《微型计算机》PPT课件.ppt

本章教学重点和难点 微型计算机 微处理器的发展 数据格式及机器数 数的原码 补码 反码以及BCD码 ASCII码和汉字的国标码 计算机系统的硬件系统和系统软件及各部件的功能 第1章微型计算机系统概述 本章教学内容 1 1微型计算机发展1 2数据表示与数字信息编码 数据格式 机器数及数字信息编码 1 3微型计算机系统的基本组成 硬件结构和软件系统 1 1微型计算机发展计算机由电子管时代 晶体管时代 中小规模集成电路时代 发展到大规模 超大规模集成电路时代 现正在向第五代计算机发展 从70年代初 微型计算机问世 微处理器已经推出了四代产品 四位微处理器 八位微处理器 16位微处理器和32位以上微处理器 1982年 IBM公司推出了以Intel8086CPU为处理器的IBMPC机 1983年又推出了采用Intel8088CPU为处理器的IBMPC XT 这两种机型的内存为1MB 支持单任务的操作系统 1984年 以Intel80286为CPU的16位增强型PC机IBMPC AT上市 其内存可达到8MB 并支持多任务多用户操作系统 Intel公司推出了32位微处理器80386和80486 由80386和80486CPU构成的PC386和PC486内存物理地址空间可达4GB 支持多任务多用户操作系统 并增加了高速缓冲存储器Cache 486以后的CPU 名称上改为奔腾 Pentium 系列 其字长已达到64位 运算速度和功能 性能比PC486机又有很大提高 1 2数据表示与数字信息编码计算机中的数据分为 数值型数据和非数值型数据 数值型数据用于表示数值的正负 大小 可进行数学运算 非数值型数据主要用于表示文字 符号 图形等 八进制 十六进制数来表示机器码或机器数 二进制代码 1 2 1数据格式及机器数1 真值表示和机器数表示机器数 计算机中使用连同数符一起数字化了的数 58 用十进制表示的真值 111010 用二进制表示的真值 机器数的位数与计算机的字长有关 常用的数值数据的编码方法有 原码 补码 反码以及BCD码 1 原码表示法原码表示约定数码序列的最高位为符号位 符号位为0时表示该数为正 符号位为1时表示该数为负 其余有效值部分则用二进制的绝对值表示 如定点小数的原码为 X 原 Xf Xl Xn 则 X 原 如定点整数的原码为 X 原 Xf Xn X0 则 X 原 分析得出以下结论 真值零在原码表示中可以有正零和负零两种形式 小数 0 原 0 00 0 0 原 1 00 0整数 0 原 000 0 0 原 100 0注意 1 正零和负零的真值含义相同 2 机器数是没有小数点的 符号位不是数值的一部分 它们是人为约定 0正1负 所以符号位在运算过程中需要单独处理 不能当作数值的一部分直接参与运算 对于小数 1 X 1 即表示范围限制在 X X 2n 即表示范围限制在 x 2n之内 原码表示中用绝对值表示数值 比较直观 但对于应用得最多的加减运算 则不太方便 2 补码表示法定义如下 若定点小数的补码为 X 补 XfX1 Xn 则 X 补 mod2 式中X为真值 X补是采取补码表示的机器数 例 若X 0 1010 则 X 补 0 1010例 若X 0 1010 则 X 补 2 0 1010 1 0110 若定点整数的补码为 X 补 Xf Xn X0则 X 补 mod2n 1 求真值的补码方法是 如真值为正 则正数的补码与原码形式相同 如真值为负 则将负号用 1 表示在首位 原码的数值部分逐位取反 并且在末位加1 写在符号位之后即得到负数的补码 已知补码求真值的方法是 如补码的符号位是 0 说明该补码是正数 则它的真值就是补码本身 如补码的符号位为 1 说明该补码是负数 因此先记一个 号 然后把补码逐位取反 并且在末位加1 写在符号 之后即得到该补码的真值 补码的性质补码中 最高位符号位表示数的正负 在形式上与原码相同 即0正1负 但补码的符号位是数值的一部分 补码表 数0只有一种表示 即00 负数补码的表示范围比原码稍宽 多一种数码组合100 0 负数补码表示是将负数映射到正数域 可实现化减为加的目的 3 反码表示法定点小数的反码形式为 x 反 Xf X1 Xn 则 X 反 定点整数的反码形式为 x 