微型计算机系统概论

1、微型计算机系统概论微型计算机系统概论 v计算机的发展和应用v基于计算机的信息表示v计算机系统的组成与工作原理v微型计算机的硬件系统计算机的发展和应用 v计算机的产生 v计算机的发展 v计算机的特点v计算机的应用计算机的产生世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机 E N I A C（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数值积分机和计算机），于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学。它每秒可进行5000次加减运算。至今人们公认，ENIAC的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。计算机的发展v第一代：电子管计算机（1946

2、 1958）v其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。第一代电子计算机体积庞大，造价高，主要用于军事和科学研究。 计算机的发展v第二代：晶体管计算机（1958 1964）v其基本特征是晶体管电路电子计算机，内存所使用的器件大多使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。晶体管计算机体积小，成本低，可靠性大大提高。除了科学计算，还用于数据处理和事务处理。 计算机的发展v第三代：集成电路计算机（1965 1970）v其基本特征是逻辑元件采

3、用小规模集成电路SSI（small scale integration）和中规模集成电路MSI（middle scale integration）。运算速度每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件也逐步完善。计算机开始广泛应用在各个领域。计算机的发展v第四代：大规模集成电路计算机（1971年至今）。v其基本特征是逻辑元件采用大规模集成电路LSI（large scale integration）和超大规模集成电路VLSI（very large scale integration）技术。计算机的速度最高可达每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已

4、成为现代工业的一部分。 计算机的特点 v1.运算速度快 v2.计算精度高 v3.存储能力强 v4.具有逻辑判断能力 v5.具有自动运行能力 计算机的应用 v1.科学计算 v2.数据处理 v3.人工智能 v4.电子商务 v5.过程控制 v6.计算机辅助系统 v7. 多媒体技术 v8.虚拟现实 基于计算机的信息表示 v数制与数制间的转换 v数值信息的二进制表示 v非数值信息的二进制表示 数制与数制间的转换v进位计数制v在采用进位计数制的数字系统中，如果只用r个基本符号表示数值，则称其为基r数制，r称为该数制的基数基数，而数值中每一固定位置对应的单位值称为权。权。 表表1.2.1 常用的各种进位计数

5、制的表示常用的各种进位计数制的表示进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制 规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一 基数 r=2 r=8 r=10r=16基本符号 0,1 0,1,2,7 0,1,2,9 0,1,9,A,B,F权 2i 8i10i16i表示形式B ODH数制与数制间的转换v不同进位计数制的转换v (1) 二二-十转换：十转换：将二进制数按位权展开后相加将二进制数按位权展开后相加2) 11 .101 (210122121212021 10)75 . 5(25 . 05 . 014 (2) 十十- -二转换二转换：整数的转换整数的转换-连除法连除法210) () 26 (

6、26213余数余数206213202 110111010除基数除基数得余数得余数作系数作系数从低位从低位到高位到高位数制与数制间的转换210) () 1258 . 0 ( 1101 . 00. 8125 21. 6250 21. 2500 20. 5000取整取整1100. 62500. 2500乘基数乘基数取整数取整数作系数作系数从高位从高位到低位到低位小数的转换小数的转换-连乘法连乘法快速转换法：拆分法快速转换法：拆分法( 26 )10= 16 + 8 + 2 = 24 +23 + 21= ( 1 1 0 1 0 )2 若小数在连乘多次后若小数在连乘多次后不为不为 0，一般按照精确度，一般

7、按照精确度要求要求(如小数点后保留如小数点后保留 n 位位)得到得到 n 个对应位的系个对应位的系数即可。数即可。 21. 0000116 8 4 2 1数制与数制间的转换(3) 二二-八转换八转换:82) () 111 101 10 ( 25757(4) 八八-二转换二转换:每位每位 8 进制数转换为相应进制数转换为相应 3 位二进制数位二进制数28) () 47 .31 ( 011 001 . 100 111每每 3 位二进制数相当一位位二进制数相当一位 8 进制数进制数28) () 64 375. ( 011 111 101. 110 100082) () 1 1 0 0 0 1. 0

