第1章 微型计算机概述.ppt

1,本章主要教学内容微处理器的产生和发展、微处理器系统微机特点、分类及性能指标微机系统基本结构和组成常用数制及其转换无符号数和带符号数表示方法ASCII码、BCD码、汉字编码的概念和应用,第1章,微型计算机概述,2,本章教学目的及要求熟悉微处理器的产生和发展，掌握微机分类及性能指标；掌握计算机基本结构及工作原理；掌握常用数制及其转换、带符号数的表示、字符编码和汉字编码的基本知识。,第1章,微型计算机概述,3,1-1微型计算机的发展与应用1946年2月，世界上第一台电子数字计算机ENIAC研制成功。此后，计算机的发展随其主要电子部件的演变经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路等时代。在60多年的发展历程中，计算机技术突飞猛进，特别是微型计算机的出现更为计算机广泛应用开拓了广阔前景。其存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等都有很大突破，同时推出各种系统软件和应用软件，使其功能不断增强。,第1章,微型计算机概述,1-1微型计算机的发展与应用1第一台电子计算机1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分计算机）。重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。,微型计算机概述,2冯诺依曼结构计算机1946年6月，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（JoheVonNeumman）提出了“存储程序”的计算机设计方案。其特点是：采用二进制数形式表示数据和计算机指令。指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机。冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。,7,1-1-1微处理器的产生和发展微处理器诞生于20世纪70年代初，将传统计算机的运算器和控制器等部件集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机以微处理器为核心，配置存储器、输入/输出设备、接口电路和总线等。,第1章,微型计算机概述,8,微处理器按照字长和功能划分，经历以下6代演变。第1代：4位和8位低档微处理器400440408008第一个微处理器是1971年美国Intel公司生产通用的4位微处理器4004,Intel4040以它的体积小价格低等特点引起了许多部门和机构的兴趣。1972年，Intel公司又生产了8位的微处理器8008。通常，人们将Intel4004、4040、8008称为第一代微处理器。这些微处理器的字长为4位或8位，集成度大约为2000管片，时钟频率为1MHz，平均指令执行时间约为20us。,第1章,微型计算机概述,第2代：8位中高档微处理器19731977年间，出现了许多生产微处理器的厂家，生产了多种型号的微处理器，其中设计最成功、应用最广泛的是intel公司的80806085，Zilog公司的Z80，Motorola公司的68006802，Rockwell公司的6502。通常，人们把它们称为第二代微处理器。这些微处理器的时钟频率为24MHz，平均指令执行时间为l2Ps，集成度超过5000管片。在这个时期，微处理器的设计和生产技术已相当成熟，配套的各类器件也很齐全。后来，微处理器在以下几个方面得到很大发展：提高集成度、提高功能和速度、增加外围电路的功能和种类。,第3代：16位微处理器8086808880286，IBMPC系列机1977年左右，超大规模集成电路工艺已经成熟。19781979年，一些厂家推出了性能可与过去中档小型计算机相比的16位微处理器，其中，有代表性的三种芯片是Intel的80868088、Zilog的Z8000，以及Motorola的M68000。这些微处理器的时钟频率为48MHz，平均指令执行时间为0.5us，集成度为200000000管片。人们将这些微处理器称为第一代超大规模集成电路微处理器。,第4代：32位微处理器80386804861983年以后，Intel80386和Motorola68020相继推出。这两者都是32位的微处理器。其后，Intel又陆续推出80486、第5代：超级32位Pentium微处理器PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium41993年以后，Intel又陆续推出了Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、PentiumH、PentiumIII和PentiumIV，这些CPU的内部都是32位数据宽度，所以都属于32位微处理器。在此过程中，CPU的集成度和主频不断提高。