硬件第1章2009.ppt

第1章微型计算机系统概述及基础知识,2,主要内容,1.1微型计算机概述1.2计算机中的数制1.3二进制数的运算1.4带符号二进制数的表示及运算1.5小数的表示1.6字符编码,3,1.1概述,主要内容：1.1.1微型机的发展概况1.1.2微型机系统组成1.1.3微型机工作原理简介1.1.4微型机主要性能指标,4,1.1.1微型计算机的发展概况,电子计算机：1946年ENIACelectronicnumericalintegratorandcalculator微处理器：1971年第一次出现，它集成2300个晶体管、有4位带宽工作频率为108kHz、能寻址640B微处理器：微机的中央处理器CPU，又称为运算控制器微型计算机：70年代诞生第一台(Apple公司),5,微处理器(Microprocessor)的发展,16位8086/8088、8028632位80386、80486Pentium(奔腾或80586)PentiumPro(高能奔腾)PentiumMMX(多能奔腾)Pentium(二代奔腾)Pentium(三代奔腾)Pentium(四代奔腾)等单核微处理器到双核、多核微处理器,微处理器,微机,发展,输出设备(显示器、打印机、绘图仪),(可作输入、输出设备),主机,专用软件包用户应用程序,微机系统,硬件系统,微处理器,内存储器总线I/O接口,运算器控制器,外设,输入设备(键盘、鼠标、扫描仪),外存储器,通信设备(网卡、调制解调器),软件系统,系统软件,应用软件,磁盘光盘,语言处理程序操作系统数据库管理系统服务程序,1.1.2微型计算机系统组成,下面分别介绍,7,1.微机硬件系统,以运算器为核心、以存储程序原理为基础主要特性:计算机(指硬件)由五大基本部件组成；计算机内部采用二进制表示指令和数据；将事先编好的程序和原始数据存入存储器，再启动计算机工作。,存储器,运算器,输出设备,控制器,输入设备,五大基本部件,遵循冯诺伊曼计算机结构,8,微机硬件基本组成框图,显示器,微处理器(控制器和运算器),芯片组,BIOS(基本输入/输出系统),主存储器,高速缓存,I/O接口,磁盘,I/O接口,I/O接口,I/O接口,其他外设,总线,主板,CMOSRAM,鼠标,主板实例,CPU及其插座、芯片组、内存插槽、高速缓存(Cache)总线扩展槽、串/并行接口、CMOS、系统BIOS等,586微机主板结构,10,Intel845GE主板,11,1.微处理器(MicroProcessor),组成：运算器、控制器、寄存器、内部线路运算器(算术运算、逻辑运算部件)依靠算术逻辑部件ALU(ArithmeticLogicalUnit)控制器(控制部件，指挥各部件按指令完成操作)由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、控制部件等组成寄存器(存放信息部件)用于存放指令、指令地址、操作数及运算结果等。内部线路(总线)用于连接微处理器内部各部件，提供传送信息通路。,12,2.主存储器(Memory),简称主存、内存，记忆部件，用于存放信息。程序只有放入主存，才能供CPU执行。主存分成多个存储单元，通常1个存储单元是1个字节(8位)每个存储单元有1个编号(内存地址或地址)即1个字节有1个编号,插到内存插槽中,13,3.高速缓冲存储器(Cache),解决微处理器、主存读写速度不匹配Cache结构从单级向多级发展2级Cache包括1级Cache、级Cache1级集成在微处理器芯片内，2级在主板上。,14,4.CMOS芯片,主板上的一块CMOSRAM(简称CMOS)芯片用于存储计算机的一些配置信息如系统时间、磁盘、光盘、显示器、存储器等参数开机后，可进入Setup程序修改CMOS信息CMOS由电池供电，关机后信息不丢失,15,5.BIOS芯片,BIOS：BasicInputOutputSystem是一块只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)BIOS存储基本输入、输出程序由厂家采用特殊方法写入用户只能读出BIOS内容，不能修改断电后，BIOS信息不丢失,16,6.芯片组,固定在主板上的几块集成电路芯片主板上能安装何种档次的CPU由芯片组决定,芯片组,17,7.