《微型计算机概论》PPT课件.ppt

1,微机原理与接口技术,PrincipleofMicrocomputer,andInterfaceTechnology,课程目标,微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,要学啥呢，学了有啥用哦？！,3,微机原理的核心地位,数字逻辑电路,计算机基础,C语言,微机原理,微机控制,DCS系统,单片机,自动化仪表,技术基础课,。,。,教材及主要参考书,教材：微机原理与接口技术，陈昌志等主编，科学出版社主要参考书：微型计算机原理与接口技术（第3版），冯博琴主编，清华大学出版社硬件技术基础，冯博琴主编，邮电出版社微型计算机系统原理及应用（第2版），杨素行等编著，清华大学出版社,第1章微型计算机基础概论,主要内容：微型计算机系统计算机中的常用计数制、编码及它们相互间的转换二进制数的算术运算和逻辑运算符号数的表示及补码运算二进制数运算中的溢出问题基本逻辑门及译码器BCD码的加法运算,6,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC,1.1微型计算机的发展,计算机按性能、价格和体积等综合指标，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机。,7,电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机,微型计算机是第四代计算机的典型代表,8,微处理器微型机的核心部件，简称P或MP（MicroProcessor）它将计算机中的运算器和控制器集成在一片硅片（芯片）上。可称之为中央处理单元CPU（CentralProcessingUnit）,9,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位微处理器时代第二代（19731978年）：中高档8位微处理器时代第三代（1978-1980年）：16位微处理器时代第四代（1983-1993年）：32位微处理器时期第五代（19931996）：Pentium微处理器的时代第六代（1997至今）：加强型Pentium时代第七代：64位CPU时代,微处理器的发展,10,第一代（1971-1973年）：4位和低档8位,典型产品有Intel4004(1971年、4位)和Intel8008（1972年、8位）。特点:字长：4位或8位时钟频率：1MHz平均执行指令时间：1520s集成度：2000管/片,11,Intel4004,12,第二代（19731978年）：中高档8位,Intel8080，Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOSTechnology的6502等。特点:字长：8位时钟频率：24MHz平均执行指令时间：12s集成度：500010000管/片,13,8008,8085,14,第三代（1978-1980年）：16位,Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000特点:字长：16位时钟频率：540MHz平均执行指令时间：0.5s集成度：2000060000管/片,15,8086,16,80286,17,第四代（1983-1993年）：32位,1983年Zilog公司推出Z8000微处理器1984年Motorola公司推出MC68020微处理器1985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器803861989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点:字长：32位时钟频率：10120MHz平均执行指令时间：0.2s集成度：几十万上百万管/片,18,80386,80486,19,第五代（19931996）：Pentium,1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）时钟频率：60/66MHz运行速度：100MIPS集成度：310万管/片1995年2月，Intel公司的PentiumPro时钟频率：166MHz以上集成度：550万管/片1996年Intel公司的PentiumMMX（多能奔腾）,20,Pentium，传说中的586,Pentiumpro,PentiumMMX,21,第六代（1997至今）：加强型Pentium时代,1997年到1999年，Intel公司的Pentium、Pentium、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2001年底，Pentium主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。AMD公司的AthlonCPU，1.33GHz主频及2GHz主频。,22,Pentium,Celeron,23,Pentium_Katmai,Pentium,IntelPentiumTualatin/Coppermine,24,IntelPentium_423,IntelPentium_478,25,第七代：64位CPU时代,2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置24MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8,最新CPU,八核AMDFX系列六核INTEL酷睿i7系列，AMDFX系列，AMD羿龙X6系列,27,微型化、网络化、智能化,微型计算机的发展现状,超级流水线技术将流水线深度增加了一倍数据流单指令多数据扩展2（SSE2）指令集扩展MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和3D图形数据处理，网络流数据处理等采用了全新的一级（L1）指令高速缓存技术采用先进的400MHz系统总线具有双通道RDRAM，可实现更高性能,28,1.1.2微型计算机的工作过程,冯诺依曼存储程序工作原理微型计算机的工作过程,29,冯诺依曼计算机,存储程序计算机又称为冯诺依曼型计算机。