第一章微型计算机概述

1、1第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述21. 电子计算机电子计算机(1/2)l电子计算机：能够在程序控制下进行信息处理的电子设备.l组成l 中央处理器l 内存储器l 输入/输出接口l 总线计算机应称为信息处理机1. 电子计算机电子计算机(2/2)31.1 第一台第一台可由程序控制的可由程序控制的数字式数字式电子计算机电子计算机l电子数字积分器与计算器，ENIACl1946年，美国宾夕法尼亚大学研制l总造价100多万美元l使用18800多个电子管、1500多个继电器和500余英里长的导线l占地150平方米、重30吨、耗电l50千瓦l字长12位、运算速度约为0.5KIPSl采用重新连接线路的

2、方法编程41.2 计算机发展的四个阶段计算机发展的四个阶段(1/2)l电子管计算机(1946年1958年)l逻辑元件为电子管l主存采用磁鼓、磁芯，外存采用磁带l前期用机器语言编程，后期用汇编语言编程l主要用于科学计算l晶体管计算机(1958年1964年)l逻辑元件为晶体管l主存采用磁芯，外存采用磁盘l用高级程序设计语言编程l逐步用于简单数据处理和过程控制领域51.2 计算机发展的四个阶段计算机发展的四个阶段(2/2)l集成电路计算机(1964年1971年)l逻辑元件为中/小规模集成电路l主存采用磁芯，外存采用磁盘l用分时操作系统、会话式高级语言编程l在事物管理与过程控制领域中得到深入发展l大规

3、模集成电路计算机(1971年今)l逻辑元件为大规模集成电路l主存采用半导体，外存采用磁盘、光盘l用Windows/网络操作系统、面向对象的程序设计语言编程l在各个领域中得到普遍应用6体积、重量和功耗显著减小，功能、运算精度和速度、存储容量和可靠性极大提高.1.3 计算机科学领域的主要研究热点计算机科学领域的主要研究热点l多媒体信息处理系统l人工智能和专家系统l神经网络、生物和光学计算机系统7更快速、更大容量、更强功能和更高可靠性.1.4 计算机的特点计算机的特点l运算速度快l最快的达每秒数百亿次l“记忆”能力强l可长期存储大量的数据、指令等信息l计算精度高l运算结果可以有几十位的有效数字l有逻

4、辑判断功能l可通过逻辑运算进行判断和推理，并可根据结果作相应的处理l有自动运算和控制功能l可以完成复杂的运算和控制程序81.5 计算机的用途计算机的用途(1/2)l科学计算l解决生产和科研工作中复杂的数学问题.l如微分方程的计算，弹道轨迹的计算，气象信息的计算等.l数据处理l解决信息的排序、检索、比较、分类、统计和存储等问题.l如银行的储蓄、信贷和结算，报刊的订阅、分发和投递等.l过程控制l采集并处理各种过程中的各个参数以实现过程的自动控制.l如汽车、船舶和飞机的自动驾驶等.l人工智能l赋予计算机一定的“推理”、“学习”和“判断”的功能.l如棋牌对弈系统，英汉翻译系统，病情诊断系统等.91.5

5、 计算机的用途计算机的用途(2/2)l计算机辅助设计/计算机辅助制造，CAD/CAMlCAD：应用计算机图形学方法，设计各种工程、结构和部件.lCAM：在CAD设计的基础上，制造各种工程、结构和部件.l CAD+CAM构成自动化的工作站.l如汽车、船舶和飞机的设计和制造等.l信息网络l通过信道将各个独立的计算机连接起来形成网络以及将这样的一些网络互联以实现计算机资源的共享和信息的高速传输.l如Internet国际互联网，CERNT中国教育科研网等.101.6 计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标l衡量计算机硬件系统优劣的重要指标有l内存容量内存容量：内存的存储容量，基本单位为字节.l 是C

