《微型计算机原理与接口技术》第1章微型计算机基础概论

微型计算机原理与接口技术,课程性质：专业基础课学时：60+12（上课60+4个实验）学分：5学分考核方式：考试,第1章微型计算机基础概论,1.1微型计算机系统1.2计算机中的数制及编码1.3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算1.4有符号二进制数的表示及运算,第1章微型计算机基础概论,主要内容：微机系统（发展、组成、各部分功能等）；各种常用记数制和编码以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,1.1微型计算机系统,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：大中型计算机/巨型计算机（MainframeComputer）小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-ChipMicrocomputer）微型计算机的核心：微处理器(中央处理器CPU),IntelCPU的发展大致可分为:1、第一代微处理器世界上的第一片微处理器是Intel公司生产的4004，于1971年研制成功，是一个4位的处理器。它可进行4位二进制的并行运算，拥有45条指令，速度为0.05MIPS。它主要用于计算器，电动打字机，照相机，台称及电视机等家用电器。1971年末，Intel公司又推出了8位扩展型微处理器8008，它与4004相比，可一次处理8位二进制数据，其寻址空间扩大为16KB。特点：指令系统比较简单，运算能力较弱，速度也比较低。2、第二代8位微处理器1973年，Intel公司在8008的基础上推出了另一种8位微处理器8080，它的寻址空间增加到64KB，速度达到0.5MIPS，比8008快10倍。另外它使CPU外部电路的设计变得更加容易且成材降低。,3、第三代16位微处理器由于超大规模集成电路的发展，1978年，Intel公司推出了16位微处理器8086，并在一年多又推出了准16位微处理器8088。16位微处理器与8位微处理器功能大大增强，主要表现在以下：数据总线的位数由8位增加到16位，提高了数据处理能力。地址总线的位数增加到20位以上，增强了存储器的寻址能力。系统的运算速度提高，基本指令执行时间约0.15微秒。增加了4字节或6字节指令高速缓冲器，使指令的存取的执行并行进行，处理速度快。CPU内部的通用寄存器增多，减少了对内存的访问频度。扩充了指令系统。可处理多种数据类型。有二进制，压缩BCD码，字节，字等。中断功能增强具有构成多微处理器系统的能力。配备较强的系统软件。,4、第四代32位微处理器1985年，Intel公司推出了第四代微处理器80386，它具有32位数据线和32位地址线，存储器直接寻址能力可达4GB。其执行速度达到34MIPS。随着集成电路工艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出性能更高的32位微处理器80486。5、第五代32位微处理器1993年，Intel公司推出了32位微处理器Pentium(P5),它集成了330万个晶体管，内部采用4级起标量结构，数据线64位，地址线36位。处理速度达110MIPS。6、第六代微处理器1996年，Intel公司又推出了PentiumPro微处理器，它的运算速度达到200MIPS，它内部集成了16KB的一级高速缓存器和256的二级高速缓存器，使用三个执行部件，可同时执行三条指令。,7、双核微处理器从20世纪90年代末，多核技术开始研发并很快得到发展和普及。2006年，Intel公司推出了个人计算机的“双核”处理器Core2，也就是将两个功能相同的计算内核集成在一个处理器中，使处理器每个时钟周期内执行能力增加了一倍，从而提高了计算能力。,Intel主要CPU发展表,1.1.2微型计算机的工作过程,1.冯诺依曼的计算机计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序则是指令的集合。每台计算机都拥有各种类型的机器指令，这些指令按照一定的规则存放在存储器中，在中央控制系统的统一控制下，按一定顺序依次取出执行，这就是冯诺依曼的计算机的核心原理。-存储程序的工作原理。存储程序就是指把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，计算机工作时只要给程序中第一条指令的地址，控制器就依据存储器中的指令顺序地，周而复始地取出指令，执行指令，直到执行完全部指令为止。,冯诺依曼的计算机的主要特点：1.将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存；2.程序中的指令和数据必须采用二进制编码，且能够被执行该程序的计算机所识别；3.指令按其在存储器中存放的顺序执被行，存储器的字长固定并按顺序线性编址；4.由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行；5.