第一章基础知识

1、2005.9,1,课程目标,微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编,语言程序设计的入门课程：,?,微型计算机的基本工作原理,?,汇编语言程序设计,?,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,2,教学大纲,一,基础知识,二,微型计算机基础,三,8086/8088 CPU,的指令系统,四,汇编语言程序设计,五,存储器系统,六,I/O,接口与中断、计数器,七,A/D,及,D/A,转换器,八,常用数字接口,3,第,1,章,基础知识,主要内容：,?,?,计算机的发展,各种常用记数制和编码,4,1.1,概,述,世界上第一台计算机是,1943-1946,年美国宾

2、夕法尼,亚大学设计制造的,”ENIAC”,?,占地上百平方米,?,?,?,重量几千吨,功耗几十千瓦,5000,次加法,/,秒,5,(1),存储容量太小,只能存,20,个字长为,10,位的十进制数,(2),采用线路连接的方法来编排程序,每次解题都要靠,人工改接连线,准备时间大大超过实际运算时间,6,冯,?,诺伊曼计算机基本结构,(,冯氏结构,),?,1.,“,存储程序,”概念的产生及其重要意义。,?,ENIAC,（,Electronic Numerrical Integrator And Computer,）,不具备“存储程序”的功能,?,EDVAC,（,Electronic Discrete

3、Variable Automatic Computer,）,采用“存储程序”的概念，并付诸实现，,“,开创了整个程,序设计时代的到来,”,2.,冯氏计算机,5,个基本部件：输入器,输出器,运算器,存,储器和控制器,?,数据和程序存放在存储器中,采用了二进制,?,7,计算机的发展及分类,?,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,）,8,微处理器的发展历程,第一代,:,4,位及低档,8,位微处理器,(1971-1973),?,第二

4、代,:,中、低档,8,位微处理器,(1974-1978),?,第三代,:,高、中档,8,位微处理器,(1978-1981),?,第四代,:,16,及低档,32,位微处理器,(1981-1992),?,第五代,:,高档,32,位微处理器,(1992,年以后,),?,9,代,一,二,三,四,五,发表,年份,1971,1972,1974,1978,1982,1985,1989,1993,1995,1996,1997,1999,2001,2002,？,字长,(bits),微处理,器型号,4004,8008,8080,8086/8088,80286,80386,80486,Pentium,P/Pro,P

5、/MMX,PII,PIII,P4,线宽,(,?,m),50,20,2-3,1-2,0.6-0.8,0.6,0.6,0.35,.25-.13,.18-.13,晶体管数,(,万个,),0.2,0.3,0.5,2.9,13.4,27.5,120,330,时钟频率,(MHz),1,2-4,4.77-10,8-16,16-33,25-66,60-200,速度,(MIPS),0.05,0.5,1,1-2,6-12,20-40,100-200,4,8,8,16,32,32,六,32,七,64,Itanium,0.13,550,133-200,450,166-233,750,233-450,850,450-1

6、200,1000,1300-2400,CPU:2.5K,800(20,条指令,/,Cache:30K,时钟周期,),300,3000,10,微型计算机的发展动向,?,低档微型计算机的发展,?,应用在家用电器,仪器仪表和过程控制等领域,?,功能强,价格低,精巧灵活,?,32,位和,64,位微型计算机的发展,?,做成微型计算机系统,?,运算速度快,主存容量大和有丰富的软件,?,多微处理器系统的发展,11,计算机的特征,运算速度快,?,计算精度高,?,超强的记忆能力,?,具有逻辑判断功能,?,实现自动控制,?,12,计算机的分类,?,巨型计算机（,Mainframe Computer,）,?,大、中

7、型计算机,?,小型计算机（,Minicomputer,）,?,微型计算机（,Microcomputer,）,?,工作站,13,1.2,.,微处理器、微型计算机和微型计算机系统,（,Microprocessor,Microcomputer,Microcomputer System,）,1.,微处理器,:,集成在同一块芯片上的具有运算和控制,功能的中央处理器,2.,微型计算机：由,CPU,，半导体存储器，,I/O,接口和中,断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成,的计算机。,单片微型计算机（,Single Chip Microcomputer,）,?,单板微型计算机（,Single Boar

8、d Microcomputer,）,?,多板微型计算机（,Multi-Board Microcomputer,）,?,3.,微型计算机系统,:,在多板机基础上发展起来的,是高,层次的微型计算机,有齐全的硬件和丰富的软件,14,微型计算机系统的组成,1,微,型,计算机,(,主机,),ALU,微处理器,寄存器,控制器,存储器,I/O,接口,总线,键盘、鼠标,显示器,软驱、硬盘、光驱,打印机、扫描仪,微,型,计算机,系,统,硬件系统,软件系统,外,设,系统软件,应用软件,15,核心级,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,ALU,控制器,CU,寄存器组,Regist

