微型计算机原理与接口技术第四版ppt.ppt

1、微机原理与汇编语言,主讲教师： 安志勇 Email： 计算机学院,1. 前续课程：计算机文化基础、高等数学、大学英语。 2. 上课认真听讲，做好必要的笔记。不能无故不上课。课下做好预习与复习。 3. 本课程每次课均有作业，要求必须独立完成作业，并按时交作业，自己做实验。 4. 成绩考核分三部分：考试、实验和平时（课堂表现、作业情况、上课出席情况）。 课程信箱：jsjkx_ 密码：654321 手机邮箱：,学习要求,第一章 微型计算机概述,1.1 微型计算机的发展概况 1.2 微型计算机系统 1.3 计算机数据格式,第一台电子计算机的诞生里程碑事件 1946年2月，美国

2、宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）。,1.1 微型计算机的发展概况,1、计算机的发展已经更新了四代： 第一代：电子管计算机时代（19461957）； 第二代：晶体管计算机时代（19581964）； 第三代：集成电路计算机时代（19651969）； 第四代：大规模集成电路计算机时代（1970 ）， 第四代计算机的代表就是微型计算机。,从性能、体积等方面来分，计算机分为六类： 巨型机、大型机、中型机、 小型机、微型机、单片机,ENIAC重量30

3、吨，占地150平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。采用18800只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。,将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件（CPU），简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机（简称微机）是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路、外围设备等构成的。,微型计算机的发展概况：,微型计算机的发展以微处理器的发展为主要标志。,（1981-1992）,微处理器的发展情

4、况,一、概述 二、微型计算机 三、存储器 四、 输入/输出设备及其接口电路 五、总线 六、计算机的性能指标 七、 CPU的指令体系 八、计算机的应用领域,1.2 微型计算机系统,其特点是： 采用二进制数形式表示数据和计算机指令。 指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。 由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。 工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”。 按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机。 冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。,一、概述,美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Johe Von Neum

5、man）提出了“存储器存储程序控制”的计算机设计方案。,冯诺依曼型计算机的结构：,电子计算机的工作原理: (冯诺依曼原理) 电子计算机由五部分组成，按照“程序存储，程序控制”的方式工作。 具体为将程序和数据存放在存储器中；计算机的控制器按照程序中指令序列，从存储器中取出指令，并分析指令的功能，进而发出各种控制信号，指挥计算机中的各类部件来执行该指令。这种通过取指令、分析指令、执行指令的操作重复执行，直到完成程序中的全部指令操作为止。,微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成。微型计算机的硬件由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器5部分组成。运算器和控制器组成了中央处理器（CPU，也称微处理

6、器）。软件可分为系统软件和应用软件两大类。,二、微型计算机,中央处理单元CPU ： 微处理器，也称中央处理单元CPU（Center Processing Unit）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器ALU、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。,CPU主要完成： 从存储器中取指令，指令译码； 简单的算术逻辑运算； 在处理器和存储器或I/O之间传送数据； 程序流向控制。,三、存储器,存储器体系：存储器体系结构就是把速度不同、容量不同、存储技术也可能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个具有足够大的空间又能保证满足CPU存取速度而且价格适中的整体

7、。,功能：存储程序和数据。,分类：高速缓存、内部存储器（内存或主存）、外部存储器。,CPU,超 高 速 缓 存,主 存,辅 助 存 储 器,外 存,内部存储器,外部存储器,存储体系,（1）内存单元的地址和内容 内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放一组二进数。在微机中规定每个内存单元可存放8位二进制数，即一个内存单元存放一个字节的内容，为了区分各个不同的内存单元，就给每个存储单元编上不同的号码，即内存地址(就像门牌号)。CPU要访问某个单元时，先要通过地址总线送出该单元的地址号。内存的每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。,有关内存储器的几个概念：,读：将内存单元的内容取入CPU

