【哈工程】计算机硬件技术基础10硬基第1章

1、1第1章 微型机系统概述主要内容：主要内容：n微机系统概述微机系统概述n微机系统硬件结构微机系统硬件结构n微机的运算基础微机的运算基础n微机的基本工作原理微机的基本工作原理npc系列机系列机2微型计算机系统的组成微处理器微处理器存储器i/o接口总线 硬件系统硬件系统软件系统软件系统微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机( (单片机单片机) )外 设alu寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪系统软件系统软件应用软件应用软件1.1 概述cpumpu3软件系统系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统系统应用软件系统应用软件存储器管理进程管理设备管理文件

2、管理用户界面gui网络软件编译系统系统维护程序工具软件系统增强软件办公数据库图形图像游戏娱乐。41.1.1微机系统的三个层次n2.微型计算机（单片机）微型计算机（单片机）n3.微型计算机系统微型计算机系统*只有只有微型计算机微型计算机系统才是完整的计算机系统才是完整的计算机硬硬 件件软软 件件n 1.微处理器微处理器cpu(mpu)5微型计算机系统的层次结构用户应用程序系统应用程序操作系统机器指令微指令硬件逻辑电路系统结构的观点程序员的观点应用程序bios硬件逻辑电路操作系统61.1.2微机系统的主要性能指标n1.字长字长: 16位位, 32位位, 64位位n2.存储器容量：存储器容量：(内内

3、/外外)1kb,1mb,1gb,1tbn3. 运算速度运算速度:mips,mhzn （主频：（主频：1秒内发生的同步脉冲数）秒内发生的同步脉冲数）n4. 外设扩展能力外设扩展能力n5.软件配置情况软件配置情况71.2 微机系统的硬件结构n微处理器微处理器 系统的核心系统的核心n存储器存储器 记忆设备，内存记忆设备，内存/外存外存n总线总线 信息的传输设备（信息的传输设备（cpu总线、系统总线）总线、系统总线）ni/o接口接口 与外设进行信息交换的与外设进行信息交换的“桥梁桥梁”81.2.1 三总线结构及分类1.冯诺依曼计算机结构n3 3个特点：个特点：有有五大部件五大部件组成的。组成的。 数据

4、、程序以数据、程序以二进制二进制形式存形式存 储在存储器中。储在存储器中。 控制器是按控制器是按程序程序来工作的。来工作的。指令指令驱动驱动控制命令指令流数据流输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入设备输入设备92.微型计算机的总线结构存储器i/o接口输入设备i/o接口地址总线地址总线 abab输出设备数据总线数据总线 dbdb控制总线控制总线 cbcbi/o接口ab: address bus，db: data bus，cb: control bus*硬件五大部件之间是通过硬件五大部件之间是通过数据总线数据总线 dbdb、控、控制总线制总线 cbcb、地址总线、地址总线 ab

5、 ab 相连的。相连的。cpu三总线结构三总线结构总线结构总线结构优点优点: :构造简单构造简单, ,具有灵活性、扩展性、具有灵活性、扩展性、 可维修性。可维修性。10 3.总线的结构分类n按总线组织方法的不同按总线组织方法的不同 单总线结构单总线结构 双总线结构双总线结构 多层总线结构（双层）多层总线结构（双层）三种结构11单总线结构cpu m m i/o i/o i/odb,ab,cbn缺点：高速的存储器与低速的缺点：高速的存储器与低速的i/o接口竞争总线，影接口竞争总线，影响了存储器的读写速度响了存储器的读写速度12双总线结构n面向面向cpu的双总线结构的双总线结构cpu m i/o i

6、/o i/odb,ab,cbdb,cb,abn缺点：存储器与缺点：存储器与i/o设备的数据传输必须通过设备的数据传输必须通过cpu多层总线结构缓冲器缓冲器全局全局m全局全局i/o局部局部mcpu i/o i/o 总线控总线控制逻辑制逻辑局部局部i/odma控制器控制器direct memory access,译为“直接存储器存取“ 141.2.2微机各大组成部分简介 1.微处理器mpu(cpu)n算术逻辑单元：算术逻辑单元：alu（以全加器为基础，完成四则（以全加器为基础，完成四则预算）预算）n累加器累加器accn标志寄存器标志寄存器frn寄存器组寄存器组rsn堆栈和栈指针堆栈和栈指针sp后进

