01第一章微型计算机基础知识.ppt

微型计算机原理 主讲 贾清泉 开设的基本目的 计算机工作原理是电类专业学生知识结构的重要组成部分 相关知识对后续课程 日常生活和工作 毕业设计和硕博课题等各个方面都可能有不同程度的作用 学习目标 掌握微型计算机系统的结构组成 实现机理 工作原理 掌握汇编语言程序设计的初步方法和调试过程 建立微型计算机系统整体概念 具备利用微机进行硬件和软件开发的初步能力 课程特点 抽象 难理解 乏味 虽然对象是具体的 课时安排 共48学时 授课40学时 上机实验8学时 要求 加强理解 把相关知识具体化而不要抽象化 第一章微型计算机概述 1 1计算机技术及其发展历史1 电子数字计算机概念目前通常所说的计算机是指电子数字计算机 电子技术实现 数字化信息处理方式 高度复杂的逻辑电子电路 信息以二进制形式 逻辑电平形式 表示 自动地进行信息处理 2 计算机分类按信息处理方式 数字计算机和模拟计算机 模拟计算机由于受元器件质量影响 其计算精度较低 目前已很少生产 按用途 通用计算机和专用计算机 专用计算机针对某用途专门设计 按规模 速度 没有一个统一的标准 1989年IEEE 电气与电子工程师协会 提出一种分类 巨型计算机或超级计算机 Supercomputer 小巨型计算机 Minisupercomputer 大型主机 Mainframe 小型计算机 Minicomputer 工作站 WorkStation 个人计算机 PersonalComputer PC 3 计算机发展简史1 机械计算机的诞生1614年 苏格兰人JohnNapier发明了一种可以进行四则运算和方根运算的精巧装置 1890年 HermanHollerith设计了用于美国人口普查的机器 结果仅用6周就得出了准确的人口统计数据 如果用人工方法 大概要花10年时间 2 电子计算机时代1906年 美国人LeeDeForest发明电子管 为电子计算机的发展奠定了基础 1946年 第一台真正意义上的数字电子计算机 ENIAC 由美国宾夕法尼亚大学研制成功 重达数吨 占据几间房间 需要多个操作员来维持它们正常工作 非常昂贵 以至于只有政府和大型机构才能够买得起 当时的人们认为几台或者几十台这样的机器就能够满足全世界的需求了 在此期间 冯 诺伊曼 VON NEUMANM 也研制出一台被认为是现代计算机原型的通用电子计算机 根据使用电子器件的不同 电子计算机经历了四个阶段 电子管计算机 1946 1956 晶体管计算机 1957 1964 集成电路计算机 1965 1970 超大规模集成电路计算机 1971 至今 用机器语言 汇编语言编写程序用于军事和国防尖端技术开始使用高级语言开始用于工程技术 数据处理和其它科学领域采用微程序 流水线等技术 提高运行速度出现操作系统 诊断程序等软件采用半导体存储器采用图形界面操作系统器件速度更快 软件 外设更加丰富 微型计算机是第四代计算机时期出现的一种形式 自从1981年IBM公司进入微型计算机领域推出了IBM PC以后 计算机的发展开创了一个新的时代 微型计算机时代 微型计算机的迅速 大规模的应用与普及 使计算机真正广泛地应用于工业 农业 科学技术以及社会生活与日常生活的各个方面 随着微型计算机应用的普及和发展 芯片与微型机的功能和性能迅速提高 其功能已经远远超过了20世纪80年代以前的小型机 中型机 甚至超过了大型机 当前微机运算速度一般为20 30亿次 秒 世界超级计算机情况 2010年6月最新数据 Top1美洲豹美国橡树岭国家实验室Top2曙光星云深圳国家超级计算机中心Top3走鹃美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Top4海妖美国田纳西大学国家计算科学研究院Top5尤金德国尤利希超级计算机中心所Top7天河天津国家超级计算机中心2010年10月28日中国推出世界最快的计算机 天河 1A 2 5千万亿次 秒 比美洲豹高30 安装在天津国家超级计算中心 4 计算机的特点处理速度快运算精度高存储记忆能力强按人的预先安排自动执行任务人机交互功能 5 计算机的应用数值计算 基本功能 但此功能应用逐渐缩小 信息处理 数据库 管理信息系统 办公自动化系统 目前世界约80 的计算机用于信息处理 控制 自动化 过程控制 生产自动化辅助分析 设计 CAD CAM CAI仿真计算网络应用人工智能 模式识别 神经网络 专家系统 机器人等 6 计算机发展方向当前模式的电子计算机发展趋势是朝微型化和巨型化两方面发展 功能发展多媒体计算机 