微机原理与接口技术第一章chj课件

*1内容提要微型计算机的发展概况微型计算机的特点和应用微型计算机系统简介计算机数据格式课程框架结构、学习特点和参考书第一章绪论*2§1-0引言

一、何谓微型计算机§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史

PC（台式机、笔记本等）就是一种典型的微型计算机。

除了微型计算机，还有哪些计算机？还有巨型机、大型机、中型机、小型机、（微型机）及单片机（嵌入式系统）。

*3§1-1微型计算机的发展概况

一、计算机的发展简史

§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史计算机的发展历史粗略地分为三个阶段：1、机械式计算机阶段

（1822－1944）

机械式计算机经历了大约120年的历史2、传统大型计算机阶段（1944－）

1944年，HowardHAiken(1900-1973)为美国海军研制出用于绘制弹道图的全电子计算器（该机简称MarkI）以来，传统大型计算机经历了近60年的发展。*4§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史3、微机及网络阶段1）微机（1971－）

即微型计算机，以微处理器（CPU）为核心，加上大规模的集成电路做成的存储芯片、I/O接口芯片等组成的计算机。

通常以微处理器为标志来划分微型计算机（8088；286；386；486，586；Pentium,PⅡ,PⅢ,P4)2）计算机网络（1981－）

计算机网络经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。远程终端联机→局（城、广）域网→网络互联

note：

云计算、互联网时代、阿里巴巴*5§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史在计算机发展历史上有几个人物是不能不提的，他们是：乔治·

布尔（1815-1864，英国）

创立了逻辑代数（布尔代数），建立了逻辑代数的公理系统，证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。为二进制计算机研制奠定了基础。艾兰·

图灵(AlanM.Turing，1912-1954)

图灵提出了数字计算机的数学模型和“算法”思想。图灵机可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤（算法），按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。*6§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史冯·

诺伊曼(JohnvonNeumann，1903-1957)

著名的“冯·诺依曼机”，其中心就是“存储程序”的思想--指令和数据一起存储．1)采用二进制处理数据；2)使用了存储器，将指令和数据存入计算机。*7§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史摩尔(Gordonmoore)

Intel公司创始人之一摩尔定律：当价格不变时，集成电路（IC）上可容纳的电晶体数目，约每隔24个月（1975年摩尔将24个月更改为18个月）便会增加一倍，性能也将提升一倍；

*8§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史史蒂夫乔布斯(SteveJobs)

苹果公司创始人苹果系列手机，电脑*9§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史第一代计算机：电子管计算机

1946年以电子管为逻辑元件电子计算机发展经历四代:第二代计算机：晶体管计算机

1958年以晶体管为逻辑元件第三代计算机：集成电路计算机

1965年以中、小规模集成电路为逻辑元件第四代计算机：大规模集成电路计算机

1970年以超大规模集成电路为逻辑元件

第五代计算机：智能计算机（非冯·诺依曼机）？？二、电子计算机的发展简史

*10§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史1946年电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）由莫奇利和埃克特2位博士领导的小组，在美国的宾夕法尼亚大学研制成功。*11第一代计算机的特点：操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有不同的机器语言，功能受限，速度慢。使用真空电子管和磁鼓储存数据。主要元件：18,800个电子管，70,000个电阻，500万个焊接点。其他：重30吨，占地150m2，耗电150kw，5000次/秒的加法运算

。§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史*12第二代计算机的特点：与电子管相比、晶体管具有体积小、重量轻、寿命长。效率高、功耗低等特点，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。晶体管计算机，降低成本和体积，提高了运算速度。高级语言（Fortran，Cobol）的出现，使计算机从原来的“科学计算”扩展到“数据处理、过程控制”。§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史*13第三代计算机的特点：与晶体管相比，集成电路的体积更小，功耗更低，可靠性更高，第三代计算机由于采用了集成电路，计算速度从几十万次提高到上千万次，体积大大缩小，价格也不断下降。进一步缩小体积，配上各类操作系统，性能大大提高。出现了交互式语言Basic、结构化程序设计方法。§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史*14第四代计算机的特点：大规模集成电路（LSI）计算机，降低成本和体积，提高了运算速度。在实现微型化的同时，还实现了巨型化计算机网络、分布式处理技术、数据库管理等。