总线(BUS),是传送信息的一组通信线用于连接CPU、主存、I/O接口，与外设传送信息,地址总线ABAddressBus,CPU,主存储器,I/O接口,I/O设备,数据总线DBDataBus,控制总线CBControlBus,18,8.输入/输出接口(Input/OutputPort),主机(总线),外设,外设接口电路,插入端,外设插座,较复杂的I/O接口电路都做在电路板上，称为卡(Card)如显示卡、网卡、声卡等在卡的一侧引出连接外设的插座，另一侧做成插入端将插入端插到总线插槽(I/O通道)上，即把接口与系统总线相连,19,I/O接口卡举例(显示卡、显示适配器),是主机与显示器之间的连接部件，插在主板的I/O扩展槽上显卡分为：PCI显卡、AGP显卡显卡上部件包括:主机接口、显示器接口和显示功能3部分,主机(总线),显示器,显卡(显示器接口电路),Videoport接Monitor,20,外设插座,21,2.软件系统,包括:系统软件和应用软件系统软件包括：操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、服务程序等,22,语言处理(翻译)程序,1.机器语言：二进制代码指令集合(能直接识别、执行)2.汇编语言：机器语言的符号化表示(不能识别，需翻译)3.高级语言：接近自然语言形式的程序设计语言(需翻译),AL=3+5end,MOVEAL,3ADDAL,5HALT,1011000000000011000001000000010111110100,机器语言程序汇编语言源程序Basic语言源程序3+5,翻译成,汇编成,23,1.1.3微型机工作原理简介,取指令,MOVEAL,3ADDAL,5HLT,取指令,执行指令,例完成3+5运算程序的执行过程1取出第1条指令，翻译后执行指令，即取出数据3，并送到累加器AL中2取出第2条指令，翻译后执行指令即把累加器AL中数据与5相加，结果存AL中3取出第3条指令，翻译后执行指令(即停机),解释指令,指令放在内存中,Fetch,Decode,Execute,24,1.1.4微型机主要性能指标,包括：字长、运算速度、外频、主频、存储容量等字长CPU一次同时处理的二进制位数。如16位、32位、64位运算速度每秒钟执行指令的条数，用MIPS”百万条/秒”描述(MIPS：MillionInstructionPerSecond),25,1.1.4微机主要性能指标,外频CPU总线频率，主板向CPU提供的基准时钟频率，是CPU与其他部件之间的工作频率。主频CPU工作频率，CPU内部实际运行频率。Pentium4主频在1GHz以上。主频与外频关系486DX2以前的CPU，主频=外频486DX2之后的CPU，主频=外频倍频系数,26,2.存储容量,b(Bit比特位)=最小单位1B(Byte字节)=8Bit例如，11001010是1个字节1W(Word字)=2B=16Bit1KB(Kilobyte千字节)=1024B=210B1MB(Megabyte兆字节)=1024KB1GB(Gigabyte吉字节)=1024MB1TB(Terabyte太字节)=1024GB1PB(Petabyte拍字节)=1024TB,27,1.2计算机中的数制,十进制：数字符号09，逢十进一，用D(Decimal)代表。例34.98D或(34.98)D或34.98二进制：数字符号01，逢二进一，用B(Binary)表示。例1010B，1101.11B或(1101.11)B八进制：数字符号07，逢八进一，用O(Octal)代表。例127.546O或(727.76)o十六进制：数字符号09、AF，逢十六进一，用H表示Hexadecimal例5CD.BFH或(A97D.BF)H,28,各种数制之间的转换,十进制数转换成其他进制数其他进制转换成数十进制数,29,十进制数转为二进制数,例十进制29.625转为二进制，结果为(11101.101)2,整数除2取余余数229121402712312110,小数乘2取整0.625211.2500.25200.50211.00,30,十进制转为八、十六进制数,8237582958330(237)10=(355)8,16237D(13)1614E(14)0(237)10=(ED)16,十进制数转为八进制数规则：整数除8取余，小数乘8取整。十进制数转为十六进制数：整数除16取余，小数乘16取整。