清华大学-计算机硬件技术基础ZG.ppt

1,开课：电机工程与应用电子技术系教师：刘建政副教授地址：二区305电话：73237,计算机硬件技术基础,2,讲课：32学时实验：15（5次实验，从第6周开始）教材：计算机硬件技术基础(第2版)张菊鹏编清华大学出版社包括：实验指示书和习题集共3册参考书：1.IBM-PC汇编语言程序设计沈美明等清华出版社2.微型计算机技术及应用（第二版）戴梅萼等清华出版社3.BarryB.Brey:TheInterMicroprocessors8086/8088,80186/80188,80286,80386,80486,Pentium,andPentiumProProcessorArchitecture,Programming,andInterfacing.FourthEdition,计算机硬件技术基础,3,第1章微机基础,1.1计算机中的数制和编码1.2微型计算机的结构1.38086/8088微处理器本堂课作业:(计算机硬件技术基础习题集)1-2(3)；1-3(2)(4)；1-4(2)；1-5(3)；1-6(1)(5);1-8(2)(3);1-9(1)(3);1-12(1)(3)*课件下载地址：ftp:/待定,4,本课程是我校一门重点技术基础课，要求学会计算机硬件方面的最基本知识。课程特点：1.发展更新快2.无理论推导、表面上容易，但繁琐3.量大,学时少4.难点在软件与硬件的结合，即控制软件5.上机实验很重要课程具体要求：1.作业、实验报告按时交每人准备1本作业纸,下周上课前由课代表将上周作业收齐交到西主楼2区305。作业每次改一半并进行登记,实验报告在下次实验前交。,5,2.实验提前准备好,予先写出实验予习报告,包括编好上机程序。实验完成后经老师检查认可,并在予习报告上签字。3.认真听课、复习、做实验,有部分同学开始感到入门难。千万别等到期末总突击。4.课程考核及总成绩构成：期中、期末考试(开卷)占50%实验占20%作业占20%其它占10%注：其它包括考勤、回答问题等,6,教学思想：本班同学大部分来自非电类系，加上我们学时较少（仅32学时），重点应在以拓宽同学们的知识面为主（泛讲），很多环节不能做过多的和深入的展开。课堂教学也不全部灌输式教学，可能安排一些设计、练习或讨论等。欢迎同学们就教学方法提出宝贵的建议。联系电话：73237（办）地址：西主楼2区305,7,1.1计算机中的数制和编码1.1.1常用进位计数制及其相互转换,十进制数：09逢十进位二进制数：01逢二进位例：1101.101B以B结尾，表示二进制数十六进制数：09，AF逢十六进位例：0BF4H以H结尾，表示十六进制数,8,1.1.2二进制编码,1BCD码(又叫：二十进制编码、8421码)计算机中采用二进制,运算规律简单，但不直观.例：00111010B=？又例:0.3万0。01001100为此采用二进制数对十进制数编码00000每一位十进制数用四位二进制编00011码表示,故又叫二十进制编码10019,9,一类叫组合（或叫压缩）的BCD码：它用一个字节表示2位BCD码例：(01101001)BCD69另一类叫未组合（或叫非压缩）的BCD码：1个字节只用低4位来表示BCD码，高4位为0例：(00001000)BCD08,BCD码有两类：,10,2ASCII码（美国标准信息交换码）计算机处理的信息除数字外，还需处理字母和符号，这些字符也用二进制编码表示：D7D6D0奇偶标志编码（或填0）故ASCII码从007FH，共128个。代表09，ABC，abc，+，-，*，/等，参见P15页表1-4.,11,1.1.3二进制运算（算术、逻辑）,加、减、乘、除不介绍了，参考一下书上内容。与运算：例：110010011011010110000001或运算：例：110010011011010111111101,12,异或运算：例：110010011011010101111100对十六进制加、减运算，可化为二进制进行运算，也可直接进行运算例：06B3H0000011010110011B+3D25H+0011110100100101B43D8H0100001111011000B,13,1.1.4带符号数的表示法：,用最高有效位来表示数的符号。