概述及运算基础1.ppt

微 机 原 理,主讲 傅妍芳 计算机学院,本课程任务 是使同学们从工程的角度了解和掌握微机系统的基本原理、接口电路及硬件连接的主要技术，建立微机工作的整体概念。,先修课程： 计算机文化基础,参考书： IBM PC 汇编语言程序设计 沈美明 清华出版社 微型计算机技术及应用（第3版） 戴梅萼 清华出版社,教材：微机原理与接口技术 吉海彦主编 机械工业出版社,本学期学学时安排：40(讲授) 课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业 总成绩考试成绩平时成绩,1.1 微型机的发展 1.2 微型机的特点和分类 1.3 微机的运算基础 1.4 微机组成和工作过程,第一章 微机概述,本章是整个课程的基础，要求从系统的观点出发，提供有关微型计算机系统总的框架，建立起有关“系统”的体系概念 。 掌握计算机中常用的数制与编码（整数、小数的二进制、十六进制表示，BCD码）。 了解ASCII码，了解数字和大写字母AF的ASCII码表示。 掌握带符号数的原码与补码。 掌握微机的组成与工作过程。,本章要求,1.1 微型机的发展（了解）,1.1.1 电子计算机的发展：,微型机是第四代计算机的典型代表,电子管计算机（1946-1957） 晶体管计算机（1958-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-今）,字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。 8086称为16位微处理器。 8088称为准16位微处理器。（内部总线是8位）,字长微机的常用术语,计算机中常用术语,bit （位） Byte （字节） 1 Byte = 8 bit 1KB =1024B =210Byte 1MB =1024KB =220Byte 1GB =1024MB =230Byte 1TB =1024GB =240Byte Word（字） 1 Word = 2 Byte = 16 bit Dword（双字） 1 Dword = 2 Word = 32 bit,第一阶段（19711973年)主要是4位和低档8位微型机。（4004、8008） 第二阶段(1973-1977年)主要是中高档8位微型机 （8080） 第三阶段(1978-1983年)主要为16位微型机 （8086、8088） 第四阶段(1983-1992年)主要为32位高档微型机。 （80386、80486） 第五阶段(1993年至今)主要为64位高档微机。 （Pentium、 PentiumII、PentiumIII 、PentiumIV ）,1.1.2 微型机的发展五阶段,1971年，Intel 4004：4位微处理器。 是世界上第一片单片微处理器。 机器语言编程，指令系统包括45条指令。性能差。 用于小型控制机：交通灯、微波炉、台秤、照相机。,Intel 4004,第一代典型产品,返回,1972年：Intel 8008， 是世界上第一片8位微处理器。 8008采用了10m生产工艺， 集成度为3500个晶体管， 工作频率为200KHz。,Intel 8008,返回,第二代典型产品,1976年：Intel 8085 Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器。 工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。,1974年：Intel 8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHz。第一款高档微处理器. 1975年4月，MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair 8800。值得一提的是Altair 8800的BASIC语言解释器是Bill Gates编写的。,1977年：Z80，Zilog公司，8位机，优于8080，8085,返回,第三代典型产品,1978年，Intel 8086 采用3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77 MHz。 它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。 CPU的内部结构也有很大的改进，采用了流水线结构，并设置了6字节的指令预取队列。,返回,除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。 8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。,1979年 Intel 8088,80286（1982年-1984年） 采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB.,80年代中期到90年代初,80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）.,IBM PC/AT机,1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBM PC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是工业标准结构（ISA）。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。,返回,第四代典型产品,采用正方形的网络阵列封装（PGA），132引脚。,80386（1985年-1988年） 第一个实用的32位微处理器，采用1.5m工艺,集成275,000个晶体管，工作频率达16MHz。 80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。 （232=4G）,80386内部包含了一个内存管理单元专门负责管理和分配内存的硬件电路。,返回,80486（1989年-1992年）,80486把80386的内部结构做了修改，首次采用RISC技术（精简指令集），大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。,采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。 80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器。,返回,Intel公司的Pentum，内部采用超标量双流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存，工作频率越来越高，基本指令的工作速度越来越高。 随着Pentium MMX 、Pentium Pro、Pentium II 、Pentium III以及、Pentium 4微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶，可以说这一阶段是微型机发展最快，新技术最多、最先进，影响最大的阶段。