9、ers,?,实现运算功能和控制功能,?,16,硬件系统级,微型计算机,以微处理器为核心，配上只读存储器,(ROM),、,读写存储器,(RAM),、输入,/,输出,(I/O),接口电路及,系统总线等部件，就构成了微型计算机。,?,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。,?,17,系统级,以,微型计算机,为中心，配以相应的,外围设备,以及控制微型计算机工作的,软件,，就构成了,完整的微型计算机系统。,?,微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机,?,软件分为系统软件和应用软件两大类。,?,18,系统软件,:,为使用和管理计算

10、机有机器的设计者提,供的软件,.,(1),各种语言和它们的汇编后解释,编译程序,(2),机器的监控管理程序,(Montitor),调试程序,(Debug),故障检查和诊断程序,(3),程序库,:,为了扩大计算机的功能,机器中设置了各,种标准子程序,子程序的总和就形成了程序库,.,(4),操作系统,应用软件,:,用户利用计算机以及计算机所提供的各,种系统软件,编制解决用户各种实际问题的程序,.,19,微机系统结构,地址总线,AB,C,P,U,存,储,器,I/O,接,口,输,入,设,备,I/O,接,口,输,出,设,备,I/O,接,口,数据总线,DB,控制总线,CB,微型计算机,(,主机,),的基本

11、结构,“,CPU+,存储器,+I/O,接口,+,系统总线”。,20,主机硬件系统,CPU,计算机的控制中心，提供运算、判断能力,?,构成：,ALU,、,CU,、,Registers,例：,Intel 8088,、,PIII,、,P4,CPU,的位数：,4,位、,8,位、,16,位、,32,位,是指一次能处理的数据的位数,?,21,主机硬件系统,存储器,?,存放程序和数据的记忆装置,?,用途：存放程序和要操作的各类信息,（数据、文字、图像、。）,?,内存：,ROM,、,RAM,?,特点：随机存取，速度快，容量小,?,外存：磁盘、光盘、半导体盘、,?,特点：顺序存取,/,块存取，速度慢，容量大,2

12、2,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,23,内存单元的地址和内容,?,内存包含有很多存储单元,(,每个内存单元包含,8bit),，,为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进,行编号，,内存单元的编号就称为内存单元的地址,7 6 5 4 3 2 1 0,内存单,元地址,.,.,.,38F04H,1 0 1 1 0 1 1 0,内存单,元内容,.,.,.,24,内存容量和内存空间,?,内存单元的个数，以字节为单位。,?,注意：,内存空间,与,内存容量,的区别,内存容量：某微机配置,2,条,128MB,的,SDRAM,内存,条，内存容量为,256MB,内存空间：又称

13、为存储空间、寻址范围，是指微机,的寻址能力，与,CPU,的地址总线宽度有关,25,主机硬件系统,输入,/,输出接口,?,简写为,I/O,接口，是,CPU,与外部设备间的桥梁,CPU,I/O,接口,外设,26,微机的总线结构,BUS,?,微机的各个部件之间的信息传送和处理器内,部信息的传送，通过三组不同的总线进行的。,?,总线：是连接多个功能部件或多个装置的一,组公共信号线。,?,内部总线是,CPU,内部各功能部件和寄存器之间,的连线；,?,外部总线是连接系统的总线，即连接,CPU,、存,储器和,I/O,接口的总线，又称为系统总线。,?,总线包括与数据传输有关的控制逻辑。在计,算机系统中，总线应

14、被看成一个独立的部件。,27,三总线结构,它们是：,数据总线（,Data Bus -DB,）,-,双向,地址总线（,Address Bus-AB,）,-,单向,控制总线（,Control Bus,CB,）,-,双向,总线是计算机的部件与部件之间传输信息的,公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信,息。,?,28,数据总线,CPU,与存储器、,I/O,接口之间数据传送的公共通路,.,?,是双向,三态的信号线,?,数据总线的位数和处理器的位数相对应,.,?,数据总线的条数决定,CPU,一次最多可以传送的数,据宽度。,?,29,地址总线,?,用来传送,CPU,输出的地址信号，确定被访问的,存储单元、