8、，原单元内容不改变； 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。 刷新：重写存储单元，仅动态存储器有此操作。,（2）内存容量,内存所含存储单元的个数，以字节为单位。 内存容量的大小依CPU的寻址范围而定（即CPU地址信号线的位数）。 注意：内存空间与内存容量的区别,内存容量：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，其内存容量为256MB。,内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。,（3）内存操作,为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构（高速缓冲存储器、主存储器和外部存储器） ，由这三者构成一

9、个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。,4.存储器的性能指标,存储容量：是存储器系统的首要性能指标。 存储器的存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度。 存储器的成本：也是存储器系统的重要性能指标。,五、总线,总线标准： 物理特性：根数、插头、插座的形状、引脚排列； 功能特性：每根线的功能； 电气特性：每根线上信号的传送方向及电平规定； 时间特性：时序，每根线上信号何时有效。,连接计算机系统中其他主要功能部件的桥梁，是计算机系统中信息输送的枢纽，只有通过总线，计算机系统的各部件才能实现相互通信。,总线的分类： 内部总

10、线、元件级总线、系统总线、外部总线。,（1）内部总线：微处理器内部各个器件之间传送信息的通路。（集成在CPU芯片内部） （2）元件级总线：连接计算机系统中连各主要部件的总线。可分为：,（3）系统总线：微处理机机箱内的底板总线。可分为： ISA、EISA、VESA局部总线、PCI局部总线等。 （4）外部总线：微机系统与系统之间、系统与外设之间的总线。 常用的有：USB、EIA RS-232、IEEE-488、1394、RS485等。,数据总线：DB(Data Bus) 地址总线：AB(Address Bus) 控制总线：CB(Control Bus),传送地址信息、CPU在AB总线上输出 将要访

11、问的内存单元或I/O端口地址、该总 线为单向，地址总线的位数决定了CPU可 以直接寻址的内存单元范围。,传送控制信息的总线。其中，有些信号 线将CPU的控制信号和状态信号送往外设， 外设请求或联络信号送往CPU，个别信号线 兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的 传送方向时要具体到某一个信号，它们可能 是输出、输入或者双向的。,传送数据信息的总线。在CPU进行读 操作时，内存或外设的数据通过DB总线送 往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据 通过DB总线送往内存或外设，所以该总线 为双向总线。,（3）面向主存储器的双总线结构 所有的部件和设备均挂在总线上，可以通过总线交换信息；同时，又在C

12、PU和主存储器之间增加了一组高速存储总线。使CPU与主存储器之间可直接高速交换信息。,总线的结构：,（1）单总线结构 系统的内部存储器和I/O接口均挂在单总线上。总线只能分时工作，使数据传输受限。,（2）面向CPU的双总线结构 在CPU和主存储器之间， CPU和I/O设备之间分别设置一组总线。降低了CPU的工作效率。,六、计算机的性能指标,4. 主频（时钟频率）：是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。单位MHz、GHz。微机的运行速度与主频有关。,计算机的主要技术性能指标有主频、字长、内存容量、存取周期、运算速度及其他指标。,1. 位（Bit）：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元（1

13、位二进制数）。,2. 字长：是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长决定了计算机的运算精度。 字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。,3. 字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。,9. 存取周期：主存储器完成一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的存取周期（或读/写时间）。单位为纳秒（ns, 1ns=10-9 s ）。存取周期越短，计算机的运行速度就越快。,5. 寻址能力(或寻址范围) ：寻址能力往往是指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，这是由CPU的地址总线引脚的数目来决定的。通常用K(千)或M(兆)来表示(1K=1024个地址；1M=102

