计算机硬件技术基础：第1章 计算机硬件基础2

1、1.2 微型计算机运算基础数制二进制二进制 N NB 由由“0”0”、“1”1”组成组成, , 逢二进逢二进一。一。二进制数构成的代码是计算机唯一能识别的机器语言。八进制八进制N No 由由“08”组成，逢八进一。组成，逢八进一。十六进制十六进制N NH H 由由“09”和和“AF”组成组成,逢十逢十六进一。六进一。十进制十进制N ND D 由由“09”组成组成,逢十进一。逢十进一。 1.2.1 计算机中数值数据的表示计算机中数值数据的表示 1. 机器数和真值机器数和真值最高位作符号位最高位作符号位：“0”表示正表示正“+”， “1”表示负表示负“-”。机器数：机器数：把一个数在机器中的表示形

2、式称为机器数。把一个数在机器中的表示形式称为机器数。 在计算机中使用的、在计算机中使用的、连同符号位一起数字化连同符号位一起数字化了的数。了的数。 真值：真值：把原来的把原来的实际数本身值实际数本身值叫真值叫真值(机器数真值机器数真值)。机器数真值机器数真值机器数机器数真值真值 D7 D0N1 1 符号位符号位 数值位数值位N2 符号位符号位 数值位数值位N1= +0010010 = +18N2= -0010010 = -180 0 0 1 0 0 1 01 0 0 1 0 0 1 0机器数的特点机器数的特点:1. 符号数值化符号数值化 2. 有限字长数的范围受字长限制有限字长数的范围受字长限

3、制 3. 约定小数点的位置约定小数点的位置常用术语：常用术语： 1. 位位(bit)能表示的最小数据单位，状态能表示的最小数据单位，状态“0”和和“1”。 2. 字节字节(Byte)一个一个8位二进制数称为一个字节。位二进制数称为一个字节。字节是计算机字节是计算机处理数据处理数据的基本单位，存储器中的基本单位，存储器中每个存储单元的大小就是一个字节。每个存储单元的大小就是一个字节。3. 字字(Word)一次可以处理或运算的一组二进制数一次可以处理或运算的一组二进制数,是计算中是计算中信息信息的基本单元。的基本单元。4. 字长字长(Word Length)指字的二进制数的位数。指字的二进制数的位

4、数。 一个字节一个字节8位位最高位最高位 最低位最低位微处理器微处理器 一个字一个字 高位字节高位字节 低位字节低位字节 16位位微处理器微处理器 最高位最高位 最低位最低位 一个字一个字 以以8位字长为例：位字长为例： D7为符号位，为符号位，D6D0为数字位。为数字位。若字长为若字长为16位：位：D15为符号位，为符号位，D14D0为数字位。为数字位。D7D0D15D02. 有符号数的机器数表示方法有符号数的机器数表示方法机器数的三种不同编码形式，即机器数的三种不同编码形式，即原码、反原码、反码和补码码和补码。 X原原、X反反 、X补补 X原原表示机器数表示机器数，X表示真值表示真值。1）

5、 原码原码最高位为符号位，最高位为符号位，0 0表示表示 “ “+”+”， 1 1表示表示 “ “”。数值位与真值数值位相同。数值位与真值数值位相同。设设 X=X1，X2，Xn-1，其中其中Xi为一位二进制数，为一位二进制数， i=1,2，(n-1) 12n 112n 10 X XX (X 0)1 X XX (X 0)X 当当原例例: 8位位原码原码机器数：机器数： 真值：真值： x1 67 x2 67 +1000011B 1000011B 机器数：机器数：x1原原 = 01000011 x2原原 = 110000110的表示：即的表示：即+0和和-0（设字长为（设字长为8位）：位）：+0原原

6、=00000000-0原原=10000000 原码表示简单直观原码表示简单直观, ,但但0 0的表示不唯一，加减运算复的表示不唯一，加减运算复杂杂。2）反码）反码 设设 X=X1,X2,，Xn-1，其中，其中Xi为一位二进制数，为一位二进制数， i=1，2，（n-1）12n 10 X XX (X 0)1 2n 11 X XX (X 0)X 当反当)1( 0)0( 1 iiiXXX当当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，数值位为原码数值各位取反各位取反。例：例： 8位位反码反码机器数：机器数： x= +4x= +4 ：

