微原CH1微型计算机基础

1、NUIST第第1 1章章 微型计算机基础微型计算机基础 NUIST主要内容主要内容 1.1 1.1 微型计算机发展概述微型计算机发展概述 微型计算机的发展1 1微型计算机的特点2 2v 计算机发展历程：巨型机、大型机、中型机、 小型机、微型机v 电子器件：电子管、晶体管、中小规模集成 电路 、大规模和超大规模集成电路第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代微型计算机微型计算机1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第一代（1971年开始）

2、4位和低档8位微处理器时代 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第二代（1973年开始） 8位微处理器时代 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第三代（1978年开始） 16位微处理器时代 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第四代（1983年开始 ） 32位微处理器时代 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发

3、展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第五代（1993年开始 ） X86架构处理器时代 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展v微型机的发展是以微型机的发展是以CPUCPU的发展来表征的的发展来表征的 第六代（至今 ） 64位和双核微处理器时代 Intel Pentium D Intel Core AMD Athlon1.1 1.1 微型计算机发展概述微型计算机发展概述 微型计算机的发展1 1微型计算机的特点2 21.1.2 1.1.2 微型计算机的特点微型计算机的特点 v 标准的工业化装配结构，体积小重量轻，系统扩展及

4、性能升级容易v 微型计算机的芯片集成度高，基本不需要人工焊点，降低了故障发生的概率，提高了可靠性v 开放的标准体系结构和多元化的大规模工业生产使微型计算机的价格变得低廉v 标准化的体系结构、超大规模集成电路、规模化的生产v 科学计算和科学研究科学计算和科学研究 ：科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。 v 数据处理数据处理( (信息处理信息处理) )：利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。 v 工业控制：工业控制：用单片或单板微型计算机实现工业生产控制、过程监控等。v 计算机辅助系统：计算机辅助系统：计算机辅助教 (CAI)、计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制

5、造 (CAM)、计算机辅助测试 (CAT)、计算机集成制造系统 (CIMS)v 人工智能：人工智能：解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。 NUIST主要内容主要内容 1.2 1.2 微型计算机系统的组成、结构与工作过程微型计算机系统的组成、结构与工作过程 微型计算机系统的组成与结构 1 1微机系统的工作过程 2 21.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成微机的组成图 v微型计算机的组成1.2.

6、1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成v微型计算机的组成CPU 运算器（ALU） 控制器（CU） 寄存器（Registers）相关概念：字长算术逻辑运算 指令译码根据指令要求发出相应控制信息 存放数据 1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成v微型计算机的组成存储器 主存储器（内存储器） 外存储器读操作写操作译译码码电电路路01H02H03H.地地址址总总线线数数据据总总线线10000H10001H10003H1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构

7、 微机的组成微机的组成v微型计算机的组成存储器相关概念存储单元存储容量存储规则CPU对存储器寻址1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成v微型计算机的组成系统总线 地址总线AB：传送地址信息l输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址l地址线的多少决定了系统直接寻址的范围 数据总线DB ：传送数据信息lCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU lCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部l数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线CB ：传送控制信息l协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号l控制总线决定了系统

8、总线的特点，例如功能、适应性等例特点1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出接口电路输入输出接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器CPU微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统3个概念的区别1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微型计算机的总线结构微型计算机的总线结构v根据功能和规范不同，大致分为四类 片内总线（Inner-Chip Bus） 片总线（Chip Bus） 内总线（

9、Internal Bus） 外总线（External Bus，E-Bus）1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微处理器结构与基本功能微处理器结构与基本功能典型8位微处理器结构 ALU主要完成算术和逻辑运算 累加器运算和传输过程中临时存储数据指令寄存器存放正在执行的指令代码 指令译码器对指令代码进行分析、译码 寄存器组包括通用寄存器、段寄存器、标志寄存器FLAGS和指令指针寄存器IP1.2 1.2 微型计算机系统的组成、结构与工作过程微型计算机系统的组成、结构与工作过程 微型计算机系统的组成与结构 1 1微机系统的工作过程 2 21.2.2 1.2.2

10、微机系统的工作过程微机系统的工作过程v相关概念 时钟周期：最小时间单位 总线周期： CPU通过总线操作与外部（存储器或I/O端口）进行一次数据交换的过程 指令周期：一条指令经取指、译码、读写操作数到执行完成的过程。若干总线周期组成一个指令周期演示1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v以一个模型机为例来说明微机的工作过程v假设计算12H34H，程序如下： MOV AL,12H ;将12H送到累加器中 ADD AL,34H ;计算12H+34H，结果送回累加器v编译后，两条指令对应的机器指令为： 10110000 00010010 ;“MOV AL,12H” 操作码 操作数

