微机原理与接口技术(版)课件

1微机原理与接口技术微机原理与接口技术大家好大家好！1微机原理与接口技术大家好！2课程目标n掌握：掌握：n微型微型计算机的基本工作原理算机的基本工作原理n汇编语言程序言程序设计方法方法n微型微型计算机接口技算机接口技术n建立微型建立微型计算机系算机系统的整体概念，形成微机系的整体概念，形成微机系统软硬件开硬件开发的初步能力的初步能力2课程目标掌握：计算机发展至今有这种趋势计算机发展至今有这种趋势:组成越来越复杂、功能越来组成越来越复杂、功能越来越强、越强、应用越来越容易应用越来越容易这是建立在无数专业软这是建立在无数专业软件开发者艰苦努力所开件开发者艰苦努力所开发出的大量语言、软件发出的大量语言、软件工具基础之上工具基础之上电子、信息类专业的大学生，不能停留在与普通用户一样仅会电子、信息类专业的大学生，不能停留在与普通用户一样仅会“使用使用”计算机的层面，而应能创造性地利用计算机的硬件、软件计算机的层面，而应能创造性地利用计算机的硬件、软件资源资源,开发、设计出开发、设计出高效的解决实际应用问题的系统高效的解决实际应用问题的系统。要达此目的，除需学习高级语言外，要达此目的，除需学习高级语言外，还必须对计算机的组成、工作原理以还必须对计算机的组成、工作原理以及计算机与外部的信息交换方式、对及计算机与外部的信息交换方式、对外部系统的接口技术有深入的了解外部系统的接口技术有深入的了解计算机发展至今有这种趋势:组成越来越复杂、功能越来越强、应本课程涉及了两大部分：本课程涉及了两大部分：1.硬件部分：硬件部分：微型计算机的组成（要具体到寄存器的层次）及各部分微型计算机的组成（要具体到寄存器的层次）及各部分 的功能（以的功能（以8086为例）为例）微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理微型计算机与外设间的信息交换技术及对外设的控制、接口微型计算机与外设间的信息交换技术及对外设的控制、接口技术、系统扩展方法技术、系统扩展方法2.软件部分：软件部分：汇编语言及其程序设计（面对寄存器层次硬件的编程）汇编语言及其程序设计（面对寄存器层次硬件的编程）在如此深入的层面上理解计算机的工作原理，在如此深入的层面上理解计算机的工作原理，不单纯是为了知不单纯是为了知识，识，而是很多应用必须建立在此基础上，而是很多应用必须建立在此基础上，掌握了汇编语言编程掌握了汇编语言编程技术才能充分利用计算机的潜力。技术才能充分利用计算机的潜力。本课程涉及了两大部分：1.硬件部分：微型计算机的计计算算机机是是由由各各种种电电子子器器件件组组成成的的能能够够自自动动、高高速速、精精确确地地进进行行算算术术运运算算、逻逻辑辑控控制制和和信信息息处处理理的的现现代代化化设设备备，被被广广泛泛应应用于用于科学计算科学计算、数据（信息）处理数据（信息）处理和和过程控制过程控制等领域。等领域。计算机在科学计算中的应用有以下特点：计算机在科学计算中的应用有以下特点：1、完成科学计算一般、完成科学计算一般用高级语言编程用高级语言编程。2、科学计算、科学计算没有很强的实时性要求没有很强的实时性要求。3、计算中需要的、计算中需要的数据通常不是从现场实时采集的，计算数据通常不是从现场实时采集的，计算结果一般也不完成对外界的控制功能，结果一般也不完成对外界的控制功能，因而因而不需要有完成数不需要有完成数据采集任务的输入设备据采集任务的输入设备，也不需要有控制功能的输出设备与也不需要有控制功能的输出设备与其计算机相连其计算机相连。计算机是由各种电子器件组成的能够自动、高速、精 计算机在计算机在信息处理信息处理和和过程控制应用过程控制应用领域较复杂，有如下特点领域较复杂，有如下特点:实时性要求高，则要求程序更精练，运行更快。实时性要求高，则要求程序更精练，运行更快。1、对系统的实时性要求很高对系统的实时性要求很高要将专用输入输出设备与计算机连接并编程要将专用输入输出设备与计算机连接并编程控制（称为接口）控制（称为接口）2、通常、通常需用专门的输入设备将有关信息输入计算机需用专门的输入设备将有关信息输入计算机，用专门的输出用专门的输出设备输出处理结果或对被控对象实施控制设备输出处理结果或对被控对象实施控制。汇编语言编的程序汇编语言编的程序比用高级语言编的比用高级语言编的效率高效率高仅具备高级语言编仅具备高级语言编程方面的知识而不程方面的知识而不了解计算机硬件不了解计算机硬件不能胜任能胜任计算机在信息处理和过程控制应用领域较复杂，有如下7教材及实验指导书n教材：教材：n微机原理与接口技微机原理与接口技术（第（第3版）版）.冯博琴，吴宁博琴，吴宁主主编.清清华大学出版社大学出版社n实验指指导书n微机原理与接口技微机原理与接口技术实验指指导书（讲义）陈文革，吴宁，夏秦文革，吴宁，夏秦编.西安交通大学西安交通大学n微机原理与接口技微机原理与接口技术题解及解及实验指指导（第（第3版）版）.吴宁，吴宁，陈文革文革编.清清华大学出版社大学出版社7教材及实验指导书教材：第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它是电子数值积分计算机(TheElectronicNumbericalIntergratorandComputer)。