微型计算机基础知识ppt课件

微型计算机原理与接口技术 主讲 张银行手机号成绩计算方法 卷面成绩占70 平时成绩 作业 回答问题 实验成绩提出问题 出勤率 30 主要内容 第一章 微型计算机基础知识第二章 80X86CPU第三章 微型计算机指令系统第四章 汇编语言程序设计第五章 存储器及与CPU的接口第六章 输入 输出接口及中断技术第七章 总线和总线标准第八章 常用可编程并行数字接口芯片及其应用第九章 串行通信接口及总线标准第十章 模拟接口技术第十一章 常用外设和人机交互接口 第1章微型计算机基础知识 1 微型计算机的发展概况与应用2 微型计算机中的数制系统3 微型计算机组成原理4 CPU内部结构及微机的工作过程 基本要求 1 掌握微型计算机的概念和基本结构2 了解微型计算机的发展历程 3 重点掌握计算机中的数制系统 4 重点原码 补码和反码5 了解计算机系统的硬件组成和软件系统6 初步了解微型计算机的工作过程 1 1微型计算机的发展概况与应用 微型计算机是指以大规模 超大规模集成电路为主要部件的微处理器 CPU 为核心 配以存储器 输入 输出接口电路 系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机 一 微型计算机的发展概况 1 微型计算机的诞生1946年第一台计算机ENIAC在美国问世以后 人们接触最多的是微型计算机 它诞生于20世纪70年代 其发展以微处理器的发展为主要标志 到目前为止 电子计算机先后经历了四代 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 大规模超大规模集成电路计算机 按性能 价格和体积对计算机分类 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 微型计算机的特点 集成度高 体积小 重量轻 价格低廉 部件标准化 易于组装与维修 高可靠性及适应性 2 微型计算机发展概况 1 4位处理器 Intel40041971年 Intel公司成功地把传统的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上 发布了第一款微处理器芯片4004 如图所示 Intel4004 2 8位处理器 Intel8008 8080 80851972年 Intel公司研制出8008处理器 字长为8位 如图所示 1974年 研制出8008的改进型号8080 3 16位处理器 Intel8086 8088 80286Intel8086 8088处理器1978年 Intel公司推出了首枚16位微处理器i8086 1979年 Intel公司开发出8088处理器 如图所示 Intel80286处理器1982年 Intel推出了80286处理器 如图所示为Intel80286的外观 4 32位处理器 Intel80386 80486Intel80386处理器1985年 Intel发布80386DX处理器 如图所示 除Intel公司生产386芯片外 还有AMD Cyrix IBM Ti等公司也生产与80386兼容的芯片 如图所示 Intel80486处理器1989年 Intel推出了80486芯片 最初类型是80486DX 如图所示 80486和80386一样 也陆续出现了几种类型 1990年 推出了80486SX 它是一种低价格芯片 与80486DX的区别在于它没有数学协处理器 其他公司也推出了与80486兼容的CPU芯片 如图所示 从80486开始首次出现了处理器倍频技术 该技术使处理器内部工作频率为处理器外部总线运行频率的2倍或4倍 486DX2与486DX4的名字便是由此而来的 如图所示 例如80486DX2 66 处理器的频率是66MHz 而主板的外频是33MHz 即CPU内频是外频的2倍 5 IntelPentium处理器1993年 Intel公司发布了Pentium 奔腾 处理器 如图所示 与PentiumMMX属于同一级别的CPU有AMDK6与Cyrix6x86MX等 如图所示 Cyrix1999年被VIA 威盛 收购 6 IntelPentium 处理器1997年 Intel公司发布了Pentium 处理器 如图所示 同期 AMD公司和Cyrix公司分别推出了同档次的AMDK6 2和CyrixM 如图所示 1998年4月 Intel推出了Celeron 赛扬 处理器 其中最为成功的是采用Socket370架构的Celeron333和366 如图所示 7 IntelPentium 处理器1999年 