《微型计算机概论》PPT课件.ppt

1 微机原理与接口技术 PrincipleofMicrocomputer andInterfaceTechnology 课程目标 微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术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 要学啥呢 学了有啥用哦 3 微机原理的核心地位 数字逻辑电路 计算机基础 C语言 微机原理 微机控制 DCS系统 单片机 自动化仪表 技术基础课 教材及主要参考书 教材 微机原理与接口技术 陈昌志等主编 科学出版社主要参考书 微型计算机原理与接口技术 第3版 冯博琴主编 清华大学出版社 硬件技术基础 冯博琴主编 邮电出版社 微型计算机系统原理及应用 第2版 杨素行等编著 清华大学出版社 第1章微型计算机基础概论 主要内容 微型计算机系统计算机中的常用计数制 编码及它们相互间的转换二进制数的算术运算和逻辑运算符号数的表示及补码运算二进制数运算中的溢出问题基本逻辑门及译码器BCD码的加法运算 6 世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC 1 1微型计算机的发展 计算机按性能 价格和体积等综合指标 可分为巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机和单片机 7 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 电子计算机按其性能分类 大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机 微型计算机是第四代计算机的典型代表 8 微处理器微型机的核心部件 简称 P或MP MicroProcessor 它将计算机中的运算器和控制器集成在一片硅片 芯片 上 可称之为中央处理单元 CPU CentralProcessingUnit 9 第一代 1971 1973年 4位和低档8位微处理器时代第二代 1973 1978年 中高档8位微处理器时代第三代 1978 1980年 16位微处理器时代第四代 1983 1993年 32位微处理器时期第五代 1993 1996 Pentium微处理器的时代第六代 1997至今 加强型Pentium时代第七代 64位CPU时代 微处理器的发展 10 第一代 1971 1973年 4位和低档8位 典型产品有Intel4004 1971年 4位 和Intel8008 1972年 8位 特点 字长 4位或8位时钟频率 1MHz平均执行指令时间 15 20 s集成度 2000管 片 11 Intel4004 12 第二代 1973 1978年 中高档8位 Intel8080 Motorola公司的M6800 Zilog公司的Z80 Intel公司的8085 Rockwell与MOSTechnology的6502等 特点 字长 8位时钟频率 2 4MHz平均执行指令时间 1 2 s集成度 5000 10000管 片 13 8008 8085 14 第三代 1978 1980年 16位 Intel公司的8086 8088 Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000特点 字长 16位时钟频率 5 40MHz平均执行指令时间 0 5 s集成度 20000 60000管 片 15 8086 16 80286 17 第四代 1983 1993年 32位 1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年 Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年 Intel公司推出80486 同期有Motorola公司的M68040特点 字长 32位时钟频率 10 120MHz平均执行指令时间 0 2 s集成度 几十万 上百万管 片 18 80386 80486 19 第五代 1993 1996 Pentium 1993年3月 Intel公司的奔腾 Pentium 时钟频率 60 66MHz运行速度 100MIPS集成度 310万管 片1995年2月 Intel公司的PentiumPro时钟频率 166MHz以上集成度 550万管 片1996年Intel公司的PentiumMMX 多能奔腾 20 Pentium 传说中的586 Pentiumpro PentiumMMX 21 第六代 1997至今 加强型Pentium时代 1997年到1999年 Intel公司的Pentium Pentium AMD公司的AMD K7 这些芯片的集成度高达750万管 片 时钟频率达到750MHz 2001年底 Pentium 主频高达2GHz 具有4200万只晶体管 主流高端32位CPU市场的佼佼者 AMD公司的AthlonCPU 1 33GHz主频及2GHz主频 