微机基本原理预备知识.ppt

2020年2月15日星期六 1 一 计算机应用领域二 计算机分类三 计算机发展年代划分依据四 微型计算机的发展五 数字电路基础知识六 微型计算机系统 微型计算机基本原理 2020年2月15日星期六 2 一 计算机的应用领域 2020年2月15日星期六 3 基于上述的事实 我们再重新思考一下 什么是计算机 什么是PC机 计算机 是用来计算的仪器 尤指可进行高速数学或逻辑运算或汇编 存储 整理或处理信息的可编程的电子机器 PC机 PersonalComputer 是指面向个人用户而设计的没有个性的通用计算机 是计算机中的一种 计算机 与 PC机 2020年2月15日星期六 4 二 计算机分类 计算机按性能价格 体积不同可分为六类 1 巨型机 主要用于模拟核武器的爆炸2 大型机 3 中型机 较大型科研单位 省计算中心4 小型机 以前 中小网络的主机 现一般用微机代替 5 微机 PC机 6 单片机 2020年2月15日星期六 5 三 计算机发展年代划分依据 第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕 半个多世纪以来 计算机技术以 万马奔腾 之势 一日千里 迅猛发展 计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征 硬件特征是指计算机采用的物理器件软件特征是指计算机使用的软件环境 2020年2月15日星期六 6 计算机己发展了四代 第一代 电子管计算机 机器语言 汇编语言 第二代 晶体管计算机 BASIC FORTRAN 第三代 集成电路计算机 FORTRAN 分时 多用户操作系统 第四代 大规模 超大规模集成电路计算机 软件工程 数据库 2020年2月15日星期六 7 计算机走向新时代 计算机的发展方向 第五代 非冯 诺依曼 计算机时代第六代 神经计算机时代光计算机时代生物计算机时代 2020年2月15日星期六 8 四 微型计算机的发展 微型计算机属于第四代计算机微型计算机诞生于20世纪70年代微型计算机特点 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 价格便宜 使用方面 软件丰富微型计算机核心是微处理器 CPU 每出现一个新的处理器就会出现新一代的微型计算机 2020年2月15日星期六 9 INTELCPU发展史 1 2020年2月15日星期六 10 INTELCPU发展史 2 2020年2月15日星期六 11 微型计算机发展趋势 1 1 中央处理器更小的布线宽度和更多的晶体管减少布线宽度是提升CPU速度的关键 0 18微米技术 0 13微米技术 0 07微米技术 65纳米技术 届时CPU主频将达到5GHZ 晶体管数量将达到2亿个 更高的总线宽度 超过2GHZ64位CPU成为主流双核或多核将成为发展的趋势 2020年2月15日星期六 12 微型计算机发展趋势 2 2 系统存储器CPU集成更大的高速二级缓存内存容量更大速度更快硬盘容量也更大速度更快DVD RAM普及 2020年2月15日星期六 13 微型计算机发展趋势 3 3 多媒体系统显卡的性能更高图形技术进一步发展大尺寸显示器成为主流数字式音箱占领市场 2020年2月15日星期六 14 微型计算机发展趋势 4 4 网络电信网 计算机网 IP网 和广播电视网将进一步融合更高速率宽带无线接入5 整机更加趋于个性化 利用蓝牙技术或红外无线技术将减少机箱背后的连线 使主机与外设进行无线通信 2020年2月15日星期六 15 五 数字电路基础知识 1 1 1 11 t v 5v 0 2020年2月15日星期六 16 数字电路基础知识 2 2020年2月15日星期六 17 上页 下页 回目录 六 微型计算机系统 2020年2月15日星期六 18 到目前为止 计算机仍沿用1940年由冯 诺依曼 冯 诺依曼是美籍匈牙利数学家 他提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想 冯 诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了 程序存储 顺序控制 的概念 首先提出的体系结构 其基本设计思想为 以二进制形式表示指令和数据 程序和数据事先存放在存储器中 计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行 由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统 一 基于总线的微型计算机硬件系统 2020年2月15日星期六 