第1章微型计算机的基础知识课件

,微机原理与接口技术,第,1,章,微型计算机的基础知识,*,物理学与电子工程学院,主讲教师：物理学与电子工程学院 王玉平,电子邮件：,flwyp,QQ,：,524693116,微机原理及应用,微机原理及应用,第,1,章 微型计算机的基本知识,1.1,微型计算机系统概述,1.2,微型计算机中的数及其编码,第1章 微型计算机的基本知识1.1 微型计算机系统概述,1.1,微型计算机系统概述,1.1.1,微处理器和微型计算机系统的发展,1.1.2,微型计算机基本结构,1.1.3,微处理器的内部结构,1.1.4,微型计算机的工作原理,1.1 微型计算机系统概述1.1.1 微处理器和微型计算机,1.1.1,微处理器和微型计算机系统的发展,1971,年,第一款,4,位微处理器,4004,面世，频率为,108KHz,，内含,2300,个晶体管，从此揭开了,CPU,发展的序幕。,1972,年,英特公司推出,8,位,CPU,8008,，频率为,200KHz,。,1974,年,英特发布首款真正的通用微处理器,Intel,8080,，时钟频率为,2MHz,。,1976,年,英特发布时钟频率为,5MHz,的,8085,微处理器。,1978,年,英特推出,16,位,CPU,8086,，时钟频率为,4.77MHz,。,1.Intel,系列微处理器的发展,1.1.1 微处理器和微型计算机系统的发展 1971年,1979,年,英特推出,8088,微处理器，内含,29000,个晶体管，时钟频率为,4.77MHz,。,1982,年,英特推出,16,位的,CPU,80286,，内含,13.4,万个晶体管，,PC,产业真正开始腾飞。,1985,年,英特推出,32,位的,CPU,80386,，内含,27.5,万个晶体管。,1989,年,英特推出,80486,微处理器，内含,120,万个晶体管。,1993,年,英特推出,Pentium,（奔腾）处理器（俗称,586,），集成了,310,万个晶体管。,1995,年,英特推出专为服务器和工作站设计的,Pentimu Pro,处理器，内含,550,万个的晶体管。,1979年英特推出8088微处理器，内含29000个,1996,年,英特推出采用了,MMX,（多媒体增强指令集）技术的,Pentium,处理器。,1997,年,英特推出,Pentium,处理器，集成了,750,万个晶体管。,1999,年英特发布,Pentium,处理器，内含,900,万个晶体管。,2000,年,英特发布,Pentium 4,处理器，内含,4200,万个晶体管。,2006,年,1,月,Core,酷睿,2006,年,7,月,Core2 Duo,双核,2006,年,11,月,Core2 Quad,4,核,2008,年,11,月,Core i7,1996年英特推出采用了MMX（多媒体增强指令集）技,微型计算机系统的发展体现在两个方面：,第一,，硬件的发展。它是随着,CPU,的发展而发展，推动,CPU,发展的主要基础是电子技术的发展，影响,CPU,发展的主要因素是,新的设计思想,和,新的制造工艺,。,第二,，软件的发展。它是随着人们对计算机应用要求的不断提高而发展的。,2.,微型计算机系统的发展,微型计算机系统的发展体现在两个方面：2.微型计算机系,1.1.2,微型计算机基本结构,目前的计算机称为,冯,诺依曼体系结构,计算机，主要特点有：,（,1,）,采用二进制形式表示指令和数据,；,（,2,）,计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成,；,（,3,）,将程序事先存入主存储器中，使计算机能自动高速地从存储器中逐条取指令、执行指令,。,微型计算机的硬件主要包括：,CPU,、主板、内存、外存、显示器、键盘、鼠标等。虽然这些部件的功能与性能都有了巨大的发展，但是计算机的基本结构未变。