引言引言计算机和微算机和微处理器理器发展概述展概述第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年ENIAC用了用了17468个真空电子管个真空电子管耗电耗电174千瓦千瓦，占地占地170平方米平方米，重达重达30吨吨每秒钟可进行每秒钟可进行5000次加法运算次加法运算。ENIAC用了17468个真空电子管耗电174千瓦，占地19 计算机的发展与电子技术，特别是微电子技术密切相关。通常按照构成计算机的发展与电子技术，特别是微电子技术密切相关。通常按照构成计算机的电子器件及其电路的变革，把计算机划分为若干计算机的电子器件及其电路的变革，把计算机划分为若干“代代”来标志计算来标志计算机的发展。机的发展。电子管电子管计算机（计算机（1946-1956）、）、晶体管晶体管计算机（计算机（1957-1964）、）、中小规模中小规模集成电路集成电路计算机（计算机（1965-1970）和）和大规模、超大规大规模、超大规模集成电路模集成电路计算机（计算机（1971-至今）。至今）。计算机的发展已经历了哪几代计算机的发展已经历了哪几代?目前，各国正研制和开发第五代目前，各国正研制和开发第五代“非冯非冯诺依曼诺依曼”计算机计算机和第六代和第六代“神经神经”计算机计算机。计算机的发展与电子技术，特别是微电子技术密切 微型计算机微型计算机属于第四代计算机属于第四代计算机，它和其他计算机的主要区别在于：它和其他计算机的主要区别在于：它的中它的中央处理器央处理器CPU采用了超大规模集成电路技术，采用了超大规模集成电路技术，将将CPU的各功能部件集成在的各功能部件集成在一块硅片上一块硅片上。20世纪世纪70年代初期，年代初期，由于由于微电子技术微电子技术和和超大规模集成电路技术超大规模集成电路技术的发展，的发展，导致了导致了以微处理器为核心的微型计算机以微处理器为核心的微型计算机的诞生。的诞生。微处理器微处理器(MicroprocessorUnit，MPU)，是微计算机中的中央处理单元是微计算机中的中央处理单元(CentralProcessingUnit)，简称，简称CPU。它是将计算机的控制逻辑和运算单元。它是将计算机的控制逻辑和运算单元集成在一个芯片上实现的。通常，微处理器中不包含内存储器及输入集成在一个芯片上实现的。通常，微处理器中不包含内存储器及输入/输出接输出接口电路。内存储器是独立于口电路。内存储器是独立于CPU之外的芯片或芯片组；输入之外的芯片或芯片组；输入/输出接口电路输出接口电路也常独立地做在一个芯片上。由于输入也常独立地做在一个芯片上。由于输入/输出设备的多样性，使得接口电路各输出设备的多样性，使得接口电路各有特色。有特色。微型计算机属于第四代计算机，它和其他计算机的主要区别在 从外表看，微型计算机的从外表看，微型计算机的CPUCPU是矩形或方形的块状物，是矩形或方形的块状物，通过众通过众多管脚与主板相连多管脚与主板相连。不过这是。不过这是CPUCPU的外衣的外衣CPUCPU的封装。而内部，的封装。而内部，CPUCPU的核心是一片不到的核心是一片不到1/41/4英寸的薄硅晶片英寸的薄硅晶片(英文名称为英文名称为diedie，核心，核心)。左边是揭了盖可以看到核心的处理器左边是揭了盖可以看到核心的处理器 在这小小的硅片上，密布着在这小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。从外表看，微型计算机的CPU是矩形或方形的块状物，通微处理器和微机发展极快，几乎每两年集成度翻一番，微处理器和微机发展极快，几乎每两年集成度翻一番，每每2 4年更新换代一次，现已进入第五、六代。年更新换代一次，现已进入第五、六代。Intel发布的第一颗处理器发布的第一颗处理器4004仅包含仅包含2千多个晶体管，而前千多个晶体管，而前三年发布的三年发布的Pentium8400EE处理器包含超过处理器包含超过2.3亿万个晶体管，亿万个晶体管，集成度提高了十万倍集成度提高了十万倍.单个单个CPU的核心硅片大小没有增大，甚至更小了，这的核心硅片大小没有增大，甚至更小了，这要求不断改进制造工艺，以便能生产出更精细的电路结构。要求不断改进制造工艺，以便能生产出更精细的电路结构。最新的处理器采用的是最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，即常说的微米技术制造，即常说的0.065微米线宽。微米线宽。微处理器和微机发展极快，几乎每两年集成度翻一 目前目前Intel正设计六核心处理器正设计六核心处理器Dunnington来替代目来替代目前的前的45nm四核心处理器四核心处理器Harpertown。Dunnington在一在一块邮票大小的芯片内部封装了三个双核处理器核心。块邮票大小的芯片内部封装了三个双核处理器核心。Intel的的65nm四核安腾处理器（四核安腾处理器（Tukwila）达到）达到20亿个亿个晶体管。