7、 xx原原= = 0 000001000000100 xx反反= = 0 000001000000100 x= -4 x= -4 ： xx原原= = 1 10000100 x0000100 x反反= = 1 111110111111011数数0： +0反反= 00000000 -0反反 = 111111113) 补码补码(1) 同余的概念和补码同余的概念和补码 数的补码与数的补码与“模模”有关有关“模模”即计数系统的量程。即计数系统的量程。当当X0X0，XX补补= = 模模- -X X。举例：钟表对时。举例：钟表对时。设时钟系统设时钟系统“模模”为为1212，标准时间为，标准时间为7 7点整。

8、点整。8 8位二进制数的模为：位二进制数的模为： 2 28 8 = 256= 256当当X0X0，XX补补= 2= 28 8 - -X X = = 256 -256 -X X= = 255 255 - -X X+1+1 = = XX反码反码 + 1 + 1 9+-29+-2补补 = 9+10 = 7+12 = 7(= 9+10 = 7+12 = 7(舍弃模舍弃模)(2) 补码求法补码求法设设X=X1,X2,Xn-1, 其中其中Xi为一位二进制数为一位二进制数, i=1,2,(n-1)n1X 0X2X nn1n2 X 2X0(mod2 )当补或当12n 1 0 X XX XX(X0)12n 11

9、 X XX1 X1 (X0)X 反原反当补当（1）正数正数:X原原=X反反=X补补 例：例：+127原原=+127反反=+127补补=01111111 （2）负数负数: X补补=X反反+1 例：设例：设X=-25=- 0011001X反反=11100110 + 1 X补补=11100111（3）数数0:+0补=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=00000000即：数数0的补码仅有一种形式的补码仅有一种形式+0补=-0补=000（n 位）（4）8位补码中的一个位补码中的一个特殊数特殊数100000008位补码中定义为：位补码中定义为：-1288位数的补码范围：位数的补码范

10、围：-128+127数的表示方法数的表示方法十进制数十进制数二进制数二进制数原码原码反码反码补码补码+0+0000000000000000000000000000000+1+0000001000000010000000100000001+2+0000010000000100000001000000010+127+1111111011111110111111101111111-0-0000000100000001111111100000000-1-0000001100000011111110111111111-126-1111110111111101000000110000010-127-111

11、1111111111111000000010000001-128-10000000无法表示无法表示无法表示无法表示10000000（5）由数的补码，求对应的真值：）由数的补码，求对应的真值：X补补补补=X原原 例：设例：设X补补=00101110 X原原=00101110 X=+0101110=+46 X补补=10010111 11101000 + 1 11101001 X原原=11101001， X=-1101001=-105. 机器数与真值之间的转换机器数与真值之间的转换 1)1)X1=+127X1=+127，X2=-127X2=-127，求，求XX原原 、XX补补 X1X1原原=X1=X

12、1补补=01111111= 7FH=01111111= 7FH X2X2原原=11111111= FFH=11111111= FFH X2 X2补补=10000001= 81H=10000001= 81H 2)X1=+2552)X1=+255，X2=-255 X2=-255 ，求，求XX原原 、XX补补 X1X1原原=X1=X1补补=0000000011111111= 00FFH=0000000011111111= 00FFH X2 X2原原=1000000011111111= 80FFH=1000000011111111= 80FFH X2 X2补补=1111111100000001= FF

13、01H=1111111100000001= FF01H 1. 真值真值 机器数机器数 机器数与真值之间的转换机器数与真值之间的转换 1) 1) X1X1原原= 59H= 59H，X2X2原原= D9H= D9H，求真值？，求真值？ X1X1原原= =X2X2原原= =2. 机器数机器数 真值真值注意机器数表示（原码、补码）注意机器数表示（原码、补码） 注意机器数符号位注意机器数符号位0101100101011001 1101100111011001 X1=X1= +1011001+1011001B B=+89 X2= =+89 X2= -1011001-1011001B B =-89=-89