,31,二进制、十六进制转为十进制数,规则:按相应的权表达式展开(B)2=Bn-12n-1+Bn-22n-2+B020+B-12-1+B-22-2+B-m2-m例(10101.101)2=124+023+122+021+120+12-1+02-2+12-3=16+0+4+0+1+0.5+0+0.125=21.625(H)16=Hn-116n-1+Hn-216n-2+H0160+H-116-1+H-216-2+H-m16-m例24.AH=2161+4160+1016-1=36.625,32,二进制与十六进制的相互转换,例：十六进制数F9A.C转换为二进制方法：1位十六进制数用4位二进制数替换F9A.C111110011010.1100(F9A.C)16(111110011010.1100)2,33,进制对照,4位二进制数对应1位十六进制数十进制二进制十六进制000000H910019H101010AH111011BH121100CH131101DH141110EH151111FH161000010H,34,1.3二进制数的运算,算术运算逻辑运算,下面分别介绍,35,1.3.1二进制数的算术运算,加：0+0=00+1=11+0=11+1=0(有进位)减：0-0=01-1=01-0=10-1=1(有借位)乘：11=1其余皆为0(乘以2相当于左移一位)除：11=101=0(除以2相当于右移一位),例1011-111=0100(减法)1011-1110100,例1001+101=1110(加法)1001+1011110,36,乘法和除法举例,例11011011000001例1100101011010110110111010000+11011000001,0,本例商=1010B余数=0B若除不尽，会有余数,37,1.3.2二进制数的表示范围,数据范围由二进制数的位数决定，02n-1(n位)例n=8028-1(0255)最小二进制数：00000000即十进制数0最大二进制数：11111111即十进制数28-1,没考虑数据的符号(无符号数),38,溢出现象,若运算结果超出范围，则产生溢出。最高位向前有进位(或借位)，溢出。,设用8位表示数据,39,1.3.3二进制数的逻辑运算,逻辑运算：逻辑量之间的运算逻辑量：用0、1表示(区分)两种状态，如电压高、低“与”运算“或”运算“非”运算“异或”运算,下面分别介绍,40,“与”运算,与(AND)运算规则：00=001=010=011=1即任何数和“0”相“与”，结果为”0”例00000101B00000111B=00000101B00000101AND0000011100000101,41,“或”运算,或(OR)运算规则：00=001=110=111=1即任何数和”1”相或，结果为”1”例00000101B00000111B=00000111B00000101OR0000011100000111,42,“非”运算,非(NOT)运算规则：0110(即按位求反)例二进制数00000101的“非”运算结果是11111010,43,“异或”运算,异或(XOR)规则：000011101110(即相同为0，不同为1)例00000101B00000111B=00000010B00000101XOR0000011100000010,44,1.3.4基本逻辑电路,下面分别介绍,1.基本逻辑门2.三态电路3.译码器,45,1.基本逻辑门电路,“与”门“与”运算“或”门“或”运算“非”门“非”运算“异或”门“异或”运算,下面分别介绍,46,“与”门,支持“与”运算的门(逻辑)电路,B,A,C,ABC000010100111,与门逻辑图,真值表,输出端,输入端,C=AB,47,“或”门,支持“或”运算的门(逻辑)电路,ABC000011101111,1,A,B,C,或门逻辑图,输入端,输出端,C=AB,真值表,48,“非”门,1,A,B,非门逻辑图,表示为：A=BAB0110,真值表,支持“非”运算的门(逻辑)电路,49,“异或”门,A,B,C,表示为：AB=C(可用符号)ABC000011101110,异或门逻辑图,真值表,支持“异或”运算的门(逻辑)电路,50,“与非”门、“或非”门算,AB=CAB=C,ABC001011101110,ABC001010100110,真值表,51,逻辑门组合,&,B,A,1,非门,与门,D,C,C=AB,D=CD=AB,问题:有一个与门和一个非门,请组合出一个与非门,52,2.