,第6代：新一代64位微处理器,Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站,13,计算机的发展趋势：（1）朝微型计算机和巨型计算机两极方向发展。（2）开发和研究的热点是多媒体计算机。（3）发展的总趋势是智能化计算机。,第1章,微型计算机概述,14,1-1-2微型计算机的分类1.按照CPU的字长来分类分为4位、8位、16位、32位、64位等微型计算机。2.按照微型计算机的利用形态来分类分为单片微型计算机、单板微型计算机、位片式微型计算机、微型计算机系统等。,第1章,微型计算机概述,15,1-1-3微型计算机的特点与性能指标1.微型计算机的特点（1）功能强（2）可靠性高（3）价格低（4）适应性强（5）体积小、重量轻（6）维护方便,第1章,微型计算机概述,16,2.微型计算机的性能指标（1）位（Bit）：一个二进制位，由“0”和“1”两种状态构成。（2）字长：微处理器内部寄存器、运算器、内部数据总线等部件之间传输数据的宽度或位数。是微处理器数据处理能力的重要指标。（3）字节（Byte）：计算机中通用的基本存储和处理单元，由8个二进制位组成。,第1章,微型计算机概述,17,（4）字：计算机内部进行数据处理的常用单位。（5）主频：也称时钟频率，单位为MHz（兆赫），决定微型计算机的处理速度。（6）主存容量：主存储器中RAM和ROM的总和，是衡量微型计算机处理数据能力的一个重要指标。,第1章,微型计算机概述,18,（7）可靠性：计算机在规定的时间和工作条件下正常工作不发生故障的概率。（8）兼容性：计算机的硬件和软件可用于其他多种系统的性能。（9）性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标，包括计算机的硬软件性能与售价的关系。,第1章,微型计算机概述,19,1-1-4微型计算机的应用1.数值计算2.办公自动化（OA）3.数据库应用4.多媒体技术5.过程控制6.计算机辅助处理7.网络与信息化8.人工智能,第1章,微型计算机概述,20,1-2微型计算机的硬件结构及系统组成1-2-1微型计算机硬件的基本结构,第1章,微型计算机概述,通用微型计算机的硬件系统组成：微处理器内存储器外存储器总线接口电路输入/输出设备等,21,1.微处理器也称中央处理器CPU，是微机核心部件，包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件。（1）运算器（ALU）：是计算机中加工和处理各种数据的部件，主要完成算术运算和逻辑运算。（2）控制器：是计算机工作的指挥与控制中心。（3）寄存器组：用来暂存数据和指令等信息的逻辑部件，包括通用寄存器和专用寄存器。,第1章,微型计算机概述,22,2.主存储器（1）随机存储器RAM：存放当前参与运行的程序和数据。特点是信息可读可写，但信息不能长期保留，断电会丢失。（2）只读存储器ROM：存放各种固定程序和数据。特点是信息固定不变，只能读出不能重写。,第1章,微型计算机概述,23,3.系统总线（1）数据总线DB：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。数据总线一般为双向总线，宽度等于计算机的字长。（2）地址总线AB：用于CPU访问主存储器和外部设备时传送相关的地址信号。（3）控制总线CB：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。,第1章,微型计算机概述,24,4.输入输出接口电路也称I/O电路，是微机外部设备交换信息的桥梁。（1）接口电路一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成。（2）所有外部设备都通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上去。（3）接口电路的通信方式分为并行通信和串行通信。,第1章,微型计算机概述,25,5.主机板由CPU、RAM、ROM、I/O接口电路及系统总线组成的计算机装置简称“主机”。主机的主体是主机板，也称为系统主板或简称主板，CPU就安装在它的上面。主机板上有CPU插座（或插槽）、内存槽、扩展槽、主板电源插座、磁盘接口、主控芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片、跳线或DIP开关、电池、各种外围设备输入输出端口等。,微型计算机概述,第1章,26,6.辅助存储器（1）软盘：常用的是3.5英寸双面高密度软磁盘，容量为1.44MB。（2）硬盘：用金属为基底，表面涂覆有磁性材料，刚性较强。（3）光盘：光盘存储器由光盘、光盘驱动器和接口电路等组成。,微型计算机概述,第1章,27,第1章,微型计算机概述,7.输入/输入设备输入/输出设备是微型计算机系统与外部进行通信联系的主要装置。目前，微型计算机中最常用的输入/输出设备有键盘、鼠标、显示器、打印机和扫描仪等。,28,第1章,微型计算机概述,1-2-2微型计算机的系统组成1硬件系统由电子部件和机电装置等所组成的计算机实体，包括微型计算机主机和外围硬件设备。