微型计算机是第四代计算机的典型代表。1971年，出现微型计算机§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史*15第五代计算机的特点：人工智能、神经网络；在运算理论及系统结构的变革；非模拟与数字混合型。§1-1微型计算机的发展概况

——计算机的发展简史未来计算机发展方向(智能、高速、海量）神经网络计算机：非冯.诺依曼结构,具有智能化神经网络计算机。高速计算机：提高信息传输的速度，研制“空气胶滞体”导线。生物计算机：采用生物芯片，信息以波的形式传播。光学计算机：利用光作为信息的传输媒体。

量子计算机：采用多种信息单位，提高处理速度和存储容量。*16三、微型计算机的发展第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）计算机发展经历五代（以CPU为标志）。第二代微处理器：1973年（8位微处理器）第三代微处理器：1978年（16位微处理器）第四代微处理器：1983年（32位微处理器）第五代微处理器：1983年（64位微处理器）§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*17第一代微处理器：1971年（4位和8位微处理器）典型产品：

Intel4004（71年，4位微处理器），

Intel8008（72年，8位微处理器）特点：工艺：PMOS（正沟道金属化合物半导体）；集成度：2000只晶体管／片；时钟频率：小于lMHz；平均指令执行时间：10-15μs；采用机器语言编程；也称灵巧型处理器（Smart)；主要用于控制设备：现金计数器、交通灯控制等。§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*18第二代微处理器：1973年（8位微处理器）典型产品：

Intel8080（73年），

MotorolaMC6800（74年），

ZilogZ80（75年），

Intel8085（76年）特点：工艺：NMOS（负沟道金属化合物半导体）；集成度：9000只晶体管／片；时钟频率：l~4MHz；平均指令执行时间：1-2μs；有中断和DMA等功能，指令系统相对完善，并具有汇编语言和高级语言（BASIC、FORTRAN语言）的操作系统。§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*19第三代微处理器：1978年（16位微处理器）典型产品：

Intel8086（78年）

ZilogZ8000（79年）

Motorola68000（79年）Intel80286（83年）

Motorola68010（83年）特点：工艺：HMOS（高密度的MOS）；集成度：2万-7万只晶体管／片；时钟频率：4-25MHz；平均指令执行时间：0.5μs；具有丰富的指令系统，采用多级中断，多重寻址方式，有段寄存器结构，配有磁盘操作系统，数据库管理系统和多种高级语言，性能超过了70年代的中低档小型机水平；特别是Intel80286提出了实模式和保护模式两种存储器管理，引进了段描述符表的概念，突破了访问1MB存储空间的限制，可访问1GB的虚拟地址空间，满足了多用户和多任务的要求。§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*20第四代微处理器：1983年（32位微处理器）典型产品：

ZilogZ80000（83年） Motorola68020（84年）

Intel80386（85年） Intel80486（89年）

Motorola68040（89年）特点：工艺：CHMOS（互补高密度MOS)集成度：15万-50万只晶体管／片时钟频率：16-40MHz平均指令执行时间：<0.1μs其中，80386CPU数据总线和地址总线均为32位，寻址能力高达4G字节，采用段页式存储器管理机制，提供带有存储器保护的虚拟存储。采用6级流水线，即取指令，译码，内存管理，执行指令和总线访问并行操作。有快速局部总线，80386推出了数值协处理器，加快了浮点操作速度。80386有丰富的外围配件支持。§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*21第五代微处理器：1993年（64位微处理器）典型产品：

Intel：Pentium586（93年）Intel：pentiumProP6（95年）

Intel：PentiumMMX（96年）

Intel：PentiumⅡ

（97年）

Intel：PentiumⅢ

（99年）

Intel：Pentium4

（2000年）第五代微处理器主要采取了如下几个方面的技术：制造工艺上从微米级逐步向纳米级发展，目前的CPU大多采用的是90nm的工艺，65nm的也经上市，25nm的芯片正在研究；不断采用新的体系结构，10~20级的超标量流水线设计和多条流水线并行工作，超线程设计等，从而极大地提高了CPU的性能和频率，目前主频已高达3.0GHz以上，前端总线带宽达1GMHz以上；不断加大片内两级缓存的容量和速度，并采用新的高频带的同路和双重独立总线；§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*22

采用动态转移预测，指令跟踪缓存、增加多媒体和3D图形的SSE(数据流单数据多指令扩展）指令集等；降低CPU的电压，减少功耗和发热以提高CPU的性能，目前，大部分CPU的工作电压为1.1~1.4V