,1.1.2 微型计算机基本结构 目前的计算机称为冯诺,计算机的基本结构框图,存储器,输入设备,输出设备,控制器,运算器,计算机的基本结构框图 存储器输入设备输出设备控制器运算器,（,1,）,运算器,：由运算器件和寄存器组等构成，主要实现算术运算和逻辑运算。,（,2,）,控制器,：控制器是计算机的核心，由指令寄存器、指令译码器、时序电路、控制信号发生器等构成，产生指令执行时的各种控制信号。,（,3,）,存储器,：由地址译码器、存储体等构成，主要用于存储信息。,（,4,）,输入设备,：将外部信息输入到计算机中。,（,5,）,输出设备,：将计算机中的信息输出到外部。,（1）运算器：由运算器件和寄存器组等构成，主要实现算术,微型计算机的结构特点,微型计算机是计算机家族中一个特殊成员，遵从计算机的组成原理，具有三个显著特点：,（,1,）微型计算机以,主板,作为硬件组件的集成平台；,（,2,）微型计算机采用,总线,结构，连接各硬件组件，传送各种信息；,（,3,）微型计算机将运算器和控制器集成在一个芯片上，称为,微处理器,，简称,CPU,。,微型计算机的结构特点 微型计算机是计算机家族中一个特,微型计算机的基本结构,数据总线（,DB,）,中央,处理器,CPU,内存储器,控制总线（,CB,）,地址总线（,AB,）,I/O,接口,I/O,接口,I/O,设备,I/O,设备,微型计算机的基本结构数据总线（DB）中央内存储器控制总线（C,（,1,）,CPU,的基本功能,数据运算,：根据程序要求，完成各种运算。,指令控制,：程序是由一系列的指令组成的序列，指令控制即控制程序的执行顺序。,操作控制,：一条指令的功能往往由若干个操作组合实现；,CPU,负责分析指令，并产生相应的操作信号，把操作信号送往相应的组件，控制这些组件完成相应的操作。,时序控制,：对各组件的操作进行时间上的定时，控制各个操作按时序协调进行。,1.,中央处理器（,CPU,）,（1）CPU的基本功能1.中央处理器（CPU）,（,2,）,CPU,的性能指标,字和字长,：“字”是,CPU,内部进行数据处理的基本单位，通常与,CPU,内部的寄存器、运算器、总线宽度一致。一个字所包含的二进制位数称为“字长”。常见的,CPU,的字长有,8,位、,16,位、,32,位和,64,位等。,主频,：主频是,CPU,内部的工作时钟频率，主频越高表明,CPU,的运行速度越快。早年,CPU,的主频只有几,MHz,，现在的,CPU,主频可达几千,MHz,。,平均运算速度（,MIPS,）,：常用单位时间执行百万条指令数来描述。早年的,CPU,一般只有几十（,MIPS,），现在的,CPU,可达几千（,MIPS,）。,（2）CPU的性能指标,（,1,）主板,主板是微型计算机中各主要部件的载体，还提供有多个扩展插槽和外设接口，主要由总线控制器、总线和接口驱动电路等主成。,一般影响主板发展的因素有三个：,第一,，新的,CPU,；,第二,，新的芯片组；,第三,，新的总线标准。,2.,主板与总线,（1）主板2.主板与总线,（,2,）总线,总线是连接计算机各部件的一组公用导线。,总线的分类,根据所处的位置分类,片内总线,：位于微处理器芯片的内部，用于算术逻辑单元,ALU,与各种寄存器或者其他功能单元之间的相互连接。,片间总线,：又称局部总线，用于各芯片之间的连接，主要用于,CPU,与其它接口芯片的连接，一般是,CPU,引脚的延伸，往往需要增加锁存、驱动等电路，以提高,CPU,引脚的驱动能力。,（2）总线,内部总线,：又称为微型计算机系统总线，用于微型计算机系统各插件板之间的连接，是微型计算机系统的最重要的一种总线。,外部总线,：又称通信总线，用于系统之间的连接，如微机系统之间，微机系统与仪器、仪表或其他设备之间的连接。,根据功能分类,地址总线,：传送地址信号的总线，一般为单向、三态总线。,数据总线,：传送数据信号的总线，为双向、三态总线。