微型计算机的基础知识.ppt

微机原理与接口技术,李华贵 主编,基于IA-32位处理器与32位汇编语言,电子工业出版社,第1章 微型计算机的基础知识,1.1 微处理器与微型计算机的发展概况 1.2 微型计算机运算基础 1.3 微型计算机系统概述 1.4 微型计算机工作的基本流程 1.5 微型计算机系统的主要性能指标,1.1 微处理器与微型计算机的发展概况,凡是由大规模集成电路组成的具有控制器和运算器功能的中央处理器，统称为微处理器（Microprocessor，MP）。,微型计算机（Microcomputer）是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，简称微机。,微处理器,微型计算机,Intel公司于1971年推出了以Intel 4004的4位微处理器组成的型号为MCS-4的世界第一台微型计算机，Intel公司于1972年又推出了8位微处理器Intel 8008。,1974年Intel公司推出了第二代微处理器Intel 8080。,1.第一代微型计算机（19711973年）,2.第二代微型计算机（19731978年）,微型计算机的发展概况,Intel公司于1978年推出了16位的8086微处理器，它属于第三代微处理器，1979年，Intel公司推出的8088CPU，1981年，以8088微处理器为核心首次组成了IBM IP微型计算机，开创了微型计算机的新时代。,3.第三代微型计算机（19781984年）,随着超大规模集成技术的发展，出现了32位微处理器，即第四代微处理器。1985年Intel公司推出了80386微处理器，80386内部和外部的数据线都是32位，Intel公司推出了32位结构的80386微处理器后，确定了80386芯片的指令集结构（Instruction Set Architecture）为以后开发80X86系列处理器的标准，称其为Intel 32位结构（Intel Architecture-32，IA-32），后来的80486、Pentium等微处理器统称为IA-32处理器，或称32位80X86处理器。Intel公司于1989年推出80486CPU。,4.第四代微型计算机（19851992年）,1993年3月，Intel公司推出了第五代微处理器Pentium（译名为“奔腾”）586，简称P5，外部数据总线32位，内部仍然为32位寄存器，但具有64位的数据处理能力。1995年2月，Intel公司推出了Pentium Pro（译名为“高能奔腾”），简称P6，1997年Intel公司推出了Pentium MMX（译名为“多能奔腾”），它在原Pentium微处理器内部增加了处理多媒体数据的MMX指令集。1998年1999年推出了Pentium Pro的改进型，Pentium 和Pentium （译名为“奔腾2代”和“奔腾3代”或P、P），2000年Intel公司推出的代号为Northwood的Pentium 4（奔腾4代）。,5.第五代微型计算机（1993年1995年）,现在，Intel、AMD、IBM及Sun等公司先后已设计并推出了多种常用RISC结构的64位微处理器，2000年Intel公司推出了64位Itanium 处理器，2002年又推出了Itanium 2 处理器，Itanium 2 处理器含2.14亿只晶体管，工作主频达到1GHZ 。由于采用EPIC技术设计了该处理器的指令集，并不是IA-32结构的64位扩展，为了区别原来Intel公司的32位（IA-32）结构，Intel公司称该处理器的指令集结构为Intel 64位（IA-64）。,6.Itanium(安腾)处理器IA-64结构的开放硬件平台,AMD公司于2003年率先推出了支持64位、兼容80X86指令集结构的64位处理器 2004年，Intel公司基于AMD公司64位处理器推出的压力下，于是推出了扩展存储器64位技术（Extened Memory 64 Technology，EM64T），EM64T技术是IA-32结构的64位扩展，由于EM64T技术的出现与应用，IA-32指令系统也就扩展成为64位，称其为Intel 64结构。,7.Intel 64结构,多核（Multi-core）处理器是在一个集成电路芯片上制作了两个或多个处理器执行核心的芯片，其特点是提升了IA-32处理器硬件的多线程能力。,8.多核处理器,1.2 微型计算机运算基础,1.2.1 数的定点表示法、32位和64位浮点数标准格式 在微型计算机中，既可以实现定点运算，又有浮点运算部件实现浮点运算。 1. 定点数的表示法 在计算机中，约定二进制数据的小数点位置固定在某一位，原理上讲，小数点的位置固定在哪一位都行，但是，通常有两种定点格式，一是将小数点固定在数的最左边（即纯小数），二是固定在数的最右边（即纯整数），前者通常用作浮点数的尾数，后者通常被用在定点运算中。