第五代微处理器使人们对图形图象，实时视频处理，语音识别，CAD/CAM，大规模财务分析，大流量客户机／服务器应用等成为可能。采用多核技术提高数据处理能力，AMD和Intel都已推出了双核和4核CPU§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*23问题：所谓的16/32/64bit微处理器，这个16/32/64bit指的是什么？

计算机中的位数指的是CPU一次能处理的最大位数。

--可能相关的一些概念：寄存器的位数、总线宽度、指令长度等等。§1-1微型计算机的发展概况

——微型计算机的发展*24§1-2微型计算机的特点和应用

一、微型计算机的特点体积小，功耗低可靠性高，使用环境要求低系统外部芯片配套，系统设计灵活性能优良，价格低廉§1-2微型计算机的特点和应用

——微型计算机的特点*25二、微型计算机的应用科学计算信息处理计算机控制智能仪器计算机通信CAD／CAM/CAl§1-2微型计算机的特点和应用

——微型计算机应用*26§1-3微型计算机系统

一、微处理器、微型计算机、微型计算机系统微处理器(Microprocessor)：核心部件

只是一个中央处理器(CPU)，由以下几部分组成：运算器，寄存器，控制器，内部总线。运算器：即算术逻辑部件(ALU)。寄存器组：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。控制器：控制逻辑部件。负责对整机的控制，使CPU内部、外部协调工作。内部总线：总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统*27微处理器只是一个中央处理器(CPU)，由以下几部分组成：运算器，寄存器，控制器，内部总线。§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

注意：微处理器不能构成独立的工作系统，也不能独立执行程序。需配有存储器、输入/输出接口。

CPU相当于人体的大脑。*28微型计算机PC机包括哪些部件？

CPU、内存、硬盘、声卡、网卡、显卡、键盘、鼠标、显示器。这些部件如何归属到下图的体系中？§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统*29微型计算机控制器输出接口

CPU

存储器运算器ALU输入接口微型计算机的组成：CPU存储器（RAM,ROM）输入／输出接口电路系统总线§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统*30§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统内存储器：（简称内存或主存）半导体存储器

RAM:（随机存取存储器randomaccessmemory）是用户程序和数据使用的存储器，断电后，RAM中的信息随之丢失。

ROM:（只读存储器Read-onlymemory）是用来存放固定的程序(如BIOS)和信息，断电后，ROM中的信息保持不变，需专用设备将数据写入ROMNote：PC机上的内存条是RAM/ROM?

存储器的结构（小储物格：地址编号，内容，读写操作）*31§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

注意：微型计算机具有运算功能，可独立执行程序。但若没有输入/输出设备，则数据无法输入，结果亦无法显示或输出，还是不能正常工作。系统总线：（数据的通路）*32微型计算机系统微型计算机系统的构成：微型计算机＋外部输入／输出设备＋系统软件§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

*33微型计算机系统§1-3微型计算机系统

——微处理器、微型计算机、微型计算机系统

*34ALU寄存器控制部件系统软件：DOS、Windows95/98/2000应用软件：WPS、Word、Photoshop微处理器CPU

存储器(RAM,ROM)

I/O接口

总线硬件软件微型计算机系统微型计算机(主机)外设键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪概念对照

[微处理器、微型计算机、微型计算机系统]§1-3微型计算机系统

——概念总结*35二、总线大家熟悉的有哪些总线？

USB、RS232。总线：是一种规范的、通用的连接方式。

以USB为例：1）连接功能：u盘可以通过USB总线与电脑进行连接；2）规范/通用：USB总线可以连接的不单单是U盘，也可以连接其他的设备，只要该设备提供USB结构。§1-3微型计算机系统

——总线*36二、总线总线的一种分类：1）串行2）并行USB是串行还是并行？

微机系统中的典型3总线（地址、数据、控制）是并行总线。§1-3微型计算机系统

——总线*37二、总线总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU总线：计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路。

总线分类：内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线。§1-3微型计算机系统

——总线*38内部总线DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组地址AB数据总线DB控制总线CB地址加法器指令队列运算器PSW标志寄存器内部总线：是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。内部总线:

单总线结构双总线三总线结构

§1-3微型计算机系统

——总线*39元件级总线存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU元件级总线：连接计算机系统中两个主要部件的总线。§1-3微型计算机系统

