《微机与操作系统贯通教程》第1章：微型计算机基础知识

新世纪高职高专实用规划教材 微机与操作系统贯通教程,王宝军 著 清华大学出版社,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,第1章 微型计算机基础知识,1.1 微型计算机系统概述,1.2 计算机中的信息表示,1.3 微机系统的组成与工作原理,学习目的与要求 通过本章的学习，了解微型计算机的发展、特点和主要技术指标，重点掌握计算机内部数值数据和非数值数据的表示方法，以及微型计算机硬件系统的组成、软件系统的层次结构、程序运行的基本原理，为后续内容的学习打下扎实的基础。对于已有一定计算机基础知识的读者，则可以快速浏览本章。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.1 微型计算机系统概述,主要内容,重点关注：微处理器和微机的发展及主要技术指标,1. 计算机的 产生与发展,2. 微处理器和 微机的发展,3. 微型计算机 的主要特点,4. 微型计算机 的技术指标,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1. 计算机的产生与发展,计算机的诞生：1946年，由美国宾夕法尼亚大学电工系工程师埃克特(J.P.Eckert)和物理学家莫奇利(J.W.Mauchly)研制成功了世界上第一台通用电子数值积分计算机ENIAC，其运算速度为每秒5000次加法运算。,第一代（1946-1954）采用电子管元件，体积大、耗电多、使用维护较困难，运算速度每秒几千次至几万次；编程使用机器语言或汇编语言；主要应用于科学和工程计算。 第二代（1955-1964）采用晶体管元件，主存用磁芯，外存采用磁盘和磁带，运算速度每秒可达几十万次，编程使用高级语言，除科学计算外，还应用于数据处理、工业控制等领域。,计算机的发展趋势：从结构和功能等方面看，计算机正朝着微型化、智能化、网络化、和多媒体方向发展 。,计算机的发展历程,第三代（1965-1970）采用中小规模集成电路，主存用半导体存储器，运算速度每秒几百万次；操作系统的出现使大量管理工作自动完成；应用领域不断扩大。 第四代（1971至今）采用超大规模集成电路，运算速度每秒几百万次至几亿次；日趋完善的软件系统实现了运行自动化；微机和网络技术更为普及应用。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2. 微处理器和微型计算机的发展（一）,4位机 1971-1973,8位机 1973-1977,16位机 1978-1984,32位机 1985-今,代表芯片： Intel 4004、4040 Intel 8008(低档8位) 代表机型： MCS-4、MCS-8,微型计算机(MC)是以微处理器(CPU)为核心，配置半导体存储器、少量外部设备以及电源而组成的计算机。它以CPU的发展而升级换代，而CPU的发展通常按字长和功能为主要指标。,代表芯片： Intel 8080、8085 Motorola MC6800 Zilog Z80 代表机型： Altair 8800 Apple-II,代表芯片： Intel 8086/8088/80286 Motorola MC68000 Zilog Z8000 代表机型： IBM PC/XT、PC/AT AST286 COMPAQ286,代表芯片： Intel 80386/80486 Motorola MC68020 代表机型： IBM-PS /80 AST386 COMPAQ386,微处理器和微机的发展历程,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1992年后出现了外部数据总线达64位的CPU，进一步提高了微机性能。Intel于1993年推出了Pentium（P5，俗称586），其性能上已达到中高档RISC处理器水平；其他典型产品还有MC68060、AMD的K5、Cyrix的M5和IBM的power PC等。 1995年以来，Intel相继推出高能奔腾Pentium Pro、多能奔腾Pentium MMX（多媒体扩展指令集）以及第二代奔腾Pentium 、第三代奔腾Pentium 、第四代奔腾Pentium 等一系列CPU，在微处理器发展史上构筑了一个又一个丰碑。 