,2浮点数的表示法,任意一个十进制数N可以写成 N=10EM 任意一个二进制数N可以写成 N=2em 例如，N=101.1101=200110.1011101 =200101.011101 同样，在计算机中一个任意进制数N可以写成： N=ReM,其中，m为浮点数的尾数，是一个纯小数，e是比例因子的指数，称为浮点数的指数，是一个纯整数，比例因子的基数R是一个常数，一般R取值为2，也有取值为8、16两种情况。,在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、阶符、尾数以及尾数的符号（数符）共4部分，即：,两种标准格式:一般按照IEEE 754标准，采用32位浮点数和64位浮点数。,(1)32位浮点数标准格式,32位浮点数标准格式如下：,在32位浮点数中，约定基数R=2，S是尾数的符号位，即浮点数的符号位，它占1位，安排在最高位，0表示正数，1表示负数，尾数M占23位，放在低位部分，当然是纯小数。E是阶码，占8位，阶码采用了移码方法来表示，将阶码上移127，即E=e+127。因为8位移码值的范围是00000000B 11111111B，所以能表示的真值e= -127+128。,E,M,0,23,30,31,S,例【1-1】 按照32位浮点数标准格式，求数 N=20110.1011101在计算机中表示的形式。 解：N=20110.1011101 =2000000110.10111010000000000000000 其中，因为浮点数为正数，所以S=0， M=10111010000000000000000，E=e+127=00000011+01111111=10000010 反之，一个32位浮点数N的真值可表示为： N=（1）S（0.M）2E-127,值得注意的是，这不是规格化的IEEE 754标准浮点数的表示。,在实用中，为了进一步提高浮点数的精度，在作浮点数调整时，对浮点数的尾数进行规格化，即尾数域的最左边总是有一位整数1，不予存取，在计算过程中，默认有一个整数1存在，实际上将尾数扩充到了24位。这才是规格化的IEEE 754标准的浮点数，下面将例【1-1】按规格化IEEE 754标准浮点数重新计算。,例【1-2】 N=20110.1011101=2000000110.10111010000000000000000 =2000000101.01110100000000000000000 于是，求得数N的规格化的32位IEEE 754标准的浮点数格式： S仍为0，E=e+127=00000010+01111111=10000001，E值减少一个。 M = 01110100000000000000000，M值左移一位。 根据规格化32位浮点数的表示形式，求数N的真值为： N=（-1）S（1.M）2E-127,(2)64位浮点数格式,它与32位浮点数的组成原理相同，约定基数R=2，尾数符号位S占一位，置于最高位，规格化的尾数M占52位，最左边一位1已被隐藏，阶码e上移1023，即E=e+1023，移码形式的阶码占共计11位。 反过来，已知一个规格化的64位浮点数，求浮点数N的真值可表示为： N=(-1)S(1.M)2E-1023,S,E,M,62,63,0,51,52,1.2.2 原码、反码与补码的定义,1机器数与真值,机器数:带符号的二进制数称之为机器数。,真值:机器数所代表的值称为真值。,在微机中，机器数有三种表示法，即原码、反码与补码。,2. 原码表示法,若定点整数的原码形式为X0X1X2Xn，则原码表示的定义是 X 2n X0 X原= 2n-X=2n +X 0X-2n X0为符号位，若n=7，即字长8位，则 X取值范围：-127+127 +0原=00000000 -0原=10000000,采用原码表示法简单易懂，但它最大缺点是加法运算电路复杂，不容易实现。,3. 反码表示法,对于定点整数，反码表示的定义是： X 2n X0 X反= (2n+1-1) +X 0X-2n 同样n取7，即字长8位，那么 X取值范围：-127+127 +0反= 00000000 -0反= 11111111,4. 补码表示法,对于定点整数，补码表示的定义是： X 2n X0 X补= 2n+1 +X=2n+1 -X 0X-2n 同样如果n取7，即字长8位，那么 X取值范围：-128+127 +0补=-0补=00000000 -10000000补=10000000 X补补=X，对已知的一个补码通过再一次求其补，便可还原出真值。,例【1-3】 若字长8位，X=126，Y=-126,求 X原、X反 、X补和Y原、Y反、Y补。,解： X原=X反=X补=01111110,Y原=11111110 Y反=10000001 Y补=10000010,(1)补码加法运算 规则：X补+Y补 = X+Y补 (1-11) 条件：X、Y以及X+Y在定义域内 特点：符号位参与运算；以2n+1为模进行加法，最高位相加产生的进位自然丢掉 根据运算后结果的符号位，对结果求补，即X+ Y补补=X+Y，便可还原出真值。,5. 补码的加减法运算及溢出的判断,在下面所有例子的运算过程中，假定计算机的字长均是8位。 