清华大学计算机硬件技术基础ZGP1

1 开课：电机工程与应用电子技术系 教师：刘建政 副教授 地址：二区305 电话：73237计算机硬件技术基础2 讲课：32学时 实验：15（5次实验，从第6周开始）教材：计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础(第2版)张菊鹏编清华大学出版社 包括：实验指示书和习题集共3册 参考书：1.IBM-PC汇编语言程序设计沈美明 等 清华出版社2.微型计算机技术及应用（第二版）戴梅萼 等 清华出版社 3.Barry B.Brey:The Inter Microprocessors 8086/8088,80186/80188,80286,80386,80486,Pentium,and Pentium Pro ProcessorArchitecture,Programming,and Interfacing.Fourth Edition 计算机硬件技术基础3第1章 微机基础1.1 计算机中的数制和编码1.2 微型计算机的结构1.3 8086/8088微处理器本堂课作业:(计算机硬件技术基础习题集)1-2(3)；1-3(2)(4)；1-4(2)；1-5(3)；1-6(1)(5);1-8(2)(3);1-9(1)(3);1-12(1)(3)*课件下载地址：ftp:/待定4 本课程是我校一门重点技术基础课，要求学会本课程是我校一门重点技术基础课，要求学会计计算机硬件方面的最基本知识。算机硬件方面的最基本知识。课程特点：课程特点：1.1.发展更新快发展更新快 2.2.无理论推导、表面上容易，但繁琐无理论推导、表面上容易，但繁琐 3.3.量大量大,学时少学时少4.4.难点在软件与硬件的结合，即控制软件难点在软件与硬件的结合，即控制软件 5.5.上机实验很重要上机实验很重要 课程具体要求：课程具体要求：1.1.作业、实验报告按时交作业、实验报告按时交 每人准备每人准备1 1本作业纸本作业纸,下周上课前由课代表将上下周上课前由课代表将上周作业收齐交到西主楼周作业收齐交到西主楼2 2区区305305。作业每次改一半。作业每次改一半并进行登记并进行登记,实验报告在下次实验前交。实验报告在下次实验前交。5 2.2.实验提前准备好实验提前准备好,予先写出实验予习报告予先写出实验予习报告,包包括括编好上机程序。实验完成后经老师检查认可编好上机程序。实验完成后经老师检查认可,并在并在予习报告上签字。予习报告上签字。3.3.认真听课、复习、做实验认真听课、复习、做实验,有部分同学开始感有部分同学开始感到入门难。千万别等到期末总突击。到入门难。千万别等到期末总突击。4.4.课程考核及总成绩构成：课程考核及总成绩构成：期中、期末考试期中、期末考试(开卷开卷)占占50%50%实实 验验 占占20%20%作作 业业 占占20%20%其其它它占占10%10%注：其它包括考勤、回答问题等注：其它包括考勤、回答问题等 6教学思想：教学思想：本班同学大部分来自非电类系，加上我们学时较少本班同学大部分来自非电类系，加上我们学时较少（仅（仅3232学时），重点应在以拓宽同学们的知识面学时），重点应在以拓宽同学们的知识面为主（泛讲），很多环节不能做过多的和深入的为主（泛讲），很多环节不能做过多的和深入的展开。课堂教学也不全部灌输式教学，可能安排展开。课堂教学也不全部灌输式教学，可能安排一些设计、练习或讨论等。一些设计、练习或讨论等。欢迎同学们就教学方法提出宝贵的建议。欢迎同学们就教学方法提出宝贵的建议。联系电话：联系电话：7323773237（办）（办）地址：地址：西主楼西主楼2 2区区30530571.1 计算机中的数制和编码1.1.1 常用进位计数制及其相互转换 十进制数：09 逢十进位 二进制数：01 逢二进位例：1101.101B 以B结尾，表示二进制数 十六进制数：09，AF 逢十六进位例：0BF4H 以H结尾，表示十六进制数 81.1.2 二进制编码1BCD码(又叫：二十进制编码、8421码)计算机中采用二进制,运算规律简单，但不直观.例：00111010B=？又例:0.3万 0。01001100 为此采用二进制数对十进制数编码00000 每一位十进制数用四位二进制编00011 码表示,故又叫二十进制编码 100199 一 类 叫 组 合（或 叫 压 缩）的 B C D 码：它用一个字节表示2位BCD码例：(0110 1001)BCD 69另一类叫未组合（或叫非压缩）的BCD码：1个字节只用低4位来表示BCD码，高4位为0例：(0000 1000)BCD 08BCD码有两类：102ASCII码（美国标准信息交换码）计算机处理的信息除数字外，还需处理字母和符号，这些字符也用二进制编码表示：D7 D6 D0 奇偶标志 编码 （或填0）故ASCII码从007FH，共128个。代表09，ABC，abc，+，-，*，/等，参见P15页表1-4.111.1.3 二进制运算（算术、逻辑）加、减、乘、除不介绍了，参考一下书上内容。