晶体管。目前Intel正设计六核心处理器Dunnington来1.第一代第一代4位或低档位或低档8位微处理器位微处理器 典型产品是典型产品是Intel公司公司1971年研制成功的年研制成功的4004（4位位CPU）及）及1972年推出年推出的低档的低档8位位CPU8008。集成度约为集成度约为2300只只晶体管晶体管/片片。指令系统较。指令系统较简单，运算能力差，速简单，运算能力差，速度慢（平均指令执行时度慢（平均指令执行时间为间为10 20 s,每秒执行每秒执行6万条指令万条指令）。软件主要）。软件主要用机器语言及简单的汇用机器语言及简单的汇编语言编写。编语言编写。这是这是Intel4004 1.第一 2第二代第二代中高档中高档8位微处理器位微处理器 典型产品有典型产品有1974年年Intel公司生产的公司生产的8080，Zilog公司生产的公司生产的Z80、Motorola公司生产的公司生产的MC6800以及以及Intel公司公司1976年推出的年推出的8085。它们均。它们均具具有有16位地址总线位地址总线。集成度为集成度为9千余只晶体千余只晶体管管/片片，指令的平均执行时间，指令的平均执行时间为为1 2 s,速度比第一代快速度比第一代快10倍倍,指令系统相对较完善，已指令系统相对较完善，已具有典型的计算机体系结构具有典型的计算机体系结构以及以及中断、存储器直接存取中断、存储器直接存取(DMA)功能功能。可使用汇编语。可使用汇编语言及言及BASIC、FORTRAN等等高级语言编程。高级语言编程。这是这是Intel80802第二代中高档8位微处理器 3第三代第三代16位微处理器位微处理器典型产品是典型产品是1978年年Intel公司的公司的8086、Zilog公司的公司的Z8000和和Motorola公司的公司的MC6800。它们均。它们均具有具有20位地址总线位地址总线。集成度为集成度为29000个晶体管个晶体管/片片,可用可用时钟频率为时钟频率为4.77、8、10MHz,每秒可执每秒可执行行80万条指令万条指令,寻址范围寻址范围1M,有有近近300条指令条指令。具有丰富的指令系统、具有丰富的指令系统、多级中断系统、多处理机系统、段式存储器管多级中断系统、多处理机系统、段式存储器管理以及硬件乘除法器理以及硬件乘除法器等。等。这是这是Intel 8086Intel 8086 3第三代16位微处理器典型产品是197 1982年，年，Intel公司在公司在8086基础上研制出性能更优越的基础上研制出性能更优越的16位微处理器芯位微处理器芯片片80286。集成了集成了13.4万个晶体管，万个晶体管，有有24位地址总线位地址总线,主频主频20MHz,每秒可执行每秒可执行270万条指令。万条指令。并并具有具有多任务系统所必须的任务切换功能多任务系统所必须的任务切换功能、存储器存储器管理功能管理功能以及以及各种保护功能，各种保护功能，支持支持1GB以上的以上的虚拟内存。虚拟内存。一年后一年后Intel公司推出公司推出8088.其指令系统其指令系统与与8086完全完全兼容兼容，内部结构仍为内部结构仍为16位，但外部数据总线是位，但外部数据总线是8位的位的。以以8088为为CPU组成了组成了IBMPC、PC/XT等准等准16位微型计算机位微型计算机,由于由于其性能价格比高，很快占领了市场。其性能价格比高，很快占领了市场。以以80286为为CPU组成组成IBMPC/AT高档高档16位微机位微机1982年，Intel公司在8086基础上研制 4第四代第四代32位高档微处理器位高档微处理器 1985年，年，Intel推出推出32位微处理器位微处理器80386，集成了集成了275000个晶体管个晶体管，每每秒可执行秒可执行6百万条百万条指令指令,32位地址总线位地址总线,指令系统与指令系统与80286兼容。兼容。80386有两种结构有两种结构80386SX和和80386DX，SX内部结构为内部结构为32位，位，外部数据总线为外部数据总线为16位，位，采用采用80287作为协处理作为协处理器。器。DX内部结构、外内部结构、外部数据总线皆为部数据总线皆为32位，位，采用采用80387作为协处理作为协处理器。器。4第四代32位高档微处理器 1990年，年，Intel在在80386基础上研制出新一代基础上研制出新一代32位微处理器芯片位微处理器芯片80486，集成了集成了120万个晶体管万个晶体管，地址总线仍然为，地址总线仍然为32位，主频位，主频25MHz(后继型号可达后继型号可达100MHz)，指令执行速度可达指令执行速度可达20MIPS(百万条百万条/每秒每秒)以上。以上。80486相当于相当于把把80386、80387及及8KBCache集成在一块芯片集成在一块芯片上，上，性能比性能比80386有较有较大提高。大提高。1990年，Intel在80386基础上研制 5.第五代第五代64位高档微处理器位高档微处理器 Pentium集成了集成了300多万个晶体管多万个晶体管，数数据总线据总线64位，地址总位，地址总线线36位位，其主频有，其主频有50MHz、66MHz、133MHz、和、和166MHz等，等，指令执行速度可指令执行速度可达达100MIPS(每秒每秒1亿亿条条)以上。