19 微机硬件组成 上页 下页 回目录 RAM I O ROM 外设 CBUS DBUS ABUS CBUS 控制总线 DBUS 数据总线 双向三态ABUS 地址总线 单向三态 2020年2月15日星期六 20 0 0 0 数据总线 单向缓冲器 双向缓冲器 双向缓冲器 总线 在CPU与其它部件之间信息传送的公共通道 1 数据总线 双向三态 2 地址总线 单向三态 3 控制总线 地址译码 片选信号 上页 下页 回目录 P14 2020年2月15日星期六 21 微型计算机硬件系统结构 2020年2月15日星期六 22 地址总线AB AddressBus 在对存储器或I O端口进行访问时 传送由CPU提供的要访问存储单元或I O端口的地址信息 以便选中要访问的存储单元或I O端口 是单向总线 数据总线DB DataBus 从存储器取指令或读写操作数 对I O端口进行读写操作时 指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出 是双向总线 控制总线CB ControlBus 各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件 或者从有关部件送往CPU CB中每根线的传送方向是一定的 图1 3中CB作为一个整体 用双向表示 三大总线说明 2020年2月15日星期六 23 上页 下页 回目录 P5 运算器 控制器 CPU 微机模型组成 2020年2月15日星期六 24 运算器由 算术逻辑单元ALU ArithmeticLogicUnit 累加器A Accumulator 标志寄存器F Flag 寄存器组R Registers 相互之间通过内部总线连接而成 它的主要作用是进行数据处理与加工 1 运算器 上页 下页 回目录 一 CPU的内部结构 2020年2月15日星期六 25 运算器由 算术逻辑单元ALU ArithmeticLogicUnit 累加器A Accumulator 标志寄存器F Flag 寄存器组R Registers 相互之间通过内部总线连接而成 它的主要作用是进行数据处理与加工 上页 下页 回目录 1 运算器 2020年2月15日星期六 26 CU ControlUnit 由 程序计数器PC ProgramCounter 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 操作控制部件或称为组合逻辑阵列PLA ProgrammedLogicArray 时序发生器 图1 2中略 等电路组成 控制器的主要作用有 解题程序与原始数据的输入 从内存中取出指令并译码 控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换 计算机系统中随机事件的自动处理等 上页 下页 回目录 1 2 控制器 2020年2月15日星期六 27 上页 下页 1 累加器A 2 数据寄存器DR DataRegister 3 寄存器组R 5 程序计数器PC 6 地址寄存器AR AddressRegister 回目录 3 CPU中的主要寄存器 2020年2月15日星期六 28 4 标志寄存器F 标志寄存器F也称程序状态字PSW ProgramStateWord 是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的 如 运算有无进 借 位 有无溢出 结果是否为零等 5 堆栈与堆栈指示器SP StackPointer 1 按照先进后出FILO FirstInLastOut 顺序向堆栈读 写数据 2 SP始终指向栈顶 3 堆栈的两种操作压入 PUSH 和弹出 POP 它有三个主要特点 上页 下页 回目录 2020年2月15日星期六 29 存储器RAM基本结构一般由四个部分组成 存储矩阵 地址译码器读写控制电路 三态双向缓冲器 上页 下页 回目录 02H 02H 按地址访问的一维线性空间 二 存储器 Memory 2020年2月15日星期六 30 存储器的概念这里介绍的存储器是指内存储器 又称为主存或内存 它是微型计算机的存储和记忆装置 用来存放指令 原始数据 中间结果和最终结果 在计算机内部 程序和数据都以二进制形式表示 8位二进制代码作为一个字节 为了便于对存储器进行访问 存储器通常被划分为许多单元 每个存储单元存放一个字节的二进制信息 每个存储单元分别赋予一个编号 称为地址 如图1 5所示 地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B 2020年2月15日星期六 31 2020年2月15日星期六 