《计算机硬件基础》

计算机硬件技术基础计算机基础教研室xxx1精选ppt课程目标在总整体上建立起计算机系统整体概念；掌握微型机硬件系统各部分的构成及工作原理；掌握Intel8086基本指令系统，并了解80X86部分主要扩展；掌握微型机的输入输出及常用接口技术2精选ppt主要参考书参考书：《计算机硬件技术基础》邹逢兴等编著，高等教育出版社，2005.2《微型计算机原理及应用》郑学坚等编著，清华大学出版社，20083精选ppt考核方式平时 30%期末考试 70%4精选ppt

预备知识：

计算机数字电路与基础一、模拟电路与数字电路

模拟电路：是一种在时间上连续的信号。数字电路：是一种在时间上或空间上断续的信号。A/D：称为模/数转换D/A：称为数/模转换.5精选ppt二、逻辑代数的初识

1、逻辑代数：是研究逻辑关系的工具，也称之为布尔代数。逻辑代数量：只有“0”和“1”代表“假”和“真”或者“断”和“通”。逻辑代数基本运算：“与”“或”“非”逻辑电路：也称开关电路，易于实现。例如：有k1,k2开关控制的线路AB接通的逻辑。6精选pptABK1K2ABK1ABK1K2K1+K2K1K2K1或与非7精选ppt2、基本逻辑单元1)逻辑加（或门）表达式：Y=A+B

2)逻辑乘（与门）表达式：Y=ABABY000011101111ABY0000101001113)逻辑非（非门）反相器表达式：Y=AAY0110

真值表

真值表

真值表

≥1ABY真值表：将因果关系问题的各种因素全部用表格形式表示，然后再研究结果。&ABY逻辑图：1AY逻辑图：逻辑图：8精选ppt例题：（按位计算）1.设A=10101B=11011则Y=A+B=？2.设A=11001010B=00001111则Y=A×B=？3.设A=11010000则Y=A=？1111100001010001011119精选ppt3、逻辑代数的运算法则1）交换律:A+B=B+A，AB=BA2）结合律：(A+B)+C=A+(B+C),(AB)C=A(BC)3）分配律：A(B+C)=AB+AC,A+BC=(A+B)(A+C)4）互补律:A+A=1,AA=05）吸收律:A+AB=A,A+AB=A+B6）反演律:A+B=AB,AB=A+B7）包含律:(A+B)(A+C)(B+C)=(A+B)(A+C)AB+AC+BC=AB+AC10精选ppt二变量摩根定理（反演律）：A+B=A·BA·B=A+B推广到多变量：摩根定理：A+B+C…=A·B·C….A·B·C…=A+B+C….或非与非11精选ppt例题：1、F=A(AB)B(AB)=AB+AB2、F=AB+BC+AC=AB+C3、F=AB+BC+AC+AB=AB+BC+AB12精选ppt三、扩展的逻辑门电路1、“与非”门电路：Y=ABC2、“或非”门电路:Y=A+B+C3、“与或非”门电路:Y=AB+CD4、“三态”门电路:Y=A(EN=1)5、“异或”门电路:Y=AB+AB=AB=A⊙B6、“同或”门电路:Y=AB+AB=A⊙B=AB13精选ppt四、组合逻辑部件

将基本逻辑单元组合起来完成某一逻辑功能，它的输出结果仅取决本次输入。1、译码器：功能：将指定的二进制编码翻译为相应的输出信号。n个输入控制2n输出例如：三—八译码器（74ls138)14精选ppt译码器74LS138译码器：G1G2AG2BCBAY0Y7••••3－8译码器原理译码使能端译码输入端译码输出端15精选ppt真值表ABCf0f1f2f3f4f5f6f70001000000000101000000010001000000110001000010000001000101000001001100000001011100000001电路符号：三八译码器CBAf0

..f716精选pptCBA110101100011001010000111f7f6f5f4f3f2f1f0三—八译码器17精选ppt2、数据缓冲器

功能：与系统总线的接口器件END0D3D2D1Y3Y2Y1Y018精选ppt3、半加器（不考虑低进位的加法器）

Hb=AB+AB=ABABHbJb0000011010101101真值表Jb=ABHb

BJbA用与非门实现半加器？AJHB半加器电路符号19精选ppt4、全加器（考虑低进位的加法器）Hq=ABJ+ABJ+ABJ+ABJ=ABJ=HbJABJHqJq0000000110010100110110010101011100111111真值表Jq=ABJ+ABJ+ABJ+ABJ