2软件系统为运行、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。,29,第1章,微型计算机概述,1-3计算机中的信息表示计算机的基本功能是对数据进行加工，计算机内的数字、字符、指令、控制状态、图形和声音等信息都采用二进制编码形式来表示。使用上把计算机中数据分为数值型和非数值型两类。,30,第1章,微型计算机概述,1-3-1计算机中的数制及其转换1.数制的基本概念十进制数采用09共10个数字及其进位来表示数的大小。09称为“数码”，全部数码个数称为“基数”，用“逢基数进位”原则进行计数称进位计数制。代表不同数值的各位有不同的“位权”，位权与基数的关系是：位权的值等于基数的若干次幂。,31,为了区分各种计数制的数据，可以采用以下两种方法进行书写表达。（1）在数字后面加写相应英文字母作为标识。如：B表示二进制数；D表示十进制数（可省略）；H表示十六进制数。（2）在数字的括号外面加计数制下标，此种方法比较直观。如：二进制的11010011可以写成（11010011）2。,微型计算机概述,第1章,32,2数制之间的转换表1-2给出了计算机中二、十、十六进制的基数、数码、进位关系和表示方法。,表1-2二、十、十六进制的基数、数码、进位关系和表示方法,第1章,33,数制之间的转换：为使用方便，需将不同数制进行相互转换，各种计数制间转换方法总结如表1-3所示。,34,第1章,微型计算机概述,【例1.1】将十进制整数（103）10转换为二进制整数。按照转换规律，采用“除2倒取余”的方法，过程如下：2103251余数为1225余数为1212余数为126余数为023余数为021余数为10余数为1所以，（103）10=（1100111）2,35,第1章,微型计算机概述,【例1.2】将十进制小数（0.8125）10转换为二进制小数。按照转换规律，采用“乘2顺取整”的方法，过程如下：0.81252=1.625取整数位10.6252=1.25取整数位10.252=0.5取整数位00.52=1.0取整数位1所以，（0.8125）10=（0.1101）2若出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可。,36,第1章,微型计算机概述,【例1.3】将十进制整数（2347）10转换为十六进制整数。按照转换规律，采用“除16倒取余”的方法，过程如下：16234716146余数为11（十六进制数为B）169余数为20余数为9所以，（2347）10=（92B）16,37,第1章,微型计算机概述,【例1.4】将十进制小数（0.8129）10转换为十六进制小数。按照转换规律，采用“乘16顺取整”的方法，过程如下：0.812916=13.0064取整数位13（十六进制数为D）0.006416=0.1024取整数位00.102416=1.6384取整数位10.638416=10.2144取整数位10（十六进制数为A）本例取到该数据的计算精度为小数点后4位数。所以，（0.8129）10=（0.D01A）16,38,第1章,微型计算机概述,1-3-2计算机中数值数据的表示1.基本概念数及其符号在机器中的表示加以数值化称为机器数。（1）机器数范围：由CPU字长决定。（2）机器数符号：规定每个字长最高位为符号位，用“0”表示正数，用“1”表示负数。（3）机器数中小数点位置：小数点位置固定不变时的机器数称为“定点数”；规定小数点位置可浮动时的机器数称为“浮点数”。,39,第1章,微型计算机概述,2.带符号数的原码、反码、补码表示（1）原码：正数符号位为0，负数符号位为1，其他位按一般方法表示数的绝对值。（2）反码：正数反码与其原码相同，负数反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。（3）补码：正数补码与其原码相同，负数补码为其反码在最低位加1。,40,第1章,微型计算机概述,（4）补码与真值之间的转换已知某数的真值可通过补码定义完成真值到补码转换；若已知某数补码也可通过以下方法求出真值。正数的补码，其真值等于补码的本身；负数的补码，求其真值时可除符号位以外将补码有效值按位求反后在末位加1，即可得该负数补码对应的真值。,41,第1章,微型计算机概述,【例1.9】已知X1补码=01011001B，求真值X1；已知X2补码=11011010B，求真值X2。（1）由于X1补码代表的数是正数，则其真值：X1=+1011001B=+（126+124+123+120）=+（64+16+8+1）=+89D（2）由于X2补码代表的数是负数，则其真值：X2=-（1011010求反+1）B=-（0100101+1）B=-（0100110）B=-（125+122+121）=-（32+4+2）=-38D,42,第1章,微型计算机概述,3.定点数和浮点数的表示（1）定点数：数据采用整数表示，将小数点约定在最低位的右边称定点整数；数据采用纯小数表示，将小数点约定在符号位之后称定点小数。（2）浮点数：要处理的数据既有整数部分又有小数部分，可采用浮点数表示，小数点位置不固定，可