第1章 计算机基础

课程教学安排 教材 80X86 Pentium微型计算机原理及应用主编 吴宁出版社 电子工业出版社理论学时 40学时实验学时 16学时教师 罗思第1章计算机基础 教学目的和要求通过本章的学习 使学生掌握微型计算机系统的三个层次 数的定点表示法 32位和64位浮点数标准格式以及微机中常用的数字代码与字符代码 了解微型计算机三种总线结构以及微型计算机系统的主要性能指标 微型计算机系统的三个层次数的定点表示法 32位和64位浮点数的标准格式 教学重点 三种总线结构32位和64位浮点数的标准格式 教学重点 1 1微处理器与微型计算机的发展概况 自1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的世界上第一台电子数字计算机以来 计算机的发展大致经历了五代的变化 1946年开始的第一代电子管计算机计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次 体积庞大 成本很高 可靠性较低 在此期间 形成了计算机的基本体系 确定了程序设计的基本方法 数据处理机开始得到应用 1958年开始的第二代晶体管计算机运算速度提高到几万次至几十万次 可靠性提高 体积缩小 成本降低 工业控制机开始得到应用 磁芯作主存储器 磁盘作外存储器 开始使用高级语言编程 1965年开始的第三代中小规模集成电路计算机 使用半导体存储器 出现多终端计算机和计算机网络 可靠性进一步提高 体积进一步缩小 成本进一步下降 运算速度提高到几十万次至几百万次 在此期间 形成机种多样化 生产系列化 使用系统化 小型计算机开始出现 1971年开始的第四代大规模集成电路计算机出现微型计算机 单片微型计算机 外部设备多样化 可靠性更进一步提高 体积更进一步缩小 成本更进一步降低 速度提高到每秒几百万次至几千万次 1986年开始的第五代巨大规模集成电路计算机运算速度提高到每秒几亿次至上百亿次 由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现 微处理器发展过程 1 2微型计算机系统的三个层次 微型计算机系统从全局到局部分为三个层次 1 微型计算机系统2 微型计算机3 微处理器 微处理器 Microprocessor 简称 P或MP 或MPU MicroprocessingUnit MPU是采用大规模和超大规模集成电路技术将算术逻辑部件ALU ArithmeticLogicUnit 控制部件CU ControlUnit 和寄存器组R Registers 三个基本部分以及内部总线集成在一块半导体芯片上构成的电子器件 又称为 中央处理单元 CentralProcessorUnit 简称CPU 一 微处理器 微型计算机 MicroComputer 是计算机的微型化 简称微机 它由CPU 存储器 输入接口和输出接口以及总线组成 该层次就是已安装了CPU和内存条的主板 微型计算机的硬件结构如图1 1所示 二 微型计算机 微处理器是微型计算机的核心 它的性能决定了整个微型机的各项关键指标 1 微处理器 CPU 2 存储器 用于存放程序与数据的半导体器件 按读写方式可分为两种 一种是随机存取存储器RAM RandomAccessMemory RAM又分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM 在PC机中 前者用作高速缓存 后者用作内存条 可随时将信息写入RAM 也可随时从RAM中读出信息 另一种是只读存储器ROM ReadOnlyMemory CPU只能从ROM中读出预先写入的信息存储器均按字节编址 I O接口 Interface 是CPU与I O设备之间的连接电路 不同的I O设备有不同的I O接口电路 3 I O接口 总线 BUS 包括地址总线 数据总线和控制总线三种 所谓总线 它将多个功能部件连接起来 并提供传送信息的公共通道 能为多个功能部件分时共享 总线上能同时传送二进制信息的位数称为总线的宽度 CPU通过三种总线连接存储器和I O接口 构成了微型计算机 4 总线 1 地址总线AB AddressBus 2 数据总线DB DataBus 数据总线是CPU和存储器 CPU和I O接口之间传送信息的数据通路 数据总线传输的方向为双向传输 数据总线的宽度越宽 CPU传输数据信息的速度越快 8086CPU数据总线为16位 PentiumPro的数据总线64位 见表1 1 分别表示CPU一次可与存储器或I O接口传送16位和64位二进制信息 3 控制总线CB ControlBus CPU的控制总线按照传输方向分为两种 一种是由CPU发出的控制信号 用以对其他部件的读控制 写控制等 另一种则是其他部件发向CPU的 反过来实现对CPU的控制 在两种方向的控制信号中前者多于后者 三 微型计算机系统 1 3微型计算机中的三种总线结构 微型计算机体系结构分为三种 分别称为单总线结构 双总线结构和双重总线结构 