CH1计算机系统概述.ppt

微型计算机原理及应用,智爱娟,微机原理及应用-课程介绍,微机：Pentium机,原理：Pentium 指令系统和汇编语言程序设计,应用：半导体存储器及其接口 I/O接口电路及其与外设连接,硬件接口电路原理 软件接口编程方法,微机原理及应用-参考文献,戴梅萼，微型机原理与技术（第2版）， 北京：清华大学出版社，2009.2 钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术， 北京：机械工业出版社，2008.1 戴梅萼，微型计算机技术与应用（第4版）， 北京：清华大学出版社，2008,微机原理及应用-课程内容,目 录 第1章 计算机系统概述 第4章 32位微处理器Pentium 第5章 存储器、存储管理和高速缓存技术 第6章 计算机和外设的数据传输 第7章 串/并行通信及其接口技术 第8章 中断控制器的编程结构、工作方式及编程 第9章 DMA控制器的编程结构及编程 第10章 计数器/定时器和多功能接口芯片 第15章 总线技术 第16章 Pentium计算机系统的结构,微机原理及应用-课程特点,专业技术基础课 硬件系列课程之一 计算机组成原理 微机原理及接口技术 计算机体系结构 特色 以技术为主 面向应用 软硬件相结合,课 程 特 点,区别,微机原理及应用-先修课程,数字逻辑 提供硬件基础 计算机组成原理 确立计算机部件功能 掌握计算机工作原理 高级语言程序设计 熟悉DOS环境程序设计的方法 掌握基本程序设计思想,先 修 课 程,第1章,计算机系统概述,第1章：1.1 计算机的发展,1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）。 计算机发展：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路四代，出现微型计算机。 1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel 4004，开创了一个全新的计算机时代。 微型计算机的特点：体积小、重量轻、功耗和价格低、可靠性高、使用方便、软件丰富。,以大规模、超大规模集成电路为主要部件,以集成了 计算机主要部件控制器和运算器的微处理器为 核心所构造出的计算机系统,第1章：1.2 微型计算机的分类：按CPU字长分,第1代：4位和低档8位微机（1971-1973年） Intel 4004MCS-4，Intel 8008 MCS-8 第2代：中高档8位微机（1973-1977年） Z80、Intel 8080/8085、M6800，Apple-II微机 第3代：16位微机（1978-1985年） Intel 8086/8088/80286，Z8000，MC68000， IBM PC系列机 第4代：32位微机（1985-1992年） 8038680486PentiumPentium II / III / 4 32位PC机 第5代：64位微机（1992-至今） Itanium、64位RISC微处理器芯片 网络服务器、办公自动化,单片机 将 CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上，构成具备基本功能的计算机。 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等。例Intel 8051、DSP、ARM。 单板机 将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路装在一块印刷电路板上，组成单板机。 应用：过程控制、数据处理。例TP-801 以Z80CPU为核心的单板机。,第1章：1.2 微型计算机的分类：按构成分,多板机 把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上， 各印刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统总线连接起来，构成多板机。 产品：IBM PC/XT、486机、Pentium机等 办公自动化、网络服务器、工业控制,第1章：1.2 微型计算机的分类：按构成分,第1章：1.2 微型计算机的分类：按主机装置分,台式机 笔记本 工作站 掌上电脑 平板电脑,工作站,笔记本,掌上电脑,台式机,平板电脑,第1章：1.3 微型计算机的系统组成,区别3个概念,软件：系统软件 应用软件,1. 微型计算机结构,（1）总线,地址总线 AB ( Address Bus) ：单向 用来传送CPU输出的地址信号， 确定被访问的存储单元、I/O端口。,地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。 10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M 32根 232 22 230 4G 36根 236 26 230 64G,控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。,有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。,（1）总线,数据总线 DB ( Data Bus )：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8 根 一次传送 8位数据 16 根 一次传送 16位数据 32 根 一次传送 32位数据 64 根 一次传送 64位数据,（2）中央处理器CPU(Central processing unit),计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。,功能： 算术与逻辑运算 保存少量数据 对指令译码及执行规定的操作 和存储器、外设交换数据 提供系统定时及控制 响应中断请求,+1,（3）内存,C P U,内存结构示意图,内存是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。,（4）外设和输入/输出接口（I/O接口）,外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。,I/O接口结构示意图,CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。,2. 微型计算机的指令执行过程,计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制”,IP +1,微机的工作过程分三个阶段：取指、译码、执行,对IR中的操作码进行译码，产生控制信号序列 对IR中地址码进行译码，产生操作数地址,由IP给出指令所在内存的地址 地址经地址寄存器 地址总线 地址译码器, 选中指令所在的 内存单元 CPU发出内存读控制信号 指令从内存 数据总线 数据暂存器 指令寄存器,（1）取指令阶段（ CPU读内存操作）,（2）译码阶段,（3）执行阶段,按照控制信号序列完成相应操作 IP加1,IP +1,不同的指令，CPU的具体执行过程不同。 CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术、逻辑运算等。