微机原理与接口技术第一章chj.ppt

2020年1月6日星期一 陈华科技馆801chj247 杭州电子科技大学自动化学院 微机原理与接口技术 17 40 2 内容提要 微型计算机的发展概况微型计算机的特点和应用微型计算机系统简介计算机数据格式课程框架结构 学习特点和参考书 第一章绪论 17 40 3 1 0引言 一 何谓微型计算机 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 PC 台式机 笔记本等 就是一种典型的微型计算机 除了微型计算机 还有哪些计算机 还有巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 及单片机 嵌入式系统 17 40 4 1 1微型计算机的发展概况 一 计算机的发展简史 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 计算机的发展历史粗略地分为三个阶段 1 机械式计算机阶段 1822 1944 机械式计算机经历了大约120年的历史2 传统大型计算机阶段 1944 1944年 HowardHAiken 1900 1973 为美国海军研制出用于绘制弹道图的全电子计算器 该机简称MarkI 以来 传统大型计算机经历了近60年的发展 17 40 5 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 3 微机及网络阶段1 微机 1971 即微型计算机 以微处理器 CPU 为核心 加上大规模的集成电路做成的存储芯片 I O接口芯片等组成的计算机 通常以微处理器为标志来划分微型计算机 8088 286 386 486 586 Pentium P P P4 2 计算机网络 1981 计算机网络经历了由简单到复杂 由低级到高级的发展过程 远程终端联机 局 城 广 域网 网络互联note 云计算 互联网时代 阿里巴巴 17 40 6 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 在计算机发展历史上有几个人物是不能不提的 他们是 乔治 布尔 1815 1864 英国 创立了逻辑代数 布尔代数 建立了逻辑代数的公理系统 证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现 为二进制计算机研制奠定了基础 艾兰 图灵 AlanM Turing 1912 1954 图灵提出了数字计算机的数学模型和 算法 思想 图灵机可以读入一系列的零和一 这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤 算法 按这个步骤走下去 就可以解决某一特定的问题 17 40 7 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 冯 诺伊曼 JohnvonNeumann 1903 1957 著名的 冯 诺依曼机 其中心就是 存储程序 的思想 指令和数据一起存储 1 采用二进制处理数据 2 使用了存储器 将指令和数据存入计算机 17 40 8 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 摩尔 Gordonmoore Intel公司创始人之一 摩尔定律 当价格不变时 集成电路 IC 上可容纳的电晶体数目 约每隔24个月 1975年摩尔将24个月更改为18个月 便会增加一倍 性能也将提升一倍 17 40 9 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 史蒂夫乔布斯 SteveJobs 苹果公司创始人 苹果系列手机 电脑 17 40 10 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 第一代计算机 电子管计算机1946年以电子管为逻辑元件 电子计算机发展经历四代 第二代计算机 晶体管计算机1958年以晶体管为逻辑元件 第三代计算机 集成电路计算机1965年以中 小规模集成电路为逻辑元件 第四代计算机 大规模集成电路计算机1970年以超大规模集成电路为逻辑元件 第五代计算机 智能计算机 非冯 诺依曼机 二 电子计算机的发展简史 17 40 11 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 1946年电子计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorandCalculator 由莫奇利和埃克特2位博士领导的小组 在美国的宾夕法尼亚大学研制成功 17 40 12 第一代计算机的特点 操作指令是为特定任务而编制的 每种机器有不同的机器语言 功能受限 速度慢 使用真空电子管和磁鼓储存数据 主要元件 18 800个电子管 70 000个电阻 500万个焊接点 其他 重30吨 占地150m2 耗电150kw 5000次 秒的加法运算 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 17 40 13 第二代计算机的特点 与电子管相比 晶体管具有体积小 重量轻 寿命长 效率高 功耗低等特点 并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次 