Intel公司发布了Pentium 处理器 如图所示 2000年3月 AMD公司领先于Intel公司率先推出了1GHz的Athlon微处理器 其性能超过了Pentium 如图所示 为了降低成本 后来的Pentium 都改为Socket370架构 时钟频率有667MHz 733MHz 800MHz 933MHz和1GHz等 其外观如图所示 2000年 Intel公司推出了简化Pentium 的Celeron处理器 也采用Socket370处理器架构 其外观如图所示 同期 AMD公司推出了Athlon 速龙 如图所示 它采用462针的SocketA架构 时钟频率为700MHz 1 4GHz 内建MMX和增强型3DNow 技术 注释 MMX 是MultiMediaeXtensions 多媒体扩展 MMXCPU极大地提高了电脑的多媒体 如立体声 视频 三维动画等 处理功能AMD公司还推出了Athlon 速龙 的简化版本Duron 钻龙 如图所示 也采用SocketA架构 时钟频率为600 950MHz 8 IntelPentium4处理器Intel公司在2000年11月发布了Pentium4处理器 如图所示 后期的Pentium4处理器均基于Socket478架构 采用Northwood核心 0 13 m制造工艺 集成了5500万个晶体管 主频为1 8 2 4GHz 如图所示 同样 Pentium4的简化版本Pentium4Celeron也采用了Socket478架构 主频频率为1 4GHz以上 Pentium4CeleronCPU的外观如图所示 同期 AMD公司推出了AthlonXP 速龙XP 如图所示 仍采用SocketA架构 以全面对抗Pentium4 AthlonXP具有当时最强大的浮点单元设计和优秀的整数计算单元 经广泛测试显示 Pentium4需要多付出300 400MHz的工作频率才可以获得与AthlonXP相当的性能 2004年6月Intel推出了SocketLGA775架构的Pentium4 CeleronD及Pentium4EE处理器 SocketLGA775架构Pentium4处理器的外观 如图所示 后来 Intel推出了采用SocketLGA775架构的Pentium4ExtremeEdition3 4GHz处理器 9 64位处理器 a AMDAthlon64系列对x86架构进行扩展 从而实现同时兼容32位和64位运算 这一理念是由AMD率先提出 2003年9月 AMD发布了桌面64位Athlon64系列处理器 也称K8架构 K8在很多应用上都领先当时的IntelPentiumD 面向台式机的AMD64位处理器分为Athlon64和Athlon64FX 如下图所示 b IntelPentium464位系列Intel公司于2005年2月发布了桌面64位处理器 并冠以6xx系列的名称 不仅Pentium46xx系列全部具备64位技术 而且在新的Pentium45xx系列中也引入64位技术 它们的命名方式是Pentium45x1 以后缀为1来表示 在入门的CeleronD中 使用LGA775封装的产品及最新的双核心PentiumD处理器 也支持64位技术 10 双核心处理器 a PentiumD和PentiumExtremeEditionIntel在2005年4月发布了双核心处理器 如图所示 b Athlon64X22005年5月 AMD发表了面向服务器和工作站的企业级x86双核计算平台 AMD双核皓龙处理器Opteron和面向桌面型的双核速龙处理器Athlon64X2 包括4800 4600 4400 及4200 等 采用Socket939架构 如图所示 与Intel双核心PentiumD ExtremeEdition处理器相比较 在处理单线程应用程序方面 Athlon64X24800 的表现要远远超出前者 11 Intel新一代Core微架构现在 Pentium Pentium2 Pentium3 Pentium4 PentiumD使用的NetBurst架构已经不能满足性能 功耗等方面的需求 2006年7月 Intel发布了新一代的全新的微架构桌面处理器 Core2Duo 酷睿2 并且正式宣布Pentium时代结束 Core2Extreme Core2Duo的产品标识 如下图所示 其中Core2DuoQuad是四核处理器的标识 2006年11月 Intel发布了的四核桌面处理器 分为两大系列 Core2Quad 酷睿2四核 以Q开头 Core2QuadExtreme 酷睿2四核极品版 以QX开头 Core2四核系列处理器的核心代号为Kentsfield 