微机原理01.ppt

微机原理及接口技术 主讲人李彩霞 2009 1 课程名称 微机原理及接口技术2 学时学分 周4学时 4学分3 先修课程 大学计算机基础 C语言程序设计 电工与电子技术4 教材 冯博琴吴宁 微机原理及接口技术 5 教学方法讲授法为主 讨论法 练习法 习题课 这几种教学方法的综合运用 6 考核方式期终闭卷考试 结合课堂发言 平时作业 课堂表现 考勤要求 加以评定 课程的总体要求 参考书目 1 戴梅萼 史嘉权 微型计算机技术及应用 北京 清华大学出版社 第四版 20062 杨素行等编著 微型计算机系统原理及应用 北京 清华大学出版社 19953 沈美明 温冬婵 IBM PC汇编语言程序设计 北京 清华大学出版社 19914 王永山等编著 微型计算机原理与应用 陕西 西安电子科技大学出版社 19985 李顺增 吴国东等 微机原理及接口技术 机械工业出版社 2006 课程的目的 本课程是工科类专业的硬件技术基础课程 主要讲解微型计算机系统内部各部分的逻辑结构 组成原理及其外部的接口技术 初步掌握汇编语言程序设计技术 要求学生通过课堂教学和实验训练后 初步具有微机应用系统硬件 软件的开发能力 课程的课时安排 学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂 听讲与理解 适当笔记课后 认真读书 完成作业实验 充分准备 勇于实践总成绩 考试成绩 实验成绩 平时成绩 微机原理及接口技术 典型机型 IBMPC系列机 基本系统 8086CPU和半导体存储器 I O接口电路及与外设的连接 硬件 接口电路原理软件 接口编程方法 第1章微型计算机基础概论 本章教学时间 计4学时 周4学时本章主要内容微型机的历史 组成部分及其功用 常用的数制 数制编码 数制转换 二进制的运算 本章的重点 微型计算机组成部分及其功用 数制编码 转换 二进制的运算 本章的难点 微型硬件和软件是如何协调工作 带符号数之间的数制转换 1 微型机的发展按采用的物理器件将计算机发展分成5代 电子管时代晶体管时代中小规模集成电路时代大规模集成电路时代超大规模集成电路时代人工智能是微型计算机的一个分支 1 1 1微型计算机的发展 1 1微型计算机系统 计算机发展的5代 2 计算机的分类按用途不同分为 专用机 功能单一 解决特定问题通用机 通用性强 综合处理能力强按综合指标不同分为 体积 性能 价格巨型机大型机中型机小型机微型机 与前四型的区别在于采用了高度集成的器件和部件 3 计算机的发展过程从1946年2月第一台计算机ENIAC诞生至今计算机逐渐渗透到国民经济的各个领域 并极大地改变着我们的工作方式和生活方式 并成为推动社会发展的巨大生产力 世界上第一个微处理器 微型机的核心部件 是美国Intel公司1971年生产的Intel4004 从那时到现在 微型计算机已经历了六个发展时代 每18个月微处理器的集成速度和处理速度提高近一倍 世界上第一台计算机ENIAC 4 微型计算机发展的6代第1代 4位和低档8位微处理器时代 1971 1973 4004 4040 8008第2代 中高档8位微处理器 1974 1977 Z80 I8085 M6800 Apple II微机第3代 16位微处理器 1978 1984 8086 8088 80286 IBMPC系列机 第4代 32位微处理器 1985 1993 80386 80486 Pentium PentiumII PentiumIII Pentium432位PC机 Macintosh机 PS 2机第5代 32位高档微处理器 1993 1996 Pentium5 54 第6代 64位微处理器 1996年至今 Itanium 64位RISC微处理器芯片微机服务器 工程工作站 图形工作站 Intel4004和采用4004的计算器 Apple I Apple II Apple微型计算机 8088CPU IBMPC机 IBMPC AT机 IBMPC XT机 IBMPC系列机 1 1 2微型计算机的发展 特点和分类 1 发展过程 1 在结构体系上不断改进优化2 集成度 功能不断提高3 性价比不断增长2 发展特点微型计算机广泛采用了大规模 LSI 和超大规模 VLSI 集成电路 除了具有一般计算机的运算速度快 计算精度高 记忆功能和逻辑判断力强 自动工作等常规功能外 还具有独特的优点 1 体积小 质量轻功耗低2 可靠性高 使用环境条件要求低3 结构简单灵活 系统设计方便 