15、,I/O,端口。,地址线的根数,决定了,CPU,的寻址范围,。,CPU,的寻址范围,= 2,n,，,n,-,地址线根数,?,是单向的,三态信号线,30,控制总线,用来传送各种控制信号,?,是双向,三态的信号线,但有的为单向,有的为非三态,取决于具体的信号线,.,?,实现,CPU,对存储器,I/O,接口的控制及接收外部传送,给,CPU,的状态信号,?,31,微型计算机的主要技术指标,(1),字长,:,参与运算的数的位数,.,它决定着计算机的内部,寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。,有,4,位，,8,位，,16,位，,32,位，,64,位等。,(2),主存容量,:,主存储器所能存储信息的

16、总量。通常以,字节数,(Byte),来表示。例：内存,128MB,。,(3),运算速度,:,有不同的计量方法和测试标准。,MIPS(Million Instruction Per Second),(4),平均无故障运行时间,(,可靠性,),MTBF(Mean Time Between Failures),平均无故,障间隔时间,(5),性能,/,价格比,32,微处理器的内部结构与基本功能,包括以下几个重要部分,：,?,累加器,?,算术逻辑运算单元,(ALU),?,状态标志寄存器,?,寄存器阵列,?,指令寄存器,?,指令译码器,?,定时及各种控制信号的产生电路。,33,34,习题与思考：,1,微型

17、计算机系统有哪些功能部件组成？它们,各自具有什么结构？采用什么样的结构？,2,什么是微处理器？什么是微型计算机？什么,是微机系统？它们之间的关系如何？,3.,什么是总线,总线的分类及它们之间的作用和,关系,?,35,1.3,常用计数制,?,了解,?,特点；,?,表示方法；,?,相互间的转换。,36,一、常用计数法,?,十进制,符合人们的习惯,?,二进制,便于物理实现,?,十六进制,便于识别、书写,?,八进制,37,进位计数制的一般表示,一般地，对任意一个,K,进制数,S,都可表示为,(,S,),k,?,S,n,?,1,?,K,?,S,?,1,?,K,?,i,?,m,n,?,1,?,S,n,?,

18、2,?,K,n,?,2,?,?,?,S,0,?,K,?,m,0,?,1,?,?,?,S,?,m,?,K,i,?,S,n,?,1,i,?,K,S,i,-,S,的第,i,位数码，可以是,K,个符号中任何一个；,K,-,基数；,i,K,-,K,进制数的权,38,1.,十进制,特点：以十为底，逢十进一；,共有,0-9,十个数字符号。,表示：,39,2.,二进制,特点：以,2,为底，逢,2,进位；,只有,0,和,1,两个符号。,表示：,40,3.,十六进制,特点：以,16,为底，逢,16,进位；,有,0-9,及,A-F,共,16,个数字符号。,表示：,41,二、各进制数间的转换,1.,非十进制数到十进制

19、数的转换,按相应进位计数制的权表达式展开，,再按十进制求和。,例：,10110010B,= (?),10,13FAH,= (?),10,42,2.,十进制到非十进制数的转换,十进制, 二进制的转换：,整数部分：除,2,取余；,小数部分：乘,2,取整。,?,十进制, 十六进制的转换：,整数部分：除,16,取余；,小数部分：乘,16,取整。,以小数点为起点求得整数和小数的各个位。,?,43,3.,二进制与十六进制间的转换,?,用,4,位二进制数表示,1,位十六进制数,例：,10110001001.110 = (?)H,0,101 1000 1001.110,0,5 8 9 . C,44,1.3,二

20、进制数的运算,无符号数,算术运算,有符号数,逻辑运算,45,一、无符号数的运算,?,算术运算,包括：,加法运算,减法运算,乘法运算,除法运算,46,1.,规则,?,加法：,1+1=0,（有进位）, ,?,减法：,0-1=1,（有借位）, ,?,乘法：,乘以,2,相当于左移一位；,除法：,除以,2,则相当于右移,1,位。,例：,00101110,0000010 = ?,00101110,/,00000010 = ?,47,练习,：,?,00001011,0100=?,?,00001011,0100=?,即：商,=?,余数,=?,48,2.,无符号数的表示范围,一个,n,位的无符号二进制数,X,，

21、其表示范,围为,n,0,X 2,-1,若运算结果超出这个范围，则产生溢出。,判别方法：,运算时，当最高位向更高位有进位（或,借位）时则产生溢出。,49,例,：,11111111,+ 00000001,1,00000000,结果超出位（最高位有进位），发生溢,出。（结果为,256,，超出位二进制数所能,表示的范围,255,）,50,3.,逻辑运算,?,与,(,),、或,(,),、非,(,),、异或,(,),?,特点：按位运算，无进借位,?,运算规则,.,51,4.,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。,52,与门（,AND Gate,）,A,B,A,0,0,B,0,1,Y,