从技术上说 与当前的Core2Duo并没有区别 它只不过是将两个Conroe核心整合到同一块基板之上 称为非原生四核 其结构示意图如图所示 12 AMD新一代K10微架构2007年11月AMD发布了基于全新K10架构的Phenom处理器系列 是该公司第一款四核处理器 Phenom处理器的中文名 羿龙 取自中国古老神话 后羿射日 在K6之后 AMD的K7 K8架构桌面产品都采用了Athlon品牌 与笔记本的Turion和服务器的Opteron组成AMD的整体产品线 而进入K10架构之后 Athlon将被废弃 取而代之的是新的Phenom处理器 Phenom处理器采用HyperTransport3 0总线技术 可提供最高14 4GBps的系统带宽 为1080p 1920 1080逐行扫描 高清视频播放和极高分辨率游戏提供带宽 同时集成的内存控制器最高支持DDR2 1066 AMD称 热设计功耗95W的Phenom处理器在开启节能技术后 功耗大大降低 消费级应用平均为32W 办公级应用平均为29W Phenom处理器的标识 如图所示 3 嵌入式计算机的分类 嵌入式微处理器EMPU采用 增强型 通用微处理器 目前主要有 Am186 188 Intel386EX SC 400 PowerPC 68000 MIPS ARM系列等 嵌入式微控制器MCU既单片机 可分为通用和半通用两类 通用 8051 P51XA MCS 251 MCS 96系列 68300 C166 167等 半通用 8XC930 931 C540 C541等 嵌入式DSP处理器EDSP 嵌入式片上系统SOC 二 微型计算机的应用 科学计算 用于科学与工程领域 如 的计算 中长期天气预报及导弹发射中的计算等 过程控制 如对工业生产领域的过程控制 即对生产过程进行监视和控制 以提高产品质量与数量 减轻工人的劳动强度 控制飞机飞行姿态 地形回避及导弹拦截等 数据处理 对数据进行收集 储存 传递 分类 检测 排序 计算 打印报表 输出图像等加工处理 如 企业生产管理系统 电子商务处理系统等 计算机辅助系统 CAD 计算机辅助设计 CAM 计算机辅助制造 CAT 计算机辅助测试 CAI 计算机辅助教学 CAX x D M T I CMI 计算机管理教学 电子商务 电子商务源于英文ELECTRONICCOMMERCE简写EC 顾名思义包含两个方面 一是电子方式 二是商贸活动 电子商务指的是利用简单 快捷 低成本的电子通讯方式 买卖双方不谋面地进行商贸活动 电子商务的真正发展是建立在INTERNET技术上 所以也称IC INTERNETCOMMERCE 人工智能 计算机模拟人的高级思维活动 进行逻辑判断与推理 如机器人 专家系统 语音识别系统 图形图像等模式识别系统 办公自动化 信息高速公路 仪器仪表 将传感器与计算机集成于同一芯片上 智能传感器不仅具有信号检测 转换功能 同时还具有记忆 存储 解析 统计 处理及自诊断 自校准 自适应等功能 智能家电 三 微型计算机的分类 1 按处理器同时处理数据的位数或字长分 1位机 4位机 8位机 16位机 32位机 64位机 2 按组装结构类型分 PC PersonalComputer 机 是面向个人单独使用的一类微机 当今的微机的许多指标 如存储容量 运行速度等已经赶上或超过了以前的小型机 可以满足各种不同的应用场合 是一种用于控制的微处理器芯片 其组成实际是由微型计算机的CPU 部分存储器和输入 输出接口等部件集成在一块芯片上 换句话说 一个单片机几乎就是一个专用的计算机 只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统 单片微型机 单片机 常用于家用电器 智能化仪表 工业测量 单板微型机 单板机 把微处器芯片 存储器芯片 I O接口芯片和小键盘 数码显示器等必要的输入 输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统 常用于过程控制 1 2微型计算机中的数制系统 数制也称为进位计数制 日常生活中人们习惯采用十进制 但计算机内部的信息则是用二进制代码来表示的 同时为了书写的方便 在编写程序的过程中 常常使用到十六进制 或八进制 微型计算机中使用的数制系统包括 二进制 八进制 十进制 十六进制等 1 常用数制 1 十进制数 有十个不同的数字符号 0 1 2 9 低位向高位进 借位的规律是 逢十进一 借一当十 的计数原则进行计数 任意一个十进制数ND均可以表示成如下式子 其中 n表示整数部分的位数 m表示小数部分的位数 