《概述及运算基础》PPT课件.ppt

微机原理 主讲田鹏辉计算机学院 本课程任务是使同学们从工程的角度了解和掌握微机系统的基本原理 接口电路及硬件连接的主要技术 建立微机工作的整体概念 先修课程 数字电路 计算机文化基础 汇编语言程序设计 参考书 IBMPC汇编语言程序设计 沈美明清华出版社 微型计算机技术及应用 第3版 戴梅萼清华出版社 教材 微机原理与接口技术 吉海彦主编机械工业出版社 本学期学学时安排 40 讲授 课堂 听讲与理解 适当笔记课后 认真读书 完成作业总成绩 考试成绩 平时成绩 课程特点 理论与实际联系非常紧密的课程 课程内容更新极快 内容多 学时少 进度快 难度大 应用广 1 1微型机的发展1 2微机的运算基础1 3微机组成和工作过程 第一章微机概述 掌握计算机中常用的数制与编码 整数 小数的二进制 十六进制表示 BCD码 了解ASCII码 了解数字和大写字母A F的ASCII码表示 掌握带符号数的原码与补码 掌握微机的组成与工作过程 本章要求 1 1微型机的发展 了解内容 电子计算机的发展 微型机是第四代计算机的典型代表 电子管计算机 1946 1957 晶体管计算机 1958 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 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度 微处理器的字长有4位 8位 16位和32位等等 8086称为16位微处理器 8088称为准16位微处理器 字长 微机的常用术语 计算机中常用术语 bit 位 Byte 字节 1Byte 8bit1KB 1024B 210Byte1MB 1024KB 220Byte1GB 1024MB 230Byte1TB 1024GB 240ByteWord 字 1Word 2Byte 16bitDword 双字 1Dword 2Word 32bit 1 1微型机的发展 了解内容 微型机的发展 第一阶段是4位或8位低档微处理器和微型计算机时代 通常称之为第一代 1971 1973 第二阶段是8位中高档微处理器和微型计算机时代 通常称之为第二代 1974 1977 第三阶段是16位微处理器和微型计算机时代 通常称之为第三代 1978 1983 1 1微型机的发展 了解内容 微型机的发展 第四阶段是32位微处理器和微型计算机时代 通常称之为第四代 1983 1992 第五阶段是奔腾系列微处理器和微型计算机时代 通常称之为第五代 1993年以后 1971年 Intel4004 4位微处理器 是世界上第一片单片微处理器 机器语言编程 指令系统包括45条指令 性能差 用于小型控制机 交通灯 微波炉 台秤 照相机 Intel4004 第一代典型产品 1972年 Intel8008 是世界上第一片8位微处理器 8008采用了10 m生产工艺 集成度为3500个晶体管 工作频率为200KHz Intel8008 第二代典型产品 1976年 Intel8085 Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器 工作频率提高到5MHz 指令系统的指令数上升到246条 1974年 Intel8080采用了6 m生产工艺 集成度为6000个晶体管 主频为2MHz 第一款高档微处理器 1975年4月 MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800 值得一提的是Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的 1977年 Z80 Zilog公司 8位机 优于8080 8085 第三代典型产品 1978年 Intel8086采用3 m工艺 集成了29 000个晶体管 工作频率为4 77MHz 它的寄存器和数据总线均为16位 地址总线为20位 从而使寻址空间达1MB CPU的内部结构也有很大的改进 采用了流水线结构 并设置了6字节的指令预取队列 除了它的数据总线为8位以外 其余均与8086相同 8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片 由于8088内部支持16位运算 而与I O之间传输为8位 故8088称为准16位微处理器 1979年Intel8088 80286 1982年 1984年 采用1 5 m工艺 集成了134 000个晶体管 工作频率为6MHz 80286的数据总线仍然为16位 地址总线增加到24位 使存储器寻址空间达到16MB 80年代中期到90年代初 80286一直是微型计算机的主流CPU 在这一时期 还诞生了世界上最早的芯片组 chipsets IBMPC AT机 1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC AT 并制定了一个新的开放系统总线结构 这就是工业标准结构 ISA 该结构提供了一个16位 高性能的I O扩展总线 第四代典型产品 采用正方形的网络阵列封装 PGA 132引脚 80386 1985年 1988年 第一个实用的32位微处理器 采用1 5 m工艺 集成275 000个晶体管 工作频率达16MHz 80386的内部寄存器 数据总线和地址总线都是32位的 通过32位的地址总线 80386的可寻址空间达到4GB 232 4G 80386内部包含了一个内存管理单元 专门负责管理和分配内存的硬件电路 