微机原理与接口技术.ppt

微机原理与接口技术 计算机教研室 学时安排 理论 70学时实验 30学时 内容安排 第1章 概述第2章 CPU结构第3章 指令系统 寻址方式第4章 汇编编程第5章 CPU总线时序 系统总线第6章 主存第7章 输入 输出第8章 中断第9章 定时器第10章 并口 串口第11章 开关量 模拟量 第1章概述 1 1计算机的数制及其转换 1 2计算机中数与字符的编码1 3微型计算机系统组成1 4微型计算机性能指标及分类1 5多媒体计算机 计算机内部的信息分类 1 控制信息是控制命令 指挥计算机如何操作 2 数据信息是计算机操作的对象 1 数值数据用于表示数量的大小 它有确定的数值 2 非数值数据无确定值 包括字符 汉字 逻辑数据等 1 1计算机的数制及其转换 信息在计算机内部存储的形式 基2码编码 基2码在物理上最容易实现 如用 1 和 0 表示高 低两个电位 表示脉冲有无 表示脉冲正 负极性等 可靠性较高 2 基2码表示二进制数 其编码 加减运算规则简单 3 基2码两个符号 1 和 0 正好与逻辑数据 真 与 假 相对应 方便逻辑运算 1 1计算机的数制及其转换 1 1 1数与数制进位计数制是一种计数的方法 十进制是最常用的进位计数制六十进制 1小时 60分 1分 60秒 十二进制 1英尺 12英寸 1年 12月 二进制常用于计算机中八进制计数及十六进制 为便于阅读及书写 常用这两种进制 1 1 1数与数制各进制特点十进制数 逢十进一 借一当十 数字符号10个 0 9 二进制数 逢二进一 借一当二 数字符号2个 0 1 八进制数 逢八进一 借一当八 数字符号8个 0 7 十六进制数 逢十六进一 借一当十六 数字符号16个 0 9 A F 1 1 1数与数制十进制数234 13 个位的4表示四个1十位的3表示三个10百位的2表示两个100小数点后第一位的1表示一个0 1小数点后第二位的3表示三个0 01位权 某个位置 所代表的值 某个固定位置上的计数单位 同一进制的数 位置不同时 位权不同 十进制数 个位的位权为十位的位权为百位的位权为千位的位权为小数点后第一位的位权为小数点后第二位的位权为 234 13 10用位权表示为 234 13 10 2 102 3 101 4 100 1 10 1 3 10 2 10010110210310 110 2 1 1 1数与数制任意一个二进制数 八进制数和十六进制数也可用位权表示 234 13 10 2 102 3 101 4 100 1 10 1 3 10 2 101 11 2 124 36 8 AC B5 16 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 21 82 2 81 4 80 3 8 1 6 8 2A 161 C 160 B 16 1 5 16 2 不同进制数 位置相同时 位权不同 1 1 2不同数制之间的转换1 十进制数与二进制数之间的转换1 十进制整数转换成二进制整数方法 除2取余数 结果倒排列 具体做法 将十进制数除以2 得到一个商和一个余数 再将商除以2 又得到一个商和一个余数 继续这一过程 直到商等于0为止 每次得到的余数 必定是0或1 就是对应的二进制数的各位数字 注意 第一次得到的余数为二进制数的最低位 最后得到的余数为二进制数的最高位 97 2 48 1 2 2 2 0 0 0 24 12 3 97 10 1100001 2 2 6 0 例1 1 将十进制数97转换成二进制数 2 1 1 2 0 1 a3a2a1a0 2 a3 23 a2 22 a1 21 a0 20 10 a3 22 a2 21 a1 2 a0 10 a3 2 a2 2 a1 2 a0 10 0 2 a3 2 a2 2 a1 2 a0 10 商 2 余数 10 N 10 2 十进制小数转换成二进制小数方法 乘2取整法 具体做法 用2乘以十进制小数 得到整数和小数部分 再用2乘以小数部分 又得到一个整数和一个小数部分 继续这一过程 直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止 最后将每次得到的整数部分 必定是0或1 按先后顺序从左到右排列 即得到所对应的二进制小数 0 6875 2 0 375 2 0 75 2 0 5 2 例1 2 将十进制数0 6875转换成二进制数 整数部分1 37510 7501 511 01 即 0 6875 10 0 1011 2 0 6 2 0 2 2 0 4 2 0 8 2 0 6 补充例题 将十进制数0 6转换成二进制数 整数部分1 210 400 801 61 即 0 6 10 0 1001 2 用十进制表示 3也是无限小数的 0 a 1a 2a 3 2 a 1 2 1 a 2 2 2 a 3 2 3 10 a 1 a 2 2 1 a 3 2 2 2 1 10 整数部分 