微机原理第1章概述.ppt

课程：116周,微机原理及应用 答疑地点： 东6A408,411,第一章 概述,微机发展概况 信息在计算机中的表示 微机系统工作原理 微机硬件 微机软件 习题 第一章 小结 第一章 习题,学 习 目 的 了解计算机的发展 熟悉计算机的数制与编码 掌握微处理器、微型计算机和微型计算机系统的组成 熟悉微型计算机的总线结构特点,第一章:学习目的,重 点,微处理器、微型计算机 微型计算机系统的组成 计算机的数制与编码 微型计算机的总线结构 难 点 微型计算机的总线结构,第一章:重点难点,1.1 微计算机的发展（了解）,1.1.1.计算机的发展 1946年，世界上第一台计算机诞生于美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院. 第一代：（1946-1957）：电子管 第二代：（1957-1964）：晶体管 第三代：（1965-1971）：中小规模集成电路管 第四代：（1970-1992）：超大规模集成电路,第一章:1.2计算机的发展,1.1.1 计算机的发展,1943年美国开始研制电子计算机 1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制小组，研制成了世界上第一台数字式电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）。 约18000个电子管、1500个继电器，耗电量达150kW，占地面积167m2，重量约30吨，计算速度每秒5000次，采用字长10位的十进制计数方式。,1.1.2 微处理器的发展,从1971年第一片微处理器诞生以来，微处理器和微型计算机获得了极快的发展，几乎每两年微处理器的集成度翻一番，每24年更新换代一次，现已进入第六代。,第一章:1.1微处理器的发展,摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍,第一章:1.1计算机的发展,摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍,第一章:1.1微处理器的发展,CPU性能每18个月增加一倍 晶体管数目每两年增加一倍,摩尔定律,后面是什么?,Pentium ,Pentium MMX,Pentium Pro,80486DX2,80386DX,80286,8086,奔腾不息 升级不止,在计算机内部用二进制数以不同形式 编码表示和存储信息。,计算机不仅能进行数值计算，而且还能处理文字、声音、图形、图像等各种信息，统称为数据。具有数值大小和正负特性的数据称为数值数据；而文字、图形、声像之类的并无数值大小和正负特征的信息称为非数值数据。,计算机对要处理的数据（数值或非数值数据）实行二进制编码。为便于记忆和书写，用十六进制数表示二进制数。,1.2 信息在计算机中的表示,1.2.1 机器数与真值,用二进制数可以表示带符号数,附: 十进制数、二进制数与十六进制数及相互关系,1.2.2 计算机中的数据类型,位（Bit） 、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、 四字（Quardword）,1 bit=1个二进制位 1 Byte=8 bit 1 Word=2 Byte 1 Doubleword=2 Word=4 Byte 1 Quardword=4 Word,Doubleword (7EACF053H),1.2.3 原码、反码与补码,计算机中带符号数的表示,对于带符号数，最高位为符号位，余下的二进制数位表示数值。符号位用 “0” 表示正数，用 “1” 表示负数。,正数表示: 原码 , 反码 , 补码完全一样,例如: 十进制数 +5 的表示,原码: 00000101B 或 05H,反码: 00000101B 或 05H,补码: 00000101B 或 05H,用一个字 节来表示,1.2.3 原码、反码与补码,计算机中带符号数的表示,负数表示: 原码 , 反码 , 补码 表示都不一样,例如: 十进制数 -5 的表示,原码: 10000101B 或 85H,反码: 11111010B 或 0FAH,补码: 11111011B 或 0FBH,(符号位不变,其余位依次取反),(反码加1),(用一个字节来表达),0的表示:原码 , 反码 , 补码相同吗？,例: 十进制数 -0和+0 的表示 原码: 10000000B 和 00000000B 反码: 11111111B 和 00000000B 补码: 00000000B 和 00000000B,0的表示：只有补码表示是唯一的！ 在计算机中采用补码表示带符号数。,1.2.3 原码、反码与补码,计算机中带符号数的表示,(2n 1)为n个1， (2n 1)- |x|为|x|的反码，所以求负数的补码可按“按位取反，末位加1”的方法进行（注意 符号位不变） 。,微机中用补码表示带符号数,利用补码将减法运算转化为加法运算： X原=X补补 X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补,在计算机中您如何解释数？,一个存于计算机中的数，由于解释的不同，可以表示不同的数值。 可以是无符号数，也可以是带符号数。 例如：在8位二进制下 11111111B=0FFH 当作为无符号数，表示的真值为255， 当作为带符号数，表示的真值为-1。 因此，数的使用与解释全由编程者决定！,第一章: 1.2原码、反码与补码,1.2.3 原码、反码与补码,计算机中带符号数的表示,补码表示 数的范围,字节(8位): -128 +127,字(16位): -32768 +32767,1.2.4 定点数与浮点数,定点数: 小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）,定点表示法要求小数点的位置是固定的，但具体在什么位置并无限制。