晶体管计算机 降低成本和体积 提高了运算速度 高级语言 Fortran Cobol 的出现 使计算机从原来的 科学计算 扩展到 数据处理 过程控制 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 17 40 14 第三代计算机的特点 与晶体管相比 集成电路的体积更小 功耗更低 可靠性更高 第三代计算机由于采用了集成电路 计算速度从几十万次提高到上千万次 体积大大缩小 价格也不断下降 进一步缩小体积 配上各类操作系统 性能大大提高 出现了交互式语言Basic 结构化程序设计方法 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 17 40 15 第四代计算机的特点 大规模集成电路 LSI 计算机 降低成本和体积 提高了运算速度 在实现微型化的同时 还实现了巨型化计算机网络 分布式处理技术 数据库管理等 微型计算机是第四代计算机的典型代表 1971年 出现微型计算机 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 17 40 16 第五代计算机的特点 人工智能 神经网络 在运算理论及系统结构的变革 非模拟与数字混合型 1 1微型计算机的发展概况 计算机的发展简史 未来计算机发展方向 智能 高速 海量 神经网络计算机 非冯 诺依曼结构 具有智能化神经网络计算机 高速计算机 提高信息传输的速度 研制 空气胶滞体 导线 生物计算机 采用生物芯片 信息以波的形式传播 光学计算机 利用光作为信息的传输媒体 量子计算机 采用多种信息单位 提高处理速度和存储容量 17 40 17 三 微型计算机的发展 第一代微处理器 1971年 4位和8位微处理器 计算机发展经历五代 以CPU为标志 第二代微处理器 1973年 8位微处理器 第三代微处理器 1978年 16位微处理器 第四代微处理器 1983年 32位微处理器 第五代微处理器 1983年 64位微处理器 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 18 第一代微处理器 1971年 4位和8位微处理器 典型产品 Intel4004 71年 4位微处理器 Intel8008 72年 8位微处理器 特点 工艺 PMOS 正沟道金属化合物半导体 集成度 2000只晶体管 片 时钟频率 小于lMHz 平均指令执行时间 10 15 s 采用机器语言编程 也称灵巧型处理器 Smart 主要用于控制设备 现金计数器 交通灯控制等 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 19 第二代微处理器 1973年 8位微处理器 典型产品 Intel8080 73年 MotorolaMC6800 74年 ZilogZ80 75年 Intel8085 76年 特点 工艺 NMOS 负沟道金属化合物半导体 集成度 9000只晶体管 片 时钟频率 l 4MHz 平均指令执行时间 1 2 s 有中断和DMA等功能 指令系统相对完善 并具有汇编语言和高级语言 BASIC FORTRAN语言 的操作系统 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 20 第三代微处理器 1978年 16位微处理器 典型产品 Intel8086 78年 ZilogZ8000 79年 Motorola68000 79年 Intel80286 83年 Motorola68010 83年 特点 工艺 HMOS 高密度的MOS 集成度 2万 7万只晶体管 片 时钟频率 4 25MHz 平均指令执行时间 0 5 s 具有丰富的指令系统 采用多级中断 多重寻址方式 有段寄存器结构 配有磁盘操作系统 数据库管理系统和多种高级语言 性能超过了70年代的中低档小型机水平 特别是Intel80286提出了实模式和保护模式两种存储器管理 引进了段描述符表的概念 突破了访问1MB存储空间的限制 可访问1GB的虚拟地址空间 满足了多用户和多任务的要求 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 21 第四代微处理器 1983年 32位微处理器 典型产品 ZilogZ80000 83年 Motorola68020 84年 Intel80386 85年 Intel80486 89年 Motorola68040 89年 特点 工艺 CHMOS 互补高密度MOS 集成度 15万 50万只晶体管 片时钟频率 16 40MHz平均指令执行时间 0 1 s其中 80386CPU数据总线和地址总线均为32位 寻址能力高达4G字节 采用段页式存储器管理机制 提供带有存储器保护的虚拟存储 采用6级流水线 即取指令 译码 内存管理 执行指令和总线访问并行操作 有快速局部总线 80386推出了数值协处理器 加快了浮点操作速度 80386有丰富的外围配件支持 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 22 第五代微处理器 1993年 64位微处理器 典型产品 Intel Pentium586 93年 Intel pentiumProP6 95年 Intel PentiumMMX 96年 Intel Pentium 97年 Intel Pentium 99年 Intel Pentium4 