7、先出后进先出,push(sp+1),popn程序计数器程序计数器pcn指令寄存器指令寄存器ir，译码器，译码器id，操作控制器，操作控制器oc15n微处理器的典型结构示意图微处理器的典型结构示意图mov a,5chadd a,2eh162.存储器存储器（主板上）：称为内存或主存，存放数据和程序。 2726252423222120存存 是计算机存储信息的记忆单元集合，每个记忆单是计算机存储信息的记忆单元集合，每个记忆单元通常由元通常由8 8位二进制位组成，可读写其中的数据。位二进制位组成，可读写其中的数据。1 0 0 0 1 0 1 01 0 1 1 1 0 1 01 1 0 0 0 0 1 1

8、1 0 1 0 1 0 0 117常用术语nbit（位，比特）（位，比特）n1个二进制位nbyte（字节）（字节）n8个二进制位nkb，mb，gb，tbnword（字）（字）n2个或多个字节18内存储器的访问过程*内存单元地址与内存单元内容是不同概念内存单元地址与内存单元内容是不同概念11101101110011011000110111101101111010011110110111101101111011011110110111101101111011011110110110001101110011011000110111101101地址地址0001000110000000100000001

9、9（2）内存操作：）内存操作：cpu对内存（对内存（ram) 可进行读可进行读写操作。写操作。（3）内存分类：随机存储）内存分类：随机存储ram dram动态动态 sram静态静态 固化固化 rom (prom eprom) 特点特点: ram 可读可写可读可写（断电消失）（断电消失） rom 只读只读 （断电（断电不不消失）消失）203.输入输出(i/o)设备接口n输入设备输入设备n输出设备输出设备n接口电路接口电路(i/o适配器适配器) : cpu与外设之间必须与外设之间必须 有有(i/o)适配器。适配器。21输入设备常用输入设备：常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。键盘、

10、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。224.总线n总线总线:是一组导线是一组导线,是各种信号的传输公路是各种信号的传输公路,是各是各 硬件部件之间的桥梁硬件部件之间的桥梁.有有:数据总线数据总线 db 地址总线地址总线 ab 控制总线控制总线 cb231.3微型计算机的运算基础各数制间的转换各数制间的转换n非十进制数非十进制数 十进制数：十进制数： 按相应的按相应的权表达式权表达式展开展开，再按十进制求和。再按十进制求和。n例：例：24.ah=2161+4160+a16-1 =36.625注：注：af分别用分别用101

11、5代入代入24十进制 非十进制数n十进制十进制 二进制：二进制： 整数：除整数：除2取余；取余；53(00110101) 小数：乘小数：乘2取整。取整。13.375(00001100.11)n十进制十进制 十六进制：十六进制： 整数：除整数：除16取余；取余； 小数：乘小数：乘16取整。取整。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。注：十进制转换成注：十进制转换成任意任意k进制数进制数与上类似，整：除与上类似，整：除k取余，小数：乘取余，小数：乘k取整。取整。25二进制数的运算二进制数二进制数算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算无符号数无符号数有符号数有符号数:

12、算术运算算术运算26 逻辑运算与与（）或（或（）非（非（）异或（异或（）掌握掌握：逻辑关系（真值表）和逻辑门。：逻辑关系（真值表）和逻辑门。特点：按位运算，无进位特点：按位运算，无进位/借位。借位。27“与”、“或”运算n任何数和任何数和“0”相相“与与”，结果为，结果为0n任何数和任何数和“1”相相“或或”，结果为，结果为1bacabc&1ab=cab=c28“非”、“异或”运算n“非非”运算即按位求反运算即按位求反n两个二进制数相两个二进制数相“异或异或”： 相同则为相同则为0，相异则为，相异则为1a1abc b=aa b=cb29“与非”、“或非”运算ab=c ab=cbac&a

13、mp;abc130半加器abhj0000011010101101 真值表真值表h=ab+ab=a b j=ababh j&3174ls138真值表真值表使使 能能 端端输输 入入 端端输输 出出 端端g1 g2a g2b c b a y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 0 1 1 0 1 1 0 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