,控制总线,：传送控制信号的总线，有的为单向、有的为双向，有的为三态，有的为非三态。,内部总线：又称为微型计算机系统总线，用于微型计算机系,总线的特性,物理特性,：指总线物理连接的方式。包括总线的条数、总线的插头、插座形状、引脚排列等。,功能特性,：指总线中，每一根线的功能是什么。,电气特性,：指总线中，每一根线上信号的传送方向、有效电平范围，负载能力，阻抗等。,时间特性,：指总线中，每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。,总线的特性,存储器的主要作用是存储数据和程序，其结构如图所示。,3.,存储器,存储器的主要作用是存储数据和程序，其结构如图所示。3,它由,256,个存储单元组成，为了区分不同的存储单元，对这些存储单元分别用,8,位二进制数编号，用两位十六进制数表示，这就是它们的地址，如,00H,、,01H,、,02H,、,、,FFH,等；而每一个存储单元可以存放,8,位二进制信息，这就是它们的内容。,（,1,）读操作,将存储器中某个单元的内容传送至,CPU,中。首先通过,CPU,的地址寄存器、地址总线传送单元地址至存储器，存储器的地址译码器对地址译码，找到对应存储单元，然后,CPU,发读控制命令，于是存储单元的内容就出现在数据总线上，送至,CPU,的数据寄存器。,存储器的读出是非破坏性的，即信息读出后存储单元的内容不变。,它由256个存储单元组成，为了区分不同的存储单元，对,第1章微型计算机的基础知识课件,（,2,）写操作,将,CPU,中的数据传送至存储器的某单元中。要把数据寄存器中的内容传送到存储单元，首先要求,CPU,的地址寄存器给出单元地址，并通过地址总线传送至存储器，经译码后选中对应的存储单元，然后把数据寄存器中的内容经数据总线传送至存储器；且,CPU,发出写的控制命令，于是数据总线上的信息就写入到对应的存储单元中。,信息写入后，在没有新的信息写入以前，该信息一直保持不变。,（2）写操作,第1章微型计算机的基础知识课件,（,3,）存储器的技术指标,存储容量,指存储器的存储单元能够存放的信息总量。可以用二进制位为单位进行表示，也可以用字节为单位进行表示。,存取时间和存取周期,存取时间指完成一次存储器操作所需要的时间。,存取周期指启动连续两次存储器操作的最小间隔时间。,启动第,n+1,次,完成第,n,次,启动第,n,次,完成第,n+1,次,存取时间,存取周期,（3）存储器的技术指标启动第n+1次完成第n次启动第n,内,存,只读存储器,（,ROM,）,读写存储器,（,RAM,）,掩膜,ROM,PROM,：一次可编程,ROM,EPROM,：紫外线擦除可编程,ROM,EEPROM,：电擦除可编程,ROM,FLASH ROM,：快速,ROM,静态存储器,（,SRAM,）,动态存储器,（,DRAM,）,SDRAM,：单倍速动态,RAM,DDRAM,：双倍速动态,RAM,RDRAM,：随机读写动态,RAM,软磁盘、硬磁盘、磁带、光盘、,U,盘,外,存,存,储,器,（,4,）存储器分类,内只读存储器读写存储器掩膜ROM静态存储器动态存储器SDRA,4.,输入输出（,I/O,）设备,输入设备的作用是将原始数据和程序输入到计算机内部，转换成为二进制代码。,输出设备的作用是将二进制代码转换为相应的源信息形式，输出数据信息。,4.输入输出（I/O）设备 输入设备的作用是将原始数据,1.1.3,微处理器的内部结构,1.1.3 微处理器的内部结构,1.1.4,微型计算机的工作原理,1.1.4 微型计算机的工作原理,微处理器基本工作过程,微处理器的基本工作过程包括四个步骤：,（,1,）取指令,（,2,）分析指令,（,3,）发送操作信号，执行指令,（,4,）为执行下一条指令做准备,微处理器基本工作过程 微处理器的基本工作过程包括四个步,假设程序已存储在内存单元中，程序计数器中保存着将要执行的指令的地址，控制器将程序计数器中的地址送至地址寄存器,MAR,，并发出读命令，存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器,IR,。