更好地支持多媒体技术 音频 视频数据压缩 解压缩技术 多媒体数据的通信 计算机智能化 具有推理 联想 学习等思维功能和模式识别功能 网络计算机 全面支持网络功能 新型计算机的研究 神经网络计算机 从内部结构模拟人脑神经系统 生物计算机 使用蛋白分子为材料的生物芯片 光学计算机 用光子代替电子 用光连接代替金属导线连接 运算速度快千倍 7 个人计算机的构成中央处理器CPU 主板 内存 硬盘 显卡 显示器 键盘等 1 2微型计算机系统的组成1 组成部分 2 中央处理器 中央处理器CPU CentralProcessingUnit 具有运算和控制功能 是整个微型计算机的核心 也称微处理器 微处理器的主要功能部件有 1 运算器 也称算术逻辑部件 ALU 用来进行算术和逻辑运算 2 控制器 整个系统的指挥控制部件 从内存中取出指令 翻译指令并操控运算器及其它部件完成相应操作 3 寄存器 包括程序计数器 指令寄存器 累加器 地址寄存器 数据寄存器 通用寄存器等 3 存储器 Memory 记忆部件 存储程序和数据 存储器分级配置内存 由半导体存储器组成 读写速度快 外存 如硬盘 软盘等 容量大 读写速度慢程序在外存存放 执行时调入内存 4 外部设备 I O设备 外设 PeripheralEquipment 完成信息转换 计算机与外界交互的功能 文字 声音等自然信息以及其它物理信息与计算机能识别的二进制信息进行转换 使计算机对人有用 至少应有一台外设 5 总线 Bus 计算机各部件之间传送信息的公共通道 各部件分时复用总线 在某一时刻 只能有一个部件向总线发送数据 否则形成总线冲突 可有多个部件从总线接收数据 总线结构降低了部件之间连线数量 提高可靠性 但数据交换速度降低 总线按传递信息的内容分为 数据总线 DataBus DB 双向地址总线 AddressBus AB 单向控制总线 ControlBus CB 双向 6 微型计算机结构框图 1 位与字节 1 位 Bit 指计算机能表示的最小信息单位 在计算机中采用二进制表示数据和指令 故 位就是一个二进制位 有两种状态 0 和 1 1 3微型计算机系统的工作原理 2 字节 Byte 相邻的8位二进制数称为一个字节1Byte 8bit如 11000011 01010111 3 字 Word 字是CPU内部进行数据处理的基本单位 字长与CPU内部的寄存器 运算器 总线宽度是一致的 通常也将2个字节 16位 定义为一个字 4 位编号 指令是CPU能执行的一项基本操作 如 存数 取数 加 减 乘 除等 2 指令与指令系统 指令系统 或指令集 是某CPU所能执行的全部操作的总和 不同的CPU 其指令系统不同 程序是用户为使用计算机完成特定任务而编写的指令的序列 为使指令能被计算机识别 必须以二进制编码形式表示 称为机器码 用机器码形式表示的指令不便于人来记忆和理解 于是用一些助记符表示指令代码 如 MOVAX 3561H ADDBL 21H用助记符表示指令代码的语言称为汇编语言 汇编源程序经特定的软件进行编译 形成机器码程序 目标程序 高级语言 按一定语法规则设计的便于理解和编程的计算机编程语言 需经特定的编译软件转化为机器语言才能被计算机执行 3 计算机的工作过程 程序存放在存储器中 CPU上电后自动从存储器特定位置开始逐条执行指令 执行过程 取一条指令分析指令执行指令 举例一段汇编程序MOVAL 7 将数值7装入累加器AL中ADDAL 10 AL内容与10相加 结果存于AL中HLT 停止操作 编译成机器码 10110000 MOVAL X 00000111 X 7 00000100 ADDAL X 00001010 X 10 11110100 HLT 4 当前计算机的基本实现方案 冯 诺依曼 VonNeumann 体系结构 由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五部分组成 各自行使不同功能 指令与数据存放在存储器中 顺序执行 采用二进制形式表示信息 该体系结构是冯 诺依曼 VonNeumann 于1946年提出 奠定了计算机实现框架 1949年诞生冯 诺依曼结构计算机 至今计算机结构没有根本突破 年代型号晶体管数量1978年80862 9万1982年8028613 5万1985年8038632万1990年80486120万1993年Pentium320万1996年PentiumPro550万1997年PentiumII750万 300MHz1999年PentiumIII2000年PentiumIV4200万 