微机原理壹绪论.pptVIP

第一章 绪 论,1.1 概述 1.2 运算基础 1.3 微型计算机的基本结构,1.1 概述,计算机 是一种能够自动完成运算的电子装置。,1.1.1 微型计算机的发展,电子计算机的发展,第一代：1946年，美国，ENIAC；电子管,电子管产生很大的热量，需安装特殊空调降温； 占170平方米，耗电150kW，重30吨,第二代： 19581964 年，美国，晶体管,第三代： 1965年，美国，中、小规模集成电路,第四代： 1970年，美国，大规模集成电路；微型计算机问世,第五代： 目标是采用超大规模集成电路,各代微型计算机特点 （书P2）,1 KB = 210B = 1024 B,1 MB = 220B = 1024 KB,1 GB = 230B = 1024 MB,1 TB = 240B = 1024 GB,M 兆（词头mega）,G千兆（词头giga）,T 兆兆（词头tera）,BByte 字节（8位二进制）,计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的,软件系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的 所有文档的集合,F,硬件组成计算机系统的物理设备,计算机软件和硬件,体积小、重量轻、功耗低 可靠性高 功能强，使用方便 造价低廉 维护方便,1.1.2 微型计算机的特点和分类,一、特点,二、分类,按字长：4位、8位、16位、32位、64位微处理器 按组装形式：单片、单板、多板等微型计算机 按应用领域：控制、数据处理用等微型计算机 按微处理器制造工艺：MOS型器件、双极型器件,1.1.3 微处理器的字长,位（bit，简写为b） 存放一位二进制数（0或1） 字节（Byte，简写为B）八位二进制信息 字 一次传送或运算最多的二进制位数 字长 字所含的二进制位数,1.2 运算基础,1.2.1 进位计数制及其相互转换 一、进位计数制 进位制：按进位的方式计数的数制 （数可以写成：按权展开的多项式和的形式 ） 基数：该进位制中允许选用的基本数码的个数 位权（权）：基数的幂次由每个数所在位置决定,m,n 正整数 i 数位 R 基数 Ki 第 i 位数码,带权计数法的数制有三个主要特点：,数码个数等于基数，最大数码比基数小1,2. 每个数码乘以基数的幂次，幂次由“位权”决定,3. 低位向高位的进位是“逢基数进1”,二、常用进位制 （P5）,十进制数： 1287D或1287,二进制数： 10010101B,八进制数： 372Q,十六进制数： 2FEAH,按权展开成多项式和的形式：,不能省B、Q、H,= 610221013100410-1510-2,623.45,= 51621116113160316-1,5BD.3H,在计算机里，二进制数的运算用逻辑运算实现 （CPU由一些组合逻辑电路和时序逻辑电路组成）,计算机中采用二进制计数法,运算规则简单,容易实现,三、数制之间转换 1. 任意进制数十进制数,11001B,= 124123022021120 = 25,4F5.C2H,= 41621516151601216-1216-2,例：,2. 十进制数任意进制数,例：将十进制数25.625转换为二进制数。,整数转换：除基数取余数法 小数转换：乘基数取整数法,（若小数转换出现无限循环，可按要求取小数点后几位即可）,3. 二进制、八进制、十六进制之间的转换 P6 例：1100010.1101111B=142.674Q 1100010.1101111B=62.DEH 152.374Q = 001101010.011111100B 4F5.C2H = 010011110101.11000010B,1.2.2 二进制数的运算规则 P8 四则运算：加、减、乘、除,1.2.3 计算机中的四则运算 CPU内部只有加法器 （计算机里完成二进制数的四则运算最终都是进行加法运算） 减法：加补码实现；（后面讲补码） 乘法：部分积右移加被乘数或0实现； （图1.1、图1.2） 除法：部分余数左移加除数补码或0实现；,1.2.4 计算机中带符号数的表示方法 概念 机器数：在计算机中表示的数 不带符号数：机器数的各位都是数的有效值 带符号数：机器数的最高位为：0正数，1负数， 带符号数由符号位和数值两部分组成。 真值：数值部分即数的绝对值 带符号数的机器数表示方法 原码表示法 反码表示法 补码表示法,最高位表示数的符号 0：正数 1：负数,一、原码表示法 数的最高位表示数的符号，数值部分是数的绝对值，也称真值，这种表示法称为原码表示法。 1对于正数： 符号位用0表示，数值位同真值。 2对于负数： 符号位用1表示，数值位同真值。 