在计算机中，有两种定点数是最常用的。但在具体应用时，还是需要事先约定好。 一种是定点纯小数，把小数点固定在最高数值位左边，在小数点左边留有一位符号位，而且小数点本身不占位。 另一种是定点纯整数，把小数点固定在最低数值位右边，最高位为符号位，而且小数点本身也不占位。,1.2.4 定点数与浮点数,浮点数: 小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）,浮点数的表示方法,符号 指数 尾数,S=0 正数 S=1 负数,小数点位置与b0=1省略,微机系统的三种浮点数类型,例1.3:将十进制数219.125表示成单精度浮点数。 219.125D=11011011.001B=1.101101100127 E=7+127=134=10000110B。（加偏移量127） 得到二进制表示的规格化的浮点数形式：,尾数（共23位），包括隐含的b0共24位,指数,符号,例1.4: 已知单精度浮点数为 1 10010000 10101100010000000000000B 求其对应的真值。 解由给定的浮点数格式可知S=1，表示是负数，E=10010000B=144，所以指数为E=144-127=17，尾数为后23位，去掉后面无效的0，该数的真值为： -1.1010110001217B= - 110101100010000000B = - 219264,1.2.4 定点数与浮点数,1.2.5 计算机中常用码制,1BCD码（Binary Coded Decimal） 用二进制编码表示十进制数称为BCD码 。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如 (0100 1001 0111 1000.0001 0100 1001)BCD ( 4 9 7 8 . 1 4 9 )D 压缩BCD码：一个字节表示两位十进制数 非压缩BCD码：一个字节表示一位十进制数 （使用低四位）,十进制的基本数字分别用四位二进制数表示. 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8421码在计算机中有两种表达方式： 组合BCD 码：一个字节表示二个十进制数 非组合BCD 码：一个字节表示一个十进制数 例：十进制数32表示为： 组合BCD码：00110010 非组合BCD码：00000011 00000010,第一章: BCD码,字符的编码,字符的定义：在计算机中表达能为人理解的信息的符号。 字符的种类：字符编码的种类很多，不同国家的文字、不同系统使用不同的编码。常用的有ASCII码、GB码、BIG5码等。现在国际标准化组织推荐使用UNICODE码。 编码的原则：用一个规定的二进制数表达一个特定的符号。,第一章:1.2字符的编码,美国国家信息交换标准代码 ASCII码(American Standard Code for Information Interchange) -字母、数字、符号的最普遍的编码。已成为计算机字符编码的国际标准。,第一章:ASCII码,例如: 可打印的ASCII码如,数字 09: 30H 39H 大写 AZ: 41H5AH 小写 az: 61H7AH 空格(space): 20H,不可打印:,BEL(响铃,07H),CR(回车, 0DH), LF(换行,0AH)等,第一章:ASCII码,汉字编码GB码 （了解）,外码、内码 GB码是国标GB2312-80汉字编码的简称。 GB码由两个字节组成，每个字节的最高位为1，共有6763个编码。 GB码只有在支持该码的(中文)操作系统下才有效。若在西文状态下，该码将被解读为两个扩展ASCII码。,第一章: 1.2GB码,汉字输入码 各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码,汉字内码 输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码,汉字输出码 用于输出汉字字型的点阵编码,第一章: 1.2GB码,1.3 计算机、微型机算机组成结构,主要内容 计算机组成 微型机算计组成 CPU的内部结构 微型计算机总线结构特点,中央处理器CPU,将运算器和控制器集成在一起，用来解释指令并执行。,1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m 频率为8MHz,2005/02 Intel P4 起跳频率为3.2GHz,第一章:1.3台式计算机构成,内存 硬盘 软盘 显示卡 显示器 光盘存储器 鼠标、键盘,100G硬盘,液晶显示器,外置刻录机,MO磁光盘,无线蓝牙光电鼠标,可折叠键盘,第一章:1.3台式计算机构成,计算机的组成-冯诺依曼结构,第一章:1.3计算机组成结构,运算器是进行运算的部件。运算包括算术运算和逻辑运算。一般简称ALU。,控制器通过对指令的译码，控制自身和其它部分运行。,存储器是存储数据和指令的部件。其物理容量(大小)是固定的，以字节为单位(B)。,输入与输出设备是计算机与外界进行信息交换的场所，它们与计算机通过I/O接口实现信息的交换。,1.3.1 计算机的基本结构,运算器 运算器是进行运算的部件。运算包括算术运算和逻辑运算。一般简称ALU。 控制器 控制器通过对指令的译码，控制自身和其它部分运行。 存储器 存储器是存储数据和指令的部件。其物理容量(大小)是固定的，以字节为单位(B)。 输入设备：典型的输入设备是键盘 输出设备：典型的输出设备是显示器 输入与输出设备是计算机与外界进行信息交换的场所，它们与计算机通过I/O接口实现信息的交换。,第一章:1. 3 计算机的基本结构,诺依曼结构特点:串行顺序处理机制,采用二进制 采用程序存储方式 计算机组成结构:5个部分 诺依曼结构的改进 采用多个处理部件形成流水线处理 组成阵列机构,采用单指令流多数据流 用多个诺依曼结机器组成多机系统,支持并行工作,第一章:1.3计算机组成结构,1.3.2 微型计算机的基本结构,微型计算机硬件系统组成 微处理器CPU (Central Processer Unit) 由运算器、控制器、寄存器组3部分组成。