,指令译码器对,IR,中的指令进行译码分析，确定该指令的操作功能。,控制逻辑阵列向存储器、运算器等等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作。,修改程序计数器的内容，为取下一条指令做准备。,假设程序已存储在内存单元中，程序计数器中保存着将要执,微型计算机系统,以微型计算机为主体，配上系统软件和外部设备以后，就构成完整的微型计算机系统。,微型计算机系统 以微型计算机为主体，配上系统软件和外部,第1章微型计算机的基础知识课件,1.2,微型计算机中的数及其编码,1.2.1,字符的编码,1.2.2,微型计算机中数值的表示方法,1.2.3,微型计算机中数的运算方法,1.2 微型计算机中的数及其编码1.2.1 字符的编码,计算机中的信息,控制信息,数据信息,非数值数据,数值数据,有符号数值数据,无符号数值数据,计算机中的信息控制信息数据信息非数值数据数值数据有符号数值数,1.2.1,字符的编码,字符在计算机中的表示形式，称为计算机中的字符编码。包括西文字符编码和中文字符编码等。,1.ASCII,码（美国信息交换标准码）,标准,ASCII,码用,7,位二进制数表示一个字符，它有,128,种组合，可以表示,128,个字符。包括“,0,9”,、“,A,Z”,、“,a,z”,，以及常用标点符号和各种控制字符。,在计算机中用一个字节表示一个,ASCII,码字符，即在,7,位,ASCII,前最高位置为,0,。,扩展,ASCII,码用,8,位二进制数表示一个字符，有,256,种组合。,1.2.1 字符的编码 字符在计算机中的表示形式，称为,2.,汉字编码,用计算机处理汉字，每个汉字必须用代码表示。键盘输入汉字是输入汉字的外部码。外部码必须转换为内部码才能在计算机内进行存储和处理。为了将汉字以点阵的形式输出，还要将内部码转换为字形码。,（,1,）外部码,汉字主要是从键盘输入，每个汉字对应一个外部码，外部码是计算机输入汉字的代码，是代表某一个汉字的一组键盘符号。外部码也叫输入码。汉字的输入方法不同，同一个汉字的外部码可能不一样，有,数据输入码、拼音输入码和字形输入码等。,2.汉字编码,（,2,）交换码,交换码又称为国标码，用,14,位二进制数来表示一个汉字。将汉字和符号分为,94,个区，每个区分为,94,位。分别用两位十进制数表示区号和位号构成其区位码，将常用的,6763,个汉字分为两级，一级有,3755,个，二级有,3008,个。将区号和位号分别加,32,，再分别转换成十六进制数，构成国标码。,（,3,）内部码,它是在计算机中存储和传送汉字时的编码。用,16,位二进制数来表示一个汉字。内部码和交换码的关系为：,内部码,=,交换码,+8080H,（2）交换码,（,4,）输出码,汉字输出码又称汉字字形码或汉字发生器的编码。它是显示汉字时的点阵码。常用的有,1616,，,3232,，,4848,等。汉字库就是存放汉字输出码的文件,。,汉字信息处理系统模型,汉字输入,外部码,交换码,内部码,地址码,汉字输出,输出码,（4）输出码汉字信息处理系统模型 汉字输入外部码交换码,3.BCD,码,BCD,码称为用二进制表示的十进制数，常用的有两种。,（,1,）压缩,BCD,码,用,4,位二进制数表示,1,位十进制数。其对应关系为：,（,0,9,）,10,=,（,0000,1001,）,BCD,（,2,）非压缩,BCD,码,用,8,位二进制数表示,1,位十进制数，低,4,位与压缩,BCD,码相同，高,4,位可任意。