Di为十进制数字符号0 9 10i为第i位权值 10为十进制数的基数 一 数制系统 例如 1234 45 1 103 2 102 3 101 4 100 4 10 1 5 10 2式中的10称为十进制数的基数 103 102 101 100 10 1 10 2称为各数位的权 十进制数用D结尾表示 也可以不加符号D 2 二进制数只有两个不同数码 0和1 进位规律是 逢二进一 借一当二 的计数原则进行计数 二进制数用B结尾表示 例如 二进制数11011011 01可表示为 11011011 01 2 1 27 1 26 0 25 1 24 1 23 0 22 1 21 1 20 0 2 1 1 2 2 3 八进制数有0 1 2 7八个不同数码 采用 逢八进一 借一当八 的计数原则进行计数 八进制数用O或者Q结尾表示 例如 八进制数 503 04 Q可表示为 503 04 Q 5 82 0 81 3 80 0 8 1 4 8 2 4 十六进制数有0 1 2 9 A B C D E F共十六个不同的数码 采用 逢十六进一 借一当十六 的计数原则进行计数 十六进制数用H结尾表示 例如 十六进制数 4E9 27 H可表示为 4E9 27 H 4 162 14 161 9 160 2 16 1 7 16 22 不同数制之间的相互转换下表列出了二 八 十 十六进制数之间的对应关系 熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助 表1各种进位制的对应关系 1 二 八 十六进制数转换成为十进制数根据各进制的定义表示方式 按权展开作十进制相加 即可转换为十进制数 例 将 10101 B 72 Q 49 H转换为十进制数 10101 B 1 24 0 23 1 22 0 21 1 20 21 72 Q 7 81 2 80 58 49 H 4 161 9 160 73 2 十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数 需要将整数部分和小数部分分开 采用不同方法进行转换 然后用小数点将这两部分连接起来 整数部分 除2取余倒记法 具体方法是 将要转换的十进制数除以2 取余数 再用商除以2 再取余数 直到商等于0为止 将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为转换的结果 例 将十进制数25转换成二进制数 所以 25 D 11001B 小数部分 乘2取整顺记法 具体方法是 将十进制小数不断地乘以2 直到积的小数部分为零 或直到所要求的位数 为止 每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码 最初得到的为最高有效数位 最后得到的为最低有效数字 例 将十进制数0 625转换成二进制数 所以 0 625 D 0 101B 例 将十进制数25 625转换成二进制数 只要将上例整数和小数部分组合在一起即可 即 25 625 D 11001 101 B例如 将十进制193 12转换成八进制数 所以 193 12 D 301 075 Q 简便方法 333转换成二进制数333可由256 64 8 4 1组成 25612864321684210 50 250 125 101001101则333对应的二进制数为101001101 3 二进制与八进制之间的相互转换由于23 8 故可采用 合三为一 的原则 即从小数点开始向左 右两边各以3位为一组进行二 八转换 若不足3位的以0补足 便可以将二进制数转换为八进制数 反之 每位八进制数用三位二进制数表示 就可将八进制数转换为二进制数 例 将 10100101 01011101 2转换为八进制数 010100101 010111010245 272即 10100101 01011101 B 245 272 Q 例 将 756 34 Q转换为二进制数 756 34111101110 011100即 756 34 Q 111101110 0111 B 4 二进制与十六进制之间的相互转换由于24 16 故可采用 合四为一 的原则 即从小数点开始向左 右两边各以4位为一组进行二 十六转换 若不足4位的以0补足 便可以将二进制数转换为十六进制数 反之 每位十六进制数用四位二进制数表示 就可将十六进制数转换为二进制数 例 将 1111111000111 100101011 B转换为十六进制数 0001111111000111 1001010110001FC7 958即 111111000111 100101011 