适应性强4 性能价格比高 3 微型机分类微型计算机可以从不同角度对其进行分类 按微处理器的位数可分为1位 4位 8位 16位 32位和64位机等 按功能和结构可分为单片机和多片机 按组装方式可分为单板机和多板机 利用大规模集成电路工艺将微型计算机的三大组成部分 CPU 内存和I O接口集成在一片硅片上 这就是单片机 Single ChipComputer 若将微型计算机的CPU 内存 I O接口电路安装在一块印刷电路板上就组成了单板机 1 1 3微型计算机系统的构成 1 微型计算机 通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法 微机 微型机 以大规模 超大规模集成电路为主要部件 以集成了计算机主要部件 控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统2 微处理器 Microprocessor 一个大规模集成电路芯片 内含控制器 运算器和寄存器等 微机中的核心芯片3 微型计算机系统 Microcomputersystem 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统 4 微型计算机结构框图微型计算机由CPU 存储器 输入 输出接口电路和系统总线构成 微型计算机的基本结构如图所示 5 硬件系统1 微处理器组成 微处理器主要由运算器和控制器组成 是微型计算机的核心 具有运算和控制功能 运算器是一个 信息加工厂 数据的运算和处理工作就是在运算器中进行的 这里的 运算 不仅是加 减 乘 除等基本算术运算 还包括若干基本逻辑运算 控制器是整个计算机的指挥中心 它取出程序中的控制信息 经分析后 便按要求发出操作控制信号 使各部分协调一致地工作 寄存器组是CPU内部的存储单元 按名字访问 功能 微处理器还具有以下功能 可以进行算术和逻辑运算 可保存少量数据 能对指令进行译码并执行规定的动作 能和存储器 外设交换数据 提供整个系统所需要的定时和控制 可以响应其它部件发来的中断请求 结构 CPU在内部结构上主要包含 算术逻辑部件 ALU 累加器和通用寄存器组 指令寄存器和译码器 时序和控制部件 2 存储器 第5章具体讲解3 输入输出接口和设备 第6章具体讲解 80386 Pentium Pentium4 8088CPU 微处理器芯片 4 系统总线总线是指传递信息的一组公用导线 是传送信息的公共通道 微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组地址总线AB 传送地址信息数据总线DB 传送数据信息控制总线CB 传送控制信息Intel80 x86CPU的数据线 地址线条数 容量Intel80 x86 数据位数 地址条数 存储容量8086 16 20 1MB8088 8 20 1MB80286 16 24 16MB80386 Pentium4 32 32 4GB 6 软件系统以微型计算机为主体 配上系统软件和外设之后 就构成了微型计算机系统 微型计算机系统的基本组成如图所示 7 软硬件之间的关系一个完整的微型计算机系统由硬件和软件两大部分组成 计算机的硬件和软件是密不可分但又相对独立的 硬件是计算机工作的基础 没有硬件的支持 软件将无法正常工作 软件是计算机的灵魂 没有软件 硬件就是一个空壳 不能做任何工作 只有把二者有机地结合起来 才能充分发挥计算机的作用 1 微型计算机的应用微型计算机在工业 农业 国防 科学技术和国民经济各个领域得到广泛应用 主要有以下几方面 1 科学计算2 数据处理和信息管理3 CAD CAM CAA和CAI中的应用4 过程控制和仪器仪表智能化5 军事领域中的应用6 多媒体系统和信息高速公路7 家用电器和家庭自动化 1 1 4微型计算机的应用及发展趋势 2 现代微型计算机技术的发展趋势随着微电子技术和计算机技术的发展 一些新思想和新技术被陆续应用于微型计算机领域 微处理器技术发展的一些趋势 1 多级流水线结构2 芯片上存储管理技术3 虚拟存储技术4 并行处理的哈佛结构5 RISC结构6 整片集成技术 1 2计算机中的数制和编码 在人们应用各种数字符号表示事物个数的长期过程中 形成了各种计数制 进位计数制就是一种常用的计数方法 微机中常用的进位计数制有十进制 二进制和十六进制三种 八进制也是应用中的一种 计算机是一个典型的数字化设备 只能识别0 1 所有计算机都是以二进制的形式进行数学运算和逻辑运算操作的 