第一章-微型计算机的基础知识

1、第1章 微型计算机基础知识,本章学习目标 了解微处理器及微型机的发展、分类及特点。 掌握微机计算机基本组成和整机工作流程。 掌握主板硬件的基本构成，结构、功能和主板的安装，了解芯片组的功能和作用，了解主板中的新技术和主板的发展趋势。 掌握计数制及不同进位计数制之间的转换，编码（原码、反码和补码，BCD码，ASCII码等）运算方法，数的定点及浮点表示方法。,1、1 计算机概述 电子计算机是一种能够自动地、高速地、精确地完成各种信息的存储、处理和控制功能的电子装置，其工作的实质是电子器件状态的高速变化。 人体的智力活动过程： 感知-判断-计算-记忆-反应 计算机的工作过程： 输入设备-控制器-运算

2、器-存储器-输出设备,1.1.1计算机的产生与发展 1、电子计算机发展的5个阶段 1941-1958 第一代电子管计算机 1958-1964 第二代晶体管计算机 1964-1971 第三代集成电路计算机 1971-1980 第四代大规模集成电路计算机 1981-至今 第五代人工智能计算机,1.1.2计算机的发展 1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。 微机概念：以大规模、超大

3、规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。 划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。,（1971-1972）,（1973-1977）,（1978-1984）,（1985-1992）,（1993-2003）,特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强。,（2004后）,微型计算机的应用 1、科学计算和科学研究 计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。 2、数据处理 （信息处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。 3、工业控制 用单板微型计算机实现DDC级控制，用卫星计算机实

4、现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理已屡见不鲜。,4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。,计算机的分类：按应用对象分 1、单片机：又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片

5、上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机 2、单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器/存储器/输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。 3、PC机（Personal Computer ） :面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。 4、可编程工业控制器（PLC ） :面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。 5、嵌入式系统 :是以应用为中心，以计算机技术为

6、基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,微型计算机的工作过程 冯诺依曼计算机 冯诺依曼体系结构冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。 人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。,冯诺依曼计算机特点： 将计算机描述为由许多条指令按一定顺序组合的程序，并放入存储器中保存。 程序中的指令和数据必须采用两进制编码，且能够被执行该程序的计算机所识别。 指令按其在存储器中存放的顺序执行，存储器的字长固定并

7、按顺序线性编址。 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。 以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。,1.2微型计算机系统的组成 输入设备 运算器 控制器 存储器 输出设备,1.2.1微型计算机常用的术语 位：计算机所能表示的最基本、最小的数据单元。 字和字长：计算机内部进行数据处理的基本单位。 字节：相邻的8个二进制数称为字节。 指令：规定计算机进行某种操作的命令。 程序：指令的有序集合，是一组为完成某种任务 而编制的指令的序列。 指令系统：一台计算机所能执行的全部指令。,1.2.2微型计算机系统的三个层次及性能指标 1、微型计算机的三个层次 微处理器：微型计算机的核心部件，又称为中

8、央处理器CPU。 微型计算机：以CPU为核心，并配以存储器（ROM和RAM）、输入输出电路、系统总线及相应的外部设备而构成的完整的、可独立工作的计算机。 微型计算机系统：以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制计算机工作的软件而构成的完整的计算机系统。,2、微型计算机的主要性能指标 字长：计算机内部一次可处理的二进制数码的最大位数。标志着精度和计算速度。 存储器容量：现有的内存大小和可扩充的最大容量。反映了计算机的处理数据时容纳数据量的能力。 主频：计算机的时钟频率。很大程度上反映了计算机的速度。 运算速度：一般以每秒所能执行的指令条数。 外设扩展能力：配接各种外部设备的

9、可能性、灵活性和适用性。 软件配置：操作系统和应用软件的配置直接关系到计算机的性能。,1.2.3 微型计算机系统的组成,微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和软件的结合，才能使计算机正常工作运行。 计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理装置，称为硬件或裸机。 计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。 依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。,微型计算机系统结构,AB,DB,CB,CPU,RAM,外设,RAM,I/O接口,1.硬件系统 1）微处理器（CPU） 由算术逻辑单元、控制器、寄存器组组成。 1、算术逻