以上。典型产品是典型产品是1993年年Intel推出的推出的Pentium(奔腾，奔腾，Intel586)以及以及IBM、Apple和和Motorola三家公司联合生产的三家公司联合生产的PowerPC。Pentium 芯片5.第五代64位高档微处理器精简指令集计算机精简指令集计算机的特点是的特点是指令规整指令规整，这使指令译码电路简单，译码，这使指令译码电路简单，译码速度快；指令系统中只设置了使用频率较高的指令，因而指令条数少，指挥速度快；指令系统中只设置了使用频率较高的指令，因而指令条数少，指挥指令执行的控制逻辑电路简单，执行速度快。指令执行的控制逻辑电路简单，执行速度快。与精简指令集计算机对应的是与精简指令集计算机对应的是复杂指令集计算机复杂指令集计算机CISC，Intel的的Pentium微微处理器及其以前的微处理器产品都属于处理器及其以前的微处理器产品都属于CISC。Pentium有两条有两条超标量流水线超标量流水线，两个并行执行单元，两个并行执行单元及双高速缓冲存储器。及双高速缓冲存储器。PowerPC是一种是一种精简指令集计算机（精简指令集计算机（RISC），也是一种性能优异的，也是一种性能优异的64位微处理器，它也采用了先进的超标量流水线技术及双高速缓冲存储器。位微处理器，它也采用了先进的超标量流水线技术及双高速缓冲存储器。精简指令集计算机的特点是指令规整，这使指令译1995年年11月月,Intel发布发布PentiumPro,其主频为其主频为160MHz、200MHz，指令执行速度可达指令执行速度可达440MIPS(每秒每秒4.4亿条亿条)。1997年年1月月,Intel发布发布PentiumMMX,主频有主频有166MHz、200MHz、233MHz、266MHz,它在以前的它在以前的X86指令基础上增加了指令基础上增加了57条多条多媒体指令媒体指令.PentiumProPentiumMMX1995年11月,Intel发布PentiumPro,其1997年年5月月,Intel发布发布PentiumII,主频可达主频可达266MHz(后继型号可后继型号可达达333MHz)，执行速度可达执行速度可达466MIPS(每秒每秒4.66亿条亿条)以上以上PentiumII内部集成了内部集成了750万个晶体管，并整万个晶体管，并整合了合了MMX指令集技术。指令集技术。此时，并首次引入了此时，并首次引入了S.E.CS.E.C封装封装(Single(Single Edge Contact)Edge Contact)技术，技术，将高速缓存与处理器整将高速缓存与处理器整合在一块合在一块PCBPCB板上。板上。1997年5月,Intel发布PentiumII,主频可达1999年年2月月,Intel发布发布PentiumIII,主频有主频有450MHz、800MHz执行速度可达执行速度可达1000MIPS(每秒每秒10亿条亿条).采用采用0.25微米制造工艺，微米制造工艺，拥有拥有32K一级缓存和一级缓存和512K二级缓存二级缓存.包含包含MMX指令和指令和Intel自自己的己的“3D”指令指令SSE1999年2月,Intel发布PentiumIII,主频有2000年年11月月,Intel发布发布PentiumIV,主频有主频有1.4GHz、1.5GHz(后继型号已达后继型号已达3.4GHz).采用采用0.18微米铝导线工微米铝导线工艺，配合低温半导体介质技术制成，是一颗具有超级深艺，配合低温半导体介质技术制成，是一颗具有超级深层次管线化架构的处理器。层次管线化架构的处理器。PentiumIV设计中采用了很多新技设计中采用了很多新技术术,在理论上，在理论上，PentiumIV是完美无是完美无缺，可是实际状况却远非缺，可是实际状况却远非Intel想象想象的那么简单。第一代的那么简单。第一代PentiumIV可可以说是以说是Intel近几年内的最大失败。近几年内的最大失败。P4耗电惊人耗电惊人,其最致命的硬伤其最致命的硬伤是发是发热量很大热量很大,频率提升困难频率提升困难.2000年11月,Intel发布PentiumIV,主频有第二代第二代0.09微米制程的微米制程的PentiumM处理器将二级缓存处理器将二级缓存（L2Cache）倍增到）倍增到2MB，是第一代，是第一代PentiumM数量的两倍，晶体管数数量的两倍，晶体管数量也暴增到量也暴增到1亿亿4千万个。千万个。2003年年Intel发布了发布了PentiumM处理器处理器,一种专为一种专为移动计算移动计算而而优化的全新体系结构，是兼顾高性能和低功耗的创新设计。优化的全新体系结构，是兼顾高性能和低功耗的创新设计。PentiumM主频有主频有1.4GHz、1.5GHz、1.6GHz等，后继型号已达等，后继型号已达2.13GHz，采用的是，采用的是0.13微米制造技术微米制造技术,集成了集成了7700万个晶体管万个晶体管.频率为频率为2.13GHz采用了采用了2MB二级缓存二级缓存的的PentiumM770在在05年年1月上市。月上市。