小数部分 2 1 10 0 N 10 将一个既有整数又有小数部分的十进制数转换成二进制数 将整数 小数分别转换 再组合 例如把97 6875转换成对应二进制数 97 10 1100001 2 0 6875 10 0 1011 2 97 6875 10 1100001 1011 2 3 二进制数转换成十进制数方法 按位权展开后相加求和 例1 3 将二进制数111 11转换成十进制数 2 十进制与八进制之间的转换1 十进制整数转换成八进制整数方法 除8取余数 结果倒排列 具体做法 将十进制数除以8 得到一个商和一个余数 再将商除以8 又得到一个商和一个余数 继续这一过程 直到商等于0为止 每次得到的余数 必定是小于8的数 就是对应八进制数的各位数字 第一次得到的余数为八进制数的最低位 最后一次得到的余数为八进制数的最高位 97 8 12 1 8 8 4 1 1 0 97 10 141 8 例1 4 将十进制数97转换成八进制数 2 十进制小数转换成八进制小数方法 乘8取整数 结果顺排列 具体做法 用8乘以十进制小数 得到一个整数和一个小数 再用8乘以小数部分 又得到一个整数和一个小数 继续这一过程 直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止 最后将每次得到的整数部分 必定是小于8的数 按先后顺序从左到右排列 即得到所对应的二进制小数 0 6875 8 0 5 8 例1 5 将十进制小数0 6875转换成八进制小数 整数部分5 554 04 即 0 6875 10 0 54 8 3 八进制数转换成十进制数方法 按位权展开后相加求和 例1 6 将八进制数141 54转换成十进制数 3 十进制与十六进制之间的转换1 十进制整数转换成十六进制整数方法 除16取余数 结果倒排列 具体做法 将十进制数除以16 得到一个商和一个余数 再将商除以16 又得到一个商和一个余数 继续这一过程 直到商等于0为止 每次得到的余数 必定小于F的数 就是对应十六进制数的各位数字 第一次得到的余数为十六进制数的最低位 最后一次得到的余数为十六进制数的最高位 97 16 6 1 16 6 0 97 10 61 16 例1 7 将十进制数97转换成十六进制数 2 十进制小数转换成十六进制小数方法 乘16取整数 结果顺排列 具体做法 用16乘以十进制小数 得到一个整数和一个小数 再用16乘以小数部分 又得到一个整数和一个小数 继续这一过程 直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止 最后将每次得到的整数部分 必定是小于F的数 按先后顺序从左到右排列 即得到所对应的十六进制小数 0 6875 16 例1 8 将十进制小数0 6875转换成十六进制小数 整数部分11 011即B 0 6875 10 0 B 16 3 十六进制数转换成十进制数方法 按位权展开后相加求和 例1 9 将十六进制数61 B转换成十进制数 4 二进制与八进制 十六进制数之间的转换1 二进制数转换成八进制数方法 从小数点所在位置分别向左 向右每三位一组进行划分 若小数点左侧的位数不是3的整数倍 在数的最左侧补零 若小数点右侧的位数不是3的整数倍 则在数的最右侧补零 例1 10 直接将二进制数11110 11转换成八进制数 011110 110 11110 11 2 36 6 8 3 6 6 a4a3a2a1a0 2 a4 24 a3 23 a2 22 a1 21 a0 20 10 0 25 a4 24 a3 23 a2 22 a1 21 a0 20 10 0 22 a4 21 a3 23 a2 22 a1 21 a0 20 10 k1 8 k0 10 k1k0 8 表1 1十 二 八 十六进制数码的对应关系 2 八进制数转换二进制数方法 将每一位八进制数分解成对应的三位二进制数 排列后即为八进制数对应的二进制数 例1 11 直接将八进制数35 6转换成二进制数 35 6 35 6 8 11101 11 2 101 011 110 3 二进制数转换成十六进制数方法 从小数点所在位置分别向左 向右每四位一组进行划分 若小数点左侧的位数不是4的整数倍 在数的最左侧补零 若小数点右侧的位数不是4的整数倍 在数的最右侧补零 例1 12 直接将二进制11110 11转换成十六进制数 00011110 11001 11110 11 2 1E C 16 C E 4 十六进制数转换二进制数方法 将每一位十六进制数转换成对应的四位二进制数 排列后即为十六进制数对应的二进制数 例1 13 直接将十六进制数EF C转换成二进制数 EF C1110 EF C 16 11101111 11 2 1111 1100 计算机中用 数字用 字母十进制数用D Decimal 或d二进制数用B Binary 或b八进制数用O Octal 或o 英文字母O容易和零混淆 