第一章微机原理与接口技术.ppt

第一章微型计算机系统概述 本章学习目标了解微型计算机的发展 应用及其分类掌握计算机数据的表示掌握计算机的组成结构理解微型计算机的工作过程 1 1微型计算机的发展 应用及其分类1 1 1微机计算机的发展1971年 美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片 该芯片能同时处理4位二进制数 集成了2300个晶体管 每秒可进行6万次运算 成本约为200美元 它是世界上第一个微处理器芯片 以它为核心组成的MCS 4计算机 标志了世界第一台微型计算机的诞生 微机概念 以大规模 超大规模构成的微处理器作为核心 配以存储器 输入 输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机 划分阶段的标志 以字长和微处理器型号 1971 1973 1974 1978 1978 1981 1981 1992 1993后 特点 1 速度越来越快 2 容量越来越大 3 功能越来越强 1 1 2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 主要是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DDC级控制 用卫星计算机实现SCC级监督管理控制 用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理已屡见不鲜 4 计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教 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 CIMS 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 1 1 3微型计算机的分类按应用对象分为 1 单片机 又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 概括的讲 它主要是将微处理器 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 还有简单的七段发光二极管显示器 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 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 1 2计算机中数据的表示和编码 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 1 2 1计算机中常用的进制数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 1 十进制数十进制数是大家熟悉的 用0 1 2 8 9十个不同的符号来表示数值 它采用的是 逢十进一 借一当十 的原则 2 二进制表示法基数为10的记数制叫十进制 基数为2的记数制叫做二进制 二进制数的计算规则是 逢二进一 借一当二 二进制表示数值方法如下 NB Ki 2i其中 Ki 0或1 n i m 例 二进制数1011 1表示如下 1011 1 B 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 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 3 八进制表示法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 八进制表示数值方法如下 NO Ki 8i其中 Ki 0 1 2 3 4 5 6 7 n i m 例 467 6 O 4 82 6 81 7 80 6 8 1 4 十六进制表示法基数为16 用0 9 A F十五个字符来数值 逢十六进一 各位的权值为16i 二进制表示数值方法如下 NH Ki 16i其中 Ki 0 9 A F n i m 例 56D 3 H 5 162 6 161 13 160 3 16 1 1 2 2进制间的转换1 二进制数和十进制数之间的转换 1 二进制数转换为十进制数方法 按二进制数的位权进行展开相加即可 例 11101 101 1 24 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 16 8 4 0 1 0 5 0 25 0 125 29 875 2 十进制数转换为二进制数方法 A 将整数部分和小数部分分别进行转换 然后再把转换结果进行相加 B 整数转换采用除2取余法 用2不断地去除要转换的数 直到商为0 再将每一步所得的余数 按逆序排列 便可得转换结果 C 小数转换采用乘2取整法 每次用2与小数部分相乘 取乘积的整数部分 再取其小数部分乘2直到小部分为0 将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果 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 2 二进制数和八进制数 十六进制数间的转换 1 二进制数到八进制数 十六进制数的转换A 二进制数到八进制数转换采用 三位化一位 的方法 从小数点开始向两边分别进行每三位分一组 向左不足三位的 从左边补0 向右不足三位的 从右边补0 B 二进制数到十六进制数的转换采用 四位化一位 的方法 从小数点开始向两边分别进行每四位分一组 向左不足四位的 从左边补0 向右不足四位的 从右边补0 例 将 1000110 01 B转换为八进制数和十六进制数 1000110 01001000110 010 106 2 O 二进制数到十六进制数的转换 1000110 01 B 1000110 0101000110 0100 46 4 H 2 八进制 十六进制数到二进制数的转换方法 采用 一位化三位 四位 的方法 按顺序写出每位八进制 十六进制 数对应的二进制数 所得结果即为相应的二进制数 例 将 352 6 o转换为二进制数 352 6011101010110 11101010 11 B 1 2 3数的定点与浮点表示对R进制数NR S R E 可以有很多表示方法 如 十进制数 265 78可以有 265 78 2657 8 10 1 0 26578 103 2 6578 102等 1 定点数表示法一般采用两种简单的约定 定点整数和定点小数 1 定点整数A 带符号整数 某个N位二进制数 其最高位为符号位 其它N 1位为数值部分 NfNn 2Nn 3 N2N1N0 符号位数值部分小数点 B 无符号整数 所有的数位都用来表示数值 Nn 1Nn 2Nn 3 N3N2N1N0数值部分小数点 2 定点小数用最高位表示符号 其它N 1位表示数值部分 将小数点定在数值部分的最高位左边 NfNn 2Nn 1 N2N1N0符号位数值部分小数点 2 浮点数表示浮点数 小数点在数据中的位置可以左右移动 N S R E在计算机内 存储的格式 EfE m位 SfS n位 阶码部分尾数部分 其中 Ef 阶码 表示阶码的符号E 阶码 指出小数点的位置Sf 数码 数值的符号位S 尾数 决定数值的精度 1 2 4机器数的表示机器数 数值数据在计算机中的编码 机器数的真值 机器数所代表的实际数值 常用的编码方案 原码 反码 补码 1 原码表示码原码 用最高位表示符号 其中 0 正 1 负 其它位表示数值的绝对值 定义 X 原 X0 X 1定点小数1 X 1 X 0 X 原 X0 X 2n 1定点整数2n 1 X 2n 1 X 0 例 求X1 0 1011 X2 0 1011的原码表示 8位 X1 原 X1 01011000 X2 原 1 X2 11011000 小数点位置 例 求X1 1011 X2 1011的原码 8位 X1 原 00001011 X2 原 10001011 小数点位置 0的表示形式 8位 0 原 00000000 0 原 