RISC精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer） CISC复杂指令集计算机（Complex Instructions Set Computer）,事实上，微型计算机分为三大类： 个人计算机即PC（Personal Computer），供单个用户操作使用的个人计算机。 单片机把微处理器、存储器、I/O接口都集成在一块集成电路芯片上，由于其体积小、存储容量小、接口简单、功能较低，常置于电气设备内部用作自动控制。 单板机将组成微型计算机的各个部件（微处理器、存储器、I/O接口以及简单的七段数码管显示器、小键盘、插座等）都组装在一块印制电路板上，其功能比单片机强，常用于工业生产过程的控制以及教学中。,2. 微处理器和微型计算机的发展（二）,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3. 微型计算机的主要特点,能自动 连续运算,计算机的特点,此外，微机还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、操作简单灵活等独特的优点。,运算速 度快,计算精 度高,可靠性高 通用性强,具有记 忆特性,具有逻辑 判断能力,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4. 微型计算机的主要技术指标,字长,字长是指微机在信息处理中，一次存取、传送或加工的数据长度。字长不仅标志着计算机精度，也反映了信息处理的能力。一般情况下，字长越长，计算精度就越高、运算速度就越快，信息处理能力也就越强。,主存 容量,主存容量是主存能存储二进制信息的总量，它反映了微机处理时容纳数据量的能力。主存容量越大，微机工作时主、外存储器之间的数据交换次数就越少，处理速度也就越快。主存容量以字节（Byte）为基本单位，并定义KB、MB、GB、TB等派生单位，他们之间都是1024（即210）的倍数关系。,指令执 行时间,微机的运算速度取决于CPU的指令执行时间和时钟频率。指令执行时间是指CPU执行 1 条指令所需的平均时间，常用每秒执行多少百万条加法指令（MIPS）的指令执行速度来计量。指令执行时间与CPU时钟频率（即主频）有关。一般来说，主频越高，指令执行时间就越短，机器的运算速度也就越快。,大多数CPU内部数据总线与外部数据引脚宽度是相同的，但带“准”字的微处理器例外，如Intel 8088是准16位微处理器，内部数据总线16位，而芯片外部数据引脚宽度为8位。 系统总线的宽度和时钟频率、外部设备配置的数量和性能，以及软件配置是否丰富、功能是否强大等，都是影响整个计算机系统性能的重要因素。,注意,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.2 计算机中的信息表示,主要内容,重点关注： 不同进位计数制之间的转换方法 常用字符的ASCII编码 数值数据的原码、反码与补码表示 汉字的编码方法,1. 进位计数制及转换,2. 数值数据的表示,定点数与浮点数 原码反码与补码 BCD编码,3. 非数值数据的表示,ASCII码 汉字编码,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1. 进位计数制及其相互转换,任意的r进制数，其展开式可以表示为： （anan-1a0.b1b2bm）ranrn+an-1rn-1+a0r0+b1r-1+b2r-2+bmr-m 在汇编语言中，数值后面跟一个字母以表示不同的进位计数制： “D”十进制数（可缺省，如345D或345） “B”二进制数（如10101B） “O”或“Q”是八进制数（如27Q） “H”十六进制数（如2EH、0FEH ）,进位计数制,进位计数制之间相互转换,二十进制：按位权展开后将各乘积项求和。 十二进制：整数部分除2倒序取余；小数部分乘2顺序取整。例如，将十进制数78.5625转换为等值的二进制数，其方法如右图所示 。也可以采用“降幂法”将十进制数分解以快速转换。 八（或十六）进制数二进制数：将每一位八（或十六）进制数用等值的3位（或4位）二进制数代替。 二进制数成八（或十六）进制数：从小数点开始往左和往右分别进行分组，每3（或4）位二进制数为一组；最后一组位数不足，则整数部分左边补0，小数部分右边补0；然后将各组分别转换为对应的八（或十六）进制数即可。 十进制数八或十六进制数：先转换成二进制数，再将其转换成八进制数或十六进制数。,各二进制数位对应的十进制权值,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2. 