微型计算机基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微型计算机原理与接口技术,主 讲：张银行,手机号：,成绩计算方法：卷面成绩占,70%,平时成绩：（作业,+,回答问题,+,实验成绩,提出问题,+,出勤率）,30%,主要内容,第一章：微型计算机基础知识,第二章：,80X86CPU,第三章：微型计算机指令系统,第四章：汇编语言程序设计,第五章：存储器及与,CPU,的接口,第六章：输入,/,输出接口及中断技术,第七章：总线和总线标准,第八章：常用可编程并行数字接口芯片及其应用,第九章：串行通信接口及总线标准,第十章：模拟接口技术,第十一章：常用外设和人机交互接口,第,1,章 微型计算机基础知识,1.,微型计算机的发展概况与应用,2.,微型计算机中的数制系统,3.,微型计算机组成原理,4.,CPU,内部结构及微机的工作过程,基本要求：,1.,掌握微型计算机的概念和基本结构,2.,了解微型计算机的发展历程,3.,重点掌握计算机中的数制系统,4.,重点,原码、补码和反码,5.,了解,计算机系统的硬件组成和软件系统,6.,初步了解微型计算机的工作过程,1,.,1,微型计算机的发展概况与应用,微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件的微处理器,(CPU),为核心，配以存储器、输入,/,输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。,一、微型计算机的发展概况,1,、微型计算机的诞生,1946,年第一台计算机,ENIAC,在美国问世以后，人们接触最多的是微型计算机，它诞生于,20,世纪,70,年代，其发展以微处理器的发展为主要标志。,到目前为止，,电子计算机先后经历了四代：,电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模超大规模集成电路计算机。,按性能、价格和体积对,计算机分类：,巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机。,微型计算机的特点：,集成度高，体积小，重量轻，价格低廉；部件标准化，易于组装与维修；高可靠性及适应性。,分 代,年份,字长,芯片的集成度,软件,典型的芯片,第一代,19711973,4/8,位,2000,个管,/,片以上,机器语言、简单汇编语言,Intel 4004Intel 8008,第二代,19741977,8,位,9000,个管,/,片以上,汇编语言、高级语言,(FORTRAN,、,PL/MBASIC,、,PASCAL),操作系统,Intel 8080,、,8085MC 6800(Motorola)Z80(Zilog,公司,),第三代,19781984,16,位,29000,个管,/,片以上,汇编语言高级语言操作系统,Intel 8086,8088MC 68000Z8000,第四代,19851993,32,位,80486,高达,120,万个管,/,片,高级语言操作系统,Intel 80386,80486 MC 68020, Z80000,第五代,1993,至今,64,位,Pentium Pro,高达,550,万个管,/,片,高级语言操作系统,Pentium586,PII PIII PIV,2,、微型计算机发展概况,(1) 4,位处理器,Intel 4004,1971,年，,Intel,公司成功地把传统的运算器和控,制器集成在一块大规模集成电路芯片上，发布了第,一款微处理器芯片,4004,，如图所示。,Intel 4004,(2) 8,位处理器,Intel 8008/8080/8085,1972,年，,Intel,公司研制出,8008,处理器，,字长为,8,位，如图所示。,1974,年，研制出,8008,的改进型号,8080,。,(3) 16,位处理器,Intel 8086/8088/80286,Intel 8086/8088,处理器,1978,年，,Intel,公司推出了首枚,16,位微处,理器,i8086,，,1979,年，,Intel,公司开发出,8088,处理器，如图所示。,Intel 80286,处理器,1982,年，,Intel,推出了,80286,处理器，如,图所示为,Intel 80286,的外观。,(4) 32,位处理器,Intel 80386/80486,Intel 80386,处理器,1985,年，,Intel,发布,80386DX,处理器，如,图所示。,除,Intel,公司生产,386,芯片外，还有,AMD,、,Cyrix,、,IBM,、,Ti,等公司也生产与,80386,兼容的,芯片，如图所示。,Intel 80486,处理器,1989,年，,Intel,推出了,80486,芯片，最初,类型是,80486DX,，如图所示。,80486,和,80386,一样，也陆续出现了几种类,型。,1990,年，推出了,80486SX,，它是一种低价,格芯片，与,80486DX,的区别在于它没有数学协,处理器。其他公司也推出了与,80486,兼容的,CPU,芯片，如图所示。,从,80486,开始首次出现了处理器倍频技术，该技术使处理器内部工作频率为处理器外部总线运行频率的,2,倍或,4,倍，,486DX2,与,486DX4,的名字便是由此而来的，如图所示。例如,80486DX2-66,，处理器的频率是,66MHz,，而主板的外频是,33MHz,，即,CPU,内频是外频的,2,倍。,(5) Intel Pentium,处理器,1993,年，,Intel,公司发布了,Pentium,（奔腾）处理,器，如图所示。,与,Pentium MMX,属于同一级别的,CPU,有,AMD K6,与,Cyrix 6x86MX,等，如图所示。