22 Pentium Celeron 23 Pentium Katmai Pentium IntelPentium Tualatin Coppermine 24 IntelPentium 423 IntelPentium 478 25 第七代 64位CPU时代 2001年5月 Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium Itanium由英特尔和惠普联合开发 主要用于工作站和服务器机型 内置2 4MB的3级缓存 工作频率为800MHz及722MHz的产品 价格为1177美元至4427美元 AMD公司的AMD K8 最新CPU 八核AMDFX系列六核INTEL酷睿i7系列 AMDFX系列 AMD羿龙 X6系列 27 微型化 网络化 智能化 微型计算机的发展现状 超级流水线技术将流水线深度增加了一倍数据流单指令多数据扩展2 SSE2 指令集扩展MMX和SSE技术 更好的支持DVD播放 音频和3D图形数据处理 网络流数据处理等采用了全新的一级 L1 指令高速缓存技术采用先进的400MHz系统总线具有双通道RDRAM 可实现更高性能 28 1 1 2微型计算机的工作过程 冯 诺依曼存储程序工作原理微型计算机的工作过程 29 冯 诺依曼计算机 存储程序计算机又称为冯 诺依曼型计算机 它以运算器为核心 以存储器原理为基础 所谓 存储程序 就是把处理问题的步骤 方法 用指令描述 和所需的数据事先存入存储器中保存起来 工作时由计算机的控制部件逐条取出指令并执行之 从而使计算机自动连续进行运算 指令是对计算机发出的一条条工作命令 命令它执行规定的操作 程序是实现某种任务的指令序列 计算机按程序安排的顺序执行指令 30 冯 诺依曼型计算机的结构示意图 31 存储程序工作原理程序中的指令必须采用二进制编码 和数据一样进行存储 程序中的指令必须属于执行程序的计算机的指令系统 32 微型计算机的工作过程就是执行程序的过程 而程序由指令序列组成 因此 执行程序的过程 就是执行指令序列的过程 即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作 微型计算机的工作过程 执行一条指令的五个基本操作 取指令 从存储器某个地址单元中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存 分析指令 或称指令译码 把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器 译出该指令对应的微操作信号 控制各个部件的操作 取操作数 如果需要 发出取数据命令 到存储器取出所需的操作数 执行指令 根据指令译码 向各个部件发出相应控制信号 完成指令规定的各种操作 保存结果 如果需要保存计算结果 则把结果保存到指定的存储器单元中 34 35 举例 计算5CH 2EH 36 模型机的结构 37 因为模型机并不认识助记符 而只认识用二进制数表示的操作码和操作数 因此 必须把以上程序写成二进制数的形式 即用对应的机器指令代替每个助记符 38 步骤一 39 步骤二 40 步骤三 41 步骤四 42 步骤五 43 步骤六 44 1 1 3微机系统的构成 区别3个概念 45 微型计算机系统 硬件系统 软件系统 外部设备 主机 应用软件 系统软件 I O接口 总线 存储器 CPU 运算器 控制器 寄存器组 微型计算机系统的一般结构 47 微型计算机硬件系统的概念结构 由CPU 总线 存储器 I O接口和外部设备构成 48 1 微处理器 微处理器简称CPU 是计算机的核心 主要包括 运算器控制器寄存器组 CPU的典型结构 49 CPU的功能 进行算术和逻辑运算 能对指令进行译码并执行规定的动作 可暂存少量数据 提供整个系统所需要的定时和控制 能和存储器 外设交换数据 可以响应其他部件发来的中断请求 50 运算器 运算器是计算机中加工和处理数据的功能部件 主要包括两个功能 对数据的加工处理 主要包括算术运算和逻辑运算 如加 减 乘 与 或 非运算等 这是运算器的重要功能 这些功能是通过运算器内部的算术逻辑单元 ALU 来完成的 暂时存放参与运算的数据和某些中间结果 通常是通过与ALU相连的寄存器组来实现 51 控制器 由指令寄存器 指令译码器和操作控制电路组成 控制器是计算机内 指挥 与 控制 整台计算机各个功能部件协同动作 自动执行计算机程序的功能部件 它要给出控制整台机器各功能部件正常运行所需要的全部信号 52 寄存器组 分为专用寄存器和通用寄存器 专用寄存器的作用是固定的 如SP PC FLAGS 通用寄存器如AX BX等由程序员规定其用途 寄存器组中包括多种类型的寄存器 其中累加器是寄存器组中最繁忙的寄存器 在进行算术运算和逻辑运算时 它具有双重功能 运算前用来保存一个操作数 运算后用来保存算术或逻辑运算的结果 数据寄存器是通过数据总线向存储器或输入 输出设备送 称为写 或取 称为读 数据的暂存单元 53 2 存储器 存储器又叫内存或主存 是微型计算机用来存放程序和数据 包括文字 图像 