——总线*40元件级总线§1-3微型计算机系统

——总线地址总线：CPU→存储器、I/O端口，三态单向；地址总线的位数决定CPU可直接寻址的内存容量，如：16位（216=64K）,20位（220=1M）。数据总线：

CPU←→存储器、外设，三态双向；数据总线位数＝微处理器位数。控制总线：传输控制信号，方向随信号而变化；CPU→存储器、I/O端口：读/写信号；存储器、I/O端口→CPU：复位、中断信号。*41系统总线系统总线（或板级总线）

：是微处理机机箱内的底板总线，用来连接构成微机系统的各插件板的接口。(插槽)§1-3微型计算机系统

——总线ISA插槽PCI插槽AGP插槽内存插槽CPU插槽IDE接口软驱接口并口连接器串口连接器ROMBIOS鼠标键盘USB接口主板电源插座系统总线南桥芯片组北桥芯片组*42USBIEEE1394RS232，RS422，RS4854.外部总线外部总线

：是微处理机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。（接口）§1-3微型计算机系统

——总线*43§1-3微型计算机系统计算机的技术指标字长（数据宽度）

CPU一次能处理二进制数据的长度，影响计算机运行速度。主频

CPU的时钟频率，对计算机的运行速度有决定性的影响。单位MHz。P4的主频在1.4GHz以上，目前市场上常用的是2.4GHz。运算速度每秒钟所能执行的加法指令数目,常用MIPS(百万条/秒)存取周期

计算机两次独立地从内存中读取数据的最短时间。通常为几纳秒（n×10-9秒）存储容量

主要指内存容量，CPU可直接访问内存，运行速度快，减少访问外存的次数。*44§1-4计算机数据格式

§1-4计算机数据格式

——数制一、数据的概念

有两类数据：

1.数值数据：如+15、-17.6；

2.非数值数据：如字母（A、B……）、符号（+、&……）、汉字，也叫字符数据。二、常用的数制

二进制、八进制、十进制、十六进制……

我们平时用的是“十进制”，而计算机用什么？Why？*45§1-4计算机数据格式

§1-4计算机数据格式

——数制三、计算机为什么采用二进制？由计算机电路所采用的器件所决定的。０－假(False)1－真(True)采用二进制的优点：运算简单、电路实现方便、成本低廉。*46一种进位计数制有以下三个基本要素数码：一组用来表示数制的符号，如1、2、3、A、B基数：数制所用的数码的个数，用R表示，称R进制，逢R进一位权：数码在不同位置上的权值

Rn1.4.1数的进位制一、常用的各种进位制及表示1、十进制：数码0，1，…，9基10，逢十进一表示形式:125或125D或

(125)10

位权为10n

(978)10=9×102+7×101+8×100

§1-4计算机数据格式

——数制*472、二进制：数码0，1

基2，逢二进一表示形式：101B或(101)2位权为２n

加法规则：0+0=00+1=11+0=11+1=100110111001011101111000100110101011110011011110111110000

二进制数按权的展开式

(10101)2=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20

§1-4计算机数据格式

——数制*483、十六进制：数码0，1，…，9，A，B，C，D，E，F基16，逢16进位１，位权为16n

表示形式：60AH或

(60A)16

十六进制数按权的展开式

(2407)16=2×163+4×162+0×161+7×160

(3DF)16

=3×162+13×161+15×160§1-4计算机数据格式

——数制*49十进制二进制十六进制

0

0

0

111

2102

3113

41004

51015

61106

71117

810008

910019

101010A

111011B

121100C

131101D

141110E

15

1111F§1-4计算机数据格式

——数制*501.r进制转化成十进制(按权展开）an...a1a0.a-1...a-m(r)