实现运算和控制功能。又称中央处理单元CPU. 存储器 由CPU之外的半导体存储器芯片组成，存放程序、操作数、运算的中间结果和最终数据。 分为只读存储器ROM（Read Only Memory)与可读可写的随机存储器RAM (Random Access Memory),第一章:1.3计算机硬件系统组成,I/O接口电路与I/O设备： 输入设备将程序、数据信息送给计算机；输出设备将处理结果以各种形式表现出来。外设与CPU间的硬件连线和信息交换要经接口电路。 总线 连接多个功能部件的一组公共信号线，具有逻辑控制功能。,内存储器,微处理器,IO接口,外部设备,AB,DB,CB,微处理器：进行算数 运算和逻辑运算。,存储器：存储程序、 数据、符号等,I/O接口：使外设 与微机相连。,第一章:1.3计算机硬件系统组成,微处理器系统的总线结构,2 组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB联系在一起。,1 总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。,微机总线功能： 数据总线DB：装载数据和指令代码。是双向的。总线宽度：总线中信号线的条数。 地址总线AB：装载地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。是单向总线。地址线的根数决定了CPU所能直接访问的存储空间容量。 CPU的寻址范围 = 2n， n-地址线根数 控制总线CB：CPU向其他部件传送控制信号，其他部件向CPU传送状态信号和请求信号。宽度各异。 可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。,第一章:1.3 计算机硬件系统组成,微处理器系统的总线结构类型,微处理器组成(CPU),分析和 执行指令,暂存数据和结果,算术和 逻辑运算,第一章:1.3计算机硬件系统组成,现代微机的存储器（体系结构）:,对存储器的管理由操作系统来完成,CPU,Cache,外存储器,主存储器,第一级,第二级,第三级,静态,动态,第一章:1.3计算机组成结构,微机结构的特点：,采用总线或微通道连接系统的各个部件。 所谓总线是一组能为多个部件共享的公共信息传输线路，可以分时发送与接收各部件的信息。 总线分为：地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB） 采用总线结构有什么优点？ 有了总线结构以后系统中各功能部件之间的相互关系变为了各功能部件面向总线的单一关系。 一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总路线标准的系统中，使系统功能得到扩展。,第一章:1.3计算机总线组成,1.3.3 指令和程序（熟悉）,问题：计算机如何完成a+b的工作？ 第一步：从存储器取第一个数a 第二步：从存储器取第二个数b 第三步：相加a+b 第四步：将结果送到指定存储单元 每一步都是一种操作，将计算机要执行的各种操作用命令的形式写出来，形成指令。,第一章:1.3指令和程序,指令：指令是用来指挥和控制计算机执行某种操作的命令。一条指令包括两个基本组成部分，即操作码和地址码。 指令系统：一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合称为该计算机的指令系统。 程序：完成或解决某一特定问题而编写的指令序列称为程序。通常用二进制代码形式组成的指令序列称为机器语言程序，即目标程序。 汇编语言程序：用助记符形式组成的指令序列称为汇编语言程序，或符号程序。 例如：助记符ADD表示加法指令 ADD AX, BX 的二进制代码为00000011 11000011,第一章:1.3指令和程序,1.3.4 模型计算机,模型计算机CPU结构 存储器结构 执行过程 简单程序举例,第一章: 1.3.4 初级计算机,模型计算机CPU结构,存放下一条要执行的指令的地址,指示栈项地址,临时存放单元：暂时存放数据和地址,存放运算操作数和结果,以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算,寄存ALU操作结果的状态,模型计算机存储器,第一章:1.3指令和程序,简单程序举例将7和10相加 例：让计算机把7和10两个数相加。 第一步：确定可实现的汇编指令 MOV AL，n ;将数据n送累加器AL ADD AL，m ;将AL中的数据与m相加 HLT ;停机,第一章: 1.3.4 初级计算机,第二步：指令对应的机器码,00H 0000 0000 1011 0000 MOV AL，n 01H 0000 0001 0000 0111 n=7 02H 0000 0010 0000 0100 ADD AL，n 03H 0000 0011 0000 1010 m=10 04H 0000 0100 1111 0100 HLT ,地址,内容,指令,十六进制,二进制,第一章: 1.3.4 初级计算机,指令的执行过程 取第一个字节 取第二个字节 取第3，4个字节,1.4 微机硬件,1.4.1 微机系统的性能指标,1、 字长 微机系统能够直接处理的二进制数据的位数。,2 、运算速度 微处理器的主频/MIPS (Million Instructions Per Second ),3、存储容量 包括内存容量（由微处理器的寻址能力决定）和外存容量。,4、外设扩展能力,1.4.2 微型计算机先进技术,1、 微程序控制技术 根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作“微程序控制” 2、 虚拟存储器技术 一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。