如果想要把生活中的各种数制变成计算机能识别的东西就需要把数制进行换算 1 2 1常用计数制 1 十进制 Decimal 十进制后缀D或无后缀a 基数为10 b 特点 它有0 9十个不同的数码 它是逢十进位的 c 一个十进制数N的多项式表示 其中 10k 权10 基数i 任意位 变量ai 第i位上的数码 可取0 9n 整数部分的位数m 小数部分的位数 2 二进制 Binary 二进制后缀Ba 基数为2 b 特点 它有0 1两个不同的数码 它是逢二进位的 c 一个二进制数N的多项式表示 其中 各个为的表示同十进制 3 十六进制 Hexadecimal 十六进制后缀Ha 基数为16 b 特点 它有0 9 A B C D E F十六个不同的数码 它是逢十六进位的 c 一个十六进制数N的多项式表示 其中 各个为的表示同十进制 4 八进制 Octal 八进制后缀O或Qa 基数为8 b 特点 它有0 7八个不同的数码 它是逢八进位的 c 一个八进制数N的多项式表示 其中 各个为的表示同十进制 1 2 2各种数制的相互转换 1 BD之间的相互转换a BD 幂级数求和b DB 整数部分 除2取余 逆序小数部分 乘2取整 顺序 2 HD之间的相互转换a HD 幂级数求和b DH 整数部分 除16取余 逆序小数部分 乘16取整 顺序 1 2 2各种数制的相互转换 3 OD之间的相互转换a OD 幂级数求和b DO 整数部分 除8取余 逆序小数部分 乘8取整 顺序 1 2 2各种数制的相互转换 4 BH之间的相互转换a BH 四位合一b HB 一分为四 1 2 2各种数制的相互转换 5 BO之间的相互转换a BO 三位合一b OB 一分为三 1 2 2各种数制的相互转换 6 HO之间的相互转换a HO HBOHDOb OH OBHODH 1 2 2各种数制的相互转换 1 2 3计算机中的二进制数表示 1 定点小数的表示1 定义 规定小数点固定在最高数值位之前 符号位之后 定点小数 纯小数 2 表示法 N NsN 1N 2 N m 1 N mn位小数N的范围 N 1 2 m3 比例因子将非小数 非整数通过多次调整比例因子使之变成定点小数或整数 1 2 3计算机中的二进制数表示 2 整数的表示1 定义 规定小数点固定在最低数值位右边的一种数据 2 表示法 N NsNnNn 1 N1N0n位整数N的范围 N 2n 1无符号数的表示范围 0 N 2n 1 1 1 2 3计算机中的二进制数表示 3 浮点数的表示1 定义 小数点位置可以左右移动的数据 2 符号的含义M称为尾数 是二进制纯小数 定精度R称为基数 属于隐含条件 E称为阶码 带符号数 定范围Es 阶符Ms 尾符 1 BCD码1 定义BCD码 BinaryCodedDecimal 是二进制编码的十进制数 用四位二进制数来表示一位十进制数2 种类8421码 2421码 余3码和格雷码3 8421码因组成它的4位二进制数码的权为8 4 2 1而得名 0 9十个数码的二进制数编码如表2 1所示 1 2 3二进制编码 表1 38421码和十进制数码的关系表 4 BCD码的分类和意义1 分类BCD码有压缩和非压缩之分 2 压缩的BCD码压缩的BCD码就是用相应的4位的BCD码代替十进制数的数码所得的二进制数3 非压缩的BCD码非压缩的BCD码是指用8位的二进制数来表示一位十进制的数码 在这个字节 8位的二进制数 中 低4位就是如上表所示的BCD码 而高4位没有意义 一般用 0000 来表示 注意 某一二进制数因它的类型不同所表示的内容也不一样 2 ASCII 码1 定义ASCII码 AmericanStandardCodedforInformationInterchange 是 美国信息交换标准代码 的简称 2 表示的内容a 一般以一个字节来表示 低7位是ASCII值 最高有效位作为奇偶校验位 用以检测在字符的传送过程中是否发生了错误 b 低7位是ASCII值可为128个字符编码 96个图形字符和32个控制字符 ASCII码的128个字符 96个图形字符十进制数符10个 大小写英文字母52个 其他字符34个 这类字符有特定形状 可以显示在显示器上和打印在纸上 其编码可以存储 传送和处理 32个控制字符回车符 换行符 退格符 设备控制符和信息分隔符等等这类字符没有特定形状 其编码虽然可以存储 传送和起某种控制作用 但字符本身是不能在显示器上显示和打印机上打印的 ASCII码字符表 