（,Cyrix,1999,年被,VIA,（威盛）收购 ）,(6) Intel Pentium,处理器,1997,年，,Intel,公司发布了,Pentium,处理器，如,图所示。同期，,AMD,公司和,Cyrix,公司分别推出了同档,次的,AMD K6-2,和,Cyrix M,，如图所示。,1998,年,4,月，,Intel,推出了,Celeron,（赛,扬）处理器，其中最为成功的是采用,Socket,370,架构的,Celeron 333,和,366,，如图所示。,(7) Intel Pentium ,处理器,1999,年，,Intel,公司发布了,Pentium ,处理器，如,图所示。,2000,年,3,月，,AMD,公司领先于,Intel,公司率先推出了,1GHz,的,Athlon,微处理器，其性能超过了,Pentium ,，,如图所示。,为了降低成本，后来的,Pentium ,都改为,Socket,370,架构，时钟频率有,667MHz,，,733MHz,，,800MHz,，,933MHz,和,1GHz,等，其外观如图所示。,2000,年，,Intel,公司推出了简化,Pentium ,的,Celeron,处理器，也采用,Socket 370,处理器架构，其外观如图所示。,同期，,AMD,公司推出了,Athlon,（速龙），如图所示。它采用,462,针的,Socket A,架构，时钟频率为,700MHz,1.4GHz,，内建,MMX,和增强型,3DNow!,技术。,注释：,MMX,:,是,MultiMedia eXtensions(,多媒体扩展,),，,MMX CPU,极大地提高了,电脑,的多媒体,(,如,立体声,、视频、,三维动画,等,),处理功能,AMD,公司还推出了,Athlon,（速龙）的简化版本,Duron,（钻龙），如图所示，也采用,Socket A,架构，时钟频率为,600,950MHz,。,(8) Intel Pentium 4,处理器,Intel,公司在,2000,年,11,月发布了,Pentium 4,处理器，如图所示。,后期的,Pentium 4,处理器均基于,Socket 478,架构，采用,Northwood,核心，,0.13,m,制造工艺，集成了,5500,万个晶体管，主频为,1.8,2.4GHz,，如图所示。,同样，,Pentium 4,的简化版本,Pentium 4 Celeron,也采用了,Socket 478,架构，主频频率为,1.4GHz,以上，,Pentium 4 Celeron CPU,的外观如图所示。,同期，,AMD,公司推出了,Athlon XP,（速龙,XP,），如图所示，仍采用,Socket A,架构，以全面对抗,Pentium 4,。,Athlon XP,具有当时最强大的浮点单元设计和优秀的整数计算单元。经广泛测试显示，,Pentium 4,需要多付出,300,400MHz,的工作频率才可以获得与,Athlon XP,相当的性能。,2004,年,6,月,Intel,推出了,Socket LGA775,架构的,Pentium 4,、,Celeron D,及,Pentium 4EE,处理器。,Socket LGA775,架构,Pentium 4,处理器的外观，如图所示。后来，,Intel,推出了采用,Socket LGA775,架构的,Pentium 4 Extreme Edition 3.4GHz,处理器。,(9) 64,位处理器,(a) AMD Athlon 64,系列,对,x86,架构进行扩展，从而实现同时兼容,32,位和,64,位运算，这一理念是由,AMD,率先提出。,2003,年,9,月，,AMD,发布了桌面,64,位,Athlon 64,系列处理器（也称,K8,架,构）。,K8,在很多应用上都领先当时的,Intel Pentium,D,。面向台式机的,AMD 64,位处理器分为,Athlon 64,和,Athlon 64 FX,，如下图所示。,(b) Intel Pentium 4 64,位系列,Intel,公司于,2005,年,2,月发布了桌面,64,位处理,器，并冠以,6xx,系列的名称。不仅,Pentium 4 6xx,系,列全部具备,64,位技术，而且在新的,Pentium 4 5xx,系列中也引入,64,位技术，它们的命名方式是,Pentium,4 5x1,，以后缀为,1,来表示。在入门的,Celeron D,中，使用,LGA775,封装的产品及最新的双核心,Pentium D,处理器，也支持,64,位技术。,(10),双核心处理器,(a) Pentium D,和,Pentium Extreme Edition,Intel,在,2005,年,4,月发布了双核心处理器，如图,所示。,(b) Athlon 64 X2,2005,年,5,月，,AMD,发表了面向服务器和工作站的企业级,x86,双核计算平台,AMD,双核皓龙处理器,Opteron,和面向桌,面型的双核速龙处理器,Athlon 64 X2,（包括,4800+,、,4600+,、,4400+,及,4200+,等），采用,Socket 939,架构，如图所示。与,Intel,双核心,Pentium D/Extreme Edition,处理器相比较，在,处理单线程应用程序方面，,Athlon64 X2 4800+,的表现要远,远超出前者。,(11) Intel,新一代,Core,微架构,现在，,Pentium,、,Pentium 2,、,Pentium 3,、,Pentium 4,、,Pentium D,使用的,NetBurst,架构已经不能满足性能、功耗等方面的需求。