0表示正数1表示负数对8位字长，D7为符号位例：X=01000100b表示为+44h，+68dX=11000100b表示为-44h，-68d机器数真值,14,带符号数的表示：1原码表示：符号数值X=+68，X原=01000100X=-68，X原=11000100,15,2反码表示：X=正数，X反=X原X=负数，X反=X原中的符号位不变，其余位按位求反例：X=+1000100则：X反=01000100X=-1000100则：X反=10111011,其余位按位求反,16,3补码表示：X=正数，X补=X原X=负数，X补=2n-|X|式中2n为模，n为位数例：X=-1000100b设n=8X补=28d-1000100b=100000000-1000100=10111100b10000000028-100010010111100,17,为避免做减法，可写成：X补=28-1000100=11111111+1-1000100=(11111111-1000100)+1=X反+1举例：真值补码对正数:X补=X原对负数按定义：X补=X反+1,18,例1-2补=-0000010补=11111101+1=11111110例2-127补=-1111111补=10000000+1=10000001例3-0补=-0000000补=11111111+1=00000000（最高位舍掉）,其余位按位求反,19,补码真值X补=00101110为正数则真值X=+0101110=+46X补=11010010为负数真值X=-(X补包括符号位求反加1)X=-00101101+1=-00101110（-46）,20,若机器字长为16位，写出X=-46D的补码。先写出8位-46补=11010010再进行符号扩展，扩展方法为：正数在高8位补0，负数在高8位补1故-46补=1111111111010010=FFD2H若本身是一个16位负数，可按X反+1求。8位补码中的一个特殊数：10000000在补码中定义为-128,21,补码运算好处：将减法运算变成加法运算（运算器只有加法器）例：96-20=？01100000+96补+11101100-20补10100110076-20补=-0010100自然丢失=11101011+1,22,1。1。5二进制表示范围,1对8位数：（参见P10表1-2）（1）无符号数0255（2）有符号数原码：最小11111111-127最大01111111+12700000000+010000000-0,23,反码：最小10000000-127最大01111111+12700000000+011111111-0补码：最小10000000-128最大01111111+127000000000,24,2对16位数：（1）无符号数范围：065535（2）有符号数，只写出补码：最小8000H-32768最大7FFFH+3276700000H以后学习中，谈到有符号数，均指的是补码，其运算结果也是补码。,25,几个常用名词,位bit字节Byte缩写：B（8bit）字Word缩写：W1字=2字节双字DoubleWord缩写：DW1个双字=4字节=32位字长多少bit,26,1.2微型计算机的结构,1.2.1微处理器（P或MP）又叫CPU，中央处理单元。包括如下几个部分：1.算术逻辑单元（ALU），执行算术和逻辑运算等操作。运算结果的一些特征位送标志寄存器。2.累加器和通用寄存器组，用来保存参加运算的数据及运算的中间结果。累加器是一个特殊的寄存器。3.程序计数器、指令寄存器和指令译码器。要执行的指令地址由程序计数器提供；指令寄存器用来存放从内存中取来的指令码；指令译码器则用来对指令码进行译码。4.时序和控制单元，当指令译码器对程序中的指,27,令进行译码时，产生相应的控制信号送时序电路，形成一定的时序控制信号，送到控制逻辑电路，发出相应的控制信号，控制微机中各部件协调工作。P型号很多：8位：有8080、8085、6805、Z80等16位：Intel8086/8088、Z8000、MC6800032位：Intel386、486、Pentium、Motorola68020等,28,1.2.2微型计算机（C或MC）,数据总线DB,控制总线CB,微处理器CPU,存储器,输入/输出接口电路,外围设备,地址总线AB,结构图如下：,图1-1微型计算机的基本结构,29,C包括如下几部分：,MP（CPU），为C的核心部件总线（BUS），分AB、DB、CB用来传输信息存储器，存储程序和数据I/O接口，是微机和外设相连的桥梁注意图中箭头方向有单向和双向两种。,30,1.2.3微型计算机系统(CS或MCS）,包括下面几部分：微型计算机(MC)系统软件：含操作系统,语言处理软件,编辑程序,调试程序等外设：输入设备例键盘、扫描仪等。输出设备例CRT、打印机、绘图仪等。