14、4K；1G=1024M等)。80286 CPU的地址线有24根，则其寻址能力为 224=16M。,6. 内存容量：是指内部存储器中能存储的信息总字节数。以字节（Byte）为单位。,7. 指令数：构成微型计算机的操作命令数。,8. 基本指令执行时间：计算机执行一条指令所用的时间。,11.运算速度：微机每秒所能执行的指令数。这是个综合性的指标，单位为MIPS（Million Instruction Per Second，百万条指令/秒）。影响运算速度的因素，主要是主频和存取周期，字长和存储容量也有影响。对于某一特定的CPU，其MIPS值并非定值，得出的数据会因CPU正在执行的软件的不同而不同 。,

15、12.可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。,13.兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。 （包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容）。,14.性能价格比：是衡量计算机产品性能优劣的综合性指标。,七、 CPU的指令体系,1. CISC (即 Complex Instruction Set Computer：复杂指令集计算机) CISC结构的CPU是指能够识别处理100种以上汇编指令的处理器。CISC理论比RISC理论的历史要悠久，以前对 Intel 80X86系列中的 8088，80286等，都是按CISC理论设计的。,2. RISC (

16、即 Reduced Instruction Set Computer：精简指令集计算机) RISC结构的CPU在执行一项任务时，只使用CISC指令集中不到一半的指令，即可完成该任务，但程序长度要增加。RISC将机器指令简化，提供有限数量的常用和必须的指令，从而简化了CPU芯片的复杂程度，节省了芯片空间。,八、计算机的应用领域,过程控制 如对工业生产领域的过程控制，即对生产过程进行监视和控制，以提高产品质量与数量，减轻工人的劳动强度；控制飞机飞行姿态、地形回避及导弹拦截等。,人工智能 计算机模拟人的高级思维活动,进行逻辑判断与推理。如机器人、专家系统、语音识别系统、图形图像等模式识别系统。,办公

17、自动化,信息高速公路,仪器仪表 将传感器与计算机集成于同一芯片上，智能传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计、处理及自诊断、自校准、自适应等功能。,智能家电,1.3 计算机数据格式,一、 计算机中的二进制 二、 进位计数制 三、 进制之间的转换 四、 进制数的运算 五、 数值在计算机中的表示-码制 六、 数值在计算机中的表示-定点数和浮点数 七、非数值信息在计算机中的表示,一、 计算机中的二进制,计算机中采用二进制是由计算机电路所使用的元器件性质决定的。计算机中采用了具有两个稳态的二值电路，二值电路只能表示两个数码：0 和 1，用低电位表示数码“0”，高电位表示数码

18、“1”。,二进制特点：在计算机中采用二进制，具有运算简单、电路实现方便、成本低廉等优点。比如：开关的断、开；二极管的导通、截止；电容的充电、放电等状态。,二、 进位计数制,1. 进位计数制 进位计数制是人们利用符号来计数的方法。一种进位计数制包含一组数码符号和两个基本因素。 （1）数码：用不同的数字符号来表示一种数制的数值，这些数字符号称为“数码”。 （2）基：数制所使用的数码个数称为“基”。 （3）权：某数制每一位所具有的值称为“权”。,（4）十六进制 数码：0、1、 8、9、A、B、C、D、E、F 基数：16 逢16进1 位权： 16i (i=-2,-1,0,1,2,),2.常用进位计数制

19、,（1）十进制 数码：0、1、 8、9 基数：10 逢10进1 位权： 10i (i=-2,-1,0,1,2,),（2）二进制 数码：0、1 基数：2 逢2 进1 位权： 2i (i=-2,-1,0,1,2,),（3）八进制 数码：0、1、 6、7 基数：8 逢8进1 位权： 8i (i=-2,-1,0,1,2,),二进制： 10110.011B 八进制： 375.4O 或 375.4Q 十进制： 36.82 或 36.82D 十六进制： DA01H,3.书写格式：,三、 进制之间的转换,方法：按权展开法。 把一个任意R进制数 bn bn-1 .b1 b0 b-1 b-2.b-m 转换成十进制

