微机原理课件第一章 老师.ppt

1、,苏 宇 锋 ,本课程讲解内容,第一章: 微型计算机基础 第二章: 微处理器(CPU) 第三章: 存储器 第四章: 8086指令系统 () 第五章: 汇编语言程序设计 () 第六章: 输入输出接口电路 第七章: 可编程接口芯片(8259,8253),第一章：微型计算机基础,计算机简述(历史) 计算机中数的表示方法() 微型计算机系统() 微型计算机的应用(就在我们每个人的身边!),本章主要内容,1.1 计算机的发展,简述,电子管计算机（1946-1957） 晶体管计算机（1958-1964） 中小规模集成电路计算机（1964-1970） 大规模、超大规模集成电路计算机（1971-今） （400

2、4 集成2250个晶体管，P4 为4 200万个）,1957年Noyce等人发明了氧化、照相、 刻蚀、扩散，半导体平面处理技术 ； 1959年TI与Fairchild公司申请 集成电路专利，集成了几十个元件）,冯诺依曼（Von.Neumann), 1945年6月在 “101页报告” 奠定了 现代计算机的基本结构，五大部分。,计算机分类(按相对功能分),巨型机(High Performance Computer) 大型机 中型机 小型机 微型机(Personal Computer),2003 年曙光4000A,峰值性能为8TFLOPS (No.31) IBM BlueGene/L，峰值性能为13

3、7TFLOPS (2006 年) 联想将研制1000TFLOPS的超级计算机 用途:科学计算、金融保险、电信、气象等,IBM（International Business Machine) 1964年推出360系列大、中、小型机。 2000年开始，IBM eServer zSeries/ iSeries/pSeries,1976年4.1:第一台真正的微型机Apple I (Steve Jobs and Steve Wozniak ),微型计算机的产生,1981年8.12：IBM 5150（Personal Computer) 开放性式标准 IBM PC兼容机,INTEL CPU 的 发 展,有

4、关线宽,摩尔定律（戈登摩尔1965年提出） CPU性能每18个月增加一倍,晶体管数目（微处理器速度）每两年（24M）增加一倍,1.2 计算机中的数制,了解常用的记数制的 表示方法与相互间的转换。 计算机中的二制数（补码）,一、常用计数制,十进制符合人们的习惯(Decimal) 二进制便于物理实现(Binary) 十六进制便于识别、书写(Hexadecimal) 八进制(Octal),1. 十进制,特点：以十为底，逢十进一； 共有09十个数字符号。 一个十进制数ND表示：,156.8D=1102+5101+6 100+8 10-1,2. 二进制,特点：以2为底，逢2进位； 只有0和1两个符号。

5、一个二进制NB表示：,1101.1B=123+122+021+120+12-1,3. 十六进制,特点：以16为底，逢16进位； 有09及AF共16个数字符号。 一个十六进制数表示：,E5AD.BFH=14163+5162+10161+13160+ 1116-1+1516-2,二、各种数制间的转换,1. 非十进制数到十进制数的转换 按前面公式展开，再按十进制求和。 例：10110010B = (?)10 3FAH = (?)10,2. 十进制到非十进制数的转换,十进制 二进制的转换： 整数部分：除2取余； 小数部分：乘2取整。,2 155 2 77 1 B0 2 38 1 B1 2 19 0 B

6、2 2 9 1 B3 2 4 1 B5 2 2 0 B5 2 1 0 B6 2 0 1 B7,余数,整数部分,除2取余,直到商等于0为止,155=10011011B,小数部分，采用乘2取整法 例如：将(0.6875)10转换成二进制数 0.6875 取整数部分 2 1.3750 1 B-1 0.3750 2 0.7500 0 B-2 2 1.5000 1 B-3 0.5000 2 1.0000 1 B-4 0.0000 结果 0.6875 = 0.1011B,若乘积的小数部分永不为“0”，则根据精度截取一定的位数。,3. 二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数（24=16）

7、 例： 1101110.01011B = (?)H 6E.58H 0110 1110.0101 1000 6 E . 5 8 注意：位数不够时要补0,通常，先将十进制数转换成二进制数，再由二进制数转换成8进制或16进制数。,带符号数,计算机中的带符号二进制数 把二进制数的最高位定义为符号位 符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数 连同符号位一起在计算机中表示的数，称为机器数。 机器数所表示的真实的数值，称为真值。,带符号数三种表示方法：原码、反码、补码,原码,符号位：0表示正，1表示负； 数值位：真值的绝对值。 表示范围：-127+127,8位数0的原码：+0 = 0 0000000

8、- 0 = 1 0000000 即：数0的原码不唯一。,反码,若X0 ，则 X反=X原 若X0， 则 X反= 对应原码的符号位 不变，数值部分按位求反 表示范围：-127+127,0的反码: +0反 = 00000000 -0反 = 11111111 即：数0的反码也不是唯一的。,补码,若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1,8位数0的补码： +0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 （对8位字长，进位被舍掉） +0补= -0补= 00000000,在计算机中数用补码表示,X补补=X原,求补运算（NEG）：将

9、二进制数按位求反加1的操作。(课本P5),x补 -x补 x补,NEG,NEG,（通过此操作将负数的补码与正数的补码进转换）,补码运算,加法 x+y补=x补+y补 减法 x-y补=x补+-y补 表示范围：-128+127,*补码的运算原理,模(module)就是一个计数系统的最大容量。例如，钟表的模为12，8位二进制数的模为28。 凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有 X=2n+X (mod 2n) 不难验证， X补=2n+X (mod 2n) 因此， XY补= 2n + (XY) (mod 2n) = (2n+X) + (2n Y)