14、1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 321、(有)符号数的表示：n1.机器数和真值机器数和真值n机器数机器数:在计算机中使用的在计算机中使用的,连同符号位一连同符号位一 起数字化的数起数字化的数. 真值真值:机器数所表示的真实的值机器数所表示的真实的值.(二进制二进制/十进制十进制) 例如例如: 真值真值: -9 (-1001) 机器数机器数: 1100

15、1 *机器数中机器数中,用最高位作为真值的符号位用最高位作为真值的符号位,“0”为正为正 号号,“1”为负号为负号. 4 ( 0100 ) -4 (1100) 33符号数的表示n符号数符号数(机器数机器数)的表示方法的表示方法: 对于符号数，机器数常用的表示方法有对于符号数，机器数常用的表示方法有原码原码、反码反码和和补码补码三种。数三种。数x的原码记作的原码记作x原原，反码记作，反码记作x反反，补，补码记作码记作x补补。注意：对正数，三种表示法均相同。注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的它们的差别在于对负数的表示差别在于对负数的表示。34原码x原n最高位为符号位，用最高位为符号位，用“0

16、”表示正，用表示正，用“1”表示负；表示负；数值部分照原样写出即可。数值部分照原样写出即可。n优点优点： 真值和其原码表示之间的对应关真值和其原码表示之间的对应关 系简单，容易理解；系简单，容易理解；n缺点缺点： 计算机中用原码进行加减运算比计算机中用原码进行加减运算比 较困难，较困难，0的表示不唯一的表示不唯一35数0的原码n+15 ( 01111) -15( 11111)n+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：数即：数0的原码不唯一。的原码不唯一。36原码的例子x原原真值：真值： x= +18 = +0010010x= -18 = -0010010原码：原码：x原原 =

17、0 0010010 = 1 0010010符号符号符号位符号位 n位原码表示数值的范围是：位原码表示数值的范围是： 对应的原码是对应的原码是1111 0111()()112121nn37反码x反对一个数对一个数x：n若若x0 ，则，则 x反反=x原原n若若x0， 则则x补补= x反反= x原原n若若x0， 则则x补补= x反反+141例nx= 52= 0110100 x原原=10110100 x反反=11001011 x补补= x反反+1=11001100 练习练习: 65补补 -78补补 -118补补 35补补 -97补补 -128补补42-128补补=-10000000b =1100000

18、00原原 =101111111反反+1 =110000000补补 =10000000 （对（对8位字长，第位字长，第9位被舍掉）位被舍掉）430的补码n+0补补= +0原原=00000000n -0补补 = -0反反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉n位补码表示数值的范围是位补码表示数值的范围是对应的补码是对应的补码是1000 0111()11221nn 44特殊数10000000n该数在原码中定义为：该数在原码中定义为：-0n在反码中定义为：在反码中定义为： -127n在补码中定义为：在补码中定义为： -128n对无符号数，（对无符

19、号数，（10000000）b=12845例:将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。nx补补=0 0101110b 真值为：真值为：+101110b 正数正数 所以：所以：x=+46nx补补=1 1010010b 真值不等于真值不等于：-1010010b 负数负数 而是：而是：1）x原原= x补补补补= 11010010补补 2）x真值真值= - 0101110b 3）x真值真值= - 46462、符号数的算术运算n通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。n即：即：x+y补补= x补补+y补补 x-y补补=

20、 x+(-y)补补 = x补补+-y补补其中其中x，y为正负数均可，符号位参与运算。为正负数均可，符号位参与运算。47例x=-52=-0110100，y=116=+1110100，求，求x+y=？nx原原=10110100 nx补补= x反反+1=11001100ny补补= y原原=01110100n所以：所以： x+y补补= x补补+ y补补 =11001100+01110100 = 01000000 补补= 01000000 原原 x+y=+1000000=64*若结果为负值（若结果为负值（11000000）怎样求真值？）怎样求真值？负数：负数：原码原码= x补补补补 真值真值48练习题：