数值数据的表示（一）,定点数 数值的小数点位置固定不变，该位置在计算机设计时已被隐含地规定，无须再表明小数点的位置。 通常用最高位表示数符，“0”表示正数，“1”表示负数。 通常把小数点位置定在数的最高位之前或最低位之后，计算机所表示的数都是纯小数或纯整数。,定点数与浮点数,浮点数 数值的小数点位置不是固定的，而是“浮动”的。一个数由尾数和阶码两部分构成，尾数表示有效数字，包括尾数及其数符；阶码表示数的因子中基数的幂次，包括阶码及其阶符。即：,阶符,阶码E,数符,尾数S,在字长一定的情况下，数的浮点表示法与定点表示法相比，具有以下特点： 在采用浮点表示法表示的浮点数中，增加尾数的位数可提高数的表示精度；而增加阶码的位数可扩大数的表示范围。 在字长、精度相同的情况下，浮点表示法比定点表示法所能表示的数值范围较大。 浮点数的运算规则较定点数复杂，实现时也就需要较多的硬件。,注 意,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2. 数值数据的表示（二）,原码 原码即为机器数（即用二进制表示符号），其编码规则是：保持真值的数值部分不变，最高位为符号位。,原码反码与补码,补码 对于正数，数值部分不变，最高位加符号位“0”；对于负数，数值部分按位取反后再加1，最高位加符号位“1”。,综上所述，我们可以把原码、反码和补码之间的关系归纳为： 正数：原反补 负数：保持符号位不变，反码是原码除符号位外每位求反；补码是反码的末位加1。 数值“0”的原码和反码都有两种表示，只有补码表示是唯一的。 补码的算术运算规则十分简便，减法可转化成加法运算来完成，从而节省运算电路。,归 纳,反码 对于正数，数值部分不变，最高位加符号位“0”；对于负数，数值部分按位取反，最高位加符号位“1”。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2. 数值数据的表示（三）,2,非压缩BCD码 以8位为一组表示1个十进制位的方法，8位中低4位表示BCD码，而高4位则没有意义。 例如，用非压缩BCD码表示十进制数1976，占4个字节为：uuuu0001、uuuu1001、uuuu0111和uuuu0110。,用二进制数表示十进制每位数符的编码，统称为BCD（Binary Coded Decimal）码。通常，用4位二进制数来表示1位十进制数，但其编码方法有许多种，如8421 BCD码、Gray码、余三码等。其中8421 BCD码是目前最为常用的数字编码，也因此常被笼统地称作BCD码。BCD码又有以下两种存储方式：,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3. 非数值数据的表示,微机中普遍采用美国标准信息交换码（ASCII），它采用7位二进制代码对字符编码，包括：32个标点符号、10个阿拉伯数字、52个英文大小字母和34个控制符号，共128个。 其中，AZ为41H5AH；az为61H6AH；09为31H39H。,提示：我国于1981年颁布了信息交换用汉字编码字符集(GB2312-80)，用9494的二维矩阵收录了6763个汉字，各种符号682个，共计7445个图形字符，并为每一个汉字和字符分配了标准代码，称国标码。而区位码是用每个汉字在二维代码表中行、列位置来表示的代码。国标码区位码32。,外码汉字的输入编码，即指汉字输入方式，可分为音码、形码、音形结合码和数字编码四类。 内码计算机内部用来表示中文信息的代码，用连续的2个字节表示，内码=国标码+128。 输出码在一个网状方格中描绘一个汉字，每一格用一位二进制数表示，有笔划的格对应1，无笔划的格对应0。这样组成的汉字的编码就是字形点阵码，也称输出码。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.3 微型计算机系统的组成与工作过程,主要内容,重点关注： 各硬件部件的功能 总线的分类与常用系统总线 各层次软件的作用 冯氏计算机工作原理与过程,3. 微机的工作过程,1. 硬件系统的组成,主机 外设 总线,2. 软件的层次结构,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1. 微机硬件系统的组成（一）,主机,外设,微处理器（CPU）,控制器负责从内存储器中逐条地取出指令，经译码分析后向其他各部件发出控制命令，以确保正确地完成程序所要求的功能。