计算机原理(仲崇权)

大连理工大学控制学院,计算机原理,1,2,学习计算机硬件和汇编语言的入门课程。了解、掌握微型计算机的基本结构、工作原理、输入输出(I/O)接口、硬件连接及汇编语言程序设计的方法。建立起微机系统的整体概念，能够进行简单的微型计算机系统的软硬件设计。,课程性质、任务和目标,3,戴梅萼.微型计算机技术及应用.清华大学出版社沈美明、温冬婵.IBM-PC汇编语言程序设计.清华大学出版社,课程参考书目,4,第一章微型计算机系统概论第二章8086/8088微处理器第三章8086微处理器的指令系统第四章汇编语言程序设计第五章存储器系统第六章输入/输出接口第七章中断与中断控制第八章I/O接口技术第九章串行通讯技术,课程目录,5,第一章微型计算机系统概论,1.1微型计算机概述1.2微型计算机的硬件系统结构和工作原理1.3微型计算机内信息的表示1.4硬件知识回顾,6,1.1.1微型计算机的常用术语1.1.2微型计算机系统1.1.3微型计算机的应用与发展,1.1微型计算机概述,7,1位和字节位(bit):计算机所能表示的最小最基本的数据单位;取值只能为0或1的一个二进制数值位。字节(byte):由8位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位；字节作为单位时记作B。K-kelo的缩写，1K=1024B=210；M-mega的缩写，1M=1024K=220；G-giga的缩写，1G=1024M=230；T-tera的缩写，1T=1024G=240。,1.1.1微型计算机的常用术语,8,2字长字长:微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数;通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8086称为16位处理器，8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。,9,3主频主频（时钟频率）:表示微处理器的运行速度;主频越高表明微处理器运行越快，单位MHz。早期微处理器：主频=外频80486DX2开始：主频=外频倍频系数外频:外部总线频率;外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快，单位MHz。倍频系数:微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。,10,4MIPS(MillionsofInstructionPerSecond)表示微处理器的性能，即每秒钟能执行多少百万条指令。执行不同类型的指令所需时间长度不同，MIPS=AVG(不同指令出现的频度*系数)。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS；主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS。,11,1.1.2微型计算机系统,微处理器微型计算机微型计算机系统,定义：微型计算机系统（MCS,Micro-ComputerSystem）是以微型计算机（主机）为核心，配上外围设备、电源和软件等，能独立工作的完整计算机。,1.微处理器CPU计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件(CU)两大主要部分组成微处理器把CPU和一组寄存器（Registers）集成封装在一片大规模集成电路或超大规模集成电路构成,12,微处理器实例一,4004微处理器，1971，2300晶体管,8008微处理器，1973，3500晶体管,8086微处理器，1978，2.9万晶体管,80286微处理器，1982，13.5万晶体管,13,80386微处理器，1985，32万晶体管,微处理器实例二,80486微处理器，1990，120万晶体管,Pentium微处理器，1993，320万晶体管,Pentium4微处理器，2000，4200万晶体管,14,微处理器实例三,处理器新革命ITANIUM（安腾）IA-64架构处理器,ITANIUM2(2.14亿晶体管，1GHZ主频，0.18微米线宽，328个寄存器，.）,15,2.微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,16,3.微型计算机系统微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件（软件分为系统软件和应用软件两大类）构成的。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。单板机将微型计算机的各个部分都集成在一块印制电路板上，并配以简单的外设（如键盘）等，构成的一个简单的计算机系统。,17,MCS,硬件,软件,主机,外设,CPU,MemoryRAM，ROM,I/O接口,I/O设备输入设备，输出设备,数据通道软盘，硬盘，光盘,外部电路ADC，DAC,系统软件,应用软件Office，MSN，Protel等,数据库Oracle，Sybase，SQLServer，Access等,操作系统内存管理,进程管理,文件管理,外设管理;如:Windows，Unix,监控管理程序ROMBIOS,语言编译程序,18,寄存器组,4.微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系,1.