它以运算器为核心、以存储器原理为基础。所谓“存储程序”，就是把处理问题的步骤、方法（用指令描述）和所需的数据事先存入存储器中保存起来，工作时由计算机的控制部件逐条取出指令并执行之，从而使计算机自动连续进行运算。,指令是对计算机发出的一条条工作命令,命令它执行规定的操作。程序是实现某种任务的指令序列。计算机按程序安排的顺序执行指令。,30,冯诺依曼型计算机的结构示意图,31,存储程序工作原理程序中的指令必须采用二进制编码，和数据一样进行存储。程序中的指令必须属于执行程序的计算机的指令系统。,32,微型计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，因此，执行程序的过程，就是执行指令序列的过程，即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。,微型计算机的工作过程,执行一条指令的五个基本操作：取指令：从存储器某个地址单元中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；分析指令：或称指令译码，把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作信号，控制各个部件的操作；取操作数：如果需要，发出取数据命令，到存储器取出所需的操作数；执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作；保存结果：如果需要保存计算结果，则把结果保存到指定的存储器单元中。,34,35,举例,计算5CH2EH=？,36,模型机的结构,37,因为模型机并不认识助记符，而只认识用二进制数表示的操作码和操作数。因此，必须把以上程序写成二进制数的形式，即用对应的机器指令代替每个助记符。,38,步骤一,39,步骤二,40,步骤三,41,步骤四,42,步骤五,43,步骤六,44,1.1.3微机系统的构成,区别3个概念,45,微型计算机系统,硬件系统,软件系统,外部设备,主机,应用软件,系统软件,I/O接口,总线,存储器,CPU,运算器,控制器,寄存器组,微型计算机系统的一般结构,47,微型计算机硬件系统的概念结构,由CPU、总线、存储器、I/O接口和外部设备构成,48,1）微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器控制器寄存器组,CPU的典型结构,49,CPU的功能：,进行算术和逻辑运算能对指令进行译码并执行规定的动作可暂存少量数据提供整个系统所需要的定时和控制能和存储器、外设交换数据可以响应其他部件发来的中断请求,50,运算器,运算器是计算机中加工和处理数据的功能部件，主要包括两个功能：对数据的加工处理，主要包括算术运算和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等，这是运算器的重要功能，这些功能是通过运算器内部的算术逻辑单元（ALU）来完成的；暂时存放参与运算的数据和某些中间结果，通常是通过与ALU相连的寄存器组来实现。,51,控制器,由指令寄存器指令译码器和操作控制电路组成。控制器是计算机内“指挥”与“控制”整台计算机各个功能部件协同动作、自动执行计算机程序的功能部件，它要给出控制整台机器各功能部件正常运行所需要的全部信号。,52,寄存器组,分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,如SPPCFLAGS。通用寄存器如AXBX等由程序员规定其用途。寄存器组中包括多种类型的寄存器，其中累加器是寄存器组中最繁忙的寄存器，在进行算术运算和逻辑运算时，它具有双重功能：运算前用来保存一个操作数，运算后用来保存算术或逻辑运算的结果。数据寄存器是通过数据总线向存储器或输入输出设备送（称为写）或取（称为读）数据的暂存单元。,53,2）存储器,存储器又叫内存或主存,是微型计算机用来存放程序和数据（包括文字、图像、声音等）的记忆装置。用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和当前执行的程序。,内存,外存,随机存取，速度快，容量小,顺序存取/块存取，速度慢，容量大,54,有关内存储器的几个概念：,内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类,55,内存单元的地址和内容：,地址:每个单元都对应一个编号，以实现对单元内容的寻址内存单元的内容:内存单元中存放的信息,56,内存容量,内存所含存储单元的个数，以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址范围而定（即CPU地址信号线的位数）,57,内存操作,读：将内存单元的内容读出，原单元内容不改变，即non-destructiveread；写：CPU将信息写入内存单元，原单元中原内容被覆盖，即overlaywrite；刷新：把原来存储的内容重新再写入一次。