《理学CH绪论》PPT课件.ppt

1、第一章 绪论,1.1 微型计算机发展概况 1.2 微型计算机系统 1.3 相关术语 1.4 计算机数据格式 1.5 小结,1.1 微型计算机发展概况,世界上第一台现代意义 的电子计算机是1946年 美国宾夕法尼亚大学设 计制造的“ENIAC” 占地百余平方米 重几十吨 功耗一百五十千瓦,该计算机有五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器和控制器，奠定了当代数字电子计算机体系结构的基础。,电子计算机的发展： 第一代：电子管计算机（1946-1956） 第二代：晶体管计算机（1957-1964） 第三代：中小规模集成电路计算机（1965-1970） 第四代：超大规模集成电路计算机（1971-今

2、）微机 第五代：人工智能计算机 （探索） 能够模拟人类大脑思维的计算机 特点：有感知、思考 、判断、学习和自然语言能力 超高速、超小型、智能,当今主导网络时代的四大定律： 1.摩尔定律 芯片内的晶体管数目，每隔1824个月翻一番。 2.贝尔定律 性能相同的计算机价格将持续下降。 3.吉尔德定律 未来的25年内，主干网的带宽每6个月翻一番。 4.麦特卡夫定律 对网络的投入为N，则可收到N2的回报。,扩充知识,计算机的分类（综合性能） 1.微机：单用户，可执行几个用户指令PC/NB 2.小型机：同时执行数百用户的指令学校、中小企业服务器 3.大型机：同时执行数万用户的指令大型网站服务器 4.巨型机

3、：同时执行数百万用户的指令 国家新闻中心、国防、军事 目前性能最好的计算机(2012.6)： 美国：IBM超级计算机 “红杉”(Sequoia) 16.324千万亿次/秒 第1 日本：富士通超级计算机 “京” 10.51千万亿次/秒 第2 美国：IBM超级计算机 “米粒”(Mira) 8.162千万亿次/秒 第3 中国：天津“天河一号” 第5 深圳 “星云” 第10,微处理器发展概况 第一代：4、8位机 Intel公司4004 1971年 第二代：8位 Intel公司8080 1974年 第三代：16位机 Intel公司8086 1978年 第四代：32位机 Intel公司80386/486

4、1983年 第五代：64位机 PENTIUM 1993年 PII(97)、PIII(99)、P4(2000)、安腾（2001）、 安腾2(2002)、奔腾M(2003)、Core(2006) 注：INTEL 微处理器的发展见教材P5：表1-1,微处理器的发展,80386,80486,奔腾,安腾,80286,8086,酷睿,酷睿i7,4004,发展特点： 主频 指令执行速度 集成度 流水线级数 编程越来越方便,1.2 微型计算机系统,一、计算机基本结构,冯诺依曼计算机的组成： 控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备,冯.诺依曼计算机的工作原理： “存储程序” + “程序控制” 先将数据和指令

5、(程序)以二进制形式存入存储器 再由控制器到存储器中自动读取并执行,计算机之父：约翰冯诺依曼（John Von Nouma，19031957），美藉匈牙利人，世界著名数学家，最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。,微型计算机系统的三个层次： 微处理器(Microprocessor) 微型计算机(Microcomputer) 微型计算机系统(Microcomputer System),二、微型计算机系统的组成,微处理器,微型计算机,显卡,CPU,电源,主板,光驱,散热器,硬盘,内存,微型计算机系统,微型计算机系统组成,微处理器 存储器 I/O接口 总线,硬件系统 软件系统,微

6、 型 计算机 系 统,微 型 计算机,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,三、微型计算机的组成,地址总线AB,数据总线DB,控制总线CB,微机组成框图,1、CPU（也称微处理器、中央处理器） 计算机的控制中心，提供运算、判断能力 构成： 运算器：完成算术、逻辑运算 控制器：协调整机工作 寄存器组：暂存数据等 例：Intel 8086、PIII、P4 CPU的位数：4位、 8位、 16位、 32位、64位 是指一次能处理的二进制数据的位数,2、存储器 存放程序和数据的记忆装置 内存：ROM、RAM 特点：随机存取，速度快，容量

