《微机与操作系统贯通教程》第1章微型计算机基础知识

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,新世纪高职高专实用规划教材,微机与操作系统贯通教程,王宝军 著 清华大学出版社,第,1,章 微型计算机基础知识,1.1,微型计算机系统概述,1.2,计算机中的信息表示,1.3,微机系统的组成与工作原理,学习目的与要求,通过本章的学习，了解微型计算机的发展、特点和主要技术指标，重点掌握计算机内部数值数据和非数值数据的表示方法，以及微型计算机硬件系统的组成、软件系统的层次结构、程序运行的基本原理，为后续内容的学习打下扎实的基础。对于已有一定计算机基础知识的读者，则可以快速浏览本章。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.1,微型计算机系统概述,主要内容,重点关注：微处理器和微机的发展及主要技术指标,1.,计算机的,产生与发展,2.,微处理器和,微机的发展,3.,微型计算机,的主要特点,4.,微型计算机,的技术指标,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.,计算机的产生与发展,计算机的诞生：,1946,年，由美国宾夕法尼亚大学电工系工程师埃克特,(,J.P.Eckert,),和物理学家莫奇利,(,J.W.Mauchly,),研制成功了世界上第一台通用电子数值积分计算机,ENIAC,，其运算速度为每秒,5000,次加法运算。,中小规模,集成电路,晶体管,电子管,超大规模,集成电路,第一代（,1946-1954,）,采用电子管元件，体积大、耗电多、使用维护较困难，运算速度每秒几千次至几万次；编程使用机器语言或汇编语言；主要应用于科学和工程计算。,第二代（,1955-1964,）,采用晶体管元件，主存用磁芯，外存采用磁盘和磁带，运算速度每秒可达几十万次，编程使用高级语言，除科学计算外，还应用于数据处理、工业控制等领域。,计算机的发展趋势：,从结构和功能等方面看，计算机正朝着微型化、智能化、网络化、和多媒体方向发展。,计算机的发展历程,第三代（,1965-1970,）,采用中小规模集成电路，主存用半导体存储器，运算速度每秒几百万次；操作系统的出现使大量管理工作自动完成；应用领域不断扩大。,第四代（,1971,至今）,采用超大规模集成电路，运算速度每秒几百万次至几亿次；日趋完善的软件系统实现了运行自动化；微机和网络技术更为普及应用。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.,微处理器和微型计算机的发展,（一）,4,位机,1971-1973,8,位机,1973-1977,16,位机,1978-1984,32,位机,1985-,今,代表芯片：,Intel 4004,、,4040,Intel 8008(,低档,8,位,),代表机型：,MCS-4,、,MCS-8,微型计算机,(MC),是以微处理器,(CPU),为核心，配置半导体存储器、少量外部设备以及电源而组成的计算机。它以,CPU,的发展而升级换代，而,CPU,的发展通常按字长和功能为主要指标。,代表芯片：,Intel 8080,、,8085,Motorola MC6800,Zilog,Z80,代表机型：,Altair 8800,Apple-II,代表芯片：,Intel 8086/8088/80286,Motorola MC68000,Zilog,Z8000,代表机型：,IBM PC/XT,、,PC/AT,AST286,COMPAQ286,代表芯片：,Intel 80386/80486,Motorola MC68020,代表机型：,IBM-PS/80,AST386,COMPAQ386,微处理器和微机的发展历程,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,说明,1992,年后出现了外部数据总线达,64,位的,CPU,，进一步提高了微机性能。,Intel,于,1993,年推出了,Pentium,（,P5,，俗称,586,），其性能上已达到中高档,RISC,处理器水平；其他典型产品还有,MC68060,、,AMD,的,K5,、,Cyrix,的,M5,和,IBM,的,power PC,等。,1995,年以来，,Intel,相继推出高能奔腾,Pentium Pro,、多能奔腾,Pentium MMX,（多媒体扩展指令集）以及第二代奔腾,Pentium,、第三代奔腾,Pentium,、第四代奔腾,Pentium,等一系列,CPU,，在微处理器发展史上构筑了一个又一个丰碑。,RISC,精简指令集计算机（,Reduced Instruction Set Computer,）,CISC,复杂指令集计算机（,Complex Instructions Set Computer,）,注意,事实上，微型计算机分为三大类：,个人计算机,即,PC,（,Personal Computer,），供单个用户操作使用的个人计算机。,单片机,把微处理器、存储器、,I/O,接口都集成在一块集成电路,芯片,上，由于其体积小、存储容量小、接口简单、功能较低，常置于电气设备内部用作自动控制。,单板机,将组成微型计算机的各个部件（微处理器、存储器、,I/O,接口以及简单的七段数码管显示器、小键盘、插座等）都组装在一块印制电路板上，其功能比单片机强，常用于工业生产过程的控制以及教学中。,2.,微处理器和微型计算机的发展,（二）,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.,微型计算机的主要特点,能自动,连续运算,计算机的特点,此外，微机还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、操作简单灵活等独特的优点。,运算速,度快,计算精,度高,可靠性高,通用性强,具有记,忆特性,具有逻辑,判断能力,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.,微型计算机的主要技术指标,字长,字长是指微机在信息处理中，一次存取、传送或加工的数据长度。