微机原理节PPT课件.ppt

序教育部提出计算机基础教学分三个层次如图1 1所示 计算机基础教学三层次结构 其中 第一层次 计算机文化基础学习计算机基本知识 及基本技能 第二层次 计算机技术基础学习计算机硬件 软件的工作原理与相关知识 第三层次 计算机应用基础学习计算机信息管理基础和多媒体 本课程属于第二层次中 计算机硬件基础 课程 计算机硬件技术基础课特点 内容多 学时少 进度快 难度大 应用广 讲课内容 汇编语言 接口技术 讲课学时 共72学时 其中 讲课62学时实验10学时 5次 教材 参考书 教材科购买教材 微机原理与接口技术 第二版 朱晓华主编电子工业出版社 微机原理与接口技术赵志成主编北大出版社考书 IBMPC汇编语言程序设计沈美明温冬婵编著清华大学出版社出版微型计算机原理与接口技术冯博琴主编清华大学出版社出版实验指示书 微型计算机原理与应用 试验指导书张晓群编著本校编 第1节计算机概述一 计算机的基本组成和工作原理二 有关术语三 计算机发展简史四 微型计算机概述第2节计算机中数的表示和编码一 进位计数制及其表示方法二 数制之间的转换三 字和各种字符的编码四 小结 第一节计算机概述一 计算机的基本组成和工作原理二 有关术语三 计算机发展简史四 微型计算机概述 一 计算机的基本组成和工作原理 按性能可分为 巨型机 大型机 中型机 小型机 微机 现代计算机的结构基础 存储程序控制结构 1945年 美籍匈牙利数学家JohnVonNeumann提出 诺依曼计算机 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator 运算速度5000次 秒 功耗150kw h 占地170m2 造价100万美元 诺依曼计算机的工作原理可概述为 存储程序 程序控制 要点 1 以二进制表示数据和指令 程序 2 先将程序存入存储器中 再由控制器自动读取并执行 二 有关术语1 位 bit 2 字节 Byte 3 字和字长 word 4 位编号5 指令 指令系统和程序6 寄存器7 译码器 1 位 bit 指计算机能表示的最基本最小的单位在计算机中采用二进制表示数据和指令 故 位就是一个二进制位 有两种状态 0 和 1 2 字节 Byte 相邻的8位二进制数称为一个字节1Byte 8bit如 1100001101010111 3 字和字长 字长是每一个字所包含的二进制位数 常与CPU内部的寄存器 运算装置 总线宽度一致 字是CPU内部进行数据处理的基本单位 例某CPU内含8位运算器 则 参加运算的数及结果均以8位表示 最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存 而将其保存到标志寄存器中 字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数 不同类型的CPU有不同的字长 如 Intel4004是4位 8080是8位 8088 8086 80286是16位 80386 80486 Pentium是32位 把一个字定为16位 1Word 2Byte一个双字定为32位1DWord 2Word 4Byte 4 位编号为便于描述 对字节 字和双字中的各位进行编号 从低位开始 从右到左依次为0 1 2 5 指令 指令系统和程序一个CPU能执行什么操作 是工程人员设计和制造好的 是固定的 用户不能改变 指令是CPU能执行的一个基本操作 如 取数 加 减 乘 除 存数等指令系统是CPU所能执行的全部操作 不同的CPU 其指令系统不同 程序是用户在使用计算机时 为要解决的问题 用一条条指令编写的指令的序列 构成程序的指令在存储器中一般都是顺序存放 要破坏这种顺序性 必须由转移指令操作 6 寄存器寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件 根据存放信息的不同 有指令寄存器 数据寄存器 地址寄存器等 7 译码器译码器是将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路 指令是CPU能执行的一个基本操作 CPU的设计者对CPU的所有指令进行编码 用户用编码形式的指令进行编程 程序存放在内存中 CPU从内存取来编码形式的指令 对指令进行译码 发出执行该指令功能所需的信号 根据译码内容的不同 可分为 指令译码器 将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号 地址译码器 将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号 三 计算机发展简史 1 根据使用的基本电子器件 计算机经历了四个阶段 2 计算机的两个方向发展 研制高速度 强功能的巨型机和大型机适应军事和尖端科学的需要 研制价格低廉的超小型机和微型机开拓应用领域和占领更广大的市场 微型计算机是第四代计算机的典型代表 四 微型计算机概述1 微型计算机的基本结构2 微处理器 微型计算机 微型计算机系统3 微型计算机的特点4 微型计算机的分类5 IBMPC机的发展简史 1 微型计算机的基本结构 简介1 构成部件 2 工作过程 1 总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输 主板和CPU 按信号的作用 总线分为三类 地址总线 数据总线 控制总线 地址总线AB AddressBus 单向用来传送CPU输出的地址信号 确定被访问的存储单元 I O端口 地址总线的条数决定CPU的寻址能力 10根 21010241K20根 