微机原理与接口技术-第1章概述.ppt

微机原理与接口技术 课程简介 课程名称 微机原理与汇编语言课程性质 必修行课时间 16周 4学时学分 5 课程目标 微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程 包括以下几个方面的内容 微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术通过该课程的学习 同学们应建立微型计算机系统的整体概念 形成微机系统软硬件开发的初步能力 课程安排 课程考核 期末考试 60 上机考核 20 平时考核 20 课堂表现 作业 最终成绩 期末考试 上机考核 平时考核 微型计算机基础概论 第一章 主要内容 1 1微型计算机概述1 2微型计算机系统的组成1 3微型计算机中信息的表示1 4小结 1 1微型计算机概述 1946年 第一台电子数字计算机ENIAC研制成功 1981年 IBM公司进入微型计算机领域并推出IBM PC之后 计算机的发展进入了一个新的时代 微型计算机时代 一 电子计算机的发展 电子管计算机 1946 1956 晶体管计算机 1957 1964 中小规模集成电路计算机 1965 1970 超大规模集成电路计算机 1971 今 二 电子计算机按其性能分类 大中型计算机 巨型计算机 MainframeComputer 小型计算机 Minicomputer 微型计算机 Microcomputer 单片计算机 Single ChipMicrocomputer 电子计算机的发展历程 微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18 24个月就会翻一番 芯片的性能也随之提高一倍 摩尔定律IntelCPU的发展见下页表 微型计算机的分类 按处理器 CPU 的字长分类4位微型计算机8位微型计算机16位微型计算机32位微型计算机按照微型计算机的利用形态分类单片微型计算机单板微型计算机位片式微型计算机微型计算机系统 微型计算机系统的主要技术指标 字长字长是指计算机内部一次可以处理的二进制数的位数 主频主频是微型计算机中CPU的时钟频率 通常是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的时钟信号的频率 单位为MHz 主存储器容量存储器容量指的是存储设备可容纳二进制信息的最大字节数 微型计算机系统的主要技术指标 存取周期微型计算机内主存完成一次读 写操作所需要的时间称为存储器的存取时间 连续进行两次读 写所需的最短时间称为存储器的存取周期 运算速度计算机的运算速度一般用每秒所能执行的指令条数来表示 单位用MIPS 百万条指令 秒 常用计算方法有 根据不同类型指令出现的频度 乘上不同的系数 求得统计平均值 得到平均运算速度 以执行时间最短的指令 如加法指令 为标准来估算速度 直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期 主频一般以MHz为单位 微型计算机系统的层次 微型计算机系统的层次结构图 微型计算机系统的层次 微处理器CPU 包含算术逻辑单元 控制单元 累加器 寄存器组 内部总线等微型计算机CPU配上存储器 输入输出接口 系统总线 组成的小系统微型计算机系统以微型计算机为主体 配上外围设备 电源 系统软件和应用软件 微型计算机技术的发展趋势 多级流水线结构把大的顺序操作分解成若干段 使之在时间上重叠芯片上存储管理技术高速缓存与CPU集成在同一芯片内虚拟存储技术主内存与辅助存储器之间的调度管理并行处理的哈佛结构采用多个内部数据 地址总线 将数据与指令缓存访问分开RISC结构 精简指令系统 1 2微型计算机系统的组成 硬件系统 I O设备 CPU 运算器控制器 存储器RAMROM I O接口 AB地址总线 DB数据总线 CB控制总线 8255 8250 8251 8253 8259 键盘 打印机显示器 软硬盘A D D A等 微型计算机的硬件组成 微型计算机的硬件组成 微处理器 或中央处理器 CPU 2 存储器功能 存放程序和数据 存储器 内存 主存 外存 辅存 RAM ROM SRAM DRAM ROM EPROM E2PROM 软盘 U盘硬盘 移动硬盘 光盘 cache Flash 微型计算机的硬件组成 RAM结构框图 微型计算机的硬件组成 I O接口设备I O接口设备也称为I O接口电路 即通常所说的适配器 适配卡或接口卡 它是微型计算机和外部设备交换信息的桥梁 结构 一般由寄存器组 专用存储器和控制电路三部分组成 当前的控制指令 通信数据 外部设备的状态信息等分别存储在专门的存储器或寄存器中 