8、0 0 0 1 1 1 0 0 1 ( 002341. 062数制与数制间的转换（5）二）二-十六转换：十六转换：每每 4 位二进制数相当一位位二进制数相当一位 16 进制数进制数16210) () () 26 ( 1010 11AA1（6）十六）十六-二转换：二转换：每位每位 16 进制数换为相应的进制数换为相应的 4 位二进制数位二进制数216) () 6 C . AF 8 ( 0 0 0 1216) () F 2 . 8 D E ( 0 1 1 11 1 1 1. 0 1 0 10 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1. 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 ) () 1

9、0 0 . 0 1 1 0 1 1 0 1 1 (162 2 . 6 B 10000000数值信息的二进制表示v1.符号数计机器数表示v数在计算机中的表示统称为机器数。机器数有三个特点：v（1）数的符号数值化 在计算机中，因为只有0和1两种形式，为了表示数的正（+）、负（-）号，也必须以0和1表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负。称为数符；其余位仍表示数值。 v通常，把在机器内存放的正、负符号数值化的数称为机器数，机器数对应的数值称为机器数的真值数。 数值信息的二进制表示v（2）计算机中通常只表示整数和纯小数。 因此，小数点约定在一个固定的位置上，不再占用1个数位。v（

10、3）机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。 例如，若表示一个整数，字长为8位，最大值01111111，最高位是符号位，因此此数的最大值为127。若数值超出127，就要溢出。为了表示较大或较小的数，用浮点数来表示。v2.定点数与浮点数v定点数约定小数点隐含在某一固定的位置上，称为定点数表示法；浮点数是指小数点位置可以任意浮动，称为浮点数表示法。数值信息的二进制表示v定点数表示法v定点数表示法有两种约定，定点整数和定点小数。v定点整数约定小数点位置在机器数的最右边，如图1-2所示，定点整数是纯整数。v 定点整数分为带符号数和不带符号数两类。对带符号数的整数，符号位被放在最高位。整数表示的数是

11、精确的，但数的范围是有限的。根据存放的数的字长，它们可以用8、16、32位等表示，当以补码形式表示时，各自表示的数的范围见表1.2.3。 数值信息的二进制表示v（2）浮点数表示法v定点数表示的数值范围在许多应用中是不够的，尤其在科学计算中，为了能表示特大或特小的数，采用“浮点数”或“科学表示法”表示。“浮点数”由两部分组成，即尾数和阶码，底数是事先约定的，在机器数中不出现。v在浮点表示方法中，小数点的位置是浮动的，阶码可以取不同的数值。 v为了便于计算机中小数点的表示，规定将浮点数写成规格化的形式，即尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。 数值信息的二进制表示v3

12、.带符号数的表示v从上述的机器数可知，数在存放时由数符位用0表示正数，1表示负数。若将符号位同时和数值参加运算，则会产生错误的结果；否则要考虑计算机结果的符号问题，将增加计算机实现的难度。 v若考虑符号位的处理，则运算变得复杂。为了解决此类问题，在机器数中，负数有三种表示法：原码、反码和补码。v（1）原码v整数X的原码指：其数符位0表示正，1表示负；其数值部分就是X绝对值的二进制表示。通常用X原 表示X的原码。数值信息的二进制表示v由此可知，8位原码表示的最大值为127，最小值为-127，表示数的范围为-127 127。v原码表示法简单易懂，与其真值得转换方便，但当两个数做加法运算时，如果两数

13、码符号相同，则数值相加，符号不变，如果两数码符号不同，数值部分实际上是相减，这是必须比较哪个数的绝对值大，才能决定运算结果的符号位及值。v（2）反码v整数X的反码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反。通常用X反 表示X的反码。 数值信息的二进制表示v由此可知，8位反码表示的最大值、最小值和表示数的范围与原码相同。v（3）补码v整数X的补码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反最右加1，即反码加1。通常用X补 表示X的补码。v因而可以多出来的一个编码10000000来扩展补码所能表示数的范围，即将负数最小-127扩大到-128。这里的