B 1FC7 958 H 例 将 79BD 6C H转换为二进制数 79BD 6C0111100110111101 01101100即 79BD 6C H 111100110111101 011011 B 1 二 十进制BCD码 Binary CodedDecimal 二 十进制BCD码是指每位十进制数用4位二进制数编码表示 由于4位二进制数可以表示16种状态 可丢弃最后6种状态 而选用0000 1001来表示0 9十个数符 这种编码又叫做8421BCD码 如下表所示 二 常用的信息编码 表2十进制数与BCD码的对应关系 例 将69 25转换成BCD码 69 2501101001 00100101结果为69 25 01101001 00100101 BCD 例 将BCD码100101111000 01010110转换成十进制数 100101111000 01010110978 56结果为 100101111000 01010110 BCD 978 56 2 字符编码 ASCII码 计算机使用最多 最普遍的是ASCII AmericanStandardCodeForInformationInterchange 字符编码 即美国信息交换标准代码 如下表所示 表3七位ASCII代码表 ASCII码的每个字符用7位二进制数表示 其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0 d6为高位 d0为低位 而一个字符在计算机内实际是用8位表示 正常情况下 最高一位d7为 0 7位二进制数共有128种编码组合 可表示128个字符 其中数字10个 大小写英文字母52个 其他字符32个和控制字符34个 数字0 9的ASCII码为30H 39H 大写英文字母A Z的ASCII码为41H 5AH 小写英文字母a z的ASCII码为61H 7AH 对于ASCII码表中的0 A a的ASCII码30H 41H 61H应尽量记住 其余的数字和字母的ASCII码可按数字和字母的顺序以十六进制的规律写出 3 奇偶校验码偶校验 包括奇偶校验位在内 字符的ASCII码所有的1的个数之和配成偶数个 若原字符的ASCII码中1的个数为偶数个 则最高位置为0 若原字符的ASCII码中1的个数为奇数个 则最高位为1 把1的个数配成偶数个 例如 数字3的ASCII码为00110011数字3的偶校验ASCII码为00110011奇校验 包括奇偶校验位在内 字符的ASCII码所有的1的个数之和配成奇数个 若原字符的ASCII码中1的个数为偶数个 则最高位置为1 若原字符的ASCII码中1的个数为奇数个 则最高位为0 把1的个数配成奇数个 例如 数字3的ASCII码为00110011数字3的偶校验ASCII码为10110011 一 二进制数在计算机内的表示1 机器数在计算机中 因为只有 0 和 1 两种形式 所以数的正 负号 也必须以 0 和 1 表示 通常把一个数的最高位定义为符号位 用0表示正 1表示负 称为数符 其余位仍表示数值 把在机器内存放的正 负号数码化的数称为机器数 把机器外部由正 负号表示的数称为真值数 三 计算机数值数据表示与运算 例 真值为 0101100 B的机器数为10101100 存放在机器中 如下图所示 图真值B在机器中的存放要注意的是 机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制 字长和数据类型定了 机器数能表示的数值范围也就定了 例如 若表示一个整数 字长为8位 则最大的正数为01111111 最高位为符号位 即最大值为127 若数值超出127 就要 溢出 3 带符号数的表示在计算机中 带符号数可以用不同方法表示 常用的有原码 反码和补码 1 原码 机器码中最高位为符号位 符号为0表示正数 符号位为1表示负数 其余为该数的绝对值 例 当机器字长n 8时 1 原 00000001 1 原 10000001 127 原 01111111 127 原 1111111l在原码表示法中 最高位为符号位 正数为0 负数为1 其余n 1位表示数的绝对值 8位二进制数的原码表示范围是 127 12716位二进制数的原码表示范围是 32767 32767 在原码表示中 零有两种表示形式 即 0 00000000B 0 10000000B 2 反码 最高位为符号位 其余位为数值位 正数的原码与原码的表示方法相同 负数的补码等于除符号位外 其余各位按位取反 例 当机器字长n 8时 1 反 00000001 1 反 11111110 127 反 