可用 或q 十六进制用H Hexadecimal 或h来表示 一般默认用十进制数 所以十进制数可不标 25D 11001B 19H 31Q0 5D 0 1B 0 8H 0 4Q25d 11001b 19h 31q0 5d 0 1b 0 8h 0 4q本书采用大写字母 八进制数和十六进制数用来简化二进制数书写 表示较短 25 10 2 16 8 0 5 10 2 16 8 110010 1 310 4 190 8 1 2计算机中数与字符的编码 1 2 1数值数据的编码及其运算1 二进制数据的编码及运算常用编码 原码 反码和补码 补码有许多优点 大多数微机数字采用补码 机器数 带符号的二进制数值数据在计算机内部的编码 机器数最高位表示正负号 0表示正数 1表示负数 原码 反码 补码 真值 机器数所代表的实际值 1 二进制数原码编码方法设真值为X 机器字长为n位 原码 是符号化的机器数真值本身 n 8时 0 原 00000000 1 原 00000001 127 原 01111111 n 8时 0 原 10000000 1 原 10000001 127 原 11111111 当X 0时 X 原的最高位填0 其余n 1位填X的各数值位的位值 当X 0时 X 原的最高位填1 其余n 1位填X的各数值位的位值 若有二进制数X Xn 1Xn 2 X1X0 则原码表示法的定义为 注意 原码中 真值0的原码可表示为两种不同的形式 0和 0 原码优点 简单 易理解 与真值间的转换较为方便 原码缺点 进行加减运算时较麻烦 既要考虑是做加法还是做减法运算 减法时还要考虑数的符号和绝对值的大小 使运算器设计较为复杂 运算速度慢 2 二进制数反码编码方法设真值为X 机器字长为n位 正数的反码就是其原码 负数的反码就是机器数符号位保持不变 其余按位取反 n 8时 0 反 00000000 1 反 00000001 127 反 01111111n 8时 0 反 11111111 1 反 11111110 127 反 10000000X 0时 X 反的最高位填0 其余n 1位填X的各数值位的位值 X 0时 X 反 2n 1 X若二进制数X Xn 1Xn 2 X1X0 则反码表示法的定义为在反码中 真值0的反码可表示为两种不同的形式 0和 0 3 二进制数补码编码方法设真值为X 机器字长为n位 正数补码是其原码 负数补码是机器数符号位保持不变 其余位取反码后末位加1 n 8时 0 补 00000000 1 补 00000001 127 补 01111111 n 8时 0 补 00000000 1 补 11111111 127 补 10000001 当X 0时 X 补最高位填0 其余n 1位填X的各数值位的位值当X 0时 X 补 2n X MOD2n 注意 在补码表示法中 0只有一种表示 即000 000 对于10000000这个补码编码 其真值被定义为 128 例1 14 机器字长n 8位 X 48D 求 X 补 首先将 48D转换为二进制数 110000B 48 补 00110000B 30H 例1 15 机器字长n 8位 X 48D 求 X 补 原码10110000B反码11001111B末位加1后为11010000B 48 补 11010000B 0D0H 汇编语言中 为区别指令码和数据 以A F开始的数据前加零 例1 16 机器字长n 16位 X 48D 求 X 补 48 补 0000000000110000B 0030H 例1 17 机器字长n 16位 X 48D 求 X 补 000000000110000B求反后1111111111001111B末位加1后1111111111010000B 48 补 1111111111010000B 0FFD0H补码数要扩展时 正数在符号前补0 负数是在符号前补1 补码数扩展实际上是符号扩展 已知补码求真值的方法 补码最高位为0时 则真值是正数 其值为其余n 1位的值 补码最高位为1时 则真值是负数 其值为其余n 1位按位取反后末位加1的值 例如 若 X 补 01111111 则X 2 10若 X 补 11111111 则X 2 10如果机器字长为n位 则补码能表示的整数范围是 2n 1 N 2n 1 1 1111111 0000001 127 1 当n 8时当n 16时 128 N 127 32768 N 32767 已知补码求真值的方法 补码最高位为0时 则真值是正数 其值为其余n 1位的值 补码最高位为1时 则真值是负数 其值为其余n 1位按位取反后末位加1的值 X 48时 X原 10110000BX反 11001111BX补 11010000B已知X补 11010000B 求X原 表1 28位二进制补码数范围 4 二进制数补码的运算补码的运算规则 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补已知 