2000年 第五代微处理器主要采取了如下几个方面的技术 制造工艺上从微米级逐步向纳米级发展 目前的CPU大多采用的是90nm的工艺 65nm的也经上市 25nm的芯片正在研究 不断采用新的体系结构 10 20级的超标量流水线设计和多条流水线并行工作 超线程设计等 从而极大地提高了CPU的性能和频率 目前主频已高达3 0GHz以上 前端总线带宽达1GMHz以上 不断加大片内两级缓存的容量和速度 并采用新的高频带的同路和双重独立总线 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 23 采用动态转移预测 指令跟踪缓存 增加多媒体和3D图形的SSE 数据流单数据多指令扩展 指令集等 降低CPU的电压 减少功耗和发热以提高CPU的性能 目前 大部分CPU的工作电压为1 1 1 4V第五代微处理器使人们对图形图象 实时视频处理 语音识别 CAD CAM 大规模财务分析 大流量客户机 服务器应用等成为可能 采用多核技术提高数据处理能力 AMD和Intel都已推出了双核和4核CPU 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 24 问题 所谓的16 32 64bit微处理器 这个16 32 64bit指的是什么 计算机中的位数指的是CPU一次能处理的最大位数 可能相关的一些概念 寄存器的位数 总线宽度 指令长度等等 1 1微型计算机的发展概况 微型计算机的发展 17 40 25 1 2微型计算机的特点和应用 一 微型计算机的特点 体积小 功耗低可靠性高 使用环境要求低系统外部芯片配套 系统设计灵活性能优良 价格低廉 1 2微型计算机的特点和应用 微型计算机的特点 17 40 26 二 微型计算机的应用 科学计算信息处理计算机控制智能仪器计算机通信CAD CAM CAl 1 2微型计算机的特点和应用 微型计算机应用 17 40 27 1 3微型计算机系统 一 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 微处理器 Microprocessor 核心部件只是一个中央处理器 CPU 由以下几部分组成 运算器 寄存器 控制器 内部总线 运算器 即算术逻辑部件 ALU 寄存器组 用来存放参加运算的数据 中间结果或地址 控制器 控制逻辑部件 负责对整机的控制 使CPU内部 外部协调工作 内部总线 总线用来传送CPU内部的数据及控制信号 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 17 40 28 微处理器只是一个中央处理器 CPU 由以下几部分组成 运算器 寄存器 控制器 内部总线 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 注意 微处理器不能构成独立的工作系统 也不能独立执行程序 需配有存储器 输入 输出接口 CPU相当于人体的大脑 17 40 29 微型计算机 PC机包括哪些部件 CPU 内存 硬盘 声卡 网卡 显卡 键盘 鼠标 显示器 这些部件如何归属到下图的体系中 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 17 40 30 微型计算机 微型计算机的组成 CPU存储器 RAM ROM 输入 输出接口电路系统总线 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 17 40 31 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 内存储器 简称内存或主存 半导体存储器 RAM 随机存取存储器randomaccessmemory 是用户程序和数据使用的存储器 断电后 RAM中的信息随之丢失 ROM 只读存储器Read onlymemory 是用来存放固定的程序 如BIOS 和信息 断电后 ROM中的信息保持不变 需专用设备将数据写入ROMNote PC机上的内存条是RAM ROM 存储器的结构 小储物格 地址编号 内容 读写操作 17 40 32 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 注意 微型计算机具有运算功能 可独立执行程序 但若没有输入 输出设备 则数据无法输入 结果亦无法显示或输出 还是不能正常工作 系统总线 数据的通路 17 40 33 微型计算机系统 微型计算机系统的构成 微型计算机 外部输入 输出设备 系统软件 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 17 40 34 微型计算机系统 1 3微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 17 40 35 ALU寄存器控制部件 系统软件 DOS Windows95 98 2000应用软件 WPS Word Photoshop 微处理器CPU存储器 RAM ROM I O接口总线 硬件软件 微型计算机系统 微型计算机 主机 外设 键盘 鼠标显示器软驱 硬盘 光驱打印机 扫描仪 概念对照 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 1 3微型计算机系统 概念总结 17 40 36 二 总线 大家熟悉的有哪些总线 