例【1-4】 X=+00001111，Y =+01000000，求X+Y 解：X补=00001111 Y补=01000000 00001111 + 01000000 01001111=X+Y补=X+Y，结果正确。 例【1-5】 X=-00001111，Y =01000000，求X+Y 解：X补=11110001 Y补=01000000 11110001 + 01000000 1 00110001=X+Y补=X+Y，结果正确。,(2)补码减法运算 由于X-Y=X+(-Y)，所以补码减法运算仍可用加法运算电路来完成，即X补+-Y补=X-Y补，同样通过 X-Y补补=X-Y，可以还原出真值。条件是X、-X、X-Y必须在定义域内。 例【1-6】X=01000000 Y=00001111，求X-Y 解：X补=01000000 -Y补=11110001 01000000 + 11110001 1 00110001=X-Y补=X-Y，结果正确。,(3)溢出的判断 若参与操作的两数在定义域内，但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值，所计算出的结果产生了错误，称之为溢出。 例如字长8位，补码表示数的范围是： -128X+127，若字长n位，补码所能表示数的范围是-2n-1X2n-1-1，当运算结果超出这个范围时，便产生溢出，两个正数相加可能产生正的溢出，两个负数相加可能会产生负的溢出，正负两数相加不会产生溢出。,例【1-7】 C7C6 0 1 0 0 0 0 0 0 + 64 + 0 1 0 0 0 0 0 1 + 65 1 0 0 0 0 0 0 1 + 129+127， 结果错误，产生了溢出 两个正数相加，结果为负数形式，这是由于+129+127的原因，从上式可看出：C6=1，C7=0，OF=C6C7=10=1，溢出标志OF=1，表示有溢出。,例【1-8】 计算-128-1 C7C6 -128补 = 1 0 0 0 0 0 0 0 + -1补 = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 两个负数相加，结果为正数形式，这是由于-128-1=-129-128的原因，从上式可看出C6=0，C7=1，OF=C6C7=01=1，表示有溢出。,例【1-9】计算64-1 C7C6 +64补= 0 1 0 0 0 0 0 0 + -1补= 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 运算结果正确。C7=1，C6=1，则OF=C6C7=11=0，无溢出。,1.2.3 微机中常用的数字代码与字符代码,1数字代码,(1)数字代码的表示,BCD码是一种常用的数字代码，它的编码方法是将每个十进制数用4位二进制数表示，从而实现了用二进制数表示十进制数。在计算机中，最常用的BCD码是8421码，称为标准BCD码，每个BCD码每位上对应的权值与二进制权值相同，十进制数09的BCD码则为0000、00011001。,(2)标准BCD码的加法,由于计算机中的基本运算电路只能作二进制加法运算，如果利用它实现BCD码相加，必须要找出将二进制加法运算电路适应标准BCD码相加的规则，然后遵循该规则设计出BCD码相加的运算电路。,例【1-10】 0100 0101 + 0101 0100 1001 1001 结果正确 例【1-11】 0100 0101 + 0101 0101 1001 1010 结果不正确 + 110 个位加6修正 1010 0000 结果还不正确 + 110 十位加6修正 1 0000 0000 结果正确,BCD码加法的规则：,两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加，若产生的和小于10则保持不变，结果正确；如果产生的和10，则在和数上作加6修正。 两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加后，如果向高位BCD码产生了进位，说明逢十六进一，丢掉了6，所以也要作加6修正。加6修正的原因是：运算电路只能逢十六进一，不能逢十进一。,(3)标准BCD码的减法 两个BCD码相减，有如下两条规则： 两个BCD数对应的BCD码位采用二进制相 减，不发生借位则结果正确。 两个BCD数对应的BCD码位采用二进制相减，若BCD码位的低位向高位发生了借位，由于是二进制运算，借一位一定会当作16，而实际上借一位只能当作10，所以在低位上要作减6修正。,2字符代码,微机中常用的是ASC码（美国信息交换标准代码）,如表1-1所示： 它包括10个十进制数码，26个英文字母和一些专用符号，总共128个字符的ASC码，因此，只需要一个字节中的低7位编码，最高位可用作奇偶校验位，当最高位恒取1，称为标记校验，当最高位恒取0，称作空格校验。,表1-1,1.3 微型计算机系统概述,微型计算机系统由硬件与软件两大部分组成，分别称为硬件（Hardware）系统与软件（Software）系统。,1.3.1 微型计算机的硬件系统,根据冯.