《微型计算机基础》PPT课件.ppt

第1章 微型计算机基础,1.1.1 微型计算机发展概况,自20世纪40年代世界上第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功以来，电子计算机经历了几次重大的技术革命，得到了突飞猛进的发展。通常按照电子计算机采用的电子器件来进行划分，可将电子计算机的发展分为4个阶段，习惯上称为四代： 第一代：电子管计算机时代(1946年第一台计算机问世20世纪50年代后期)。 这一时期的计算机采用电子管作为基本器件。在这一时 期，主要为军事与国防尖端技术的需要而研制计算机，并逐步扩展到民用，转为工业产品，形成了计算机工业。,第二代：晶体管计算机时代(20世纪50年代中期20世纪60年代后期) 这一时期计算机主要器件的电子管逐步由晶体管代替，使整机的体积缩小，功耗降低，可靠性和运算速度得到提高，且价格下降。并且随着磁心存储器的使用，速度得到进一步提高。计算机的应用领域由军事与尖端技术领域扩大到气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域。 第三代：集成电路计算机时代(20世纪60年代中期20世纪70年代前期) 这一时期的计算机采用集成电路作为基本器件，因此，功耗、体积、价格进一步下降，而速度和可靠性进一步提高，使计算机的应用领域进一步扩大，占领了许多数据处理的应用领域。,第四代：大规模集成电路和超大规模集成电路计算机时代(20世纪70年代以后) 这一时期的计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，芯片集成度和微处理器的工作速度以摩尔定律发展，半导体存储器取代磁心存储器，并不断向大容量、高速度发展；微型计算机和计算机网络的产生和发展，使计算机的应用更加普及，并深入到社会生活各方面。,随着大规模和超大规模集成电路制造技术的发展， 20世纪70年代初期，微处理器的出现开创了微型计算机的新时代。,所谓微型计算机是指以微处理器为核心再配上半导体存储器、输入/输出(I/O)端口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。,从1971年美国Intel公司首先研制成功世界上第一块微处理 器芯片4004以来，如今已经推出了六代微处理器产品。微处理器是微型计算机的核心部件，因此，微型机的发展是以微处理器的发展而更新换代的。,第一代(19711973年) 4位或低档8位微处理器 第一代微处理器和微型计算机是以4位微处理器和低档8位微处理器为代表，典型产品有：美国Intel公司1971年首次推出的Intel 4004；1972年3月Intel公司推出的低档8位通用微处理器Intel 8008。第一代微处理器的芯片集成度约为2000管/片，时钟频率为1MHz，平均指令执行时间为20s。 第一代微型计算的特点是指令系统简单，运算功能单一，但价格低廉，使用方便。,2. 第二代(19741978年)中高档8位微处理器 典型产品有：1973年Intel公司推出的Intel 8080及其改进型8085；1974年美国Motorola公司推出的MC6809；1975年由Zilog公司推出的Z-80；MOS公司推出的MOS 6502。第二代微处理器的芯片采用NMOS工艺，集成度达到50009000管/片，微处理器的性能技术指标有明显改进，时钟频率为24MHz，运算速度加快，平均指令执行时间为12s。 第二代微型计算机的特点是具有多种寻址方式，指令系统较完善。在系统结构上已经具有典型计算机的体系结构，设计考虑了机器间的兼容性、端口的标准化和通用性。在软件方面，除可使用汇编语言外，还有高级语言和操作系统。,3. 第三代(19781983年)16位微处理器 这一时期最典型的产品是Intel公司1978年推出的16位微处理器Intel 8086以及准16位微处理器8088，Zilog公司的Z-8000，Motorola公司的MC68000。第三代微处理器工艺上采用HMOS高密度集成工艺技术，集成度为27万管/片，时钟频率为4MHz8MHz，数据总线宽度为16位，地址总线为20位，可寻址内存空间达1MB，运算速度比8位机提高25倍。 1982年，Intel公司又推出80286微处理器，它是16位微处理器中的高档产品，其集成度达到10万个晶体管/片，时钟频率为10MHz，平均指令执行时间为0.2s，速度比8086提高56倍。,第三代微型计算机的特点是具有丰富的指令系统、多种寻址方式以及多种数据处理形式，并采用多级中断，有完善的操作系统。80286含有多任务系统必须的任务转换功能、存储器管理功能和多种保护机构，以支持虚拟存储体系结构。,4. 第四代(19831993年)32位高档微处理器 典型产品有：1983年Zilog公司推出的Z-80000；1984年Motorola公司推出的MC68020；19851989年Intel公司分别推出的Intel 80386和80486。第四代微处理器采用先进的高速CHMOS(HCMOS)工艺，集成度为1120万管/片。