ch01微型计算机系统概述

1、第第1章章 微型计算机系统概述微型计算机系统概述1.1 微型计算机发展及应用微型计算机发展及应用n第一台数字式电子计算机诞生于第一台数字式电子计算机诞生于1946年年2月月，简简称称ENIAC （电子数据和计算器）（电子数据和计算器） 。冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机结构及特点结构及特点特点：特点：（1）计算机内部采用二进制表示数据和指令。）计算机内部采用二进制表示数据和指令。（2）工作原理的核心为：）工作原理的核心为：“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制” 计算机发展史计算机发展史年代第一代1946-1957第二代1958-1964第三代1965-1970第四代1971-现在电子器件

2、电子管晶体管集成电路大规模集成电路存储器延迟线磁芯、磁鼓磁带、纸带磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁带、磁盘光盘处理方式机器语言汇编语言监控程序高级语言实时处理操作系统实时/分时处理网络操作系统应用领域科学计算科学计算数据处理过程控制科学计算系统设计等科技工程领域各行各业运算速度5000至3万次/秒几十万至百万次/秒百万至几百万次/秒几百万至千亿次/秒典型机种ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC微型计算机的发展微型计算机的发展一代一代70年代初年代初

3、二代二代70年代年代三代三代70年代末年代末80年代初年代初四代四代80年代年代微型机发展过程微型机发展过程时间时间五代五代90年代年代4004 （8008-8位）位）第一台个人电脑第一台个人电脑8080 （Z80,MC6800）8位位4位位32-64位位16位位32位位1973-741971-7219788086M 6809和和Z800082年年80286及及80318038680486（M68020）1993 Pentium准准64位位1995年年11月月 Pentium Pro。1997年年1月月 Pentium MMX此后此后 P/419851993Pentium微型计算机的应用微型计

4、算机的应用n微型计算机体积小、价格低、耗电少和可靠性高微型计算机体积小、价格低、耗电少和可靠性高，主要有如下几个应用方向：主要有如下几个应用方向：q科学计算和信息处理科学计算和信息处理q计算机辅助设计、辅助制造、辅助教育及计算机辅助测计算机辅助设计、辅助制造、辅助教育及计算机辅助测试试q多媒体应用及网络应用多媒体应用及网络应用q过程控制过程控制q嵌入式应用方向嵌入式应用方向n两个方向发展：两个方向发展：q高性能、多功能的方向高性能、多功能的方向q价格低廉、功能专一的方向价格低廉、功能专一的方向1.2 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成n硬件系统硬件系统中央处理器中央处理器n微机的核心、控

5、制中心，中央处理器微机的核心、控制中心，中央处理器CPUn大规模集成电路大规模集成电路VLSI芯片，集成芯片，集成q控制器控制器q运算器（整数运算器）运算器（整数运算器）q寄存器（高速存储单元）寄存器（高速存储单元）n高性能微处理器内部还有高性能微处理器内部还有q浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元q存储管理单元、代码保护机制存储管理单元、代码保护机制qCacheq内存储器内存储器n存储器（存储器（Memory）是）是临时或永久保存临时或永久保存程序和数据的部件，程序和数据的部件，分为内存储器和外存储器分为内存储器和外存储器n高性能微机的存储系统高性能微机的存储

6、系统q微处理器内部的寄存器（微处理器内部的寄存器（Register）q高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）q主板上的主存储器主板上的主存储器q以外设形式出现的辅助存储器以外设形式出现的辅助存储器n主存储器（主存、内存）主存储器（主存、内存）q半导体存储器芯片组成半导体存储器芯片组成qRAM部分断电后信息丢失部分断电后信息丢失q相对造价高、速度快、但容量小相对造价高、速度快、但容量小n辅助存储器（简称辅存或外存）辅助存储器（简称辅存或外存）q磁盘、光盘存储器等构成磁盘、光盘存储器等构成q相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢RAM和和RO

7、MRAM和和ROMn随机存取存储器随机存取存储器（RAM）又称读写存储器：又称读写存储器：随机存取随机存取：可以根据需要读写任意位置上的内容，而不：可以根据需要读写任意位置上的内容，而不像磁盘一样必须成块地顺序读写。像磁盘一样必须成块地顺序读写。可读可写可读可写：随机存储器中的信息可以读出，也可以写入：随机存储器中的信息可以读出，也可以写入。易失性易失性：断电后储存的信息自动消失，是易失性存储器：断电后储存的信息自动消失，是易失性存储器。用途用途：用于存放当前正在使用的程序和数据。：用于存放当前正在使用的程序和数据。n只读存储器只读存储器(ROM)：只读只读：信息在一般情况下只能读出，不能写入