80386的其他一些版本 80386SX 包含16位数据总线和24位地址总线 寻址空间为16MB 80386SL 80386SLC 包含l6位数据总线和25位地址总线 寻址空间为32MB 这些微处理器由于与I O之间传输为16位 故也称为准32位微处理器 这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平 80486 1989年 1992年 80486把80386的内部结构做了修改 首次采用RISC技术 精简指令集 大约有一半的指令在一个时钟周期内完成 而不是原来的两个 这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍 采用1 m工艺 集成了120万个晶体管 工作频率为25MHz 80486微处理器由三个部件组成 一个80386体系结构的主处理器 一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器 80486的其他一些版本 80486SX 工作频率20MHz 不包含数学协处理器 80486DX2 采用双倍时钟 内部执行速度达到66MHZ 内存存取速度为33MHz 80486DX4 采用三倍时钟 内部执行速度达到100MHZ 内存存取速度为33MHz Intel公司的Pentum 内部采用超标量指令流水线结构 并具有相互独立的指令和数据高速缓存 工作频率越来越高 基本指令的工作速度越来越高 随着PentiumMMX PentiumPro PentiumII PentiumIII以及 Pentium4微处理器的出现 使微机的发展在网络化 多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶 可以说这一阶段是微型机发展最快 新技术最多 最先进 影响最大的阶段 第五代典型产品 Pentium系列 Pentium 1993年 1997年 发展分成三代 第一代Pentium处理器 以P5代称 1993年 采用0 8 m工艺技术 集成了310万个晶体管 工作频率为60MHz 66MHz 第三代PentiumMMX P55C 1997年 增加了57条多媒体指令 第二代Pentium处理器 P54C 1994年 采用0 6 m工艺 工作频率为90MHz 100MHz PentiumPro P6 1995年推出的PentiumPro 又称P6或高能奔腾 CPU 其中集成了550万只晶体管 主频提高到133MHz 地址线为36位 寻址范围为64GB Pentium 97年5月推出 时钟频率比P6提高了很多 如233MHZ 400MHZ 仍采用超级流水线和双独立总线体系结构 增添了57条MMX 多媒体 指令 采用全新封装形式 不是一个芯片 而是由一个核心芯片 二级Cache芯片组 电阻 电容等构成的多芯片组的模块 将它们焊接到一个印刷电路板上 再进行封装 构成单边连接的盒卡 从一边输出242个引脚 Pentium 1999年2月推出 P 刚推出时主频为400MHZ和500MHZ两种 一级Cache32KB 二级Cache512KB 采用与P 相同的 架构 增加了SSE指令集70条扩展指令 全新的NetBurst体系结构 不同于P6架构采用0 18 m工艺 时钟频率1 4GHz 2GHz20段的超级流水线 高效的乱序执行功能 2倍速的ALU 新型的片上缓存 SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线 Pentium4 通过微处理器的发展可以看出 这几十年来 以INTEL生产的微处理器为CPU的微型计算机是最有代表性的主流机型 Intel公司推出的8086微处理器家族成员从8086 80186 80286 80386 80486到Pentium 80586 Pentium 及Pentium 虽然芯片的制造工艺 结构 性能等有了很大发展 但从使用者的角度 特别是应用程序的开发者角度来看 它们是一个系列 是一个家族 酷睿系列 可以把8086 88微处理器看作基础 以后所推出的80286等微处理器虽然都有改进 但都保持与8086兼容 即都具有8086的基本逻辑结构 应用编程的寄存器结构 它们只有16位和32位的区分 并没有本质的区别 芯片的指令80 以上是完全相同的 所以可以说8086 8088是Intel80X86系列芯片的基础 从学习的角度出发 只有掌握了8086 8088才能进一步掌握其他芯片 因此在本课程的学习中 将结合8086 8088系统来介绍微机的CPU 接口部件等微机技术 微机的特点和分类在P7 8 微机的主要性能指标 字长 计算机内部一次可以处理的二进制数据的位数 表征运算精度的主要参数 存储容量 衡量计算机存储二进制信息量大小的重要指标 主频 CPU的时钟频率 主频越高 速度越快 存取周期 两次读写操作所需要间隔的最短时间 外设扩展能力 计算机可配置的外设数量及外设类型 朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展 当前开发和研究的热点是多媒体计算机 未来计算机发展的总趋势是智能化计算机 今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术 非冯 诺依曼型体系结构的计算机是提高现代计算机性能的另一个研究焦点 未来计算机的发展趋势 神经网络计算机 建立在人工神经网络研究的基础上 