微机原理 第一章 计算机基本知识

1、课程n先修课程：电子技术，计算机基础，C语言n后继课程：单片机技术，可编程控制器PLCn48学时n平时：20%，考试：80%，闭卷考试n答疑：n每周：周一 下午5-6节，地点：实训楼230 教研室nQQ：925341256 ()n群： 419940410（每天学点微机）第一章第一章 计算机基本知识计算机基本知识n 绪论绪论n计算机的发展概况计算机的发展概况n微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n几个重要的数字逻辑电路几个重要的数字逻辑电路n微机基本结构微机基本结构11 绪绪 论论计算机之父-冯诺依曼 研究的专业是：1、数学2、物理3、化学4、经济5、电子 11 绪绪

2、 论论 在经济学方面，冯诺依曼有突破性成就，被誉为“博弈论之父”。在物理领域，冯诺依曼在30年代撰写的量子力学的数学基础已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。他无愧是上世纪最伟大的全才之一。 11 绪绪 论论 1946年年2月月15日日 世界第一台电子计世界第一台电子计算机问世算机问世 1946年世界上第一台电子计算机由美年世界上第一台电子计算机由美国宾夕法尼亚大学研制成功。尽管它重达国宾夕法尼亚大学研制成功。尽管它重达30吨，占吨，占地地170平方米，耗电平方米，耗电140千瓦，用了千瓦，用了18800多个电多个电子管，

3、每秒钟仅能做子管，每秒钟仅能做5000次加法次加法. 运作了九年之久。吃电很凶，运作了九年之久。吃电很凶， 据传据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。灯都为之黯然失色。 另外，真空管的损另外，真空管的损耗率相当高，几乎每耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花一支真空管，操作人员须花15分钟以上分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用上极的时间才能找出坏掉的管子，使用上极不方便。曾有人调侃道：不方便。曾有人调侃道：“只要那部机只要那部机器可以连续运转五天，而没有一只真空器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧掉，发

4、明人就要额手称庆了管烧掉，发明人就要额手称庆了”。 11 绪绪 论论 这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器和控制器，奠定了当代电子数字计运算器、存储器和控制器，奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础。算机体系结构的基础。 工作特点是程序控制、数据存储、数字编码程序控制、数据存储、数字编码 电子计算机工作的基础电子计算机工作的基础几个概念CPU几个概念计算机主机几个概念nCPU=控制器运算器控制器运算器n计算机主机计算机主机CPU存储器存储器n计算机硬件系统计算机硬件系统n计算机软件系统计算机软件系统n计算机系统计算机系统n字长：字长

5、：CPUCPU并行处理二进制的数据位数。并行处理二进制的数据位数。8 8位位 机、机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。12 计算机的发展概况 n微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗n巨型化巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度速度n智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力n系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级n网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路n多机系统多机系统 大型设

6、备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控制、独立控制、 故障分散、资源共享故障分散、资源共享) )Flynn分类法n1966年，Michael.J.Flynn提出根据指令流、数据流的多倍性（multiplicity）特征对计算机系统进行分类，定义如下n指令流：机器执行的指令序列n数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果n多倍性：在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。Flynn根据不同的指令流-数据流组织方式把计算机系统分为4类。1单指令流单数据流单指令流单数据流（SingleInstructionStreamSingleData

7、Stream，SISD）SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。2单指令流多数据流单指令流多数据流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）SIMD以并行处理机为代表，并行处理机包括多个重复的处理单元PU1PUn，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同的数据。3多指令流单数据流多指令流单数据流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）MISD的结构，它具有n个处理单元，按n条不同指令的要求对

8、同一数据流及其中间结果进行不同的处理。一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。4多指令流多数据流多指令流多数据流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）MIMD的结构，它是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统，多处理机就属于MIMD。复杂指令集（英文：Complex Instruction Set Computing；缩写：CISC）是一种微处理器指令集架构，每个指令可执行若干低阶操作，诸如从内存读取、储存、和计算操作，全部集于单一指令之中。与之相对的是精简指令集。复杂指令集的特点是指令数目多而复杂，每条指令字长并不

9、相等，并为此付出了性能的代价。在精简指令集处理器发迹以前，许多电脑架构尝试跨越“语义鸿沟”设计出借由提供“高阶”指令支援高阶编程语言的指令集，诸如程序调用和返回，循环指令诸如“若非零则减量和分支”和复杂寻址模式以允许数据结构和阵列存取以结合至单一指令。与复杂指令集相比，精简指令集实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。属于复杂指令集的处理器有CDC 6600、System/360、VAX、PDP-11、Motorola 68000家族、x86等。精简指令集（英语：reduced instruction set computing，缩写：RISC），是计算机中央处理器的一种设计模式。