连接 所有外部设备都是通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上 通信方式 分为并行通信和串行通信 并行通信是将数据各位同时传送 串行通信是将数据一位一位地顺序传送 微型计算机的硬件组成 微型计算机的总线结构 微型计算机的总线结构 总线 传递信息的一组公用导线 系统总线 从处理器引出的若干信号线 CPU通过它们与存储器或I O设备进行信息交换 地址总线 传递地址信息的总线 即AB CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I O端口的地址 该总线为单向总线 数据总线 传递数据信息的总线 即DB 双向总线控制总线 传递控制信息的总线 即CB 双向总线 软件系统 软件系统层次结构系统软件操作系统软件 如DOS WINDOWSXP WINDOWSNT Linux Netware等 各种语言的处理程序 如机器语言 高级语言 编译程序 解释程序 各种服务性程序 如调试 故障检查 诊断程序等 各种数据库管理系统 如SQLSever Oracle等 应用软件用于科学计算方面的数学计算软件包 统计软件包等 文字处理软件包 如WPS Office2007 图像处理软件包 如Photoshop 动画处理软件3DSmax 各种财务管理软件 税务管理软件 工业控制软件 辅助教育等专用软件 1 3微型计算机中信息的表示 数制是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法 进位计数制 简称 进制 是按进位的原则进行计算的数制 进位计数制有如下特点 数制的基数确定了所采用的进位计数制 表示一个数时所用的数字符号的个数称为基数 对于N进位数制 有N个数字符号 基数为N 逢N进一 对于十进制 是逢10进1 采用位权表示方法 处在不同位置上的相同数字所代表的值不同 一个数字在某个位置上所表示的实际数值等于该数值与这个位置的因子的乘积 而该位置的因子由所在位置相对于小数点的距离来确定 简称为位权 微型计算机中信息的表示 位权与基数的关系是 位权的值恰是基数的整数次幂 对于各位权的幂 从小数点开始 向左依次为0 1 2 3 依次加1 向右依次为 1 2 3 依次减1 例 1011 1 2 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 56D 3 16 5 162 6 161 13 160 3 16 1 进制数的书写规则 在数字后面加写相应的英文字母作为标志 B Binary 表示二进制数 101001BO Octonary 表示八进制数 1321OD Decimal 表示十进制数 100DH Hexadecimal 表示十六进制数 3ACH在括号外面加数字下标 101001 2 表示二进制数的101001 1321 8 表示八进制数的1321 100 10或100 表示十进制数的100 3AC 16 表示十六进制数的3AC 例 1011 1 2 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 56D 3 16 5 162 6 161 13 160 3 16 1 数制转换 R进制数转换为十进制数只需按位及位权展开求和即可 数制转换 十进制数转换为R进制数整数部分 除R取余 逆序 直到商为零 把需转换的十进制整数部分除以R 得到商和余数 然后继续把商除以R 得到新商和余数 继续下去 直到余数为0 把这些余数按后得到的排在前面的方式组成一列数 作为R进制的整数部分 小数部分 乘R取整 顺序 直到满足精度要求 把需转换的十进制小数部分乘以R 记录整数部分 继续把积的小数部分乘以R 记录整数部分 直到满足条件的精度或者积的小数部分为零 将所记录的整数部分按照出现的先后顺序排列 作为R进制的小数部分 例 将 136 D转换为二进制数 2136余数 结果 低位268 0234 0217 028 124 022 021 00 1高位 转换结果 136 D 10001000 B 例 将 0 625 D转换为二进制数 0 625 21 25 20 5 21 0取整 高位低位 转换结果 0 625 D 0 101 B若出现乘积的小数部分一直不为 0 则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可 如0 6 2 二进制与八 十六进制之间的转换 二进制与八进制 二进制与十六进制数互相转换二进制数 八进制数将二进制数从小数点开始 整数部分从右往左每三位一组 小数部分从左往右每三位一组 不足三位用0补足 