第二代0.09微米制程的PentiumM处理2006年2月,Intel公司的公司的比单核心比单核心P4还便宜还便宜的的廉价双核心廉价双核心CPU CPU PD805上市上市.为了加强竞争的砝码，为了加强竞争的砝码，Intel处理器正进行一次新的换处理器正进行一次新的换代，从代，从2 2005年年起到起到2006年中期，年中期，处理器的生产工艺全面转向处理器的生产工艺全面转向65nm制程。生产出更小的核心制程。生产出更小的核心芯片，芯片散热问题得到缓解，芯片，芯片散热问题得到缓解，时钟频率也有新的提升。时钟频率也有新的提升。2006年2月,Intel公司的比单核心P4还便宜的廉价1940年由数学家冯年由数学家冯.诺依曼首先提出的计算机体系诺依曼首先提出的计算机体系结构，其基本设计思想为：结构，其基本设计思想为：以二进制形式表示指令和数据以二进制形式表示指令和数据。程序和数据事先存放在存储器中，程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。高速地从存储器中取出指令加以执行。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统大部件组成计算机系统。到目前为止，计算机仍沿用冯到目前为止，计算机仍沿用冯.诺依曼的体系结构诺依曼的体系结构。1940年由数学家冯.诺依曼首先提出的计算机体系结构，其基30第1章微型计算机基础概论n主要内容主要内容：n微机系微机系统的的组成成n计算机中的算机中的编码、数制及其、数制及其转换n无符号二无符号二进制数的运算制数的运算n算算术运算和运算和逻辑运算运算n运算中的溢出运算中的溢出n机器数的表示及运算机器数的表示及运算n基本基本逻辑门及及译码器器30第1章微型计算机基础概论主要内容：31一、微型计算机系统n微型机的工作原理微型机的工作原理n微机系统的基本组成微机系统的基本组成31一、微型计算机系统微型机的工作原理321.计算机的工作原理冯 诺依曼依曼计算机的工作原理算机的工作原理 存存储程序工作原理程序工作原理321.计算机的工作原理冯诺依曼计算机的工作原理33存储程序原理n将将计算算过程描述程描述为由由许多条指令按一定多条指令按一定顺序序组成的程序，并放入存成的程序，并放入存储器保存器保存n指令按其在存指令按其在存储器中存放的器中存放的顺序序执行；行；n由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的的执行。行。33存储程序原理将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的34冯 诺依曼计算机体系结构运算器运算器存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备34冯诺依曼计算机体系结构运算器存储器控制器输入设备输35冯 诺依曼机的工作过程内存中的程序内存中的程序指令指令1指令指令2指令指令n 分析分析获取操作数获取操作数执行执行存放结果存放结果 程序计程序计数器数器PC地址地址CPU取出取出操作数操作数35冯诺依曼机的工作过程内存中的程序指令1指令2指令n36冯 诺依曼机的工作过程n取一条指令的工作取一条指令的工作过程：程：n将指令所在地址将指令所在地址赋给程序程序计数器数器PC；nPC内容送到地址寄存器内容送到地址寄存器AR，PC自自动加加1；n把把AR的内容通的内容通过地址地址总线送至内存送至内存储器，器，经地址地址译码器器译码，选中相中相应单元。元。nCPU的控制器的控制器发出出读命令。命令。n在在读命令控制下，把所命令控制下，把所选中中单元的内容（即指令操作元的内容（即指令操作码）读到数到数据据总线DB。n把把读出的内容出的内容经数据数据总线送到数据寄存器送到数据寄存器DR。n指令指令译码n因因为取出的是指令的操作取出的是指令的操作码，故数据寄存器，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令，然后再送到指令译码器器ID 36冯诺依曼机的工作过程取一条指令的工作过程：冯 诺依曼机的特点和不足n特点：特点：n程序存程序存储，共享数据，共享数据，顺序序执行行n属于属于顺序序处理机，适合于确定的算法和数理机，适合于确定的算法和数值数据的数据的处理。理。n不足：不足：n与存与存储器器间有大量数据交互，有大量数据交互，对总线要求很高；要求很高；n执行行顺序有程序决定，序有程序决定，对大型复大型复杂任任务较困困难；n以运算器以运算器为核心，核心，处理效率理效率较低；低；n由由PC控制控制执行行顺序，序，难以以进行真正的并行行真正的并行处理。理。37冯诺依曼机的特点和不足特点：37典型的非冯 诺依曼机结构n数据流数据流驱动的的计算机算机结构构n当指令具有所需数据、且当指令具有所需数据、且输出端没有数据出端没有数据时就可就可执行。行。38Dataflow Image Processing System典型的非冯诺依曼机结构数据流驱动的计算机结构38Dat392.