11、 00000100 00110100 ;“ADD AL,34H” 操作码 操作数演示NUIST主要内容主要内容 1.3 1.3 常用数制与编码表示方法常用数制与编码表示方法 计算机中常用的数制 1 1计算机中信息的编码表示 2 21.3.1 1.3.1 计算机中常用的数制计算机中常用的数制 v任意r进制数N可以表示为v相关概念基数数码权1110011222211nmiiimmnnnnrarararararararaN1.3.1 1.3.1 计算机中常用的数制计算机中常用的数制 不同数制间的转换不同数制间的转换 v 进制数转换成十进制数 n任何数制可由数码乘上对应的权求和转换成十进制数 u二进制

12、数(1011.001)B 转换为十进制 （1011.001)B =123+022+121+120+02-1+02-2+12-3 =（11.125)D u八进制数（75.12)O 转换为十进制 （75.12)O = 781+580+18-1+28-2 =（61.15625)D思考：十六进制（1A4.25)H 转换为十进制r1.3.1 1.3.1 计算机中常用的数制计算机中常用的数制 不同数制间的转换不同数制间的转换v十进制数转换成 进制数n整数部分除 取余，直到商为0，余数从逆序排列n小数部分乘 取整数部分，留小数部分继续乘，直到小数部分为0或达到要求的精度为止 rrr1.3.1 1.3.1 计

13、算机中常用的数制计算机中常用的数制 不同数制间的转换不同数制间的转换思考：（1）将十进制数28转化成二进制数 (28)(D) = (11100)(B)（2）将十进制数23630转换成十六进制数 (23630)(D) = (5C4E )(H)1.3.1 1.3.1 计算机中常用的数制计算机中常用的数制 不同数制间的转换不同数制间的转换v二进制、八进制、十六进制数间的转换 二进制数转换为八进制数时，分成整数部分和小数部分，每3位为一组对应一个八进制数，不满3位的补0；反之，八进制数、十六进制数转换为二进制数只需将1位对应成3位、4位二进制数即可 1.3 1.3 常用数制与编码表示方法常用数制与编码

14、表示方法 计算机中常用的数制 1 1计算机中信息的编码表示 2 21.3.2 1.3.2 计算机中信息的编码表示计算机中信息的编码表示 vBCD码(二十进制编码)n用四位二进制数表示一个十进制数的编码n使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行vASCII码n美国信息交换标准代码 American Standard Code for Information Interchange n用二进制编码来表示文字和符号 v汉字编码 NUIST主要内容主要内容 1.4 1.4 微型计算机中的数据表示方法微型计算机中的数据表示方法 原码1 1反码2 2补码3 31.4 1.4 微型计算机中的数据表示方法微型

15、计算机中的数据表示方法原码原码v数在微型计算机中用二进制数表示，若是有符号数，最高位是符号位，1表示负数，0表示正数；数的表示范围受字长和数据类型的限制 v整数X的原码除去最高位符号位外，其余数值部分就是它的绝对值的二进制数 +1原=00000001 +127原=01111111-1原=10000001 -127原=11111111+0原=00000000 -0原=100000001.3 1.3 常用数制与编码表示方法常用数制与编码表示方法 原码1 1反码2 2补码3 31.4 1.4 微型计算机中的数据表示方法微型计算机中的数据表示方法反码反码v整数X的反码：对于正数，反码同原码；对于负数，

16、符号位为1，其余数值位取反+1反=00000001 +127反=01111111-1反=11111110 -127反=10000000+0反=00000000 -0反=11111111 1.3 1.3 常用数制与编码表示方法常用数制与编码表示方法 原码1 1反码2 2补码3 31.4 1.4 微型计算机中的数据表示方法微型计算机中的数据表示方法补码补码v整数X的补码：对于正数，补码同原码；对于负数，符号位为1，其余数值位取反加1+1补=00000001 +127补=01111111-1补=11111111 -127补=10000001v注意：+0补=-0补=00000000，所以多一个编码10

17、000000来表示-128 v第一章结束译译码码电电路路01H02H03H.地址总线地址总线数据数据总线总线10000H10001H10003Hv存储器的读操作 从10003H读入一个字节1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成1、CPU发地址10003H2、地址10003H经过地址总线送到存储器10003H10003H3、经过存储器的译码电路译码后选中10003H对应的存储单元03H4、CPU发读控制命令更令CPU读控制命令5、10003H存储单元中的03H经由数据总线被读出03H返回5、04H经由数据总线被入10000H存储单元译译

