计算机的基本组成.ppt

教学网站,31 登陆以个人的学号为用户名和密码 在这个平台交流、下载课件和交作业 联系我: 教2楼431,教学进度计划,微机基础：微机概述、数制码制、微机组成及原理 微处理器（1）8086微处理器 微处理器（2）8086CPU存储器组织、I/O组织、时序、Intel系列CPU特点简介 8088/8086指令系统 汇编语言程序设计 微型计算机总线,教学进度计划,半导体存储器 微型计算机和外设间的数据传输 中断：中断的基本概念；8086/8088的中断系统；可编程中断控制器8259的工作原理及应用 总线技术 接口技术及应用：并行接口8255 接口技术及应用：串行接口8251 接口技术及应用：定时/计数器8253 DMA技术: DMA控制器8237 A/D、D/A变换 微机系统发展的新技术,第一章 微型计算机系统概述,微机原理与接口技术 高等教育出版社,1.1 概述,微机发展概况 计算机的诞生,第一台电子数字计算机ENIAC，1946年 美国宾夕法尼亚大学，5000次/秒 第一代 电子管计算机（器件来划分） 第二代 晶体管计算机 10万次/秒 第三代 中小规模集成电路（MSI/SSI） 100万次/秒 第四代 大规模、超大规模集成电路（LSI/VLSI） 不再沿用“第X代计算机”，70年代以后，计算机领域的变化在新发展的商业应用。 内存经历1K、4K、16K、64K、256K、1M、4M、16M、64M、256M、512M、1G阶段 微处理器（CPU）的字长经历4位、8位、16位、64位阶段。,1.1 概述,微机发展概况 摩尔定律：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。 Intel公司缔造者Gorder moore 最成功最有影响的是第一大微处理器制造商Intel 1971年，全球第一块微处理器4004芯片，用于计算器中。1972年的8位微处理器8008芯片 1974年，新一代8位微处理器8080芯片，2MHZ，诞生全球第一台微处理机Altair。 1978、1979年，16位CPU8086芯片，寻址空间达到1M，5/8/10MHZ，8088是8086的简化版，4.77MHZ。IBM采用8088（PC、PC/XT）和8086推出了IBM PC个人计算机。 1982年，16位的80286CPU，20MHZ。,第一节 微机概述,微机发展概况 1985年10月，Intel推出32位的80386DX。 （1）全32位微处理机，频率为33MHZ （2）数据总线和地址总线32位，具有4GB物理寻址能力。 （3）提供“虚拟8086”工作方式，可模拟多个8086处理机，保持兼容 （4）推出80387协同处理器，加快浮点运算。 1989年4月，80486微处理机 （1）晶体管数目超过100万，达到120万个 （2）集成浮点运算部件，首次集成一个8K的Cache，极大加快了速度。 （3）整数处理部件采用RISC结构，其它仍是CISC （4）时钟倍频技术,1.1 微机概述,微机发展概况 1993年，Intel计算机推出32位的Pentium， （1）主频最多，有60MHz/66MHz/75MHz/90MHz/100MHz/120MHz/133MHz/150MHz/166MHz/200MHz （2）75MHz开始，不断有插槽技术、Cache和其他技术的改进 Socket4Socket7 1996年，高能奔腾（Pentium PRO）133MHz，一级16KBCache，二级256KBCache。 1996年底，多能奔腾（Pentium MMX），MMX技术（多媒体扩展指令集）一级32KBCache，166/200/233MHz 1997年5月，与Pentium PRO同一个档次的Pentium ，双独立总线结构，采用Slot 1接口标准。 1999年2月，Pentium ，MMX2技术，有移动版和Xeon（至强），内部主频733MHz，71条互联网SSE指令，一级32KBCache和512KB二级Cache。 Pentium4 新一代处理机，采用NetBurst微结构，超流水线技术，高级动态执行,1.1 微机概述,2000年11月20日，奔腾4 最早使用SOCKET 423接口，SOCKET 478接口，LGA775接口 网络数据流单指令多数据扩展2(SSE2) Willamette核心 -Northwood核心-Prescott核心 2002年: Intel Pentium 4 w/Hyper Threading处理器 频率达3.06 GHz的Pentium 4处理器，是首款每秒执行30亿个运算周期的商业微处理器，如此优异的性能要归功于当时业界最先进的0.13微米制程技术,1.1 微机概述,2005年: Intel Pentium D 处理器 首颗内含2个处理核心的Intel Pentium D 处理器登场，正式揭开x86处理器多核心时代 2006年: Intel Core 2 Duo处理器 Core微架构桌面处理器，其E6700 2.6GHz型号比先前推出之最强的Intel Pentium D 960 (3.6GHz)处理器，在性能方面提升了40%，省电效率也增加40%,微型计算机系统,1.2 微处理器,微机原理与接口技术 高等教育出版社,名词术语,微处理器 利用超大规模集成电路技术把运算器和控制器集成在一块硅片上形成微处理器，又称中央处理单元CPU 微型计算机 总线把I/O(输入/输出)接口、CPU和ROM、RAM（存储器）有机组合在一起，构成的计算机。 