系统组成 主机主机 硬件系硬件系统 外外设 微机系微机系统 系系统软件件 软件系件系统 应用用软件件CPU存储器存储器输入输入/输出接口输出接口总线总线392.系统组成微型计算机系统的组成框图微型计算机系统的组成框图硬件硬件微型机系统微型机系统外围设备外围设备过程控制过程控制I/O通道通道A/D,D/A转换器转换器开关量等开关量等外部设备外部设备键盘、鼠标等输入设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备显示器、打印机等输出设备软驱、硬盘及磁带等外存储器软驱、硬盘及磁带等外存储器主主机机输入输出输入输出(I/O)接口电路接口电路微处理器微处理器(CPU)运算器运算器(算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU)控制器控制器(控制单元控制单元CU)寄存器阵列寄存器阵列(RA)内存储器内存储器RAM,ROM,EPROMEEPROM,Cash等等系统软件系统软件软件软件用户（应用）软件用户（应用）软件微型计算机系统的组成框图硬件微型机系统外围设备过程控制I 微微型型计计算算机机硬硬件件系系统统采采用用总总线线结结构构，系系统统中中的的各各部部件与件与CPU以及各部件之间均通过系统总线连接。以及各部件之间均通过系统总线连接。微微处处理理器器(CPU)定时电路定时电路输入设备输入设备输出设备输出设备I/O接口接口ROMRAM微型计算机硬件系统结构框图微型计算机硬件系统结构框图主主机机三总线三总线地址总线地址总线AB数据总线数据总线DB外设外设控制总线控制总线CB何谓总线？何谓总线？定时电路输入设备输出设备I/O接口ROMRAM微型42微处理器n微微处理器理器简称称CPU，是是计算机的核心。算机的核心。n主要包括：主要包括：运算器运算器 控制器控制器 寄存器寄存器组42微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心。43存储器n定定义：n用于存放用于存放计算机工作算机工作过程中需要操作的数据程中需要操作的数据和程序。和程序。43存储器定义：44有关内存储器的几个概念n内存内存单元的地址和内容元的地址和内容n内存容量内存容量n内存的操作内存的操作n内存的分内存的分类44有关内存储器的几个概念内存单元的地址和内容45内存单元的地址和内容n内存按内存按单元元组织n每每单元都元都对应一个地址，以方便一个地址，以方便对单元的元的寻址址1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容45内存单元的地址和内容内存按单元组织1011046内存容量n内存容量：内存容量：n所含存所含存储单元的个数，以字元的个数，以字节为单位位n内存容量的大小依内存容量的大小依CPUCPU的的寻址能力而定址能力而定n实地址模式下地址模式下为CPUCPU地址信号地址信号线的位数的位数46内存容量内存容量：47内存操作n读：n将内存将内存单元的内容取入元的内容取入CPUCPU，原原单元内容不改元内容不改变；n写：写：nCPUCPU将信息放入内存将信息放入内存单元，元，单元中原来的内容被覆盖。元中原来的内容被覆盖。47内存操作读：48内存储器的分类随机存取存随机存取存储器（器（RAMRAM）只只读存存储器（器（ROMROM）按工作方按工作方式可分为式可分为48内存储器的分类随机存取存储器（RAM）按工作方49输入/输出接口n接口是接口是CPUCPU与外部与外部设备间的的桥梁梁CPUI/OI/O接口接口外外设设49输入/输出接口接口是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O50接口的分类串行接口串行接口并行接口并行接口数字接口数字接口模拟接口模拟接口输入接口输入接口输出接口输出接口50接口的分类串行接口数字接口输入接口51接口的功能n数据数据缓冲寄存；冲寄存；n信号信号电平或平或类型的型的转换；n实现主机与外主机与外设间的运行匹配。的运行匹配。51接口的功能数据缓冲寄存；52总线n基本概念基本概念n分分类n工作原理工作原理n常用系常用系统总线标准及其主要技准及其主要技术指指标 （具体内容（具体内容见后后续课程）程）52总线基本概念53软件系统n软件：件：n为运行、管理和运行、管理和维护计算机系算机系统或或为实现某一功能某一功能而而编写的各种程序的写的各种程序的总和及其相关和及其相关资料。料。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件53软件系统软件：系统软件应用软件操作系统软件54二、计算机中的数制和编码n数制和编码的表示数制和编码的表示n各种计数制之间的相互转换各种计数制之间的相互转换54二、计算机中的数制和编码数制和编码的表示551.常用计数法 十十进制（制（D D）二二进制（制（B B）十六十六进制（制（H H）551.常用计数法56例：n234.98D或（或（234.98）Dn1101.11B或（或（1101.11）BnABCD.BFH或（或（ABCD.BF）H56例：234.98D或（234.98）D572.