,2006,年,7,月，,Intel,发布了新一代的全新的微架构桌面处理器,Core 2 Duo,（酷睿,2,），并且正式宣布,Pentium,时代结束。,Core 2 Extreme,、,Core 2 Duo,的产品标识，如下图所示（其中,Core 2 Duo Quad,是四核处理器的标识）。,2006,年,11,月，,Intel,发布了的四核桌面处理器，分为两大系列：,Core 2 Quad,（酷睿,2,四核），以,Q,开头；,Core 2 Quad Extreme,（酷睿,2,四核极品版），以,QX,开头。,Core 2,四核系列处理器的核心代号为,Kentsfield,，从技术上说，与当前的,Core 2 Duo,并没有区别，它只不过是将两个,Conroe,核心整合到同一块基板之上，称为非原生四核，其结构示意图如图所示。,(12) AMD,新一代,K10,微架构,2007,年,11,月,AMD,发布了基于全新,K10,架构的,Phenom,处理器系列，是该公司第一款四核处理器。,Phenom,处理器的中文名“羿龙”，取自中国古老神话“后羿射日”。,在,K6,之后，,AMD,的,K7,、,K8,架构桌面产品都采用了,Athlon,品牌，与笔记本的,Turion,和服务器的,Opteron,组成,AMD,的整体产品线。而进入,K10,架构之后，,Athlon,将被废弃，取而代之的是新的,Phenom,处理器。,Phenom,处理器采用,HyperTransport 3.0,总线技术，可提供最高,14.4GBps,的系统带宽，为,1080p,（,1920,1080,逐行扫描）高清视频播放和极高分辨率游戏提供带宽。同时集成的内存控制器最高支持,DDR2-1066,。,AMD,称，热设计功耗,95W,的,Phenom,处理器在开启节能技术后，功耗大大降低，消费级应用平均为,32W,、办公级应用平均为,29W,。,Phenom,处理器的标识，如图所示。,3,、嵌入式计算机的分类,嵌入式微处理器,EMPU,采用“增强型”通用微处理器，目前主要有：,Am186/188,、,Intel386EX,、,SC-400,、,Power PC,、,68000,、,MIPS,、,ARM,系列等。,嵌入式微控制器,MCU,既单片机，可分为通用和半通用两类：,通用：,8051,、,P51XA,、,MCS-251,、,MCS-96,系列、,68300,、,C166/167,等。,半通用：,8XC930/931,、,C540,、,C541,等。,嵌入式,DSP,处理器,EDSP,嵌入式片上系统,SOC,二、微型计算机的应用,科学计算、数据处理及信息管理,工业控制及智能化仪器仪表,计算机辅助设计和辅助制造,CAD/CAM,计算机辅助教育和教学培训,人工智能及,网络通信,家庭娱乐和家政事务管理,科学计算：,用于科学与工程领域。,如：,的计算、中长期天气预报及导弹发射中的计算等。,过程控制：,如对工业生产领域的过程控制，即对生产过程进行监视和控制，以提高产品质量与数量，减轻工人的劳动强度；控制飞机飞行姿态、地形回避及导弹拦截等。,数据处理：,对数据进行收集、储存、传递、分类、检测、排序、计算、打印报表、输出图像等加工处理。,如：企业生产管理系统、电子商务处理系统等。,计算机辅助系统：,CAD,计算机辅助设计,CAM,计算机辅助制造,CAT,计算机辅助测试,CAI,计算机辅助教学,CAX(x=D,、,M,、,T,、,I,、,),CMI ,计算机管理教学,电子商务：,电子商务源于英文,ELECTRONIC COMMERCE,简写,EC,，顾名思义包含两个方面：一是电子方式，二是商贸活动，电子商务指的是利用简单、快捷、低成本的电子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。,电子商务的真正发展是建立在,INTERNET,技术上，所以也称,IC(INTERNET COMMERCE).,人工智能：,计算机模拟人的高级思维活动,进行逻辑判断与推理。如机器人、专家系统、语音识别系统、图形图像等模式识别系统。,办公自动化：,信息高速公路：,仪器仪表：,将传感器与计算机集成于同一芯片上，智能传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计、处理及自诊断、自校准、自适应等功能。,智能家电：,三、微型计算机的分类,1.,按处理器同时处理数据的位数或字长分：,1,位机、,4,位机,、,8,位机、,16,位机、,32,位机、,64,位机,2.,按组装结构类型分：,单片微型机、,单板微型机,个人计算机,(PC),PC(Personal Computer),机：,是面向个人单独使用的一类微机。当今的微机的许多指标，如存储容量、运行速度等已经赶上或超过了以前的小型机，可以满足各种不同的应用场合。,是一种用于控制的微处理器芯片，其组成实际是由微型计算机的,CPU,、部分存储器和输入,/,输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。,单片微型机,(,单片机,),：,常用于家用电器、智能化仪表、工业测量。,单板微型机,(,单板机,),：,把微处器芯片、存储器芯片、,I/O,接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入,/,输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。,常用于过程控制。,1,.,2,微型计算机中的数制系统,数制也称为进位计数制。日常生活中人们,习惯采用十进制，但计算机内部的信息则是用二进制代码来表示的。同时为了书写的方便，在编写程序的过程中，常常使用到十六进制,(,或八进制,),。