应用方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：工控机、单片机可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小,19,将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-96,1.1.3微型计算机的应用与发展,20,2.微型计算机的发展Intel微处理器的发展从单处理器向多处理器发展80486有一个定点处理器，一个浮点处理器；Pentium有二个定点处理器，一个浮点处理器；PentiumPro有四个定点处理器，二个浮点处理器，支持多CPU;PentiumII片内集成了二级Cache。,指令系统由复杂指令系统向精简指令系统发展复杂指令系统（CISC）精简指令系统（RISC）MIPSR2000/R3000Motorola88000INTEL80860Intel486以上计算机支持精简指令,21,嵌入式处理器（单片机）应用前景广阔嵌入式应用通常无操作系统支持，但目前嵌入式操作系统的应用在增多，如uc-Linux，WinCE，ucOS-II。该类处理器主要应用在工业系统或家用电器等专用场合。INTELMSC-48,51,96ZilogZ80Rabbit2000ARM单片机DSP数字信号处理器,22,23,1.2.1微型计算机的硬件系统结构1.2.2微型计算机的工作过程,1.2微型计算机的硬件系统结构和工作原理,24,1.冯诺依曼结构冯诺依曼计算机由运算器、控制器、存储器、输入部件和输出部件五大部分组成,1.2.1微型计算机的硬件系统结构,25,数据和程序以二进制代码的形式表示数据和程序存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式计算机在程序控制下自动执行，具体来说，即控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。,26,2.微型计算机的硬件结构,CPU(中央处理单元)CentralProcessingUnit,ALU(算术逻辑单元)ArithmeticLogicUnit,控制器,Memory(存储器),RAM(读写存储器),ROM(只读存储器),I/O接口主机与外设的匹配连接,BUS(总线),AB(地址总线),DB(数据总线),CB(控制总线),系统总线定义：总线是指传递信息的一组公共通信线；作为传送信息的公共通道，微机系统采用总线结构连接系统功能部件。总线信号可分成三组地址总线AB：传送地址信息数据总线DB：传送数据信息控制总线CB：传送控制信息总线还有电源、地线等其他辅助信号,27,地址总线AB用于传递地址信息的通信线单向，成组使用指定寻址的存储器单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DB用来传递数据信息的通信线双向，成组使用CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能传送数据的位数,28,控制总线CB用来传输控制信号的通信线，以便控制计算机各部件协调工作有输入，也有输出，独立使用协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等地址数据复用总线地址总线和数据总线复用，分时传送地址信息和数据信息（由同步信号区分），这样可以节省CPU引脚，但外部电路复杂。,29,30,8086微处理器,8288总线控制器,I/O通道,8259中断控制器,随机存储器RAM,只读存储器ROM,8253定时控制器,8237DMA控制器,8255并行接口,控制总线,数据总线,地址总线,地址锁存器,数据收发器,扬声器接口,8284A时钟发生器,键盘接口,系统配置开关,微处理器子系统8086CPU：16位内部结构、16位数据总线、20位地址总线、4.77MHz主频存储器ROM-BIOS（基本输入输出系统）、主体为RAMI/O接口控制电路8259A、8253、8237A、8255等I/O通道62线的IBMPC总线,PC机主机板结构,31,1.冯诺依曼机存储程序工作原理把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到存储器中保存；然后给出程序中第一条指令的地址；控制器依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行顺序驱动实现程序控制。程序存储；指令流驱动方式；顺序执行,1.2.2微型计算机的工作过程,32,2.微型计算机工作过程微型计算机的工作过程就是执行程序的过程。程序由指令序列组成，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。执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤。微型计算机的工作过程，就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。,33,34,计算1+2=?,汇编语言程序对应的机器指令对应的操作MOVAL,110110000将立即数1传送到00000001累加寄存器AL中ADDAL,200000100计算两个数的和，00000010结果存放到AL中MOV0008,AL10100010将AL中的数传送到00001001地址单元000800000000HLT11110100停机,35,36,1.3.1进位计数制及其相互转换1.3.2数值数据的表示1.3.3非数值数据的表示,1.3微型计算机内信息的表示,37,1.