具有32位数据总线和32位地址总线，直接寻址能力高达4GB，同时具有存储保护和虚拟存储功能，虚拟空间可达64TB，时钟频率达到16MHz33MHz，平均指令执行时间约0.1s，运算速度为每秒300400万条指令。,第四代微型计算机的特点是内部采用流水线控制，增强了系统操作的并行性。增加了协处理器和两级高速缓存。内部数据总线宽度有32位、64位和128位，分别用于不同单元间的数据交换。采用RISC技术，使微处理器可以一个时钟周期执行一条指令；采用突发总线技术与外部RAM进行高速数据交换，大大加快了数据处理速度。,5. 第五代(1993年后)准64位高档微处理器 这一时期的典型产品有：1993年Intel公司推出的经典Pentium；1995年IBM公司、Motorola公司、Apple公司联合推出的Power PC； AMD公司推出的K5。第五代微处理器采用亚微米(0.6m)的CMOS工艺制造，集成度高达310万管/片，采用64位外部数据总线，使经总线访问内存数据的速度高达528MB/s，36位地址总线使可寻址空间达64GB，主频最初有60MHZ和66MHz两种，后来陆续推出的Pentium系列产品的主频有75MHz，90MHz，100MHz，120MHz，133MHz，166MHz，Pentium系列产品的主频最高为200MHz。,第五代微型计算机的特点是采用了全新的体系结构，内部采用超标量流水线设计，允许Pentium在单个时钟周期内执行两条整数指令，即实现指令并行；Pentium芯片内采用双cache结构，即指令cache和数据cache，避免了预取指令和数据可能发生的冲突。数据cache还采用了回写术，大大节省了处理器的处理时间；采用分支指令预测技术，实现动态地预测分支程序的指令流向，大大节省了处理器用于判别分支程序的时间。,6. 第六代(1995年后)64位微处理器 1995年2月，Intel公司推出第六代微处理器，Pentium PRO (P6)，P6采用0.6m工艺，集成度为550万管/片，具有两个一级高速缓存，一个256KB的二级cache，内部采用12级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令。2000年末Intel公司又推出了目前的主流微处理器Pentium 4。Pentium 4采用0.18m工艺，集成度为4200万管/片，进一步扩大高速缓存容量，提高主频。Pentium 4内部采用了20级超标量流水线结构，并增加了很多新指令，更加有利于多媒体操作和网络操作。 第六代微处理器性能优异，适应当前对多媒体、网络、通信等多方面的要求。,1.1.2 微型计算机发展特点与分类 1. 微型计算机的发展特点 微型计算机在发展过程中除了具有一般计算机的运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自动工作等常规特点外，还表现出自身的特点 :,1) 体积小、质量小、功耗低 由于采用了大规模和超大规模集成电路，从而使构成微型计算机所需的器件数目大为减少，体积和质量大为缩小，功耗也大大降低。 2) 可靠性高、使用环境要求低 微型计算机采用大规模集成电路以后，使系统内的芯片数大大减少、从而使印刷电路板上的连线减少，接插件数目大幅度减少，加之MOS电路芯片本身功耗低、发热量小，使微型计算机的可靠性大大提高，因而也降低了对使用环境的要求。,3) 结构简单灵活、系统设计方便、适应性强 微型计算机多采用模块化的硬件结构，系统中各功能部件通过标准化的插槽和端口相连，选择不同的功能部件(板卡)和相应外设就可构成不同要求和规模的微型计算机系统。由于微型计算机的模块化结构和可编程功能，使得一个标准的微型计算机在相应软件的支持下就能适应不同的应用任务要求，或升级为更高档次的微机系统。 4) 性能价格比高 随着集成电路芯片的价格越来越低，微型计算机的成本不断下降，许多高性能的微型计算机的性能实际上已经超过了中、小型计算机的水平，但其价格要比中、小型机低几个数量级。,2. 微型计算机的分类 最常见的是按微处理器的字长和按微型计算机的构成形式来进行分类。,1) 按微处理器(CPU)字长分类 按微处理器字长来分，微型计算机一般分为4位、8位、16位、32位和64位机。 (1) 4位微型计算机 用4位字长的微处理器作CPU，其数据总线宽度为4位，一个字节数据要分两次来传送或处理。4位机的指令系统简单、运算功能单一，主要用于袖珍或台式计算器、家电、娱乐产品和简单的过程控制，是微型计算机的低级阶段。,(2) 8位微型计算机：用8位字长的微处理器作CPU，其数据总线宽度为8位。8位机的指令系统比较完善，寻址能力强，外围配套电路齐全，广泛用于事务管理、工业生产过程的自动检测和控制、通信、智能终端、教育以及家用电器控制等领域。 (3) 16位微型计算机：用高性能的16位微处理器作CPU，数据总线宽度为16位。16位微处理器在集成度和处理速度、内部结构等方面与8位机有本质的不同，16位机除原有的应用领域外，还在计算机网络中扮演了重要角色。