18、码码电电路路01H02H03H.地址总线地址总线数据数据总线总线10000H10001H10003Hv存储器的写操作 写04H到10000H存储单元1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的组成与结构微型计算机系统的组成与结构 微机的组成微机的组成1、CPU发地址10000H2、地址10000H经过地址总线送到存储器10000H10000H3、经过存储器的译码电路译码后选中10000H对应的存储单元4、CPU发写控制命令CPU写控制命令04H04H返回地址总线举例地址总线举例地址总线条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MB80386324GB返回系统总线的使用特点系

19、统总线的使用特点v除了CPU外，还有DMA控制器和协处理器都具有控制系统总线的能力，它们又叫做总线控制器v在某一个时刻，只能由一个总线控制器来控制系统总线v在连接系统总线的各个设备中，某一时刻只能有一个向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获得信号返回微处理器、微型计算机、微型计算机系统的区别微处理器、微型计算机、微型计算机系统的区别v微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片v微型计算机（Microcomputer） 通常指微型计算机的硬件系统 还有一般的说法：微机、微型机v微型计算机系统（Microcomputer

20、 system） 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统返回微机系统中的四类总线微机系统中的四类总线返回周期介绍周期介绍返回1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v工作过程举例运运算算器器ALU累累加加器器A 内内部部数数据据总总线线PC+1地地址址缓缓冲冲器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 内内容容存存储储器器外外部部地地址址总总线线外外部部数数据据总总线线数数据据缓缓冲冲器器指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器寄寄存存器器组组PLA控控制制信信号号标标志志寄寄存存器器FCP

21、U10000H10001H10002H10003H1、初始：载入程序 PC自动加1，即由10000H变为10001H 2、PC的内容10000H送到地址缓冲器 1011 00000001 00100000 01000011 010010000H 10000H 10001H 3、地址缓冲器中10000H送到外部地址总线上至存储器，经地址译码器译码后，选中10000H单元 1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v工作过程举例运运算算器器ALU累累加加器器A 内内部部数数据据总总线线PC+1地地址址缓缓冲冲器器10000H10001H10002H10003H1011000000

22、0100100000010000110100地地址址 内内容容存存储储器器外外部部地地址址总总线线外外部部数数据据总总线线数数据据缓缓冲冲器器指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器寄寄存存器器组组PLA控控制制信信号号标标志志寄寄存存器器FCPU4、CPU发读控制命令 10001H CPU读控制命令5、10000H单元内容10110000通过数据线送到数据缓冲器 1011 00001011 000010000H 1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v工作过程举例运运算算器器ALU累累加加器器A 内内部部数数据据总总线线PC+1地地址址缓缓冲冲器器10000H10001

23、H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 内内容容存存储储器器外外部部地地址址总总线线外外部部数数据据总总线线数数据据缓缓冲冲器器指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器寄寄存存器器组组PLA控控制制信信号号标标志志寄寄存存器器FCPU6、数据缓冲器内容被送到指令寄存器，经过指令译码器译码为“MOV AL,n”指令 ，发出相应控制命令，CPU取操作数 10001H 1011 000010000H 1011 00001011 00007、PC的内容10001H送到地址缓冲器 10001H 8、PC自动加1，由10001H变为10002H

24、10002H 1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v工作过程举例运运算算器器ALU累累加加器器A 内内部部数数据据总总线线PC+1地地址址缓缓冲冲器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 内内容容存存储储器器外外部部地地址址总总线线外外部部数数据据总总线线数数据据缓缓冲冲器器指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器寄寄存存器器组组PLA控控制制信信号号标标志志寄寄存存器器FCPU9、地址缓冲器中10001H通过外部地址总线送至存储器，经过地址译码器译码后选中10001H单元 10002H

25、 10001H 10001H CPU读控制命令10、CPU发读控制命令11、10001H单元内容00010010（12H）送到数据缓冲器 000100100001001012、数据缓冲器中12H通过内部数据总线总线被送到累加器 0001001017、10002H单元内容00000100通过数据线送到数据缓冲器 15、地址缓冲器中10002H送到外部地址总线上至存储器，经地址译码器译码后，选中10002H单元 18、数据缓冲器中内容送到指令寄存器，经过指令译码器译码，发出相应控制命令 13、PC的内容10002H送到地址缓冲器 1.2.2 1.2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程v工作过程举例运运算算器器ALU累累加加器器A 内内部部数数据据总总线线PC+1地地址址缓缓冲冲器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 内内容容存存储储器器外外部部地地址址总总线线外外部部数数据据总总线线数数据据缓缓冲冲器器指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器寄寄存存器器组组PLA控控制制信信号号标标志志寄寄存存器器FCPU14、PC自动加1，即由10002H变为10003H 10003H 10