件而构成的完整的计 算机系统。 微型计算机的软件部分 软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来 支持应用软件的开发与运行的；应用软件是用来为用户解 决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。 系统软件 操作系统：常驻内存的软件系统 系统资源管理（CPU、存储器、I/O和驱动程序） 任务管理、文件管理和程序库。 编译程序：为用户开发应用软件提供支持。 其他程序：系统诊断、故障定位，系统配置 应用软件 用户为实现给定的任务而编写或选购/订购的程序。只 适用于给定环境的给定用途，一般驻留在外部存储器中， 只在运行时才调入内存储器。 运算器 控制器 寄存器 CPU 存储器 输入/输出接口 主机 外部设备 微型机硬件 微型机软件 系统软件 应用软件 微型机系统 1.2 微型计算机的基本原理 微型计算机的基本硬件结构 1.运算器（ALU:Arithmetical/LogicalUnit） 数据的算术和逻辑运算以及移位等操 作，是一个信息加工部件。可以进行二进 制的加、减、乘、除、与、或、非等运算 。 运算器一次可处理的二进制数位（即 比特bit），称为运算器的字长，是计算 机的一个基本性能指标，字长越长，硬件 电路越复杂，运算速度也越快。 2.存储器（MEM-Memory） 记忆部件。 它存储计算机操作的控制信息及各种命令信息（指令） 和被处理加工的信息（数据），包括存储处理的中间与最 终结果。 存储器内有两类信息： 一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码 区； 另一类是数据，放在数据区。 它们都以二进制形式存放。 内存与外存 外存：通常指海量存储器，如硬盘，光盘等 。 内存：执行指令时将外存中的数据调入，提 高处理效率。 存储器的容量(存储器能够保存的二进制信息的 数量) 存储单元：8bit构成一个存储器单元，每个存 储单元有一个标号，称为地址。 8bit二进制序列为一个字节 存储单元容量表示 存储单元数位数/单元 1K = 210 = 1024 bit 1M = 210 = 1024 K 1G = 210 = 1024 M 内存的分类：按工作方式可分为随机读写存储 器RAM和只读存储器ROM。 00000H 00001H 00002H F0034H 1 2H 3 4H 内存单元的地址和内 容是两个不同的概念。 内存的操作：CPU对内存的操作有读和写两种。 读操作是读内存单元的内容；写是CPU将其内部 信息传送到内存单元保存起来。 3.控制器（CTRL-Controller） 它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各种 命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系 。 它有两个主要功能： 一个是控制程序的运行； 程序：每条指令可以完成一次算术/逻辑运算或 存取数据的操作，程序就是将能完成某种功能的一串指 令组成序列。 另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力 。 （这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线 请求、总线周期延长等） 4.输入设备与输出设备 （I/O-Input/Output equipment） 称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即 外界的语言、文字、图像、机械动作等信息转 换成计算机能识别的电信号表示的二进制数形 式，或进行相反方向的转换。 输入设备 如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游 戏杆、扫描仪、数码相机、A/D转换器等 输出设备 如：显示器、打印机、音响、绘图 机、磁盘、光盘、D/A转换器等 5.总线（BUS） 总线是计算机各部件间传送信息的公共通路， 它把计算机的各个部件连接成为一个整体。 分为内部总线，外部总线。 计算机内部的基本总线分为 数据总线（DB:Data Bus）， 地址总线（AB:Address Bus）， 控制总线（CB:Command/Control Bus）。 通常又称为三总线。 内 存 I/O接口I/O接口 I/O设备I/O设备 CPU AB DB CB 1.3 微型计算机的工作原理 1.3.1 指令和控制器的指令部件 1.指令格式 计算机能识别并执行的指令和命令 ，采用二进制编码来表示。 操作码：指令所要完成的操作类型 ，如数据传送、加、减、乘、除等。 操作数：给出操作中涉及到的数据 本身，或者是数据存放的位置。 2.控制器的指令部件 任务：取出指令（取指）、分析指令（译码）和执行指 令。 （1）程序计数器（PC）,总是指向下条指令的首地址； （2）指令寄存器（IR）,保存当前正在执行的指令； （3）指令译码器（ID）， 对指令操作码译码； （4）操作控制器，生成 指令所需的内部和外部操 作控制信号； （5）时序发生器，对各 种操作实施时间上的控制。 1.3.2 CPU内的寄存器 用途 用于暂时存储程序重复使用的数据、变量和中 间结果，提高程序的运行速度。 种类 1.数据寄存器 2.地址寄存器：存放存储器或I/O口地址指针 3.