微型计算机原理及应用第三版第章ppt课件.ppt

微型计算机原理及应用 谢楠 1 教材 微型计算机原理及应用 第三版 郑学坚 周斌 清华大学出版社 2002 课程情况教学 52学时 实验 12学时 参考资料 1 微型计算机原理 第三版 第四版 姚燕南 薛钧义 西安电子科技大学出版社2 微机原理与接口技术 冯博琴 清华大学出版社 2002 2 计算机发展简史及微机 PC机 计算机设计思想的发展珠算几千年以前 亚洲地区已广泛使用 计数工具 机械计算器1642年 法 布雷兹 帕斯卡尔 用仪器操纵数字 可靠的机械计算器转动的罗盘和齿轮为动力商业界的主要计算工具 直到电子计算机出现 3 计算机发展简史及微机 PC机 计算机设计思想的发展分析机1830年 英国剑桥教授查尔斯 巴比奇发明信息转换成数字 蒸汽机为动力根据指令的改变实现不同的功能 指令控制 4 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150m2 造价100万美元 第一台电子数字计算机ENIAC 5 第二台电子数字计算机EDVAC 在ENIAC研制的同时 冯 诺依曼与莫尔小组合作研制的 采用了1945年公布的冯 诺依曼原理 冯 诺依曼原理1 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备组成 2 使用二进制表示指令和信息 并用二进制进行处理 3 运用存储程序原理 6 现代电子计算机结构图 现代电子计算机的一种定义 计算机是一种根据预先输入的程序自动完成对各种数字化信息进行算术和逻辑运算的高速处理工具 7 计算机的发展历史 8 根据其技术 功能 体积 价格和性能分为四类 微型计算机 MICRO 特指采用超大规模集成电路 形成体积小 重量轻 功能强 耗电少的单片化 单板化的微处理器和微型化的计算机系统 从1971年INTEL公司的4004为代表起步 家庭和小型企业中最常见的 小型机 MINI 比微型机稍大并可以为多个用户执行任务 大型机 MAINFRAME 体积庞大 速度快并且非常昂贵 一般用于为企业或政府的大量数据提供集中的存储 处理和管理 巨型机 SUPER 主要用于大型计算任务 如天气预报 分子模型和密码破译 计算机的分类 9 微型计算机的分类 按应用对象分为 1 单片机 单片微控制器 将微处理器 部分存储器 输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上 一块芯片就成了一台计算机 例如 MCS 48 Intel8048 MCS 51 Intel8051 2 单板机 将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上 包括微处理器 存储器 输入输出接口 还有简单的发光二极管显示器 小键盘 插座等 功能比单片机强 适于进行生产过程的控制 可以直接在实验板上操作 适用于教学 例如 Z80单板机 3 PC机 PersonalComputer 面向个人单独使用的一类微机 实现各种计算 数据处理及信息管理等 10 微型计算机的特点 1 运算速度快 精度高 具有记忆和逻辑判断功能 能够模仿人类的某些智力活动 2 体积小 重量轻 功耗低 价格低廉 3 简单灵活 功能强大 可靠性高 对使用环境要求不高 容易维护 11 微型计算机的应用 1 科学计算和科学研究计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题 数值计算 2 数据处理 信息处理 利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工 3 工业控制用单板微型计算机实现工业控制 监督管理控制 用高档微型计算机进行MIS管理 12 微型计算机的应用 4 计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教学 CAI 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助测试 CAT 计算机集成制造 CIM 等系统 5 人工智能人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能 智能行为及其规律的一门学科 包括智能机器人 模拟人的思维过程 计算机学习等等 其主要任务是建立智能信息处理理论 进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统 13 为了区别于大中小型计算机的CPU 称微型计算机的CPU芯片为微处理器 microprocessingunit 微处理器的发展以Intel微处理器为主线 第一代 4位及低档8位微处理器1971年 Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004 以其为核心组成了一台高级袖珍计算机 随后出现的Intel4040 是第一片通用的4位微处理器 1972年 Intel8008 8位 集成度约2000管 片 时钟频率1MHz 微处理器的发展 14 第二代 高 中档8位微处理器1973年 1974年 Intel8008 