8、和修改：信息在一般情况下只能读出，不能写入和修改非易失性非易失性：断电后原信息不会丢失，是非易失性存储器：断电后原信息不会丢失，是非易失性存储器，用途用途：用来存放固定的程序和数据表格。：用来存放固定的程序和数据表格。I/O接口及接口及I/O设备设备nI/O设备（设备（Peripheral）：用户与微机交互）：用户与微机交互q输入（输入（Input）设备，如标准输入设备：键盘）设备，如标准输入设备：键盘q输出（输出（Output）设备，如标准输出设备：显示器）设备，如标准输出设备：显示器nI/O接口（接口（Interface）：外设和主机间的桥梁）：外设和主机间的桥梁q完成信号变换、数据缓冲、

9、联络控制等工作完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作q较简单的较简单的I/O接口电路与主板一体接口电路与主板一体q较复杂的较复杂的I/O接口电路制成独立的电路板（接口卡接口电路制成独立的电路板（接口卡Card）系统总线系统总线n总线（总线（Bus）：传递信息的一组）：传递信息的一组公用导线、信息通道公用导线、信息通道n系统总线（系统总线（System Bus）：微机系统中信息交换的主要）：微机系统中信息交换的主要公共通道公共通道n地址总线：地址总线：单向单向输出主存单元或输出主存单元或I/O端口的地址信息端口的地址信息n数据总线：读（数据总线：读（Read）操作数据输入微处理器；写）操作数据输

10、入微处理器；写（Write）操作数据输出到外界（主存或外设）操作数据输出到外界（主存或外设）n控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入络信号输入n微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩展方便展方便总线信号总线信号n地址总线地址总线ABq输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址端口的地址q地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围n数据总线数据总线DBqCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往读操作时

11、，外部数据通过数据总线送往CPU qCPU写操作时，写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据通过数据总线送往外部q数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数n控制总线控制总线CBq协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等q控制总线决定了系统总线的特点控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等例如功能、适应性等举例举例举例举例Intel 80 x86CPU的地址线条数的地址线条数Intel 80 x86地址条数地址条数存储容量存储容量n8086201MBn8088201MBn802862416MB

12、n80386Pentium324GBnPentium Core 2 36 64GB返回返回Intel 80 x86CPU的数据线位数的数据线位数Intel 80 x86数据位数数据位数n808616n80888n8028616n803868048632nPentium至今至今64返回返回微型计算机软件系统微型计算机软件系统n软件是包含计算机工作时所需要的各种程序、数软件是包含计算机工作时所需要的各种程序、数据及相关文档资料，为计算机有效运行和特定信据及相关文档资料，为计算机有效运行和特定信息处理提供全过程的服务，是用户操作计算机的息处理提供全过程的服务，是用户操作计算机的中介。中介。n系统软件

13、系统软件:是指没有特殊的应用背景，专门为了发是指没有特殊的应用背景，专门为了发掘硬件功能，测试硬件部件和减少用户对硬件的掘硬件功能，测试硬件部件和减少用户对硬件的依赖程度等编制的软件程序。依赖程度等编制的软件程序。n应用软件：是指在应用领域中为解决各类应用问应用软件：是指在应用领域中为解决各类应用问题而开发和使用的程序。题而开发和使用的程序。n系统软件分类系统软件分类 （1）操作系统）操作系统 （2）服务型程序）服务型程序 （3）各种语言的处理程序）各种语言的处理程序 （4）各种数据库系统）各种数据库系统n应用软件分类应用软件分类 （1）用于科学计算）用于科学计算 （2）文字处理软件）文字处理

14、软件 （3）图像处理软件）图像处理软件 （4）各种财务管理，税务管理，工业控制，辅助）各种财务管理，税务管理，工业控制，辅助教育软件教育软件微型计算机软件系统微型计算机软件系统 微微 型型 计计 算算 机机 系系 统统 主机主机 机机 外部设备外部设备 微处理器微处理器 主存储器和高速缓存器主存储器和高速缓存器 输入输出接口输入输出接口 系统总线和局部总线系统总线和局部总线 外存储器外存储器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 其它设备其它设备 电源等电源等 系统软件系统软件 应用软件应用软件 操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序 支持软件支持软件 工程计算软件工程计算软件 数据处理软件