例 x+91+10l1011B x原=01011011B 例 y-91-1011011B y原=11011011B “0”的表示：+0原=00000000B -0原=10000000B 对于8位机，原码可表示的数的范围：-127+127,二、反码表示法 数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法就叫反码表示法。 1对于正数： 符号位用0表示，数值位同真值。 2对于负数： 符号位用1表示，数值位为真值按位取反。 例 x+91+10l1011B x反=01011011B 例 y-91-1011011B y反=10100100B “0”的表示：+0反=00000000B -0反=11111111B 对于8位机，反码可表示的数的范围：-127+127,三、补码表示法 1对于正数：符号位用0表示，数值位同真值。 2对于负数：符号位用1表示，数值位为它的反码末位加1。 例 x=+91=+10l1011B x补=01011011B y=-91=-1011011B y补=10100100B+1=10100101B 例 x=+8=+0001000B x补=00001000B y=-8=-0001000B y补=11110111B+1=11111000B 从这两个例子中得到如下规律：对一个数的补码连同符号位在内 求反加1，即为其相反数的补码。 例 +X补=01000110B，则-X补=? “0”的表示： -0补=00000000B 对于8位机，补码可表示的数的范围：-128+127,127补=10000001B,128补=10000000B,-X补=10111010B,机器数是二进制数，由于符号位占据一位，因此有符号的数的形式值不等于真正的数值。 特别对于负数的表示形式，原码形式最高位的1表示负号，不是数，数值部分是数的真正值；而反码和补码就连数值部分也不是数本身了。 所以，若要计算一个负数的机器数为十进制的多少时，只有负数的原码的数值部分才可展开按权相加。,正数：符号位为0，数值部分为真值（三种表示形式相同）,使用机器数注意,带符号数的机器数表示方法原码、反码、补码,四、计算机引入补码的好处 引入补码,可以使减法运算转化为加法运算，简化了运算器的线路设计。 在计算机中： 减法可以通过加补码来实现； 乘法可以通过一系列移位相加来实现； 除法则可以通过一系列移位加补码来实现。 因此，计算机中只需要加法器就可完成运算。,五、补码运算 补码加法规则：X+Y补=X补+Y补 补码减法规则：X-Y补=X补+-Y补 例：已知X补=11101011B，Y补=11001010B， 求X+Y补、X-Y补 解：-Y补=00110110B X+Y补=X补+Y补=11101011B+11001010B=10110101B X-Y补=X补+-Y补=11101011B+00110110B=00100001B （均无溢出） 补码运算的溢出问题 （异号数相加、同号数相减不会溢出） 上溢 （正数相加，符号位为1） 下溢 （负数相加，符号位为0）,（X=-21,Y=-54）,1.2.5 计算机中数的小数点表示方法 一个二进制数1010.01B可表示为: 1010.01B=240.101001B 任意一个二进制数N的通式为: N=2jS j-阶码, 二进制整数的位置；指明小数点的位置。 s-尾数, 二进制小数；表示数N的全部有效数字。 （规定尾数部分的最高位是1，即1/2S1） 定点表示：对任何一个数，若阶码j总是固定不变的 浮点表示：阶码j可以取不同的值 （微型计算机多为定点计算机，仅讨论定点数）,1. 定点表示 若定点计算机的阶码j0，则该定点数只能是小数，其表示的格式为: 数符. 数值 小数点的位置在符号位与尾数部分最高位之间。 若为8位机,其能表示的数的范围:0.1111111B0.1111111B 即 (1-27) X1- 27 还以8位机为例,若定点计算机的阶码j7，则该定点数只能是整数，其表示的格式为: 数符 数值 . 小数点的位置在符号位与数值位之后。 8位机能表示的数的范围:1111111B1111111B 即 (271) X271,2. 浮点表示 阶符 阶码 数符 . 数码 若浮点计算机的字长为13位，阶符为1位，阶码为3位，数符为1位，数码为8位，则所能表示数的范围是： 0111111111111011101111llll 即27（1-28） 27（1-28） 若阶符1位、阶码m位、数符1位、数码n位，则表示范围： 2111(0.1111) 2111(0.1111) m个1 n个1 m个1 n个1 应当注意，浮点数的正负号是由尾数的正负号决定的，而阶码的正负号只决定小数点的位置，即决定浮点数的绝对值大。,已知X=-32,Y=66，用8位机器数表示， 写出：X原， X反， X补， Y原， Y反， Y补， X+Y补，X-Y补,X原=10100000B X反=11011111B X补=11100000B,Y原= Y反Y补 01000010B,X+Y补00100010B X-Y补10011110B,正数：符号位为0，数值部分为真值（三种表示形式相同）,1.2.6 常用的二进制编码 （P15） 一、BCD码（二进制编码的十进制数） 每一位十进制数用4位二进制编码来表示。 