20、数，其转换后十进制数结果为每一位数字与其位权之积的和： bnRn + bn-1Rn-1 + + b1R1 + b0R0 + b-1R-1 +b-2R-2+b-mR-m,1. 二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数,例：将1110.101B、325.7Q、58.CAH、(123.2)4转化为十进制数.,例： 1、将18分别转换为二进制、四进制、八进制、十六进制。 2、将0.125分别转换为二进制、四进制、八进制、十六进制。 3、将18.125分别转换为二进制、四进制、八进制、十六进制。,2.十进制转化成 R 进制,整数部分：除以 R取余数，直到商为0，得到的余数即为R进数各位的数码，（最先

21、得到的余数为最低有效位）。 小数部分：乘以 R取整数，得到的整数即为R进数各位的数码，（最先得到的整数结果为最高小数位）。,每一位八进制数转化为三位二进制数，逐位展开。 每一位十六进制数转化为四位二进制数，逐位展开。,例：将53.6Q、4A.9H转化为二进制。,3. 八进制和十六进制转化成二进制,十六-二-八：将十六进制先转化为二进制数，再将二进制数从小数点开始分别整数向左、小数向右每三位组成一组，不足三位在前面补“0”。 八-二-十六：将八进制先转化为二进制数，再将二进制数从小数点开始分别整数向左、小数向右向每四位组成一组，不足四位补“0” 。,4. 八进制与十六进制之间的转化,例：将325

22、.7Q转换为十六进制; 将58.CAH转换成八进制。,四、 二进制数的运算,2. 逻辑运算 或： 00=0, 01= 10=11=1 与： 00=01=10=0, 11=1 非 ： =1 , =0 异或 ： 00=11=0 ,01=10=1,1.算术运算 加法： 0+0=0, 0+1=1+0=1 ,1+1=0（有进位） 减法： 0-0=1-1=0 ,1-0=1, 0-1=1（向高位借位） 乘法： 00=10=01=0, 11=1 除法： 01=0 ,11=1,1. 原码 符号位：在最高位表示符号 。“0”-正数，用“1”-负数。 数值部分：用二进制的绝对值表示。 如：+105原=0110100

23、1 ， -105原=11101001 ， +0原=00000000， -0原=10000000,五、 数值在计算机中的表示-码制,3. 补码 原则：正数的补码与其原码相同。负数的补码是把其原码除符号位外的各位先求其反，然后在最低位加1（反码加1）。 X-YX（Y的补码）X（Y的反码1） 如：+105补=01101001 -105补=10010111 0补=00000000 -1补=11111111,2. 反码 原则：正数的反码与其原码相同。而负数的反码等于原码符号位不变，其余各位（尾数）求反。 如：+105反=01101001 -105反=10010110 +0反=00000000 -0反=1

24、1111111,1. 定点数 在计算机中一个数的小数点的位置是固定的,最高位为符号位。 纯小数表示法：符号位.数值部分（小数点在最高位的右侧） 整数表示法：符号位数值部分（小数点在最低位的右侧）,六、 数值在计算机中的表示-定点数和浮点数,在计算机中一个数的小数点的位置是浮动的。一个浮点数的表示分为阶码和尾数两个部分： NM2e 其中e是一个二进制整数，M是二进制小数，这里称e为数N的阶码，M称为数N的尾数，M表示了数N的全部有效数字，阶码e指明了小数点的位置。,2. 浮点数,七、非数值信息在计算机中的表示,例如：A的ASCII码为1000001,十六进制表示为41H。回车符（CR）的ASCII码为0DH。空格的ASCII码为20H 09 ：30H39H AZ ：41H5AH az： 61H7AH,1. ASCII码,ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）是美国信息交换标准代码的简称。 ASCII码占一个字节，标准ASCII码为7位（最高位为0），扩充ASCII码为8位。7位二进制数给出了128个编码，表示了128个不同的字符。其中95个字符可以显示。包括大小写英文字母、数字、运算符号、标点符号等。另外的33