微机原理与接口技术_01计算机基本结构

1、第11章 微型计算机基础知识本章主要内容 1.1 微型计算机的组成及工作原理 1.2 微型计算机的发展历程与趋势 1.3 微型计算机系统 1.4 数据表示与编码 1.1 微型计算机的组成及工作原理1.1.1 微型计算机的基本组成 微型计算机是通过总线将微处理器、内存储器（RAM、ROM）和输入/输出接口连接在一起的有机整体。 1微处理器（Microprocessor） 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件。 2内存储器 内存储器也称为主存，用于存放计算机当前执行的程序和需要使用的数据。它的存取速度快，CPU可以

2、直接对它进行访问。内存储器按读、写方式分为随机存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。 3I/O（输入/输出）接口 I/O接口电路是微型计算机的重要组成部件，是CPU与外部设备间交换信息的桥梁。它是微型计算机连接外部输入、输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。 4总线 所谓总线，是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。按照所传送信息的类型不同，总线可以分为数据总线（Data Bus，DB）、地址总线 （Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）三种，通常称微型计算

3、机采用三总线结构。1.1.2 微型计算机的常用术语 1位和字节位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位，位作为单位时记作b。字节（byte）由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位，字节作为单位时记作B。1K1024210 1M1024K220 1G1024M230 1T1024G240 2字长 字长是指计算机内部参与运算的数的位数。它决定着计算机内部寄存器、ALU和数据总线的位数，直接影响着机器的硬件规模和造价。微型机的字长通常为4位、8位、16位、32位、64位 。 3主频 主频也称作CPU的时钟频率，简单地说就是CPU的工作频率

4、。主频的单位是MHz。一般而言，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快。 4内部缓存（cache） 内部缓存也叫一级缓存（L1 cache），这种存储器封装于CPU内部，存取速度与CPU主频相同，内部缓存容量越大，则整机工作速度也越快。 5工作电压 工作电压是指CPU正常工作所需的电压。 6微处理器的生产工艺 生产工艺是指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。 7微处理器的集成度 集成度是指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 8MIPS MIPS是Millions of Instr

5、uction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令。 9iCOMP指数 iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的。 1.2 微型计算机的发展历程与趋势 微型计算机的发展从1971年Intel公司首先研制成功的4位Intel 4004微处理器算起，已经走过了40多年的历程，微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的。 1早期阶段：4004/8085（19711976年） 在早期阶段，CPU的字长为4位或8位，集成度为3 00010 000个晶体管/片，微

6、处理器的主频为0.15MHz。 2第一代：8086/8088（19781981年） （1）1978年：Intel推出8086，它采用了3m工艺，集成了29 000个晶体管，工作频率为4.77 MHz。 （2）1979年：Intel推出8088，除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。 （3）1981年8月：IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM 5150 Personal Computer，即著名的IMB PC。 3第二代：80286（19821984年） 80286采用1.5m工艺，集成了134 000个晶体管，工作频率为6MHz。80286的数据总线

7、仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。 4第三代：80386（19851988年） 80386是第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了275 000个晶体管，工作频率达到16MHz。 5第四代：80486（19891992年） 80486采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。 6第五代：Pentium（19931997年） 第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年3月22日）采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。 第二代Pentium处理器（以P54C代称，1994年10月

8、10日）采用0.6m工艺，工作频率为90MHz/100MHz。 第三代Pentium MMX处理器（以P55C代称，1997年1月8日）增加了57条多媒体指令。 7第六代：P6（19972000年） P6处理器包括Pentium、Pentium 、Pentium 4、Pentium Itanium，采用0.60.18m工艺，集成了550万750万个晶体管，时钟频率为166MHz1GHz，采用二级高速缓存，二级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令。 8第七代：Intel Core（2006年至今） 1.3 微型计算机系统 1.3.1 微型计算机系统的组成 微型计算机系统是指由硬件和软件

9、共同组成的完整的计算机系统。 1微型计算机的硬件 微型计算机硬件系统主要包括主机和外设。主机主要由微处理器和内存储器组成，制成一块印制电路板，称为主机板。外设主要有显示器、键盘、硬盘、光盘等。 2微型计算机的软件 1）系统软件 系统软件是面向计算机系统的软件，它的功能是组织计算机各个组成部分协调、正常地工作，并使计算机为用户提供友好的服务。 2）应用软件 应用软件是面向应用领域、为解决某些具体问题由用户自己开发或外购的软件如各种办公软件、通信工具等。 1.3.2 微型计算机的工作过程 1程序存储 程序是由一条条指令组合而成的，而指令是以二进制代码的形式出现的。把执行一项信息处理任务的程序代码，

10、以字节为单位，按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内，这就是程序存储的概念。 2程序控制 计算机工作时，CPU中的控制器部分，按照程序指定的顺序（由码段寄存器CS及指令指针寄存器IP指引），到存放程序代码的内存区域中去取指令代码，在CPU中完成对代码的分析；然后，由CPU的控制器部分依据对指令代码的分析结果，适时地向各个部件发出完成该指令功能的所有控制信号，这就是程序控制的概念。 3工作过程 执行一条指令又可分为以下4个基本操作。 （1）取出指令 （2）分析指令 （3）执行指令 （4）为执行下一条指令作好准备，即形成下一条指令地址。1.4 数据表示与编码 1.4.1 数制的表示 数制是指用一