,第五代典型产品,Pentium系列,返回,Pentium（1993年-1997年）（发展分成三代）,第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年） 采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管,工作频率为60MHz/66MHz。,第三代Pentium MMX（P55C，1997年） 增加了57条多媒体指令,第二代Pentium处理器（P54C，1994年） 采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。,返回,Pentium Pro （P6）,1995年推出的PentiumPro（又称P6或高能奔腾）CPU。 其中集成了550万只晶体管，主频提高到133 MHz。 地址线为36位，寻址范围为64GB，,返回,Pentium ,97年5月推出，时钟频率比P6提高了很多，如 233MHZ-400MHZ。 仍采用超级流水线和双独立总线体系结构； 增添了57条MMX（多媒体）指令；,采用全新封装形式，不是一个芯片，而是由一个核心芯片 + 二级Cache芯片组 +电阻、电容等构成的多芯片组的模块，将它们焊接到一个印刷电路板上，再进行封装，构成单边连接的盒卡，从一边输出242个引脚。,Pentium ,1999年2月推出，P刚推出时主频为400MHZ和500MHZ两种。 一级 Cache32 KB、二级Cache 512 KB 。 采用与P相同的架构。 增加了SSE指令集70条扩展指令.,全新的NetBurst体系结构，不同于P6架构 采用0.18m工艺，时钟频率1.4GHz2GHz 20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线,Pentium 4,通过微处理器的发展可以看出，这几十年来，以INTEL生产的微处理器为CPU的微型计算机是最有代表性的主流机型。Intel公司推出的8086微处理器家族成员从8086、 80186、 80286、 80386、 80486到Pentium (80586)、 Pentium及Pentium。 虽然芯片的制造工艺、结构、性能等有了很大发展，但从使用者的角度，特别是应用程序的开发者角度来看，它们是一个系列，是一个家族。,可以把 8086/88 微处理器看作基础，以后所推出的 80286 等微处理器虽然都有改进，但都保持与 8086 兼容，即都具有 8086 的基本逻辑结构。应用编程的寄存器结构，它们只有16位和32位的区分，并没有本质的区别。芯片的指令80以上是完全相同的。所以可以说8086、8088是Intel80X86系列芯片的基础。从学习的角度出发，只有掌握了8086、8088才能进一步掌握其他芯片。因此在本课程的学习中，将结合8086、8088 系统来介绍微机的CPU、接口部件等微机技术。,1.2 微型机的特点和分类,1.2.1微型计算机的特点：,体积小，功耗低 更新快，生命力强 品种多、产量多 价格逐渐下降 用途广 结构灵活，性能可靠,1.2 微型机的特点和分类,1.2.2微型计算机的分类：,a. 按微机的组成分类 单片机: 单板机 个人计算机（即PC机或个人电脑） 多用户系统 微型机网络,b.按处理器字长分类 4位机 8位机 16位机 32位机 64位机,单片机,定义： 把微处理器、存储器、输入/输出接口，都集成在一块集成电路芯片上，这样的微型机叫做单片机。 特点： 体积小，可放在仪表内部。存储器容量小，输入/输出接口简单，功能较低。,返回,单板机,定义：将计算机的各个部件都组装在一块印制电路 板上，包括微处理器、存储 器、输入/输出接口，还有简 单的七段码发光二极管显示 器、小键盘、插座等。 特点：其功能比单片机 强，适于进行生产过程的控 制。它可以直接在实验板上 操作，适用于教学。,返回,个人计算机,个人计算机：供单个用户操作的计算机系统（即PC机，俗称个人电脑），通常我们所说的微型机或家用电脑就是指这类个人计算机。,返回,多用户系统,多用户系统是指一个主机连接着多个终端，多个用户同时使用主机，共享计算机的硬件、软件资源。,返回,微型机网络,定义：把多个微型机系统连接起来的网络。 功能：通过通信线路实现各个微型机系统之间的信息交换、信息处理、资源共享。 计算机网络和多用户微机的区别： 网络的各终端有自己的微机系统，并含有CPU，能独立工作和运行；多用户微机的终端用户不含CPU，不能离开主机系统工作。 微型机网络分类： 网络工作站（客户端client，即个人计算机）和网络服务器（server）,返回,1.2.3微机的主要性能指标,字长计算机内部一次可以处理的二进制数据的位数。表征运算精度的主要参数。,存储容量衡量计算机存储二进制信息量大小的重要指标。,主频CPU的时钟频率，在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。,存取周期两次读写操作所需要间隔的最短时间,外设扩展能力计算机可配置的外设数量及外设类型。,主频,假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。,返回,1.3 运算基础,主要内容 1.3.1 带符号数的表示及运算 1.3.2 十进制数、字符的表示,1.3.0 数制及转换,十进制 1111D 或1 111 二进制 1111B = 15 八进制 1111Q = 585 十六进制 1111H = 4 369 准确、熟练掌握数制转换,1.3.1 带符号数的表示及运算,计算机中有符号数的表示 把二进制数的最高位定义为符号位: 0 正数，1 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）,- 52 = - 0110100B = 1 0110100B,1.3.1 带符号数的表示及运算,【例】 X = +18 = + 001 0010B， Y = - 18 = - 001 0010B X原= 0001 0010B12H Y原= 1001 0010B92H,1.原码,8位数0的原码： +0原= 0000 0000B - 0原= 1000 0000B,8位原码表示数值的范围是 - 127 X + 127 对应的原码是 1111 1111B 0111 1111B。,2.反码,【例】 X = +18 ，Y = - 18 X原= 0001 0010B X反= 0001 0010B Y原= 1001 0010B Y反= 1110 1101B,0 的反码： +0反= 0000 0000B - 0反= 1111 1111B,8位反码表示数值的范围是 - 127 X + 127 对应的反码是 1000 0000B 0111 1111B。,3.补码,【例】 Y = - 18 Y原= 1001 0010B Y反= 1110 1101B Y补= 1110 1110B,0的补码： +0补= +0原=0000 0000 - 0补= - 0反+1=1111 1111+1 =1 0000 0000 对8位字长，进位被舍掉 +0补= - 0补= 00000000,8位字长，各种编码表示的数值范围,对8位二进制数： 原码： -127 +127 反码： -127 +127 补码： -128 +127 无符号数：0 255,4. 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