即：,（,0,9,）,10,=,（*,0000,*,1001,）,BCD,3.BCD码,1.2.2,微型计算机中数值的表示方法,1.,机器数与真值,真值,：数值的真实值，用“,+”,、“,-”,号表示数的符号，数据位表示数的大小的表示形式（日常生活中数的表示形式），真值可以是多种进制。,机器数,：真值在计算机中的表示形式，通常要先规定其长度（定长），机器数只能是二进制，符号也必须用二进制表示（符号数字化）。符号的数字化规则为：,“,+”“0”,“-”“1”,1.2.2 微型计算机中数值的表示方法1.机器数与真值,2.,无符号数和有符号数,无符号数,：无符号位，按正数理解，所有位都表示数值位。,n,位无符号二进制整数的表示的范围为,0,2,n,-1,n,位无符号二进制小数的表示的范围为,0,1-2,-n,有符号数,：最高位为符号位，可正可负，其余位为数值位。,有符号数在计算机中有多种编码形式，常用的有,原码,、,反码,、,补码,等，不同的编码形式表示的范围可能不相同。,2.无符号数和有符号数,3.,原码、反码、补码,（,1,）原码,最高位为符号位，正数用“,0”,表示，负数用“,1”,表示，其余位表示真值的绝对值。,n,位整数原码的表示范围为：,-,（,2,n-1,-1),+(2,n-1,-1),对于定长为,8,位时：,25,原,=00011001 -25,原,=10011001,0,原,=00000000 -0,原,=10000000,原码表示简单，但不便于计算，微机中一般不用原码表示。,3.原码、反码、补码,（,2,）反码,正数的反码等于其原码，负数的反码等其原码除符号位以外各位求反。,n,位整数反码的表示范围为：,-,（,2,n-1,-1),+(2,n-1,-1),对于定长为,8,位时：,25,反,=00011001 -25,反,=11100110,0,反,=00000000 -0,反,=11111111,（2）反码,（,3,）补码,正数的补码等于其原码，负数的补码等其反码未位加,1,。,n,位整数补码的表示范围为：,-,（,2,n-1,),+(2,n-1,-1),对于定长为,8,位时：,25,补,=00011001 -25,补,=11100111,0,补,=-0,补,=00000000 -128,补,=11111111,在计算机内部，有符号数均用补码表示，可以简化其运算。,x+y,补,=x,补,+y,补,x-y,补,=x,补,+-y,补,（3）补码,（,4,）定点数与浮点数,定点数,：小数点位置固定不变的数，分为定点整数和定点小数两种。,定点整数,：小数点固定在最低位之后；,定点小数,：小数点固定在最高位之前。,浮点数,：小数点位置可变的数，在计算机中以指数形式表示。,x=mj,k,m,称为尾数，一般用定点小数表示；,j,称为基数，一般由计算机的硬件决定；,k,称为阶，一般由定点整数表示。,（4）定点数与浮点数,不同数制下数值转换,十进制数,二进制数,八进制数,十六进制数,整数：连续地除,2,取余,小数：连续地乘,2,取整,按权展开相加,按权展开相加,按权展开相加,3,位并成,1,位,4,位并成,1,位,1,位拆成,3,位,1,位拆成,4,位,不同数制下数值转换十进制数二进制数八进制数十六进制数整数：连,1.2.3,微型计算机中数的运算方法,1.,加减法运算,在计算机内部，有符号数均用补码表示，其加减法运算规则为：,X+Y,补,=X,补,+Y,补,X-Y,补,=X,补,+-Y,补,符号位与数值位一起参与运算，运算时超过定长的进位丢掉（使结果的位数与定长相符），只要结果不超过定长能表示的范围（无溢出），就能得到正确的结果。,1.2.3 微型计算机中数的运算方法1.加减法运算,2.,溢出判断,所谓溢出是指结果超出了能表示的范围，有多种判断溢出的方法，其中较简单的一种是判断结果的符号位是否合理，若合理表明无溢出，否则表明有溢出，存在溢出的情况只有下面四种：,正,+,正,=,负,负,+,负,=,正,正,-,负,=,负,负,-,正,=,正,其余情况均不会出现溢出。,2.溢出判断,