声音等 的记忆装置 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和当前执行的程序 内存 外存 随机存取 速度快 容量小 顺序存取 块存取 速度慢 容量大 54 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容 内存容量 内存的操作 内存的分类 55 内存单元的地址和内容 地址 每个单元都对应一个编号 以实现对单元内容的寻址内存单元的内容 内存单元中存放的信息 56 内存容量 内存所含存储单元的个数 以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址范围而定 即CPU地址信号线的位数 57 内存操作 读 将内存单元的内容读出 原单元内容不改变 即non destructiveread 写 CPU将信息写入内存单元 原单元中原内容被覆盖 即overlaywrite 刷新 把原来存储的内容重新再写入一次 此操作对CPU透明 而且仅动态存储器有此操作 58 59 内存的分类 随机存取存储器 RAM 按工作方式可分为只读存储器 ROM 60 3 输入 输出接口 I O接口是计算机主机与外部设备之间进行通信的桥梁 61 接口的分类 串行接口并行接口输入接口输出接口 从传送方式上 从总的功能上 62 接口的功能 数据缓冲寄存信号电平或类型的转换实现主机与外设间的运行匹配 63 4 总线 总线是计算机中各个部件之间传输信息的公共通道 它由一组导线和相关的逻辑电路构成 内部总线 是指位于CPU内部的总线 它把CPU内部的各个部件连接起来 外部总线 是指主机与外部设备接口的总线 实际上是外设的接口标准 目前微机上流行的接口标准有IDE EIDE ATA SCSI USB IEEE1394等 64 前端总线 是指CPU与存储器 高速缓存 总线接口等部件之间的总线 其中的信号线依用途的不同可分为数据总线 DataBus DB 地址总线 AddressBus AB 和控制总线 ControlBus CB 系统总线 也称为I O通道总线 用于连接I O接口 微机内的系统总线已完全标准化 曾经广泛使用的有PCI总线 ISA总线 MCA总线 EISA总线等 目前比较流行的系统总线有PCI总线 PCI E总线 65 地址总线 AB 用来传送CPU输出的地址信号 确定被访问的存储单元或I O端口 地址线的根数决定了CPU的寻址范围 若CPU的地址线根数为n 则CPU的寻址范围 2n 数据总线 DB 在CPU 存储器 I O接口等各部件之间传送数据的公共通路 数据总线的根数决定一次最多可以传送的数据的位数 控制总线 CB 用来在各部件之间传送各种控制信号 时序信号和状态信息 举例 举例 66 软件系统 运行 管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序及其相关资料的总和 系统软件 应用软件 操作系统系统实用程序 软件 编译程序汇编程序数据库调试程序工具软件 67 程序设计语言机器语言计算机直接执行的二进制形式的程序汇编语言助记符语言表示的程序高级语言不依赖于具体机型的程序设计语言 易混淆概念区分 微处理器 CPU 计算机的核心 包括运算器 控制器和寄存器组 实现了运算和控制功能 微型计算机以CPU为核心 配上ROM RAM I O口及系统总线等部件 构成了其硬件系统 单片机将CPU ROM RAM I O口等集成在一片超大规模集成电路芯片上的 微型计算机 微型计算机系统用于信息输入输出的外部设备以及控制计算机工作的各种软件 69 微型计算机的物理结构 微型计算机的硬件架构图 70 微型计算机的物理结构示意图 71 典型的主板结构 Intel845G芯片组 72 Intel965G芯片组 73 主板上的主要部件 CPU插座 74 芯片组 南北桥 HUB 内存插槽 用于插入内存条高速缓存 现已集成到CPU内部 用于提高内存的访问速度系统BIOS 硬件控制 系统配置CMOS 存放硬件配置参数总线扩展槽 PCI PCI E ISA AGP 75 串行 并行接口 键盘鼠标接口 USB接口 连接外部设备 76 软 硬盘 光驱插座 77 芯片组 CPU的外围控制芯片 通常为2片 它有两种架构 南北桥和HUB 加速中心 南北桥结构北桥 提供CPU 主存 高速缓存的连接 AGP接口 PCI桥接南桥 提供USB IDE FDD HDD 串 并口及ISA桥接等例如 Intel4xx系列 VIA6xx系列 SiS6xx系列HUB结构GMCH AGP接口 存储器通道ICH PCI桥接 IDE控制器 USB 串 并口FWH 系统BIOS 显示BIOS 随机数发生器例如 Intel8xx系列 9xx系列等 78 Intel80 x86CPU的地址线条数 Intel80 x86地址条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MB80386 Pentium4324GB 返回 79 Intel80 x86CPU的数据线位数 