,微型计算机中使用的数制系统包括：二进制、八进制、十进制、十六进制等。,1.,常用数制,（,1,）十进制数,有十个不同的数字符号：,0,、,1,、,2,、,、,9,；,低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”的计数原则进行计数。,任意一个十进制数,ND,均可以表示成如下式子：,其中：,n,表示整数部分的位数，,m,表示小数部分的位数，,D,i,为十进制数字符号,09,，,10,i,为第,i,位权值，,10,为十进制数的基数。,一、数制系统,例如：,1234.45=110,3,210,2,310,1,410,0,410,-1,+510,-2,式中的,10,称为十进制数的基数, 10,3,、,10,2,、,10,1,、,10,0,、,10,-1,、,10,-2,称为各数位的权。十进制数用,D,结尾表示，也可以不加符号,D,。,（,2,）二进制数,只有两个不同数码：,0,和,1,，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用,B,结尾表示。,例如,，二进制数,11011011.01,可表示为：,(11011011.01)2=12,7,12,6,02,5,12,4,12,3,02,2,12,1,12,0,02,-1,12,-2,（,3,）八进制数,有,0,、,1,、,2,、,7,八个不同数码，采用“逢八进一”“借一当八”的计数原则进行计数。八进制数用,O,或者,Q,结尾表示。,例如,，八进制数（,503.04,）,Q,可表示为：,（,503.04,）,Q=58,2,+08,1,+38,0,+08,-1,+48,-2,（,4,）十六进制数,有,0,、,1,、,2,、,9,、,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,共十六个不同的数码，采用“逢十六进一” “借一当十六”的计数原则进行计数。十六进制数用,H,结尾表示。,例如，十六进制数（,4E9.27,）,H,可表示为,（,4E9.27,）,H=416,2,1416,1,916,0,216,-1,716,-2,2,不同数制之间的相互转换,下表列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。,表,1,各种进位制的对应关系,十进制,二进制,八进制,十六进制,十进制,二进制,八进制,十六进制,0,0,0,0,9,1001,11,9,1,1,1,1,10,1010,12,A,2,10,2,2,11,1011,13,B,3,11,3,3,12,1100,14,C,4,100,4,4,13,1101,15,D,5,101,5,5,14,1110,16,E,6,110,6,6,15,1111,17,F,7,111,7,7,16,10000,20,10,8,1000,10,8,17,10001,21,11,（,1,）二、八、十六进制数转换成为十进制数,根据各进制的定义表示方式，按权展开作十进制相加，即可转换为十进制数。,【,例,】,将（,10101,）,B,，,(72)Q,，（,49,）,H,转换为十进制数。,(10101)B=12,4,02,3,12,2,02,1,12,0,=21,(72)Q=78,1,+28,0,=58,(49)H=416,1,916,0,=73,（,2,）十进制数转换为二进制数,十进制数转换为二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,采用不同方法进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。,整数部分：除,2,取余倒记法。,具体方法是：将要转换的十进制数除以,2,，取余数；再用商除以,2,，再取余数，直到商等于,0,为止，将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为转换的结果。,【,例,】,将十进制数,25,转换成二进制数,所以（,25,）,D=11001B,小数部分：乘,2,取整顺记法。,具体方法是：将十进制小数不断地乘以,2,，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，最后得到的为最低有效数字。,【,例,】,将十进制数,0.625,转换成二进制数。,所以（,0.625,）,D=0.101B,【,例,】,将十进制数,25.625,转换成二进制数，只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即,(25.625)D=(11001.101)B,例如：将十进制,193.12,转换成八进制数。,所以（,193.12,）,D,=,(301.075)Q,简便方法,333,转换成二进制数,333,可由,256+64+8+4+1,组成,256 128 64 32 16 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125,1 0 1 0 0 1 1 0 1,则,333,对应的二进制数为,101001101,(3),二进制与八进制之间的相互转换,由于,2,3,=8,，故可采用“合三为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以,3,位为一组进行二,-,八转换：若不足,3,位的以,0,补足，便可以将二进制数转换为八进制数。反之，每位八进制数用三位二进制数表示，就可将八进制数转换为二进制数,【,例,】,将（,10100101.01011101,）,2,转换为八进制数。,0,10 100 101.010 111 01,0,2 4 5 . 