如图1 3所示 图1 3 a 是单总线结构微机的框图 实际上是图1 1的简化描述 在这种结构的微机中 存储器与I O接口共享同一信息通路 CPU对存储器和I O接口只能分时进行读写操作 显然 传输信息的效率低 一般中低档微机都采用这种结构 但它具有结构简单 成本低廉和容易实现等优点 图1 3 b 是双总线结构微机的框图 CPU和存储器 CPU及I O接口各有一种总线 分别称谓存储器总线和I O总线 在这两种总线上可以同时传输信息 因而提高了系统传输信息的速率 有些高档微机采用了这种系统结构 图1 3 c 是双重总线结构微机的组成框图 目前各种高档微机都采用这种双重总线结构 主CPU既可通过局部总线访问局部存储器和局部I O接口 也可以通过全局总线访问全局存储器与全局I O接口 因而实现了双重总线上的并行操作 相当于提高了总线的带宽 从而大大提高了系统传输信息与处理数据的速度 1 4微型计算机系统的主要性能指标 一 字长字长是CPU内部一次能并行处理二进制数码的位数 字长取决于CPU内部寄存器 运算器和数据总线的位数 字长越长 一个字所能表示数据的精度就越高 处理速度也加快 CPU的时钟频率也称CPU的主频 CPU是按照严格的时序进行工作的 产生时序的脉冲源是CPU的时钟脉冲 CPU的时钟频率越高 CPU的工作节律加快 计算机系统的速度越快 二 CPU的时钟频率 主存也称内存 主存的容量以字节 Byte 为单元 简写为B 字节数量的大小 由CPU能发出地址线位数多少来确定CPU只能访问内存 所有存放在外存中的程序与数据必须调入内存后才能被CPU执行与处理 主存容量越大 则从外存调入内存所占用时间越少 CPU处理数据的效率就越高 并且内存容量越大 存放信息量越多 便于执行复杂的程序 三 主存储器容量 微型计算机一般配有硬 软盘驱动器 分别可以驱动硬盘和软盘 还配有光盘驱动器可驱动光盘 USB接口可以外接U盘 这些外存储器中 硬盘容量最大 决定了微机能存放系统软件和应用软件的多少 四 外存储器容量 要求微机配接外设种类齐全 配接方便灵活 而且扩展能力强 势必要求微机主板上硬件接口功能齐全 软件驱动程序功能要强 五 外设的配置与扩展能力 1 5微型计算机运算基础概述 在微型计算机中 既可以实现定点运算 又有浮点运算部件实现浮点运算 在计算机中 约定数据小数点的位置固定在某一位 原理上讲 小数点的位置固定在哪一位都行 但是 通常有两种定点格式 一是将小数点固定在数的最左边 即纯小数 二是固定在数的最右边 即纯整数 1 定点数的表示法 例如 用宽度为n 1位的字来表示定点数X 其中X0表示数的符号 例如1代表负数 0代表正数 其余位代表它的数位 对于任意定点数X X0X1X2 Xn 在定点计算机中可表示为 如果X为纯小数 小数点固定在X0与X1之间 数X的表示范围为 0 X 1 2 n 如果X为纯整数 小数点固定在Xn的右边 数X的表示范围为 0 X 2n 1 2 浮点数的表示法 1 任意一个十进制数N可以写成N 10E M 1 3 任意一个二进制数N可以写成N 2e m 1 4 例如 N 101 1101 20011 0 1011101同样 在计算机中一个任意 R 进制数N可以写成 N Re M 其中 m为浮点数的尾数 是一个纯小数 e是比例因子的指数 称为浮点数的指数 是一个纯整数 比例因子的基数R是一个常数 一般R取值为2 也有取值为8 16两种情况 2 浮点数的表示法 2 在计算机中存放一个完整的浮点数 应该包括阶码 阶符 尾数以及尾数的符号 数符 共4部分 即 一般按照IEEE754标准 采用32位浮点数和64位浮点数两种标准格式 32位浮点数标准格式如下 1 32位浮点数标准格式 在32位浮点数中 约定基数R 2 S是尾数的符号位 即浮点数的符号位 它占一位 安排在最高位 0表示正数 1表示负数 尾数M占23位 放在低位部分 当然是纯小数 E是阶码 占8位 阶码采用了移码方法来表示 将阶码上移127 即E e 127 2 浮点数的表示法 3 例 1 1 按照32位浮点数标准格式 求数N 2011 0 1011101在计算机中表示的形式 N 2011 0 1011101 200000011 0 10111010000000000000000其中 因为浮点数为正数 所以S 0M 10111010000000000000000E e 127 00000011 01111111 10000010反之 一个32位浮点数N的真值可表示为 N 1 S 0 M 2E 127 1 5 2 浮点数的表示法 4 例 1 2 N 2011 0 1011101 200000011 0 10111010000000000000000 200000010 1 01110100000000000000000于是求得数N的32位浮点数格式 S仍为0 E e 127 00000010 01111111 10000001 E值减少一个M 01110100000000000000000 