14、2) 2) X1X1补补= 59H= 59H， X2X2补补= D9H= D9H，求真值？，求真值？ X1= +1011001X1= +1011001B B =+89=+89 X2=-0100111 X2=-0100111B B =-39=-39 小结小结1. 三种编码的三种编码的最高位最高位都是表示都是表示符号位符号位。2. 对正数，三种编码都是一样的，即对正数，三种编码都是一样的，即X原原=X反反=X补补 对负数，三种编码是不同的。对负数，三种编码是不同的。符号位符号位其余位其余位0真值真值1原码原码反码反码补码补码真值真值按位取反按位取反按位取反按位取反+13. 八位二进制数，不同码的数

15、值范围不同：八位二进制数，不同码的数值范围不同：4. 计算机采用的码制不同，则运算器和控制器的结构计算机采用的码制不同，则运算器和控制器的结构将不同。将不同。小型计算机和微型计算机大都为小型计算机和微型计算机大都为补码机补码机。数的范围数的范围0的表示的表示原码原码-127+127两种两种原码机原码机反码反码-127+127两种两种反码机反码机补码补码-128+127一种一种补码机补码机3. 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示定点表示法定点表示法就是小数点在数中的位置就是小数点在数中的位置固固定不变定不变。浮点表示法浮点表示法就是小数点在数中的位置是就是小数点在数中的位置是浮动浮动的。的。一

16、个二进制数可以表示为：一个二进制数可以表示为：X=2JS S尾数，尾数，J阶码阶码1) 定点数定点数定点纯整数定点纯整数 当当J=0，且尾数，且尾数S为纯整数为纯整数，定点数，定点数只能只能表示表示整数整数。 小数点隐含在最低数值位后小数点隐含在最低数值位后。定点纯小数定点纯小数当当J=0，且尾数，且尾数S为纯小数为纯小数，定点数，定点数只能只能表示表示纯小数纯小数。 小数点隐含在最高数值位前小数点隐含在最高数值位前。例例1：有如下二个：有如下二个8位二进制数位二进制数 例例2：有例：有例1中同样两个数，小数点位置不同中同样两个数，小数点位置不同 01 01 01 0 010 10 11 0

17、0N1:N2:N1=+84N2=-840 1 0 1 01 0 01 0 1 0 11 0 0N1:N2:N1=+0.65625N2=0.656252) 浮点表示法浮点表示法 X=2JS 阶码阶码J可变整数，用可变整数，用补码补码表示表示 尾数尾数S可为正、负数，用可为正、负数，用补码补码 (或原码或原码)表示表示浮点数在机器中表示形式：浮点数在机器中表示形式： 阶符 阶码 尾符 尾数规格化规格化表示表示 S Y。 设定设定X=122，Y=37，字长，字长n=8。解解: 十进制计算十进制计算二进制补码计算二进制补码计算 122 01111010 - 37+11011011=-37补补 85 1

18、 01010101求真值：正数求真值：正数(01010101)2=85例例3: 计算计算X-Y，X，Y均为正数，且均为正数，且XY。 设定设定 X=64，Y=65，字长，字长n=8。 解解: 十进制计算十进制计算 二进制补码计算二进制补码计算64 01000000-65 + 10111111=-65补补- 1 11111111求真值求真值: (11111111)补补=10000001=-1补码表示的优点：补码表示的优点： (1) 负数的补码与对应正数的补码之间的转换负数的补码与对应正数的补码之间的转换可用同一方法可用同一方法求补运算实现，因而可简求补运算实现，因而可简化硬件。化硬件。 (2)

19、减法变为加法运算，省去减法器。减法变为加法运算，省去减法器。 (3) 有符号数和无符号数的加法运算可用同一有符号数和无符号数的加法运算可用同一加法器电路完成，结果都是正确的。加法器电路完成，结果都是正确的。例例4: 计算计算X+Y, X，Y均为正数。均为正数。设定设定X=64,Y=65，字长，字长n=8。解解:十进制计算十进制计算 二进制补码计算二进制补码计算6401000000+65+01000001 12910000001此时两个正数相加，得出负数，显然是错此时两个正数相加，得出负数，显然是错误的。这种情况称为误的。这种情况称为溢出溢出(overflow)。 3.3.溢出及判断溢出及判断溢

