微型计算机概述

1、微机系统与接口技术卞璐微机系统与接口技术学习目的1. 1. 使学生理解现代微型计算机的组成及工作原理，使学生理解现代微型计算机的组成及工作原理，掌握微机的关键技术；掌握微机的关键技术；2. 2. 通过对半导体存储器的学习，使学生了解不同类通过对半导体存储器的学习，使学生了解不同类型存储器的特点及应用，并能理解、掌握存储器型存储器的特点及应用，并能理解、掌握存储器与与CPUCPU的连接；的连接； 3. 3. 通过对可编程接口的学习，使学生理解有关概念通过对可编程接口的学习，使学生理解有关概念及可编程器件的使用方法；并能正确认识及可编程器件的使用方法；并能正确认识CPUCPU与与I/OI/O设备的

2、数据传送方法及各种方法的特点；设备的数据传送方法及各种方法的特点；4. 4. 能熟练地用汇编语言编写应用程序；能熟练地用汇编语言编写应用程序；5. 5. 通过课堂教学和实验使学生有一定的微机综合应通过课堂教学和实验使学生有一定的微机综合应用能力。用能力。第1章 微型计算机概述本章要点 计算机发展概况计算机发展概况 微处理器、微型计算机、微型计算机系统组成、微处理器、微型计算机、微型计算机系统组成、功能及工作过程功能及工作过程 数据表示及编码数据表示及编码 1.1 计算机的发展概况 1.1.1 1.1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 19461946年，在美国的宾西法尼亚大学诞生了世界上第

3、一台电子计年，在美国的宾西法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机算机ENIACENIAC。自从。自从ENIACENIAC诞生以来，计算机的发展主要经历了以下几代诞生以来，计算机的发展主要经历了以下几代： 1. 1. 第一代计算机（第一代计算机（2020世纪世纪4040年代末到年代末到5050年代中期）年代中期）电子管时代电子管时代。计算机采用电子管为主要元件，这一代计算机主要用于科学计算。计算机采用电子管为主要元件，这一代计算机主要用于科学计算。 2. 2. 第二代计算机（第二代计算机（2020世纪世纪5050年代中期）年代中期）晶体管时代。计算机用晶体管时代。计算机用于科学计算，数据处理和过

4、程控制。于科学计算，数据处理和过程控制。 3. 3. 第三代计算机（第三代计算机（2020世纪世纪6060年代中期）年代中期） 中、小规模集成电路中、小规模集成电路时代。实时系统和计算机通信网络有了一定的发展。时代。实时系统和计算机通信网络有了一定的发展。 1.1 计算机的发展概况1.1.1 1.1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 4. 4. 第四代计算机（第四代计算机（2020世纪世纪7070年代初）年代初）以大规模集成电以大规模集成电路为主体的计算机。体积进一步缩小，性能进一步提高，发路为主体的计算机。体积进一步缩小，性能进一步提高，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机。

5、展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机。 5. 5. 第五代计算机第五代计算机 以超大规模集成电路为主体。在系以超大规模集成电路为主体。在系统结构上类似人脑的神经网络，在材料上使用常温超导材料统结构上类似人脑的神经网络，在材料上使用常温超导材料和光器件，在计算机结构上采用超并行的数据流计算等。和光器件，在计算机结构上采用超并行的数据流计算等。1.1 计算机的发展概况 1.1.2 1.1.2 微型计算机的发展历程微型计算机的发展历程 以以CPUCPU的发展划分，微处理器经历了如下几个阶段的演变。的发展划分，微处理器经历了如下几个阶段的演变。 1. 1. 第一阶段（第一阶段（1971197

6、119731973年）年）4 4位或位或8 8位低档微处理器和微型计算机位低档微处理器和微型计算机时代，典型的产品是时代，典型的产品是Intel 4004 Intel 8008Intel 4004 Intel 8008微处理器。微处理器。 2. 2. 第二阶段（第二阶段（1974197419771977年）年） 8 8位中高档微处理器和微型计算机时位中高档微处理器和微型计算机时代，典型产品是代，典型产品是IntelIntel公司的公司的8080/80858080/8085等微处理器。等微处理器。 3. 3. 第三阶段（第三阶段（1978197819801980年）年）1616位微处理器和微型计