M值左移一位根据规格化32位浮点数的表示形式 求数N的真值为 N 1 S 1 M 2E 127 1 6 2 浮点数的表示法 5 2 64位浮点数格式 它与32位浮点数的组成原理相同 约定基数R 2 尾数符号位S占一位 置于最高位 规格化的尾数M占52位 最左边一位1已被隐藏 阶码e上移1023 即E e 1023 移码形式的阶码占共计11位反过来 已知一个规格化的64位浮点数 求浮点数N的真值可表示为 N 1 S 1 M 2E 1023 1 7 二 原码 反码与补码 1 机器数与真值机器数 带符号的二进制数称之为机器数二进制数最高位作为符号位 1表示负数 0表示正数例 取8位字长时10001111B则可以代表 1500001111B则可以代表 15 在微机中 机器数有三种表示方法 即原码 反码与补码 真值 机器数所能表示的值 2 原码表示法 若定点整数的原码形式为X0X1X2 Xn 则原码表示的定义是X2n X 0 X 原 2n X 2n X 0 X 2n 1 8 X0为符号位 若n 7 即字长8位 则 X取值范围 127 127 0 原 00000000 0 原 10000000 采用原码表示法简单易懂 但它最大缺点是加法运算电路复杂 不容易实现 3 反码表示法 对于定点整数 反码表示的定义是 X2n X 0 X 反 2n 1 1 X0 X 2n 1 9 同样n取7 即字长8位 那么 X取值范围 127 127 0 反 00000000 0 反 11111111 4 补码表示法 对于定点整数 补码表示的定义是 X2n X 0 X 补 2n 1 X 2n 1 X 0 X 2n 1 10 同样如果n取7 即字长8位 那么 X取值范围 128 127 0 补 0 补 00000000 10000000 补 10000000 X 补 补 X 对已知的一个补码通过再一次求其补 便可还原出真值 例 1 3 若字长8位 X 126 Y 126 求 X 原 X 反 X 补和 Y 原 Y 反 Y 补 解 X 原 X 反 X 补 01111110 Y 原 11111110 Y 反 10000001 Y 补 10000010 5 补码的加减法运算及溢出的判断 1 补码加法运算规则 X 补 Y 补 X Y 补 1 11 条件 X Y以及X Y在定义域内特点 符号位参与运算 以2n 1为模进行加法 最高位相加产生的进位自然丢掉根据运算后结果的符号位 对结果求补 即 X Y 补 补 X Y 便可还原出真值 在下面所有例子的运算过程中 假定字长均是8位 例 1 4 X 00001111 Y 01000000 求X Y解 X 补 00001111 Y 补 0100000000001111 0100000001001111 X Y 补 X Y 结果正确 例 1 5 X 00001111 Y 01000000 求X Y解 X 补 11110001 y 补 0100000011110001 01000000100110001 X Y 补 X Y 结果正确 3 溢出的判断 若参与操作的两数在定义域内 但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值 所计算出的结果产生了错误 称之为溢出例如字长8位 补码表示数的范围是 128 x 127 若字长n位 补码所能表示数的范围是 2n 1 x 2n 1 1 当运算结果超出这个范围时 便产生溢出 两个正数相加可能产生正的溢出 两个负数相加可能会产生负的溢出 正负两数相加不会产生溢出 例 1 7 C7C601000000 64 01000001 6510000001 129 127 结果错误 产生了溢出两个正数相加 结果为负数形式 这是由于 129 127的原因 从上式可看出C6 1 C7 0 OF C6 C7 1 0 1 溢出标志OF 1 表示有溢出 例 1 8 计算 128 1C7C6 128 补 10000000 1 补 11111111101111111两个负数相加 结果为正数形式 这是由于 128 1 129 128的原因 从上式可看出C6 0 C7 1 OF C6 C7 0 1 1 表示有溢出 例 1 9 计算64 1C7C6 64 补 01000000 1 补 11111111100111111运算结果正确 C7 1 C6 1 则OF C6 C7 1 1 0 无溢出 三 微机中常用的数字代码与字符代码 1 数字代码 1 数字代码的表示BCD码是一种常用的数字代码 它的编码方法是将每个十进制数用4位二进制数表示 从而实现了用二进制数表示十进制数 在计算机中 最常用的BCD码是8421码 称为标准BCD码 每个BCD码每位上对应的权值与二进制权值相同 十进制数0 9的BCD码则为0000 0001 1001 2 标准BCD码的加法 由于计算机中的基本运算电路只能作二进制加法运算 如果利用它实现BCD码相加 必须要找出将二进制加法运算电路适应标准BCD码相加的规则 然后遵循该规则设计出BCD码相加的运算电路 例 1