Y 补 Y 补 将 Y 补各位按位取反 包括符号位在内 末位加1 因为 X1 Y1 补 0010001 补 00010001 X1 补 Y1 补所以 X1 Y1 补 X1 补 Y1 补 例1 18 设X1 0001100X2 0001100Y1 0000101Y2 0000101 1 计算X1 Y1 0001100X1 0000101Y1 0010001X1 Y1 00001100 X1 补 00000101 Y1 补00010001 X1 补 Y1 补 X1 补 00001100 X2 补 11110100 Y1 补 00000101 Y2 补 11111011 因为 X1 Y1 补 0000111 补 00000111 X1 补 Y1 补所以 X1 Y1 补 X1 补 Y1 补 0001100X1 0000101Y1 0000111X1 Y1 00001100 X1 补 11111011 Y1 补100000111 X1 补 Y1 补 例1 18 设X1 0001100 X1 补 00001100X2 0001100 X2 补 11110100Y1 0000101 Y1 补 00000101Y2 0000101 Y2 补 11111011 2 计算X1 Y1 0001100X2 0000101Y2 0010001X2 Y2 因为 X2 Y2 补 0010001 补 11101111 X2 补 Y2 补所以 X2 Y2 补 X2 补 Y2 补 11110100 X2 补 11111011 Y2 补111101111 X2 补 Y2 补 例1 18 设X1 0001100 X1 补 00001100X2 0001100 X2 补 11110100Y1 0000101 Y1 补 00000101Y2 0000101 Y2 补 11111011 3 计算X2 Y2 0001100X2 0000101Y2 0000111X2 Y2 11110100 X2 补 00000101 Y2 补11111001 X2 补 Y2 补 因为 X2 Y2 补 0000111 补 11111001 X2 补 Y2 补所以 X2 Y2 补 X2 补 Y2 补 例1 18 设X1 0001100 X1 补 00001100X2 0001100 X2 补 11110100Y1 0000101 Y1 补 00000101Y2 0000101 Y2 补 11111011 4 计算X2 Y2 例1 18 设X1 0001100 X1 补 00001100X2 0001100 X2 补 11110100Y1 0000101 Y1 补 00000101Y2 0000101 Y2 补 11111011 X1 Y1 补 X1 补 Y2 补正 正负 正 X1 Y1 补 X1 补 Y2 补正 正负 正 X2 Y2 补 X1 补 Y2 补负 负负 正 X2 Y2 补 X1 补 Y2 补负 负负 正补码的运算规则 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补补码优点 1 减法转化成了加法 这样大大简化了运算器硬件电路的设计 加减法可用同一硬件电路进行处理 2 运算时 符号位与数值位同等对待 都按二进制数参加运算 符号位产生的进位丢掉不管 其结果是正确的 简化了运算规则 公式注意 运算结果不能超出机器数所能表示的范围 否则运算结果不正确 按 溢出 处理 例设机器字长为8位 则 128 N 127 计算 64 65 6401000000 65 01000001 12910000001 127因为 超出字长为8位所能表示的最大值 产生了 溢出 所以错 再如 计算 125 10 12510000011 10 11110110 135101111001 121因为 超出字长为8位所能表示的最小值 产生了 溢出 所以错 2 采用补码运算后 结果也是补码 欲得真值 还需进行转换 2 无符号整数的编码及运算规则在某些情况下 计算机要处理的数据全是正数 此时机器数再保留符号位就没有意义了 这时 将机器数最高有效位也作为数值位处理 也就是说 假设机器字长为n位 有符号整数的编码可表示为 无符号整数的表示范围是 当n 8位时 表示范围是 当n 16位时 表示范围是 计算机中最常见的无符号整数是地址 另外 双字长数据的低位字也是无符号整数 注意 计算机本身不论是对有符号数还是无符号数 总是按照补码的运算规则做运算 138 7145 118 7 111 10001010 0000011110010001 看作无符号数 看作是有符号数 结论 不论二进制数解释成有符号数还是无符号数 其结果都正确 因此 机器采用补码编码以后 不必针对无符号数和有符号数设计两套不同的电路 无符号数和有符号数的运算是兼容的 这是补码优点 0 N 2n 10 N 2550 N 65535 12 7 5 100000000 