从内部基本结构来模拟人脑的神经系统 用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元 并利用神经元节点的分布式存储和相互关联来模拟人脑的活动 生物计算机 使用由生物工程技术产生的蛋白分子为材料的 生物芯片 不仅具有巨大的存储能力 而且能以波的形式传播信息 由于它具备生物体的某些机能 所以更易于模拟人脑的机制 光子计算机 用光子代替电子 用光互连代替导线互连 用光硬件代替电子硬件 用光运算代替电子运算 新型计算机 1 2运算基础 主要内容1 2 1带符号数的表示及运算1 2 2十进制数 字符的表示 1 2 0数制及转换 十进制1111D或1111二进制1111B 15八进制1111Q 585十六进制1111H 43690A200H 准确 熟练掌握数制转换 数制之间的转换1 十进制整数转换为二进制整数采用基数2连续去除该十进制整数 直至商等于 0 为止 然后逆序排列余数 2 十进制小数转化为二进制小数连续用基数2去乘以该十进制小数 直至乘积的小数部分等于 0 然后顺序排列每次乘积的整数部分 3 十进制整数转换为八进制整数或十六进制整数采用基数8或基数16连续去除该十进制整数 直至商等于 0 为止 然后逆序排列所得到的余数 4 十进制小数转换为八进制小数或十六进制小数连续用基数8或基数16去乘以该十进制小数 直至乘积的小数部分等于 0 然后顺序排列每次乘积的整数部分 5 二 八 十六进制数转换为十进制数用其各位所对应的系数 按 位权展开求和 的方法就可以得到 其基数分别为2 8 16 6 二进制数转换为八进制数从小数点开始分别向左或向右 将每3位二进制数分成1组 不足3位数的补0 然后将每组用1位八进制数表示即可 7 八进制数转换为二进制数将每位八进制数用3位二进制数表示即可 8 二进制数转换为十六进制数从小数点开始分别向左或向右 将每4位二进制数分成1组 不足4位的补0 然后将每组用一位十六进制数表示即可 9 十六进制数转换为二进制数将每位十六进制数用4位二进制数表示即可 1 2 1带符号数的表示及运算 计算机中有符号数的表示把二进制数的最高位定义为符号位 0 正数 1 负数连同符号位一起数值化了的数 称为机器数 机器数所表示的真实的数值 称为真值 在以下讲述中 均以 位二进制数为例 52 0110100B 10110100B 1 2 1带符号数的表示及运算 例 X 18 0010010B Y 18 0010010B X 原 00010010B 12H Y 原 10010010B 92H 1 原码 8位数0的原码 0 原 00000000B 0 原 10000000B 8位原码表示数值的范围是 127 X 127对应的原码是11111111B 01111111B 采用原码表示法简单易懂 但它最大缺点是加法运算电路复杂 不容易实现 2 反码 例 X 18 Y 18 X 原 00010010B X 反 00010010B Y 原 10010010B Y 反 11101101B 0的反码 0 反 00000000B 0 反 11111111B 8位反码表示数值的范围是 127 X 127对应的反码是10000000B 01111111B 3 补码 例 Y 18 Y 原 10010010B Y 反 11101101B Y 补 11101110B 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉 0 补 0 补 00000000 8位字长 各种编码表示的数值范围 对8位二进制数 原码 127 127反码 127 127补码 128 127无符号数 0 255 4 补码加减法的运算规则 通过引进补码 可将减法运算转换为加法运算 规则如下 X Y 补 X 补 Y 补其中X Y为正负数均可 符号位参与运算 运算的结果仍为补码 例题 例1 X 0110100B Y 1110100B 求 X Y 补 例2 若X Y均为有符号数 求 X Y 补 并判断结果是否正确 1 64 19 2 19 64 3 90 107 4 110 92 有符号数相加的结果超过微处理器所能表示的数值范围 溢出 OF标志 错误结果 1 2 2十进制数 字符的表示 BCD Binary CodedDecimal 码又称为 二 十进制编码 专门解决用二进制数表示十进数的问题 最常用的是8421编码 其方法是用4位二进制数表示1位十进制数 自左至右每一位对应的位权是8 4 2 1 1 压缩BCD码每一位数采用4位二进制数来表示 即一个字节表示2位十进制数 例如 二进制数10001001B 采用压缩BCD码表示为十进制数89D 2 非压缩BCD码每一位数采用8位二进制数来表示 即一个字节表示1位十进制数 而且只用每个字节的低4位来表示0 9 高4位为0 例如 十进制数89D 采用非压缩BCD码表示为二进制数是 0000100000001001B 1 2 2十进制数 字符的表示1 BCD码 十进制数的表示用4位二进制数表示一位十进制数 压缩的BCD码 一个字节可表示两个BCD数非压缩BCD码 一个字节只表示一个BCD数 2 ASCII码 常用字符编码 3 数据校验码 奇偶校验码 例 加一位奇校验位的ASCII码 0 0110000B 1 0110001B 2 0110010B 9 0111001B 可以检错 信息处理时屏蔽掉 不能纠错 不能识别双重差错 1 0 1 0 偶校验 应使代码里连同校验位共有偶数个1 奇校验 应使代码里连同校验位共有奇数个1