20、出判断溢出判断符号位和最高数值位的进位是否相同。符号位和最高数值位的进位是否相同。 运算过程中数据超出允许表示范围运算过程中数据超出允许表示范围计算机设置溢出标志位计算机设置溢出标志位 OF 判断补码溢出。判断补码溢出。 3.3.溢出溢出例例 X1=-5, Y1=-2X1=-5, Y1=-2，X2=-105,Y2=-91,X2=-105,Y2=-91,求求X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y21111101111111011-5-5补补1001011110010111-105-105补补 + 11111110+ 11111110 -2-2补补 + 10100101+ 10100101 -

21、91- 91补补 1 111110011 11111001-7-7补补 1 001111001 00111100+ + 补补正确，无溢出正确，无溢出正数，有溢出。正数，有溢出。负数相加，同时有进位：负数相加，同时有进位：C C1 1 =1=1、C C2 2=1=1，则无溢出；，则无溢出；不同时有进位不同时有进位，则有溢出，结果出错。则有溢出，结果出错。例例 X1=+45X1=+45，Y1=+46Y1=+46，X2=+90X2=+90，Y2=+107Y2=+107，求，求X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y2解：X1X1补补=2DH=2DH，Y1Y1补补=2EH=2EH，X2X2补补=5AH

22、=5AH，Y2Y2补补=6BH=6BH0010110100101101+45+45补补0101101001011010+ 90+ 90补补 + 00101110+ 00101110 +46+46补补 + 01101011+ 01101011 +107+107补补 0 010110110 01011011+91+91补补 0 110001010 11000101- - 补补正确，无溢出正确，无溢出负数，有溢出负数，有溢出正数相加，同时无进位：正数相加，同时无进位：C C1 1 =0=0、C C2 2=0=0，则无溢出；，则无溢出；不同时有进位不同时有进位，则有溢出，结果出错。则有溢出，结果出错。

23、小结：小结： 1. 补码运算，参加运算的两个数和结果均为补补码运算，参加运算的两个数和结果均为补码。码。 由补码，求真值：由补码，求真值：2. 运算时运算时（1）符号位与数值位一起运算。）符号位与数值位一起运算。 （2）符号位进位自然丢失。）符号位进位自然丢失。 （3）运算条件：结果不溢出）运算条件：结果不溢出 0 0 1 XXXXX补求反加补例例1：求：求BCD码的码的4+3？ 0100 + 0011 0111 结果正确结果正确 例例2：求：求BCD码的码的85？ 1000 + 0101 1101 非法非法BCD 8+5 =(00010011)BCD2. BCD码运算及其十进制调整码运算及其

24、十进制调整十进制调整十进制调整-对二进制运算结果进行调整对二进制运算结果进行调整,符合十符合十进制运算和进位的规律进制运算和进位的规律。 调整规则调整规则:1. 若两个若两个BCD数相加数相加结果大于结果大于9(1001)时，则应作时，则应作加加6(0110)修正修正。 2. 若两个若两个BCD数相加结果在本位上并不大于数相加结果在本位上并不大于9，但，但却却产生了进位产生了进位，相当于十进制运算大于等于，相当于十进制运算大于等于16，则，则也应也应加加6修正修正。例例3: 求求BCD码的码的54+48 =?0101 0100 + 0100 10001001 1100 加加6修正修正 +011

25、01010 0010 高高4位加位加6修正修正 + 0110 0001 0000 0010 1 0 2 例例4: 求求BCD码的码的9+8=?00001001 + 0000100000010001 产生进位产生进位,加加6修正修正 +011000010111 1 71.3 微型计算机系统微型计算机系统 在物理结构上，计算机装置由：在物理结构上，计算机装置由：运算器、控制器、存储器以及输入和输出设备运算器、控制器、存储器以及输入和输出设备五个部分组成五个部分组成输入设备存储器运算器输出设备控制器1.3.1 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成通用微型计算机的硬件由五个部分组成：通用微型计算机