10000000特点A 原码与真值的对应关系简单 B 0的编码不唯一 处理运算不方便 2 反码表示法反码 最高一位表示符号 数值位是对负数取反 0 反 00000000 0 反 1111111 1100111 反 01100111 1100111 反 10011000 3 补码表示法正数的补码和原码相同 负数的补码 反码 1 例 求0 1011和 0 1011的补码 8位 0 1011 补 0 1011 原 01011000 0 1011 补 1011000 反 1 10100111 1 10101000 0 补 0 补 0 补 00000000 1 2 5计算机中常用的编码1 ASCII码常用的编码方式为美国标准信息交换 AmericanStandardCardforInformationInterchange ASCII码 2 BCD码BCD码是一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码 也成为二进制编码表示的十进制数 BinaryCodeDecimal 简称BCD码 表1 2示出了十进制数0 15的BCD码 BCD码有两种格式 1 压缩BCD码格式 PackedBCDFormat 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 8 例如 十进制数4256的压缩BCD码表示为 0100001001010110B 2 非压缩BCD码格式 UnpackedBCDFormat 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 xxxx0101xxxx0110B1 3微型计算机的一般概念 1 3 1中央处理器的组成中央处理器 CPU 由运算器和控制器组成 1 运算器 计算机中加工和处理数据的功能部件 功能 1 对数据进行加工处理 主要包括算术和逻辑运算 如加 减 乘 与 或 非运算等 2 暂时存放参与运算的数据和中间结果 ALU 数据寄存器1 数据寄存器2 存储器 外设 2 控制器控制和指挥计算机内各功能部件协同动作 完成计算机程序功能 由程序计数器 IP 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 和时序信号发生器组成 1 程序计数器 IP 程序指令所在单元地址 2 指令寄存器 IR 保存当前正在执行的一条指令 3 指令译码器 ID 将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号 4 时序信号发生器 根据指令译码器 ID 产生的命令信号产生具体的控制信号 3 寄存器陈列包括一组通用寄存器组和专用寄存器 通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数 例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数 这些操作数可以是参加操作的数据 操作的中间结果 也可以是操作数的地址 大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器 专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等 1 3 2微型计算机的组成 AB DB CB CPU 存储器 I O接口 外设 微型计算机组成框图 1 微处理器微处理器 CPU 是大规模集成电路技术做成的芯片 芯片内集成有控制器 运算器和寄存器等相关部件 完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制 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 硬盘 光盘 3 I O设备和I O接口 1 I O设备 微机配备的输入 输出设备 外设 标准输入 输出设备 控制台 键盘和显示器 CRT I O设备 输入设备 输出设备 键盘 鼠标 扫描仪 数码相机 显示器 打印机 绘图仪 2 I O接口 连接外设备和系统总线 完成信号转换 数据缓冲 与CPU进行信号联络等工作 显示器卡 完成显示器与总线的连接 声卡 完成声音的输入 输出 网卡 完成网络数据的转换 扫描卡 连接扫描仪到计算机 调制解调器卡 模拟信号与数字信号相互转换 键盘接口 打印机接口等 232接口 串行数据接口 USB接口 通用串行接口 4 系统总线 1 总线 传递信息的一组公用导线 2 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 系统总线分为 A 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 内存容量的计算 16条地址线可访问216 64KB 20条地址线可访问220 1MB 1K 1024B1M 1024KB1G 1024MB B 数据总线 传递数据信息的总线 即DB 在CPU进行读操作时 内存或外设的数据通过数据总线送往CPU 在CPU进行写操作时 CPU数据通过数据总线送往内存或外设 数据总线是双向总线 C 控制总线 传递控制信息的总线 即CB 控制总线的方向 一部分是从CPU输出 通过对指令的译码 由CPU内部产生 由CPU送到存储器 输入 输出接口电路和其它部件 如时钟信号 控制信号等 另一部分是由系统中的部件产生 送往CPU 如 中断请求信号 总线请求信号 状态信号 控制总线的部件 总线主控设备 CPU和DMA控制器 被总线控制的部件 总线控制设备 存储器和I O设备 总线的使用特点 1 在某一时刻 只能由一个总线主控设备来控制总线 其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制 2 在连接系统的各个设备中 在某一时刻只能有一发送者发送信号 但可以有多个设备从总线上同时获得信号 3 通过总线插槽来接口板连接 1 3 3微型计算机系统的组成一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统 硬件和软件的结合 才能使计算机正常工作运行 计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理装置 称为硬件或裸机 计算机软件系统指为运行 管理 应用 维护计算机所编制的所有程序及文档的总和 依据功能的不同 软件分为系统软件和应用软件两大类 1 3 4微型计算机的工作过程在进行计算前 应做如下工作 1 用助记符号指令 汇编语言 编写程序 源程序 2 用汇编软件 汇编程序 将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序 3 将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放 完成5 6 的程序 MOVA 05H B0H05H 把05送入累加器AADDA 06H 04H06H 06与A中内容相加 结果存入累加器AHLT F4H 停止所有操作 1 取指令阶段的执行过程 设程序从00H开始存放 1 将程序计数器 PC或IP 的内容送地址寄存器AR 2 程序计数器PC的内容自动加1变为01H 为取下一条指令作好准备 3 地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码 选中00H单元 4 CPU发出 读 命令 5 所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上 6 经数据总线DB 读出的B0H送至数据寄存器DR 7 数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中 经过译码CPU 识别 出这个操作码为 MOVA 05H 指令 于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令 PC AR ALU A