微机原理与接口技术PPT电子课件教案-微型计算机概述.ppt

微机原理与接口技术,2,1.1 微型计算机的诞生,1946年2月14日 世界上第一台计算机诞生 第二次世界大战期间，应美国军方要求宾州大学莫奇来（mauchly）博士和他的学生爱克特（eckert）设计以真空管取代继电器的“电子化”电脑 eniac （electronic numerical integrator and calculator） 电子数字积分器与计算器， 目的是用来计算炮弹弹道。 18000个电子管，1500个继电器，100000个电容，7000个电阻，170平方米，运算速度5万次/秒,3,4,5,第二代晶体管计算机 (1957-1964),1948年，晶体管发明代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的cobol和fortran等语言，使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。,6,第三代集成电路计算机 (1964-1972),1958年德州仪器的工程师jack kilby发明了集成电路(ic)，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。更多的元件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。,7,第四代大规模集成电路计算机 (1972-现在),大规模集成电路 (lsi) 可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了 80 年代，超大规模集成电路 (vlsi) 在芯片上容纳了几十万个元件，后来的 (ulsi) 将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。 70 年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。 1981 年， ibm 推出个人计算机 (pc) 用于家庭、办公室和学校。 80 年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积。与 ibm pc 竞争的 apple macintosh 系列于 1984 年推出， macintosh 提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。,8,下一代计算机,非：“冯诺伊曼”时代 神经计算机 光计算机 生物计算机,9,1.2 计算机组成框图,john von nouma 19031957,10,微型计算机系统的基本组成,计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备等五大部分组成。 存储器不但能存放数据，也能存放程序。 编好的程序，事先存入存储器中，在指令计数器控制下，自动高速运行（执行程序）。,11,3.微型计算机的物理结构,cpu,北桥,南桥,ram,cache,agp,crt,bios,kbd，mouse 串行/并行接口 hdd/cdrom(ide) fdd usb,pci,isa,前端总线/cpu总线,接口卡,外设,总线扩展槽,12,微型计算机的物理结构,13,intel 845ge,14,主板的主要硬件构成,cpu插座 芯片组（南北桥/hub） 内存插槽 高速缓存（现已集成到cpu内部） 系统bios，硬件控制 cmos，存放硬件配置参数 总线扩展槽，pci、isa 串行、并行接口 软/硬盘、光驱插座,15,芯片组,cpu的外围控制芯片，通常为2片 两种架构：南北桥、hub（加速中心） 南北桥 北桥提供cpu/主存/高速缓存的连接、agp接口、pci桥接 南桥提供usb、ide(fdd/hdd)、串/并口及isa桥接等 例如：intel 440bx、via694(kt133)+686b、sis 645等 hub gmchagp接口、存储器通道 ichpci桥接、ide控制器、usb、串/并口 fwh系统bios、显示bios、随机数发生器 例如：intel 810、intel 815、intel845等,16,微型计算机的软件系统,计算机软件系统（简称软件）包括计算机运行所需各种程序、数据、文件、手册和有关资料。,17,1. 操作系统,为了使计算机系统的所有资源协调一致，有条不紊地工作，必须有一个软件来进行统一管理和统一调度，这种软件称为操作系统（os：operator system）。,18,2. 计算机语言,计算机语言是人们根据描述实际问题的需要而设计的，按语言对机器的依赖程度可以分为机器语言、汇编语言和高级语言等三类。,19,3. 语言处理程序,语言处理就是将源程序转换成计算机能直接运行的机器语言形式，这一转换由翻译程序来完成。翻译程序分为汇编程序、编译程序和解释程序。,20,4数据库管理系统,它主要面向解决数据处理的非数值问题，用于档案、财务、图书资料及仓库等方面的数据库管理。,21,5. 应用软件,应用软件是指用户编制的用于解决各种实际问题的程序。,22,总线实际上是一组导线，是各种信息线的集合，用以作为所有各个组成部分共同使用的数据传输通道。 根据总线上传送的信息种类不同，一般将总线分为数据总线db（data bus）、地址总线ab（address bus）和控制总线cb（control bus）等。