000001111111100111111000 原码补码反码 10点 3点 1 48 原码 反码 补码 3 十进制数的编码及运算人们在日常生活中习惯使用十进制数 而在计算机内 采用二进制表示和处理数据更方便 因此 计算机在输入和输出时 要进行十 二和二 十进制数转换 但是 在某些特定的应用领域中 如商业统计 数据的运算很简单 但数据的输入和输出量很大 这样 进制转换所占的时间比例就会很大 从提高计算机的运行效率考虑 可以采用在计算机内部直接用十进制表示和处理数据的方法 十进制数的每一个数位的基为10 计算机内 必须用基2码对每个十进制数位进行编码 所需最少基码位数为lb10 即log210 取整数为4 4位基2码有16种不同的组合 怎样从中选择出10个组合来表示十进制数位的0 9 方案非常多 最常见的是8421码 指4个基2码的位权从高到低分别为8 4 2 1 选择的是0000 0001 0010 1001这10种组合 来表示0 9 特点 4个基2码之间满足二进制规则 十进制数位之间是十进制计数规则 这种编码实质上是二进制编码的十进制数 BinaryCodedDecimal 因此 简称BCD码或二 十进制码 例1 19 将十进制数67 9转换成BCD码 67 901100111 1001 67 9 10 01100111 1001 BCD 67 9 10 2 例1 20 将BCD码10010110 0110转换成十进制数 10010110 011096 6 10010110 0110 BCD 96 6 10 01000011 1110 例1 21 计算1 8的值 0001 10001001 例1 22 需要修正BCD码运算值的举例 计算5 7的值 0101 01111100结果大于9 0110加6修正10010十进制数2 还产生了进位 5 7 12 结论正确 计算9 9的值 1001 100110010有进位 0110加6修正11000十进制的8 还产生进位 9 9 18 结论正确 BCD码的运算规则 因为 运算器做加减运算时 都按二进制运算规则进行处理 机器按二进制相加 4位二进制数相加时 按 逢十六进一 BCD码是二进制编码的十进制数 实质上是2个十进制数相加 应该按 逢十进一 16与10相差6 所以 结果需要修正 修正规则是 当两个BCD码相加 如果和等于或小于1001 即9H 不需要修正 如果和在1010到1111 即0AH 0FH 之间 则需加6H进行修正 如果相加时本位产生了进位 也需加6H进行修正 结论 当和超过9或有进位时 都要加6进行修正 例1 23 需要修正BCD码运算值的举例 计算9 7的值 1001 01110010十进制数2 9 7 2 结论正确 计算7 9的值 10111 发生借位 10011110 0110减6修正1000十进制数8 有借位 7 9 8 结论正确 8是 2以10为模的补码 在机器中 负数都以补码形式表示 当两个BCD码相减 修正规则如果差等于或小于1001 不需要修正 如果相减时本位产生了借位 则应减6H加以修正 原因 如果有借位 机器将这个借位当十六看 而实际应当十看 在计算机中BCD码有两种格式 压缩BCD码和非压缩BCD码 1 非压缩BCD码 1字节仅表示一位BCD数 00000110 BCD 6 2 压缩BCD码 1字节仅表示两位BCD数 01100110 BCD 66 BCD码调整方式 1 BCD码采用上述方法调整 2 可在交付计算机运算之前 先将BCD码转换为二进制数 然后交付计算机运算 运算以后再将二进制结果转换为BCD码 1 2 2非数值数据的二进制编码计算机中的数据 数值数据 非数值数据非数值数据 像英文字母 标点符号 专用符号 汉字等等 不论什么数据 都必须用基2码编码后才能存储 传送及处理 1 字符编码使用最多 最普遍的是ASCII字符编码美国标准信息交换代码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 表1 4ASCII字符编码 ASCII码表有以下几个特点 1 每个字符用7位基2码表示一般将最高位置 0 最高位用做校验位 2 ASCII码共编码了128个字符 它们分别是 32个控制字符 主要用于通信中的通信控制或对计算机设备的功能控制 编码值为0 31 十进制 间隔字符 也称空格字符 SP 编码值为20H 删除控制码DEL 编码值为7FH 94个可印刷字符 或称有形字符 两个规律 字符0 9这10个数字符高3位为011 低4位为0000 1001 低4位是数据0 9的二进制形式 连续字母的ASCII连续利于ASCII码与二进制码之间的转换 英文字母的编码值满足A Z或a z正常的字母排序关系 连续字母的ASCII连续同一字母大小写相差20H 2 汉字的编码汉字字符编码 采用两个字节即16位二进制数 由于汉字的特殊性 汉字的输入 存储 输出过程中所使用的汉字编码是不一样的 