11、组数字和一套统一的规则来表示数目。 1十进制 基数为10的计数制叫十进制。它用0，1，2，8，9十个不同的符号来表示数值，采用“逢十进一，借一当十”的原则，各个位对应的权为10i。十进制数按权展开为 2二进制 基数为2的计数制叫做二进制，它用0，1两个不同的符号来表示数值，采用的是“逢二进一，借一当二”的原则，各个位对应的权为2i。二进制数常用“B”注明，按权展开为 二进制数的算术运算规则如下。 加法运算：000；011；101；1110。 减法运算：000；1011；101；110。 乘法运算：000；010；100；111。 除法运算：0/10；1/11。 二进制数的逻辑运算规则如下。 A

12、ND（与）：按位进行，有0出0。 OR（或）：按位进行，有1出1。 XOR（异或）：按位进行，相同出0，不同出1。 NOT（非）：按位进行，取反。 3八进制 基数为8的计数制叫八进制。八进制数是大家熟悉的，用0，1，2，7八个不同的符号来表示数值，它采用“逢八进一，借一当八”的原则，各个位对应的权为8i。八进制数常用“O”注明，按权展开为 4十六进制 基数为16的计数制叫十六进制，用0，1，2，9，A，B，C，D，E，F十六个不同的符号来表示数值，它采用“逢十六进一，借一当十六”的原则，各个位对应的权为16i。十六进制数常用“H”注明，按权展开为1.4.2 数制之间的相互转换 1二进制转换为八

13、进制 二进制数转换为八进制数的方法简单地讲是“三位并一位”。具体操作时，从小数点开始向右（向左）每三位划为一组，若最右边不足三位，低位补0凑成一组；若最左边不足三位，高位补0凑成一组，然后每一组用八进制数符表示。 例如：(11011.1011)2(011 011.101 100)2(33.54)8。 2八进制转换为二进制 八进制数转换为二进制数方法是“一位拆成三位”。 例如：(327.04)8(011 010 111.000 100)2(11010111.0001)2。 3二进制转换为十六进制 同样地，由于2416，所以四位二进制数相当于一位十六进制数。二进制数转换为十六进制数的方法是“四位并

14、一位”，具体操作与二进制转换为八进制相类似。 例如：(11011.101)2(0001 1011.1010)2(1B.A)8。 4十六进制转换为二进制 十六进制数转换为二进制数方法是“一位拆四位”。 例如：(3A.E)16(0011 1010.1110)2(111010.111)2。 5十六进制转换为八进制 当十六进制转换为八进制时，可以考虑将十六进制先转换为二进制，然后再转换八进制。 例如：(3A.E)16(11 1010.111)2(72.7)8； (37.23)8(011 111.010 011)2(1F.4C)16。 6十进制转换为二、八、十六进制 一个非十进制整数转换为其他进制的数，

15、结果仍然是非整数。具体转换是：整数部分往整数部分转换，小数部分往小数部分转换。转换方法如下。 整数部分：除基取余，逆序排列。 小数部分：乘基取整，顺序排列。 1.4.3 计算机值数据表示与运算 1机器数与真值 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。 2带符号数的表示 1）原码 正数的符号位用“0”表示；负数的符号位用“1”表示，这种表示法称为原码。 例如：在字长n8的情况下，

16、有 N101，N原0,0000101 N101，N原1,0000101 2）反码 反码的表示分两种情况：正数的反码表示法与原码相同，最高位为符号位，其余位为数值位；负数的反码表示法为“将其原码的符号位保持不变，然后数值位全部取反”。 例如： (7)7 (0)0(7)10000111(7)11111000(0)10000000(0)11111111原反原反 3）补码 补码的表示亦分两种情况：正数的补码表示法与原码相同，即最高位是符号位，用“0”表示正号，其余部分为数值位；负数的补码表示等于它的反码末位加1，即N补N反1。 4）补码的运算规则 （1）XY补X补Y补 （2）XY补X补Y补 （3）X补

17、补X原 3数的定点和浮点表示 1）定点表示法 （1）定点整数表示法。小数点固定在最低数值位之后，机器中能表示的所有数都是整数。 （2）定点小数表示法。小数点固定在最高数值位之前，机器中能表示的所有数都是纯小数。 2）浮点表示法 在微型机中，小数点位置不是固定不变的，而是可以变动的，这种表示法称为浮点表示法。任意一个二进制数N总可以表示为：NM2E 其中，M称为尾数，是纯二进制小数，指出数N的全部有效位，尾数前面的一位符号称作数符，表示数的正、负；E称为阶码，它前面的符号称为阶符，指明尾数小数点向右或左浮动，而阶码E指明尾数小数点移动的位置，所以阶符和阶码表明了数值N小数点的位置。1.4.4 编码 1BCD码 BCD码是一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码，也称为二进制编码表示的十进制数（Bina