2201024K1M32根 23222 2304G36根 23626 23064G 数据总线DB DataBus 双向用来在CPU与存储器 I O接口之间进行数据传送 数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度 8根 一次传送8位16根 一次传送16位32根 一次传送32位64根 一次传送64位 控制总线CB ControlBus 用于传送各种控制信号 有的是CPU发出 如读控制信号 写控制信号 有的是发向CPU 如外设向CPU发出的中断申请信号 2 中央处理器CPU 计算机的核心部件用来实现指令的自动装入和自动执行 实现计算机本身的自动化 ALU控制器 3 内存内存是存储程序和数据的部件 由地址译码器 内存单元等构成 内存单元内存单元的地址内存单元的内容对内存的读 写操作 内存单元存储信息的基本单元 每片内存芯片有若干个内存单元 每个单元可存储1位或多位等二进制数 内存单元的地址为区分各内存单元 每个内存单元对应有一个地址 地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中 内存单元的内容每个内存单元所存储的二进制数据 对内存的读 写操作CPU发出地址信号 选中相应的内存单元 若是读操作 CPU发出内存读控制信号 被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU 若是写操作 CPU发出内存写控制信号 CPU将欲写的内容经数据总线 写入被选中的内存单元 4 外设和输入 输出接口 I O接口 外设的电信号 运行速度与CPU不匹配 不能与CPU直接相连 必须通过I O接口与CPU相连 键盘 键盘接口显示器 显示卡鼠标 串行接口网络 网卡打印机 并行接口音箱 麦可风 声卡 IDE2 PentiumIII 北桥440BX 南桥PIIX4E CMOS RTC USB 超级I O IDE1 COM1 COM2 LPT1 L1Cache L2Cache PCI插槽 ISA插槽 内存条 ROMBIOS 显卡 I O接口结构示意图 CPU通过对I O端口进行读 写操作 实现对外设的控制 I O端口I O端口的地址I O端口的内容对I O端口的读 写操作 I O端口I O接口内部通常有一个或多个寄存器 用以存放各种信息 称I O寄存器或I O端口 I O端口的地址为区分各I O端口 每个端口对应有一个端口地址 I O端口的内容 根据存放内容的不同可分为 状态端口 数据端口 控制端口 指I O端口存放的二进制数据 对I O端口的读 写操作 与内存的读 写操作相类似 CPU发出地址信号 选中相应的I O端口 若是读操作 CPU发出I O端口读控制信号 被选中的I O端口将其内容经数据总线送入CPU 若是写操作 CPU发出I O端口写控制信号 CPU将欲写的内容经数据总线 写入被选中的I O端口中 2 微机的工作过程计算机的工作原理是 存储程序 程序控制 微机的工作过程分两阶段 取指令执行指令 取指令阶段 CPU读内存操作 地址经地址寄存器 地址总线 地址译码器 选中指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号 指令从内存 数据总线 数据暂存器 指令寄存器 指令译码器对指令进行译码 由IP给出指令在内存的地址 标志寄存器 地址总线AB 程序数据 数据总线DB 控制总线CB 地址译码器 指令1指令2指令3指令4 数据1数据2数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地址寄存器 指令指针寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运算器 IP 不同的指令 CPU的具体执行过程不同 CPU可执行的操作通常有数据传送 算术逻辑运算等等 当一条指令需要从内存或I O端口取得或存放数据时 CPU在执行阶段 需对指令指定的内存单元或I O端口进行读 写操作 例指令1 将寄存器R1与R3的内容相加 结果存在R3中 指令1在CPU内部即可完成 例指令2 将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中 指令2的执行阶段包括一个到内存取数 即读内存 的过程 例指令3 将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中 指令3的执行阶段包括一个向内存存数 即写内存 的过程 2020 1 7 61 当一条指令取走后 指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址 这样 当一条指令执行后 又进入取指令阶段 如此不断的重复 微机的工作过程 取指令 执行指令 取指令 执行指令 2 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 3 微型计算机的特点 与相应时期的大型机相比 速度相对低功能相对低在字长位数 内存容量 寻址方式 指令条数 中断级别 及内部寄存器数量等方面都不如 体积小 重量轻 耗电小可靠性高 结构灵活 价格低研制周期短 产品系列化 便于选购应用面广 科学计算 数据处理 事务管理 教学培训计算辅助设计和制造 家庭娱乐 网络通信 4 微型计算机的分类1 按构成分类2 按CPU的字长分类3 按主机装置分类 2 按CPU的字长分类 以Intel公司生产的80 x86为例 3 按主机装置分类桌上型 台式电脑便携型 笔记本 掌上电脑等 5 IBMPC机的发展简史 