USB RS232 总线 是一种规范的 通用的连接方式 以USB为例 1 连接功能 u盘可以通过USB总线与电脑进行连接 2 规范 通用 USB总线可以连接的不单单是U盘 也可以连接其他的设备 只要该设备提供USB结构 1 3微型计算机系统 总线 17 40 37 二 总线 总线的一种分类 1 串行2 并行USB是串行还是并行 微机系统中的典型3总线 地址 数据 控制 是并行总线 1 3微型计算机系统 总线 17 40 38 二 总线 总线 计算机系统中 各个部件之间传送信息的公共通路 总线分类 内部总线 元件级总线 系统总线 外部总线 1 3微型计算机系统 总线 17 40 39 内部总线 内部总线 是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路 内部总线 单总线结构双总线三总线结构 1 3微型计算机系统 总线 17 40 40 元件级总线 元件级总线 连接计算机系统中两个主要部件的总线 1 3微型计算机系统 总线 17 40 41 元件级总线 1 3微型计算机系统 总线 地址总线 CPU 存储器 I O端口 三态单向 地址总线的位数决定CPU可直接寻址的内存容量 如 16位 216 64K 20位 220 1M 数据总线 CPU 存储器 外设 三态双向 数据总线位数 微处理器位数 控制总线 传输控制信号 方向随信号而变化 CPU 存储器 I O端口 读 写信号 存储器 I O端口 CPU 复位 中断信号 17 40 42 系统总线 系统总线 或板级总线 是微处理机机箱内的底板总线 用来连接构成微机系统的各插件板的接口 插槽 1 3微型计算机系统 总线 17 40 57 43 USBIEEE1394RS232 RS422 RS485 4 外部总线 外部总线 是微处理机系统与系统之间 系统与外部设备之间的信息通路 接口 1 3微型计算机系统 总线 17 40 44 1 3微型计算机系统 计算机的技术指标 字长 数据宽度 CPU一次能处理二进制数据的长度 影响计算机运行速度 主频CPU的时钟频率 对计算机的运行速度有决定性的影响 单位MHz P4的主频在1 4GHz以上 目前市场上常用的是2 4GHz 运算速度每秒钟所能执行的加法指令数目 常用MIPS 百万条 秒 存取周期计算机两次独立地从内存中读取数据的最短时间 通常为几纳秒 n 10 9秒 存储容量主要指内存容量 CPU可直接访问内存 运行速度快 减少访问外存的次数 17 40 45 1 4计算机数据格式 1 4计算机数据格式 数制 一 数据的概念有两类数据 1 数值数据 如 15 17 6 2 非数值数据 如字母 A B 符号 汉字 也叫字符数据 二 常用的数制二进制 八进制 十进制 十六进制 我们平时用的是 十进制 而计算机用什么 Why 17 40 46 1 4计算机数据格式 1 4计算机数据格式 数制 三 计算机为什么采用二进制 由计算机电路所采用的器件所决定的 假 False 1 真 True 采用二进制的优点 运算简单 电路实现方便 成本低廉 17 40 57 47 一种进位计数制有以下三个基本要素数码 一组用来表示数制的符号 如1 2 3 A B基数 数制所用的数码的个数 用R表示 称R进制 逢R进一位权 数码在不同位置上的权值Rn 1 4 1数的进位制 一 常用的各种进位制及表示 1 十进制 数码0 1 9基10 逢十进一表示形式 125或125D或 125 10位权为10n 978 10 9 102 7 101 8 100 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 48 2 二进制 数码0 1基2 逢二进一表示形式 101B或 101 2位权为 n加法规则 0 0 00 1 11 0 11 1 100110111001011101111000100110101011110011011110111110000二进制数按权的展开式 10101 2 1 24 0 23 1 22 0 21 1 20 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 49 3 十六进制 数码0 1 9 A B C D E F基16 逢16进位 位权为16n表示形式 60AH或 60A 16 十六进制数按权的展开式 2407 16 2 163 4 162 0 161 7 160 3DF 16 3 162 13 161 15 160 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 50 十进制二进制十六进制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 51 1 r进制转化成十进制 按权展开 an a1a0 a 1 a m r a rn a r1 a r0 a r 1 a r m10101 B 1 24 0 23 1 22 0 21 1 20 24 22 1 21101A H 163 16 10 4106 1 4计算机数据格式 数制 1 4 2不同进制之间的转换 17 40 57 52 整数部分 1 用其他数制的基数r除以十进制数 2 保留余数 最先得到的余数为最低有效位 3 重复1 和2 直到商为0 4 将余数从下到上排列 2 十进制转化成r进制 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 