2 7 2,即,(10100101.01011101)B =(245.272)Q,【,例,】,将,(756.34)Q,转换为二进制数。,7 5 6 . 3 4,111 101 110 . 011 100,即,(756.34)Q=(111101110.0111)B,(4),二进制与十六进制之间的相互转换,由于,2,4,=16,，故可采用“合四为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以,4,位为一组进行二,十六转换，若不足,4,位的以,0,补足，便可以将二进制数转换为十六进制数。反之，每位十六进制数用四位二进制数表示，就可将十六进制数转换为二进制数。,【,例,】,将,(1111111000111.100101011)B,转换为十六进制数。,000,1 1111 1100 0111 . 1001 0101 1,000,1 F C 7 . 9 5 8,即,(111111000111.100101011)B =(1FC7.958)H,【,例,】,将,(79BD.6C)H,转换为二进制数。,7 9 B D . 6 C,0111 1001 1011 1101 . 0110 1100,即,(79BD.6C)H=(1111.011011)B,1.,二,十进制,BCD,码（,Binary-Coded Decimal,）,二,十进制,BCD,码是指每位十进制数用,4,位二进制数编码表示。由于,4,位二进制数可以表示,16,种状态，可丢弃最后,6,种状态，而选用,0000,1001,来表示,0,9,十个数符。这种编码又叫做,8421BCD,码。如下表所示。,二、常用的信息编码,表,2,十进制数与,BCD,码的对应关系,十进制数,BCD,码,十进制数,BCD,码,0,0000,10,0001 0000,1,0001,11,0001 0001,2,0010,12,0001 0010,3,0011,13,0001 0011,4,0100,14,0001 0100,5,0101,15,0001 0101,6,0110,16,0001 0110,7,0111,17,0001 0111,8,1000,18,0001 1000,9,1001,19,0001 1001,【,例,】,将,69.25,转换成,BCD,码。,6 9 . 2 5,0110 1001 . 0010 0101,结果为,69.25=(01101001.00100101),BCD,【,例,】,将,BCD,码,1.01010110,转换成十进制数。,1001 0111 1000 . 0101 0110,9 7 8 . 5 6,结果为（,1.01010110,）,BCD,=978.56,2.,字符编码（,ASCII,码）,计算机使用最多、最普遍的是,ASCII,（,American Standard Code For Information Interchange,）字符编码，即美国信息交换标准代码，如下表所示。,表,3,七位,ASCII,代码表,d,3,d,2,d,1,d,0,位,0 d,6,d,5,d,4,位,000,001,010,011,100,101,110,111,0000,NUL,DEL,SP,0,P,p,0001,SOH,DC1,！,1,A,Q,a,q,0010,STX,DC2,2,B,R,b,r,0011,ETX,DC3,3,C,S,c,s,0100,EOT,DC4,4,D,T,d,t,0101,ENQ,NAK,5,E,U,e,u,0110,ACK,SYN,6,F,V,f,v,0111,BEL,ETB,7,G,W,g,w,1000,BS,CAN,8,H,X,h,x,1001,HT,EM,9,I,Y,i,y,1010,LF,SUB,：,J,Z,j,z,1011,VT,ESC,K,k,1100,FF,FS,，,L,l,1101,CR,GS,M,m,1110,SO,RS,N,n,1111,SI,HS,O,o,DEL,ASCII,码的每个字符用,7,位二进制数表示，其排列次序为,d,6,d,5,d,4,d,3,d,2,d,1,d,0, d,6,为高位，,d,0,为低位。而一个字符在计算机内实际是用,8,位表示。正常情况下，最高一位,d,7,为“,0”,。,7,位二进制数共有,128,种编码组合，可表示,128,个字符，其中数字,10,个、大小写英文字母,52,个、其他字符,32,个和控制字符,34,个。,数字,0,9,的,ASCII,码为,30H,39H,。,大写英文字母,A,Z,的,ASCII,码为,41H,5AH,。,小写英文字母,a,z,的,ASCII,码为,61H,7AH,。,对于,ASCII,码表中的,0,、,A,、,a,的,ASCII,码,30H,、,41H,、,61H,应尽量记住，其余的数字和字母的,ASCII,码可按数字和字母的顺序以十六进制的规律写出。,3.,奇偶校验码,偶校验,：包括奇偶校验位在内，字符的,ASCII,码所有的,1,的个数之和配成偶数个。若原字符的,ASCII,码中,1,的个数为偶数个，则最高位置为,0,；若原字符的,ASCII,码中,1,的个数为奇数个，则最高位为,1,，把,1,的个数配成偶数个。,例如： 数字,3,的,ASCII,码为,数字,3,的偶校验,ASCII,码为,奇校验,：包括奇偶校验位在内，字符的,ASCII,码所有的,1,的个数之和配成奇数个。若原字符的,ASCII,码中,1,的个数为偶数个，则最高位置为,1,；若原字符的,ASCII,码中,1,的个数为奇数个，则最高位为,0,，把,1,的个数配成奇数个。,例如,：,数字,3,的,ASCII,码为,数字,3,的偶校验,ASCII,码为,(,一,),二进制数在计算机内的表示,1.,机器数,在计算机中，因为只有“,0”,和“,1”,两种形式，所以数的正、负号，也必须以“,0”,和“,1”,表示。