,当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。,例 指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。,指令1在CPU 内部即可完成,IP +1,例 指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中,指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。,IP +1,例 指令3：将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中,指令3的执行阶段包括一个向内存存数(即写内存)的过程。,当一条指令取走后，指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址，这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段，如此不断的重复。,100H,20AH,20H,100H,【例】ADD AX，BX+DISP 机器码为：0110 0011 0000 1010,3. 微型计算机系统运行过程,计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制”,（1）存储程序 编辑加工 翻译转换 连接装配,（2）程序控制 开机，系统测试 读取引导程序 装配操作系统 等待用户命令 装配应用程序 执行应用程序 返回操作系统 退出，关机,4.常用数据类型（自学）,80x86系列微机中，常用数据类型包括： 带符号整数、无符号整数、BCD数、字符串、位、浮点数 数据在内存储器中的存储方式 内存的作用 用来存储参加运算的操作数、运算的中间结果和最后结果。 数据在内存中的存储 常以字节Byte为单位进行存储 两个相邻字节组成一个字Word，4个相邻字节为双字DWord,多字节数据的存储采用高位字节在地址高的存储单元中，低位字节在地址号低的存储单元中的规则 举例：,4.常用数据类型（自学）,数的进位制表示约定 进位计数制 常用进位制有二进制、十六进制、十进制、八进制 不同进制的数常用后缀字母区别。H/h表示十六进制，B/b表示二进制，没有或D/d表示十进制，Q/q表示八进制。如1011B=(1011)2，A8H =(A8)16，61Q=(61)8 基数 某种进位计数制中所包含的数码个数就是该数的基数，如二进制为2，N进制为N。 基数体现了该数制中进位和借位的原则：当在某一位数上计够一个基数时需要向上进1，反之，从上位借1在下位当一个整基数来使用,4.常用数据类型（自学）,权 表示进位计数制中各个数位上的单位值。 权一般以基数幂的形式来表示，如：十进制数1111.11D，其中的各个1有不同的权重，从左到右分别为：103、102、101、100、10-1、10-2。 整数 整数分带符号数和无符号数两种 无符号数 指字节、字、双字的二进制位都用来表示数值本身，没有用来表示符号的位，因而为正整数。 其中0位为最低有效位，7、15、31分别为最高有效位。,4.常用数据类型（自学）,无符号整数图示,10000000,128,1000000000000000,32768,1000000000000000 0000000000000000,2147483648,4.常用数据类型（自学）,带符号整数 带符号整数表示法有4种：原码、反码、补码及移码 原码 最高位表示数的符号位，常以0表示正数，1表示负数，其余各位表示数值本身，则称为原码表示法。 例如X=+1011100，Y=-1011100，则 X原=01011100， Y原=11011100。 是符号数值化的数，可在计算机中使用，称为机器数。原来的带符号数称为相应机器数的真值。 原码与真值之间的关系：,4.常用数据类型（自学）,正数的原码表示 设X=+Xn-2Xn-3X1X0，X原=0 Xn-2Xn-3X1X0 负数的原码表示 设X=-Xn-2Xn-3X1X0，X原=1 Xn-2Xn-3X1X0 = 2n-1+ Xn-2Xn-3X1X0 =2n-1-（ -Xn-2Xn-3X1X0 ）= 2n-1-X 零的原码表示 在二进制数原码表示中有正零和负零之分，即 +0原=000000， -0原=100000 综上所述，有如下公式：,4.常用数据类型（自学）,补码和反码 补码：一个二进制数，若以2n为模，他的补码叫做2补码，简称补码，即 反码：一个二进制数，若以2n -1为模，他的补码叫做1补码，也称反码。即 补码和反码之间的关系 X为正数时，X补= X反=X原=X X为负数时， X反是将X原的符号位保持不变，其余各位变反； X补是将 X原的符号位保持不变，其余各位变反加1。或采用带借位0减。 例如：,4.常用数据类型（自学）,若=+1010011B， X2=-1010011B，则 X1补= X1反= X1原=01010011B； X2原=11010011B，X2反=10101100B ， X2补=10101101B,当X为+0时，则 +0补=2n+0000=0 +0反= +0原= 0000=0,当X为-0时，则 -0补=2n-0000=0 +0反= 11111,4.常用数据类型（自学）,移码 移码是在数的真值上加一个偏移量形成的，他的定义为：X移=2n-1-1+X 2n-1X-2n-1 其中X表示二进制数真值，n表示包括符号位和数值部分在内的二进制数位数，2n-1-1为偏移量。 例如：若X=+10010B=+18， Y=-10010B=-18，则X移=110001B，Y移=001101B。,100000 1 011111 +10010 110001,100000 1 011111 - 10010 001101,运算过程：,4.常用数据类型（自学）,举例,假设数的原码、反码、补码表示形式均为10000010B，计算它们所对应的真值分别是多少？,其为原码表示时是：-2,其为反码表示时是：-125,其为补码表示时是：-126。即：减1变反,5. 算术运算（自学）,补码运算 X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补-Y补 X-Y补=X补+-Y补,（1）87-73=？ （2）87+（-73）=？,01010111 +87补 01010111 +87补 - 01001001 +73补 +10110111 -73补 00001110 +14补 100001110 +14补,（3）87-（-73）=？ （4）-87+（+73）=？,01010111 +87补 10101001 -87补 - 10110111 -73补 + 01001001 +73补 -110100000 -96补 11110010 -14补,（5）（-87）-73=？ （6）（-87）-（-73）=？,10101001 +87补 10101001 -87补 - 01001001 +73补 - 10110111 -73补 -101100000 +96补 11110010 -14补,5. 算术运算（自学）,溢出判断： （1）有符号数溢出判断 根据溢出标志OF判断，OF=1溢出 （2）无符号数溢出判断 根据进位标志CF判断，CF=1溢出,5. 算术运算（自学）,6. 逻辑运算（自学）,作 业,1. CPU在内部结构上分哪几部分?CPU应具备那些主要功能? 2. 累加器和其他通用寄存器