01111111 127 反 10000000在反码表示中 正数的反码与原码相同 负数的反码只需保持符号位不变 其余各位按位求反即可得到 机器数的最高位是符号位 0代表正号 1代表负号 8位二进制数的原码表示范围是 127 12716位二进制数的原码表示范围是 32767 32767 反码表示方式中 零有两种表示方法 0 反 00000000 0 反 11111111 3 补码 最高位为符号位 其余位为数值位 正数的补码与原码的表示方法相同 负数的补码等于它的反码加1 例 当机器字长n 8时 1 补 00000001 1 补 11111111 127 补 01111111 127 补 10000001在补码表示中 正数的补码与原码 反码相同 负数的补码等于它的反码加l 机器数的最高位是符号位 0代表正号 1代表负号 在补码表示中 0有唯一的编码 0 补 0 补 00000000 补码的运算方便 二进制的减法可用补码的加法实现 使用较广泛 注意 对于8位二进制数10000000B 若为补码表示为 128 补 若为原码表示 0 原 若为反码表示 127 反 求补码运算的简单方法 1 若该数为正数 则 X 补 X 2 若该数为负数 则 X 补 2n X 例 28为256 100H 则 1的补码为 100H 01H FFH 10的补码为 100H 0AH F6H 例 假定计算机字长为8位 试写出122的原码 反码和补码 122 原 122 反 122 补 01111010B 例 假定计算机字长为8位 试写出 45的原码 反码和补码 45 原 10101101B 45 反 11010010B 45 补 11010011B对于用补码表示的负数 需对该补码再求一次补码 从而得到其原码 依据原码求得该补码数的大小 即 X 补 补 X 原例如 已知补码数 11110011 B 对其求补码后得到该数的原码为 10001101B 故其大小为 13 D 例 试写出补码数11011001的真值 11011001 原 10100111B 39D 二 补码数的运算在微处理机中 使用补码进行运算使同一个微处理机中既能运算带符号数又能运算无符号数 而且 在采用补码表示带符号数的情况下 两个数的减法可以用加法来实现 在进行带符号数的加减运算时 应把参与运算的数据转换成补码形式进行运算 当使用8位二进制数表示带符号的数时 它所能表示的数值范围在 128 10 127 10之间 如果相加结果超出了这个范围 就会导致错误发生 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 1 神威 太湖之光超级计算机安装了40960个中国自主研发的 申威26010 众核处理器 该众核处理器采用64位自主申威指令系统 峰值性能为12 5亿亿次 秒 持续性能为9 3亿亿次 秒 2 现代中国四大发明 高铁 支付宝 共享单车 网购 3 在集成电路领域 特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸 即栅长的最小尺寸栅长6nm 美国IBM开发成功世界最小的晶体管 三 补码数的溢出 溢出 带符号数的补码加 减运算的结果超出了补码表示的范围8位原码 反码和补码表示的范围分别如下 127 127原码FFH 7FH 127 127反码 80H 7FH 128 127补码 80H 7FH当8位带符号数的结果超出以上范围时 就会出现溢出 16位原码 反码和补码表示的范围分别如下 32737 32767原码FFFFH 7FFFH 32767 32767反码 8000H 7FFFH 32768 32768补码 8000H 7FFFH当16位带符号数的结果超出以上范围时 就会出现溢出 可能出现溢出的情况 两个同号数相加或两个异号相减时 判断出现溢出情况的方法 在两个同号数相加或异号数相减时如果次高位向最高位有进位 或借位 而最高位向前无进位 或借位 则结果发生溢出 反过来 如果次高位向最高位无进位 或借位 而最高位向前有进位 或借位 则结果发生也溢出 例 两个带符号的数 01000001 2与 01000011 2相加例中两个正数相加 但结果却是一个负数 符号位为1 显然 这个结果是错误的 出现这种错误的原因就在于这两个数相加的结果超过了8位二进制带符号数所能表示的数值范围 例 两个负数 10001000 2和 11101110 2的相加情况 由于采用8位二进制数来表示带符号的数 故作为进位位的第九位自然丢失 8位二进制负数相加的结果为一个正数 很明显 结果是错误的 产生了溢出 例 两个无符号数 11111101 