此操作对CPU透明，而且仅动态存储器有此操作。,58,59,内存的分类,随机存取存储器（RAM）按工作方式可分为只读存储器（ROM）,60,3）输入/输出接口,I/O接口是计算机主机与外部设备之间进行通信的桥梁。,61,接口的分类：,串行接口并行接口输入接口输出接口,从传送方式上,从总的功能上,62,接口的功能：,数据缓冲寄存信号电平或类型的转换实现主机与外设间的运行匹配,63,4）总线,总线是计算机中各个部件之间传输信息的公共通道，它由一组导线和相关的逻辑电路构成。,内部总线：是指位于CPU内部的总线，它把CPU内部的各个部件连接起来。外部总线：是指主机与外部设备接口的总线，实际上是外设的接口标准。目前微机上流行的接口标准有IDE、EIDE（ATA）、SCSI、USB、IEEE1394等。,64,前端总线：是指CPU与存储器、高速缓存、总线接口等部件之间的总线。其中的信号线依用途的不同可分为数据总线（DataBus，DB），地址总线（AddressBus，AB）和控制总线（ControlBus，CB）。系统总线：也称为I/O通道总线，用于连接I/O接口。微机内的系统总线已完全标准化，曾经广泛使用的有PCI总线、ISA总线、MCA总线、EISA总线等。目前比较流行的系统总线有PCI总线、PCI-E总线。,65,地址总线（AB）：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元或I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。若CPU的地址线根数为n，则CPU的寻址范围=2n。数据总线（DB）：在CPU、存储器、I/O接口等各部件之间传送数据的公共通路。数据总线的根数决定一次最多可以传送的数据的位数。控制总线（CB）：用来在各部件之间传送各种控制信号、时序信号和状态信息。,举例,举例,66,软件系统,运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序及其相关资料的总和。,系统软件,应用软件,操作系统系统实用程序,软件,编译程序汇编程序数据库调试程序工具软件,67,程序设计语言机器语言计算机直接执行的二进制形式的程序汇编语言助记符语言表示的程序高级语言不依赖于具体机型的程序设计语言,易混淆概念区分,微处理器(CPU)计算机的核心，包括运算器、控制器和寄存器组，实现了运算和控制功能。微型计算机以CPU为核心，配上ROM、RAM、I/O口及系统总线等部件，构成了其硬件系统。单片机将CPU、ROM、RAM、I/O口等集成在一片超大规模集成电路芯片上的“微型计算机”微型计算机系统用于信息输入输出的外部设备以及控制计算机工作的各种软件,69,微型计算机的物理结构,微型计算机的硬件架构图,70,微型计算机的物理结构示意图,71,典型的主板结构,Intel845G芯片组,72,Intel965G芯片组,73,主板上的主要部件,CPU插座,74,芯片组（南北桥/HUB）内存插槽：用于插入内存条高速缓存（现已集成到CPU内部）：用于提高内存的访问速度系统BIOS：硬件控制，系统配置CMOS：存放硬件配置参数总线扩展槽：PCI、PCI-E、ISA、AGP,75,串行、并行接口、键盘鼠标接口、USB接口：连接外部设备,76,软/硬盘、光驱插座,77,芯片组：CPU的外围控制芯片，通常为2片。它有两种架构：南北桥和HUB(加速中心)。南北桥结构北桥提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接南桥提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等例如：Intel4xx系列、VIA6xx系列、SiS6xx系列HUB结构GMCHAGP接口、存储器通道ICHPCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口FWH系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器例如：Intel8xx系列、9xx系列等,78,Intel80 x86CPU的地址线条数,Intel80 x86地址条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MB80386Pentium4324GB,返回,79,Intel80 x86CPU的数据线位数,Intel80 x86数据位数80861680888802861680386Pentium432,返回,80,1.2常用计数制,了解：各种计数制的特点及表示方法掌握：各种计数制之间的相互转换,81,1.定点小数的表示,定义：小数点准确固定在数据某个位置上的小数表示：表数范围为：,82,2.整数的表示,定义：小数点定在数据的最低位右边的一种数据表示：表数范围为：,83,3.浮点数的表示,定义：小数点的位置可以左右移动的数据表示：,M：浮点数的尾数，或称为有效数字，通常是纯小数；R：阶码的基数E：阶码，为带符号整数Es：阶符，表示阶码的符号，决定浮点数范围的大小Ms：尾符，尾数的符号位，安排在最高位，表示浮点数的正负,84,典型的浮点数格式：,10.010111012+5的阶码为+5，表示把尾数的小数点向右移动5位就是小数点的实际位置,Ms,Es,E,M,1位,1位,m位,n位,85,浮点数的规格化,规格化处理：整数部分必须是1,浮点数的表数范围主要由阶码决定，精度则主要由尾数决定,规格化浮点数,规定计算机内浮点数的尾数部分用纯小数表示，即小数点右边第1位不为0,对不满足要求的数，可通过修改阶码并同时左右移动小数点位置的方法，使其变为规格化浮点数,86,1.3二进制数的运算,无符号数算术运算有符号数逻辑运算,87,一、无符号数的运算1.