《微型计算机原理与接口技术》第1章 微型计算机基础

第1章微型计算机基础

学习重点：计算机中数的表示和运算基本逻辑门电路的逻辑表达式及真值表基本逻辑部件工作原理及简单应用微处理器、微型机、微型计算机系统的区别与联系微型计算机系统的组成及系统配置

CPU、ROM、RAM、I/O等名词术语的意义及功能1.1计算机中数的表示和运算

1.1.1计算机中的数制及转换

在微型计算机中，常见和常使用的数制十进制二进制八进制十六进制等。

1.十进制

十进制计数特征如下：使用10个不同的数码符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9基数为10每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢十进一决定其实际数值。

任意一个十进制正数D，可以写成如下形式：(D)10＝Dn-l×10n-1+Dn-2×10n-2+…+Dl×101+D0×100+D—l×10-1+D-2×10-2+··+D-n×10-n2.二进制

在二进制计数制中，基数是2，计数的原则是“逢2进1”。特征如下：使用两个不同的数码符号0和l

基数为2每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢二进一决定其实际数值。任意一个二进制正数B，可以写成如下形式：(B)2＝Bn—l×2n-1+Bn—2×2n-2+…+Bl×21+B0×20+B—l×2-1+B-2×1-2+··+B-n×1-n

十进制TO二进制

把十进制整数转换成二进制整数通常采用的方法是“除以2取余数”。把十进制小数转换成二进制小数所采用的规则是“乘2取整”。在计算机中，数的存储、运算、传输都使用二进制。[例1-1]将十进制数123转换为等值的二进制数

十进制数123转换成二进制数是1111011。

过程如下[例1-2]将十进制小数0.6875转换成二进制小数十进制小数0.6875转换成二进制小数为0.1011。

过程如下：

3．八进制在八进制计数制中，基数是8，计数的原则是“逢8进1”。特征如下：使用8个不同的数码符号0，1，2，3，4，5，6，7基数为8每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢八进一来决定其实际数值。任意一个八进制正数S，可表示为：(S)8＝Sn—l×8n-1+Sn—2×8n-2+··+S1×81+S0×80+S—l×8–1+··+S-m×8-m

转换将十进制整数转换成八进制整数的方法是“除以8取余数”。将八进制数转换成二进制数的方法是：把八进制数中的每一位数都用相应的三位二进制数来代替。

[例1-3]将十进制数59转换成八进制数

十进制数59转换成八进制数是73。将十进制数转换成八进制数的方法是：分别按“除以8取余数”和“乘以8取整数”对十进制数的整数部分与小数部分进行转换，然后再组合起来，即可得到相应的八进制数。

过程如下：[例1-4]将十进制小数0.6875转换成八进制小数

十进制小数0.6875转换成八进制小数为0.54。将八进制数转换成二进制数的方法是：把八进制数中的每一位数都用相应的三位二进制数来代替。4。十六进制

在16进制计数制中，基数是16，计数的原则是“逢16进1”。特征如下：使用16个不同的数码符号，它们是0，l，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F基数为16每一个数码符号根据它在数中的位置(即数位)，按逢十六进一。对任意一个十六进制正数H，可表示为：(H)16＝Hn-l×16n-1+Hn—2×16n-2+…+Hl×161+H0l×160+H—l×16–1+…+H-m×16-m

转换将十进制整数转换成十六进制整数的规则是“除16取余”。十六进制数计数的原则是“逢16进1”。

[例1-5]将十进制数89转换成十六进制数

十进制数89转换成十六进制数的结果是59。

将十六进制数转换成二进制数的方法

将十六进制数转换成二进制数的方法是：把十六进制数中的每一位数都用相应的四位二进制数来代替。

[例1-6]将十六进制数10AC转换成二进制数

经转换后得到的二进制数是0001000010101100。该二进制数中最左边的三个0可以省略，因此，十六进制数10AC转换成二进制数是1000010101100。