7、小 外存：磁盘、光盘、半导体盘、 特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大 内存操作： 读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变； 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；,3、I/O接口（输入/输出接口） CPU与外部设备间的桥梁。,CPU,I/O 接口,外设,主要接口芯片： 锁存器74LS373；缓冲器74LS245；可编程中断控制器8259A ；可编程计数/定时器8253 ；可编程并行接口8255A ； A/D，D/A等。,4、总线 计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道。 总线标准的特性：（有4 个特性） 物理特性；功能特性；电气特性；时间特性 总线分类：（从不同层次

8、看有4类） 内部总线；元件级总线；系统总线；外部总线 总线结构（有3种） 单总线结构；面向CPU的双总线结构； 面向主存储器的双总线结构,2）元件级总线 CPU和存储器、I/O接口之间传递信息的通路。根据传送信息的类型不同分为三种： 地址总线AB：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 8086CPU寻址范围 = 220 = 1MB 数据总线DB：决定CPU一次最多传送数据宽度。 控制总线CB：用来传送各种控制信号,1）内部总线 CPU内部各个部件之间传递信息的通路。,总线分类,3）系统总

9、线 微机机箱内的底板总线，用来连接各个插件板，包括： ISA总线：工业标准体系结构总线，16位 EISA总线：扩展工业标准体系结构总线，32位 VESA总线：视频电子标准协会总线，32位 PCI总线：外设互连局部总线，32/64位 PCI-E总线：最新的总线和接口标准 AGP总线：加速图形接口总线,总线分类,4）外部总线 用于微机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。,并行：IEEE-488并行标准,串行：RS232、485，USB，IEEE-1394标准,总线分类,总线结构（3种）, 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。,优点：控制简单、易于扩充； 缺点：总线只能

10、分时工作，数据传输量受限。,总线结构, 面向CPU的双总线结构：它是在CPU和主存储器之间，CPU与I/O设备之间分别设置一组总线。,优点：提高了数据传送的效率； 缺点：主存和外设之间必须通过CPU进行信息的交换， 降低了CPU的工作效率。,总线结构, 面向主存储器的双总线结构：它结合了以上两种总线结构的特点，所有的部件和设备均挂到总线上。,优点：提高了信息的传送效率，同时也不会降低CPU的工作效率， 是一种较好的总线结构。,总线结构,1、主频：指CPU的时钟频率，与运行速度有关； 2、字长：能够直接处理的二进制数的位数； 3、内存容量：存储器能存储信息的字节数； 4、存取周期：主存储器完成一

11、次读写所需要的时间 5、运算速度：是指微机每秒所能执行的指令条数。,四、微机的性能指标,1.3 相关术语,位、字节、字和字长、位编号、内存单元的地址和内容、内存容量及常用单位、内存中字数据的存储格式,一、位,二、字节,三、字和字长,字长：CPU一次能够处理的二进制数据的位数,、64位,四、位编号,五、内存单元的地址和内容,地址：内存单元唯一的编号 内容：内存单元存储的数据项,1 0 1 1 0 1 1 0,38F04H,内存单 元地址,内存单 元内容,. . .,. . .,六、内存容量及常用单位,内存容量：内存单元的个数（或存储的信息量） 通常：512MB、1GB 、2GB 常用单位： 位(

12、bit)b 字节(Byte)B 字(Word)W KB MB GB,转换关系： b：一位二进制数字 1B=8b 1W=2B 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB,一个字（16位）由两个字节的数据来组成。 它在存储器中的存储格式通常有： 小地址格式： 低字节总是存储在低地址单元中，高字节存储在高地址单元中。这在Intel 家族的CPU中采用。 大地址格式：低字节存储在高地址中，高字节存储在低地址中。这在Motorola家族的CPU中使用。,七、内存中字数据的存储格式,例如：1234H以不同格式的存储时的情况。,2FFFH 3000H 3001H 3002H 3003H,

13、34 12,小地址格式,12 34,大地址格式,2FFFH 3000H 3001H 3002H 3003H,1.4 计算机数据格式,为了表示方便，使用后缀表明数的进制 十进制，后缀D或省略符合人们习惯 例：17.34 二进制，后缀B便于物理实现 例：1101.1010B 十六进制，后缀H便于识别书写 例：3A.B2H 八进制，后缀Q或O 例：625.71Q,1.4.1 数制,一、常用数制,1、十进制 特点：以10为基数，逢10进一；共有0-9十个数字符号 表示：,例：267.85,2、二进制 特点：以2为基数，逢2进一；只有0和1两个符号。 表示：,例：1101.1B,1101.1B,3、十六