如： 12 = (00010010)BCD (实为12H） * BCD码不是二进制数，比如：12 = 00001100B 二、ASCII码（二进制编码的符号） 采用7位二进制码对一个字符进行编码，可表示128个字符，每个ASCII码在机器中占1个字节，最高位常为0。 当作符号的数字09的ASCII码：30H39H P455 字母AZ的ASCII码：41H5AH 字母az的ASCII码：61H7AH 三、汉字编码（二进制编码的汉字） 汉字内部码由两个字节构成，每个字节的最高位为“1” （不能直接输出汉字，须通过汉字字模库检索出汉字字形信息后输出）,常用的编码方式为美国标准信息交换（American Standard Card for Information Interchange，ASCII码）。 、 标准ASCII码用7位二进制数编码，共有128个。 计算机存储器基本单位为8位，ASCII码的最高位通常为 0，通信时，最高位用作奇偶校验位。 ASCII码表中的前33个和最后1个编码是不能显示的控制 字符，用于表示某种操作。 ASCII码表中20H后的94个编码是可显示和打印的字符， 其中包括数码09，英文字母，标点符号等。,ASCII 码,7位ASCII码编码表,1.2.7 逻辑运算与基本逻辑电路,逻辑表示输入与输出的一种因果关系,逻辑代数：一种用字母和符号代替文字来进行运算推理 的方法。,逻辑表达式： Y = F（A，B，C，D）,逻辑函数的值,逻辑函数,逻辑变量（可多可少）,特点：,变量的取值只有0或1，函数值也只有0或1；,有三种基本逻辑关系：逻辑加法、逻辑乘法、逻辑否定 （“或”运算、“与”运算、“非”运算）,正逻辑 高电平表示逻辑“1” 低电平表示逻辑“0”,逻辑门电路 能实现“与”、“或”、“非”等逻辑运算的电路,* 逻辑门电路符号及逻辑运算,Y=AB=AB=AB=AB （ 逻辑乘法）,Y=AB = 11 = 1,Y=AB =10 = 01 = 00 = 0,输入只要有一个为低电平，则Y=0,输入均为高电平，则Y=1,Y=A+B=AB （ 逻辑加法）,Y=A+B = 1+0 = 0+1 = 1+1 = 1,Y=A+B = 0+0 = 0,输入均为低电平，则Y=0,输入只要有一个为高电平，则Y=1,输入高电平，则 Y=0,输入低电平，则 Y=1,输入相异，输出为1,Y= AB = 10 = 01 = 1,Y= AB = 11 = 00 = 0,输入只要有一个为低电平，则 Y=1,（“与”门和“非”门的组合）,输入均为高电平，则 Y=0,输入只要有一个为高电平，则Y=0,输入均为低电平，则Y=1,Y = A + B （ “或”门和“非”门的组合）,* 多位逻辑运算 例： 与 或 异或 11010 11010 11010 ) 10110 )10110 )10110 10010 11110 01100 注意：按位进行逻辑运算，不存在进位或借位问题。,机器数是二进制数，由于符号位占据一位，因此有符号的数的形式值不等于真正的数值。 特别对于负数的表示形式，原码形式最高位的1表示负号，不是数，数值部分是数的真正值；而反码和补码就连数值部分也不是数本身了。 所以，若要计算一个负数的机器数为十进制的多少时，只有负数的原码的数值部分才可展开按权相加。,正数：符号位为0，数值部分为真值（三种表示形式相同）,使用机器数注意,带符号数的机器数表示方法原码、反码、补码,* 逻辑门电路符号及逻辑运算,1.3 微型计算机的基本结构 （P20）,硬件组成 （五部分）,输入设备 输入原始数据和处理这些数据的程序（键盘、CRT等） 输出设备 输出计算机的处理结果（打印机、绘图仪、显示终端等） 运算器 完成二进制数据的算术或逻辑运算（由累加器、暂存 寄存器、算术逻辑单元组成，核心是算术逻辑单元） 存储器 存放程序和数据（包括内存储器、辅助存储器） 控制器 实现程序的自动执行,累加器：是寄存器；与总线之间的数据传送是双向的 内存：内存储器（又叫主存储器或随机存储器；是按地址存取数据的， 若地址总线n条，可形成2n个地址） CPU（中央处理单元）：把运算器、控制器合并，并集成在 一块芯片上,总线： 一组并行的导线，数据和指令通过总线传送,微型计算机硬件之间的连接方式,微处理器（CPU）基本结构 P23,结构特点 采用单总线、累加器结构；（节省芯片面积） 管脚功能复用；（一条管线有一个以上的用途，如读/写线） 广泛采用三态电路等。（0和1状态、高阻态对总线不影响）,CPU（中央处理单元）：把运算器、控制器合并， 并集成在一块芯片上,基本结构 P24图，了解一条指令在微处理器中的执行过程（P25） 算术逻辑部件 执行各种算术、逻辑运算 主要寄存器 CPU内部包含各种专用、通用寄存器 堆栈和堆栈指针 按照后进先出、先进后出的原则组织的一组 寄存器（硬堆栈）或指定的一组存储单元（软堆栈多用）。 