10、辑单元（ALU）： 计算机中加工和处理数据的功能部件。 功能： （1）、对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。 （2）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。,微处理器典型结构,2、控制器(Control Unit) 控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。 由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。 （1）、程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。 （2）、指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。 （3）、指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。 （4）、时序信号发生器

11、：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。,3.寄存器组(Register) 包括一组通用寄存器组和专用寄存器。通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等,2）存储器 （1）内存的单元地址和内容。,0001H,0002H,F000H,FFFFH,（2）内存的操作,（3）内存的分类 功能：存放程序和数据。,存储器,内存（主存）,外存（辅存）,RAM,R

12、OM,SRAM,DRAM,ROM,EPROM,E2PROM,软盘、硬盘、光盘,3）输入输出接口与输入输出设备 （1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。 标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。,I/O设备,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,4）系统总线（bus） （1）、总线：传递信息的一组公用导线。 （2）、系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。系统总线分为： （A）、地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总

13、线。 内存容量的计算：16条地址线可访问 216 = 64 KB。 20条地址线可访问 220 = 1 MB。 1K = 1024B 1M = 1024 KB 1G = 1024 MB,（B）、数据总线：传递数据信息的总线，即DB。 在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU； 在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。 （C）、控制总线：传递控制信息的总线，即CB。 控制总线的方向： 一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。 另一部分是由系统中的

14、部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号、状态信号。,5）外部设备（IO设备） I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。 显示器卡：完成显示器与总线的连接。 声卡：完成声音的输入/输出。 网卡：完成网络数据的转换。 扫描卡：连接扫描仪到计算机。 调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。 键盘接口、打印机接口等。 232接口：串行数据接口。 USB接口：通用串行接口。,控制总线的部件（总线主控设备）： CPU 和 DMA 控制器。 被总线控制的部件（总线控制设备）： 存储器 和 I/O设备。,总线的使用特点： 1、在某一时刻，只能由一个

15、总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。 2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。 3、通过总线插槽来接口板连接。,2.软件系统 1）系统软件 操作系统和系统实用程序 操作系统：复杂的系统程序，用于管理计算机的硬件和软件资源、进行任务调度、提供文件管理系统、人机接口。还包括各种设备的驱动程序。 应用软件：为解决各种实际问题而编制的程序。 机器语言、汇编语言、高级语言,1.3 计算机中数编码和字符的表示 计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，二进制数只有两个数字0和1，这与我们日常生活中所使用的十进制数

16、是不同的。 1.3.1 计算机中数的不同数制及不同进制数之间的表示 1.数的表示 人们最常用的数是十进制数，计算机中采用的是二进制数，同时有的时候为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。 1）十进制数 十进制数是大家熟悉的，用0，1，2，8，9十个不同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。,2）二进制表示法 基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。 二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。,二进制表示数值方法如下： NB = Ki * 2i 其中：Ki = 0 或 1,n,i=-m,例：二进制数1011.

17、1表示如下： (1011.1)B= 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20 +1 * 2-1,3）十六进制表示法 基数为16，用0 - 9 、A - F 十五个字符来数值，逢十六进一。 各位的权值为 16i 。,二进制表示数值方法如下： NH= Ki * 16i 其中：Ki = 0 - 9 、A - F,n,i=-m,例：（56D.3)H = 5 * 162 + 6 * 161 + 13 * 160 + 3 * 16-1,4）其它进制表示法 常用的还有八进制数，是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，7这八个阿拉伯数字。 八进制数的运算规则为“逢八进一，借一