,通常把一个数的最高位定义为符号位，用,0,表示正，,1,表示负，称为数符：其余位仍表示数值。,把在机器内存放的正、负号数码化的数称为机器数，把机器外部由正、负号表示的数称为真值数。,三、计算机数值数据表示与运算,【,例,】,真值为,(-0101100)B,的机器数为，存放在机器中，如下图所示。,图 真值,B,在机器中的存放,要注意的是，机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制。字长和数据类型定了，机器数能表示的数值范围也就定了。,例如，若表示一个整数，字长为,8,位，则最大的正数为，最高位为符号位，即最大值为,127,。若数值超出,127,，就要“溢出”。,3.,带符号数的表示,在计算机中，带符号数可以用不同方法表示，常用的有原码、反码和补码。,(1),原码,：机器码中最高位为符号位，符号为,0,表示正数，符号位为,1,表示负数，其余为该数的绝对值。,【,例,】,当机器字长,n=8,时：,+1,原,0,0000001,，,-1,原,1,0000001,+127,原,0,1111111,，,-127,原,1,111111l,在原码表示法中：,(,),最高位为符号位，正数为,0,，负数为,1,，其余,n-1,位表示数的绝对值。,(,)8,位二进制数的原码表示范围是,127,127,16,位,二进制数的原码表示范围是,32767,32767,（,）,在原码表示中，零有两种表示形式，即：,+0,00000000B,，,-0,10000000B,。,(2),反码,：最高位为符号位，其余位为数值位；,正数的原码与原码的表示方法相同，,负数的补码等于除符号位外，其余各位按位取反。,【,例,】,当机器字长,n=8,时：,+1,反,0,，,-1,反,1,+127,反,0,，,-127,反,1,在反码表示中：正数的反码与原码相同，负数的反码只需保持符号位不变，其余各位按位求反即可得到。,(,),机器数的最高位是符号位，,0,代表正号，,1,代表负号。,(,),8,位二进制数的原码表示范围是,127,127,16,位二进制数的原码表示范围是,32767,32767,(,),反码表示方式中，零有两种表示方法：,+0,反，,-0,反。,（,3,）补码,：,最高位为符号位，其余位为数值位；正数的补码与原码的表示方法相同，负数的补码等于它的反码加,1,。,【,例,】,当机器字长,n,8,时，,+1,补,0,，,-1,补,1,+127,补,0,，,-127,补,1,在补码表示中：,正数的补码与原码、反码相同，负数的补码等于它的反码加,l,。,机器数的最高位是符号位，,0,代表正号，,1,代表负号。,在补码表示中，,0,有唯一的编码：,0,补,0,补。,补码的运算方便，二进制的减法可用补码的加法实现，使用较广泛。,注意,：,对于,8,位二进制数,10000000B,若为补码表示为,-128,补,，若为原码表示,-0,原,，若为反码表示,-127,反,求补码运算的简单方法,：,（,1,）若该数为正数，则,X,补,=X,（,2,） 若该数为负数，则,X,补,=2,n,-|X|,【,例,】2,8,为,256(100H),则,-1,的补码为（,100H,01H)=FFH, -10,的补码为（,100H,0AH)=F6H,【,例,】,假定计算机字长为,8,位，试写出,122,的原码、反码和补码。,122,原,122,反,122,补,01111010B,【,例,】,假定计算机字长为,8,位，试写出,45,的原码、反码和补码。,45,原,10101101B,45,反,11010010B,45,补,11010011B,对于用补码表示的负数，需对该补码再求一次补码，从而得到其原码，依据原码求得该补码数的大小。即：,X,补,补,=X,原,例如，已知补码数,(11110011)B,，对其求补码后得到该数的原码为：,10001101B,，故其大小为,(,13)D,。,【,例,】,试写出补码数的真值。,11011001,原,10100111B=,39D,(,二,),补码数的运算,在微处理机中，使用补码进行运算使同一个微处理机中既能运算带符号数又能运算无符号数。而且，在采用补码表示带符号数的情况下，两个数的减法可以用加法来实现。,在进行带符号数的加减运算时，应把参与运算的数据转换成补码形式进行运算。当使用,8,位二进制数表示带符号的数时，它所能表示的数值范围在,(-128),10,(+127),10,之间，如果相加结果超出了这个范围，就会导致错误发生。,X+Y,补,=X,补,+Y,补,X-Y,补,=X,补,+-Y,补,(1),神威,太湖之光超级计算机,安装了,40960,个中国自主研发的“,申威,26010,”众核处理器，该众核处理器采用,64,位自主申威,指令系统,，峰值性能为,12.5,亿亿次,/,秒，持续性能为,9.3,亿亿次,/,秒。,(2),现代中国四大发明：,高铁、支付宝、共享单车、网购,(3),在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸,即栅长的最小尺寸,栅长,6nm,！美国,IBM,开发成功世界最小的晶体管,(,三,),补码数的溢出,溢出：,带符号数的,补码加、减运算的结果超出了补码表示的范围,8,位原码、反码和补码表示的范围分别如下：,127,127,原码,FFH,7FH,127,127,反码：,80H,7FH,128,127,补码：,80H,7FH,当,8,位带符号数的结果超出以上范围时，就会出现溢出。