,(4) 32位微型计算机：32位微型计算机使用32位的微处理器作CPU，典型产品有Intel 80386，Intel 80486等。特别是1993年Intel公司推出Pentium微处理器之后，使32位微处理器技术进入了一个崭新阶段。32位微型计算机满足了人们对图形图像、实时视频处理、语言识别、大流量客户机/服务器应用等应用领域日益迫切的需求。 (5) 64位微型计算机：64位微型计算机使用64位的微处理器作CPU，这是目前各个计算机领军公司争相开发的最新产品。相信64位微处理器会将微型计算机推向一个新的阶段。,2) 按微型计算机的组装形式分类 按照微型计算机多个部件的组装形式分类，又可分为单片机、单板机和多板微型计算机3类。 (1)单片机：微型计算机各功能部件集成在一块芯片上，则称为单片微型计算机，简称单片机。 单片机的特点是集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉、利用单片机可较方便地构成一个控制系统。 (2) 单板机：将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的I/O设备装配在同一块印刷电路板上，则这块印刷电路板称为单板微型计算机，简称单板机。 由于单板机的I/O设备简单、存储容量有限，只能用机器码编程，故通常应用于一些简单控制系统中。,(3) 多板微型计算机：也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O端口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使用的微型计算机系统就是用这种方式构成的。它功能强、组装灵活。,由于电子元器件对表示两种状态的事物容易实现，所以在计算机中采用了二进制数字系统，即计算机中要处理的所有数据、字母、符号、图形、图像、声音等信息，都采用二进制数字或编码来表示。,1.2.1 计算机中的数制,1. 数制,数制是以表示数值所用的数字符号的个数来命名的，如十进制、十二进制、十六进制、六十进制等。将数字符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位进位的方法进行计数，来表示数值的方式，称作进位计数制。进位计数制的表示主要包含3个基本要素：数位、基数和位权。,在进位计数制中，任意数S的通用表达式为,也可表示成多项式,=,式中，kj为该进位制使用的数码，d为基数，0kjd，n为小数点左边数码位数，m为小数点右边数码位数。,2. 数的表示,1) 二进制数的表示,二进制数每个数位只可能取和两个不同的数码，特点是“逢二进一，借一当二”。二进制在计算机中被广泛应用，是由于其特点所致。 第一，二进制只取两个数码0和1，每一位数都可以用任何具有两个稳定状态的元件来表示。 第二，二进制数运算简单。 第三，由于采取二进制，就可以使用逻辑代数(布尔代数)，为计算机的逻辑设计提供了有力的工具。 二进制也有其不足之处,2) 十六进制数的表示 十六进制数每位可能取0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F中的一个十六进制数，特点是“逢十六进一，借一当十六”。一位十六进制数相当于4位二进制数，这样十六进制数与二进制数的转换极为方便。 3) 八进制数的表示 八进制数每位可取0，1，2，3，4，5，6，7这8个数码之中的一个，3位二进制数相当于一位八进制数。与十六进制相似，八进制和二进制转换也很简单。,3. 各种数制之间的相互转换,1) 十进制数与二进制数之间的转换,(1) 十进制整数转换成二进制整数。具体做法：用2连续去除欲转换的十进制数，直至商等于零为止，逆序排列余数便是与该十进制数相应的二进制数各位的数值。即除2取余法。,【例1.1】 将十进制数53转化成二进制数。其过程如下：,(2) 十进制小数转换成二进制小数。具体做法：连续用2去乘十进制小数部分，直至乘积的小数部分等于“0”。顺序排列每次乘积的整数部分，便得到二进制小数各位的系数。若乘积的小数部分永不为“0”，则根据精度要求截取一定的位数即可。即乘2取整法。,【例1.2】 将十进制小数0.875转换成二进制小数。其过程如下：,0.875 2 1.75 整数部分为1，即=1 0.75 余下的小数部分 2 1.5 整数部分为1，即=1,0.5 余下的小数部分 2 1.0 整数部分为1，即=1 0 余下的小数部分 为0，结束 最后结果为,(3) 二进制转换成十进制数。,2) 十进制数与八进制数之间的转换,(1) 十进制整数转换成八进制整数。具体做法是用8连续去除欲转换的十进制数，直至商等于零为止，逆序排列余数便是与该十进制数相应的八进制数各位的数值。即除8取余法。 (2) 十进制小数转换成八进制小数。具体做法是连续用8去乘十进制小数部分，直至乘积的小数部分等于“0”。顺序排列每次乘积的整数部分，便得到八进制小数各位的系数。若乘积的小数部分永不为“0”，则根据精度要求截取一定的位数即可。即乘8取整法。 (3) 八进制数转换成十进制数。