ASCII码字符表 ASCII码字符表 ASCII码字符表中各字母的含义 3 汉字在计算机中的表示 1 特点字多 字形复杂高频率使用的字有100个 常用字1000个 次常用字4000个 总计15000个2 解决办法给每个汉字分配唯一的一个16位的二进制数 编码的首要的原则 3 编码a 国标码 国家颁布的通信用汉字字符及交换码标准b 外部码 汉字键盘输入的编码c 内部码 唯一确定的用来存储 处理汉字信息的16位二进制数4 显示内部码 点阵 文本 图形 1 微处理器的组成 功能 内部结构 2 微型计算机的组成和各部分的主要功能 3 微型计算机系统软件和硬件的关系 4 将下列十进制数转换成B Q H 转换误差不大于2 4 52 352 13 46 101 1 78 456 5 将下列二进制数转换成D Q H 10110 11101B 1011 001101B 110001010101B 作业 1 3 1二进制数的算术运算物理实现容易 且运算方法简单 注意 加法是 逢二进一 减法是 借一作二 其它类似十进制数算术运算加 减 乘 除四种计算 1 3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算 1 加法运算举例 101110B 101101B2 减法运算举例 101110B 101001B3 乘法运算举例 110B 101B4 除法运算举例 101110B 101B 1 3 2无符号数的表示范围1 无符号二进制数的表示范围8位字长 0 255n位字长 0 2n 12 无符号二进制数的溢出判断加减法 最高有效位向更高位有进 借 位乘法 除数过小 二进制数的逻辑运算 与 或 异或 非 符号 AND OR XOR NOT 二进制数的逻辑运算只按位进行运算 1 与 运算的规则为 串1 0 0或1AND0 00 1 0或0AND1 00 0 0或0AND0 01 1 1或1AND1 1 1 3 3二进制数的逻辑运算 2 或 运算的规则为 并0 0 0或0OR0 01 0 1或1OR0 10 1 1或0OR1 11 1 1或1OR1 13 非 运算的规则为 反或NOT0 1或NOT1 04 异或 运算的规则为 相异真 相同假0 0 0或0XOR0 01 0 1或1XOR0 10 1 1或0XOR1 11 1 0或1XOR1 0 1 3 4基本逻辑门及常用逻辑部件 自学 在计算机中 将一个数连同其符号用二进制数来表示 这样的二进制数称为机器数 而其本身称为真值 机器数是有特定的位数的二进制数 它的位数就是该机器的CPU的机器字长 在机器数中 最高有效位是符号位 其余的各位是数值位 符号位规定 0表示正数 1表示负数 1 4有符号二进制数的表示及运算 X 0 X 0 1 原码这种方法其实就是 符号 绝对值 的方法 符号位表示数的正负 而其余位表示这个数的绝对值 1 n位字长带符号数原码定义 2 范围8位字长 127 127n位字长 2n 1 1 2n 1 1 1 4 1带符号数的表示方法 3 运算 A 乘除 符号位异或后为结果符号位 其余部分进行乘除运算 B 加法 同号符号不变 数值相加异号先判断绝对值大小 大数减小数作为结果 大数符号为结果符号C 减法 加 负数 存在速度慢的问题如何解决 反码 1 对于n位字长的带符号的反码定义为 将原码除符号位外的按位求反 即可得其反码2 对于正数 其反码形式跟原码一样对于负数 只需将其原码除符号位外的各位求反 即可得其反码 X 0 X 0 2 反码 3 0 的反码4 范围 同原码8位字长 127 127n位字长 2n 1 1 2n 1 1 5 运算关系式 6 可把加减统一起来用加法来完成 反码加 两数的反码相加 两数和的反码 反码减 如果减数是正数 则把减数变为负数的反码 然后与被减数的反码相加 如果减数是负数 则把减数变为正数的反码与被减数的反码相加 7 注意两个问题a 要把符号位当作数一同参与运算 并自动生成结果的符号 b 当符号位相加后 若有进位 则要把它送回到数的最低位去相加 循环进位 1 对于n位字长的带符号的补码表示为 正数的补码跟其原码和反码形式相同负数的补码和反码之间有简单的关系 即补码等于该数的反码在最低位上加 1 X 0 X 0 3 补码 2 0 的补码3 范围8位字长 128 127n位字长 2n 1 2n 1 1 4 运算关系式 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y