M6800 Rockwell6502 8位 集成度5000管 片 时钟频率2 4MHz 这一时期 微处理器的设计和生产技术已经相当成熟 组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全 系统朝着提高集成度 提高功能与速度 减少组成系统所需的芯片数量的方向发展 1975年 1976年 Z 80 Intel8085 8位 时钟频率2 4MHz 集成度约10000管 片 还出现了一系列单片机 微处理器的发展 15 第三代 16位微处理器1978年 Intel首次推出16位处理器8086 时钟频率达到4 8MHz 8086的内部和外部数据总线都是16位 地址总线为20位 可直接访问1MB内存单元 1979年 Intel又推出8086的姊妹芯片8088 时钟频率达到48MHz 集成度达到2万 6万管 片 它与8086不同的是外部数据总线为8位 地址线为20位 1982年 Intel推出了80286 时钟频率为10MHz 该芯片仍然为16位结构 但地址总线扩展到24位 可访问16MB内存 其工作频率也较8086提高了许多 80286向后兼容8086的指令集和工作模式 实模式 并增加了部分新指令和一种新的工作模式 保护模式 微处理器的发展 16 第四代 32位微处理器1985年 Intel又推出了32位处理器80386 时钟频率为20MHZ 该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位 可访问4GB内存 并支持分页机制 除了实模式和保护模式外 80386又增加了一种 虚拟8086 的工作模式 可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作 1989年推出了80486 时钟频率为30 40MHz 集成度达到15万 50万管 片 168个脚 甚至上百万管 片 因此被称为超级微型机 早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起 这种片内高速缓存称为一级 L1 缓存 80486还支持主板上的二级 L2 缓存 后期推出的80486DX2首次引入了倍频的概念 有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾 微处理器的发展 17 第五代 高档32位微处理器1993年 Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium 奔腾 Pentium最大的改进是它拥有超标量结构 支持在一个时钟周期内执行一至多条指令 且一级缓存的容量增加到了16kB 这些改进大大提升了CPU的性能 使得Pentium的速度比80486快数倍 除此之外 Pentium还具有良好的超频性能 把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用 使得花费较低的代价可获得较高的性能 1996年 Intel公司推出了PentiumPro 高能奔腾 该芯片具有两大特色 一是片内封装了与CPU同频运行的256kB或512kB二级缓存 二是支持动态预测执行 可以打乱程序原有指令顺序 按照优化顺序同时执行多条指令 这两项改进使得PentiumPro的性能又有了质的飞跃 微处理器的发展 18 第六代 高档32位和64位微处理器1997年初 Intel发布了Pentium的改进型号 PentiumMMX 多能奔腾 将一级缓存提高到32kB 同时增加了57条MMX 多媒体扩展 指令 有效地增强了CPU处理音频 图像和通信等多媒体应用的能力 1998年推出了赛扬 Celeron 其特点是去掉了P 的二级缓存以及其它可以省略的东西 从而将价格降了下来 1999年又推出了开发代号为Coppermine的P 该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能 支持SSE StreamingSIMDExtensions 单一指令多数据流扩展 指令集 这是针对MMX的弱点和3DNow 设计的70条新指令 大大加强CPU在三维图像和浮点运算方面的能力2000年3月底 Intel又推出了566MHz和600MHz的赛扬 也叫Coppermine 128kB 微处理器的发展 19 综上所述 微处理器的发展方向为 从单处理器向多处理器发展80486一个定点处理器 一个浮点处理器 Pentium二个定点处理器 一个浮点处理器 PentiumPro四个定点处理器 二个浮点处理器 支持多CPU PentiumII片内集成了二级Cache 指令系统由复杂指令系统向精简指令系统发展复杂指令系统 CISC 精简指令系统 RISC MIPSR2000 R3000Motorola88000INTEL80860Intel486以上计算机支持精简指令 微处理器的发展 20 1981年 国际商用机器公司 IBM Intel8088CPU公开技术规范MS DOS和PC DOS随后 PC XT10MBHD5 25 FD 1984年 PC AT19788086 8088198280286198580386DX