7、算机时代，典位微处理器和微型计算机时代，典型产品是型产品是IntelIntel公司的公司的8086/80888086/8088及及8028680286等微处理器。等微处理器。 4. 4. 第四阶段（第四阶段（1981198119911991年）年）3232位微处理器和微型计算机时代，典位微处理器和微型计算机时代，典型产品是型产品是IntelIntel公司的公司的80386/8048680386/80486等微处理器。等微处理器。 5. 5.第五阶段（第五阶段（1992-20051992-2005）高档的）高档的3232位及位及6464位微处理器时代，是奔腾位微处理器时代，是奔腾系列处理器和奔腾

8、系列微型计算机时代，典型产品是系列处理器和奔腾系列微型计算机时代，典型产品是IntelIntel公司的公司的PentiumPentium、Pentium IIPentium II、Pentium IIIPentium III、Pentium 4Pentium 4、ItaniumItanium。 6. 6.第六阶段（第六阶段（20052005年至今）多核低功耗微处理器和微型计算机时代。年至今）多核低功耗微处理器和微型计算机时代。 1.2 微处理器1.2.1 CPU1.2.1 CPU的组成与功能的组成与功能运算器进行信息处理。运算器进行信息处理。控制器控制各种器件进行工作。控制器控制各种器件进行工

9、作。寄存器进行信息存储。寄存器进行信息存储。内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据的传送。内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据的传送。1.2 微处理器1.2.2 1.2.2 主要性能指标主要性能指标 主频主频 内部缓存内部缓存 工作电压工作电压 制作工艺制作工艺 主频 主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度主频也叫做时钟频率，用来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越高表明微处理器运行越快，主频的单位是，主频的单位是MHzMHz。 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX280486DX2开始，开始，主

10、频主频= =外部总线频率外部总线频率 倍频系数倍频系数 外部总线频率通常简称为外频，它的单位也是外部总线频率通常简称为外频，它的单位也是MHzMHz，外频，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。而微型计算机的运行速度也越快。 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。 通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频超频。1.

11、3 微型计算机微型计算机1.3.1 1.3.1 微型计算机组成微型计算机组成各组成模块及其功能1 1中央处理单元中央处理单元 中央处理单元中央处理单元CPUCPU（Control Processing UnitControl Processing Unit）是微型计算机的）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。 2 2主存储器主存储器 主存储器是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终主存储器是微型计算机中存储程序

12、、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。结果等各种信息的部件。 按其功能和性能，可以分为：按其功能和性能，可以分为： 随机存储器随机存储器RAMRAM（Random Access MemoryRandom Access Memory） 只读存储器只读存储器ROMROM（Read Only MemoryRead Only Memory） 3 3输入输出接口电路输入输出接口电路 输入输入/ /输出接口电路也称为输出接口电路也称为I/OI/O（Input /OutputInput /Output）电路，即通常）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息所说的适配

13、器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。的桥梁。4 4系统总线系统总线 系统总线是系统总线是CPUCPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下通道。根据传送内容可分成以下3 3种：种：地址总线地址总线ABAB（Address BusAddress Bus）：用于）：用于CPUCPU访问主存储器和外部设备时访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。，传送相关的地址。地址总线的宽度决定了地址总线的宽度决定了CPUCPU的寻址能力。的寻址能力。数据总线数据总线DBDB（Data BusData Bus）：