21、补码运算练习题：补码运算1. 33-45= 2. 64-32=3. -68+24= 4. -58-70=4. -58-70=-128-58=-(32+16+8+2)=-(0111010)真值真值 =10111010原原=11000110补补-70=-(64+4+2) =-(1000110)真值真值 =11000110原原=10111010补补-58 -70 =110000000 (10000000补补) =110000000补补=-1000000049n -64-70=-134 -64=-(1000000)真值真值 =11000000原原=11000000补补 -70=-(64+4+2) =-

22、(1000110)真值真值 =11000110原原=10111010补补n-64 -70 =1011111010补补 = 00000110原原=+6溢出问题溢出问题50符号数运算中的溢出问题n两个两个8位带符号二进制数相加或相减时，位带符号二进制数相加或相减时，若若 （c7 c6 c5 c4 c3 c2 c1 c0其中其中c7 为符号位）为符号位） （c7j进进/借位借位） （c6j进进/借位借位）1 则结果产生溢出。则结果产生溢出。 其中：其中：c7j为最高位的进为最高位的进(借借)位；位； c6j为次高位的进为次高位的进(借借)位。位。*c7 c6同时同时进进(借借)位或都不进位或都不进(

23、借借)位时，不溢出。位时，不溢出。对16位或32位的运算，也有类似结论。51观察以下四种情况哪个溢出？ 1 0 1 1 0 1 0 1 + + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1case1:case2:case3:假定以下运算都是有符号数的运算。假定以下运算都是有符号数的运算。 1 0 1 0 0 0 1 0 + + 1 1 1 0 1 1 0 1 1

24、1 0 0 0 1 1 1 1case4:溢溢溢溢不不不不52例：n若：若：x=01111000， y=01101001 则：则：x+y=即：即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无次高位向最高位有进位，而最高位向前无 进位，产生溢出。进位，产生溢出。 （事实上，两正数相加得出负数，结果出错）（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）11100001 01101001 01111000 533.数的定点和浮点表示* * *根据小数点位置是否固定根据小数点位置是否固定, ,数的表示分为数的表示分为: : 定点表示定点表示 浮点表示浮点表示对于任何十进制数对于任何十进制数: :x=10j *f=10

25、3*10.25对于任何二进制数对于任何二进制数: :x=2j *f=24 *11.101.1.当当j=0,fj=0,f为纯整数时为纯整数时, ,称为称为定点纯整数定点纯整数2.2.当当j=0,fj=0,f为纯小数时为纯小数时, ,称为称为定点纯小数定点纯小数1025011100011.1054 n定点数：小数点位置固定不变的数。定点数：小数点位置固定不变的数。n小数点的位置：小数点的位置：n纯小数n纯整数符号符号x1x2xn小数点位置小数点位置符号符号x1x2xn小数点位置小数点位置55浮点数n浮点数来源于科学记数法（赤道长度、细胞直径）浮点数来源于科学记数法（赤道长度、细胞直径）n例如：+1

26、23.5=+0.123103 -0.001235=-0.12310-2n浮点数：用阶码和尾数表示的数，尾数通常为纯小数。浮点数：用阶码和尾数表示的数，尾数通常为纯小数。 小数点位置小数点位置阶符阶符数符数符阶码阶码尾数尾数f阶码阶码定点纯定点纯整数整数定点纯定点纯小数小数5680 x86中使用的ieee标准浮点数n单精度浮点数（阶码偏移单精度浮点数（阶码偏移7fh）n双精度浮点数（阶码偏移双精度浮点数（阶码偏移3ffh）数符数符阶阶e(11位位)尾数尾数f(52位位)原码表示原码表示小数点位置小数点位置阶符阶符阶阶e(8位位)尾数尾数f(23位位)原码表示原码表示小数点位置小数点位置 31 3

27、0 23 22 0 63 62 52 51 0x=2j *f, e=j+28-1-1 (0254)x=2j *f, e=j+211-1-1 (02046)57例：n1、将、将1011.10101用用8位阶码、位阶码、15位尾数的规格化浮位尾数的规格化浮点数形式表示。点数形式表示。解：因为解：因为1011.101010.10111010124 浮点数为：浮点数为：阶码=00000100n2、将、将-1011.10101用用8位阶码、位阶码、24位尾数规格化浮点数位尾数规格化浮点数补码形式表示补码形式表示解：因为解：因为-10111.01011.10111010125 1.01000101125补