=a*rn

+…+a*r1+a*r0+a*r-1+...a*r-m

10101(B)=？=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20

=24+22+1=21101A(H)=？=163+16+10＝4106§1-4计算机数据格式

——数制1.4.2不同进制之间的转换*51整数部分：

1)用其他数制的基数r除以十进制数；

2)保留余数（最先得到的余数为最低有效位）；

3)重复1）和2），直到商为0；

4）将余数从下到上排列。2.十进制转化成r进制§1-4计算机数据格式

——数制*52108=6C(H)=1101100(B)例１：将一个十进制整数108转换为十六进制、二进制整数

整数:除2取余法小数:乘2取整法§1-4计算机数据格式

——数制*53（1）二进制数转换成十六进制数

转换方法：从小数点开始，整数部分从右向左4位一组,每组

对应一位十六进制数即可得到十六进制数。

例如，将二进制数1101101110B转换为十六进制数。

1101101110(B)＝?=11,0110,1110(B)=36E(H)§1-4计算机数据格式

——数制3.二进制数与十六进制数之间的转换*54(2)十六进制数转换成二进制数方法是：每一位十六进制数用相应的四位二进制数取代，然后将其连在一起即可。36A(H)＝?=1101101010(B)§1-4计算机数据格式

——数制2023/7/271.4.3数值数据在计算机内的表示

上述的二进制数在计算机中可以得到很好的描述，比如可以用一个8bit的内存空间存储一个数：

01111100=7CH

但是如果是负数的话，在计算机中如何表示呢？

除了数值之外，还多了一个符号（+、-），关键的就是符号如何表示的问题。可以用最高位表示符号。§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/271.4.3数值数据在计算机内的表示

一、机器数与原码、补码和反码表示

1．机器数用最高有效位表示数的符号，用“0”表示正数，“1”表示负数,其余位仍表示数值。将一个数与其符号用数值化表示，这样的数称为机器数。

机器数有三种表示法：原码、补码、反码§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/272．原码表示法

原码表示方法中，数值用绝对值表示，在数值的最左边用“0”和“1”分别表示正数和负数，书写成[X]原表示X的原码。

例如，当n=8,十进制数＋19和-19的原码是多少？[＋19]原＝00010011,[－19]原＝10010011§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/27从定义可以看出，在原码的表示中，有以下两个特点：（1）最高位为符号位，正数为0，负数为1，其余n-1位是X的绝对值的二进制表示。（2）0的原码有两种表示：[＋0]原＝00000000,[－0]原＝10000000因此，原码表示法中，数值0的表示不是唯一的。§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/273．反码表示法

用[X]反表示X的反码。如果机器的字长为n，则反码的定义如下：

例如，当n=8,十进制数＋19和-19的反码表示为：[＋19]反＝00010011[－19]反＝11101100§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/27由此可以看出，在反码的表示中，有以下特点：（1）正数的反码与原码相同，负数的反码是其绝对值的二进制表示按各位取反（0变1，1变0）所得的表示。（2）0在反码表示中也有两种表示：[＋0]反＝00000000,[－0]反＝11111111，即数值0不是唯一的。问题：对于负数，原码与反码有何不同？

原码是只有最高位取反，而反码是全部位都取反。§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/274．补码表示法用[X]补表示X的补码。设机器的字长为n，则补码的定义如下：

例如，当n=8,十进制数＋19和-19的补码表示为：[＋19]补＝00010011[－19]补＝11101101§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/27在补码的表示中，有以下特点：（1）正数的补码与原码、反码相同，负数的补码是其绝对值的二进制表示按各位取反（0变1，1变0）加1，即为其反码+1。（2）0在补码表示中：[＋0]补＝[－0]补＝00000000,数值0是唯一的。由于补码运算方便，所以在计算机中广泛使用。

§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/27练习：[x]补=10010110（B），求[X]反与[X]原，还有x=？

[x]反=[x]补-1=10010101(B)[x]原=11101010（B）

x=-6A（H）为什么要有补码（并不直观）？

--计算上有其优势。

§1-4计算机数据格式

——数据格式2023/7/27补码运算中的规则：

[X+Y]补=X补+Y补

[X－Y]补=X补+[-Y]补例如：X=28,Y=-73：

[X+Y]补=-45补=11010011BX补+Y补=28补+(-73)补=00011100B+10110111B=11010011B[X-Y]补=101补=01100101BX补-Y补=28补+73补=00011100B+01001001B=11010011B上述的例子说明采用补码来表示，在计算机中的加减法运算中，不必判断数的正负，只要符号位参加运算就自动得到准确的结果§1-4计算机数据格式

——数据格式*651.西文字符编码——ACSII码

每一个字符有一个编码，微机采用ACSII码

(American

Standard

Codefor

Information

Interchange)

1.4.4信息编码§1-4计算机数据格式

——信息编码*66（参见附录b）常用字符有128个