三态门,一般逻辑门的输出只有两种状态(高、低电位)三态门电路，也称三态缓冲器，简称三态门它有第3种状态，即高阻态(电阻很大，电路的开路状态)相当于隔断状态,用途见下页,53,三态门的用途,外设,CPU,CPU,EN为高电位导通的三态门EN为低电位导通的三态门,EN,EN,若总线上接有多个外设，只允许1个外设使用总线，每个外设通过选通信号控制与总线的连接三态门可做控制开关，用于连接外设与总线(CPU)，控制是否让信号通过如外设没被选通，则处于高阻态，相当于未接在总线上，信号不能通过如外设被选通，则信号能通过。若总线上只连接1个设备，则无需三态门,外设,54,3.译码器,功能表CBA输出端结果000Y0=0选Y0001Y1=0选Y1111Y7=0选Y7,74LS138译码器(用于选择输出口),G1,G2A,G2B,C,B,A,Y0,Y7,应用举例(见下页)：每个输出端连接一盏灯，控制灯亮和灯灭,8个输出端,55,译码器应用举例,每个输出端连接一盏灯，控制灯亮和灯灭,通过程序，控制C、B、A，以便选择输出端Y0Y7,CBA输出端结果000Y0=0选Y0001Y1=0选Y1111Y7=0选Y7,56,1.4带符号二进制数的表示及运算,带符号数表示方法：原码、反码、补码符号表示：最高位表示符号，0表示正，1表示负机器数：数和符号在机器中的表示真值：机器数的数值例+12=00001100(原码)符号位真值-12=10001100(原码)符号位真值,57,1.4.1带符号二进制数的表示方法,原码反码补码(微机中用补码表示符号数),下面分别介绍,58,原码,规则：最高位为符号位，0表示正，1表示负，其余为真值。例0的8位原码(有两种表示)+0=00000000-0=10000000例12的8位原码：0000110012的16位原码：0000000000001100例-12的8位原码：10001100,59,原码的表示范围,例用8位二进制数表示原码最大二进制整数：01111111+(28-11)即+127最小二进制整数：11111111-(28-11)即-127例用16位二进制数表示原码(216-11)即-32767+32767例用n位表示原码(2n-11),60,反码,若X0，则X反=X原(即正数的反码和原码相同)若X0时，X补=X反=X原(正数补码、原码、反码相同)X0时，X补=X反+1(在反码的末位加1)例X=-52=-0110100X原=10110100X反=11001011X补=X反+1=11001100,64,0的补码,0的补码:只有一种表示00000000因为:+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=100000000,对8位字长，进位被舍掉,65,补码的表示范围,例用8位表示补码-(27)+(271)即-128+127最大二进制整数：01111111+(28-11)即+127最小二进制整数：10000000-(28-1)即-128-127的原码=11111111-127的反码=10000000-127的补码=10000001-127-1=10000001-1=10000000=-128例用n位表示补码-(2n-1)+(2n-11),66,带符号数表示范围归纳,原码和反码：(2n-11)补码：2n-12n-11不对称例n=8(用8位表示符号数)原码和反码：(28-11)即-127+127补码:28-128-11即-128+127,67,特殊数10000000,该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127因为-127的原码=11111111-127的反码=10000000在补码中定义为：-128因为-127的补码=10000001对它做减1运算=10000001-1=10000000对无符号数(10000000)=128,68,练习题,问题：用16位表示符号数，原码、反码、补码的范围？回答：原码和反码范围：(216-11)即-32767至+32767补码范围：-216-1至216-11即-32768至+32767,69,补码数转为十进制数,方法：先求出原码，再转为十进制数1.