=(AB)J+AB=HbJ

+JbHb

BJbAHq

JqJ+JAHqBJq全加器电路符号20精选pptA=110

B=101A+B=?H0

BJbAHb

BJbAH1

JqJ+Hb

BJbAH2

JqJ+21精选ppt五、时序逻辑部件输出结果不仅取决于本次的输入信号，还取决于电路过去的输入信号。

1、R—S触发器R置“0”S置“1”QQRSQn+101010111不变00不可22精选ppt2、D触发器RDSDDQ01d010d111dd00d不SDDQCp上升沿RDQ低电位有效23精选ppt3、寄存器1）数据寄存器可以由4个D触发器实现

D3Q3RDQD2Q2QD1Q1QSDD0Q0Cp上升沿Q清“0”101001011124精选ppt2）移位寄存器Cp上升沿循环移位D3Q3RDQD2Q2QD1Q1QSDD0Q0QRDSD1010110001D3Q3QD2Q2QD1Q1QD0Q0Q0000111101025精选ppt3)计数器与分频器Cp上升沿Q3RDQQ2QQ1QSDQ0QDDDD0000134682957111110000011000101000①②010110026精选ppt4)节拍电位发生器一个单位时间称一个节拍，产生节拍电位。例如：每一时间段8拍可由3位计数器和3-8译码器构成一个8拍电位发生器。27精选pptRDCp上升沿Q3QQ2QQ1QDDD110101100011001010000111f7f6f5f4f3f2f1f0去掉13468257……28精选ppt第1章微型机系统概述主要内容：微机系统概述微机系统硬件结构微机的运算基础微机的基本工作原理PC系列机29精选ppt微型计算机系统的组成微处理器存储器I/O接口总线硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(单片机)外设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件1.1概述CPUMPU30精选ppt软件系统系统软件应用软件操作系统系统应用软件存储器管理进程管理设备管理文件管理用户界面GUI网络软件编译系统系统维护程序工具软件系统增强软件办公数据库图形图像游戏娱乐。。。31精选ppt1.1.1微机系统的三个层次2.微型计算机（单片机）3.微型计算机系统*只有微型计算机系统才是完整的计算机系统软件应用软件计算机系统：硬件+软件硬件软件

1.微处理器CPU(MPU)32精选ppt微型计算机系统的层次结构用户应用程序系统应用程序操作系统机器指令微指令硬件逻辑电路系统结构的观点程序员的观点应用程序BIOS硬件逻辑电路操作系统33精选ppt1.1.2微机系统的主要性能指标1.字长:16位,32位,64位2.存储器容量：(内/外)1KB,1MB,1GB,1TB3.运算速度:MIPS,MHz（主频：1秒内发生的同步脉冲数）4.外设扩展能力5.软件配置情况34精选ppt1.2微机系统的硬件结构微处理器

系统的核心存储器

记忆设备，内存/外存总线

信息的传输设备（CPU总线、系统总线）I/O接口

与外设进行信息交换的“桥梁”35精选ppt1.2.1三总线结构及分类

1.冯·诺依曼计算机结构3个特点：①有五大部件组成的。②数据、程序以二进制形式存储在存储器中。③控制器是按程序来工作的。指令驱动控制命令指令流数据流输出设备运算器控制器存储器输入设备36精选ppt2.微型计算机的总线结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus*硬件五大部件之间是通过数据总线DB、控制总线CB、地址总线AB相连的。CPU三总线结构总线结构优点:构造简单,具有灵活性、扩展性、可维修性。37精选ppt

3.总线的结构分类按总线组织方法的不同单总线结构双总线结构多层总线结构（双层）三种结构38精选ppt单总线结构CPUMMI/OI/OI/ODB,AB,CB缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影响了存储器的读写速度39精选ppt双总线结构面向CPU的双总线结构CPUMI/OI/OI/ODB,AB,CBDB,CB,AB缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过CPU40精选ppt多层总线结构缓冲器全局M全局I/O局部MCPU

I/OI/O

总线控制逻辑局部I/ODMA控制器DirectMemoryAccess,译为“直接存储器存取“41精选ppt1.2.2微机各大组成部分简介

1.微处理器MPU(CPU)算术逻辑单元：ALU累加器ACC标志寄存器FR寄存器组RS堆栈和栈指针SP[后进先出,push(sp+1),pop]程序计数器PC指令寄存器IR，译码器ID，操作控制器OC42精选ppt微处理器的典型结构示意图MOVA,5CHADDA,2EH43精选ppt2.存储器存储器（主板上）：称为内存或主存，存放数据和程序，采用半导体器件。（1）内存单元：由8位，16位，32位，64位