状态寄存器：程序状态寄存器、标志寄存器 等 1.3.3 计算机的工作过程 计算机的工作过程，一般来说可分为下述4步 ： 1、输入程序和数据到内存 2、翻译成机器码（自动或人工汇编） 3、控制器控制程序运行 4、输出结果 工作过程 微型计算机的工作过 程本质上就是执行程序 的过程。程序是由若干 条指令和操作数组成的 ，CPU根据指令来指挥 和控制微型机各部分协 调的动作，以完成规定 的操作。计算机全部指 令的集合称为计算机指 令系统。 程序执行过程 停机？ N 译码并执行指令 结束 y 取指，IP加1 例子：计算Z=X+Y X在内存2000H中， Y在内存2001H中， Z在内存2002H中。 程序在内存2100H中， A为CPU内的寄存器。 PC指向程序的首地址， 每取出一条指令，PC 自动加1或2，4； 从内存取出指令MOV A， 2000H分析执行后再取 下一条 指令，重复直至 CPU暂停。 执行程序的过程 即CPU 不停的取指令、分析指 令、执行指令。 1.3.4 计算机的发展方向 性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增 加（摩尔定律指出，每18个月计算机的运算速 度就大体提高一倍，而价格则大约降低一半） 功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结 合 体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通 信为中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结 构向数据流结构发展 可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制 转变，向智能化方向发展 制造工艺：向超高集成度发展，制造光集成芯 片、生物芯片，设计超导、量子、生物、光计 算机 （一）记数法 十进制 二进制 八进制 十六进制 （D） （B） （O） （H） 十进制记数法的特点： 以10为底，逢10进1 需10个数字符号0、1、9 十六进制: 09、A、B、C、D、E、F 1.4.1 数与数制 1.4 计算机运算基础 (二) 数制转换 1、任意数制转换为十进制数 方法： 将该进制数的每一位乘上它的权，然后累加即 可。 N进制的权就是以N为底的幂。如某N进制的 数表示为：Xn-1Xn-2X1X0.Y1Y2Ym 则转换为相应的十进制数为： Xn-1 Nn-1+ Xn-2 Nn-2 X1 N1 + X0 N0 + Y1 N-1 + Y2 N-2 + Ym N-m 135.7D = 1102+3101+5100+710 1 1101.1B = 123+122+021+120+121 372.01O = 382+781+280+08 1 +18 2 E5AD.BFH = 14163+5162+10161+13160 +1116 1 +1516 2 例：135.7D 1101.1B 372.01O E5AD.BFH 2、十进制数转换成二进制数 （1）整数的转换 除2取余 对十进制整数连续除以2，每次相除所得的余 数 就构成了要转换的二进制数，而每次所得的整 数商继续被2除，直到商为零为止。 （2）小数的转换 乘2取整 将十进制小数连续乘2，每乘一次取出乘积的 整数部分上的 0 或 1 ，并将小数部分继续乘2，直 到相乘结果的小数部分为零或达到一定的精度为 止。 2 44余数 2 11 0 2 5 1 2 21 2 10 0 1 （44）D=101100B（125）D=1111101B 02 22 02 31 2 125余数 12 62 12 15 12 3 12 7 12 1 0 1 （0.8125）D= 0.81252=1.625 1 0.6252=1.25 1 0.252=0.5 0 0.52=1.0 1 (44.8125)D=101100.1101B 若一十进制数既有整数又有小数部分,则只需将 两部分分别转换后,结合在一起即可。 0.1101B 3、二进制数与八进制数、十六进制数间的转换 按3位二进制数对应一位八进制数，4位二进制 数对应一位十六进制数的关系转换。 以小数点为界，整数部分从右至左，小数部分 从左至右，3位或4位为一组，不足时补0。 10110.10111B 010 110.101 110B 26.56O 10110.10111B 0001 0110.1011 1000B 16.D8H 1.4.2 十进制数与字符的编码表示 （一）BCD码（Binary-Coded Decimal） 二进制编码表示的十进制数。 用4位二进制编码来表示一位十进制数 。 8421码 每位十进制数用4位等值的 二进制数来表示，从左到右 各位二进制数的权为8421. BCD码只利用了4位二进制编码中对应 09 的 10种组合，其余的6种是不可用的。 十 BCD 二 2 0010 0010 7 0111 0111 10 0001 0000 1010 14 0001 0100 1110 65 0110 0101 1000001 注意二进制代码与二进制数的区别！ (1024) 10 = (0001 0000 0010 0100) BCD (0.1001 0010) BCD = (0.92) 10 (1000 0100) BCD = (84) 10 = (10010010)B (01011100)B = (92)10 = (1001 0010)BCD 压缩BCD码 4位二进制码表示一位十进制 非压缩BCD码 8位二进制码表示一位十进制数 (92)10 = (00001001 00000010) BCD （二）ASCII码 美国标准信息交换码 ASCII( America Standard code for Information Interchange)码通常由7位二进制编码表示，用以 表示128种不同的字符或功能： 十进制数字09；大写和小写的26个英文字 母； 标点符号；特殊符号；特殊控制功能字符。 