2和 00000011 2相加 从相加计算的结果来看 如果微处理机只有8位 也就是用8位二进制数来解释运算的结果 则将出现错误 因此 在微处理机中设有专门的一位 称为进位位 它将用于保存第九位以防丢失信息 最高位 次高位 三 逻辑运算1 与 运算 与 运算的运算规则是 0 0 00 1 01 0 01 1 1 例 二进制数01011101B和11010101B相与 2 或 运算 或 运算的运算规则是 0 0 00 1 11 0 11 1 1 例 二进制数10101101和01010000相或 3 异或 运算 异或 运算的运算规则是 相同为0 不同为10 0 00 1 11 0 11 1 0 例 二进制数10101101和01101110相异或 1 3微型计算机组成原理 现代计算机结构仍然是在冯 诺依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的 硬件系统包括 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 冯 诺依曼思想 存储程序与程序控制原理 1946年 冯 诺依曼提出EDVAC计算机方案 体现了五部分的计算设计思想 输入设备 运算器 输出设备 存储器 控制器 冯 诺依曼计算机的基本结构 微型计算机系统包括硬件系统和软件系统 硬件系统 构成计算机的硬件实体 它包括微处理器 存储器 I O接口 系统总线 外部设备和电源等 软件系统 在计算机上运行的各种程序 包括系统软件和应用软件 硬件系统 软件系统 微型计算机系统从小到大可分为微处理器 微型计算机 微型计算机系统三个层次结构 如图所示 三 微型计算机的硬件结构 微型计算机主要由 1 微处理器 2 存储器 3 输入 输出接口 4 系统总线连接 1 微处理器 整个微机的核心是微处理器 up MPU 也称CPU 它包含运算器ALU ArithmaticandLogicUnit 控制器及内部寄存器阵列 ALU 加 减 乘 除四则运算和逻辑运算 内部寄存器 存放操作数 中间结果 地址 标志等信息 控制器 整个机器控制中心 包括程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 控制信息产生电路等 2 存储器 微机的存储器分为 主存和辅存 主存 内存 用于存放当前正在运行的程序和正待处理的数据 CPU内部cache 主板上的内存 造价高 速度快 存储容量小 辅存 外存 存放暂不运行的程序和输入处理的数据 主机箱内或主机箱外 造价低 容量大 可长期保存 但速度慢 内存单元的地址和内容简介 内存由许多存储单元组成 每个内存单元可存放一组二进制数 在微机中规定每个内存单元可存放8位二进制数 即一个内存单元存放一个字节的内容 为了区分各个不同的内存单元 就给每个存储单元编上不同的号码 即内存地址 CPU要访问某个单元时 先要通过地址总线送出该单元的地址号 实际操作中 一个操作数可以是字节 字 双字节 十字节等各种形式 1 字节 计算机的基本处理单位 一个字节由8位二进制位组成2 字 通常微机的字长有8位 16位 32位 64位 故其字数据的存放所占内存单元的个数也不一样3 双字 即2个字4 四字 即4个字的长度 共8个字节 表示存储器容量的最小单位为bit 二进制位 表示存储器容量的基本单位为Byte 字节 通常 一个单元为一个字节 字节可用B 即Byte的缩写 表示 且1Byte 8bit 存储器的容量用 K 表示 1K即为1024个单元 大容量单位为KB MB GB TB 1KB 210B 1024B1MB 1024KB 220B1GB 1024MB 230B1TB 1024GB 240B 地址总线16位 内存容量为216个单元 即64KB 地址总线20位 内存容量为220个单元 即1MB 地址 存放内容二进制表示 十六进制表示 00000H 11000010 00011000 00001H C2H 18H 00010010 00008H 12H 00110100 00009H 34H 01110000 FFFFFH 70H 内存单元的地址和内容示意图 内存储器 外存储器 3 输入设备 输入设备是把程序 命令转换成计算机所能识别接收的信息 输入给计算机微型计算机常用的输入设备有键盘 鼠标 数字化仪 图像扫描仪 数码相机等 4 输出设备 输出设备是把CPU计算和处理的结果转换成人们易于理解和阅读的形式 输出到外部微型计算机常用的输出设备有CRT显示器 液晶显示器 打印机和绘图仪等 注意 由于各种外设的工作速度 驱动方式差别很大 