10、这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执进程度更好，编译器的效率更高。目前常见的精简指令集微处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power Architecture（包括PowerPC、PowerXCell）和SPARC等。12 计算机的发展概况计算机的发展概况 n一、计算机的发展概况一、计算机的发展概况 第一代：电子管计算机时代（第一代：电子管计算机时代（19471957）第二代：晶体管计算机时代（第二代：晶体管计算机时代（19581964）第三代：集成电路计算机时代（第三代：集成电路计算机时代（19641972）第四

11、代：超大规模集成电路（第四代：超大规模集成电路（VLSI）计算机时代）计算机时代 （1972年年 ）。）。第五代：智能计算机（第五代：智能计算机（1981年年 ）。）。二、微处理二、微处理器及微型计器及微型计算机的发展算机的发展概况概况INTEL CPU 发展历史发展历史nIntel第一块第一块CPU 4004,4位主理器位主理器,主频主频108kHz,运算速度运算速度0.06MIPs(Million Instructions Per Second, 每秒百万条每秒百万条指令指令),集成晶体管集成晶体管2,300个个,10微米微米制造制造工艺工艺,最大寻址内存最大寻址内存640 bytes,生

12、产曰期生产曰期1971年年11月月.n8085,8位主理器位主理器,主频主频5M,运算速度运算速度0.37MIPs,集成晶体管集成晶体管6,500个个,3微米微米制造工艺制造工艺,最大寻址内存最大寻址内存64KB,生产曰期生产曰期1976年年 n8086,16位主理器位主理器,主频主频4.77/8/10MHZ,运算速度运算速度0.75MIPs,集成晶体管集成晶体管29,000个个,3微米制造工艺微米制造工艺,最最大寻址内存大寻址内存1MB,生产曰期生产曰期1978年年6月月. n80486DX,DX2,DX4,3280486DX,DX2,DX4,32位主理器位主理器, ,主频主频25/33/5

13、0/66/75/100MHZ,25/33/50/66/75/100MHZ,总线频率总线频率33/50/66MHZ,33/50/66MHZ,运算速度运算速度2060MIPs,2060MIPs,集成集成晶体管晶体管1.2M1.2M个个, ,1 1微米微米制造工艺制造工艺,168,168针针PGA,PGA,最大寻址内存最大寻址内存4GB,4GB,缓存缓存8/16/32/64KB,8/16/32/64KB,生生产曰期产曰期19891989年年4 4月月 nCeleronCeleron一代一代, , 主频主频266/300MHZ(266/300MHz w/o L2 cache, 266/300MHZ(2

14、66/300MHz w/o L2 cache, CovingtonCovington芯心芯心 (Klamath (Klamath based),300A/333/366/400/433/466/500based),300A/333/366/400/433/466/500/533MHz w/128kB L2 cache, Mendocino/533MHz w/128kB L2 cache, Mendocino核心核心 (Deschutes-based), (Deschutes-based), 总线频率总线频率66MHz,66MHz,0.250.25微米微米制造工艺制造工艺, ,生产曰期生产曰期1

15、9981998年年4 4月月) ) nPentium 4 (478Pentium 4 (478针针),),至今分为三种核至今分为三种核心心 : W i l l a m e t t e: W i l l a m e t t e 核 心核 心 ( ( 主 频主 频 1 . 5 G1 . 5 G起起 , F S B 4 0 0 M H Z , 0 . 1 8, F S B 4 0 0 M H Z , 0 . 1 8 微 米 制 造 工微 米 制 造 工艺艺 ) , N o r t h w o o d) , N o r t h w o o d 核 心核 心 ( ( 主 频主 频1.6G3.0G,FSB

16、533MHZ,0.131.6G3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工微米制造工艺艺, , 二级缓存二级缓存512K),Prescott512K),Prescott核心核心( (主频主频2.8G2.8G起起,FSB800MHZ,FSB800MHZ,0.090.09微米微米制造工制造工艺艺,1M,1M二级缓存二级缓存,13,13条全新指令集条全新指令集SSE3),SSE3),生产曰期生产曰期20012001年年7 7月月. . n 多核CPU是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。通过划分任务，线程应用能够充分利用多个执行内核，并可在特定的时间内执行更多任务。 2006年