,16,位原码、反码和补码表示的范围分别如下：,32737,32767,原码,FFFFH,7FFFH,32767,32767,反码：,8000H,7FFFH,32768,32768,补码：,8000H,7FFFH,当,16,位带符号数的结果超出以上范围时，就会出现溢出。,可能出现溢出的情况：两个同号数相加或两个异号相减时,判断出现溢出情况的方法：在两个同号数相加或异号数相减时,如果次高位向最高位有进位（或借位），而最高位向前无进位（或借位），则结果发生溢出。,反过来，如果次高位向最高位无进位（或借位），而最高位向前有进位（或借位），则结果发生也溢出。,【,例,】,两个带符号的数,(01000001),2,与,(01000011)2,相加,例中两个正数相加，但结果却是一个负数,符号位为,1,。显然，这个结果是错误的，出现这种错误的原因就在于这两个数相加的结果超过了,8,位二进制带符号数所能表示的数值范围。,【,例,】,两个负数,(10001000),2,和,(11101110),2,的相加情况。,由于采用,8,位二进制数来表示带符号的数，故作为进位位的第九位自然丢失。,8,位二进制负数相加的结果为一个正数。很明显，结果是错误的,产生了溢出。,【,例,】,两个无符号数,(11111101),2,和,(00000011),2,相加：,从相加计算的结果来看，如果微处理机只有,8,位，也就是用,8,位二进制数来解释运算的结果，则将出现错误。因此，在微处理机中设有专门的一位，称为进位位，它将用于保存第九位以防丢失信息。,最高位,次高位,(,三,),逻辑运算,1. “,与”运算。“与”运算的运算规则是：,0,0=0 0,1=0,1,0=0 1,1=1,【,例,】,二进制数,01011101B,和,11010101B,相与。,2. “,或”运算。“或”运算的运算规则是：,0,0=0 0,1=1,1,0=1 1,1=1,【,例,】,二进制数和相或。,3.“,异或”运算。“异或”运算的运算规则是：相同为,0,，不同为,1,0,0=0 0,1=1,1,0=1 1,1=0,【,例,】,二进制数和相异或。,1.3,微型计算机组成原理,现代计算机结构仍然是在,冯,诺依曼,提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。,硬件系统包括：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。,一、计算机的基本结构,冯,诺依曼思想：存储程序与程序控制原理,用二进制表示数据和指令；,程序与数据事先存储在内存储器中；,运算器、存储器、控制器、输入与输出设备组成硬件系统，它是计算机连续工作的基础。,1946,年，冯,诺依曼提出,EDVAC,计算机方案，体现了五部分的计算设计思想。,输入设备,运算器,输出设备,存储器,控制器,冯,诺依曼计算机的基本结构,微型计算机系统包括,硬件系统,和,软件系统,。,硬件系统,：构成计算机的硬件实体。它包括微处理器、存储器、,I/O,接口、系统总线、外部设备和电源等。,软件系统,：在计算机上运行的各种程序，包括系统软件和应用软件。,二、微型计算机系统的组成,硬件系统：,硬件,微型计算机,(,单片、单板,),电源,外围设备,微处理器,存储器,I/O,接口,系统总线,算术逻辑单元,控制器,寄存器,ROM,RAM,ROM,EPROM,E,2,PROM,SRAM,DRAM,并行接口,串行接口,辅助接口,数据总线,地址总线,控制总线,外部设备,I/O,接口,模拟量,I/O,接口,开关量接口,键盘、显示器、打印机等,外存储器,软、硬磁盘,光盘,A/D,D/A,操作系统,Dos, Windows, UNIX, LINUX,语言处理程序,Turbo C,数据库系统,FoxPro,、,Oracle,软件分类,系统软件,应用软件,文字处理软件,Wps,、,Word,表格处理软件,Excel,辅助设计软件,Auto CAD,用户编制的实际程序,软件系统：,微型计算机系统从小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如图所示,运算器,控制器,寄存器,RAM,ROM,I/O,端口,I/O,端口,微型计算机系统,微型计算机,微处理器,电源系统,软件系统,I/O,设备,I/O,设备,三、微型计算机的硬件结构,微型计算机主要由,（,1,） 微处理器,（,2,）,存储器、,（,3,）,输入,/,输出接口,（,4,）,系统总线连接。,1.,微处理器,整个微机的核心是微处理器,(up, MPU),，也称,CPU,。它包含运算器,ALU(Arithmatic and Logic Unit),、控制器及内部寄存器阵列。,ALU,：,加、减、乘、除四则运算和逻辑运算,内部寄存器：,存放操作数、中间结果、地址、标志等信息,控制器,：,整个机器控制中心，包括程序计数,器,PC,、指令寄存器,IR,、指令译,码器,ID,、控制信息产生电路等。,总线,控制部件,算术逻辑部件,寄存器组,MPU,I/O,接口电路,ROM,RAM,外部设备,存储器,2.,存储器,微机的存储器分为：,主存和辅存,主存,(,内存,),：,用于存放当前正在运行的程序和正待处理的数据。,(CPU,内部,cache,，主板上的内存,造价高，速度快，存储容量小,),辅存,(,外存,),：,存放暂不运行的程序和输入处理的数据，,(,主机箱内或主机箱外，造价低，容量大，可长期保存，但速度慢,),内存单元的地址和内容简介：,内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放一组二进制数。在微机中规定每个内存单元可存放,8,位二进制数，即一个内存单元存放一个字节的内容，,为了区分各个不同的内存单元，就给每个存储单元编上不同的号码，即内存地址。,CPU,要访问某个单元时，先要通过地址总线送出该单元的地址号。