与运算：例：1100 1001 1011 0101 1000 0001 或运算：例：1100 1001 1011 0101 1111 110112异或运算：例：1100 1001 1011 0101 0111 1100对十六进制加、减运算，可化为二进制进行运算，也可直接进行运算 例：06B3 H 0000 0110 1011 0011 B +3D25 H +0011 1101 0010 0101 B 43D8 H 0100 0011 1101 1000 B 131.1.4 带符号数的表示法：用最高有效位来表示数的符号。0表示正数 1表示负数对8位字长，D7为符号位例：X=0100 0100b表示为+44h，+68d X=1100 0100b表示为-44h，-68d 机器数 真值14带符号数的表示：1原码表示：符号 数值 X=+68，X原=0100 0100 X=-68，X原=1100 0100152反码表示：X=正数，X反=X原X=负数，X反=X原中的符号位不变，其余位按位求反例：X=+1000100 则：X反=01000100 X=-1000100 则：X反=10111011其余位按位求反163补码表示：X=正数，X补=X原 X=负数，X补=2n-|X|式中2n 为模，n为位数例：X=-100 0100b设n=8 X补=28d-100 0100b=1 0000 0000-100 0100=1011 1100b 1 0000 0000 28 -100 0100 1011 110017为避免做减法，可写成：X补=28-1000100 =11111111+1-1000100 =(11111111-1000100)+1 =X反+1举例：真值补码 对正数:X补=X原 对负数按定义：X补=X反+118例1 -2补=-000 0010补 =1111 1101+1 =1111 1110例2 -127补=-1111111补 =10000000+1 =10000001例3 -0补=-000 0000补 =1111 1111+1 =0000 0000（最高位舍掉）其余位按位求反19 补码 真值 X补=0010 1110 为正数 则真值 X=+010 1110=+46 X补=1101 0010 为负数真值 X=-(X补包括符号位求反加1)X=-0010 1101+1=-0010 1110（-46）20 若机器字长为16位，写出X=-46D的补码。先写出8位-46补=1101 0010再进行符号扩展，扩展方法为：正数在高8位补0，负数在高8位补1故-46补=1111 1111 1101 0010=FFD2H 若本身是一个16位负数，可按X反+1求。8 位补码中的一个特殊数：1000 0000在补码中定义为-12821补码运算好处：将减法运算变成加法运算 （运算器只有加法器）例：96-20=？0110 0000 +96补 +1110 1100 -20补 10100 1100 76 -2 0 补=-0 0 1 0 1 0 0 自然丢失 =11101011+1221。1。5 二进制表示范围1对8位数：（参见P10表1-2）（1）无符号数0255（2）有符号数 原码：最小 1111 1111 -127 最大 0111 1111 +127 0000 0000 +0 1000 0000 -023反码：最小 1000 0000 -127 最大 0111 1111 +127 0000 0000 +0 1111 1111 -0补码：最小 1000 0000 -128 最大 0111 1111 +127 0000 0000 0242对16位数：（1）无符号数范围：065535（2）有符号数，只写出补码：最小 8000H -32768 最大 7FFFH +32767 0 0000H以后学习中，谈到有符号数，均指的是补码，其运算结果也是补码。25几个常用名词位 bit字节 Byte缩写：B（8bit）字 Word缩写：W1字=2字节双字 Double Word 缩写：DW 1个双字=4字节=32位字长 多少 bit26 1.2 微型计算机的结构1.2.1 微处理器（P或MP）又叫CPU，中央处理单元。包括如下几个部分：1.算术逻辑单元（ALU），执行算术和逻辑运算等 操作。运算结果的一些特征位送标志寄存器。2.累加器和通用寄存器组，用来保存参加运算的 数据及运算的中间结果。累加器是一个特殊的 寄存器。3.程序计数器、指令寄存器和指令译码器。要执 行的指令地址由程序计数器提供；指令寄存器 用来存放从内存中取来的指令码；指令译码器 则用来对指令码进行译码。4.时序和控制单元，当指令译码器对程序中的指 27令进行译码时，产生相应的控制信号送时序电路，形成一定的时序控制信号，送到控制逻辑电路，发出相应的控制信号，控制微机中各部件协调工作。P型号很多：8位：有8080、8085、6805、Z80等 16位：Intel 8086/8088、Z8000、MC68000 32位：Intel 386、486、Pentium、Motorola 68020等281.2.2 微型计算机（C或MC）数据总线DB控制总线CB微处理器CPU存储器输入/输出接口电路外围设备地址总线AB结构图如下：图1-1 微型计算机的基本结构29C包括如下几部分：MP（CPU），为C的核心部件 总线（BUS），分AB、DB、CB用来传输信息 存储器，存储程序和数据 I/O接口，是微机和外设相连的桥梁 注意图中箭头方向有单向和双向两种。