1.1.2数的表示1．机器数的特点机器数表示的数值范围受计算机字长的限制。机器数的符号位被数值化。机器数的小数点处于约定的位置。

2．带符号数的表示带符号数有三种表示方法:原码、反码、补码。原码特征如下：

原码形式与二进制数的原来表示方法基本一样。

原码中增加了专门表示数的正、负的符号位，也就是用0表示正号，用1表示负号。

最左边一位的0和1不代表具体数值，而分别表示“+”和“-”。反码反码

正数的原码和反码完全一样。

负数的反码是由其原码的数值部分求反(即由0变为1，1变为0)而得到的。

补码补码补码是计算机中带符号数的实用表示方法。规定如下：

正数的补码与原码和反码是一样的。

负数的补码可由其反码的末位加1。即负数的补码是对其原码除符号位外各数值位求反并在末位加1而得到的3．数中小数点的表示

数的定点表示

N＝2P×S

式中S称为数N的尾数，P称为数N的阶码，2称为阶码的底。

数的浮点表示数的浮点表示格式如下：Pt表示阶码的符号位。Pt=0表示阶码为正，Pt＝1表示阶码为负。St表示尾数的符号位。St＝0表示尾数为正，St＝l表示尾数为负。

负数的表示负数的表示常用“2的补码形式”。即在最左边的数字前加负号，表示形式如下所示。上面表示的数字是：1×（-24）+1×23+1×22+1×21+1×20=-16+8+4+2+1=-11.1.3数的运算

1．定点数运算定点补码加减法的运算规则：

操作数均为补码表示；

符号位一起参加运算；

加法：做[X]补+[Y]补；

减法：做[X]补+[Y]补；

运算过程中，符号位向前的进位为模，舍弃；

运算结果仍为补码。

浮点数的运算2.浮点数的运算

浮点数的运算规则如下：

对阶：其原则为小阶向大阶看齐。

尾数加减：按定点数加减运算规则求两数的和（差）。

结果规格化

舍入规则1.2基本逻辑电路

1．逻辑门电路⑴与门与门的逻辑式为Y=AB⑵或门或门的逻辑式为Y=A+B⑶非门非门的逻辑式为Y =表1-1与、或、非门的真值表

ABABA+B00100011011000111011加法器（1）半加器“半加”是只求本位相加的和，而不管低位来的进位。半加器的逻辑状态表如表1-2所示。表1-2中A和B是两个加数，C是进位，S是半加和。半加器表1-2半加器的逻辑状态表

CABS0000010110011110半加器的逻辑表达式为：。

（1）全加器

多位数相加时，最低位可以用半加器求本位和，另外给出进位位；第二位相加则要求有本位两个数Ai、Bi及低位的进位Ci-1之和；同时给出向高位的进位Ci。全、半加器的逻辑状态表如表1-3所示。

AiBiCi-1CiSi0000000101010010111010001101101101011111

1.2.2译码器、触发器和寄存器

1．译码器译码器是将二进制代码输入，按其编码时的原意翻译成对应的信号或十进制数。将一组3位二进制数翻译为对应的输入信号。译码器状态表如表1-4所示。

表1-4译码器状态表输入输出ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000111111100110111111010110111110111110111110011110111101111110111101111110111111111110

2．触发器

门电路是组合逻辑电路的基本单元。触发器是时序逻辑电路的基本单元。双稳态触发器具有置位、复位、计数、记忆等多种功能。由它可以构成多种形式的触发器，如R-S触发器、J-K触发器和D触发器。

D触发器是由J-K触发器和反相器结合构成。当D=1时，在CP时钟上升沿Q=1；当D=0时，在CP时钟上升沿Q被复位为0，其逻辑功能为Qn+1=Dn，即触发器的输出状态取决于其输入状态，其逻辑状态真值表如表1-5所示。

表1-5D触发器的逻辑状态真值表DnQn+10011寄存器3．寄存器寄存器是用来暂时存放数码的常用时序逻辑部件。它由触发器及有关逻辑门电路构成。计算机中的8位、16位或32位寄存器，分别由8个、16个或32个触发器组成，由逻辑门电路控制数码的存入和取出。1.3微型计算机

1.3.1电子数字计算机概述电子数字计算机是一种能按照事先编好的程序（指令序列）自动地、高速地、准确地进行大量运算和对信息进行加工处理的电子设备。第一代：电子管时代。计算机采用电子管作为逻辑元件。第二代：晶体管时代。第三代：集成电路时代。第四代：大规模集成电路时代。未来的计算机将朝巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。第五代计算机将是完全新型的一代计算机。

电子计算机的特点和分类1．电子计算机的特点和分类特点:

运算速度快

计算精度高

记忆能力强

具有复杂的逻辑判断能力和自动执行程序的能力。分类:目前国际上把计算机分为巨型计算机、大型主机、小型计算机、个人计算机、工作站和小巨型计算机六大类。

计算机系统组成2．计算机系统组成

任何计算机系统都由硬件系统和软件系统两部分组成。

硬件系统主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。

软件系统包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成任务所需的应用软件。

计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行给定任务的。

计算机的硬件系统

所有冯诺依曼结构的计算机都由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成,其中运算器和控制器又称为中央处理单元（CPU）。运算器：负责数据的算术运算和逻辑运算，即数据的加工处理部件。控制器：对程序规定的控制信息进行分析、控制，并协调输入、输出操作或内存访问。存储器：存储程序和数据，是具有记忆功能的部件。输入设备：把用户的程序和数据输入到计算机的存储器。输出设备：从计算机中取出程序执行结果或其它信息。

计算机硬件结构图

4．计算机软件系统

软件是组成计算机系统必不可少的、以程序为主体、包括相应文档和使用说明书的非实体性部件。

程序是组成软件的主体，是用程序设计语言表达计算机的处理步骤、指挥计算机进行某种操作的指令序列。

文档是指在软件开发计划、设计、制作、维护等过程中产生的文件、资料、说明、程序等必备的资料。使用说明书包括软件的用户手册、操作手册、维护手册等。计算机软件系统由系统软件和应用软件组成。系统软件⑴系统软件系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件。系统软件主要包括各种操作系统，各种程序设计语言及其解释程序和编译程序，机器的监控管理程序，调试程序，故障检查和诊断程序等。操作系统是系统软件中的核心。

应用软件⑵应用软件应用软件是用户为使用计算机解决实际问题所开发的软件的总称。应用软件分为两类,即公共应用软件和按行业、业务分类的应用软件。

公共应用软件是不分业务、行业，基本上可公共使用的软件。它主要包括数据处理类软件，声音、图形、图像、文献等信息处理软件，信息检索软件、人工智能方面的软件和CAD/CAM、CAI／CMI、DSS等方面的通用软件。

5．计算机工作过程首先要编制程序。通过输入设备将程序和原始数据送入存储器在程序运行后，计算机就从存储器中取出指令，送到控制器中去分析、识别。控制器根据指令的含义发出相应的命令，控制存储器和运算器的操作；当运算器任务完成后，就可以根据指令序列将结果通过输出设备输出。

操作人员还可以通过控制台启动或停止机器的运行，或对程序的执行进行某种处理。

1.3.2微型计算机组成与配置微型计算机是以微处理器为核心，配以大规模集成电路存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机。1．微型计算机的发展阶段

30多年来，微型计算机的发展经历了以下几个发展阶段：

第1阶段(1971年1972年):微型计算机采用的微处理器是Intel的4004和8008。

第2阶段(1973年1977年)：微型计算机采用8位微处理器(如Intel的8080)。其流行机种是TRS-80和AppleII。

第3阶段（1978年1984年）：微型计算机采用16位微处理器(如Intel的8086和8088)。其流行机种是IBMPC和IBMPC/XT。

微型计算机的发展阶段

第4阶段（1985年1992年）：微型计算机采用32位微处理器(如Intel的80386、80486等)。其流行机种是PC386和PC486。

第5阶段（1993年至现在）：采用了新一代微处理器，如Pentium。Pentium处理器的内部数据总线为32位，外部数据总线为64位。目前流行机种是PIV。近来，出现了采用64位的微处理器作为CPU的微型计算机，64位微型计算机具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路。2．微处理器、微型计算机与微型计算机系统

微处理器是指采用大规模集成电路技术，将具有运算器和控制器功能的电路及相关电路集成在一片芯片上的大规模集成电路。微处理器是微型计算机的核心，又称为微型计算机的中央处理器。微型计算机是指以微处理器为核心，配以大规模集成电路构成的主存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机。微型计算机又称为个人计算机（PC）、微电脑等。微型计算机系统是指以微型计算机为核心，配以相应的外部设备、电源、辅助电路以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。

3．微型计算机硬件系统微型计算机属于冯诺依曼结构的计算机。但是，微型计算机的运算器、控制器不再是两个独立的部件，它集成在一块微处理器上，称为微处理器。高档微机有的使用两个或多个微处理器。采用一个微处理器的微型计算机硬件系统是由微处理器（CPU）、存储器、系统总线及输入输出设备组成，如图1-4所示。