算术运算,包括：加法运算减法运算乘法运算除法运算,88,注意点,对加法：1+1=0（有进位）对减法：0-1=1（有借位）对二进制数，乘以2相当于左移一位；除以2则相当于右移1位。,89,例7：,000010110100=00101100B000010110100=00000010B即：商=00000010B余数=11B,90,2.无符号数的表示范围,一个n位无符号二进制数X，它可表示的数的范围为：0X2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,91,例8：,最高位向前有进位，产生溢出8位（1字节）表示数的范围：0255,00000000,1,00000001,11111111,+,92,3.无符号二进制数的溢出判断,无符号二进制数加法（或减法）中最高有效位Di的进（借）位为Ci，则两个无符号二进制数相加（或相减）时，若最高有效位Di产生进位（或相减有借位），即Ci=1，则产生溢出。,在加法过程中，符号位向更高位产生进位；在减法过程中，符号位向更高位产生借位。产生溢出,93,4.逻辑运算,与或非异或,94,5.逻辑门,掌握：与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）与非门、或非门的应用,95,“与”、“或”运算,任何数和“0”相“与”，结果为0任何数和“1”相“或”，结果为1,96,“非”、“异或”运算,“非”运算即按位求反两个二进制数相“异或”：相同则为0，相异则为1,97,6.译码器,74LS138译码器：,G1,G2A,G2B,C,B,A,Y0,Y7,98,掌握,74LS138译码器：各引脚功能输入端与输出端关系（真值表）,99,二、有符号数,计算机中的符号数可表示为：符号位+真值机器数“0”表示正“1”表示负,机器数：符号数值化了的数；用一位表示符号的二进制数。机器数的真值：原来的数值。（包括+、-号）,100,例9：,+52=+0110100=00110100符号位真值-52=-0110100=10110100符号位真值,101,1.符号数的表示,原码反码补码,102,原码：,最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；其余为真值部分优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不惟一,103,数0的原码,8位数0的原码：+0原=00000000-0原=10000000即：数0的原码不惟一,104,原码的定义,若二进制数X=Xn-1Xn-2X1X0X2n-1X0X原=2n-1-X=2n-1+X0X-2n-1,105,反码,对一个机器数X：若X0，则X反=X原若XX0X反=(2n-1)+X0X-2n-1,109,补码,定义：若X0，则X补=X反=X原若XX0X补=2n+X=2n-X0X-2n-1,113,特殊数10000000,该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数，（10000000）B=128,114,符号数的表示范围：,对8位二进制数：原码：-127+127反码：-127+127补码：-128+127,115,2.符号二进制数与十进制的转换,对用补码表示的二进制数：1）求出真值2）进行转换,116,例12：,将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数X补=00101110B真值为：0101110B正数所以：X=+46X补=11010010B真值为：-010010B负数从而有：X=X补补=11010010补=-0101110=-46,X原=X补补,117,3.补码的运算,通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算即：X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补,118,例13：,X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y补=？X原=10110100X补=X反+1=11001100Y补=Y原=01110100所以：X+Y补=X补+Y补=11001100+01110100101000000,自然丢失,最后得出：X+Y补=(+64)10,119,带符号数的表示范围8位二进制符号数，原码、反码、补码所能表示的范围：原码：11111111B01111111B-127+127反码：10000000B01111111B-127+127补码：10000000B01111111B-128+12716位二进制符号数，原码、反码、补码所能表示的范围：原码：FFFFH7FFFH-32767+32767反码：8000H7FFFH-32767+32767补码：8000H7FFFH-32768+32767,4.符号数运算中的溢出问题,120,带符号数运算时的溢出判断两个带符号二进制数相加或相减时，若最高位次高位1则结果产生溢出。,121,例14：,若：X=01111000，Y=01101001则：X+Y=即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）,C7=0，C6=1；C7C6=1,+120,+105,-31,122,例15：,若X=-83，Y=-80，用补码计算X+Y=？