301.2.3微型计算机系统(CS或MCS）包括下面几部分：微型计算机(MC)系统软件：含操作系统,语言处理软件,编辑程序,调试程序等外设：输入设备 例键盘、扫描仪等。输出设备 例CRT、打印机、绘图仪等。磁盘、磁带既是输入设备又是输出设备电源311.3 8086/8088微处理器 8086：为Intel系列的16位MP，+5V电源，有16根数据线，20根地址线 8088：为准16位MP，内部结构为16位数据线，对外为8位，其余同80861.3.1 8086/8088的寄存器结构 下图表示了8086/8088的寄存器结构(参见P22的图1-3。图中上面数据寄存器错成指针寄存器)32AHALBHCLCHDLDHSPSIBPCSDIDSES SSPSWAXBXCX累加器DX基 数IP计 数数 据数据 寄存器基数指针源 变 址指令指针堆栈指针目的变址状态标志堆栈分段附加分段数据分段码 分 段变址 寄存器指针 寄存器通用 寄存器控制 寄存器段 寄存器8086/8088的寄存器结构BL图1-2331通用寄存器：数据寄存器：AX、BX、CX、DX。这4个16位 寄存器可作为8个8位寄存器AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL来使用。指针及变址寄存器：只能按16位处理SP堆栈指针寄存器BP基址指针寄存器SI源变址寄存器DI目的变址寄存器SP、BP与SS联用SI、DI与DS联用 其中SI、DI有自动增量和减量功能 指针寄存器变址寄存器342段寄存器：CS 码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 ES 附加段寄存器,(辅助的数据区）3控制寄存器：IP 指令指针寄存器：存放码段中偏移地址 PSW 状态标志寄存器：下面专门有一节讨论351.3.2 8086/8088的编程结构：参见P23图1-4,分成两大部分：右侧部分为总线接口单元(BIU)，负责与存、I/O 传送数据。左侧部分为执行单元(EU)，负责指令的执行。由于这两部分是分开的，每当EU执行一条指令时，BIU就马上从内存中取来下一条指令，这样，一般情况下，CPU在执行完一条指令后，便可马上执行下一条指令。从而 提高了cpu的运行效率。361.3.3 8086/8088的存储器组织1.存储单元的地址和内容 存储器以字节为单位存储信息，每个存储（字节）单元有一个地址，地址用1 6 进 制 格 式 表 示，如：0 0 0 0 H，0001H000AH000FH，16位二进制数可表示的地址范围为065535。用16进制表示为：0000HFFFFH。计算机中讨论存储器容量以2=1024为基本单位，称为1K字节。103778H1AH0000H0001H0002H0003H译码器6FH3BH1A78H1A79H1A7AH1A7BH.存储单元的地址和内容图1-3 A15A038设2号单元中存放的内容为78H，表示为:（0002H）=78H如果数据以字为单位，则占用连续的两个字节单元，且用低地址表示：（0002H）=1A78H若 0 0 0 2 单 元 的 内 容 为 一 个 地 址，而(1 A 7 8 H)=3 B 6 F H，则 可 记 为(0002H)=3B6FH39 8086/8088有20条地址线，其寻址范围为：220=1048576=1024KB=1M（字节），地址从00000FFFFFH 但8086/8088中有关地址的寄存器都是16位的，寻址范围最多为64KB。那么16位字长的机器里用什么办法提供20位地址？采用存储器地址分段的办法解决。我们编程时可把存储器划分成段，每段最大可寻址64KB，这样段内地址可用16位表示。2.存储器地址的分段：40例我们可这样分段：000000FFFFH第1段100001FFFFH第2段200002FFFFH第3段 E0000EFFFFH第15段F0000FFFFFH第16段每段64KB，共16段41 其实不一定这样划分，每段大小可任意，段的起始地址亦可任意。在1MB的存储器中，每一个存储单元都有一个唯一的20位地址，称为该存储单元的物理地址（又叫实际地址）.另一种叫逻辑地址，由两部分组成：段基址和偏移量。程序中不能使用20位的物理地址，而使用16位逻辑地址。20位物理地址由16位段地址和16位偏移地址组成42计算方法如下：10H段地址+偏移地址=物理地址 一个物理地址可对应多个逻辑地址 例：10145H可对应 10100+45 也可对应 10140+05对应前面提到的四个段寄存器CS、DS、SS和ES，有各自的用途：取指令码时用 CS+IP 堆栈操作时用SS+SP 43涉及一个操作数时用 DS+16位偏移量 ES+16位偏移量 各段在存储器中的分配一般由操作系统负责，也允许编程人员指定所占的内存区。