,运算器是完成算术和逻辑运算的部件,内存用来存储计算机当前运行所需要的程序和数据。,输出设备用于输出计算机的处理结果，它把内部的信息转换成人们所需要或其它设备能接受的信息形式，并传送到计算机外部，如显示器和打印机。,输入设备的功能是将程序和数据从人们熟悉的形式转换成计算机能接受的信息形式，输入到计算机内部，如键盘和鼠标等。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1. 微机硬件系统的组成（二）,微机硬件系统结构属于典型的单总线结构，即包括CPU、内存、外设等所有部件都连接在一条公共的总线上。,内存按其性能和特点不同，分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两种。在微机中，ROM只占内存的很少一部分，我们通常所说的内存容量指的是RAM的容量。用户输入的内容都是以编码形式存放在RAM中，因此在关机前，我们必须把内存中的重要信息保存到外存储器中去。 外存（辅存）是一类输入和输出兼容的特殊外部设备，用于存放需要长期保存或相对来说暂时不用的程序和数据，它只能与内存进行数据交换，不能被CPU直接访问。因此，外存中的程序或数据总是要先通过接口被调入到内存后才能被CPU处理。常用的外存有硬盘、软盘、光盘、U盘等。,注 意,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1. 微机硬件系统的组成（三）,总线 总线与总线标准。总线就是在部件或设备之间传输信息的一组分时共享的公用信号线。它包含两部分：用于传输信息的物理介质和管理信息传输的一套通用规则（即协议）。总线标准是由国际标准化组织正式公布或推荐的、把各种不同部件或设备连接成一个系统时所需遵循的规范，包括机械规范、功能规范和电气规范。 总线的分类。按照总线上传输的信号类型不同，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线；按照总线连接的对象不同，总线可分为局部总线、系统总线和外部总线；按照在计算机系统中所处的位置和功能的不同，总线又分为片内总线、内总线和外部总线。 常用系统总线和局部总线。ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-E等。 常用外部通信总线。RS-232C串行通信总线、USB通用串行总线等。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2. 软件的层次结构,操作系统（OS）用来控制和管理计算机系统资源（包括硬件和软件），合理地组织计算机工作流程，以及方便用户操作的程序集合。 语言处理程序把用指令或某种语言编写而成的源程序翻译成机器语言程序。计算机语言的发展经历了机器语言、汇编语言和高级语言三个发展阶段。 数据库管理系统（DBMS）在操作系统的支持下，用户利用它所提供的一系列命令可以建立、管理、使用和维护数据库的系统软件。 应用软件为解决实际应用问题而编制的软件的总称，它涉及到计算机应用的所有领域，各种科学和工程计算软件和软件包、管理软件、辅助设计软件、过程控制软件等都属于应用软件范畴。,把高级语言源程序翻译成机器语言通常有两种方式：解释方式和编译方式。 把汇编语言源程序翻译成机器语言程序的过程称为汇编，而实现汇编功能的程序称为汇编程序。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3. 微型计算机的工作过程,计算机的任务就是执行指令，其工作过程是由它所存储并执行的程序控制的。这就是由美藉匈牙利科学家冯诺依曼于1945年提出的“存储程序和程序控制”原理，计算机的体系结构就是遵循这一原理而设计的。 在计算机工作前，先将待执行的程序装入内存储器。启动计算机工作后，将该程序在内存中的起始地址送入程序计数器PC，控制器根据PC中的地址，从存储器中取出指令送入指令寄存器IR，IR中的操作码部分经指令译码器ID译码，将识别出的操作性质送入操作命令产生部件，再由操作命令产生部件按一定的顺序发出一系列控制命令信号，送到各有关部件，使各部件完成指令所规定的操作。 一条指令执行的全过程可分为三个阶段：取出指令、分析指令、执行指令。在完成上述操作过程中，当PC送出指令地址到内存取出指令后，PC内容会自动加1（指一条指令所占的字节数），随即准备好下一条指令在内存的单元地址。这样，待前一条指令执行完后，就可以根据PC中所指定的地址值取出下一条指令，开始了下