SX198980486DX2 DX41993Pentium1995PentiumPro1997PentiumMMX1997PentiumII1998赛扬 至强简化的PII1999PIII2001PIV 8088 8086PC是现在IBM兼容PC系列的起点 也是我们学习使用IBM兼容PC的起点 PC机的历史 21 计算机系统是一个复杂的工作系统 它由硬件系统和软件系统组成 计算机的基本结构 22 微型机硬件系统的一般结构 由中央处理单元 CPU 存储器 Memory 输入输出接口电路 I O 外围设备 Peripheral 和总线 Bus 五部分组成 AddressBus 地址总线DataBus 数据总线ControlBus 控制总线 外围设备 23 微型计算机的硬件部分 主机 1 CPU 算术逻辑单元ALU 寄存器 控制器2 存储器 RAM ROM等3 I O接口 主机与外部设备之间匹配连接的电路4 总线 一组公共的传递信息的导线 AB DB CB等外设 1 输入设备 鼠标 键盘 扫描仪 麦克 磁盘 调制解调器等2 输出设备 显示器 打印机 音箱 投影机等微机的基本结构通常指主机部分的结构 24 微型计算机软件系统 软件系统主要包括 系统软件 如主板的基本输入输出系统BIOS 操作系统 服务程序 编译程序等 应用软件 各种字处理软件 表处理软件 数据库管理软件 演示程序软件 图象处理软件 数据分析软件 娱乐游戏软件等等 25 1 1数制 现代计算机处理的都是数字化信息 任何信息进入计算机和被计算机加工 必须采用数字化编码的形式 这不仅是指参加数值计算的操作数 而且还包括各种非数值信息 如文字 符号 语言 图象等 编码 用少量简单基本的符号根据一定的规则相组合以表示大量复杂多样的信息 人们最常用的数是十进制数 计算机中采用的是二进制数 同时有的时候为了简化二进制数据的书写 也采用八进制和十六进制表示方法 下面将分别介绍这几种常用的进制 基 数制所使用的数码的个数权 数制每一位所具有的值 26 1 1数制 1 十进制数 decimalsystem 十进制数是大家熟悉的 用0 1 9十个不同的符号来表示数值 采用 逢十进一 借一当十 的原则 27 1 1数制 2 二进制数 binarysystem 计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的 二进制数只有两个数字0和1 这与我们日常生活中所使用的十进制数是不同的 只有0和1两个符号 计算规则是 逢二进一 借一当二 易行性 只有两种状态 容易用电路表示 双稳态触发器 电容 电路通断等都可表示 可靠性 非此即彼 简单性 运算规则简单 容易用数字逻辑电路实现 逻辑性 二进制可以方便的表示逻辑值 进行逻辑运算 28 1 1数制 例 二进制数1011 1意义如下 1011 1 B 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 11 5 D 29 二进制运算规则 加法运算 0 0 00 1 11 0 11 1 10 逢二进一 减法运算 0 0 010 1 1 借位 1 0 11 1 0乘法运算 0 0 00 1 01 0 01 1 1除法运算0 1 01 1 1 1 1数制 30 1 1数制 3 八进制数 octavesystem 八进制数是基数为八的计数制 八进制数主要采用0 1 2 7这八个阿拉伯数字 八进制数的运算规则为 逢八进一 借一当八 1位八进制数用3位二进制来表示 例2 467 6 O 4 82 6 81 7 80 6 8 1 例1 7 O 111 B 31 1 1数制 4 十六进制数 hexadecimalsystem 十六进制数是基数为十六的计数制 十六进制数主要采用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F这十六个字符 各位的权值为16i 十六进制数的运算规则为 逢十六进一 借一当十六 1位十六进制数用4位二进制来表示 转换方便 例1 D H 1101 B 例2 56D 3 H 5 162 6 161 13 160 3 16 1 32 进制的表示符号二进制B binary 十六进制H hexadecimal 八进制O octave 十进制D decimal 例 100表示一百 100B表示四 100H表示二百五十六 1 1数制 33 例1 将十进制数47转化为二进制形式 即47 D 101111 B 1 1数制 除2取余法 34 例2 将十进制数0 625转化为二进制形式 即 0 625 10 0 101 2 1 1数制 乘2取整法 注意 二进制数可以准确转换成为十进制数 但是带小数的十进制数不一定能准确地用二进制数表示 P3 0 1 D 带小数的十进制数在转换为二进制数时 以小数点为界 整数和小数部分分别转换 35 例4 将二进制数11010001B转化成八进制形式 001 1010 2011 3即11010001B 321O 1 1数制 例3 将八进制数327O转成二进制形式 3 0112 0107 111即327O 011010111B 36 例6 将二进制110011011B转化成十六进制形式 1011 B1001 90001 1即110011011B 