,1.3 微机系统的总线结构,23,1.3 微机系统的总线结构,微机系统总线结构,24,微机系统的总线结构,片内总线 片总线：元件级总线 内总线（i-bus）：系统总线，板级总线 外总线（e-bus）：通信总线,25,常用名词术语（1）,位（bit）：计算机处理的最小数据单位，只能为“0”或“1”，缩写为b 千位（kilobit）：代表210位，即1024位，缩写位kb 兆位（megabit）：代表220位，即1024*1024位，缩写位mb 千兆位（gigabit）：代表230位，即1024mb，缩写位gb 兆兆位（terabit）：代表240位，即1024gb，缩写位tb,26,常用名词术语（2）,字节（byte）：8个二进制位构成1个字节（b），1个字节可以储存1个英文字母或半个汉字。字节是存储空间的基本计量单位，计算机杨的内存和磁盘的容量都是以字节表示的。 字（word）：由若干个字节构成，字的位数叫做字长，不同档次的机器有不同的字长。例如一台8位机，它的1个字就等于1个字节，字长为8位。如果是一台16位机，那么，它的1个字就由2个字节构成，字长为16位。字是计算机进行数据处理和运算的单位。 字长：电脑技术中对cpu在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。 主频：主时钟的频率，主频越高，微机的运算速度越快。,27,1.4 计算机中的数和编码系统,十进制(decimal )符合人们的习惯 二进制(binary )便于物理实现 十六进制(hexadecimal )便于识别书写 八进制（已很少使用，略去） 注意：它们的数码、基数、权及进位规则的不同,28,1. 十进制,特点：以十为底，逢十进一； 共有0-9十个数字符号。 表示：,29,2. 二进制,特点：以2为底，逢2进位； 只有0和1两个符号。 表示：,30,3. 十六进制,特点：以16为底，逢16进位； 有0-9及a-f共16个数字符号。 表示：,31,进位计数制的一般表示,一般地，对任意一个k进制数s都可表示为,其中： si - s的第i位数码，可以是k个符号中任何一个； n,m 整数和小数的位数； k - 基数； ki - k进制数的权,32,如何区分不同进位记数制的数字,在数字后面加一个字母进行区分： 二进制：数字后面加b, 如1001b 八进制：数字后面加o, 如1001o 十进制：一般不加, 如1001 十六进制：数字后面加h , 如1001h 在明显可以区分其记数制的情况下，可以省略数字后面的字母,33,二、各种数制间的转换,1. 非十进制数到十进制数的转换 按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。 例：10110010b = (?)10 13fah = (?)10,34,2. 十进制到非十进制数的转换,十进制 二进制的转换： 整数部分：除2取余； 小数部分：乘2取整。 十进制 十六进制的转换： 整数部分：除16取余； 小数部分：乘16取整。 以小数点为起点求得整数和小数的各个位。,35,3. 二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数 例： 10110001001.110 = (?)h 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . c 注意：位数不够时要补0,36,1.3 无符号二进制数的运算,无符号数 算术运算 有符号数 逻辑运算,37,一、无符号数的运算,算术运算 包括： 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算,38,1. 规则,加法：1+1=0（有进位）, 减法：0-1=1（有借位）, 乘除法： 一个数乘以2相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移1位。,39,例：,000010110100=00101100b 000010110100=00000010b11b 即： 商=00000010b 余数=00000011b,40,2. 无符号数的表示范围,一个n位的无符号二进制数x，其表示范围为 0 x 2n-1 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 （或者说运算结果超出n位，则产生溢出） 判别方法： 运算时，当最高位向更高位有进位（或 借位）时则产生溢出。,41,例：,11111111 + 00000001 1 00000000 结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出位二进制数所能表示的范围255）,42,3. 逻辑运算,与()、或()、非() 、异或() 特点：按位运算，无进借位 运算规则 例：a=10110110, b=01101011 求：ab, ab, ab,43,4. 逻辑门,逻辑门：完成逻辑运算的电路 掌握： 与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）； 与非门、或非门的应用。,44,与门（and gate）,y = ab,注：基本门电路仅完成1位二进制数的运算,45,或门（or gate）,y = ab,y,a b,46,非门（not gate）,1,a,y,47,异或门（exclusive or gate）,y = ab,y,a b,48,5. 