6、PU能够直接寻址的存储空间.l运算速度：运算速度：每秒钟执行加法指令的条数，用IPS(条指令/每秒)表示.l字长字长：每个字所包含的二进制数位的个数.l CPU一次可以同时传送或处理的二进制数位的位数，如1、4、8、16、32和64位等.l 字长较长的计算机有较强的信息处理能力.l 比特：比特：bit，二进制的一个数位.l 是计算机内部最小的信息单元. l 字节字节 ：Byte，1Byte=8bits.l 是计算机存储信息代码的基本单位.l 字：字：作为一个整体来传送或处理的信息代码的若干个数位.111.7 计算机的分类计算机的分类l从原理上l电子模拟计算机、电子数字计算机l从用途上l通用计算

7、机、专用计算机l从规模上l巨型、大型、中型、小型和微型机微型机l 主要区别：字节长度、内存容量、运速度以及体积上的差别.12规规 模模巨巨 型型大大 型型中中 型型小小 型型微微 型型字长 (位)256以上128-25664-12832-1281-64内存 (MB)1024以上512-1024128-51232-1280-64速度(MIPS)10001000-100100-1010-552. 微处理器和微型计算机的发展微处理器和微型计算机的发展l计算机中最重要的电路部件是CPUl微型机的CPU也称MPUl微型机同其它机种的重要区别l微型机CPU集成在一块或几块芯片上集成在一块或几块芯片上l其他

8、机种CPU由很多集成电路模块组成l微型机特点l体积小，功耗低，可靠性高，系统设计灵活，价格低廉等.13微型机的发展主要取决于MPU的进步2.1 微处理器的发展微处理器的发展(1/2)l研制MPU的厂商很多，Intel的产品最具代表性.l1971 1972年，先后推出4位的4004和8位的8008.l 分别可寻址4KB和16KB个存储单元，各有45条和48条指令.l 4004和8008均采用PMOS工艺制造，集成度为2000个晶体管/片，时钟频率1MHz左右，平均指令执行时间为1020us(50100KIPS).l19731977年，先后推出8位的8080和8085.l 可寻址64KB个存储单元

9、，扩充了指令系统，其中8085增加到246条.l 8080和8085均采用NMOS工艺制造，集成度为9000个晶体管/片，时钟频率14MHz，平均指令执行时间为12us(5001000KIPS).l19781983年，相继推出16位的8086/8088和80286.l 分别可寻址1MB和16MB个存储单元，有20000多条指令.l 8086/8088和80286均采用HMOS工艺制造，集成度为27万个晶体管/片，时钟频率525MHz，平均指令执行时间为0.250.5us(24MIPS).142.1 微处理器的发展微处理器的发展(2/2)l19861989年，先后推出32位的80386和8048

10、6.l 最大可寻址4GB个存储单元.l 80386采用CHMOS工艺制造，集成度为1550万个晶体管/片，时钟频率1640MHz，平均指令执行时间小于0.1us(10MIPS).l 80486采用CHMOS工艺制造，集成度为120万个晶体管/片，时钟频率3366MHz，平均指令执行时间为25ns(50MIPS).l1993年，推出64位的Pentium(数字式型号无法获得版权).l 最大可寻址64GB个存储单元.l Pentium采用亚微米的CMOS工艺制造，集成度为310万个晶体管/片，时钟频率60166MHz，平均指令执行时间小于10ns(100MIPS).l1996年，推出 Pentiu

11、m Pro(高能奔腾).l Pentium Pro较Pentium 具有更高的指令执行速度.l1997年2000年，相继发布Pentium MMX、Pentium、Pentium、 Pentium.152.2 微型计算机的发展微型计算机的发展(1/3)l按模块的组成方式，微型机分为l片级机片级机l 将CPU、RAM 、ROM、I/O接口等集成在一块芯片上的微型机.l Intel MCS-51系列，MCS-96系列，Motorola MC6805等.l 可广泛应用于智能化仪器仪表以及过程控制领域.l板级机板级机l 将CPU、RAM、ROM、I/O接口以及相应的外设(键盘、LED显示器)以及监控程

12、序固件等安装在一块印刷电路板上的微型机.l TP-801，TP-86等.l 可广泛应用于过程控制领域及教学实验中.l系统机系统机l 有充裕的内、外存，有丰富的软件支持，在操作系统的管理下进行工作的微型机.l Apple(苹果2)机，PC机，高档微机等.162.2 微型计算机的发展微型计算机的发展(2/3)l影响最大的是系统机系统机l8位机位机l 第一台微型系统机是由MITS于1974年推出的、采用Intel 8080为CPU的8位Altair 8800机(为避免侵犯Intel公司版权，微机系列号采用8800).l 风靡一时的则是由Apple于1977年推出的、采用Rockwell Intern