210=1024字节（B)=1KB220=1024*1024=1MB230=1024*1024*1024=1GB240=1024*1024*1024*1024=1TB272625242322212010001010101110101100001110101001存是计算机存储信息的记忆单元集合，每个记忆单元通常由8位二进制位组成，可读写其中的数据。44精选ppt常用术语bit（位，比特）1个二进制位Byte（字节）8个二进制位KB，MB，GB，TBWord（字）2个或多个字节45精选ppt内存储器的访问过程

**内存单元地址与内存单元内容是不同概念111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:写数据1000000010000000存储器的访问过程：向[0001]单元写数据46精选ppt（2）内存操作：CPU对内存（RAM)可进行读\写操作。（3）内存分类：随机存储RAMDRAM动态SRAM静态固化ROM(PROMEPROM)特点:RAM可读可写（断电消失）ROM只读（断电不消失）47精选ppt3.输入输出(I/O)设备接口输入设备输出设备接口电路(I/O适配器):CPU与外设之间必须有(I/O)适配器。48精选ppt输入设备常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。49精选ppt4.总线总线:是一组导线,是各种信号的传输公路,是各硬件部件之间的桥梁.有:数据总线DB地址总线AB控制总线CB50精选ppt1.3微型计算机的运算基础各数制间的转换非十进制数→十进制数：

按相应的权表达式展开，再按十进制求和。例：24.AH=2×161+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分别用10～15代入51精选ppt十进制→非十进制数十进制→二进制：

整数：除2取余；53(00110101)小数：乘2取整。13.375(00001100.11)十进制→十六进制：

整数：除16取余；小数：乘16取整。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。注：十进制转换成任意K进制数与上类似，整：除K取余，小数：乘K取整。52精选ppt二进制数的运算二进制数算术运算逻辑运算无符号数有符号数:算术运算53精选ppt逻辑运算与（∧）或（∨）非（▔）异或（⊕）掌握：逻辑关系（真值表）和逻辑门。特点：按位运算，无进位/借位。54精选ppt“与”、“或”运算任何数和“0”相“与”，结果为0任何数和“1”相“或”，结果为1BACABC&≥1A∧B=CA∨B=C55精选ppt“非”、“异或”运算“非”运算即按位求反两个二进制数相“异或”：相同则为0，相异则为1A1ABC⊕B=AA

B=CB56精选ppt“与非”、“或非”运算A∧B=CA∨B=CBAC&ABC≥157精选ppt半加器abHJ0000011010101101真值表H=ab+ab=a＋bJ=ababH⊕J&58精选ppt74LS138真值表使能端输入端输出端G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

01

10

11

0

100100100100100100100100

000

001010011100101110111

11111111

11111111

11111111

11111111

01

111111

101

111111

1

01

1111

1

1

10

1

1111

1

1

1

01

11

1

1

1

1

1

0

1111111

10

111111

1

10

59精选ppt1、(有)符号数的表示：1.机器数和真值机器数:在计算机中使用的,连同符号位一起数字化的数.真值:机器数所表示的真实的值.(二进制/十进制)例如:真值:-9(-1001)机器数:11001

**机器数中,用最高位作为真值的符号位,“0”为正号,“1”为负号.4(0100)-4(1100)60精选ppt符号数的表示符号数(机器数)的表示方法:

对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。61精选ppt原码[X]原最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；数值部分照原样写出即可。优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不唯一62精选ppt数0的原码+15(01111)-15(11111)+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。63精选ppt原码的例子[X]原真值：X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码：[X]原

=00010010

=10010010符号符号位n位原码表示数值的范围是：对应的原码是1111～011164精选ppt反码[X]反对一个数X：若X>0，则[X]反=[X]原若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分65精选ppt反码例X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101166精选ppt0的反码[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。n位反码表示数值的范围是对应的反码是1000～011167精选ppt补码[X]补定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+168精选ppt例X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100练习:[65]补[-78]补[-118]补

[35]补[-97]补[-128]补69精选ppt[-128]补=[-10000000]B

=[110000000]原

=[101111111]反+1=[110000000]补

=10000000（对8位字长，第9位被舍掉）70精选ppt0的补码[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

对8位字长，进位被舍掉n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000～011171精选ppt特殊数10000000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数，（10000000）B=12872精选ppt例:将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。[X]补=00101110B真值为：+101110B

正数所以：X=+46[X]补=11010010B真值不等于：-1010010B

负数而是：1）X原=[[X]补]补=[11010010]补2）X真值=-0101110B3）X真值=-4673精选ppt2、符号数的算术运算通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。即：[X+Y]补=[X]补+[Y]补

[X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。74精选ppt例X=-52=-0110100，Y=116=+1110100，求X+Y=？[X]原=10110100[X]补=[X]反+1=11001100[Y]补=[Y]原=01110100所以：[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11001100+01110100=[01000000]补=[01000000]原X+Y=+1000000=64**若结果为负值（11000000）怎样求真值？负数：原码=