28、补 浮点数为浮点数为（规格化小数规格化小数） 0000010010111010100 000阶码数符尾数（后补0到15位）阶符0 000000101 010001011 000 0000 0000 0000158n定点整数定点整数32位的表示范围位的表示范围: -231-+(231-1)n浮点浮点32位的表示范围位的表示范围: 8位阶码、位阶码、24位尾数位尾数 -122 -1 - +(1-223)22 -1 7759练习题练习题: 1. (-12.75)10的浮点表示的浮点表示,阶码阶码5 位位,尾数尾数8位。位。 2. (86.57)10的浮点表示的浮点表示,阶码阶码5 位位,尾数尾数8位

29、。位。 3. (-258.75)10的浮点表示的浮点表示,阶码阶码8 位位,尾数尾数24位。位。604、无符号数的表示和 算术运算通常在计算机中有三种表示法：通常在计算机中有三种表示法： （1）位数不等的二进制码）位数不等的二进制码 （2）bcd码码 （3）ascii码码 61无符号数的表示用于表示非数值型数据。常用的二种：用于表示非数值型数据。常用的二种：lbcd码码l用二进制编码表示十进制数用二进制编码表示十进制数lascii码码l美国标准信息交换代码美国标准信息交换代码 用二进制编码表示字符用二进制编码表示字符62bcd码n压缩压缩bcd码码n用用4位二进制码表示一位十进制数，一个位二进

30、制码表示一位十进制数，一个 字节可放字节可放2位十进制数。位十进制数。n0011 1000 (38) n非压缩非压缩bcd码码n用用8位二进制码表示一位十进制数，高位二进制码表示一位十进制数，高4位总为位总为0。n00000011 00001000 (38)63bcd码与二进制数之间的转换n先转换为十进制数，再转换二进制数；反先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。之同样。n例例： (0001 0001 .0010 0101)bcd = 11 .25 = 1011 .01b64ascii码n字符的编码，一般用字符的编码，一般用7位二进制码表示，用于字位二进制码表示，用于字符的输入输出符的输

31、入输出 ，用，用8位二进制数表示时，最高位位二进制数表示时，最高位总为总为0。 共：共：128个个n扩展扩展ascii码：用码：用8位二进制数表示，位二进制数表示，256个个n字母字母“1”,”9”的的ascii码：码：n“1” 0011 0001n“9” 0011 1001652.bcd码十进制运算n例如：求例如：求bcd码码 8+5 1000 0101 1101 应该为（应该为（0001 0011）+0110+0001 0011加加6补补66n对于对于bcd码加减法，应该码加减法，应该“逢十进一逢十进一”，“借借一当十一当十“，但，但bcd码却按码却按16进制。进制。n加法修正：若两个加法

32、修正：若两个bcd码相加，其结果码相加，其结果大于大于9 或产生或产生进位进位时，就加时，就加6修正。修正。n减法修正：若两个减法修正：若两个bcd码相减，其结果码相减，其结果大于大于9 或产生或产生借位借位时，就减时，就减6修正。修正。 （4位位1个个bcd码码）672.bcd码十进制运算n例如：求例如：求bcd码码 18-9 0001 1000 1001 1111 应该为（应该为（1001）-0110- 1001减减6修正修正68bcd码十进制运算n练习：求：练习：求： bcd码码9+8n 求：求： bcd码码57+65n 求：求： bcd码码52-38n 求：求： bcd码码71-29n 求：求： bcd码码78+13n 求：求： bcd码码45+77n 求：求： bcd码码125-48691.4 微型计算机的基本 工作原理n计算机工作的过程本质：就是执行程序的过程。计算机工作的过程本质：就是执行程序的过程。n1.指令与程序概述指令与程序概述n程序：程序：是若干指令的集合，是为了解决某一问是若干指令的集合，是为了解决某一问 题而编写的指令序列。题而编写的指令序列。n指令指令:是规定计算机执行特定操作的命令。是规定计算机执行特定操作的命令。n指令系统：指令系统：计算机全部指令的集合。计算机全部指令的集合。n*cpu是按指令工作的，不同是按指令工作的，不同型号型号计算