第2节计算机中的数制与码制 了解特点 表示方法 相互间的转换 一 常用计数法 十进制 符合人们的习惯二进制 便于物理实现十六进制 便于识别 书写八进制 1 十进制 特点 以十为底 逢十进一 共有0 9十个数字符号 表示 2 二进制 特点 以2为底 逢2进位 只有0和1两个符号 表示 3 十六进制 特点 以16为底 逢16进位 有0 9及A F共16个数字符号 表示 进位计数制的一般表示 一般地 对任意一个K进制数S都可表示为 其中 Si S的第i位数码 可以是K个符号中任何一个 n m 含义同前 K 基数 Ki K进制数的权 二 各进制数间的转换 1 非十进制数到十进制数的转换按相应进位计数制的权表达式展开 再按十进制求和 例 10110010B 1013FAH 10 2 十进制到非十进制数的转换 十进制 二进制的转换 整数部分 除2取余 小数部分 乘2取整 十进制 十六进制的转换 整数部分 除16取余 小数部分 乘16取整 以小数点为起点求得整数和小数的各个位 3 二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数例 10110001001 110 H010110001001 1100589 C 1 3二进制数的运算 无符号数算术运算有符号数逻辑运算 一 无符号数的运算 算术运算包括 加法运算减法运算乘法运算除法运算 1 规则 加法 1 1 0 有进位 减法 0 1 1 有借位 乘法 乘以2相当于左移一位 除法 除以2则相当于右移1位 例 00101110 0000010 00101110 00000010 例 00001011 0100 00101100B00001011 0100 00000010B即 商 00000010B余数 11B 2 无符号数的表示范围 一个n位的无符号二进制数X 其表示范围为0 X 2n 1若运算结果超出这个范围 则产生溢出 判别方法 运算时 当最高位向更高位有进位 或借位 时则产生溢出 例 11111111 00000001100000000结果超出 位 最高位有进位 发生溢出 结果为256 超出 位二进制数所能表示的范围255 3 逻辑运算 与 或 非 异或 特点 按位运算 无进借位运算规则 4 逻辑门 掌握 与 或 非门逻辑符号和逻辑关系 真值表 与非门 或非门的应用 与门 ANDGate Y A B 或门 ORGate Y A B Y AB 非门 NOTGate 1 A Y 异或门 eXclusiveORGate Y A B Y AB 5 译码器 74LS138译码器 译码输出 译码输入 译码使能 74LS138真值表 二 有符号数 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符号位为0表示正数 符号位为1表示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 例 52 0110100 00110100符号位数值位 52 0110100 10110100 真值 机器数 1 符号数的表示 对于符号数 机器数常用的表示方法有原码 反码和补码三种 数X的原码记作 X 原 反码记作 X 反 补码记作 X 补 注意 对正数 三种表示法均相同 它们的差别在于对负数的表示 原码 X 原 定义符号位 0表示正 1表示负 数值位 真值的绝对值 原码的例子 真值 X 18 0010010 X 18 0010010 原码 X 原 00010010 X 原 10010010 符号 符号位 n位原码表示数值的范围是对应的原码是111 1 011 1 数0的原码 8位数0的原码 0 00000000 0 10000000即 数0的原码不唯一 反码 X 反 定义若X 0 则 X 反 X 原若X 0 则 X 反 对应原码的符号位不变 数值部分按位求反 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 反码的例子 真值 X 18 0010010 X 18 0010010 反码 X 反 00010010 X 反 11101101 符号 符号位 n位反码表示数值的范围是对应的反码是100 0 011 1 0的反码 0 反 00000000 0 反 11111111即 数0的反码也不是唯一的 补码 定义 若X 0 则 X 补 X 反 X 原若X 0 则 X 补 X 反 1 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 n位补码表示数值的范围是对应的补码是100 0 011 1 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉 0 补 0 补 00000000 特殊数10000000 该数在原码中定义为 0在反码中定义为 127在补码中定义为 128对无符号数 10000000 128 8位有符号数的表示范围 对8位二进制数 原码 127 127反码 127 127补码 128 127想一想 16位有符号数的表示范围是多少 2 有符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数 1 求出真值2 进行转换 例 将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数 1 X 补 00101110B真值为 0101110B正数所以 X 462 X 补 11010010B负数X X 补 补 11010010 补 0101110B所以 X 46 3 补码加减法