1 汉字输入编码把汉字通过西文标准键盘输入到计算机内 就必须对汉字设计编码 不同的输入法对同一汉字有不同的编码方案 常见的有数字码 音码 形码及混合码 2 汉字机内码也称汉字内部码 简称内码 是机器存储和处理汉字时采用的编码 每个汉字的机内码是惟一的 用两个字节表示 为避免与西文字符的ASCII码之间产生二义性 汉字机内码中两个字节的最高位均规定为 1 3 汉字字形码汉字字形码也叫汉字字模点阵码 是汉字输出时的字形点阵代码 是一串基2码编码 3 逻辑数据的编码逻辑数据是用来表示 是 与 否 或称 真 与 假 两个状态的数据 在计算机中 用 1 表示 真 或 是 用 0 表示 假 或 否 这里的 1 和 0 没有数值和大小概念 只有逻辑意义 对逻辑数据只能进行逻辑运算 运算结果仍是逻辑数据 1 与 运算 AND 与 运算又称逻辑乘 用符号 或 表示 其运算规则为0 0 0 1 1 0 1 1 当两个逻辑变量取值均为1时 它们 与 的结果才为1 2 或 运算 OR 或 运算又称逻辑加 用符号 或 表示 其运算规则为0 0 0 1 1 0 1 1 当两个逻辑变量的取值只要一个为1 它们 或 的结果就会为1 3 非 运算 NOT 非 运算用符号 来表示 其运算规则为1 00 1 0001 0111 4 异或 运算 XOR 异或 运算用符号 或 来表示 其运算规则为0 0 0 1 1 0 1 1 当两个逻辑变量取值不相同时 它们 异或 的结果才为1 注意 一个逻辑数据用一位基2码表示 8个逻辑数据用8位基2码表示 8位基2码可存在一个字节中 反过来说 一个32位的字就可以表示32个逻辑数据 0110 表1 5逻辑数运算规则 X Y X Y X Y 0070H 77F7H 7787H 例如 X 00F0H Y 7777H 求X Y X Y X Y X 0000000011110000Y 0111011101110111 1 3微型计算机系统组成 微型计算机系统 硬件系统 软件系统1 3 1微型计算机硬件系统组成微处理器或称中央处理单元 CPU 内部存储器 简称内存 输入 输出接口 简称I O接口 及系统总线 图l 1微型计算机的硬件结构 1 中央处理单元CPU中央处理单元CPU CentralProcessingUnit 是微型计算机的心脏 它包含了早期计算机中的运算器 控制器和其他功能部件 它是用来解释执行指令并进行运算的部件 CPU是一块超大规模集成电路 它集成了成千上万的逻辑门阵列电路 这些逻辑门阵列电路组成了用于进行运算的加法器 算术逻辑单元 译码器 数据选择器 触发器 寄存器 计数器等基本运算单元 无论多么复杂的工作 都是由计算机程序来完成的 而计算机高级语言程序被一级一级地最终翻译成机器认识的由 0 和 1 组成的二进制机器码 这些机器码就是由上述基本运算单元进行处理的 所以人们把计算机又称为 电脑 实际指的就是CPU的功能 目前生产微机CPU的最大的代表厂商是美国的Intel公司和AMD公司 早期的8086 80286 80386到近期的Pentium Pentium Pentium Pentium 4等就是Intel公司的主导产品 Core微架构拥有双核心 64bit指令集 4发射的超标量体系结构和乱序执行机制等技术 使用65nm制造工艺生产 支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址 支持Intel所有的扩展指令集 在评价CPU的指标时 最主要的是看它的主频 主频越高 其运算速度越快 字长代表了CPU对数据处理的能力和精度 其次还要看CPU的缓存有多大 一般来讲 缓存的大小也对CPU的运算速度有很大的影响 当然工作温度也很重要 温度涉及到CPU的工作寿命 2 内存存储器的主要任务是临时或永久性保存计算机的软件资源 存储器分为内存储器和外存储器 内存储器指内存 用于临时性保存软件资源 外存储器则包括了硬盘 软盘 光驱 磁带机等许多设备 用来永久性保存软件资源 在现代微机中内存用内存条的形状提供 在计算机主板上有一个一个的内存扩展插槽 内存条就是插在这些内存扩展槽上的 内存条现在常用的有128MB 256MB 512MB和1GB甚至更大容量 每台计算机有多个内存扩展槽 每个内存扩展槽又可以插入不同容量的内存条 可见一台机器的内存配置是可由用户自己决定的 如果想提高机器的运行速度 并且资金充裕 则可以配置大的内存 反之 内存也可以配置小一点 并可以根据实际需要 随时扩充内存 3 系统总线总线 指能为多个功能部件服务的一组公用通信线路 借助总线连接 计算机在各系统部件之间实现传送地址 数据和控制信息的操作 目前 微型计算机硬件连接都采用总线结构 优点 1 各部件可通过总线交换信息 相互之间不必直接连线 减少了传输线的根数 从而提高了微机的可靠性 2 在扩展微机功能时 只需把要扩展的部件连接到总线上即可 