各种进制数间的转换非十非十进制数到十制数到十进制数的制数的转换十十进制到非十制到非十进制数的制数的转换二二进制与十六制与十六进制数之制数之间的的转换 572.各种进制数间的转换非十进制数到十进制数的转换58非十进制数到十进制数的转换n按相按相应应的的权权值表达式展开表达式展开n例：例：n1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75n5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.558非十进制数到十进制数的转换按相应的权值表达式展开59十进制到非十进制数的转换n到二到二进制的制的转换：对整数：除整数：除2取余；取余；对小数：乘小数：乘2取整。取整。n到十六到十六进制的制的转换：对整数：除整数：除16取余；取余；对小数：乘小数：乘16取整。取整。59十进制到非十进制数的转换到二进制的转换：60二进制与十六进制间的转换n用用4位二位二进制数表示制数表示1位十六位十六进制数制数n例：例：n25.5 =11001.1B =19.8H n11001010.0110101B =CA.6AH60二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613.计算机中的编码nBCD码n用二用二进制制编码表示的十表示的十进制数制数nASCII码n西文字符西文字符编码613.计算机中的编码BCD码62BCD码n压缩BCD码n用用4位二位二进制制码表示一位十表示一位十进制数制数n每每4位之位之间有一个空格有一个空格n扩展展BCD码n用用8位二位二进制制码表示一位十表示一位十进制数，每制数，每4位之位之间有一有一个空格。个空格。62BCD码压缩BCD码63BCD码与二进制数之间的转换n先先转换为十十进 制数，再制数，再转换二二进 制数；反之同制数；反之同样。n例例：n（0001 0001.0010 01010001 0001.0010 0101）BCDBCD =11.25 =11.25 =（1011.011011.01）B B63BCD码与二进制数之间的转换先转换为十进制数，再转换二64ASCII码n西文西文 字符的字符的编码，一般用，一般用7位二位二进 制制码表示。表示。nD D7 7位位为校校验位，默位，默认情况下情况下为0。n要求：要求：n理解校理解校验位的作用位的作用n熟悉熟悉0-F的的ASCII码64ASCII码西文字符的编码，一般用7位二进制码表示。65ASCII码的奇偶校验n奇校奇校验n加上校加上校验位后位后编码中中“1”的个数的个数为奇数。奇数。n例：例：A的的ASCII码是是41H（1000001B）n以奇校以奇校验传送送则为 C1H（11000001B）n偶校偶校验n加上校加上校验位后位后 编码中中“1”的个数的个数为偶数。偶数。n上例若以偶校上例若以偶校验传送，送，则为 41H。65ASCII码的奇偶校验奇校验66三、无符号二进制数的运算算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算无符号数无符号数有符号数有符号数二进二进 制数的运算制数的运算66三、无符号二进制数的运算算术运算无符号数二进制数的运算67主要内容n无符号二无符号二进 制数的算制数的算术运算运算n无符号数的表达范无符号数的表达范围n运算中的溢出运算中的溢出问题n无符号数的无符号数的逻辑运算运算n基本基本逻辑门和和译码器器67主要内容无符号二进制数的算术运算681.无符号数的算术运算n加法运算加法运算n1+1=0（有（有进位）位）n减法运算减法运算n0-1=1（有借位）（有借位）n乘法运算乘法运算n除法运算除法运算681.无符号数的算术运算加法运算69乘除运算例n000010110100 =00101100B n000010110100=00000010B 即：商即：商=00000010B 余数余数=11B69乘除运算例000010110100702.无符号数的表示范围：0 0 X 2X 2n n-1-1若运算若运算结果超出果超出这个范个范围，则产生溢出。生溢出。对无符号数：运算无符号数：运算时，当最高位向更高位，当最高位向更高位 有有进位（或借位）位（或借位）时则产生生 溢出。溢出。702.无符号数的表示范围：71例：最高位向前有最高位向前有进位，位，产生溢出生溢出71例：最高位向前有进位，产生溢出723.逻辑运算n与、或、非、异或与、或、非、异或n掌握：掌握：n与、或、非与、或、非门逻辑符号和符号和逻辑关系（真关系（真值表）；表）；n与非与非门、或非、或非门的的应用。用。723.逻辑运算与、或、非、异或73“与”、“或”运算n“与与”运算：运算：n任何数和任何数和“0”相相“与与”，结果果为0。n“或或”运算：运算：n任何数和任何数和“1”相相“或或”，结果果为1。&1173“与”、“或”运算“与”运算：&1174“非”、“异或”运算n“非非”运算运算n按位求反按位求反n“异或异或”运算运算n相同相同则为0，相异，相异则为174“非”、“异或”运算“非”运算754.