,3) 十进制数与十六进制数之间的转换,(1) 十进制整数转换成十六进制整数。具体做法是用16连续去除欲转换的十进制数，直至商等于零为止。每次得到的余数就是对应十六进制的各位数字。第一次得到的余数为十六进制的最低位，最后一次得到的余数为十六进制的最高位。即除16取余法。 (2) 十进制小数转换成十六进制小数。具体做法是用16连续去乘以十进制小数，得到一个整数和一个小数部分；继续这一过程，直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止；最后将每次得到的整数部分按先后顺序从左到右排列，即得到所对应的十六进制小数。即乘16取整法。 (3) 十六进制数转换成十进制数,4. 二进制与八进制、十六进制数之间的转换,1) 二进制转换成八进制数,二进制数转换成八进制数的方法是：将二进制数以小数点为界，整数部分从低位向高位，小数部分从高位向低位，每3位分为一组。若小数点左侧的位数不是3的整数倍，在数的最左侧补零；若小数点右侧的位数不是3的整数倍，在数的最右侧补零。然后将每3位二进制数转换成对应的1位八进制数，即为二进制数对应的八进制数,【例1.10】 将二进制数11010110.01011转换成八进制数。其过程如 下：,所以,2) 八进制数转换二进制数,八进制数转换成二进制的方法是：将每1位八进制数分解成对应的3位二进制数,即得到八进制数对应的二进制数。,【例1.11】 将八进制数236.75转换成二进制数。其过程如下：,所以,3) 二进制数转换成十六进制数,二进制数转换成十六进制的方法是：将二进制数以小数点为界，整数部分从低位向高位，小数部分从高位向低位，每4位分为一组。若小数点左侧的位数不是4的整数倍,在数的最左侧补零；若小数点右侧的位数不是4的整数倍，在数的最右侧补零。然后将每4位二进制数转换成对应的1位十六进制数，即为二进制数对应的十六进制数。,【例1.12】 将二进制数110111.101转换成十六进制数。其过程如下：,所以,4) 十六进制数转换二进制数,十六进制数转换为二进制数的方法是: 将每1位十六进制数转换成对应的4位二进制数,即得到十六进制数。,【例1.13】 将十六进数2EC.3A转换为二进制数。其过程如下：,所以,在计算机里，通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制，十进制数用D(Decimal)、二进制数用B(Binary)、八进制数用O(Octal)或Q 、十六进制数用H(Hexadecimal)来表示。另外，十进制数可以不标下标。,1.2.2 计算机中的码制,常用的编码有原码、反码和补码。由于补码编码有许多优点，因此大多数计算机数字与字符采用补码进行编码。 1.机器数与真值 常把带符号的二进制数在计算机内部的编码称为机器数，而把机器数所代表的实际值称为机器数的真值。其中，正数符号位（最高位）用“0”表示，负数符号位用“1”表示,2. 二进制数的编码及运算 1) 二进制数原码编码方法 正数的符号位为0，负数的符号位为1，其他位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码。 原码与真值之间的转换十分方便。,2) 二进制数反码编码方法 正数的反码等于其原码，即符号位（0），其余位为数值位。 负数的反码为其对应的正数连同符号位一起求反。 由反码求真值时应注意正数反码的数值位代表真值大小，而负数反码的数值位求反以后表示数的真值。,3) 二进制数补码编码方法 正数的补码等于其原码，也等于其反码。 负数的补码等于其反码加1。 由补码求真值时应注意正数补码的数值位代表真值大小，而负数补码的数值位求反加1以后表示数的真值。 计算机引入补码后，可以将减法转换为加法。 注意运算结果溢出错误，8位二进制的补码范围为-128，+127， 16位二进制的补码范围为-32768，+32767 。,例如，设机器字长为8位，计算(+35)+(+94),+35 00100011 +) +94 +) 01011110 + 129 10000001 -127,显然这个结果是错误的。因为(+35)+(+94)=129+127，超出了字长为8位补码表示的范围，产生了溢出。,3. 无符号数的编码,无符号数与带符号数表示方法的区别仅在于符号位，由于无符号数没有符号位，机器字的全部有效位均用来表示数的大小。,例如，对于计算机中表示的机器数为,0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0,如果是原码，则前者表示+74，后者表示-74；如果是无符号数，则前者表示74，后者表示202。,4. 十进制数的二进制编码(BCD码)及运算,编码实质上是二进制编码的十进制数(Brnary Coded Decimal)，因此，简称BCD码或二-十进制码。,5. 代码转换,(1) 已知X原，求X补。 这时只要符号位不变，将数值部分逐位取反，末位加1即可。,【例1.20】 已知X原=1 0 0 1 1 0 1 0，求X补。