以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。,冯诺依曼计算机结构,运算器,输入设备,输出设备,存储器,控制器,2、微型计算机的工作过程,微机的工作过程就是执行程序的过程。由于每条指令的执行，都包括指令取和执行指令两个基本阶段，所以，微机的工作过程就是不断取指令和执行指令的过程。假定程序已由输入设备存放到内存中。当计算机要从停机状态进入到运行状态时：首先将第一条指令由内存中取出；将取出的指令送指令译码器译码，以确定要进行的操作；读取相应的操作数；执行指令；存放执行结果；一条指令执行完后，转入下一条的取指令阶段。如此周而复始地循环，直到程序中遇到暂停指令才结束。,程序执行过程示意图,取第一条指令的过程为：指令所在的地址赋给程序计数器PC并送到地址寄存器PC自动加1，AR（地址寄存器）的内容不变。把地址寄存器AR的内容放在地址总线上，并送至内存储器，经地址译码器，选中相应的单元。CPU的控制器发出读命令。在读命令的控制下，把选中的单元内容读到数据总线DB把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR取指阶段的最后一步是指令译码。,00,01,00,02,04,11110100,03,PC,AR,DR,DB,AB,RA,ID,IR,PLA,1011000,1011000,ALU,A,0,+1,取指控制,执指控制,内存储器,内存中的指令,读取一条指令操作的过程,读,1.主机硬件系统,1）微处理器CPU,微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器：它的核心部件是算术逻辑单元，以加法器为主，辅以移位寄存器及相应控制逻辑组合成的电路，在控制信号的作用下可完成加，减，乘，除和各种逻辑运算。控制器：从存储器中依次取出程序的各条指令，并根据指令的要求，向微机的各个部件发出相应的控制信号，使各部件协调工作，从而实现对整个微机系统的控制。寄存器组：实际是CPU内部的若干个存储单元，它分为专用寄存器和通用寄存器。,指令寄存器IR,指令译码ID,操作控制器OC,通用寄存器寄存器,堆栈指针SP,程序计数器PC,寄存器组,累加器ACC,累加锁存器,暂存器,标志寄存器,地址缓冲器,数据缓冲器,控制总线（CB）,操作控制信号,地址总线（AB）,数据总线（DB）,存储器,外设接口（I/O）,ALU,控制器,运算器,微处理器典型结构图,2）存储器（内存或主存）,定义：用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序，内存均由半导体材料制成，也称半导体存储器。内存单元的地址和内容内存由许多单元组成，每个单元可存放一组二进制码。每个内存单元规定放8位二进制数（一个字节），一台微机中内存单元的总数为该微机的内存容量。内存单元的地址：每个存储单元编上不同的号码的编码。内存单元的内容：内存单元中存放的信息。,内存单元的地址和内容,每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。,10110110,38F04H,内存地址,单元内容,内存容量：,内存所含存储单元的个数，以字节(8位二进制数）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）。例如：个内存单元，它的内存容量为4MB。,内存操作：,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,CPU读出地址为04H内存单元中的内容：,地址译码器,10010111,00000100,00H,04H,FFH,地址,AB,控制,DB,10010111,：,：,：,：,读,CPU把地址04H放到地址总线上，经地址译码器选中04H单元；CPU发出“读”控制信号；存储器04H号单元中的内容97H被读出并送到数据总线上。注：读操作完成后，04H单元中的内容97H仍保持不变。这一特点称为非破坏性读出。,CPU把数据00100110B写入地址为08H的存储单元中：,地址译码器,00100110,00001000,00H,08H,FFH,地址,AB,控制,DB,00100110,：,：,：,：,写,CPU把存储单元地址08H放到地址总线上，经地址译码器选中08H单元；CPU把要写入的内容26H放到数据总线上；CPU向存储器发送“写”控制信号，在该信号的控制下，数据26H写入存储器的08H单元中。注：写操作完成后，08H单元中的内容由新内容26H代替了原来内容。原内容被清除。,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM）按工作方用于存放用户装入的程序，数据等式可分为只读存储器（ROM）用于存放监控程序和基本输入输出程序，和常用数据，表格等,3）输入/输出接口,接口是CPU与外部设备间的桥梁，I/O系统是微型计算机系统的重要组成部分。