13、ational 6502为CPU的8位Apple机.lPC机机l 8 0 年 代 初 ， I B M 先 后 推 出 一 系 列 的 P C 机机 ， 主 要 包 括 I B M 的PC/XT/AT/PS2系列机及其兼容机.l高档微机高档微机l 80年代末，IBM先后推出80386、80486、Pentium等与PC机兼容的高档高档微机微机.172.2 微型计算机的发展微型计算机的发展(3/3)lPC机包括lPC型型：以8088为CPU，配一个单面软驱，1M字节RAM，40K字节ROM(内有BASIC解释程序及基本I/O系统软件BIOS)，三种基本外设接口(键盘、扬声器、盒式磁带)，可配置各种

14、外设(显示器、磁盘软盘、打印机).lXT型型：包括标准型XT机、扩充型XT机和XT-286机. 标准形XT机以8088为CPU，配一个360KB软驱和一个10MB硬盘，内存为640KB；在标准型XT机的基础上，扩充型XT机将硬盘扩充到20MB；XT-286机将CPU改用80286并配1.2MB的软驱.lAT型型：以80286为CPU，配1MB内存，1.2MB和360KB软驱各个，40MB以内的硬盘一个，运算速度是XT机的2-3倍.lPS2型型：以8086或80286为CPU，配一个硬盘和两个软驱，运算速度是AT机的两倍以上，但与PC/XT/AT机不兼容.183. 微处理器微处理器 微型计算机微

15、型计算机 微型计算机系统微型计算机系统l 微处理器：运算器+控制器+寄存器阵列+片内总线l 微型计算机：微处理器+内存储器+I/O接口电路+总线l 微型计算机系统：硬件(微型计算机+外设+I/O接口板)+软件193.1 微处理器微处理器l微处理器：运算器+控制器+寄存器阵列+片内总线l运算器：运算器：包括算术逻辑单元(ALU)、累加器、暂存寄存器和标志寄存器.l ALU用来对数据进行算术和逻辑运算；累加器和暂存寄存器用来提供或接收ALU运算前后的数据；标志寄存器用来存储运算结果的特征.l控制器：控制器：包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控制电路.l 负责对整机的控制. 包括取指令、分析指令和

16、执行指令；实现对存储器或I/O端口等部件的控制；使CPU内部及外部协调工作等.l寄存器阵列：寄存器阵列：包括通用寄存器和专用寄存器.l 通用寄存器组用来临时存放参与运算的数据；专用寄存器用来支持某种专门的操作，如指令指针IP(程序计数器PC)和堆栈指针SP等.20微处理器不能构成独立的工作系统3.2 微型计算机微型计算机l微型计算机：微处理器+内存储器+I/O接口电路+总线l内内存储器存储器：存放程序和数据.l ROMl RAMlI/O接口接口电路电路：将基本外设(如键盘、扬声器等)与CPU及内存连接起来.l总线总线：辅助信息流动的公共通道(连线).21微型计算机是构成独立工作系统的最小配置3

17、.3 微型计算机系统微型计算机系统l微型计算机系统：硬件(微型计算机+外设+ I/O接口板)+软件l硬件硬件：微型计算机及其各种外设，是能够收集、加工和处理数据以及产生输出数据的各种固定装置的总称.l 通过电气的、机械的方式彼此相连.l软件软件：所有能够完成各种功能的计算机程序.l 硬件是软件运行的基础，软件是硬件能够发挥作用的条件.22微型计算机系统是用户使用计算机的基本配置3.3.1 微型计算机系统的硬件微型计算机系统的硬件(1/3)l微型计算机+外设+I/O接口板l外设外设(I/O设备设备)：协助主机实现输入、输出、存储等功能.l 包括l 输入设备：输入设备：将外界信息(数据、程序指令及