26、的硬件由五个部分组成： 中央处理器中央处理器 (CPU) 内存储器内存储器 (RAM,ROM) 外存储器外存储器 (磁盘系统磁盘系统) 输入输入/输出设备输出设备 总线总线 (BUS)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微型计算机系统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器 (CPU)软件软件外围设备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 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器辅助存储器(磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘)

27、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)系统软件系统软件( (操作系统，编辑、编译程序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断, ,监控程序监控程序) )应用软件应用软件( (科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理) )程序设计语言程序设计语言( (机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言) )电源电路时钟电路运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线 输入输出输出输入输出输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微

28、型计算机微型计算机系统微型计算机系统区别区别3个概念个概念微型计算机系统的三个层次：微型计算机系统的三个层次：微处理器微处理器微型计算机微型计算机 微型计算机系统微型计算机系统系统软件系统软件应用软件应用软件微处理器微处理器存储器存储器I/OI/O接口接口总线总线 硬硬 件件软软 件件微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机外外 设设ALUALU寄存器寄存器控制部件控制部件键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪打印机、扫描仪1.3.2 微型计算机的硬件基本结构及功能微型计算机的硬件基本结构及功能简介简介 1) 构成部件构成部件 ; 2)

29、工作过程工作过程存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU地址总线地址总线 AB存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB输输出出设设备备CPU微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器存储器、输入输入/输出设备输出设备构成；构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过输入输入/输出接口输出接口与系统相连；与系统相连； ( 输入输入/输出接口简称输出接口简称I/O接口接口 )各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。构构成成部部件件1. 微处理器

30、微处理器CPUl 计算机的核心部件计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行，用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。实现计算机本身的自动化。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU微处理器微处理器 CPU的组成的组成算术逻辑单元算术逻辑单元ALU运算器运算器累加器累加器ACC程序计数器程序计数器PCCPU控制器控制器 指令寄存器指令寄存器IR 指令译码器指令译码器ID 控制信号发生电路控制信号发生电路 状态寄存器状态寄存器FR寄存器组寄存器组寄存器组寄存器组RS

31、图1.6 微处理器组成示意图1. 算术逻辑单元算术逻辑单元ALU：运算部分核心：运算部分核心功能：功能：算术和逻辑运算。（算术和逻辑运算。（+,-,x,/, .) 2. 累加器累加器ACC：特殊功能的寄存器：特殊功能的寄存器功能：功能：传输、临时存储传输、临时存储ALU运算结果和其它数运算结果和其它数据，左移、右移。据，左移、右移。 3. 寄存器寄存器组组RS：功能：功能：在数据运算和传输中临时存储数据，以在数据运算和传输中临时存储数据，以加快运算和处理速度。加快运算和处理速度。 专用：专用：SP、PC、FR 通用：AX、BX、 4. 状态寄存器状态寄存器FR： 功能：功能：指示运算指示运算结

32、果状态结果状态和控制和控制工作条件工作条件。 “状态状态”：溢出、结果为：溢出、结果为0、进位等、进位等 “工作条件工作条件”：设置中断屏蔽标志等：设置中断屏蔽标志等 5. 堆栈和堆栈指针堆栈和堆栈指针SP：功能：功能：作为信息的一种存取方式，是一组寄存作为信息的一种存取方式，是一组寄存器或一片存储器。器或一片存储器。 堆栈指针堆栈指针SP：指向栈顶：指向栈顶 6. 程序计数器程序计数器PC：功能：功能：记住当前要执行的指令地址码。记住当前要执行的指令地址码。 不可缺少不可缺少 7. 指令寄存器指令寄存器IR、指令译码器、指令译码器ID和控制信和控制信号发生器：号发生器：功能：功能：IR保存当