常用的输入设备有键盘，鼠标，扫描仪等。常用的输出设备有显示器，打印机，绘图仪等。,CPU,I/O接口,外设,接口的分类：,串行接口并行接口,按数据传送类型分,按数据传送方向分,输入接口输出接口,并行接口的应用：距离短、高速（高速打印机、网络打印机、图象扫描仪、硬盘）串行接口的应用：距离长、慢速常，用通信线路传送。（电传打字机、有线传真机、终端CRT）,4）总线,定义：公共信号线集合，用于微机系统各部件间的信息传递。分类,内部总线：用于主机系统内部信息传递的总线,外部总线：连接主机和外设的总线,数据总线DB它用来传输数据信息，是双向总线，CPU可以通过DB从内存或输入设备输入数据，也可以通过DB将内部数据送到内存或输出设备,从信息传送类型上，这两类总线都包括数据总线，地址总线和控制总线,地址总线AB它用来传输CPU发出的地址信息，是单向总线，传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。,控制总线CB它用来传送控制信号，时序信号和状态信息。有的是CPU向外设和内存发出的信息，有的是内存或外设向CPU发出的信息。CB作为一个整体是双向的。,2.软件系统,软件：为运行、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的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件,操作系统编译系统网络系统工具软件,软件,1.2计算机中的数制及编码,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。,1.2.1、常用记数制,十进制符合人们的习惯二进制便于物理实现十六进制便于识别、书写八进制（已很少使用，略去）注意：它们的数码、基数、权及进位规则的不同。,1.十进制,特点：以十为底，逢十进一；共有0-9十个数字符号。表示：,2.二进制,特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。表示：,3.十六进制,特点：以16为底，逢16进位；有0-9及A-F共16个数字符号。表示：,进位计数制的一般表示,一般地，对任意一个K进制数S都可表示为,其中：Si-S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个；n,m整数和小数的位数；K-基数；Ki-K进制数的权,如何区分不同进位记数制的数字,在数字后面加一个字母进行区分：二进制：数字后面加B,如1001B十进制：一般不加,也可加D，如1001十六进制：数字后面加H,如1001H八进制：数字后面加O,如1001O在明显可以区分其记数制的情况下，可以省略数字后面的字母,1.2.2、各种数制间的转换,1.非十进制数到十进制数的转换按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。例：1101.101B=(?)10参见P1364.CH=(?)10参见P13,2.十进制到非十进制数的转换,十进制二进制的转换：112.25=(?)B参见P13整数部分：除2取余；小数部分：乘2取整。十进制十六进制的转换：301.6875=(?)H参见P14整数部分：除16取余；小数部分：乘16取整。注意:以小数点为起点求得整数和小数的各个位。,3.二进制与十六进制间的转换,24=1614位二进制数表示1位十六进制数例：10110001001.110B=(?)H010110001001.1100589.C注意：位数不够时要补0,1.2.3、计算机中的二进制数表示1.定点小数的表示定点小数：小数点准确固定在数据某个位置上的小数。为了方便，通常小数点固定在最高数据位的左边，为纯小数。由于规定了小数点放在数值部分的最左边，所以小数点不需要明确表示。定点小数表示方法主要用在早期计算机中。2.整数的表示整数可以看作是小数点定在数据的最低位右边的一种数据。在计算机系统中，常用几种不同的二进制位数表示一个整数。,3.浮点数的表示浮点数是指小数点的位置可以左右移动的数据。可用下式表示：其中M：浮点数的尾数或称有效数字，通常为纯小数R：阶码的基数，表示阶码采用的数制，R为2、8、16是一常数。与尾数的基数相同。E：阶码，是指数值，为带符号整数。浮点数的表示中还有两个符号：阶符，表示阶码的符号，决定浮点数范围的大小：尾符，尾数的符号位，安排在最高位，表示符号数的正负。,1.2.4、二进制编码1.二进制编码的十进制数（BCD码）8421码8421BCD码用4位二进制编码表示1位十进制数，其4位二进制编码的每一位都有特定的权值。因BCD码表示的是十进制数，只有09这十个有效数，4位二进制码的6种组合（10101111）是非法的。8421码与十进制数、二进制数的转换例1-10把十进制数234.15写成BCD码的表示形式。（234.15）10=（001000110100.00010101）BCD,计算机中BCD码的存储方式计算机的存储单元以字节为最小单元，在一个字节中存放BCD码有两种方式：压缩的BCD码和非压缩的BCD码。