14、用于）：用于CPUCPU与主存储器、与主存储器、CPUCPU与与I/OI/O接口之接口之间传送数据。间传送数据。数据总线的宽度决定了数据总线的宽度决定了CPUCPU和外界的数据传送速度。和外界的数据传送速度。控制总线控制总线CBCB（Control BusControl Bus）：用于传送）：用于传送CPUCPU对主存储器和外部设备对主存储器和外部设备的控制信号。的控制信号。控制总线的宽度决定了控制总线的宽度决定了CPUCPU对系统中其他器件的控制对系统中其他器件的控制能力。能力。1.3 微型计算机微型计算机1.3.1.3.2 2 特点特点1.1.1.3 微型计算机微型计算机1.3.1.3.3

15、 3 分类分类 字长是微处理器一次字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有微处理器的字长有4位、位、8位、位、16位和位和32位等等。位等等。1.3 微型计算机微型计算机1.3.2 1.3.2 分类分类 1.3 微型计算机微型计算机1.3.2 1.3.2 分类分类 1.3 微型计算机微型计算机1.3.1.3.4 4 主要性能指标主要性能指标1.3 1.3 微型计算机微型计算机1 1.3.3.5 5 应用应用1.4 微型计算

16、机系统1.4.1 组成1.4 微型计算机系统1.4.2 1.4.2 工作过程工作过程1. 程序存储把一项任务的程序代码，以字节为单位，按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内。2. 程序控制CPU中的控制器按照程序指定的顺序取指令，分析结果并向部件发出控制信号。3. 工作过程实质执行程序的过程，即取指令分析指令执行指令。1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.1 1.5.1 常用数制常用数制数制：用一组数字和一套统一的规则来表示数目。数制：用一组数字和一套统一的规则来表示数目。数制的基与权数制的基与权基：数制使用的数码的个数基：数制使用的数码的个数权：数制每一位所具有的值权：数制每一位所具有的

17、值1 1）十进制）十进制 (Decimal) (Decimal)有有0 0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，7 7，8 8，9 9共共1010个基数码个基数码权：权：10001000，100100，1010，1 1例：例：435D=4435D=410102 2+3+310101 1+5+510100 01.5 计算机中的数据表示及编码1.5.1 1.5.1 常用数制常用数制2）二进制）二进制 (Binary)有有0，1共二个基数码共二个基数码权：权：8，4，2，1例：例：1011B=123+022+121+120=11D3）八进制（八进制（Octal） 有有0，1，2，3，4，

18、5，6，7共共八八个基数码个基数码权：权：512，64，,8，14 4）十六进制（十六进制（Hexa-decimal ) 有有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D， E，F共十六个基数码共十六个基数码权：权：4096，256，,16，1例：例：3EH=3161+14160=62D=00111110B1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.1 1.5.1 常用数制常用数制常用数制常用数制1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.2 1.5.2 数制之间的相互转换数制之间的相互转换1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.2 1.5.2 数制之间的相互转换数制之间的相互转换1.5 计

19、算机中的数据表示及编码1.5.2 数制之间的相互转换例例1 将将 1011011100011.0011011B转换成十六进制数。转换成十六进制数。解：解：0001 0110 1110 0011 . 0011 0110 （带下划线的数字是分组后添加的）（带下划线的数字是分组后添加的） 1 6 E 3 . 3 6故：故：1011011100011.0011011B = 16E3.36H例例2 将将 AE7.D2H转换成二进制数。转换成二进制数。解：解：A E 7 . D 2 1010 1110 0111 . 1101 0010故：故： AE7.D2H = 101011100111.1101001B

20、例例3 3 将将635.05635.05Q Q转换为二进制数。转换为二进制数。解：解： 6 3 5 . 0 56 3 5 . 0 5 . . 110 011 110 011 101 .101 . 000 101000 101故：故：635.05635.05Q Q = 110011101.000101 = 110011101.000101B B1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.3 常用码制原码：原码：最高位表示最高位表示符号、数值符号、数值位用二进制位用二进制绝对值表示绝对值表示的方法的方法 反码：反码： 正数的反码正数的反码等于其原码；等于其原码；负数的反码等负数的反码等于该负数的原于该