18、当八”。,八进制表示数值方法如下： NO = Ki * 8i 其中：Ki = 0 、1、2、3、4、5、6、7,n,i=-m,例：（467.6)O=4 * 82 + 6 * 81 + 7 * 80 + 6 * 8-1,2、二进制数的算数运算 算数运算 加法运算： 0+0 = 0 0+1 = 1 1+0 = 1 1+1 =10 （逢二进一） 例：计算10110110B+01101100B=(?)B,进位,被加数,加数,+),1 11111000,10110110,01101100,1 00100010,减法运算： 0-0 = 0 10-1 =1 （借位） 1-0 = 1 1-1 =0例：计算11

19、000100B-00100101B=(?)B,借位,被减数,减数,-),01111110,11000100,00100101,10011111,乘法运算： 0 * 0 =0 0 * 1 =0 1 * 0 =0 1 * 1 =1 例：求两个两二进制数1100B与1001B的乘积,被乘数,1100,解法1：,1001,1100,0000,0000,1100,1101100,乘数,部分积,乘积,解法2：,被乘数,1100,1 0 0 1,乘数,部分积,0000,1100,11000,110000,1100000,+),1100,1100000,1101100,乘数为1，加被加数到部分积上,将被乘数左

20、移一位,乘数为0，不加被乘数，被乘数左移一位,乘数为0，不加被乘数，被乘数左移一位,乘数为1，加左移后的被乘数到部分积上,除法运算 0 / 0=0 0 / 1 =0 1 / 1 =1 乘法的逆运算 每右移一位相当除以2，右移动N位相当除以2n,2012/10/12,例：计算10110111B+01001101B=(?)B,183,77,+),10110111,01001101,1 00000100,260,实际结果应为260，但因大于二进制数所能表示的范围255，因此丢失了代表256的进位，产生错误运算结果4,一个n位无符号二进制数X，其可表示数的范围为： 0X2n-1 超过范围产生溢出，得到

21、不正确的结果,逻辑运算 a)“与”运算 11=1 10=0 01=0 00=0,例;计算10110110B10010011B=(?)B,10110110,10010011,10010010,b)“或”运算 11=1 1 0=1 0 1=1 0 0=0,例;计算11011001B 10010110B=(?)B,11011001,10010110,11011111,c)“非”运算 1=0 0=1,例;求数11011001的非,d)异或运算 00=0 1 1=0 0 1=1 1 0=1,例;计算11010011B 10100110B=(?)B,11010011,10100110,01110101,基

22、本逻辑门及常用逻辑部件,1.与门,2.或门,3.非门,4.与非门,5.或非门,6.译码器,1.3.2不同进制数之间的转换 1、多项式替代法 （1）、二进制数转换为十进制数 方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。 例：（1001.11）2 =123+022+021+120+12-1+12-2 =8+1+0.5+0.25=（9.75）10 例:11101.101 =124+123+122+021+120+12-1+02-2+12-3 =16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125 =29.875,2 、基数乘除法 方法： A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。 B

23、、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。 C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。,例：将（136）D转换为二进制数。 2 136 余数（结果） 低位 2 68 - 0 2 34 - 0 2 17 - 0 2 8 - 1 2 4 - 0 2 2 - 0 2 1 - 0 0 - 1 高位,转换结果：（136）D=（10001000）B,例：将（0.625)D转换为二进制数。 0.625 * 2 1.25 * 2 0.5

24、* 2 1.0 取整： 高位 低位,转换结果：(0.625)D = (0.101)B,3、二-八进制与二-十六进制转换 （1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换 A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。 B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。 例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。 1 000 110 . 01 001 000 110 . 010,(

25、 1 0 6 . 2 )O,二进制数到十六进制数的转换： （1000110.01）B = 100 0110 . 01 0100 0110 . 0100,(4 6 . 4)H,（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换 方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。 例：将(352.6)o转换为二进制数。 3 5 2 . 6 011 101 010 110 =(11 101 010 . 11)B,1.3.3带符号数的表示法 1、真值 0和1作为符号所表示的数为机器数，它所表示的实际数位真值 2、原码 原码：用最高位表示符号，