15、数据处理软件 过程控制软件过程控制软件 辅助设计软件辅助设计软件 。 。 。 。 。 汇汇编程序编程序 解释程序解释程序 编译程序编译程序 硬件硬件 软件软件 微机系统微机系统 区分三个概念区分三个概念运算器运算器 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型计算机微型计算机系统微型计算机系统微机系统主要性能指标微机系统主要性能指标n字长字长：CPU一次能处理的二进制位数一次能处理的二进制位数，通常字长通常字长是字节的整数倍。目前微机的字长主要有是字节的整数倍。目前微机的字长主要有

16、32位和位和64位。位。n主频主频：即即CPU内核工作的时钟频率（内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。n运算速度运算速度：运算速度是指每秒钟所能执行的指令运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数条数n主存容量和存取速度主存容量和存取速度：主存储器容量指内部存储主存储器容量指内部存储器能存放数据的最大字节数器能存放数据的最大字节数；存取速度指主存完存取速度指主存完成一次读成一次读/写所需要的时间写所需要的时间。1.3 计算机中的数与编码计算机中的数与编码n进位计数制进位计数制表表 1 2 常用进制介绍常用进制介绍进制进制基数基数数字符号数字符号特点特点举例举例十进制十进制100、1

17、、2、3、4、5、6、7、8、9“逢十进一，逢十进一，借一当借一当(123.4)10二进制二进制20、1“逢二进一，逢二进一，借一当二借一当二”(1011.1)2八进制八进制80、1、2、3、4、5、6、7“逢八进一，逢八进一，借一当八借一当八”(35.7)8十六进十六进制制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F“逢十六进一，逢十六进一，借一当十六借一当十六”(28A.C)16不同数制之间的转换不同数制之间的转换(1)n十进制整数转换为十进制整数转换为K进制数进制数q除除K取余数，结果倒序排列。取余数，结果倒序排列。不同数制之间的转换不同数制之间的转换(2)n十进制

18、小数转换为十进制小数转换为K进制小数进制小数q乘乘K取整，结果正序排列。取整，结果正序排列。不同数制之间的转换不同数制之间的转换(3)nK进制数转换为十进制数进制数转换为十进制数q将将K进制数按权展开进制数按权展开n(1010011.01010011)2=126 + 124 +121 +120 + 12-2 + 12-4 +12-7 + 12-8 =64+16+2+1+0.25+0.0625+0.0078125+0.00390625 =83.32421875n(1010011.01010011)2=126 + 124 +121 +120 + 12-2 + 12-4 +12-7 + 12-8 =

19、64+16+2+1+0.25+0.0625+0.0078125+0.00390625 =83.32421875二进制、八进制与十六进制之间的转换二进制、八进制与十六进制之间的转换表表 1 3 计算机中常用进制间的对应关系计算机中常用进制间的对应关系十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010计算机中数的表示计算机中数

20、的表示n无符号数的表示无符号数的表示n正数和零的集合正数和零的集合 n用用N位二进制表示一个无符号数时，最小的数是位二进制表示一个无符号数时，最小的数是0，最大的数是，最大的数是2N-1（N位二进制位二进制111111）。）。n如果一个无符号数需要增加它的位数时，需要在如果一个无符号数需要增加它的位数时，需要在它的左侧添加若干个它的左侧添加若干个0，称为零扩展。，称为零扩展。n有符号数的表示有符号数的表示n在计算机中，有符号数的正负通过数据的最高有在计算机中，有符号数的正负通过数据的最高有效位表示：效位表示：1表示符号为负，表示符号为负，0表示符号为正。表示符号为正。n机器数：一个数在机器中的

21、表示形式，即编码。机器数：一个数在机器中的表示形式，即编码。n真值：数本身。真值：数本身。计算机中数的表示计算机中数的表示有符号数有符号数n原码原码q最高位作为符号位，对正数，该位取最高位作为符号位，对正数，该位取0，对负数，该位，对负数，该位取取1。而数值部分保持数的原有形式（有时需要在高位而数值部分保持数的原有形式（有时需要在高位部分添几个部分添几个0）。）。n补码补码q对正数，补码同原码对正数，补码同原码；负数的补码等于其原码除符号位负数的补码等于其原码除符号位外按位外按位“求反求反”(1变变0，0变变1)，末位再加，末位再加1。n反码反码 q对正数，其反码与原码相同，也与补码相同。对负