使微机功能扩展十分方便 一个微型计算机系统中的总线 大致分为三类 1 内部总线 CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线 2 系统总线 CPU同计算机系统的其他高速功能部件 如存储器 通道等互相连接的总线 3 I O总线 中 低速I O设备之间互相连接的总线 微机总线可分为三类 1 片总线 又称芯片总线 或元件级总线 是在集成电路芯片内部 用来连接各功能单元的信息通路 例如 CPU芯片中的内部总线 它是ALU寄存器和控制器之间的信息通路 2 内总线 又称系统总线 或板级总线 微机总线 是用于微机系统中各插件之间信息传输的通路 3 外总线 又称通信总线 是微机系统之间或微机系统与其他系统之间信息传输的通路 系统总线一般由三部分组成 1 数据总线 DB 一般是三态逻辑控制的若干位 如8 16等 数据线宽的双向数据总线 用以实现微处理器 存储器及I O接口间的数据交换 2 地址总线 AB 用于微处理器输出地址 以确定存储器单元地址及I O接口部件地址 一般都是三态逻辑控制的若干位 如16 24等 线宽的单向传送地址总线 3 控制总线 CB 控制总线用来传送保证计算机同步和协调地定时 控制信号 使微机各部件协调动作 从而保证正确地通过数据总线传送各项信息的操作 其中有些控制信号由微处理器向其他部件输出 如读写等信号 另一些控制信号则由其他部件输入到微处理器中 如中断请求 复位等信号 控制总线不需用三态逻辑 4 接口一般而言 接口泛指任何两个系统之间的交接部分 或两个系统间的连接部分 在计算机系统里 接口指中央处理机与外部设备之间的连接通道及有关的控制电路 微型计算机要对性能各异的外设进行操作与控制 实现彼此之间的信息交换 就必须在主机与外设之间设置一组中间部件 该部件将CPU发出的控制信号和数字信号转换成外设所能识别的数字符号或执行的具体命令 或将外设发送给CPU的数据和状态信息转换成CPU所能接受的数字信息 这组位于主机和外部设备之间的缓冲电路就是接口 微机接口技术包括接口电路和相关编程技术 1 3 2微型计算机软件系统组成1 系统软件起初 这种翻译工作是程序员用手工完成的 逐渐地 人们就编一个程序让机器来完成上述的翻译工作 具有这样功能的程序就称为汇编程序 Assembler 但是汇编语言的语句与机器指令是一一对应的 程序的语句数仍然很多 编程仍然是一件十分繁琐 困难的工作 而且用汇编语言编写程序必须对机器的指令系统十分熟悉 即不能脱离具体机器 因而汇编语言程序不能在不同的机器上通用 为了使用户编程更容易 程序中所用的语句与实际问题更接近 而且使用户可以不必了解具体的机器 就能编写程序 同时这样的程序的通用性更强 于是就出现了各种高级语言 Highlevellanguage 例如 BASIC FORTRAN PASCAL COBOL C等 高级语言易于理解 学习和掌握 用户用高级语言编程也就方便多了 大大减少了工作量 但是计算机在执行时 必须把用高级语言编写的源程序翻译成用机器指令的程序才执行 这样就需要有各种解释程序 Interpreter 针对BASIC 或编译程序 Compiler 针对FORTRAN C COBOL 等 2 应用软件用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件 编制解决用户各种实际问题的程序 这些程序 数据和资料就称为应用软件 应用软件也可以逐步标准化 模块化 逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合 称其为应用软件包 Package 3 支撑 或称为支持 软件随着计算机硬件和软件的发展 计算机在信息处理 情报检索以及各种管理系统中的应用越来越普及 计算机需要处理大量的数据 检索和建立大量的各种表格 而且这些数据和表格应按一定规律组织起来 使得检索更迅速 处理更方便 也更便于用户使用 于是就建立了数据库 为便于用户根据需要建立自己的数据库 查询 显示 修改数据库的内容 输出打印各种表格等 就建立了数据库管理系统 DataBaseManagementSystem 等支撑软件 上述都是各种形式的程序 它们存储在各种存储介质中 例如磁盘 磁带 光盘等 统称为计算机的软件 总之 计算机的硬件建立了计算机应用的物质基础 而各种软件激活了计算机且扩大了计算机的功能 扩大了它的应用范围 以便于用户使用 硬件与软件的结合才是一个完整的计算机系统 1 3 3微型计算机的工作过程微型计算机必须在硬件和软件的相互配合下才能工作 每种型号的CPU都有自己的指令系统 每条指令一般都由指令操作码 规定指令的操作类型 和操作数 规定指令的操作对象 两部分组成 用户根据要完成的任务预先分解成一系列的基本动作 又称为算法 并且编好程序 再通过输入设备 如键盘 将程序送入存储器中 微型计算机开始工作后 