33、前正在执行的一条指令保存当前正在执行的一条指令 ID译码后向控制器发出具体操作译码后向控制器发出具体操作 的特定信号的特定信号 控制信号发生器向具体的部分发控制信号发生器向具体的部分发 出控制信号出控制信号2. 内存储器内存储器 内存是存储程序和数据的部件，内存是存储程序和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。由地址译码器、内存单元等构成。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址

34、地址111111内存结构示意图内存结构示意图l 内存单元内存单元 l 内存单元的地址内存单元的地址l 内存单元的内容内存单元的内容l 对内存的读对内存的读/写操作写操作l 内存单元内存单元 存储信息的基本单元。存储信息的基本单元。 每片内存芯片有若干个内存单元。每片内存芯片有若干个内存单元。 每个单元可存储每个单元可存储8位二进制数。位二进制数。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址

35、地址111111l 内存单元的地址内存单元的地址 为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。 地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111l 内存单元的内容内存单元的内容 每个内存单元所存储的二进制数据。每个内存单元所存储的二进制数

36、据。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111l注意：注意：内存单元的内存单元的地址地址和和内存单元的内存单元的内容内容是两个完是两个完全不同的概念全不同的概念l 对内存的读对内存的读/写操作写操作 CPU发出地址信号，选中相应的内存单元。发出地址信号，选中相应的内存单元。 若是若是读操作读操作，CPU发出内存读控制信号，发出内存读控制信号， 被选中的内存单元将其内容经数

37、据总线送入被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU。 若是若是写操作写操作，CPU发出内存写控制信号，发出内存写控制信号， CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。n根根CPU地址线地址线AB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111数据线数据线DB地址译码器地址寄存器数 据 寄 存 器控 制 电 路10110110地 址 码MAR0003存储体存储单元

38、集合（）MDR辅助电路包括：辅助电路包括： 地址寄存器地址寄存器(MAR) 地址译码器地址译码器 数据寄存器数据寄存器(MDR) 控制电路控制电路 要求要求: 存储数据的速度快存储数据的速度快 存储容量大存储容量大 成本低成本低 类型：类型：微机存储器通常有两类微机存储器通常有两类: 读读/写存储器写存储器RAM(Read Access Memory) -可擦写可擦写 只读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory) -不能改写不能改写外存储器外存储器内存的缺点：内存的缺点：容量不宜太大容量不宜太大 信息易失性信息易失性外存储器一般属于外存储器一般属于外部设备外部设备，它不能直接

39、，它不能直接和和CPU交换数据，要通过接口电路才能将信交换数据，要通过接口电路才能将信息送到内存储器中。息送到内存储器中。种类：种类： 磁盘存储器，包括软盘，硬盘磁盘存储器，包括软盘，硬盘 磁带存储器磁带存储器 (激激)光盘存储器光盘存储器 3. 输入输入/输出设备及接口输出设备及接口 输入设备：输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、卡片输入键盘、鼠标、扫描仪、卡片输入 机、条形码识别装置等机、条形码识别装置等输出设备：输出设备：LED显示器、显示器、CRT、打印机、绘、打印机、绘 图仪等图仪等特点特点： 速度慢速度慢 工作电平不标准工作电平不标准 信息处理多样信息处理多样外设和输入外设和输入/输出接

40、口（输出接口（I/O接口）接口） 外设的电信号、运行速度与外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不匹配， 不能与不能与CPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/O接口与接口与CPU相连。相连。 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU键键 盘盘 键盘接口键盘接口 显示器显示器 显示卡显示卡鼠鼠 标标 串行接口串行接口 网网 络络 网卡网卡 打印机打印机 并行接口并行接口 音箱、麦可风音箱、麦可风 声卡声卡IDE2Pentium III北桥北桥440BX南桥南桥PIIX4ECMOS &am

41、p; RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI 插槽插槽ISA 插槽插槽内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM显卡显卡4. 总线（总线（BUS）l 总线是连接多个功能部件的一组总线是连接多个功能部件的一组公共信号线公共信号线 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输总线总线 BUS存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输出出设设备备CPUl 按信号的作用，总线分为三类：按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控