反 Xf Xn 1 X0 则 X 反 真值的零在反码中也有正零和负零两种形式 小数 0 反 0 00 0 0 反 1 11 1整数 0 反 000 0 0 反 111 1反码的表示范围与原码相同 手工求反码 正数的反码与它的原码相同 负数的反码符号位填 1 数值位逐位求反后写在符号位之后就完成了 4 机器数的位数格式真值在表示为机器数的过程中需要首先化为8位 16位或者更多个机器字长 然后再转换为机器数 2 定点表示与浮点表示机器数的格式分为 定点表示与浮点表示两类 1 定点表示法 小数点位置固定不变 一般有3种类型的定点数表示法 无符号整数 把符号位略去的正整数 二进制的无符号整数XnXn 1 X0 其表示范围是0 2n 1 1 带符号定点整数代码序列Xf Xn 1 X0 Xf为符号位 小数点位置在最低位X0之后 原码定点整数表示范围 2n l 2n l补码定点整数表示范围 2n 2n l 带符号定点小数代码序列Xf X1 Xn Xf为符号位 小数点位置默认在符号位Xf之后 即此数为纯小数 原码中 X1 Xn是数值部分 常称之为尾数 并将数值部分的最高位X1 称为最高数值位或最高有效位 原码定点小数表示范围 l 2 n l 2 n 补码定点小数表示范围 1 l 2 n 2 浮点表示法浮点表示法 最大地表示有限位数数据的范围 小数点的位置不固定 而是根据需要浮动 浮点数格式浮点数的代码分为 阶码E与尾数M浮点数的符号由尾数中的符号位Mf表示 浮点数的真值为 N 阶码的底 二进制正负整数 补码 原码表示 RE相当于尾数的比例因子 若E为正 表明尾数M将被扩大若干倍 若E为负 表明M将被缩小若干倍 典型的浮点数格式如图1 1所示 正负定点小数 Mf后 尾数用补码 原码表示 尾数的规格化问题若R 2 则规格化尾数的含义是满足条件 1 2 M 1 浮点数实际上由一个定点整数的阶码和一个定点小数的尾数组成 相当于将数规范为定点小数M乘以比例因子RE 浮点数表示范围与精度设阶码部分连阶符共m 1位 用补码表示 底2 尾数共n 1位 含一位数符 用补码表示 尾数进行了规格化 浮点数表示范围 2m 1 2m 1分辨率 2 m 按照IEEE规定的浮点数标准 计算机浮点数的阶码和尾数的位数分别如表1 1所示 计算机中浮点数的实际格式如图1 2所示 1 2 2数字信息编码的概念1 字符的表示 ASCII码 美国信息交换标准码 标准ASCII字符集共有128种常用字符 每个ASCII码字符用7位编码 D6 D0 高位D7默认为0或为奇偶校验位 在存储器中以字节为一个存储单元编址 存放一个ASCII码 关系表如教材表1 2所示 汉字编码 GB2312 80 简称国标码 包含了一 二级字库共有6735个 规定每个汉字用两个字节表示 汉字的机内代码的两个字节的最高位恒为1 第一个字节表明字符属于哪一区 第二个字节表明是哪一位 基本字符集共有94区 每区有94位 又称为区位码 2 二 十进制编码 BCD BinaryCodedDecimal 每位十进制用4位的二进制编码 BCD码分为 有权码和无权码 有权码主要有8421码 2421码 5211码等 无权码主要有余3码 格雷码等 最常用的BCD码是8421码 4个码位的权从高向低分别为8 4 2 1 8421编码的优点是 1 4位基2码之间满足二进制的规则 2 数字字符的ASCII码与8421编码之间转换方便 取每个数字字符的ASCII码低4位就可直接得到该数字的BCD码 3 奇偶校验码 1 数据校验码现在使用的校验方法 大多采用冗余校验的思想 在数据编码上再增加部分代码 校验位 将数据代码和增加的校验位一起按约定的校验规律进行编码 获得的编码称为校验码 数据在存储和传输时 将校验码按约定的校验规律进行校验 若满足校验编码规律 可达到检错纠错的目的 检错和纠错 冗余位 码字 由若干位代码组成的一个字 两个码字间的 距离 将一种编码体制 码制 中两个不同的码字逐位比较 代码不相同的位的个数 在一种码制中 任何两个码字间的距离可能不同 将各合法码字 非出错的码字 间的最小距离称作这种码制的 码距 从主存中读得一个码字为0111 判断它是7 还是6的最低位出错 8421码的码距d为1 为1的码距只能区分两个合法码字的不同 