17、7月18日，英特尔双核安腾2处理器发布，集成了17.2亿个晶体管，同样采用了90nm制程技术生产。n 45nm究竟有多小?2 千多颗 45 nm晶体管加起来才相当于人类一根毛发的宽度，连看不到的细菌，原来它的直径也有2,000nm，因此，肉眼要看到45nm晶体管，必须需要非常先进的显微镜工具才能达成。2015年初的CES展会上Intel已经推出了Broadwell-U系列的14nm处理器，但这还只是一个开始，由于14nm初代处理器Broadwell的延期，2015年Intel要硬着头皮上两代14nm工艺的处理器Broadwell和Skylake，二者使用不同的接口，需要不同的芯片组，支持的规格

18、也不n更大的缓存、更高的频率、 n超级流水线、分支预测、乱序执行n超线程技术 n多核技术n低功耗微型计算机组成结构微型计算机组成结构微型计算机系统硬件微型计算机（主机）微处理器微处理器 (CPU)软件外围设备运算器控制器存储器存储器 (内存)RAMROM外部设备辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口接口) 总线 (AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理)程序设

19、计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路单片机简介单片机简介n单片机单片机即单片机微型计算机，即单片机微型计算机，是将计算机主机是将计算机主机( (CPUCPU、 内存内存和和I/I/O接口接口) )集成在一小块硅片上的微型机集成在一小块硅片上的微型机。n单片机开发系统单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。片机应用系统的硬、软件开发。n单片机为工业测控而设计，又称微控制器单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有具有三高优势三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高)。n主要应用于工业检测与控制、

20、计算机外设、智能主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于特别适合于嵌入式微型机应用系统。嵌入式微型机应用系统。n三、计算机编程语言的发展概况三、计算机编程语言的发展概况 机器语言机器语言 机器语言就是0，1码语言，是计算机唯一能理解并直接执行的语言。汇编语言汇编语言 用一些助记符号代替用0，1码描述的某种机器的指令系统，汇编语言就是在此基础上完善起来的。高级语言高级语言 BASIC，PASCAL，C语言等等。用高级语言编写的程序称源程序，它们必须通过编译或解释，连接等步骤才能被计算机处理。 面向对象语言面向对象语言

21、C+，Java等编程语言是面向对象的语言。1.3微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n（一）（一） 十进制十进制N ND Dn有十个数码：有十个数码：0 09 9，逢十进一。，逢十进一。例例 1234.5=11234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100 0 +5+51010- -1 1n加权展开式以加权展开式以1010称为基数，各位系数为称为基数，各位系数为0 09 9，1010i i为为权。权。一般表达式：一般表达式：nN ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2

22、n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +一、数的表示一、数的表示n（二）（二） 二进制二进制N NB Bn两个数码：两个数码：0 0、1, 1, 逢二进一逢二进一。例例 1101.101=11101.101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1 -1 +1+12 2-3-3 n加权展开式以加权展开式以2 2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 0、1 1， 2 2i i为为权。权。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-12 2n-1 n-1 + b+ bn-2n-22 2

23、n-2 n-2 + +b+b0 02 20 0 +b+b-1-12 2-1-1+ +n（三）十六进制（三）十六进制N NH Hn十六个数码十六个数码0 09 9、A AF F，逢十六进一，逢十六进一。例：例：DFC.8=13DFC.8=1316162 2 +15 +1516161 1 +12 +1216160 0 +8 +81616-1-1 n展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为0 09 9，A AF F，1616i i为权。为权。一般表达式：一般表达式：N NH H= h= hn-1n-11616n-1n-1+ h+ hn-2n-21616n-2n-2+ + h+ h

24、0 016160 0+ h+ h-1-11616- -1 1+ +不 同 进 位 记 数 制 对 照 表 十 进 制 二 进 制 十 六 进 制 十 进 制 二 进 制 十 六 进 制 0 0000 0 8 1000 8 1 0001 1 9 1001 9 2 0010 2 10 1010 A 3 0011 3 11 1011 B 4 0100 4 12 1100 C 5 0101 5 13 1101 D 6 0110 6 14 1110 E 7 0111 7 15 1111 F 二、二、不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换（一）（一）一个一个R进制的数转换成十进制数的方法：进制的

25、数转换成十进制数的方法：按权展开，先乘后加按权展开，先乘后加举例：举例：1011.1010B=11011.1010B=12 23 3+1+12 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1+1+12 2-3-3=11.625D=11.625D0DFC.8H=130DFC.8H=1316162 2+15+1516161 1+12+1216160 0+8+81616-1 -1 = 3580.5D= 3580.5Dn（二）二进制与十六进制数之间的转换（二）二进制与十六进制数之间的转换24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数，四位二进制数对应一位十六进制数。n举例举例：n3AF.2H3AF.