10、 (mod 2n) = X补+ Y补,X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y补 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 =01000000,4. 符号数运算中的溢出问题,进(借)位 在加法过程中，符号位向更高位产生进位； 在减法过程中，符号位向更高位产生借位。 进位Cy=1 溢出 运算结果超出运算器所能表示的范围。 溢出 OV=1,溢出的判断方法,方法： “双符号位”（结果中双符号位相导则“溢出”,虚拟一个符号位） 方法： 两个8位带符号二进制数相加或相减时

11、，若 C7C61， 则结果产生溢出。 C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位。,例：,有符号数运算，有溢出表示结果是错误的 无符号数运算，有进位表示结果是错误的,1 1 0 1 1 0 1 0 1 + 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0,0 0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1,0 0 1 0 0 0 0 1 0 + 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1,丢失,溢出,溢出,正确,二、计算机中的编码,计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以

12、处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息统称为非数值数据。 非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表示，非数值数据的表示本质上是编码的过程。 最常用的数据编码：美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange, ASCII码) （见下页ASCII编码表，参考别的书）,1. ASCII码美国标准信息交换代码,ASCII特点,采用7位二进制代码对字符进行编码 数字09的编码是01100000111001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码（BCD码）相符。 英文字母AZ的ASCII码从1000001（41

13、H）开始顺序递增，字母az的ASCII码从1100001（61H）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。 最高位通常总为0，有时也用作奇偶校验位。,2.BCD码(Binary Coded Decimal),用二进制代码表示十进制数,非压缩BCD码于(采用8个bit表示一个十进制数位),压缩BCD码(采用4个bit表示一个十进制数位),00000101,表示十进制数的5,01010101,表示十进制数的55,3. Unicode,宽字节字符集 2个字节表示，共可表示(216=64K) (ASCII编码可以表示的最大字符数是256 ) UTF-8 为现行使用规范（在UTF-8里，英文字符仍然

14、跟ASCII编码一样，因此原先的函数库可以继续使用。而中文的编码范围是在0080-07FF之间，因此是2个字节表示。）,计算机中常用数据单位,bit 1Mb=10241024bit=220bit 1Gb=230bit=1024Mb 1Tb=240bit=1024Gb Byte 1 Byte=8bit，1KB=1024 Byte， Word 表示字长，有1bit, 4bit, 8bit, 16bit等， 一般情况下为2Byte(16bit)。,1.3 微型计算机系统,冯诺依曼结构,微型、小型、大中型计算机的功能没有本质区别。它们的基本结构也一样，称为冯诺依曼理论计算机的经典理论。也称为存储程序式

15、计算机 .,运算器,控制器,存储器,输出设备,输入设备,微型计算机组成,不是单独的元件，存在于控制器和运算器中！,区别概念,1.微型计算机硬件系统,3层次结构：核心级微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括： 运算器ALU (算术和逻辑运算部件) 寄存器组Registers（比如累加器、暂存寄存器、标志寄存器、程序计数器、地址寄存器、通用寄存器） 控制器CU CPU实现运算功能和控制功能,3层次结构：硬件系统级微型计算机,以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。 将CPU、存储器、I/O接

16、口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,3层次结构：系统级,以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机 软件分为系统软件和应用软件两大类。,微型计算机的概念结构,存 储 器,I/O 接 口,输 入 设 备,I/O 接 口,地址总线 AB,输 出 设 备,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB: Address Bus(地址总线) DB: Data Bus(数据总线) CB: Control Bus(控制总线),主机硬件系统CPU,计算机

17、的控制中心，提供运算、判断能力 构成：ALU、CU、Registers. 例： Intel 8088/8086、PIII、P4、Celeron AMD K7（Athlon、Duron） CPU的位数：4位、8位、16位、32位、64位 是指一次运算能处理的二进制数据的位数,主机硬件系统存储器,存放程序和数据的记忆装置 用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、） 内存：ROM、RAM 特点：随机存取，速度快，容量小 外存：磁盘、光盘、 特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大,主机硬件系统输入/输出接口,简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁,CPU,I/O 接口,外设,接口的功

18、能,提供驱动外设的电压或电流； 匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等； 缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息； DMA控制和中断控制。,主机硬件系统总线BUS,连接多个功能部件的一组公共信号线 地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。 CPU的寻址范围 = 2n， n-地址线根数 数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。 控制总线CB：用来传送各种控制信号,系统总线的使用特点,除了CPU外，还有DMA控制器

19、和协处理器都具有控制系统总线的能力。它们被称为“总线主控设备” 在某一个时刻，只能由一个总线主控设备来控制系统总线 在连接系统总线的各个设备中，某一个时刻只能有一个发送者向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获得信号,2. 微型计算机的软件系统,软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件（办公软件，CAD/CAE/CAM, ）,操作系统 (MS-OS,windows,Unix,linux) 编译系统 网络系统 工具软件(各种程序设置语言）,软件,微型计算机的物理结构,主板,主板的主要硬件构成,CPU插座 芯片组（南北桥/HUB） 内存插槽 高速缓存（现已集成到CPU内部） 系统BIOS，硬件控制 CMOS，存放硬件配置参数 总线扩展槽，PCI、ISA 串行、并行接口 软/硬盘、光驱插座,二、计算机的工作过程,存储程序计算机又称为冯诺依曼型计算机 以运算器为核心、以存储程序原理为基础 将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为14字节）数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储