不具备查错能力和纠错能力 合法代码之间的距离增大后 就有可能分辨合法代码与出错代码 并有可能判断是哪位或者哪些位出错 并将它变反纠正为正确的合法代码 2 奇偶校验码在n位合法代码上增加1位奇偶校验位构成 使原合法编码的码距由1增加到2 用于存储器读写或ASCII字符的串行传送中的检查 分为 奇校验和偶校验 硬件实现依据8位的数据中1的个数 奇偶校验只能发现一位出错 但不能确定是哪一位出错 当两位同时出错时 例如 1位由 0 变 1 而另1位由 1 变 0 则不能够发现 1 3微型计算机系统的基本组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 关系如图1 3所示 1 3 1微型计算机的硬件结构1 微型计算机硬件的特点冯 诺依曼结构 其特点主要有 l 用二进制编码形式表示数据和指令 2 程序 包括数据和指令序列 事先存放在主存储器中 工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行 3 计算机的硬件由运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备五大部件组成 如图1 4所示 4 指令由操作码和地址码两部分组成 在存储器中按顺序存储 由程序计数器PC Programcounter 指明将要执行的下一条指令的地址 2 微型计算机各部件现代微机系统的硬件一般由中央处理器 主存储器和外围设备组成 外围设备通过总线和接口 Interface 与中央处理器连接 如图1 5所示 l 中央处理器 CPU 中央处理器CPU 运算器和控制器以及寄存器阵列被制作在同一块半导体芯片上 通过内部总线连接在一起 CPU中运算器的字长和数据线的位数是计算机的重要技术指标之一 2 存储器存储器 Memory 存储程序和数据的部件 存储器分为 内存储器 主存 和外存储器 辅存 内存是CPU与外围设备交换数据的缓冲存储部件 与处理器一起称为微型计算机的主机 根据工作方式 内存可分为 只读存储器ROM ReadonlyMemory 和随机存取存储器RAM RandomAccessMemory 外存属于计算机的外围设备 一般不在计算机主板上 半导体 存放二进制 3 外围设备外围设备 外设 输入设备 输出设备 外存储器的统称 外围设备常通过总线与主机相连 输入设备 常用的有键盘 鼠标 扫描仪 数码相机 触摸屏 数字化仪等 输出设备 有显示器 打印机 音箱 绘图仪等 外存储器外存储器 外存或辅助存储器 常用的外存有磁盘 磁带 光盘等 主要用来长期存放 暂时不用 的程序和数据 通常外存只和内存交换数据 外存中存储的信息断电后可长期保存 外存的存储容量大 价格低 但速度比内存慢得多 1 3 2微型计算机的软件系统软件分为系统软件和应用软件两大类 1 系统软件主要包括 操作系统 工具软件 诊断系统 服务程序 汇编程序 语言编译系统 等等 1 操作系统 OS OperatingSystem 的功能 控制和管理硬件设备协调工作 硬件包括计算机主机 键盘 显示器 辅助存储器和通用输入 输出设备等 管理和配置在计算机中的各种软件资源 有序地组织计算机的工作流程 以及管理在辅助存储器中的各种文件 建立人机对话界面 使用户能够和计算机交流 2 高级语言高级语言提供类似人类自然语言的语句 便于调试 常见的可视化高级语言有BASIC PASCAL C语言等 随着Windows的出现 高级语言程序设计具有 所见即得 的用户界面设计和多媒体应用开发功能 2 应用软件 又称用户程序 是用户利用计算机来解决自己的某些问题而编制的程序 3 计算机系统的多级层次结构 1 机器语言由二进制机器指令构成 用机器语言书写的程序计算机能够直接 识别 执行 又叫做目标程序 2 汇编语言由助记符 有一定含义的文字 符号和数字 按规定的格式表示各种不同的机器指令 用这些助记符来编写程序 就是汇编语言 用机器语言编写的用来把汇编语言 翻译 成为机器码的程序称为汇编程序 3 高级语言也称为算法语言 接近数学语言 与具体机器无关 用高级语言编写的程序称为源程序 必须把高级语言程序 翻译 成为机器语言 计算机才能执行 这种翻译常有两种