单片机 单板机 多板机 微机计算机系统 微机+外设设备+系统软件,1、 CPU、一定容量的存储器、IO接口及时钟发生器集成在一块芯片上,2、微处理器、一定容量的存储器、输入/输出接口、简单的外部设备（键盘,LED显示器）、辅助设备通过总线装配在一块印刷电路板上,3、 单板机模块、存储器模块和IO接口等模块组装在一块主机板上，通过主机板上的系统总线和各种外设适配器连接键盘、显示器、打印机、光驱、软/硬盘驱动器，再配上电源,微处理器 功能及组成,CPU 的功能 （1）进行算术和逻辑运算 ALU （2）暂存少量数据 AC RS PC FR SP （3）对指令译码并执行指令所规定的操作 ID IR PLA （4）与存储器和外设进行数据交换的能力 MAR MDR BUS （5）提供整个系统所需要的定时和控制信号 BUS （6）响应其它部件发出的中断请求 BUS 微处理器组成 微处理器一般由算术逻辑单元ALU、累加器AC和通用寄存器组RS、程序计数器PC、数据地址锁存器缓冲器、时序和控制逻辑部件及内部总线等组成,微处理器 结构,标志寄存器F,累加器AC,RS,总线（BUS）,IR,PC,PLA,控制信号（微操作命令）,地址寄存器MAR,存储器,数据寄存器MDR,ID,CPU,算术逻辑单元,程序计数器,控制逻辑阵列,指令译码器,指令寄存器,通用寄存器组,+1,微机的工作过程,Y=5+9 LD A,05H 3E 05 立即数(05)送A ADD A,09H C6 09 A的内容与(09)相加 HALT 76 停止,0011 1110,0000 0101,1100 0110,0000 1001,40H,41H,42H,43H,0111 0110,44H,LD A,05H,ADD A,09H,HALT,IR,DR,AR,PC,F,A,RS,PLA,控制信号,存储器,ID,AB,DB,CPU,0011 1110,0000 0101,1100 0110,0000 1001,0111 0110,40H,41H,42H,43H,44H,IR,IR,DR,AR,PC,F,A,RS,PLA,控制信号,RAM,ID,AB,DB,CPU,0011 1110,0000 0101,1100 0110,0000 1001,0111 0110,40H,41H,42H,43H,44H,0011 1110,IR,IR,DR,AR,PC,F,0000 0101,RS,PLA,控制信号,RAM,ID,AB,DB,CPU,0011 1110,0000 0101,1100 0110,0000 1001,0111 0110,40H,41H,42H,43H,44H,IR,IR,DR,AR,PC,F,A,RS,PLA,控制信号,RAM,ID,AB,DB,CPU,0011 1110,0000 0101,1100 0110,0000 1001,0111 0110,40H,41H,42H,43H,44H,0011 1110,IR,0000 0101,指令流水线,传统：CPU执行程序时，取指令与执行指令交替进行 80868088 CPU采用流水线处理方式，取指令与执行指令同时进行 一方面提高了执行速率; 一方面降低了与之相配的存储器的存取速度的要求 为实现取指与执行的流水线操作，有总线接口部件（BIU）和指令执行部件（EU） ARM7 TDMI采用三级流水线 取指令 译码指令 执行指令,CISC RISC 技术,CISC 复杂指令集计算机 Intel的x86 指令集庞大，指令长度不同，指令另译码复杂 复杂性高，设计成本高 RISC 精简指令集计算机 ARM系列 指令集简化，长度相同，一个节拍内完成，大量使用寄存器，速度快,1.3 微型计算机系统,微机原理与接口技术 高等教育出版社,微型计算机 结构,冯.诺依曼计算机结构 Intel x86 ARM7 指令和数据存放在同一存储空间中，同一编址，指令和数码通过同一总线访问 哈佛结构 程序指令储存和数据储存分开的存储器结构 ARM9 DSP,总线（BUS）,计算机系统各功能模块间传递信息的公共通道，由总线控制器、总线发送器、总线接收器以及一组导线组成。 根据总线所处的位置和应用场合，分为片内总线、片总线（局部总线）、内总线（系统总线）和外总线（通信总线）。 