无法与CPU直接匹配 所以不可能把它们简单地连到系统总线 需要有一个接口电路充当它们和CPU间的桥梁 通过该电路完成信号的变换 数据的缓冲 与CPU联络等工作 在微机系统中 较复杂的I O接口电路一般都做在电路板上 这种电路板又称为 卡 Card 由卡的一侧引出连接外界的插座 另一侧做成插入端 只要将它们插入总线槽 I O通道 就连到了系统总线 5 系统总线 所谓 总线 是指传递信息的一组公用导线 系统总线 SystemBus 是指从处理器子系统引出的若干信号线 CPU通过它们与存储器和I O设备进行信息交换 系统总线一般分为三组 数据总线 DB DataBus 地址总线 AB AddressBus 控制总线 CB ControlBus 总线系统 地址总线 AddressBus 传送地址信息 CPU在AB总线上输出将要访问的内存单元或I O端口地址 该总线为单向 地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存单元范围 数据总线 DataBus 传送数据信息的总线 在CPU进行读操作时 内存或外设的数据通过DB总线送往CPU 在CPU进行写操作时 CPU数据通过DB总线送往内存或外设 所以该总线为双向总线 控制总线 ControlBus 传送控制信息的总线 其中 有些信号线将CPU的控制信号和状态信号送往外设 外设请求或联络信号送往CPU 个别信号线兼有以上两种情况 所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号 它们可能是输出 输入或者双向的 系统总线使用特点 1 在某一时刻 只能由一个总线主控设备控制系统总线 其他总线主控设备必须放弃对总线的控制 2 在连接系统的各个设备中 某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号 但可以有多个设备从总线同时获得信号 1 4CPU内部结构及微机的工作过程 就目前各种CPU而言 都是由运算器 控制器 内部寄存器阵列和输入 输出控制逻辑四大部分组成的 如下图给出了一个模型机的基本结构 图中虚线框内为微处理器模型 存储器 内存 通过系统总线与CPU相连 程序计数器 地址缓冲寄存器 数据缓冲寄存器 寄存器阵列 指令寄存器 指令译码器 累加器 算术逻辑单元 控制逻辑部件 控制器 FlagRegister 1 运算器 也叫算术逻辑运算单元主要完成算术 逻辑 位移循环等操作 2 控制器包括 指令寄存器IR 指令译码器ID和定时与控制电路指令寄存器IR 用来存放从存储器取出将要执行的指令指令译码器ID 用来对指令寄存器IR指令进行译码 以确定指令应执行什么操作定时与控制电路 用来才生指令和执行指令所需的各种微操作控制信号 3 内部寄存器 累加器A 在进行算术逻辑运算时 它用来保存其中一个操作数 数据缓冲寄存器DR 用来暂存数据和指令 程序计数器PC 用来提供待取指令的机器码所在存储单元的地址 根据PC中的指令地址 准备从存储器中取出将要执行的指令 任意时刻 PC总是指示要取出的下一个字节或下一条指令 对单字节指令而言 所在单元的地址 每取一个字节的指令的机器码 PC的内容自动加1 地址缓冲寄存器AR 存放正要取出的指令的地址或操作数的地址 寄存器阵列RA 标志寄存器F 用来寄存指令执行时所才生的结果或状态的标志信号 根据检测有关的标志位是0或1 可以按不同条件决定程序的走向 如8086的标志状态寄存器 状态标志位 6位CF CarryFlag 进位标志位 当进行加减运算时 若最高位发生进位或借位则CF 1 否则为0 通常用于判断无符号数运算结果是否超出了计算机所能表示的无符号数的范围 PF ParityFlag 奇偶标志位 当指令执行结果中含有偶数个1时 PF 1 否则PF 0 AF AuxiliaryFlag 辅助进位标志位 当执行加法或减法运算指令时 低半部分向高半部分有进位或借位 则AF 1 否则为0 ZF ZeroFlag 零标志位 若当前的运算结果为0 则ZF 1 否则为0 SF SignFlag 符号标志位 当运算结果的最高位为1时 SF 1 否则为0 OF OverflowFlag 溢出标志位 当运算结果超出了带符号数所能表示的数值范围 即溢出时 OF 1 否则为0 用来判断带符号数运算结果是否溢出 控制标志位 3位用来控制CPU的操作 由程序设置或清除 它们是 TF TrapFlag 跟踪 陷阱 标志位 为测试程序的方便而设置 若将TF置1 则CPU处于单步工作方式 每执行一条指令 自动产生一次单步中断 可