Intel80 x86数据位数80861680888802861680386 Pentium432 返回 80 1 2常用计数制 了解 各种计数制的特点及表示方法掌握 各种计数制之间的相互转换 81 1 定点小数的表示 定义 小数点准确固定在数据某个位置上的小数表示 表数范围为 82 2 整数的表示 定义 小数点定在数据的最低位右边的一种数据表示 表数范围为 83 3 浮点数的表示 定义 小数点的位置可以左右移动的数据表示 M 浮点数的尾数 或称为有效数字 通常是纯小数 R 阶码的基数E 阶码 为带符号整数Es 阶符 表示阶码的符号 决定浮点数范围的大小Ms 尾符 尾数的符号位 安排在最高位 表示浮点数的正负 84 典型的浮点数格式 10 01011101 2 5的阶码为 5 表示把尾数的小数点向右移动5位就是小数点的实际位置 Ms Es E M 1位 1位 m位 n位 85 浮点数的规格化 规格化处理 整数部分必须是1 浮点数的表数范围主要由阶码决定 精度则主要由尾数决定 规格化浮点数 规定计算机内浮点数的尾数部分用纯小数表示 即小数点右边第1位不为0 对不满足要求的数 可通过修改阶码并同时左右移动小数点位置的方法 使其变为规格化浮点数 86 1 3二进制数的运算 无符号数算术运算有符号数逻辑运算 87 一 无符号数的运算1 算术运算 包括 加法运算减法运算乘法运算除法运算 88 注意点 对加法 1 1 0 有进位 对减法 0 1 1 有借位 对二进制数 乘以2相当于左移一位 除以2则相当于右移1位 89 例7 00001011 0100 00101100B00001011 0100 00000010B即 商 00000010B余数 11B 90 2 无符号数的表示范围 一个n位无符号二进制数X 它可表示的数的范围为 0 X 2n 1若运算结果超出这个范围 则产生溢出 对无符号数 运算时 当最高位向更高位有进位 或借位 时则产生溢出 91 例8 最高位向前有进位 产生溢出8位 1字节 表示数的范围 0 255 00000000 1 00000001 11111111 92 3 无符号二进制数的溢出判断 无符号二进制数加法 或减法 中最高有效位Di的进 借 位为Ci 则两个无符号二进制数相加 或相减 时 若最高有效位Di产生进位 或相减有借位 即Ci 1 则产生溢出 在加法过程中 符号位向更高位产生进位 在减法过程中 符号位向更高位产生借位 产生溢出 93 4 逻辑运算 与或非异或 94 5 逻辑门 掌握 与 或 非门逻辑符号和逻辑关系 真值表 与非门 或非门的应用 95 与 或 运算 任何数和 0 相 与 结果为0任何数和 1 相 或 结果为1 96 非 异或 运算 非 运算即按位求反两个二进制数相 异或 相同则为0 相异则为1 97 6 译码器 74LS138译码器 G1 G2A G2B C B A Y0 Y7 98 掌握 74LS138译码器 各引脚功能输入端与输出端关系 真值表 99 二 有符号数 计算机中的符号数可表示为 符号位 真值机器数 0 表示正 1 表示负 机器数 符号数值化了的数 用一位表示符号的二进制数 机器数的真值 原来的数值 包括 号 100 例9 52 0110100 00110100符号位真值 52 0110100 10110100符号位真值 101 1 符号数的表示 原码反码补码 102 原码 最高位为符号位 用 0 表示正 用 1 表示负 其余为真值部分优点 真值和其原码表示之间的对应关系简单 容易理解缺点 计算机中用原码进行加减运算比较困难 0的表示不惟一 103 数0的原码 8位数0的原码 0 原 00000000 0 原 10000000即 数0的原码不惟一 104 原码的定义 若二进制数X Xn 1Xn 2 X1X0X2n 1 X 0 X 原 2n 1 X 2n 1 X 0 X 2n 1 105 反码 对一个机器数X 若X 0 则 X 反 X 原若X 0 则 X 反 对应原码的符号位不变 数值部分按位求反 106 例10 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 107 0的反码 0 反 00000000 0 反 11111111即 数0的反码也不惟一 108 反码的定义 若二进制数X Xn 1Xn 2 X1X0X2n 1 X 0 X 反 2n 1 X0 X 2n 1 109 补码 定义 若X 0 则 X 补 X 反 X 原若X 0 则 X 补 X 反 1 110 例11 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 111 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉即 数0的补码唯一 112 补码的定义 若二进制数X Xn 1Xn 2 X1X0X2n 1 X 0 X 补 2n X 2n X 0 X 2n 1 113 特殊数10000000 该数在原码中定义为 0在反码中定义为 127在补码中定义为 128对无符号数 