26、2H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 1110101111.001B 1110101111.001B n1111101.111111101.11B B = = 0 0111111 11011101. .11110000 = 7D.CH = 7D.CH （三）十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数n整数、小数分别转换整数、小数分别转换 n1.整数转换法整数转换法“除基取余除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例。每除一次取一个余数

27、，从低位排向高位。举例：例：39转换成二进制数转换成二进制数39 =100111B2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0 例：208转换成十六进制数转换成十六进制数 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 0n2. 小数转换法小数转换法n“乘基取整乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。取一次整数，从最

28、高位排到最低位。举例：1. 0.625转换成二进制数转换成二进制数0.625 2 = 1.250 1 (b-1)0.25 2 = 0.5 0 0 (b-2)0.5 2= 1.01 (b-3)n0.625 = 0.101B2. 0.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH三、带符号数的表示方法三、带符号数的表示方法 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0”0”、“1” 1” 表示。表示。 最高位作符号位，最高位作符号位，“0”0”表示表示“+ +”，“1”1”表示表示“-”-”。n机器数：机器中数的表示形式。机器数：机器中数的表示形式。n

29、真值：真值： 机器数所代表的实际数值。机器数所代表的实际数值。n举例举例: :一个一个8 8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值： X1=+84=+1010100X1=+84=+1010100B B X2=-84=X2=-84= -1010100-1010100B B 机器数：机器数： X1X1机机= 01010100 X2= 01010100 X2机机= 11010100= 11010100（一）机器数与真值（一）机器数与真值n最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“”。数值位与真值数值位相同。例 8位原码机器数： 真值： x1 = +1010100B

30、 x2=- 1010100B 原码：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100n原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。1、原码、原码(True Form)(二二)原码、反码、补码原码、反码、补码n正数的反码与原码表示相同。正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为负数反码符号位为 1 1，数值位为原码数值各位取反。，数值位为原码数值各位取反。例例 8位位反码反码机器数机器数： x= +4x= +4： xx原原= 00000100= 00000100 xx反反= 00000100= 00000100 x= -4x= -4： xx原原= 1= 100001000000

31、100 x x反反= 1= 1111101111110112、反码（、反码（Ones Complement）3、补码（、补码（Twos Complement）n正数的补码表示与原码相同。正数的补码表示与原码相同。 负数补码等于负数补码等于2 2n nabsabs（x x）例：求例：求 8位补码机器数：位补码机器数：x=+4x=+4 x x原原=x=x反反=x=x补补= = 0000010000000100 x=-4x=-4 x x原原 = 10000100= 10000100 x x反反 = 11111011 = 11111011 x x补补 = 100000000= 100000000000

32、0010000000100 = 11111100 = 11111100n补码反码加补码反码加1 1。n补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表示唯一，加减运算方便。的表示唯一，加减运算方便。8位机器数表示的真值8 位机器数有符号数十六进制二进制无符号数原码反码补码00017F80FEFF00000000000000010111111110000000111111101111111101127128254255+0+1+127- 0-126-127+0+1+127- 127- 1- 0+0+1+127-128- 2- 1四、 二进制编码例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码

33、码876= 1000 0111 0110 BCD 876= 1000 0111 0110 BCD 876= 36CH876= 36CH = 1101101100B= 1101101100B1 1、BCDBCD码码( (Binary Coded Binary Coded Decimal) Decimal) 二进制代码表示的十二进制代码表示的十进制数。进制数。2 2、字符编码字符编码 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码，用于计算码，用于计算 机与计算机、计算机与外设之间传递信息。机与计算机、计算机与外设之间传递信息。 000 001 010 011 100 101 110

34、111 0000 NUL DLE SP 0 P 、 p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 ” 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 0111 BEL ETB 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z j z 1011 VT ESC + ； K k 1100 FF FS ， L l 1101 CR GS = M m 1110 SO RS N n 1111 SI US / ？ O _ o DEL 3、汉字编码、汉字编码 n“国家标准信息交换用汉字编码国家标准信息交换用汉字编码”（GB2312-80标准），简称国标码国标码。用两个七位二进制数编码表示一个汉字例如“巧”字的代码是39H、41Hn汉字内码例如“巧”