进位计数值十进制(D)符合人们的习惯二进制(B)便于物理实现十六进制(H)便于识别、书写八进制(O)均采用的都是进位计数制；任何一个r进制数N可以表示为：,1.3.1进位计数制及其相互转换,38,2.进制的转换r进制数转换为十进制数,按照公式展开求和,例1.分别把二进制数1011.01和十六进制数F0.C用十进制表示,39,十进制数转换为r进制数,整数部分和小数部分分别进行转换,整数部分N的转换步骤：把r写成十进制数；将N除以r，记录商和余数，用r进制表示的余数便是r进制表示数的最低位数字；把商重复中的运算直到商为0，最后得到的余数即为十进制数N用r进制表示时的最高位数字。,40,例2.把十进制数103用二进制表示,例3.把十进制数506用十六进制表示,（1100111B）,（1FAH）,41,小数部分M的转换步骤：把r写成十进制数；将M乘以r，记录积的整数部分和小数部分，r进制表示的整数部分即为转换后r进制小数的最高位；把上次积的小数部分进行中所述乘以r取整的运算；重复这种运算直到积的小数部分为0，或者达到所要求的位数，这时的整数部分即为十进制数N转换成r进制小数的最低位。,例4.把十进制0.8125用八进制表示,（0.64O）,42,二进制与八进制、十六进制的相互转换,二进制十六进制：从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每四位二进制数为一组用一位十六进制的数字来表示，不足四位的用0补足。,例5.二进制1011011010111.11101用十六进制表示,16D7.E8H,43,二进制八进制：从小数点位置开始，整数部分向左，小数部分向右，每三位二进制数为一组用一位八进制的数字来表示，不足三位的用0补足。,例6.把八进制数62.31用二进制表示,（110010.011001B）,44,计算机中使用二进制表示二进制中只有两种状态，容易用电器表示，双稳态触发器，电容，电路通断等均可表示二进制运算规则简单，容易用数字逻辑电路实现二进制可以方便的表示逻辑值，进行逻辑运算字、字节字：对于汇编语言，16位二进制数称为一个字(Word)字节：8位二进制数称为一个字节(Byte)1Word=2Bytes=16bits；1Byte表示02551K=210，1M=220，1G=230，1T=240,1.3.2数值数据的表示,45,十六进制1位16进制数可以表示4位二进制数，半个字符16进制数时，如果最高位是字母，则在前面加0，表示是数据计算机中的位CPU片内数据总线的宽度决定了计算机的位数。如：1位，4位，8位，16位，32位，64位，128位准16位或准32位准16位机是指CPU片内数据线的宽度为16位，片外数据线的宽度为8位。如：8088，8098等。准32位机是指CPU片内数据线的宽度为32位，片外数据线的宽度为16位。如：386/SX,486/SX等。,46,代码常用代码有：机器码，数的代码，字符代码和其他代码机器码计算机内所有代码均以二进制形式表示，因此二进制码又称为机器码。书写：一般以十六进制形式书写，只有对数码有时用十进制书写。如:20H,47,数的代码A.有符号数的表示方法把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数此时机器数是指在计算机中使用的、连同符号位一起数值化了的数。真值即机器数所表示的真实的数值。对于符号数，机器数常用的表示方法有原码X原、反码X反和补码X补三种。,48,原码表示法：最高位表示符号，数值位用二进制绝对值表示的方法。反码表示法：一个负数的原码符号位保持不变，其余位取反就是机器数。正数的反码与原码相同。补码表示法：将负数的反码加1，则得到机器数的补码表示。正数的补码与原码相同。即：一个正数的原码、反码和补码相同，而一个负数的原码、反码和补码不同。,49,补码加减法的运算规则XY补=X补+Y补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。计算机内有符号数默认用补码表示。一个字节表示有符号数的范围：原码表示：-127+127；有+0和-0；01111111B+127D;11111111B-127D;00000000B+0D;10000000B-0D反码表示：-127+127；有+0和-0；11111111B-0D;10000000B-127D补码表示：-128+127；0的表示唯一，不分+0和-0；10000000B定义为-128D。,50,如何从反码得到原码，如何从补码得到原码？如果一个有符号二进制数的最高位为0，表明这是一个正数，那么此时原码、反码、补码三者相等。如果一个有符号二进制数的最高位为1，表明这是一个负数，那么此时反码按位取反（符号位除外）便得到了原码；补码则是按位取反（符号位除外）后再加1，便得到原码。,51,例7.设X=23，Y=42，计算机字长为8位（以下各例同），用补码运算求X-Y。,如果处理器进行补码运算产生了溢出，处理器会产生一个溢出标志，用O标识。,当运算结果超出补码表示的数值范围时，补码运算就不正确了。这种现象称为溢出。,52,处理器采用双高位的判别方法来产生溢出标志：最高位（符号位）是否有进位Cs异或次高位（数值的最高位）是否有进位Cp。