,3 、流水线技术,流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。 Pentium使用的6步流水线结构 （1）取指令：CPU从高速缓存或内存中取一条指令。 （2）指令译码：分析指令性质。 （3）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。 （4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。 （5）执行指令：由ALU执行指令规定的操作。 （6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A中。,4 、高速缓冲存储器技术 为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（Cache）。将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。,动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。 推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置， Pentium 4系列CPU的分支预测正确率达到了90%。,5 、分支预测（branch prediction）和推测执行（speculation execution）,6、 乱序执行（out-of-order execution）,CPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。,RISC的指令简单，CPU在每一周期的任务单纯，因此CPU结构简单，有利于流水作业。从Pentium Pro开始，x86CPU都采用RISC内核+ CISC到RISC译码器的结构。,当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。,7、 CISC指令集加RISC微结构,8、 多媒体技术,1.4.3 微型计算机系统三个层次,微处理器(Microprocessor) 微型计算机(Microcomputer) 微型计算机系统(Microcomputer System),第一章:1.4计算机硬件系统组成,微处理器核心级 在一片超大规模集成电路上，将运算器、控制器、寄存器组集成在一起，称微处理器。 微型计算机硬件系统级 以微处理器为核心，辅以存储器（RAM、ROM)，输入输出接口I/O及辅助电路，通过总线与其它部件相连，构成微型计算机。 将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,第一章:1.3计算机组成结构,微型计算机系统系统级 硬件系统 以微型计算机为核心，配上外围设备（输入输出设备）、电源 ，构成了微型计算机系统硬件系统。 软件系统 系统软件 用户软件 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。,第一章:1.3计算机组成结构,微处理器 、微型计算机和微型计算机系统 的三个层次,第一章:1.3计算机组成结构,1.4.4 微机系统组成,微机主板,电源、机箱,外围设备,外部设备,外存储器,模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量I/O,过程I/O通道,PC总线、ISA、EISA、PCI、AGP,微型计算机软件层次,计算机软件分为两大类：系统软件和用户软件。,1.5 计算机软件系统组成,8088/8086CPU,IBM公司于1981年8月12日所推出的 第一台PC机的主板图,1.4.5 现代微型计算机系统组成结构举例,P4i845E系统 支持DDR266,P4i845G系统 内建图形 芯片，支持DDR533,P4 CPU (3.0GHz)与i875芯片组 (2003-4-14),南桥芯片总线转换 桥，作用是将PCI总 线转换为ISA, USB, IDE接口标准,北桥芯片系统控制 器，管理CPU、高速 缓存，主存与PCI 总 线之间传送信息。,P4(3GHz)i875系统 支持800MHz前端总线,北桥芯片系统控制 器，管理CPU、高速 缓存，主存与PCI 总 线之间传送信息。,南桥芯片总线转换 桥，作用是将PCI总 线转换为ISA, USB, IDE接口标准,P4(3GHz)i875系统现代微机系统组成结构举例,采用875芯片组的主板,Socket478插槽,AGP插槽,PCI总线插槽,北桥芯片,南桥芯片,DDR内存插槽,鼠标、键盘,USB,CPU的接口（针脚式）,Socket754、940是AMD的64位处理器的接口方式,2009年12月发布：Intel P5x系列芯片组,第一章 小 结,计算机组成 微型计算机的组成 CPU的结构与功能 数制与编码 ASCII码 BCD码,第一章 思考题 1.1 计算机、微型计算机由哪几部份组成？ 1.2微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者之间有什么不同？ 1.3 微处理器在内部结构上由哪几部分组成?微处理器应具备什么功能? 1.4 微型计算机采用总线结构有什么优点? 1.5 将下列十进制数转换成8421BCD码: 1049 =0001 0000 0100 1001 902=1001 0000 0010,851.37=1001 0101 0001 . 0011 0111 0.6259=0000. 0110 0010 0101 1001 1.6 填空： 45的二进制数（ ），十六进制数（ ），压缩BCD码（ ）。 1.7 填空： 10000001表示无符号数，其值（ ），表示带符号数补码，其值（ ），表示压缩BCD码，其值（ ）。,