译码器,74ls138译码器：,译码输出,译码输入,译码使能,49,74ls138真值表,50,二进制编码,一、十进制数的表示bcd码 用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：压缩bcd码和非压缩bcd码。 压缩bcd码的每一位用4位二进制表示，00001001表示09，一个字节表示两位十进制数。 非压缩bcd码用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的00001001表示09。,51,计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息统称为非数值数据。 非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表示，非数值数据的表示本质上是编码的过程。 最常用的数据编码：美国标准信息交换代码(american standard code for information interchange, ascii码) （见下页ascii编码表）,非数值数据的表示,52,ascii码美国标准信息交换代码,53,1.4 带符号二进制数的运算,计算机中的带符号二进制数 把二进制数的最高位定义为符号位 符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数 连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。 机器数所表示的真实的数值，称为真值。 （在以下讲述中，均以位二进制数为例）,54,例：,+52 = +0110100 = 0 0110100 符号位 数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100,真值,机器数,55,1. 符号数的表示,对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数x的原码记作x原，反码记作x反，补码记作x补。 注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。,56,原码x原,定义 符号位：0表示正，1表示负； 数值位：真值的绝对值。,57,原码的例子,真值,x=+18=+0010010,x=-18=-0010010,原码,x原,=0 0010010,x原,=1 0010010,符号,符号位,n位原码表示数值的范围是 对应的原码是1111 0111。,58,数0的原码,8位数0的原码：+0 = 0 0000000 - 0 = 1 0000000 即：数0的原码不唯一。,59,反码x反,定义 若x0 ，则 x反=x原 若x0， 则 x反= 对应原码的符号位 不变，数值部分按位求反,60,例：,x= - 52 = -0110100 x原 = 10110100 x反 = 11001011,61,反码的例子,真值,x=+18=+0010010,x=-18=-0010010,反码,x反,=0 0010010,x反,=1 1101101,符号,符号位,n位反码表示数值的范围是 对应的反码是1000 0111。,62,0的反码：,+0反 = 00000000 -0反 = 11111111 即：数0的反码也不是唯一的。,63,补码,定义： 若x0， 则x补= x反= x原 若x0， 则x补= x反+1,64,例：,x= 52= 0110100 x原 = 10110100 x反 = 11001011 x补 = x反+1=11001100,n位补码表示数值的范围是 对应的补码是1000 0111。,65,0的补码：,+0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对8位字长，进位被舍掉 +0补= -0补= 00000000,66,特殊数10000000,该数在原码中定义为： -0 在反码中定义为： -127 在补码中定义为： -128 对无符号数：(10000000) = 128,67,8位有符号数的表示范围：,对8位二进制数： 原码： -127 +127 反码： -127 +127 补码： -128 +127 想一想：16位有符号数的表示范围是多少？,68,2. 有符号二进制数与十进制的转换,对用补码表示的二进制数： 1）求出真值 2）进行转换,69,例：,将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) x补 = 0 0101110b 真值为：+0101110b 正数 所以：x=+46 2) x补 = 1 1010010b 负数 x = x补补 = 11010010补 = - 0101110b 所以：x = - 46,70,3. 补码加减法的运算规则,通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下： x+y补=x补+y补 x-y补=x补- y补 其中x，y为正负数均可，符号位参与运算。,71,*补码的运算原理,模(module)就是一个计数系统的最大容量。例如，钟表的模为12，8位二进制数的模为28。 凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有 x=2n+x (mod 2n) 不难验证， x补=2n+x (mod 2n) 因此， xy补= 2n + (xy) (mod 2n) = (2n+x) + (2n y) (mod 2n) = x补+ y补,72,例：,x=-0110100，y=+1110100，求x+y补 x原