10000000 B 128 114 符号数的表示范围 对8位二进制数 原码 127 127反码 127 127补码 128 127 115 2 符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数 1 求出真值2 进行转换 116 例12 将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数 X 补 00101110B真值为 0101110B正数所以 X 46 X 补 11010010B真值为 010010B负数从而有 X X 补 补 11010010 补 0101110 46 X 原 X 补 补 117 3 补码的运算 通过引进补码 可将减法运算转换为加法运算即 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 118 例13 X 0110100 Y 1110100 求 X Y 补 X 原 10110100 X 补 X 反 1 11001100 Y 补 Y 原 01110100所以 X Y 补 X 补 Y 补 11001100 01110100101000000 自然丢失 最后得出 X Y 补 64 10 119 带符号数的表示范围8位二进制符号数 原码 反码 补码所能表示的范围 原码 11111111B 01111111B 127 127反码 10000000B 01111111B 127 127补码 10000000B 01111111B 128 12716位二进制符号数 原码 反码 补码所能表示的范围 原码 FFFFH 7FFFH 32767 32767反码 8000H 7FFFH 32767 32767补码 8000H 7FFFH 32768 32767 4 符号数运算中的溢出问题 120 带符号数运算时的溢出判断两个带符号二进制数相加或相减时 若最高位 次高位 1则结果产生溢出 121 例14 若 X 01111000 Y 01101001则 X Y 即 次高位向最高位有进位 而最高位向前无进位 产生溢出 事实上 两正数相加得出负数 结果出错 C7 0 C6 1 C7 C6 1 120 105 31 122 例15 若X 83 Y 80 用补码计算X Y X 补 10101101 Y 补 10110000 X 补 Y 补 10101101 83 10110000 80101011101 93即 最高位向最高位有进位 而次高位向前无进位 产生溢出 事实上 两正数相加得出负数 结果出错 C7 C6 1无溢出条件 C7 1 C6 1 C7 0 C6 0 用自陷中断处理溢出 123 1 4计算机中的编码 BCD码ASCII码 124 1 二 十进制数的表示 8421BCD码 用四位二进制数表示一位十进制数 表1 1十进制数和二进制码的对应关系 125 例15将十进制数138 16转换为BCD码 解 将138 16的每一位用对应的BCD码表示 可得 138 16 10 000100111000 00010110 BCD 例16将BCD码000101110101 0101转换为十进制数 解 000101110101 0101 BCD 175 5 10 例17将二进制数00110101转换为BCD码 解 00110101 2 53 10 01010011 BCD同一个8位二进制代码表示的数 当认为它表示的是二进制数和认为它表示的是二进制编码的十进制数时 数值是不相同的 例如00011000作为二进制数时 其值为24 但作为2位BCD码时 其值为18 126 BCD码的存储方式 压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数 127 BCD码的加法运算下面我们以压缩BCD码格式为例讨论BCD码的加法运算 例18用BCD码求38 49 解 0011100038的BCD码 0100100149的BCD码1000000181的BCD码 对应十进制数为81 正确结果应为87 显然结果是错误的 其原因是 十进制数相加应当是 逢十进一 而计算机按二进制数运算 每4位为一组 低4位向高4位进位与十六进制数低位向高位的情况相当 是 逢十六进一 所以当相加结果超过9时将比正确结果少6 因此 结果出错 128 解决的办法 对二进制加法运算的结果采用 加6修正 将二进制加法运算的结果修正为BCD码加法运算的结果 两个两位BCD数相加时 对二进制加法运算结果修正的规则如下 1 如果任何两个对应位BCD数相加的结果向高一位无进位时 若得到的结果小于或等于9 则该位不需修正 若得到的结果大于9且小于16 则该位进行加6修正 2 如果任何两个对应位BCD数相加的结果向高一位有进位时 即结果大于或等于16 该位进行加6修正 3 低位修正结果使高位大于9时 高位进行加6修正 这种修正称为BCD调整 129 下面通过例题验证上述规则的正确性 例19用BCD码求35 21 解 0011100035 00100001210101011056 低4位 高