[[X]补]补真值75精选ppt练习题：补码运算

33-45=2.64-32=3.-68+24=4.-58-70=

-58-70=-128-58=-(32+16+8+2)=-(0111010)真值

=10111010原=11000110补-70=-(64+4+2)=-(1000110)真值

=11000110原=10111010补-58-70=110000000(10000000补)=110000000补=-1000000076精选ppt

-64-70=-134-64=-(1000000)真值=11000000原=11000000补-70=-(64+4+2)=-(1000110)真值=11000110原=10111010补-64-70=1011111010补=00000110原=+6溢出问题77精选ppt符号数运算中的溢出问题两个8位带符号二进制数相加或相减时，若（C7C6C5C4C3C2C1C0其中C7为符号位）（C7j进/借位）（C6j进/借位）＝1则结果产生溢出。

其中：C7j为最高位的进(借)位；C6j为次高位的进(借)位。*C7C6同时进(借)位或都不进(借)位时，不溢出。对16位或32位的运算，也有类似结论。78精选ppt观察以下四种情况哪个溢出？10110101

+10001111

10100010001000010

+011000111010010101000010

+11001101

100001111CASE1:CASE2:CASE3:假定以下运算都是有符号数的运算。10100010

+11101101

110001111CASE4:溢溢不不79精选ppt例：若：X=01111000，Y=01101001则：X+Y=即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）80精选ppt3.数的定点和浮点表示**根据小数点位置是否固定,数的表示分为:定点表示浮点表示对于任何十进制数:X=10j*f=103*10.25对于任何二进制数:X=2j

*f=2100

*11.101.当j=0,f为纯整数时,称为定点纯整数2.当j=0,f为纯小数时,称为定点纯小数1025011100011..1081精选ppt

定点数：小数点位置固定不变的数。小数点的位置：纯小数纯整数符号X1X2Xn…小数点位置符号X1X2Xn…小数点位置82精选ppt浮点数浮点数来源于科学记数法（赤道长度、细胞直径）例如：+123.5=+0.1235×103-0.001235=-0.1235×10-2浮点数：用阶码和尾数表示的数，尾数通常为纯小数。

小数点位置阶符数符阶码尾数F阶码定点纯整数定点纯小数83精选ppt80x86中使用的IEEE标准浮点数单精度浮点数（阶码偏移7FH）双精度浮点数（阶码偏移3FFH）数符阶E(11位)尾数F(52位)原码表示小数点位置阶符阶E(8位)尾数F(23位)原码表示小数点位置313023220636252510X=2j

*F,E=j+28-1-1(0—254)X=2j

*F,E=j+211-1-1(0—2046)84精选ppt例：1、将1011.10101用8位阶码、16位尾数的规格化浮点数形式表示。解：因为1011.10101＝0.101110101×24

浮点数为：阶码=000001002、将-1011.10101用8位阶码、24位尾数规格化浮点数补码形式表示解：因为-10111.0101＝1.101110101×25＝1.010001011×25补

浮点数为（规格化小数）

00000100101110101000000阶码数符尾数（后补0到15位）阶符0000000101010001011000000000000000185精选ppt定点整数32位的表示范围:-231-----+(231-1)浮点32位的表示范围:8位阶码、24位尾数

-1×22-1-----+(1-223)×22-17786精选ppt练习题:1.(-12.75)10的浮点表示,阶码5位,尾数8位。2.(86.57)10的浮点表示,阶码5位,尾数8位(保留小数5位）。3.(-258.75)10的浮点表示,阶码8位,尾数24位。87精选ppt4、无符号数的表示和

算术运算

通常在计算机中有三种表示法：（1）位数不等的二进制码（2）BCD码（3）ASCII码

88精选ppt无符号数的表示用于表示非数值型数据。常用的二种：BCD码用二进制编码表示十进制数ASCII码美国标准信息交换代码用二进制编码表示字符89精选pptBCD码压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数，一个字节可放2位十进制数。00111000(38)非压缩BCD码用8位二进制码表示一位十进制数，高4位总为0。0000001100001000(38)90精选pptBCD码与二进制数之间的转换先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。例：(00010001.00100101)BCD=11.25=1011.01B91精选pptASCII码字符的编码，一般用7位二进制码表示，用于字符的输入输出，用8位二进制数表示时，最高位总为0。共：128个扩展ASCII码：用8位二进制数表示，256个字母“1”,”9”的ASCII码：“1”00110001“9”0011100192精选ppt2.BCD码十进制运算例如：求BCD码8+5100001011101应该为（00010011）+0110+00010011加6补93精选ppt对于BCD码加减法，应该“逢十进一”，“借