压缩的BCD码是在一个字节中存放2个4位的BCD码。在采用压缩的BCD码表示十进制时，一个字节表示两位十进制数。十进制数92用压缩的BCD码表示为10010010非压缩的BCD码是每个字节只存放一个BCD码，低4位为有效BCD数，高4位全为0。例十进制数92，用非压缩BCD码就表示为0000100100000010,2.字符的编码目前在微机中采用的字符编码系统是ASCII码，一般规定一个ASCII码放在字节的低7位，字节最高位恒为0。在ASCII码传送中，常用校验码为奇偶校验法。,1.3无符号二进制数的运算,算术运算无符号数逻辑运算有符号数算术运算,1.3.1、无符号数的运算,算术运算包括：加法运算减法运算乘法运算除法运算,1.运算规则,加法：0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0（有进位）减法：0-0=0,1-0=1,1-1=0,0-1=1（有借位）乘法：0X0=0,0X1=0,1X0=0,1X1=1可转换为:加法+左移位除法：乘法的逆运算,可转换为:减法+右移位注意:一个数乘以2相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移1位。,1.3.2.无符号数的表示范围,一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为0X2n-1(当n=8时,00000000B11111111B即在0255之间)若运算结果超出这个范围，则产生溢出。（或者说运算结果超出n位，则产生溢出）判别方法：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,例：,11111111+00000001100000000结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出位二进制数所能表示的范围255）,1.3.3.逻辑运算,与()、或()、非()、异或()特点：按位运算，无进借位运算规则.例：A=10110110,B=01101011求：AB,AB,A,AB参见P2122,1.3.4.逻辑门,逻辑门：完成逻辑运算的电路掌握：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。,与门（ANDGate）,Y=AB,注意：基本门电路仅完成1位二进制数的运算,或门（ORGate）,Y=AB,Y,AB,非门（NOTGate）,1,A,Y,异或门（eXclusiveORGate）,Y=AB=AB+AB,Y,AB,5.译码器,74LS138译码器：,译码输出,译码输入,译码使能,74LS138真值表,1.4带符号二进制数的运算,计算机中的带符号二进制数把二进制数的最高位定义为符号位符号位为0表示正数，符号位为1表示负数连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。（在以下讲述中，均以位二进制数为例）,例：,+52=+0110100=00110100符号位数值位-52=-0110100=10110100,真值,机器数,1.4.1.符号数的表示,对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X(真值)的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。,原码X原,定义符号位：0表示正，1表示负；数值位：真值的绝对值。,即当X为正数和零(+0)时,即当X为负数和零(-0)时,原码的例子,真值,X=+18=+0010010,X=-18=-0010010,原码,X原,=00010010,X原,=10010010,符号,符号位,n位原码表示数值的范围是对应的原码是11110111。(当n=8时,11111111B01111111B,即-127127之间),数0的原码,8位数0的原码：+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。,反码X反,定义若X0，则X反=X原若X0，则X补=X反=X原若X0，则X补=X反+1,即当X为正数和零(+0)时,即当X为负数和零(-0)时,例：,X=52=0110100X原=10110100X反=11001011X补=X反+1=11001100,n位补码表示数值的范围是对应的补码是10000111。(当n=8时,10000000B01111111B,即-128127之间),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+0补=-0补=00000000数0的补码是唯一,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)=128,8位有符号数的表示范围：,对8位二进制数：原码：-1