首先将该程序在存储器中的起始地址送入微处理器中的程序计数器 PC 中 微处理器根据PC中的地址值找到对应的存储单元 并取出存放在其中的指令操作码送入微处理器中的指令寄存器 IR 中 由指令译码器 ID 对操作码进行译码 并由微操作控制电路发出相应的微操作控制脉冲序列去取出指令的剩余部分 如果指令不止1个字节的长度 同时执行指令赋予的操作功能 在取指过程中 每取出1个单元的指令 PC自动加1 形成下一个存储单元的地址 以上为一条指令的执行过程 如此不断重复上述过程 直至执行完最后一条指令的动作为止 综上所述 微型计算机的基本工作过程是执行程序的过程 也就是CPU自动从程序存放的第1个存储单元起 逐步取指令 分析指令 并根据指令规定的操作类型和操作对象 执行指令规定的相关操作 如此周而复始 直至执行完程序的所有指令 从而实现程序的基本功能 这就是微型计算机的基本工作过程 1 4微型计算机的性能指标及分类1 4 1微型计算机的性能指标1 位 bit 字节 Byte 和字长 Word 位 bit 是计算机内部数据储存最小单位 存 1 或 0 用 b 表示字节 Byte 是计算机中数据处理的基本单位 用 B 表示 计算机中以字节为单位存储和解释信息 1个字节等于8个比特 1Byte 8bit 字长 Word 指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数 它与微处理器内部寄存器以及CPU内部数据总线宽度是一致的 字长越长 所表示的数据精度就越高 在完成同样精度的运算时 字长较长的微处理器比字长较短的微处理器运算速度快 大多数微处理器内部的数据总线与微处理器的外部数据引脚宽度是相同的 字长是微型机重要的性能指标 也是微型机分类的主要依据之一 如把微型机分为8位 15位 32位 64位机等 2 存储容量存储容量 衡量微机内部存储器存储二进制信息量大小的指标 内存储器由若干个存储单元组成 每个单元分配一个固定的地址并且存放一个字节的数据 存储单元地址数由CPU的地址总线条数决定 同时也确定内存大小 存储器容量一般以字节为最基本的计量单位 一个字节记为1B 1024个字节记为1KB 千字节 KiloByte 1024KB字节记为1MB 兆字节 MegaByte 1024MB字节记为1GB 吉字节 GigaByte 1024GB字节记为1TB 太字节 TeraByte 3 指令系统任何一种CPU在设计时就确定了它能够完成的各种基本操作 也就是说指令系统被确定了 让计算机完成某种基本操作的命令被称作指令 CPU所固有的基本指令集合 称为该计算机的指令系统 一台计算机的指令系统一般有几十到几百条 一般来说 计算机能够完成的基本操作种类越多 也就是指令系统的指令数越多 说明其功能越强 4 运算速度运算速度 也称指令执行时间 是指计算机执行一条指令所需的平均时间 其长短反映了计算机运行速度的快慢 它一方面决定于微处理器工作时钟频率 另一方面又取决于计算机指令系统的设计 CPU的体系结构等 目前 人们用微处理器工作时钟频率来表示运算速度 以兆赫兹 MHz 为单位 主频越高 表明运算速度越快 微处理器指令执行速度指标一般以每秒运行多少百万条指令MIPS MillionsofInstructionsPerSecond 来评价 5 系统总线系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道 其性能直接关系到微机系统的整体性能 主要表现为它所支持的数据传送位数和总线工作时钟频率 数据传送位数越宽 总线工作时钟频率越高 则系统总线的信息吞吐率就越高 微机系统的性能就越强 微机系统采用了多种系统总线标准 如ISA EISA VESA PCI和USB总线等 6 外部设备配置在微机系统中 外部设备占据了重要的地位 计算机信息输入 输出 存储都必须由外设来完成 微机系统一般都配置了键盘 鼠标 显示器 打印机 网卡等外设 微机系统所配置的外设 其速度快慢 容量大小 分辨率高低等技术指标都影响着微机系统的整体性能 7 系统软件配置系统软件也是计算机系统不可缺少的组成部分 微机硬件系统 仅是一个裸机 它本身并不能运行 要运行必须有基本系统软件支持 如Windows Linux等操作系统 系统软件配置是否齐全 软件功能是否强大 以及是否支持多任务 多用户操作等都是微机硬件系统性能是否得到充分发挥的重要因素 1 4 2微型计算机的分类微型计算机品种繁多 性能各异 通常有以下几种分类方法 1 按微处理器的位数分类分为4位机 8位机 16位机 32位机 64位机 即分别以4位 8位 16位 32位 64位CPU为核心的微型计算机 2 按微型计算机的用途分类通用机一般指微型计算机系统 专用机则指工业控制机 单板机和单片机等 3 按微型计算机的档次分类分为低档机 中档机和高档机 计算机的核心部件是它的微处理器 也可以根据所使用