19BH 1 1数制 例5 将十六进制数3A2FH转为二进制形式 3 0011A 10102 0010F 1111即3A2FH 01111B 37 习题1 101 101B转换成十进制 习题2 11 375转换成二进制 整数部分除基数取余小数部分乘基数取整 整数部分 小数部分 按公式展开 38 计算机中符号数的表示方法 符号数可有三种表示方法 分别叫做原码 反码和补码 原码表示的有符号数 最高位为符号位 数值位部分就是该数的绝对值 例如 23的8位原码为B 最高位为0表示正数 23的8位原码为B 最高位为1表示负数 反码表示的有符号数 也是把最高位规定为符号位 但数值部分对于正数是其绝对值 而对于负数则是其绝对值按位取反 即1变0 0变1 得到的 例如 23的8位反码为B 23的8位反码为B 39 补码表示的有符号数 对于正数来说同原码 反码一样 但负数的数值位部分为其绝对值按位取反后末位加1所得 例如 23的8位补码为B 计算机中符号数的表示方法 由于计算机中的运算为模运算 所以用补码表示的数可以直接参加加减运算 定理 两个补码形式的数 无论正负 相加减 只要按二进制运算规则运算 得到的结果仍为补码 即有 X Y 补 X 补 Y 补 40 计算机中符号数的表示方法 三种表示方法比较 原码 运算与传统笔算相同 减法时 先比较两个数的绝对值 然后进行减法 优点 直观 缺点 计算过程繁琐 对计算机的结构要求复杂 应用 浮点数的有效数字 二进制乘除法运算 反码 表示二进制数时 运算不方便 很少用在算术运算中 补码 优点 符号位参与运算 运行速度大大提高 减法变加法缺点 表示方法不直观应用 二进制加减法运算 41 计算机中符号数的表示方法 例题 二进制数的减法运算 求24 D 23 D 24的8位原码为00011000B 24的8位反码为00011000B 24的8位补码为00011000B 23的8位原码为10010111B 23的8位反码为B 23的8位补码为1B 24 23 00011000B 11101001B100000001B 减法运算 加法运算 属于正常溢出 自然丢失 42 计算机中符号数的表示方法 溢出判别 双高位判别法Cs 符号位的进位情况 有进位时Cs 1 否则Cs 0Cp 数值部分最高位的进位情况 有进位时Cp 1 否则Cp 0常用 异或 线路来判别有无溢出产生表示有溢出产生 否则没有溢出 即 若Cs Cp同时为0或者同时为1 则没有溢出产生 43 BCD码及ASCII码 1 十进制数的编码 BCD码计算机中采用二进制 但二进制书写冗长 阅读不便 所以在输入输出时人们仍习惯使用十进制 如果计算量不大 可采用二进制数对每一位十进制数字进行编码的方法来表示一个十进制数 这种数叫做BCD码 由于在机内采用BCD码进行运算绕过了二进制 十进制间的复杂转化环节 从而节省了机器时间 44 BCD码 最常用的BCD码是8421BCD码 1 压缩BCD码格式 用4个二进制位表示一个十进制位 就是用0000B 1001B来表示十进制数0 9 例如 十进制数4256的压缩BCD码表示为 0100001001010110B 2 非压缩BCD码格式 用8个二进制位表示一个十进制位 其中 高四位无意义 我们一般用xxxx表示 低四位和压缩BCD码相同 例如 十进制数4256的非压缩BCD码表示为 xxxx0100 xxxx0010 xxxx0101xxxx0110B 45 BCD码 8位BCD数最大只能表示99 46 BCD码 BCD数的运算规则与二进制数运算规则有所不同 计算机在进行这种运算时会出现潜在的错误 BCD运算 31 4200110001 0100001001110011正确 37 3600110111 00110110 01101101 错误 47 减法规则 1 若相减不发生借位 则减法直接进行 2 若相减低位向高位发生借位 则低位应减6修正 上述调整有专门的指令 在进行BCD运算时直接调用可自动完成修正 BCD码 加法规则 1 若二进制和小于10 则保持不变化 2 若二进制和大于等于10 则和数应加6修正 为了解决BCD数的运算问题 采取调整运算结果的措施 48 2 字符的编码 ASCII码在计算机中除了数值之外 还有一类非常重要的数据 那就是字符 如英文的大小写字母 A B C a b c 数字符号 0 1 2 9 以及其他常用符号 如 等 在计算机中 这些符号都是用二进制编码的形式表示 即每一个字符被赋予一个惟一固定的二进制编码 为了统一 人们制定了编码标准 目前 一般都是采用美国标准信息交换码 它使用七位二进制编码来表示一个符号 通常把它称为ASCII码 由于用七位码来表示一个符号 故该编码方案中共有128个符号 27 128 编号从0000000B到1111111B ASCII码 49 ASCII码 50 ASCII码 ASCII码的特点 采用7位二进制代码对字符进行编码数字0 9的编码是0110000B 30H 0111001B 39H 它们的高3位均是011 后4位正好与其对应的BCD码相符 英文字母A Z的ASCII码从1000001B 41H 开始顺序递增 字母a z的ASCII码从1100001B 61H 开始顺序递增 这样的排列对信息检索十分有利 51