14、进制 特点：以16为基数，逢16进一； 有0-9及A-F共16个数字符号。 表示：,例：1A.8H,1、非十进制数到十进制数的转换 每位数字与其对应的权值相乘，再按十进制求和 即：按权展开，再按十进制求和 例：将1110.101B转换为十进制 数码 1 1 1 0 . 1 0 1 权值 23 22 21 20 . 2-1 2-2 2-3 数值 8 + 4 + 2 + 0 + 0.5 + 0 + 0.125 =14.625,二、各进制数间的转换,2. 十进制到非十进制数的转换 整数部分： 除以基数，取余，至商为0；最先得最低位 小数部分： 乘以基数，取整；至小数为0，最先得高位 以小数点为起点求

15、得整数和小数的各个位。,例：将18.125转换为二进制数。,18 =10010B,0.125=0.001B,结果 18.125=10010.001B,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 例： 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C 注意：位数不够时要补0,n位二进制数均用于表示数值本身大小。 一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为： 0 X 2n-1 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 如：n8 则： 0X28-1 即：0X255,1.4.2 计算机中数据编码,一、无符号数在计算机中的表示,把二进

16、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 连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。 机器数所表示的真实的数值，称为真值。 （以下均以位二进制数为例）,二、有符号数在计算机中的表示,例：设字长n8 +18 = +10010B - 18 = - 10010B,真值,机器数,符号位 数值位,0 0010010B 1 0010010B,注：机器数包括两方面的含义 1）符号数值化 2）位数等于字长,1、机器数常用的表示方法有三种： 原码、反码和补码。 数X的原码记作X原 数X的反码记作X反 数X的补码记作X补 注：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。,

17、三、机器数的表示方法,原码X原的定义 对于二进制数，最高位是符号位，其余各位表示数值本身，则称为该二进制数的原码。 符号位：0表示正，1表示负； 数值位：真值的绝对值。,真值,X=+18=+10010B,X=-18 = -10010B,原码,X原,=0 0010010B,X原,=1 0010010B,符号,符号位,n位原码表示数值的范围是：,反码X反定义 正数的反码与其原码相同;负数的反码，对应原码的符号位不变，数值部分按位求反。 即：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,真值,X=+18=+10010B,X=- 18=- 10010B,反码

18、,=0 0010010B,=1 1101101B,符号位,X反,X反,n位反码表示数值的范围是：,补码X补定义 正数的补码表示与其原码相同； 负数的补码则为它的反码加一。 即：若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1,例：X= -52= -110100B X原 = 10110100B X反 = 11001011B X补 = X反+1=11001100B,n位补码表示数值的范围是：,2、数0的表示方法 +0原=00000000B -0原=10000000B +0反=00000000B -0反=11111111B +0补=00000000B -0补= -0反+1 =10000

19、0000B,数0的原码不唯一。,数0的反码不唯一。,数0的补码唯一。,对8位字长，进位被舍掉,3、特殊数10000000B 同一个数在不同的码制中表示的真值不同 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：10000000B = 128,4、8位二进制数的表示范围 无符号数：0 255 原码： -127 +127 反码： -127 +127 补码： -128 +127,5、补码加减法的运算规则 通过引进补码，可将减法转换为加法运算。 规则如下： X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+ - Y补 X原= X补补 其中X，Y为正负数均可，只要符号位参

20、与运算就能自动得到正确的结果。,例：将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1)X补 = 00101110B,正数 所以：真值为 +0101110B X=+46,2)X补 = 11010010B,负数 X原= X补补 = 11010010补= 10101110B 所以：X = -0101110B = - 46,溢出：运算结果超出运算器所能表示的范围。,1.4.3 溢出判断,一、无符号数运算溢出判断,溢出判别方法： 当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,方法： 异号相加不会溢出。 同号相加可能溢出： 同号相加时，结果符号与加数符号相反则溢出； 方法：双高位判别法 两个带符号二进制数相加或相减时，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。,二、有符号数运算溢出判断,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