每组分别对应一位八进制数 从高到低顺序写出每组的八进制数码即可 二进制数 十六进制数将二进制数从小数点开始 整数部分从右往左每四位一组 小数部分从左往右每四位一组 不足四位用0补足 每组分别对应一位十六进制数 从高到低顺序写出每组的十六进制数码即可 例 10001000 00101 2 220 12 8 108 28 16 有符号数的表示 机器数的原码对一个二进制数而言 若使最高位表示数的符号 常以0表示正数 1表示负数 其余各位表示数值本身 则称为原码 例如 当机器字长为8位二进制时 X 73 Y 73 X 原码 01001001 X 真值 1001001 Y 原码 11001001 Y 真值 1001001 0 原码 00000000 0 真值 0000000 0 原码 10000000 0 真值 0000000 原码表示的整数范围是 2n 1 1 2n 1 1 其中n为机器字长 有符号数的表示 机器数的反码对于带符号数 正数的反码与其原码相同 负数的反码是符号位不变 数据位取反求得 例如 当机器字长为8位二进制时 X 73 Y 73 X 原码 01001001 X 反码 01001001 Y 原码 11001001 Y 反码 10110110 0 原码 00000000 0 反码 00000000 0 原码 10000000 0 反码 11111111 反码表示的整数范围与原码相同 有符号数的表示 机器数的补码对于带符号数 正数的补码与其原码相同 负数的补码为其反码加1得到 例如 当机器字长为8位二进制时 X 73 Y 73 X 原码 01001001 X 反码 01001001 X 补码 01001001 Y 原码 11001001 Y 反码 10110110 Y 补码 10110111 0 原码 00000000 0 反码 00000000 0 补码 00000000 0 原码 10000000 0 反码 11111111 0 补码 00000000补码的表示范围 2n 1 2n 1 1 其中n为机器字长 有符号数的表示 补码加减法的规则是 X Y 补 X 补 Y 补 例 以机器字长为8位 已知X 6 Y 14 则 X 补 00000110 Y 补 11110010 求 X Y 补和 X Y 补 解 X Y 补 X 补 Y 补 00000110 11110010 11111000 8的补码 X Y 补 X 补 Y 补 00000110 00001110 00010100 20的补码 补码的另一种表示方法为使用模的方法 模是计量器的最大容量 4位寄存器能够存放0000 1111共计16个数 因此他的模为16 一个8位寄存器能够存放00000000 11111111 共计256个数 因此它的模为256 依此类推 32位寄存器的模是232 有了模的概念后 我们可以很容易地得到二进制的另一种补码表示方法 即 X 补 2n X从上式可以看出 当X为正数时 X 补就是X本身 当X为负数时 X 补就是从2n中减去X的绝对值 补码与真值之间的转换 正数补码的真值等于补码本身 负数补码转换为真值时 将负数补码数值位按位求反 末位加1 得到该负数补码对应的真值的绝对值 前面加上负号 即得到该负数的补码 例 已知 X 补码 0101101B Y 补码 111001B 求所对应的真值X和Y 解 由于 X 补码是正数 则其真值X 101101B 1 25 0 24 1 23 1 22 0 21 1 20 45 Y 补码是负数 则其真值Y 11001 求反 1 B 00110 1 B 00111 B 1 22 1 21 1 20 7 数的浮点表示法 浮点数用于高级语言 汇编语言不支持 定点表示法 定点表示约定所有数据小数点的位置固定不变 通常 把小数点固定在有效数字的前面或末尾 定点小数 小数点固定在最高有效数字之前 符号位之后 该数据没有整数部分 为纯小数 定点整数 小数点固定在最低有效数字之后 该数据没有小数部分 为整数 定点数的表示范围 字长为n 1位 小数整数原码 1 2 n N 1 2 n 2n 1 N 2n 1反码 1 2 n N 1 2 n 2n 1 N 2n 1补码 1 N 1 2 n 2n N 2n 1 数的浮点表示法 浮点表示法 浮点数存储格式 浮点机器数将符号数值化 阶符和尾符各占一位 阶码和尾码若干位 阶码为整数 尾数为纯小数 尾符和尾数之间是小数点约定位置 在定字长条件下 浮点数所能表示的真值范围比定点数大 分配给阶码的位数越多 表示的数的范围越大 但由于尾数的位数减少 数的精度减小 例P17 常用的编码 BCD码8421码用四位二进制数表示一位十进制数 从左到右每一位对应的位权是8 4 2 1优