42、制总线地址总线、数据总线、控制总线 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU地址总线地址总线 AB ( Address Bus) ：单向单向用来传送用来传送CPU输出的地址信号，输出的地址信号，确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/O端口。端口。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU地址总线的条数地址总线的条数 决定决定CPU的的寻址能力寻址能力。10根根 210 1024 1

43、K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G数据总线数据总线 DB ( Data Bus )：双向双向 用来在用来在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间进行数据传送。接口之间进行数据传送。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU数据总线数据总线的条数决定一次可最多传送的条数决定一次可最多传送数据的宽度数据的宽度。 8 根根 一次传送一次传送 8位位16 根根 一次传送一次传送 16位位 32 根根 一次传送一次传送 32

44、位位 64 根根 一次传送一次传送 64位位控制总线控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。用于传送各种控制信号。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU 有的是有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向有的是发向CPU，如外设向，如外设向CPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。 数据总线数据总线DB用来在各功能部件之间相互传送数据信息的一用来在各功能部件之间相互传送数据信息的一组双向传输线。组双向传输线。同

45、一时刻同一时刻只能有只能有一个设备一个设备的输出被允许送往的输出被允许送往DB。 总线的条数（总线宽度）字长决定。总线的条数（总线宽度）字长决定。 地址总线地址总线AB用来传递地址信息的一组信号线。地址信息由用来传递地址信息的一组信号线。地址信息由CPU发出发出，单向并行传送。，单向并行传送。 控制总线控制总线CB用于传送各种控制信号，如存储器读写信号，用于传送各种控制信号，如存储器读写信号，I/O读写信号等。读写信号等。总线使用特点总线使用特点 在某一时刻，只能由在某一时刻，只能由一个总线主控设备一个总线主控设备（例（例如如CPU）来控制总线）来控制总线 在连接系统总线的各个设备中，某时刻只

46、能在连接系统总线的各个设备中，某时刻只能有有一个发送者一个发送者向总线发送信号；但可以有向总线发送信号；但可以有多多个设备个设备从总线上同时从总线上同时获取获取信号信号 微机系统采用微机系统采用“总线结构总线结构”，具有组态灵活、，具有组态灵活、扩展方便的优势扩展方便的优势微机系统总线概念微机系统总线概念1. 内总线内总线(或局部总线或局部总线)-板内总线板内总线把把CPU、ROM、RAM、基本、基本I/O接口、定时器接口、定时器以及总线控制逻辑部件连成一个系统。以及总线控制逻辑部件连成一个系统。2. 系统总线系统总线-板间总线板间总线由由CPU通过总线控制逻辑进行管理通过总线控制逻辑进行管理

47、 装有装有58个通用个通用I/O扩展插槽扩展插槽 总线插槽标准：总线插槽标准： ISA 总线（总线（16位）位） PCI 总线（总线（32位位/64位）位）3. 外部总线外部总线设备与设备之间连接，最常用的：设备与设备之间连接，最常用的： RS-232及及IEEE488等、等、USB总线接口总线接口ISA插插槽槽PCI插槽插槽AGP插插槽槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯片组内存插槽内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口软驱接口软驱接口并口连接器并口连接器串口连接器串口连接器ROM BIOS鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板主板电源电源插座插座550MHzIDE2Pentium III北桥北

48、桥440BXAGP南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache处理机总线处理机总线 100MHz100MHzPCI 总线总线 33MHzPCI 插槽插槽ISA 插槽插槽ISA总线总线 8MHz内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM66MHz显卡显卡1.3.3 微型计算机软件系统微型计算机软件系统 BIOS驻留在驻留在ROM中的一组基本的中的一组基本的硬件设硬件设备驱动程序备驱动程序。 操作系统操作系统MS-DOS、WINDOWS 文本编

49、辑程序文本编辑程序EDIT.COM 汇编程序汇编程序MASM和和LINK 调试程序调试程序DEBUG.EXE 应用软件应用软件1.3.4 计算机系统主要技术指标计算机系统主要技术指标1. CPU字长字长字长字长决定一次可以并行处理的二进制代码决定一次可以并行处理的二进制代码的位数。的位数。字长由下列条件决定：字长由下列条件决定： 1. ALU一次能处理的二进制码位数一次能处理的二进制码位数 2. 数据总线的宽度数据总线的宽度 3. 内存储器的字长内存储器的字长2. 存储器容量存储器容量 存储器容量存储器容量是衡量微机内部存储器能存是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个重要指标。储二进