微型计算机硬件系统图（1）中央处理单元中央处理单元是一块微处理器芯片，芯片上集成有控制器、运算器、寄存器等功能部件。运算器又称算术逻辑单元，具有算术运算和逻辑运算功能，是计算机对数据进行加工处理的部件。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成，负责对程序规定的控制信息进行分析、控制，并协调输入、输出操作或内存访问。寄存器是处理器内部的暂时存储单元。(2)存储器存储器是计算机实现记忆功能的部件。存储器主要包括主存储器和辅助存储器。主存储器由半导体存储器RAM和ROM组成，又称为内存；辅助存储器又称外存储器，包括软盘存储器、硬盘存储器和光盘等。

（3）输入输出设备

常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。一般而言，外存储器也属于输入、输出设备。

（4）总线微型计算机系统采用总线结构将CPU、存储器和外部设备进行连接。所谓总线就是在两个以上数字设备之间提供传送信息的公用通道。总线通常由数据总线、控制总线和地址总线三部分组成。其中数据总线在CPU与内存或输入输出接口之间传送数据；控制总线用来传送各种控制信号；地址总线用来传送存储单元或输入输出接口的地址信息。(5)网络设备随着计算机网络技术的发展，微型计算机适应网络的需求，出现了许多网络设备，如路由器、调制解调器等。将这些设备硬说成是输入输出设备有点牵强附会，因此将这些设备归为网络设备。这样，微计算机硬件系统又可以说是由微处理器、存储器、输入、输出设备和网络设备等部分组成。4．微型计算机主要组装部件

组成微型计算机的组装部件主要有主机系统板、显示器、键盘、软磁盘驱动器、硬磁盘驱动器及各种适配卡。若要组装一台适合用户需要的兼容机，只要选择合适的一组配套的配件，并按照配件的技术要求，正确组合安装，就可以构成一台微型计算机。

(1)

主机系统板主机系统板位于主机箱内，主机系统板上通常配置中央处理器CPU及其外围电路、基本存储器RAM和ROM、高速缓冲存储器及其控制电路、输入输出控制电路、I/O扩充插槽、键盘接口及扬声器接口、面板控制开关及指示灯连接用接插件及电源接插件等。不同型号的主机系统板的尺寸及元器件配置位置不同。主机系统板

(1)

电源和机箱微机机箱的品种和样式较多，目前常见的有立式和卧式两种，又以立式为多。电源盒装配在主机箱内，功率大约分150W，200W，230W，300W等几个档次。(2)

显示器和键盘显示器分单色显示器和彩色显示器。显示器必须通过显示器适配卡与主机相连。键盘通常用101键盘和102键盘，通过电缆与主机连接。

主机系统板

(3)

显示器和键盘显示器分单色显示器和彩色显示器。显示器必须通过显示器适配卡与主机相连。键盘通常用101键盘和102键盘，通过电缆与主机连接。(4)

磁盘驱动器磁盘驱动器有软磁盘驱动器和硬磁盘驱动器。软磁盘驱动器常用3.5英寸，硬盘多用3.5英寸硬盘机。磁盘驱动器通过磁盘适配(卡)与主机相连。主机系统板（5）光盘驱动器目前常用的光盘驱动器多为CD-ROM驱动器，用于读取CD-ROM盘片上的数据。（6）各种适配卡主机系统板上通常有5～8个I/O扩充插槽，用于插接各种适配卡。常用的适配卡有：显示器适配卡、软/硬磁盘驱动器适配卡、多功能卡、网络适配器卡、汉字库卡、防病毒卡、A/D及D/A卡、声卡以及各种数字量I/O卡等。5．微型计算机性能指标

通常用微型计算机的性能指标表述微型计算机的性能。微型计算机的主要性能指标有字长、主存储器容量、时钟频率和运算速度等。

⑴字长字长是计算机中的CPU一次能够同时处理的二进制数据的位数，它直接影响到计算机的计算精度、功能和速度。一般微型计算机字长有8位，16位，高档微机为32位。目前已出现字长64位的微型计算机。根据字长分类，微型计算机可分为16位机，32位机、64位机等。微型计算机性能指标⑵主存储器容量主存储器的容量指的是主存储器中RAM和ROM的容量总和。主存储器容量越大，运算速度越快，数据处理能力越强。微计算机主存储器以字节为单位存储信息。通常，将1024个字节（Byte）称为1KB，1024KB称为1MB，1024MB称为1GB。目前，Pentium机容量具有