字长不仅标志着计算机精度，也反映了信息处理的能力。一般情况下，字长越长，计算精度就越高、运算速度就越快，信息处理能力也就越强。,主存,容量,主存容量是主存能存储二进制信息的总量，它反映了微机处理时容纳数据量的能力。主存容量越大，微机工作时主、外存储器之间的数据交换次数就越少，处理速度也就越快。主存容量以字节（,Byte,）为基本单位，并定义,KB,、,MB,、,GB,、,TB,等派生单位，他们之间都是,1024,（即,2,10,）的倍数关系。,指令执,行时间,微机的运算速度取决于,CPU,的指令执行时间和时钟频率。指令执行时间是指,CPU,执行,1,条指令所需的平均时间，常用每秒执行多少百万条加法指令（,MIPS,）的指令执行速度来计量。指令执行时间与,CPU,时钟频率（即主频）有关。一般来说，主频越高，指令执行时间就越短，机器的运算速度也就越快。,大多数,CPU,内部数据总线与外部数据引脚宽度是相同的，但带“准”字的微处理器例外，如,Intel 8088,是准,16,位微处理器，内部数据总线,16,位，而芯片外部数据引脚宽度为,8,位。,系统总线的宽度和时钟频率、外部设备配置的数量和性能，以及软件配置是否丰富、功能是否强大等，都是影响整个计算机系统性能的重要因素。,注意,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.2,计算机中的信息表示,主要内容,重点关注：,不同进位计数制之间的转换方法,常用字符的,ASCII,编码,数值数据的原码、反码与补码表示,汉字的编码方法,1.,进位计数制及转换,2.,数值数据的表示,定点数与浮点数,原码反码与补码,BCD,编码,3.,非数值数据的表示,ASCII,码,汉字编码,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.,进位计数制及其相互转换,任意的,r,进制数，其展开式可以表示为：,（,a,n,a,n-1,a,0,.b,1,b,2,b,m,）,r,a,n,r,n,+a,n-1,r,n-1,+a,0,r,0,+b,1,r,-1,+b,2,r,-2,+,b,m,r,-m,在汇编语言中，数值后面跟一个字母以表示不同的进位计数制：,“,D,”,十进制数（可缺省，如,345D,或,345,）,“,B,”,二进制数（如,10101B,）,“,O,”,或,“,Q,”,是八进制数（如,27Q,）,“,H,”,十六进制数（如,2EH,、,0FEH,）,进位计数制,进位计数制之间相互转换,二,十进制,：按位权展开后将各乘积项求和。,十,二进制,：整数部分除,2,倒序取余；小数部分乘,2,顺序取整。例如，将十进制数,78.5625,转换为等值的二进制数，其方法如右图所示,。也可以,采用“降幂法”将十进制数分解以快速转换。,八（或十六）进制数,二进制数：将每一位八（或十六）进制数用等值的,3,位（或,4,位）二进制数代替。,二进制数,成八（或十六）进制数：从小数点开始往左和往右分别进行分组，每,3,（或,4,）位二进制数为一组；最后一组位数不足，则整数部分左边补,0,，小数部分右边补,0,；然后将各组分别转换为对应的八（或十六）进制数即可。,十进制数,八或十六进制数：先转换成二进制数，再将其转换成八进制数或十六进制数。,各二进制数位对应的十进制权值,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.,数值数据的表示,（一）,定点数,数值的小数点位置固定不变，该位置在计算机设计时已被隐含地规定，无须再表明小数点的位置。,通常用最高位表示数符，“,0”,表示正数，“,1”,表示负数。,通常把小数点位置定在数的最高位之前或最低位之后，计算机所表示的数都是纯小数或纯整数。,定点数与浮点数,浮点数,数值的小数点位置不是固定的，而是“浮动”的。一个数由尾数和阶码两部分构成，尾数表示有效数字，包括尾数及其数符；阶码表示数的因子中基数的幂次，包括阶码及其阶符。即：,阶符,阶码,E,数符,尾数,S,在字长一定的情况下，数的浮点表示法与定点表示法相比，具有以下特点：,在采用浮点表示法表示的浮点数中，增加尾数的位数可提高数的表示精度；而增加阶码的位数可扩大数的表示范围。,在字长、精度相同的情况下，浮点表示法比定点表示法所能表示的数值范围较大。,浮点数的运算规则较定点数复杂，实现时也就需要较多的硬件。,注 意,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.,数值数据的表示,（二）,原码,原码即为机器数（即用二进制表示符号），其编码规则是：保持真值的数值部分不变，最高位为符号位。,原码反码与补码,补码,对于正数，数值部分不变，最高位加符号位“,0”,；对于负数，数值部分按位取反后再加,1,，最高位加符号位“,1”,。,综上所述，我们可以把原码、反码和补码之间的关系归纳为：,正数：,原,反,补,负数：保持符号位不变，反码是原码除符号位外每位求反；补码是反码的末位加,1,。,数值,“,0,”,的原码和反码都有两种表示，只有补码表示是唯一的。,补码的算术运算规则十分简便，减法可转化成加法运算来完成，从而节省运算电路。,归 纳,反码,对于正数，数值部分不变，最高位加符号位“,0”,；对于负数，数值部分按位取反，最高位加符号位“,1”,。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.,数值数据的表示,（三）,1,压缩,BCD,码,将整个十进制数按顺序用,4,位一组的二进制数位组来表示，,1,个字节表示,2,个十进制数位。例如，用压缩,BCD,码表示十进制数,1976,，占两个字节为：,0001 1001,和,0111 0110,。,2,非压缩,BCD,码,以,8,位为一组表示,1,个十进制位的方法，,8,位中低,4,位表示,BCD,码，而高,4,位则没有意义。,例如，用非压缩,BCD,码表示十进制数,1976,，占,4,个字节为：,uuuu0001,、,uuuu1001,、,uuuu0111,和,uuuu0110,。,用二进制数