50、制信息量大小的一个重要指标。一个字节记为一个字节记为1B1KB=1024B210B1MB=1024KB 220B1GB=1024MB 230B1TB=1024GB 240B内存内存 外存外存3. 运算速度运算速度 主频主频主频主频时钟频率时钟频率，表示微处理器的运行速度，主，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，主频的单位是频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz(GHz)。 MIPS MIPS百万条指令百万条指令/秒，秒，表示微处理器的性能表示微处理器的性能 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以以MIPS通常是根据不同指

51、令出现的频度乘上不通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的同的系数求得的统计平均值统计平均值。 主频为主频为25MHz的的80486其性能大约是其性能大约是20MIPS， 主频为主频为400MHz的的Pentium II的性能为的性能为832 MIPS 1.4 微型计算机基本工作原理微型计算机基本工作原理1.4.1 指令与程序的概念指令与程序的概念 指令指令规定计算机执行特定操作的命令规定计算机执行特定操作的命令 指令系统指令系统计算机全部指令的集合计算机全部指令的集合 指令包括：指令包括： 操作码操作码要完成操作的性质要完成操作的性质 操作数操作数参加上述规定操作的操作参加上述规定操

52、作的操作数或该操作数的地址数或该操作数的地址操作码操作码操作数操作数图图1-10 指令的基本格式指令的基本格式 机器语言机器语言 用二进制代码形式的指令编写用二进制代码形式的指令编写程序。程序。 汇编语言汇编语言用几个字母构成的符号用几个字母构成的符号(助记符助记符)来代替机器语言指令。来代替机器语言指令。 汇编汇编将汇编语言程序翻译成为机器语言将汇编语言程序翻译成为机器语言的目标程序。的目标程序。为什么采用汇编语言？为什么采用汇编语言？1.4.2 指令类别指令类别指令系统包括几类指令：指令系统包括几类指令： 1. 算术及逻辑类算术及逻辑类 2. 数据传送及交换类数据传送及交换类 3. 程序控

53、制类程序控制类 4. 输入输入/输出类输出类 5. CPU控制类控制类1.4.3 指令的执行指令的执行指令周期指令周期执行一条指令执行一条指令所需的时间。所需的时间。 分成：分成： 取指令取指令 分析指令分析指令 执行指令执行指令取指令阶段取指令阶段根据根据PC中的中的值从存储器读出指令，送值从存储器读出指令，送到指令寄存器到指令寄存器IR，PC自动自动加加1。 分析指令阶段分析指令阶段将将IR中的指中的指令译码，分析指令性质。令译码，分析指令性质。 执行指令阶段执行指令阶段取出操作数，取出操作数，执行指令所规定的操作执行指令所规定的操作取指令，PC值加1分析指令执行指令结束 停机？YN微机的

54、工作过程微机的工作过程 计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP微机的工作过程分两阶段：微机的工作过程分两阶段：l 取指令取指令l 执行指令（分析指令）

55、执行指令（分析指令）l取指令阶段（取指令阶段（ CPU读内存操作）：读内存操作）： 地址经地址寄存器地址经地址寄存器 地址总线地址总线 地址译码器地址译码器, 选中指令所在的内存单元选中指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号发出内存读控制信号 指令从内存指令从内存 数据总线数据总线 数据暂存器数据暂存器 指令寄存器指令寄存器 指令译码器对指令进行译码指令译码器对指令进行译码 由由IP给出指令在内存的地址给出指令在内存的地址标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、

56、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IPl执行指令阶段：执行指令阶段： 经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP不同的指令，不同的指令，CPU的具体执行过程不同。的具体执行过程不同。CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。当一条指令需要从内存或当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，在执行阶段， 需对指令指定的内存单元或需