53 108 6C H 1101100 B 例 将一个十进制整数108转换为十六进制 二进制整数整数 除2取余法小数 乘2取整法 1 4计算机数据格式 数制 17 40 57 54 1 二进制数转换成十六进制数转换方法 从小数点开始 整数部分从右向左4位一组 每组对应一位十六进制数即可得到十六进制数 例如 将二进制数1101101110B转换为十六进制数 1101101110 B 11 0110 1110 B 36E H 1 4计算机数据格式 数制 3 二进制数与十六进制数之间的转换 17 40 57 55 2 十六进制数转换成二进制数方法是 每一位十六进制数用相应的四位二进制数取代 然后将其连在一起即可 36A H 1101101010 B 1 4计算机数据格式 数制 2020 1 6 1 4 3数值数据在计算机内的表示 上述的二进制数在计算机中可以得到很好的描述 比如可以用一个8bit的内存空间存储一个数 01111100 7CH但是如果是负数的话 在计算机中如何表示呢 除了数值之外 还多了一个符号 关键的就是符号如何表示的问题 可以用最高位表示符号 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 1 4 3数值数据在计算机内的表示 一 机器数与原码 补码和反码表示1 机器数用最高有效位表示数的符号 用 0 表示正数 1 表示负数 其余位仍表示数值 将一个数与其符号用数值化表示 这样的数称为机器数 机器数有三种表示法 原码 补码 反码 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 2 原码表示法 原码表示方法中 数值用绝对值表示 在数值的最左边用 0 和 1 分别表示正数和负数 书写成 X 原表示X的原码 例如 当n 8 十进制数 19和 19的原码是多少 19 原 00010011 19 原 10010011 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 从定义可以看出 在原码的表示中 有以下两个特点 1 最高位为符号位 正数为0 负数为1 其余n 1位是X的绝对值的二进制表示 2 0的原码有两种表示 0 原 00000000 0 原 10000000因此 原码表示法中 数值0的表示不是唯一的 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 3 反码表示法 用 X 反表示X的反码 如果机器的字长为n 则反码的定义如下 例如 当n 8 十进制数 19和 19的反码表示为 19 反 00010011 19 反 11101100 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 由此可以看出 在反码的表示中 有以下特点 1 正数的反码与原码相同 负数的反码是其绝对值的二进制表示按各位取反 0变1 1变0 所得的表示 2 0在反码表示中也有两种表示 0 反 00000000 0 反 11111111 即数值0不是唯一的 问题 对于负数 原码与反码有何不同 原码是只有最高位取反 而反码是全部位都取反 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 4 补码表示法 用 X 补表示X的补码 设机器的字长为n 则补码的定义如下 例如 当n 8 十进制数 19和 19的补码表示为 19 补 00010011 19 补 11101101 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 在补码的表示中 有以下特点 1 正数的补码与原码 反码相同 负数的补码是其绝对值的二进制表示按各位取反 0变1 1变0 加1 即为其反码 1 2 0在补码表示中 0 补 0 补 00000000 数值0是唯一的 由于补码运算方便 所以在计算机中广泛使用 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 练习 x 补 10010110 B 求 X 反与 X 原 还有x x 反 x 补 1 10010101 B x 原 11101010 B x 6A H 为什么要有补码 并不直观 计算上有其优势 1 4计算机数据格式 数据格式 2020 1 6 补码运算中的规则 X Y 补 X补 Y补 X Y 补 X补 Y 补例如 X 28 Y 73 X Y 补 45补 11010011BX补 Y补 28补 73 补 00011100B 10110111B 11010011B X Y 补 101补 01100101BX补 Y补 28补 73补 00011100B 01001001B 11010011B上述的例子说明采用补码来表示 在计算机中的加减法运算中 不必判断数的正负 只要符号位参加运算就自动得到准确的结果 1 4计算机数据格式 数据格式 17 40 57 66 1 西文字符编码 ACSII码每一个字符有一个编码 微机采用ACSII码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 1 4 4信息编码 1 4计算机数据格式 信息编码 17 40 57 67 参见附录b 常用字符有128个 编码从0到127 空格 SP 20H32 0 9 30H 39H48 57 A Z 41H 5AH65 90 a z 61