OF=CsXORCp,53,B.无符号数的表示,二进制无符号数码值和数值相等。n位二进制无符号数所能表示的范围是02n-1。例：8位二进制无符号数表示的范围是025516位二进制无符号数表示的范围是065535,54,BCD码主要用于输入/输出这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。压缩BCD码的每一位用4位二进制表示，00001001表示09，一个字节表示两位十进制数。非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位无效，一般总为0000，低4位的00001001表示09。,55,例：00111001b压缩格式：39非压缩格式下：9表面上看BCD码是二进制数据；本质上是十进制数据，各位的权重是8421二进制关系，但相邻的两个BCD码之间却逢十进一。四则运算先按二进制进行，然后调整为BCD码。,56,计算机内一个字节为81H10000001B二进制129（二进制无符号数）BCD码81（压缩格式BCD码）原码-1反码-126（11111110b10000001b）补码-127（11111111b10000000b10000001b）一个代码，赋予不同类型，其数值不一样。而类型要由人指定。,57,1.ASCII码美国标准信息交换代码采用7位二进制代码对字符进行编码，包括字母、数字和命令符。第032号、127号(共34个)是控制字符或通讯专用字符，如控制符：LF（换行0AH）、CR（回车0DH）、FF（换页0CH）、DEL（删除7FH）、BEL（振铃07H）、NUL(空操作00H)等；通讯专用字符：SOH（文头01H）、EOT（文尾04H）、ACK（确认06H）等；,1.3.3非数值数据的表示,58,数字09的编码01100000111001，其高3位均是011,后4位与其对应的二进制代码相符（30H39H）。英文字母AZ的ASCII码从1000001（41H5AH）开始顺序递增，字母az的ASCII码从1100001（61H7AH）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。大写字母+20H=所对应的小写字母计算机与外设（字符显示器、字符打印机）交换信息一般都用ASCII码表示。,59,60,2、汉字编码汉字编码包括输入编码、内码和字模编码，分别用于输入、内部处理和输出。汉字量：46000个常用字：6335字;最常用字：2000字汉字处理问题：字库量大，要求存储容量大输入困难，查找速度慢汉字的优点：集中性强构词能力强汉字内码GB2312定义了6763个汉字，其中一级字库3755字，二级字库3008字,61,3.其他代码指令代码；地址代码；用户自己定义的各种代码；4.计算机语言高级语言面向用户，脱离具体机器，速度慢，编译程序庞大汇编语言机器语言的符号表示，速度快，汇编程序小机器语言机器能识别的二进制码（EXE文件）,62,计算机的硬件主要由逻辑门，触发器（D触发器）和三态门构成，使用器件多为CMOS,TTL,NMOS。TTL和CMOS电平范围如下表所示：,1.4硬件知识回顾,63,1.三态缓冲器,计算机中与总线相连的输出部件均为三态缓冲器。三态门OE为低电平，F=AOE为高电平，F浮空，可以由与F相连的其他输出器件输出,64,三态缓冲器,单向三态缓冲器74LS24474LS244为TTL的单向三态缓冲器，有两个三态控制使能引脚G1和G2，分别控制4个三态门。当G1为低电平，1A输出到1Y当G2为低电平，2A输出到2Y当G1、G2为高电平时，输出为三态,65,双向三态缓冲器74LS24574LS245为TTL双向三态缓冲器，有控制引脚DIR和EN当EN为低电平，三态门导通:DIR为低电平，由B传输到ADIR为高电平，由A传输到BEN为高电平时，A、B均为三态,66,2.缓冲输出与非缓冲输出,缓冲输出驱动能力强。如果一个芯片是缓冲输出，那么输出拉电流可达15mA，灌电流可达20mA。,67,非缓冲输出非缓冲输出驱动能力较弱（拉电流能力很弱，灌电流能力较强）如果一个芯片是非缓冲输出，那么输出拉电流一般为几百微安，灌电流可达8mA。,68,缓冲输出的例子缓冲输出带载能力,输入为1时，LED能被点亮缓冲输出拉电流能力强,输入为0时，LED能被点亮缓冲输出灌电流能力强,69,非缓冲输出的例子非缓冲输出带载能力,输入为0时，LED不能被点亮非缓冲输出拉电流能力弱,输入为1时，LED能被点亮非缓冲输出灌电流能力较强,70,3、锁存器,D触发器,1)电平锁存,2)上升沿锁存,3)带异步清0的上升沿锁存,71,具有异步清零的TTL上升沿锁存器74LS273,当CLK上升沿到来时，将输入端的数据D0D7锁存到输出端Q0Q7，当CLR为低电平时将锁存器输出清零。,72,具有缓冲输出的TTL低电平锁存器74LS373,OE为低电平时，输出三态门打开，此时LE为高电平，Q7Q0跟随D7D0LE为低电平，数据锁存OE为高电平时，输出Q7Q0为三态,73,4.计算机总线,总线是计算机中连接各部件的一组公共通信线。1970年DEC公司PDP-11小型计算机首次采用总线技术。总线结构的优点：便于采用模块化结构设计方法，简化系统设计标准总线得到各厂商的支持，便于开发相互兼容的硬件板卡和软件模块结构便于系统的扩充和升级便于故障诊断和维修.,74,总线的使用特点：在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控