堆栈的操作由压入（PUSH）和弹出（POP）指令实现。 数据压入堆栈、从堆栈弹出只能在栈顶进行。栈顶地址由堆栈指针SP给出。 堆栈用于：中断、子程序调用，也用于数据的临时存放。 主要优点：压入数据时不会影响已存入的数据（堆栈地址在SP中） 主要缺点：程序调试、文件编制很困难 操作控制器及时序产生器 构成微机系统的控制器。 将根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确 建立数据通路，完成取指令和执行指令。,算术逻辑部件 P25,主要寄存器：,标志寄存器 程序寄存器 指令寄存器 地址寄存器 通用寄存器 累加器 最忙碌 堆栈指针,微型计算机（微机）的工作过程 执行程序的过程，也就是逐条执行指令序列的过程,寻址方式：按不同方式寻找操作数地址的方法,（指令有：单字节、双字节、3字节、4字节等）,存储器由许多单元组成，每个单元存放一个字节。,为区别各个存储单元，给每个存储单元编号， 把存储单元的号码叫做地址（用十六进制数表示）,每个存储器地址中存放着一个字节的数（二进制或十六进制） 该地址的内容,一个程序工作的例子,指令在内存中的存放形式：,第二章 Intel 32位CPU,2.1 CPU的基本结构 2.2 寄存器,2.1 CPU的基本结构,16位内部体系结构 16位外部数据总线，20位地址总线（寻址范围220B=1MB）,2.1.1 几种典型Intel CPU简介 1、8086 （16位CPU）,32位内部体系结构 32位外部数据总线，32位地址总线 （实内存232B=4GB，虚拟空间=64TB） 三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟8086方式 采用流水线技术和指令预取技术,2、80386 （32位CPU）,32位内部体系结构 32位外部数据总线，32位地址总线 三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟8086方式 采用流水线技术和指令预取技术 片内含8KB高速缓存（Cache） 片内含浮点运算单元（FPU）,32位内部体系结构 64位外部数据总线，36位地址总线 片内含8KB指令Cache和8KB数据Cache 工作方式新增加了一种系统管理方式（SMM） 采用超标量流水线技术 片内含浮点运算单元（FPU）,3、80486 （32位CPU）,4、Pentium （32位CPU）,2.1.2 CPU的内部结构 80486CPU内部由八大部件组成： 总线接口部件、高速缓存部件、代码预取部件、指令译码部件、浮点数部件、执行部件、段部件、分页部件。,2.1.3 CPU的外部引脚（P41）,80486引脚：168个 右图为引脚功能信号图,32位CPU引脚结构： 格栅阵列插针或封装,2.2 寄存器 （CPU内部用来放置数据和地址的存储单元）,2.2.1 通用寄存器 31 15 7 0 031 015 715 07 EAX AX AH AL EBX BX BH BL ECX CX CH CL EDX DX DH DL EBP BP ESP SP ESI SI EDI DI,变址寄存器,指针寄存器,数据寄存器,（存放基址）,（堆栈指针寄存器）,16位、32位：存放数据或地址 8位寄存器：只能存放数据,功能P53,2.2.2 指令指针寄存器 EIP （32位） IP （EIP的低16位） 内容：下一条要取入CPU的指令在内存中的偏移地址。 2.2.3 标志寄存器 EFLAGS （32位） FLAGS （EFLAGS的低16位）,31 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,各标志位的含义： 1. CF（进位标志） =1 算术操作最高位产生了进位或借位 =0 最高位无进位或借位 2. PF（奇偶标志） =1 数据最低8位中1的个数为偶数 =0 数据最低8位中1的个数为奇数 3. AF（辅助进位标志） =1 D3D4位产生了进位或借位 =0 D3D4位无进位或借位 4. ZF（零标志） =1 操作结果为0 =0 结果不为0,5. SF（符号标志） =1 结果最高位为1 =0 结果最高位为0 6. OF（溢出标志） =1 此次运算发生了溢出 =0 无溢出 7. DF（方向标志） =1 地址自动按减量变化 =0 地址自动按增量变化 8. TF（陷阱标志） =1 调试按单步方式 =0 非单步 9. IF（中断允许标志） =1 允许响应外部可屏蔽中断 =0 禁止响应,10. IOPL（输入/输出特权级标志） I/O特权级：0级3级 11. NT（嵌套任务标志） =1 当前任务被嵌套于前一任务 =0 不嵌套 12. RF（恢复标志） =1 遇到调试故障也不产生异常中断 =0 当指令顺利进行后自动清零 13. VM（虚拟8