14、最高位既可以看成是符号位负数，又可以表示为数值位，其值为-128。这就是补码与原码、反码最小值不同的原因。v补码运算方便，二进制的减法运算可用补码实现，使用较为广泛。 非数值信息的二进制表示v1.字符编码v字符是计算机中使用最多的信息形式之一，它是人与计算机进行通信、交互的重要媒介。它包括了西文字符和中文字符，由于计算机是以二进制的形式存储和处理的。因此字符也必须按特定的规则进行二进制编码才能进入计算机。v（1）西文字符v对西文字符编码最常用的是ASCII（American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码）。ASCII是

15、用7位二进制编码，它可以表示27即128个字符，见表1.2.4。每个字符用7位基2 码表示，其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0，d6为最高位，d0为最低位。非数值信息的二进制表示v在ASCII码表中看出，十进制码值0 32 和127（即NUL US和DEL）共34 个字符称为非图形字符（控制符）；其余94个字符称为图形字符。v计算机的内部存储与操作以字节为单位，即8个二进制位为单位。因此一个字符在机算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高为d7为0。在需要奇偶校验时，这一位可用于存放奇偶校验位的值，此时称该位为校验位。v西文字符除了常用的ASCII编码外，还有一种EBCDIC码（Exte

16、nded Binary Coded Decimal Interchange Code，扩展的二十进制交换码），这种字符编码主要用在大型机器中。vEBCDIC码采用8位基2 码表示，有256个编码状态，但往往只选用其中一部分。 非数值信息的二进制表示v2.中文字符v用计算机处理汉字时，必须先将汉字代码化，汉字是象形文字，种类繁多，编码比较困难，而且在一个汉字处理系统中，输入、内部处理、输出对汉字编码的要求不尽相同，因此进行一系列的汉字编码及转换，汉字信息处理中各编码及流程如图1-4所示。其中虚框中的编码对国标码而言。v（1）汉字输入码v在机算机系统中使用汉字，首先遇到的问题是如何把汉字输入到计算

17、机内。为了能直接使用西文标准键盘进行输入，必须为汉字设计相应的编码方法。汉字编码方法主要分为三类：数字编码、拼音码和字形编码。非数值信息的二进制表示v（2）内部码v内部码是字符在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输字符用的代码。一个国标码占两个字节，每个字节最高位仍为；英文字符的机内码是位ASCII码，最高位也为，为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，将国标码的每个字节的最高位有变为，变换后的国标码成为汉字机内码，由此可知汉字机内码的每个字节都大于128，而每个西文字符的ASCII码值均小于128。以汉字“大”为例，国标码为3473，

18、机内码为B4F3H。 非数值信息的二进制表示v（3）字形码v汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点陈表示字形时，汉字字形码指的是就是这个汉字字形点阵的代码。根据输出的汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为16 x 16点阵，提高型汉字为24 x 24点阵、32 x 32点阵、48 x 48点阵等。v点阵规模愈大，字形愈清晰美观，所占用的存储的空间也愈大。以16 x 16点阵为例，每个汉字要占用32B存储空间，两级汉字大约占用256KB。因此，字模点阵用来构成“字库”，字库中存储了每个汉字的点阵代码，当显示输出时检索字库，输出字模点阵得到字形。计算机系统

19、的工作原理与组成 v计算机的基本工作原理 v计算机系统的组成 v 微型计算机系统的分类 计算机的基本工作原理v1.计算机的指令系统。v指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令的数量和类型由CPU决定。v一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。 计算机的基本工作原理v计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。当计算机在工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。v数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令。指挥各部件协调地工作。计算机的基本工作原理v下面以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指