诺伊曼（Von Neumann）计算机的基本思想，微型计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分组成。,微型计算机的硬件系统结构图如图1-1所示，它由CPU、内存储器、各类I/O接口、相应的I/O设备以及连接各部件的地址总线、数据总线、控制总线等组成。,1微处理器,微处理器（Microprocessor）简称P或MP，或CPU。CPU是采用大规模和超大规模集成电路技术将算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）、控制部件CU（Control Unit）和寄存器组R（Registers）等三个基本部分以及内部总线集成在一块半导体芯片上构成的电子器件。,2存储器,存储器的功能主要是用于存放程序与数据。,3I/O接口,I/O接口（Interface）是CPU与I/O设备之间的连接电路，不同的I/O设备有不同的I/O接口电路。以往I/O接口也称为接口卡，或适配器等。,4总线,这里指的总线（BUS）包括地址总线、数据总线和控制总线三种。所谓总线，它将多个功能部件连接起来，并提供传送信息的公共通道，能为多个功能部件分时共享，总线上能同时传送二进制信息的位数称为总线的宽度。,(1)地址总线,地址总线（Address Bus，AB），通常是CPU用来发出地址信息的，用于对存储器和I/O接口进行寻址，因为地址信息是由CPU指向内存储器和I/O接口的，所以地址信息通常是单方向的。地址总线的宽度决定了CPU访问存储器的最大容量。例如，8086CPU有20条地址线，能访问存储器的容量是220字节=1MB。Pentium CPU有32条地址线，能访问存储器的容量是232字节=4GB。,(2)数据总线,数据总线（Data Bus，DB），它是CPU和存储器、CPU和I/O接口之间传送信息的数据通路，数据总线传输的方向为双向传输，可由CPU传输信息给存储器或I/O接口，或者反方向传输。数据总线的宽度越宽，CPU传输数据信息的速度越快，8086 CPU数据总线为16位，Pentium的外部数据总线64位，分别表示CPU一次可以与存储器或I/O接口传送16位和64位二进制信息。,(3)控制总线,控制总线（Control Bus，CB），按照传输方向分为两种：一种是由CPU发出的控制信号，用以对其他部件的读控制、写控制等；另一种则是其他部件发向CPU的，反过来实现对CPU的控制。在两种方向的控制信号中前者多于后者。,1.3.2 微型计算机的软件系统,计算机软件（Software）是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的程序及程序运行所需要的数据文档资料的总和。一般把软件划分为系统软件和应用软件。其中系统软件为计算机使用提供最基本的功能，但是并不针对某一特定应用领域。而应用软件则恰好相反，不同的应用软件根据用户和所服务的领域提供不同的功能。,1系统软件,系统软件是用于控制、管理及维护计算机资源的软件。系统软件主要包括操作系统、各种程序设计语言、数据库管理系统、设备驱动程序及工具类程序共五大类。,(1)操作系统 操作系统（Operating System，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充，它在计算机系统中占有特殊重要的地位，其他所有软件都将依赖于操作系统才能运行，它是软件系统的核心。,(2)各种程序设计语言 程序设计语言是用来专门编写软件的语言。用户选用不同的程序设计语言编写各种应用程序，程序设计语言由发展的先后可分为机器语言、汇编语言和高级语言，高级语言是软件开发者常用的语言，它的发展非常快，常见的有C、C+、C#、VC、VB、Java等。,(3)数据库管理系统 数据库管理系统是用户与数据库之间的接口，它为用户提供了完整的操作命令。例如，如何建立、修改和查询数据库中的信息，如何对数据库中的信息进行统计和排序等处理。数据库管理系统是对数据库进行有效管理和操作的一种系统软件。,(4)设备驱动程序,(5)工具类程序 用户借助工具类程序可以方便地使用计算机，以及对计算机进行维护和管理等，主要的工具类程序有测试程序、诊断程序及编辑程序等。,2应用软件,应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件及其有关资料。它可以是一个特定的程序，比如一个图像浏览器，也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程序的集合，比如微软的Office软件；也可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统，比如数据库管理系统。,1.3.3 微型计算机系统,微型计算机系统结构如图1-3所示。硬件包括微型计算机、I/O设备以及电源等组成，微型计算机由微处理器、存储器、I/O接口电路以及总线四部分组成。软件由系统软件和应用软件组成。,图1-3 微型计算机