1 4GHz 0 18um工艺 晶体管的大小将以指数速率变小 而集成到芯片上的晶体管数目将18 24个月翻一番 GordonMoore 1965 Intel公司的创始人 著名半导体科学家 5 Moore定律 二进制 Binary 表示 计算机表示信息的方式 十进制 Decimal 表示 人的自然表示 16进制 Hexadecimal 表示 二进制的等价表示 每4位二进制数字等价于一位16进制数字 用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F表示16个数码 表示 二进制 B 十进制 D 可省略 十六进制 H 1 4计算机运算基础 1 常用的计数制 2 数制间的数值转换 1 非十进制数化十进制数的方法 各位数码乘以与其对应的权 然后相加即可 如 1011B 1 23 0 22 1 21 1 20 1102E3H 0 163 2 162 E 16 3 2 256 14 16 3 739 2 十进制转化为N进制数的方法整数部分除以N 并记下余数 直到商为0 将余数按从后往前的顺序排列起来 构成整数部分 小数部分乘以N 并记下结果的整数部分 直到结果的小数部分为0 然后将结果的整数部分从前向后排列起来 构成小数部分 3 十六进制与二进制数的转换十六进制数每一位用4位二进制数表示 4 举例求100D的二进制和十六进制表示100 2 50余050 2 25余025 2 12余112 2 6余06 2 3余03 2 1余11 2 0余1所以100D 1100100B 64H 其它例 18 125 10010 001B 101010 111B 42 875D 3 计算机中常用的编码 1 所谓编码是指信息在计算机中的表示方法 信息既包括数字也包括字母 符号和一些不可见的控制符号 2 BCD码 Binary CodedDecimal 用四位二进制数表示一位十进制数 3 ASCII码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 用7位二进制进行编码 00 7FH 可表示128种字符 见附录1 在机器内用一个字节表示 D7 0 4 汉字编码 常用国标码 用两个7位编码表示汉字和一些图形符号 在机器内用两个8位字节表示 称为内码 每个字节的D7 1 以与ASCII码相区别 如汉字 啊 的国标码为01100000100001 对应内码为1011000010100001 在计算机中 符号只能用数字来表示 用二进制数字的最高位表示该数的符号 正数为0 负数为1 其余位为数值位 机器数的表示方法有 原码 反码 补码 4 计算机中有符号数的表示 5 原码 反码和补码1 原码 正数的原码为该数的二进制数 负数的原码仅符号位为1 例 若用8位二进制数表示机器数 则13的原码为00001101 13的原码为10001101 原码便于乘除运算 但不便于加减运算 2 反码正数的反码等于原码 负数的反码为其原码的符号位不变 数值位按位取反 例 若用8位二进制数表示机器数 则13的反码为00001101 13的反码为11110010 对反码取反得到相反数的反码 例如 13 反码为 11110010 的各位取反 3 补码正数的补码等于原码 负数的补码为其反码 1 例 若用8位二进制数表示机器数 则13的补码为00001101 13的补码为11110010 1 11110011 对补码取补可得到相反数的补码 13 的补码为00001100 1 00001101 13 4 补码的性质与作用 x y 补 x 补 y 补 x y 补 x 补 y 补 x 补 补 x 补码的补码等于原码如32 13 32 13 00100000B 11110011B 00010011B而13 32 00001101B 11100000B 11101101B 19的补码采用补码可将减法转化为加法 而且符号位同数值位一同参与运算 运算简单 引入补码的目的是 1 便于加减法运算 2 使加法和减法相统一 降低硬件复杂性 例如 有两个补码X 00100000B Y 00001101B计算X Y的过程如下 1 对Y取补 得到其相反数的补码 Y 11110011B2 启动CPU中的加法器 计算X Y 00100000B 11110011B 000010011B思考 计算Y X应怎样处理 M位二进制数能够表示的无符号数范围为 0 2M 1M位二进制数能够表示的有符号数范围为 原码 2M 1 1 2M 1 1反码 2M 1 1 2M 1 1补码 2M 1