26、其中：0-正、1-负，其它位表示数值的绝对值。 定义： X原= X 2n-1 X0 2n-1-X=2n-1+ X 0X-2n-1,3、反码 正数：与原码相同 负数：数值部分等于真值的各位按位取反 或等于其对应正数的原码按位取反,例： +127反=0 1111111 -127反=1 0000000,4、补码 正数：与原码相同 负数：反码加1 定义： X补= X 2n-1 X0 2n+X=2n- X 0 X -2n-1,例：+1补=00000001 -1补= 28-1=11111111 +127补=01111111 -127补=28-127=10000001,补码与十进制数之间的转换 1、正数补码

27、的转换 正数的补码等于原码,例： 已知X补=00101110，求X的真值 分析：补码00101110符号位为0，为正数 则符号位之外的数值部分就是真值 X=+0101110=(+46)10,2、负数补码的转换 负数的补码与其对应正数补码之间存在如下关系,例： 已知X补=11010010，求X的真值 分析：补码11010010符号位为1，为负数 则求真值需对其取补码 X=X补补=10101101+1=-0101110=(-46)10,补码的运算 补码的加法规则：X+Y补=X补+Y补 补码的减法规则：X-Y补=X补-Y补=X补+-Y补,例： 设X=+66，Y=-51,求X+Y补=？ 分析：补码加法

28、规则X+Y补=X补+Y补 则分别求出X,Y补码 X=(+66)10=(+1000010)2 X补=01000010 Y=(-51)10=(-0110011)2 Y补=11001101 X+Y补=X补+Y补 =01000010+ 11001101=100001111=(+15)10,有符号数的表示范围 对于8位二进制数 原码：11111111B-01111111(-127-+127) 反码:10000000B-01111111(-127-+127) 补码:10000000B-01111111(-128-+127),1、原码表示法 0的表示形式（8位） +0原=00000000 -0原=10000

29、000 特点 A、原码与真值的对应关系简单。 B、0的编码不唯一，处理运算不方便。 2、反码表示法 反码：最高一位表示符号，数值位是对负数取反。 +0反=00000000 -0反=1111111 +1100111反=01100111 -1100111反=10011000,3、 补码表示法 正数的补码和原码相同。 负数的补码=反码+1。 例：求0.1011和 -0.1011的补码。（8位） 0.1011补=0.1011原=01011000 -0.1011补=-1011000反+1=10100111+1=10101000 0补=+0补=-0补=00000000,小数的表示方法 数的定点与浮点表示

30、对 R进制数 NR=S * RE，可以有很多表示方法。 如：十进制数：265.78 可以有：265.78 、2657.8 * 10-1、0.26578 * 103 、2.6578 *102等。 1 、定点数表示法 一般采用两种简单的约定：定点整数和定点小数。 （1）、定点整数 A、带符号整数：某个N位二进制数，其最高位为符号位，其它N-1位为数值部分： Nf Nn-2 Nn-3 N2 N1 N0,符号位 数值部分 小数点,B、无符号整数：所有的数位都用来表示数值。 Nn-1 Nn-2 Nn-3 N3 N2 N1 N0 数值部分 小数点,（2）、定点小数 用最高位表示符号，其它N-1位表示数值部

31、分，将小数点定在数值部分的最高位左边。 Nf Nn-2 Nn-1 N2 N1 N0 符号位 数值部分 小数点,2、浮点数表示 浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。 N = S * R E 在计算机内，存储的格式： Ef E(m位) Sf S(n位) 阶码部分 尾数部分,其中：Ef：阶码，表示阶码的符号 E：阶码，指出小数点的位置 Sf：数码，数值的符号位 S：尾数，决定数值的精度,1.3.4 常用信息编码 1、二进制编码的十进制数（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，也成为二进制编码表示的十进制数（Binary Code Decimal），简称BCD码。 （1）压缩BCD码格式（Packed BCD Format） 用4个二进制位表示一个十进制位，就是用0000B-1001B来表示十进制数0-9。 （2）非压缩BCD码格式（Unpacked BCD Format） 用8个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意义，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩BCD码相同。 例如：十进制数4256的非压缩BCD码表示为： x