18、各种信号)送入微机的设备. 典型的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪等.l 输出设备：输出设备：将微机运算和处理后的信息，以可识别的形式(如字符、数据、图表等)记录、打印或显示出来的设备. 典型的输出设备有扬声器、显示器、打印机、绘图仪等.l 外存储设备：外存储设备：可脱离主机、脱离通电状态记录用户数据和程序的装置. 典型的外存储设备有硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器等.l 辅助设备：辅助设备：协助微机完成各种功能操作的设备. 典型的辅助设备有UPS等.lI/O接口板接口板：协助系统总线与选配外设(非基本外设)间适配逻辑功能.l 在系统总线与外部设备之间需要适配逻辑来实现主机与外设间信息

19、的发送和接收.233.3.1 微型计算机系统的硬件微型计算机系统的硬件(2/3)243.3.1 微型计算机系统的硬件微型计算机系统的硬件(3/3)253.3.2 微型计算机系统的软件微型计算机系统的软件l广义：指程序运行时所需的数据以及与程序相关的文档资料.l狭义：仅指由专业人员编制的、在计算机上运行时增强了计算机功能的程序.l分为l 系统软件：系统软件：管理、监控和维护计算机资源的软件. l 主要包括：BIOS；操作系统；监控管理、联接程序、调试程序、故障检查和诊断程序；解释和编译程序；编辑软件；数据库管理系统.l 应用软件：应用软件：为解决用户的各种实际问题而利用计算机及其所提供的系统软件

20、编制的程序. l 按用途分为：工程计算；过程控制；数据处理；辅助设计；人工智能.264. 微型计算机系统的总线结构微型计算机系统的总线结构(1/3)l微处理器、微型计算机和微型计算机系统均采用总线结构来连接各自内部的组件.l总线：辅助信息流动的公共通道(连线)，计算机内共有数据、地址和控制三种信息.l从信息上，分为数据总线数据总线、地址总线地址总线和控制总线控制总线.l从结构上，分为单总线单总线、双总线双总线和三总线三总线.l从层次上，分为l 片内总线片内总线(内部总线内部总线)：支持MPU内部各单元之间信息交换.l 片总线片总线(微处理器级总线，元件级总线微处理器级总线，元件级总线)：支持微

21、型计算机内部各单元之间信息交换.l 内总线内总线(系统总线、微机总线、板极总线系统总线、微机总线、板极总线)：支持微型计算机与各插件板之间信息交换.l 外总线外总线(通信总线通信总线)：支持接口与各外设之间的信息交换.274. 微型计算机系统的总线结构微型计算机系统的总线结构(2/3)l IBM PC/XT机中的内总线采用8位的XT总线.l IBM PC/AT机中的内总线采用16位的ISA总线.l IBM PC/PS2机中的内总线采用32位的MCA总线.l 386、486高档微机的内总线采用32位的EISA总线.l Pentium机的内总线采用64位的PCI总线.284. 微型计算机系统的总线

22、结构微型计算机系统的总线结构(3/3)295. 微型计算机系统的基本操作过程微型计算机系统的基本操作过程l采用数学家冯.诺依曼(John Von Neumann)提出的l程序存储原理程序存储原理：用机器码指令排出的程序在执行前，首先存储于存储器中，存储器既存储程序又存储数据. 然后CPU逐条地从存储器中逐次取出一条条指令码，把指令码变成控制信号序列，控制信号发向有关的部件，控制完成指令规定的操作.l 即MPU逐条地从内存储器中取出程序中的指令并执行指令规定的操作逐条地从内存储器中取出程序中的指令并执行指令规定的操作.l 指令：指令：计算机能够执行的各种操作的命令形式.l 指令系统：指令系统：一

23、台计算机所能执行的全部指令. l 程序：程序：按运算功能要求把指令排列起来.l 源程序：源程序：用户为解决实际的现实问题用各种语言编写的程序.306. 计算机程序设计语言计算机程序设计语言(1/2)l编写指令或程序时必须遵循的格式，是人机对话、联络的工具.l若计算机不能识别这些格式，则需“翻译器”，即系统软件中的汇编程序或解释和编译程序.l 程序设计语言是编制各种指令和程序的工具，它通过汇编程序、解释和编译程序翻译成机器码来向计算机发出指令，执行相应的操作.l 不能形成指令或程序的语言是毫无意义的.l分为l独立于机器，用不依赖于机器的具体指令表达的高级算法语言高级算法语言l 指令书写书写形式面