32 1 基本概念1 位 Bit 二进制信息的最小单位 0或1 通常用B表示 2 字节 Byte 由8位二进制数组成 可以存放在一个存储单元中 是字的基本组成单位 通常用B表示 1B 8b 3 字 Word 不同的场合有不同的含义 软件上通常指2个字节 硬件上一般指处理器外部数据线的宽度 目前为了表示方便 常把一个字定义为16位 把一个双字定义为32位 即1W 2B 16b 2W 4B 32b 4 字长 计算机运算部件直接能处理的二进制的位数 通常它与计算机内部的寄存器 算术逻辑单元 数据总线宽度相一致 8位机 16位机指的就是处理器内部数据线的宽度是多少 2020年2月15日星期六 33 5 内存容量 内存中存储单元的总数 通常以字节为单位 1024 210 字节记作1KB 220字节记作1MB 6 内存单元地址 为了能识别不同的单元 每个单元都赋予一个编号 这个编号称之为内存单元地址 显然 各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念 不可混淆 2020年2月15日星期六 34 b 内存写操作过程示意图 图1 6内存读写操作过程示意图 2 内存的操作 2020年2月15日星期六 35 3 内存的分类按工作方式 内存可分为两大类 随机读写存储器RAM RandomAccessMemory 和只读存储器ROM ReadOnlyMemory 随机读写存储器可被CPU随机地读写 它用于存放将要被CPU执行的用户程序 数据以及部分系统程序 断电后 其中存放的所有信息将丢失 只读存储器中的信息只能被CPU读取 而不能由CPU任意地写入 断电后 其中的信息不会丢失 它用于存放永久性的程序和数据 如系统引导程序 监控程序 操作系统中的基本输入 输出管理程序 BIOS 等 2020年2月15日星期六 36 输入操作 读 操作 输出操作 写 操作 上页 下页 回目录 指令地址 1 三 I O接口和外设 2020年2月15日星期六 37 四 模型机的工作过程 1 指令和指令系统 1 指令的格式 程序的存储与执行 2020年2月15日星期六 38 指令执行的两个阶段 取指阶段与执指阶段 上页 下页 回目录 以直接寻址的指令为例 2 指令执行过程 2020年2月15日星期六 39 表1 1 15H 30H 程序执行过程 上页 下页 回目录 2 程序的执行过程 2020年2月15日星期六 40 上页 下页 1 程序设计语言 2 系统软件 3 应用软件 回目录 二 软件系统 2020年2月15日星期六 41 上页 下页 回目录 三 衡量计算机性能的主要技术指标 2020年2月15日星期六 42 以下的幻灯片为备用 2020年2月15日星期六 43 1 3 2微处理器 8位 2020年2月15日星期六 44 微处理器的组成 运算器 ALU 进行算术 逻辑 移位运算 控制器 CU 全机的指挥中心 IRIDPLA内部寄存器 R PCARDRAFLAGSRA 2020年2月15日星期六 45 1 3 4I O接口与输入输出设备I O接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁 I O设备是微型计算机系统的重要组成部分 程序 数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机 计算机的处理结果要通过输出设备输出 以便用户使用 常用的输入设备有 键盘 鼠标 数字化仪 扫描仪 A D转换器等 常用的输出设备有显示器 打印机 绘图仪 D A转换器等 2020年2月15日星期六 46 为什么要采用I O接口电路 外设与CPU的工作速度不同 与CPU相比 外设的工作速度较低 外设与CPU的信号不同 外设处理的信息有数字量 模拟量 开关量等 而计算机只能处理数字量 外设与微型计算机工作的逻辑时序也可能不一致 由于上述原因 微型机与外设之间的连接及信息的交换不能直接进行 而需要设计一个I O接口作为微型机与外设之间的桥梁 I O接口也称为I O适配器 不同的外设必须通过不同的I O适配卡 板 才能与微机相连 所以 I O接口是微型计算机应用系统不可缺少的重要组成部件 任何一个微机应用系统的研制和开发 实际上是I O接口的研制和开发 因此 I O接口技术是本课程要重点讨论的内容之一 2020年2月15日星期六 47 1 4微型计算机软件系统 2020年2月15日星期六 48 1 5微型计算机的工作过程 表1 1完成 6 5 操作所需的机器语言程序和汇编语言程序 2020年2月15日星期六 49 图1 7取第一条指令的操作过程示意图 2020年2月15日星期六 50 2020