21、负数的原码符号位不变码符号位不变，数值位按位，数值位按位求反求反 补码：补码： 正数的补码正数的补码与原码相同；与原码相同；负数的补码是负数的补码是将对应的正数将对应的正数各位取反加各位取反加1 11.5 计算机中的数据表示及编码1.5.3 常用码制例例1 1：X1=+1010101B X1=+1010101B X1X1原原=01010101B =01010101B X1X1反反=01010101B =01010101B X1X1补补=01010101B=01010101B例例2 2：X2=-1010101B X2=-1010101B X2X2原原=11010101B =11010101B X

22、2X2反反=10101010B =10101010B X2X2补补=10101011B=10101011B注意：注意：X2X2补补 补补=11010101B=X2=11010101B=X2原原例例3 3 已知某数已知某数X X的原码为的原码为10110100B10110100B，试求，试求X X的补码。的补码。解：由解：由XX原原=10110100B=10110100B知，知，X X为负数。求其补码表示时，符号位不变，为负数。求其补码表示时，符号位不变，数值部分按位求反，再在末位加数值部分按位求反，再在末位加1 1。1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 原码原码 1

23、1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 符号位不变，数值位取反符号位不变，数值位取反 1 +1 1 +1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 补码补码故：故：XX补补=11001100B=11001100B。例例4 4 已知某数已知某数X X的补码的补码11101110B11101110B，试求其原码。，试求其原码。解：由解：由XX补补=11101110B=11101110B知，知，X X为负数。求其原码表示时，符号位不变，为负数。求其原码表示时，符号位不变，数值部分按位求反后，再在末位加数值部分按位求反后，再在末位加1 1。 1 1 1 0 1

24、 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 补码补码 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 符号位不变，数值位取反符号位不变，数值位取反 1 +1 1 +1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 原码原码故：故：XX原原=10010010B=10010010B。1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.3 常用码制补码的运算规则：补码的运算规则：1.1.XX+Y+Y 补补=X=X补补+ + Y Y 补补2.2.XX-Y-Y 补补=X=X补补+ + -Y-Y 补补3.3.XX补补 补补=X=X原原1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.4 1.

25、5.4 定点数与浮点数定点数与浮点数定点数定点数定点整数法定点整数法浮点数浮点数 依照小数点的不同表示方法，计算机中的数可分为两类：定点数和浮点数。下面说明这两种数的表示方法。（1）定点数。）定点数。 所谓定点数是指小数点的位置固定不变的数，所谓定点数是指小数点的位置固定不变的数，定点数又分为定点整数和定点小数。定点数又分为定点整数和定点小数。 图1-4 定点数的格式a）定点整数 b）定点纯小数符号位数值位小数点D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符号位数值位小数点D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 a）b）定点整数：其小数点的位定点整数：其小数点的位置固定在数据的最低位

26、之置固定在数据的最低位之后，见图后，见图1-4a1-4a。定点小数：其小数点的位定点小数：其小数点的位置固定于符号位与数据位置固定于符号位与数据位之间，见图之间，见图1-4b1-4b。（2 2）浮点数。）浮点数。 与定点数相反，若小数点的位置不固与定点数相反，若小数点的位置不固定，是浮动可变的，称这类数为浮点数。浮点数的引定，是浮动可变的，称这类数为浮点数。浮点数的引入克服了定点数所能表示的数的范围太小这一缺点。入克服了定点数所能表示的数的范围太小这一缺点。 1.5 计算机中的数据表示及编码1.5.5 BCD码 BCD码是一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码，也称为二进制编码表示的十进制数（Binary Code Decimal），简称BCD码（二十进制编码）。最常用的方法是8421BCD码，8，4，2，1分别是4位二进制数的位权值。表表1-41-4十进制与十进制与8421 BCD8421 BCD码的对应关系。码的对应关系。例例1 1 将十进制数将十进制数867.51867.51转换成转换成BCDBCD码。码。解：解：( 867.54 )( 867.54 )1010 = (1000 0110 0111.0101 0100) = (1000 0110 0111.010