地址总线（AB），寻址存储器和IO接口，决定寻址空间 16条地址线（A15A0）,0000HFFFFH 单向 数据总线（DB），双向传输数据，D15D0，三态的数据总线 对应微处理器的位数 控制总线（CB），传送各种控制信号，如 INT,RD,WR 目前微机中，使用的标准总线有PC总线、ISA总线、EISA总线和PCI总线等,存储器 （MEMORY）,储存数据、程序的部件。按照存储器与CPU的关系，分为内存储器（主存）和外存储器（辅存）。 数据线的条数，是每个单元可以存储数字的位数。 地址线的条数，是可以寻址的单元的位数。,分层的存储器系统,0层 CPU内部寄存器 速度最快，数量少 1层 高速缓冲存储器CACHE（1级、2级） 静态RAM（SRAM） 2层 主存储器 动态RAM（DRAM） 3层 大容量的磁盘存储器，虚拟存储技术（地址空间分为页面，局部性理论） 4层 保留需长期存储暂时不用的数据，磁盘或光盘。,输入/输出设备和接口 （I/O）,除主机（CPU和内存）以外的其它机电或电子设备统称外部设备，简称外设。包括输入设备、输出设备和外存储器 输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪等 输出设备：显示器、打印机、绘图仪等 外存储器：软盘、硬盘、光盘等,微机系统组成,微型计算机系统 性能指标,字长 字是微型计算机能够直接处理的二进制数据的位数，字的二进制代码位数称为计算机字长，衡量微机的计算精度。 主存容量 主存储器所能存储的最大信息总量为主存容量，衡量微机的处理能力 用字节数表示 用单元数字长表示,微型计算机系统 性能指标,主频 主时钟信号的频率 ，决定了计算机的处理速度 运算速度 计算机每秒钟运算的次数，衡量计算机的运算速度。根据指令使用的频度和每一种指令的执行时间来计算得出平均速度 系统可靠性 平均无故障时间 （MTBF）,可靠性指标之一 可维护性 可用性 系统兼容性 性能价格比,1.4 计算机中数的表示与编码,微机原理与接口技术 高等教育出版社,计算机中数的表示,二进制数 器件的物理状态 晶体二、三极管的开关特性（导通和截止） 简单、可靠 计算机处理的各种信息，无论是文本、字符、图形、声音还是图像，都以二进制数来表示 数制及其转换 带符号数的表示 数的定点表示与浮点表示 计算机中常用的编码,二进制技术上容易实现,二进制运算规则特别简单 加法 减法 0+0=0 0-0=0 0+1=1 0-1=1(向高位借1) 1+0=1 1-0=1 1+1=0(向高位进1) 1-1=0,二进制方便进行逻辑运算 逻辑加 逻辑乘 取 反 00=0 00=0 01=1 01=0 0 =1 10=1 10=0 11=1 11=1 1 =0,进位计数制,常用的有十进位、二进位、十六进位和八进位。 十进制数后加D或不加，二进制数后加B，八进制数后加O，十六进制后加H。 任意进位计数制都有基数，即数码的个数，记作R。 每个数码表示的值不仅取决于数码本身，还取决于它所处的位置（权） 遵从“逢R进一”的规则，每一位有各自的权。小数点右移一位相当于乘以R，左移一位相当于除以R。 若每一位以ai（ ai 取值从0R-1）来表示，则任意数N为：,十进制数 二进制数,例如： (4235.67)10=4103+2102+3101+5100 +610-1+710-2 (11.01)2=121+120+02-1+12-2,八进制 十六进制数,ai取值07，逢八进一,ai取值09、A、B、C、E、F，逢十六进一,进位数制间的转换,R进制数十进制数，“按权展开，并求和” 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H=13162+15161+12160+816-1=3580.5 十进制数 R进制数 整数和小数分别转换 整数部分 除R取余法 小数 部分 乘R取整法,十进制数59转换为二进制数,59,余数,(59)10,(111011)2,(111011)2,十进制小数0.625转换为二进制数,(0.625)10,0.625,(0.101)2,(0.101)2,二进制数与八进制、十六进制数的转换,23=8，24=16 (10110011.0010101)2 =(263.124)8=263.124O,( 10110011.0010101 )2,0,0,0,=(B3.2A)16=B3.2AH,带符号数的表示,机器数与真值 机器数可以用原码、反码、补码表示 原码 原码作减法时不方便，不适于加法器，所以引入反码和补码 反码,反码，正数的反码与原码相同，负数的反码是其原码符号位不变，其它位全部取反。 5反=00000101 0反=00000000 5反=11111010 0反=11111111 0000000011111111 +0+127 ，-127-0,原码也是0表示正数，1表示负数，数值部分用真值的绝对值来表示 。 0000000011111111 +0+127，-0-127 写出x1 = +1010100B 和 x2 =1010100B 原码表示的机器数。 