已知X补=00100001求X的真值解符号位为0,该数为正数,数值为33，X真值=+332.已知X补=11111001求X的真值解符号位为1，该数为负数。真值求法：对补码再求补码即X真值=X补补=10000110反码+1=10000111原码=-7,70,为什么引进补码,微机中用补码表示带符号数，可把减法转变为加法例用加法运算实现减法运算已知X=+66Y=+51X-Y=15用补码运算验证计算结果解X-Y补=X补+-Y补=01000010+11001101=00001111=15,01000010+11001101100001111,结果也为15(用补码运算),71,练习题,已知X=+12Y=+13X-Y=-1用补码运算验证计算结果解X-Y补=X补+-Y补=00001100+11110011=-112原码=00001100-13原码=10001101-13补码=11110011,72,1.4.3带符号二进制数运算的溢出问题,例设数据宽度为8位(符号占1位，值占7位)X=01111111Y=00000001问X+Y是否溢出,10000000,+00000001,01111111,正数相加得负数，不合理，即溢出,X+Y,73,计算机(用程序)判别溢出的规则,两个符号二进制数相加或相减时若最高位向前无进位(或借位)，次高位向最高位有进位(或借位)，则结果产生溢出。若最高位向前有进位(或借位)，次高位向最高位无进位(或借位)，则结果产生溢出即最高位的进位(或借位)次高位的进位(或借位)=1，溢出,74,1.5小数的表示,方法：定点法(定点小数)、浮点法(浮点小数)定点数：小数点位置固定不变的数,符号位,X1,X2,Xn,小数点位置数值部分(尾数)，即小数点后面的数据,例(+0.625)10=(+0.1010000)2表示为:01010000(假设用8位表示),符号位小数点位置小数点后面的数据,定点小数,75,定点数举例,小数表示为:01010000,符号位小数点位置小数点后面的数据,例(+7.625)10=(+111.1010000)2整数表示为:00000111(设用8位表示),76,浮点数(FloatingPoint),用阶码和尾数表示的数2EM,例将二进制数1011.10101表示为规格化浮点数要求阶码占8位、尾数占16位，阶码和尾数用补码表示1011.10101=0.1011101012100,0,0000100,101110101000000,0,尾符阶符,0.1规格化尾数1(对应的十进制数),阶码(决定数据大小)尾数(决定数据精度),结果,77,练习题,求十进数0.0625的浮点数表示。要求阶码占8位，尾数占24位，规格化尾数，格式如图。,阶码(补码)尾数,解(0.0625)10=(0.0001)2=0.12-3=0.12-11原码01111110110000000000000000000000,78,高级语言中的浮点数,FORTRAN、C、C+Float(单精度4B)：阶码1字节，尾数3字节Double(双精度8B)：阶码1字节，尾数7字节阶码1B可表示的数据范围：2-1282127,79,1.6计算机中的编码,BCD码ASCII码,下面分别介绍,80,BCD码,BCD码(BinaryCodedDecimal):二十进制编码包括：压缩BCD码、扩展BCD码。压缩BCD码:用4位二进制码表示1位十进制数例用压缩BCD码表示十进制数11.2511.25D=(00010001.00100101)BCD,81,用BCD码计算,00010001+0111100010001001,例用BCD计算11+78，验证结果是否为89,例用BCD计算11+79，因为有结果大于9，用逢十进一做修正,00010001+0111100110001010,10010000,大于9,做进位修正后，结果为90,82,ASCII码,AmericanStandardCodeForInformationInterchange美国信息交换标准代码例如字母A的ASCII码01000001(65D41H)字母Z的ASCII码01011010(90D5AH)例如数字0的ASCII码00110000(48D30H),83,字母和数字的ASCII码,字符十进制十六进制二进制0483000110000573900111000A654101000001Z905A01