译码器n掌握掌握74LS138译码器器n各引脚功能各引脚功能n输入端与入端与输出端关系（真出端关系（真值表）表）754.译码器掌握74LS138译码器7674LS138译码器G1G2AG2BCBAY0Y7 n主要引脚及功能主要引脚及功能7674LS138译码器G1G2AG2BCBAY0Y777三、机器数（有符号数）的运算77三、机器数（有符号数）的运算78计算机中符号数的表示n机器数机器数n计算机中的数据算机中的数据n构成：构成：n符号位符号位+真真值 “0”表示正表示正“1”表示负表示负78计算机中符号数的表示机器数“0”表示正79例 +52=+0110100=0 0110100 符号位符号位 真真值-52=-0110100=10110100符号位符号位真值真值79例+52=+0110100=00801.符号数的表示n机器数的表示方法：机器数的表示方法：n原原码n反反码n补码801.符号数的表示机器数的表示方法：81原码n最高位最高位为符号位（用符号位（用“0”表示正，用表示正，用“1”表示表示负），其余），其余为真真值部分。部分。n优点：点：n真真值和其原和其原码表示之表示之间的的对应关系关系简单，容易理解；，容易理解；n缺点：缺点：n计算机中用原算机中用原码进行加减运算比行加减运算比较困困难n0的表示不唯一。的表示不唯一。81原码最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表示负），其82数0的原码n8位数位数0的原的原码：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：数即：数0的原的原码不唯一。不唯一。82数0的原码8位数0的原码：+0=0000000083反码对一个机器数一个机器数X：n若若X0，则 X反反=X原原n若若X0，则X补=X反反=X原原n若若X0，则X补=X反反+186补码定义：87例nX=52=0110100 X原原=10110100 X反反=11001011 X补=X反反+1=1100110087例X=52=0110100880的补码：n+0补=+0原原=00000000n-0补=-0反反+1=11111111+1 =1 00000000 对8 8位字位字长，进位被舍掉位被舍掉880的补码：+0补=+0原=0000000089特殊数10000000n对无符号数无符号数:（10000000）B=128n在原在原码中定中定义为：-0n在反在反码中定中定义为：-127n在在补码中定中定义为：-12889特殊数10000000对无符号数:（10000000）B90符号数的表示范围对8位二位二进制数：制数：n原原码：-127 +127n反反码：-127 +127n补码：-128 +12790符号数的表示范围对8位二进制数：912.符号二进制数与十进制的转换对用用补码表示的二表示的二进制数：制数：1）求出真）求出真值 2）进行行转换912.符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数：92例：补码数转换为十进制数nX补=0 0101110B 正数正数所以：真所以：真值=0101110B X=+46nX补=1 1010010B 负数数所以：真所以：真值不等于不等于-1010010B而是：而是：X=X补补=11010010补=-0101110=-4692例：补码数转换为十进制数X补=00101110933.符号数的算术运算n通通过引引进补码，可将减法运算，可将减法运算转换为加法运算。加法运算。n即：即：X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X+(-Y)补 =X补+-Y补注：运算时符号位须对齐注：运算时符号位须对齐933.符号数的算术运算通过引进补码，可将减法运算转换为加94例nX=-0110100，Y=+1110100，求求X+Y=？nX原原=10110100 nX补=X反反+1=11001100nY补=Y原原=01110100nX+Y补=X补+Y补 =11001100+01110100 =01000000nX+Y=+100000094例X=-0110100，Y=+1110100，求X+95符号数运算中的溢出问题n两个两个带符号二符号二进制数相加或相减制数相加或相减时，若运算，若运算结果超出可表达范果超出可表达范围，则产生溢出生溢出n溢出的判断方法：溢出的判断方法：n最高位最高位进位状位状态 次高位次高位进位状位状态1，则结果溢出果溢出95符号数运算中的溢出问题两个带符号二进制数相加或相减时，若96例：n若：若：X=01111000，Y=01101001 则：X+Y=n次高位向最高位有次高位向最高位有进位，而最高位向前无位，而最高位向前无进位，位，产生生溢出。溢出。（事（事实上，两正数相加得出上，两正数相加得出负数，数，结果出果出错）96例：若：X=01111000，Y=0110100197结束语：n第第1章章难点：点：补码的概念及其运算的概念及其运算97结束语：第1章难点：谢谢大家！