解：原码表示的机器数： x1原= 01010100 x2原= 11010100,机器数代表实际数值，所以称作真值。机器数的最高位代表符号，0表示正数，1表示负数。 写出下列二进制机器数的真值。 X1机= 01010100 X2机= 11010100 解： 真值： X1=+1010100B = +84 X2= -1010100B = -84,带符号数的表示,补码 数的补码与模有关 “模”是指一个计数系统的计数量程，可化减法为加法运算 时钟的例子 定义：X补=2n + X 正数的补码与原码相同， 2n 丢掉，得X补=X原 负数的补码 X补=2n +X= 2n -X,带符号数的表示,负数的补码 对于8位二进制数：28 = 256 当X0时，X补= 28 -X= 256 -X= 255 -X+1 = X反 + 1 具体求补时，负数补码为其反码加1，即 X补=X反+1 写出+4、-4、+127、-127、-128的8位补码机器数。 解：+4原=+4反=+4补=00000100 -4补 = -4反111111011 +1=11111100 -127补=10000001 -128补=10000000,补码的特点,0的补码只有一个，即00000000，而11111111表示1 补码把减法运算转化为加法 8位二进制表示的范围是+127-128，16位二进制补码表示的整数范围为32768 32767；若机器字长为n？ 由补码求真值 ：当为负数时，按位求反加1 x补补=x原 X补= D9H =11011001B 小技巧：对负数求补码时，可将求反进行到最后一个1之前，其余不变。,补码的运算,不必考虑加减法，将被加数、加数用补码表示，然后直接相加。有A+B补=A补+B补 进行加法得到两数和的补码（符号位作为数的一部分参加运算） 判断是否发生溢出 两个同符号的数相加有可能出现溢出，即结果的符号与参加运算数的符号相反 正数相加得到负数，为正向溢出 负数相加得到正数，为负向溢出 可以通过数的扩展来防止溢出，正数扩展：高位全部加0；负数扩展：高位全部加1。,补码的运算举例,计算 -70+55 解： -70 11000110原 10111010补 55 00110111原 00110111补 相加后： 11110001补 由补码再一次“求反加1”可得到其真值： -70补+55补 =10111010补+ 00110111补= 11110001补=10001111原= -15,补码的运算举例,计算65补+ 96补 解：65补+ 96补= 01000001011000000 10100001 正向溢出 计算-70补+-60补 负向溢出 解：-70补+-60补=10111010+11000100=1 01111110 溢出的解决：先扩展操作数的位数，再进行运算。数的扩展不能改变数的大小，只能改变数的位数。 正数的扩展：高位全部加0； 负数的扩展：高位全部加1。 扩展数 -70 的位数 解：-70 10111010补 1111111110111010补,纯小数的补码,对8位二进制数，只需除以27即可。 补码表示的范围是 +127/128 -1 0.1111111 1.0000000 小数点位于b7和b6之间，整数部分个位是符号位。 转换方法与整数相同。 例 求（+12/128）、（-12/128）、 -0.09375的补码 解： +12/128补 = 0.0001100补 -12/128补 = 1.1110100补 -0.09375补 = 1.1110100补,带符号数的表示,移码 x移2n-1+x x为真值 移码是将真值在数轴上往正方向平移了2n-1 ，8位二进制数平移了27=128 ，又称作余码、增码，常用于AD转换。 符号位相反，其余位与补码相同。即符号位为1时表示正数，为0时表示负数 +5补=00000101 +5移=10000101 +127补=01111111 +127移=11111111 0补=00000000 0移=10000000 -128补=10000000 -128移=00000000,数的定点表示 （p=0）,定点数:小数点的位置固定不变 所有数均统一为定点整数或定点小数，在运算中不再考虑小数点的问题。但表示范围小 N=2pS S是N的全部有效数字，称作N的尾数，P是N的阶码，表示小数点的位置。2称为阶码的底,数符,尾数,数的浮点表示 （p不为0）,浮点数 :B = S2P 表示数的范围比定点大，运算的精度高，但运算复杂，成本高。 浮点数由阶符、阶码P、数符、尾数S组成 阶码P常用补码，尾数常为原码表示的纯小数。 格式、字长因机器而异。,数的浮点表示 （p不为0）,浮点数一般采用规格化表示法，即尾数为最高位为1的纯小数，目的是充分使用尾数的位数。尾数用补码表示时，应满足尾数最高数值位与符号位不同。 设字长8位。阶码2位，尾数4位 110.1 表示为：01101101(230.1101) -10.01表示为：01011001 (220.1001),计算机中的常用编码,BCD（Binary-Coded Decimal）码（二十进制