磁盘、磁带既是输入设备又是输出设备电源,31,1.38086/8088微处理器,8086：为Intel系列的16位MP，+5V电源，有16根数据线，20根地址线8088：为准16位MP，内部结构为16位数据线，对外为8位，其余同80861.3.18086/8088的寄存器结构下图表示了8086/8088的寄存器结构(参见P22的图1-3。图中上面数据寄存器错成指针寄存器),32,AH,AL,BH,CL,CH,DL,DH,SP,SI,BP,CS,DI,DS,ES,SS,PSW,AX,BX,CX,累加器,DX,基数,IP,计数,数据,数据寄存器,基数指针,源变址,指令指针,堆栈指针,目的变址,状态标志,堆栈分段,附加分段,数据分段,码分段,变址寄存器,指针寄存器,通用寄存器,控制寄存器,段寄存器,8086/8088的寄存器结构,BL,图1-2,33,1通用寄存器：,数据寄存器：AX、BX、CX、DX。这4个16位寄存器可作为8个8位寄存器AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL来使用。指针及变址寄存器：只能按16位处理SP堆栈指针寄存器BP基址指针寄存器SI源变址寄存器DI目的变址寄存器SP、BP与SS联用SI、DI与DS联用其中SI、DI有自动增量和减量功能,指针寄存器,变址寄存器,34,2段寄存器：CS码段寄存器DS数据段寄存器SS堆栈段寄存器ES附加段寄存器,(辅助的数据区）3控制寄存器：IP指令指针寄存器：存放码段中偏移地址PSW状态标志寄存器：下面专门有一节讨论,35,1.3.28086/8088的编程结构：参见P23图1-4,分成两大部分：右侧部分为总线接口单元(BIU)，负责与存、I/O传送数据。左侧部分为执行单元(EU)，负责指令的执行。由于这两部分是分开的，每当EU执行一条指令时，BIU就马上从内存中取来下一条指令，这样，一般情况下，CPU在执行完一条指令后，便可马上执行下一条指令。从而提高了cpu的运行效率。,36,1.3.38086/8088的存储器组织1.存储单元的地址和内容存储器以字节为单位存储信息，每个存储（字节）单元有一个地址，地址用16进制格式表示，如：0000H，0001H000AH000FH，16位二进制数可表示的地址范围为065535。用16进制表示为：0000HFFFFH。计算机中讨论存储器容量以2=1024为基本单位，称为1K字节。,37,78H,1AH,0000H,0001H,0002H,0003H,译码器,6FH,3BH,1A78H,1A79H,1A7AH,1A7BH,.,存储单元的地址和内容,图1-3,A15A0,38,设2号单元中存放的内容为78H，表示为:（0002H）=78H如果数据以字为单位，则占用连续的两个字节单元，且用低地址表示：（0002H）=1A78H若0002单元的内容为一个地址，而(1A78H)=3B6FH，则可记为(0002H)=3B6FH,39,8086/8088有20条地址线，其寻址范围为：220=1048576=1024KB=1M（字节），地址从00000FFFFFH但8086/8088中有关地址的寄存器都是16位的，寻址范围最多为64KB。那么16位字长的机器里用什么办法提供20位地址？采用存储器地址分段的办法解决。我们编程时可把存储器划分成段，每段最大可寻址64KB，这样段内地址可用16位表示。,2.存储器地址的分段：,40,例我们可这样分段：000000FFFFH第1段100001FFFFH第2段200002FFFFH第3段E0000EFFFFH第15段F0000FFFFFH第16段每段64KB，共16段,41,其实不一定这样划分，每段大小可任意，段的起始地址亦可任意。在1MB的存储器中，每一个存储单元都有一个唯一的20位地址，称为该存储单元的物理地址（又叫实际地址）.另一种叫逻辑地址，由两部分组成：段基址和偏移量。程序中不能使用20位的物理地址，而使用16位逻辑地址。20位物理地址由16位段地址和16位偏移地址组成,42,计算方法如下：10H段地址+偏移地址=物理地址一个物理地址可对应多个逻辑地址例：10145H可对应10100+45也可对应10140+05对应前面提到的四个段寄存器CS、DS、SS和ES，有各自的用途：取指令码时用CS+IP堆栈操作时用SS+SP,43,涉及一个操作数时用DS+16位偏移量ES+16位偏移量,各段在存储器中的分配一般由操作系统负责，也允许编程人员指定所占的内存区。,