24、向人面向人(助记符)，指令表达表达形式面向人面向人.l 计算机硬件系统不能直接识别不能直接识别源程序，需解释和编译程序.l 语言格式与CPU无关.l 程序易于编写、查错、验证，可移植性和通用性好.316. 计算机程序设计语言计算机程序设计语言(2/2)l直接和机器打交道，用计算机指令表达的机器语言机器语言.l 指令书写书写形式面向计算机面向计算机(二进制)，指令表达表达形式面向计算机面向计算机.l 计算机硬件系统能够直接识别能够直接识别源程序、不需“翻译器”.l CPU型号不同，语言格式不同. l 程序的编写、调试和修改较繁琐，执行速度快.l用机器指令的助记符表达的汇编语言汇编语言l 指令书写

25、书写形式面向人面向人(助记符)，指令表达表达形式面向计算机面向计算机.l 计算机硬件系统不能直接识别不能直接识别源程序、需汇编程序.l CPU型号不同，语言格式不同. l 程序便于理解，编程质量高、执行速度快，占用内存空间小.327. 电脑电脑*133l微机系统的结构和工作过程与人体的结构和生物过程类似机机 (硬件硬件)人人 (硬件硬件)机机 (软件软件)人人 (软件软件)CPU+存储器大脑系统软件世界观接 口关节和肌肉应用软件具体行为和想法总 线神经系统语言系统自然语言输入系统五 官 等输出系统嘴和四肢等外存储器书籍和纸张8. 数制和码制数制和码制l计算机的基本功能：数据信息的加工和处理.l

26、数据分为l 数值数值，如+9.3、-100.l 字符字符，如3、w、计算机.l计算机内用二进制表示信息l计算机由数字电路组成.l一个数字电路由许多开关电路单元构成.l一个开关电路单元仅有通、断两种稳定状态.l多个开关电路单元的状态可以对应表示编码后的计算机数据. 348.1 数和数制数和数制(1/5)l数是客观事物的量在人头脑中的反映，可用不同的数制来度量.l数制以表示数值所用的数学符号的个数来命名.l如二、八、十、十六进制分别用2、8、10、16个数学符号来表示.lX进制数的基本特点l有X个不同的数字符号.l缝X进位.l二进制比等值十进制数的位数多，读、写不方便.l以三位或四位二进制数为一组

27、缩写二进制数.l 即用八进制数或十六进制数来表示二进制数.l为避免混淆，用区分符表示不同的进制.l 数字脚注(17.78)l 字母标注字母标注(B：二进制，O/Q：八进制，D/省：十进制，H：十六进制).358.1 数和数制数和数制(2/5)l计算机使用二进制计数制，而人们熟悉的却是十进制计数制.l欲使计算机能够处理十进制数l 首先，将十进制数转换为二进制数.l 然后，在计算机中按二进制逻辑运算.l 最后，将二进制的运算结果转换回十进制数.l如此导致了在不同计数制之间相互转换的问题.l计算机编程/运算中涉及的主要是二、八、十、十六进制.368.1 数和数制数和数制(3/5)l (二 八 十六)

28、进制数之间相互转换l根据定义直接完成.l例1：10110011.100101B=263.45Q=B3.94Hl (二 八 十六)进制数转换成十进制数l各位数的系数和各位数的权相乘后求和.l例2：1101.101B123+122+021+120+12-1+02-2+12-313.625378.1 数和数制数和数制(4/5)l 十进制数转换成(二 八 十六)进制数l十进制整数整数转换成(二 八 十六)进制数l 除除X取余法：取余法：首先将十进制整数除以X，得到商并记录余数；然后不断不断地把商除以地把商除以X并记录余数并记录余数，直到商等于0时为止. 则各次所得的余数，依次从后向前排列即得到X进制整