构成格式： 6543210 例： A 3位组为(100)2 ，4位组为(0001)2 ， ASCII码为 1000001B 或 41H a 3位组为(110)2 ，4位组为(0001)2 ， ASCII码为 1100001B 或 61H 在7位ASCII码的基础上附加上一位奇偶校 验位 放在最高位，就形成了8位ASCII码。奇 偶校验位 主要用来检测数据传送过程中是否 有一位出错。 奇校验: 包括校验位在内，所有为1的位数之 和为奇数。 偶校验: 包括校验位在内，所有为1的位数之 和为偶数。 例如：字符a 3位组为(110)2 ，4位组为 (0001)2 ，ASCII码为 1100001B 或 61H 。 奇校验: 01100001B 偶校验: 11100001B 规则： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 并进位 00=0 10=1 11=0 01=1有借位 00=0 01=0 10=0 11=1 （逢二进一 ） （借一当二） 1.4.3 二进制算术运算 1 1 0 1 +） 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 ） 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 ） 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 11 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 11 1.4.4 符号数的表示及运算 （一）符号数的表示方法 带符号数的符号在计算机中如何表示？ 数的符号在计算机中也用二进制数表示（0表 示正，1表示负），通常用二进制数的最高位表 示数的符号。 三种表示方法：原码法、反码法、补码法 +0101100 0110011 0010110010110011 1、原码法 用原码来表示一个符号数，就是由符号和数值 凑到一起来实现。如8位二进制数用D7D6D0 表示 ，则最高位D7 这位就是符号位，D6D0 为数字位 。 X原 =（01011011）2 X原 =（11011011）2 X = 91 X = 91 0 的原码表示：+0原 = 00000000 0原=10000000 8位二进制数原码表示范围为：127+127 2、反码法 +4反 =（00000100）2 4反=（11111011）2 +31反 =（00011111）2 31反=（11100000）2 +127反 =（01111111）2 127反=（10000000）2 正数：其原码与反码相同。 负数：用相应正数的原码各位取反（包括将 符号位取反）来表示。 0的反码表示：+0反 = （00000000）2 0反=（11111111）2 8位二进制数反码表示范围为：127 +127 当一个带符号数由反码表示时，最高位为符 号位。该位为0时，后面的七位为数值部分； 但当该位为1时，后七位应按位取反，才表示 它的二进制值。 例：已知 X反=（10010100）2，求 X （10010100）2（1101011）2（107）10 3、补码法 （1）补码的求法 正数：补码与原码、反码相同 负数：相应正数的原码按位取反，再在最低位加 1 +4原 = （00000100）2 4反=（11111011）2 4补=（11111100）2 +31原 = （00011111）2 31反 =（11100000）2 31补=（11100001）2 0的补码表示：+0补= 0补 =（00000000）2 8位二进制数补码表示范围为：128 +127 一个以补码表示的二进制数，当最高位 符号位为0时，其余七位即为此数的二进制数 ；若该位为1，则其余七位按位取反，且在最 低位加1，才是它的二进制值。 （2）数的补码表示转换为原码表示 例：已知 X补=（10010100）2，求 X （0010100）2 按位取反 （1101011）2 末位加1 （1101100）2 即 X= （1101100）2= 108 X 补 补 = X 原 （3）求变补 在 X 补 已知时求X 补 （00010001）2（11101111）2 按位取反 （11101110）2 末位加1 17补 17补 已知 X 补 ，对 X 补的每一位（包括符号位） 都按位取反，然后再加1，结果即为X 补 。 （二）补码的运算 00011000 11111001 无符号数 ： 225 + 24 = 249 有符号数 ： 11100001 11100001 求补 100111101=1001111131 00011000 求补 0001100024 11111001 求补 100001101=100001117 补码运算规则 ： XY补=X补 Y补 6926 =？69（26） 01000101 + 11100110 1 0010101143 （56）（17）=？ （56）+（17） 11001000 + 00010001 11011001 求补 1010011139 69原= 01000101 26原= 00011010 -26补= 11100110 56原= 00111000 17原= 000