X补=10101101Y补=10110000X补+Y补=10101101-83+10110000-80101011101+93即：最高位向最高位有进位，而次高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）C7C6=1无溢出条件：C7=1，C6=1；C7=0，C6=0。用自陷中断处理溢出。,123,1.4计算机中的编码,BCD码ASCII码,124,1.二十进制数的表示,8421BCD码,用四位二进制数表示一位十进制数,表1.1十进制数和二进制码的对应关系,125,例15将十进制数138.16转换为BCD码解：将138.16的每一位用对应的BCD码表示，可得(138.16)10=(000100111000.00010110)BCD例16将BCD码000101110101.0101转换为十进制数解：(000101110101.0101)BCD=(175.5)10例17将二进制数00110101转换为BCD码。解：(00110101)2=(53)10=(01010011)BCD同一个8位二进制代码表示的数，当认为它表示的是二进制数和认为它表示的是二进制编码的十进制数时，数值是不相同的。例如00011000作为二进制数时，其值为24；但作为2位BCD码时，其值为18。,126,BCD码的存储方式,压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数,127,BCD码的加法运算下面我们以压缩BCD码格式为例讨论BCD码的加法运算。例18用BCD码求38+49。解：0011100038的BCD码+0100100149的BCD码1000000181的BCD码,对应十进制数为81，正确结果应为87，显然结果是错误的。其原因是，十进制数相加应当是“逢十进一”，而计算机按二进制数运算，每4位为一组，低4位向高4位进位与十六进制数低位向高位的情况相当，是“逢十六进一”，所以当相加结果超过9时将比正确结果少6。因此，结果出错。,128,解决的办法：对二进制加法运算的结果采用“加6修正”，将二进制加法运算的结果修正为BCD码加法运算的结果。两个两位BCD数相加时，对二进制加法运算结果修正的规则如下：(1)如果任何两个对应位BCD数相加的结果向高一位无进位时，若得到的结果小于或等于9，则该位不需修正；若得到的结果大于9且小于16，则该位进行加6修正。,(2)如果任何两个对应位BCD数相加的结果向高一位有进位时(即结果大于或等于16)，该位进行加6修正。(3)低位修正结果使高位大于9时，高位进行加6修正。这种修正称为BCD调整。,129,下面通过例题验证上述规则的正确性。例19用BCD码求35+21。解：0011100035+00100001210101011056,低4位，高4位均不满足修正法则，所以结果正确，不需修正。,例20用BCD码求25+37。解：0010010125+001101113701011100低4位满足法则1+00000110加6修正0110001062结果正确,130,11010111高4位满足法则1+01100000加6修正000100110111137结果正确,例21用BCD码求38+49。,解：0011100038,+0100100149,10000001低4位满足法则2,+00000110加6修正,1000011187结果正确,例22用BCD码求42+95。,解：0100001042,+1001010195,131,例21用BCD码求91+83。解：1001000191+1000001183000100010100高4位满足法则2+01100000加6修正000101110100174结果正确,例22用BCD码求94+7。解：1001010094+00000111710011011低4位满足法则1+00000110加6修正10100001高4位满足法则3+01100000加6修正000100000001101结果正确,132,例23用BCD码求76+45。解：0111011076+010001014510111011低4位、高4位均满足法则1+01100110同时加6修正000100100001121结果正确,133,2.ASCII码,字符的编码，一般用7位二进制码表示。在需要时可在D7位加校验位。熟悉0F的ASCII码,134,ASCII码的校验,奇校验加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。例：A的ASCII码是41H（1000001B），以奇校验传送则为C1H（11000001B）偶校验加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。上例若以偶校验传送，则为41H。,135,1.5计算机中常用术语,bit1Mb=10241024bit=220bit1Gb=230bit=1024Mb1Tb=240bit=1024GbByte1Byte=8bit1KB=1024Byteword：表示字长，有1bit，4bit，8bit等,136,1.计算机通信速率单位,波特率（BaudRate）通信通道中信号状态每秒钟变化的次数，是信息传送速率的度量单位。位速率或比特率（bitpersecond,b/s）每秒传送多少位。和波特率有关。与波特率不同。每秒字符（characterpersecondCPS）每秒传送ASCII字符数。和通信协议有关。,137,2.兼容性,兼容：若在一个系统上开发的硬件和软件能够在另外一个系统上成功地运行，则称两个系统是兼容的。向上兼容：若兼容性是从旧系统到新系统的单项发展，则称为向上兼容。,