22、数，对正数，其反码与原码相同，也与补码相同。对负数，其反码等于原码除符号位外，其反码等于原码除符号位外，按位求反按位求反(末位不加末位不加1)。一。一般把求反码作为求补般把求反码作为求补码码的中间过程，即的中间过程，即x补补=x反反+1。 表表 1 4 8位机器数的原码、反码和补码表示位机器数的原码、反码和补码表示真值真值（十进制）（十进制）二进制真值二进制真值原码原码反码反码补码补码127111 11110 111 11110 111 11110 111 11111000 00010 000 00010 000 00010 000 00010000 00000 000 00000 000 0

23、0000 000 00000000 00001 000 00001 111 11110 000 00001000 00011 000 00011 111 11101 111 11112000 00101 000 00101 111 11011 111 111012711111111 111 11111 000 00001 000 00011281 000 0000无法表示无法表示无法表示无法表示1 000 0000无符号数的运算规则无符号数的运算规则运算运算运算规则运算规则加法运算加法运算000；011；101；110（有进位）（有进位）减法规则减法规则000；110；101；011（有借位）

24、（有借位）逻辑与（逻辑与（AND）运算运算000；010；100；111逻辑或（逻辑或（OR）运算运算000；011；101；111逻 辑 异 或逻 辑 异 或（XOR）运算）运算0 00；0 11；1 01；1 10逻辑非（逻辑非（NOT）运算运算0(0() )1；1()0有符号数的加减运算有符号数的加减运算n补码的运算规则如下：补码的运算规则如下：naX+Y补补=X补补+Y补补，即两数之和的补码等于，即两数之和的补码等于各自补码的和。各自补码的和。 nbX-Y补补=X补补+-Y补补，即两数之差的补码等于，即两数之差的补码等于被减数的补码与减数相反数的补码之和。被减数的补码与减数相反数的补码

25、之和。 ncX补补补补=X原原，即按求补码的方法，对，即按求补码的方法，对x补补再再求补码一次，结果等于求补码一次，结果等于x原原。 ndX补补求补求补=-X补补，求补运算是指包含符号位取，求补运算是指包含符号位取反加反加1的操作。的操作。 【例【例 1 7】设设X+100，Y=+83，求，求X-Y 补补。解：先求解：先求X补补和和-Y补补。X补补100补补1100100B补补01100100B。-Y补补Y补补求补求补01010011B补补求补求补01010011B求补求补10101101B。 X补补 01100100B + -Y补补 10101101B X-Y 补补 1 00010001B1

26、1H16117 进位自然丢失进位自然丢失【例【例 1 8】设设X+100，Y=+83，求，求Y-X 补补。解：先求解：先求-X补补和和Y补补。-X补补X补补求补求补100补补求补求补01100100B求补求补10011100B。Y补补83补补1010011B补补01010011B。Y补补 01010011B + -X补补 10011100B Y-X 补补 11101111B0010001B（161）17计算机中的编码计算机中的编码ASCII码码nASCII码即美国标准信息交换代码码即美国标准信息交换代码(American Standard Cord for Information Interc

27、hange)，它它用用7位二进制编码表示位二进制编码表示128个字符和符号个字符和符号。n每个字符用每个字符用8位（即一个字节）表示，其中最高位（即一个字节）表示，其中最高位为位为“0”，当需要进行奇偶校验时，最高位用，当需要进行奇偶校验时，最高位用做校验位。做校验位。nASCII编码的前编码的前32个（编码个（编码00H1FH）用来表示）用来表示“控制字符控制字符”，例如，例如:CR（“回车回车”，编码，编码0DH），），LF（“换行换行”，编码，编码0AH）。计算机中的编码计算机中的编码ASCII码码ASCII编码编码30H39H用来表示数字字符用来表示数字字符“0”“9”。它们的高。它们的高3位为位为011，低，低4位就是这个数字字符位就是这个数字字符对应的二进制表示。对应的二进制表示。ASCII编码编码41H5AH用来表示大写字母用来表示大写字母“A”“Z”，它们的高，它们的高2位为位为01。ASCII编码编码61H7AH用来表示小写字母用来表示小写字母“a”“z”，它们的高，它们的高2位为位为10。小写字母的编码比对应的大写字母编码大小写字母的编码比对应的大写字母编码大20H。计算机中的编码计算机中的编码BCD码码用一组四位二进制来表述一位十进