,X原 =1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 +) 1 X补 =1 1 1 0 0 1 1 0,(2) 已知X补，求X原。可通过对补码再求一次补来实现，即有X补补X原,【例1.21】 已知补1 1 1 0 0 1 1 0，求X原。,X补 1 1 1 0 0 1 1 0 X原 1 0 0 1 1 0 1 0,(3) 求补，若已知X补，求-X补，则称为求补。,所谓求补，就是将X补连同符号位一起逐位取反，然后在末位加，便得到X补。,【例1.22】 已知X补 0 1 0 1 0 1 1 0，求-X补。,X补 0 1 0 1 0 1 1 0 -X补 1 0 1 0 1 0 1 0,1.2.3 计算机中的信息编码,在微型计算机中最常用的是“信息交换美国标准代码”(ASCII码)和“信息交换用汉字编码”(汉字国际码)。,1. ASCII码 基本ASCII代码共128个，其中控制符32个，数字10个，大写英文字母26个，小写英文字母26个，以及专用符号34个。 2.汉字国标码 汉字的数量很大，需要两个以上字节表示一个汉字代码。,1.3.1 计算机系统常用的术语,1. 位 (bit),位(bit)是计算机所能表示的最小最基本的数据单位。,2. 字节 (Byte ),相邻的8位二进制数称为一个字节，1B= 8bit。通常用作计算存储容量的单位。,3. 字和字长,字是CPU内部进行数据处理的基本单位。字长是每一个字所包含的二进制位数，常与微处理器内部的寄存器、运算装置、总线宽度一致。,4. 位编号,从低位开始，从右到左依次为 0、1、2、等。,5. 主频,主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。,6. MIPs,MIPs是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令。,7. iCOMP指数,iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，说明了微处理器在微型计算机中应用的综合 性能。,8. 指令、指令系统和程序,(1) 指令是CPU能执行的一个基本操作。如：取数、加、减、乘、除、存数等。 (2) 指令系统是CPU所能执行的全部操作。不同的CPU，其指令系统不同。 (3) 程序是用户在使用计算机时，为要解决的问题，用一条条指令编写的指令序列。构成程序的指令在存储器中一般都是按顺序存放，要破坏这种顺序性，必须由转移指令操作。,9. 寄存器,寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。根据存放信息的不同，可分为指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器等。,10. 译码器,译码器是将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。根据译码内容的不同可分为：指令译码器，将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。地址译码器，将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。,1.3.2 计算机系统的组成,图1.2 计算机系统的组成,计算机系统的硬件主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等几部分组成。它的基本结构如图1.3所示。,图1.3 计算机的基本结构,1. 运算器 运算器是一个用于信息加工的部件，它用来对二进制的数据进行算术运算和逻辑运算，所以也叫做“算术逻辑运算部件”(ALU)。它的核心部分是加法器。 2. 控制器 控制器产生各种控制信号，指挥整个计算机有条不紊地工作。它的主要功能是根据人们预先编制好的程序，控制与协调计算机各部件自动工作。 3. 存储器 存储器是用来存放指令和数据的部件。 4. I/O设备 I/O设备是实现人与计算机之间相互联系的部件。其主要功能是实现人机对话、信息的输入与输出等。,1. 微处理器一般都具有下列基本功能,可进行算术和逻辑运算；具有接收或发送数据给存储器和外设的能力；可暂存少量的数据；可对指令进行译码并执行指令新规定的操作；提供整个系统所需的定时和控制信号；可响应其他部件发出的中断请求。,2. 微处理器一般由下列部件组成,算术逻辑单元(Arithmetic Logical Unit，ALU)；累加器和通用寄存器组；程序计数器(也叫指令指标器)；时序和控制逻辑部件；指令队列；数据与地址锁存器/缓冲器；内部总线。微处理器的典型结构如图1.4所示。,1.3.3 微处理器,图1.4 微处理器的典型结构,算术逻辑单元ALU主要完成算术运算(、*、比较)和各种逻辑运算(与、或、非、异或、移位)等操作。,寄存器阵列包括通用寄存器和专用寄存器两部分，通用寄存器用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。专用寄存器