,实际操作中，一个操作数可以是字节、字、双字节、十字节等各种形式。,1.,字节：计算机的基本处理单位，一个字节由,8,位二进制位组成,2.,字：通常微机的字长有,8,位、,16,位、,32,位、,64,位，故其字数据的存放所占内存单元的个数也不一样,3.,双字：即,2,个字,4.,四字：即,4,个字的长度，共,8,个字节。,表示存储器容量的最小单位为,bit(,二进制位,),，表示存储器容量的基本单位为,Byte(,字节,),。通常：一个单元为一个字节，字节可用,B(,即,Byte,的缩写,),表示，且,1Byte=8bit,。存储器的容量用“,K”,表示，,1K,即为,1024,个单元。大容量单位为,KB,、,MB,、,GB,、,TB,。,1KB=2,10,B=1024B 1MB=1024KB=2,20,B1GB=1024MB=2,30,B 1TB=1024GB=2,40,B,地址总线,16,位，内存容量为,2,16,个单元，即,64KB,。,地址总线,20,位，内存容量为,2,20,个单元，即,1MB,。,地址,存放内容二进制表示,十六进制表示,00000H,00001H,C2H,18H,00008H,12H,00009H,34H,FFFFFH,70H,内存单元的地址和内容示意图,ROM: (Read Only Memory),只读存储器，用来存储微机系统管理程序,BIOS,等,(,芯片制造时写入,),。只能读出，不能写入。,内存储器：,RAM: (Random Access Memory),随机读写存储器，用来暂时存储用户输入的数据与程序。可随机地读出与写入。,外存储器：,软磁盘与软磁盘驱动器,硬盘与硬盘驱动器,光盘与光盘驱动器,3.,输入设备,输入设备是把程序、命令转换成计算机所能识别接收的信息，输入给计算机,微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。,4.,输出设备,输出设备是把,CPU,计算和处理的结果转换成人们易于理解和阅读的形式，输出到外部,微型计算机常用的输出设备有,CRT,显示器、液晶显示器、打印机和绘图仪等。,注意：,由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与,CPU,直接匹配，所以不可能把它们简单地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和,CPU,间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的缓冲、与,CPU,联络等工作。在微机系统中，较复杂的,I/O,接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为“卡,(Card)”,，由卡的一侧 引出连接外界的插座，另一侧做成插入端，只要将它们插入总线槽,(I/O,通道,),就连到了系统总线。,5.,系统总线,所谓“总线”，是指传递信息的一组公用导线。系统总线,(System Bus),是指从处理器子系统引出的若干信号线，,CPU,通过它们与存储器和,I/O,设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：,数据总线：,DB(Data Bus),地址总线：,AB(Address Bus),控制总线：,CB(Control Bus),总线系统,地址总线,(Address Bus),：,传送地址信息、,CPU,在,AB,总线上输出将要访问的内存单元或,I/O,端口地址、该总线为单向，地址总线的位数决定了,CPU,可以直接寻址的内存单元范围。,数据总线,(Data Bus),：,传送数据信息的总线。在,CPU,进行读操作时，内存或外设的数据通过,DB,总线送往,CPU,；在,CPU,进行写操作时，,CPU,数据通过,DB,总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。,控制总线,(Control Bus),：,传送控制信息的总线。其中，有些信号线将,CPU,的控制信号和状态信号送往外设，外设请求或联络信号送往,CPU,，个别信号线兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号，它们可能是输出、输入或者双向的。,系统总线使用特点：,(1),在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。,(2),在连接系统的各个设备中，某一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同时获得信号。,1.4 CPU,内部结构及微机的工作过程,就目前各种,CPU,而言，都是由运算器、控制器、内部寄存器阵列和输入,/,输出控制逻辑四大部分组成的。如下图给出了一个模型机的基本结构,图中虚线框内为微处理器模型，存储器,(,内存,),通过系统总线与,CPU,相连。,一、典型的,CPU,内部结构,程序计数器,地址缓冲寄存器,数据缓冲寄存器,寄存器阵列,指令寄存器,指令译码器,累加器,算术逻辑单元,控制逻辑部件,控制器,Flag Register,（,1,）运算器,也叫算术逻辑运算单元,主要完成算术、逻辑、位移循环等操作,（,2,）控制器,包括,：,指令寄存器,IR,、指令译码器,ID,和定时与控制电路,指令寄存器,IR,：用来存放从存储器取出将要执行的指令,指令译码器,ID,：用来对指令寄存器,IR,指令进行译码，以确定 指令应执行什么操作,定时与控制电路：用来才生指令和执行指令所需的各种微操作控制信号,（,3,）内部寄存器