29、数.l 例：301=100101101B=12DHl 降幂法：降幂法：用十进制整数减去小于它的最大的X进制权值，够减该位记1，不够减该位记0，剩余数重复以上操作，直到该数等于0为止.38例：19311000001B=C1H操作数19365111111权值1286432168421二进制数110000018.1 数和数制数和数制(5/5)l十进制小数小数转换成(二 八 十六)进制数l 乘乘X取整法：取整法：首先将十进制数小数乘以X，得到小数部分并记录整数部分；然后不断地把小数乘以不断地把小数乘以X并记录整数部分并记录整数部分，直到小数部分等于零或有效数字足够多时为止. 则各次所得的整数部分，依次

30、由前到后顺序排列即得到X进制小数.l 例1：0.6875=0.1011B0.BHl任意任意十进制数转换成(二 八 十六)进制数l 先将整数部分和小数部分分别进行转换将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再将他们组合起来.l 例2：301.6875=100101101.1011B=12D.BH398.2 二进制数运算二进制数运算l 算术运算l加法：缝二进一，减法：借一作二.l 逻辑运算l有与(AND)、或(OR)、异或(XOR)、非(NOT)四种.40例1： 10110101B+1111B=11000100B11000100B-100101B=10011111B1101B1011B=100011

31、11B100110B110B=110B 余10B例2： 10010111 AND 00111000 = 0001000010010111 OR 00111000 = 1011111110010111 XOR 00111000 = 10101111NOT 10010111 =011010008.3 无符号二进制数无符号二进制数(1/3)l有两种表示方法：常规二进制数和二进制编码的十进制数.l 常规二进制数ln位字长全部用于表示无符号的数值，有8位(字节)、16位(字)和32位(双字)等.41二进制数码二进制数码无无符号符号十十进制数进制数原码原码反码反码补码补码000000000+0+00000

32、000011+1+1+1:01111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-127:11111110254-126-1-211111111255-127-0-18.3 无符号二进制数无符号二进制数(2/3)l 二进制编码的十进制数l简称BCD码，它将1位十进制的0-9分别用4位二进制码的组合来表示，并按位对任意十进制数进行编码. l常用8421 BCD码码，8、4、2、1分别是4位二进制数的位权值.l例：75.4=(0111 0101.0100)BCD，(1000 0101.0101)BCD=85.542十进制数0123

33、456789 BCD码00000001001000110100010101100111100010018.3 无符号二进制数无符号二进制数(3/3)lBCD码有两种基本格式：l压缩(组合)式BCD码：一个字节中存放两位十进制数.l非压缩(分离)式BCD码：一个字节中的低4位存放一位十进制数，高4位与数值无关.lBCD码的运算及其十进制调整lBCD码加、减法运算应遵循“逢十进一”和“借一当十”的规则.l而计算机是按“逢十六进一”和“借一当十六”的原则运算.l必须对运算结果修正，以符合十进制数运算的进/借位规则.l 十进制加法调整l 两个BCD数相加：本位和9、向高位进位，本位+6.l 十进制减法

34、调整l 两个BCD数相减：本位差0、向高位借位，本位-6.438.4 有符号二进制数有符号二进制数(1/4)l数学运算中，乘、除以及各种函数运算均可转化为加、减运算.lCPU中只有加法器，需引入有符号的二进制数来实现减法操作.l在计算机中，数值和符号位均用二进制码表示.l符号位规定在数的最高位，用“l”表示负数，“0”表示正数.l 01100111(二进制)真值为+103(十进制)l 11100111(二进制)真值为-103(十进制)l有符号数表示方法：原码、反码和补码.l 原码原码l规定：正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，数值位用二进制绝对值来表示.l 例：X1=103，X2=-103时，X1原=01100111B X2原=11100111Bl0的原码有两种表示形式：+0原=00000000B 或 -0原=10000000Bln位二进制原码所能表示的数值范围为-(2n-1-1) +(2n-1-1).448.4 有符号二进制数有符号二进制数(2/4)l 反码反码l规定：正数的反码与原码相同，负数的反码表示为它的正数的原码连符号位按位取反.l例：X1=103，X2=-103时，X1反=01100111 X2反=10011000l0的反码有两种表示形式：+0反=00000000B 或 -0反=111111