第一章+概述(201509)

1、l计算机的组成及工作原理计算机的组成及工作原理l程序程序执行过程执行过程l微型计算机的分类微型计算机的分类l计算机的发展计算机的发展（自学）（自学）l微机的特点微机的特点（自学）（自学）l微机的应用微机的应用l运算基础运算基础电子计算机的组成有两种信息流在流动：一类是数据，用蓝线表示，一类是控制，用红线表示。不论是数据还是控制命令，在计算机中都用“0”和“1”表示的二进制数表示。 存储器=内存+外存，外设=入+出+外，CPU=运+控，主机=运+控+内冯诺依曼计算机原理(即：即：“存储程序存储程序” + “程序控程序控制制”)运算器存储器控制器输入设备输出设备程序和原始数据结果（Micropro

2、cessor）PP或或MPUMPU (Microcomputer)控制部件算术逻辑部件寄存器组IO接口电路ROMRAM外部设备存储器微处理器微处理器系统(Microprocessing System) 以微处理器为核心构成的具有某种特以微处理器为核心构成的具有某种特殊用途的系统殊用途的系统时钟微处理器RAMROMIO接口IO接口电源外部世界外部世界总线总线l 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线总线是连接多个功能部件的一组公共信号线 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输l采用总线结构便于部件和设备的扩充。采用总线结构便于部件和设备的扩充。 CPU

3、片内总线片内总线MI/O片间总线片间总线I/O接口板接口板外部设备外部设备内总线内总线(板级总线板级总线)外总线外总线(通信总线通信总线)l依总线所处位置的不同，总线可以分为四类依总线所处位置的不同，总线可以分为四类：片内总线片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接运算这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接运算 器、控制器和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体器、控制器和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体 标准，由芯片生产厂家自己确定。标准，由芯片生产厂家自己确定。 片间总线片间总线微处理器、存储器芯片、微处理器、存储器芯片、I/OI/O接口芯片等之间的连接

4、总线。片接口芯片等之间的连接总线。片 间总线通常包括间总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线。 内总线内总线 内总线内总线( (板级总线板级总线) )是微型计算机系统内连接各插件板的总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线 ( (系统内总线系统内总线） 内总线有不同的总线标准，如内总线有不同的总线标准，如 S-100S-100总线总线 (IEEE-696(IEEE-696标标),STD),STD总线总线,IBM-PC,IBM-PC总线，总线，ISAISA总线、总线、PCIPCI总线标准总线标准 等，采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。等，采用不同总线标准的功能

5、板无法连接在一起。 外总线外总线 也称通信总线。用于微型计算机系统之间或者微型计算机与也称通信总线。用于微型计算机系统之间或者微型计算机与 外部设备之间的通信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求外部设备之间的通信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求 皆有标准可遵循。如并行总线皆有标准可遵循。如并行总线IEEE-488IEEE-488标准，串行总线标准，串行总线RS-232RS-232 标准等。标准等。 IEEE1394，USB（通用串行总线）。（通用串行总线）。 l 按信号的作用，总线分为三类：按信号的作用，总线分为三类：地址总线、数据总线、控地址总线、数据总线、控制总线制总线 地址总线地址总

6、线 AB ( Address Bus) ：单向单向用来传送用来传送CPU输出的地址信号，确定要访问的存储单元、输出的地址信号，确定要访问的存储单元、I/O端口。端口。地址总线的根数地址总线的根数 决定决定CPU的直接寻址能力。的直接寻址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G数据总线数据总线 DB ( Data Bus )：双向双向 用来在用来在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间进行数据传送。接口之间进行数据传送。数据总线数据总线的根数决定一次可最多传送数据的宽度。的根数决定一次可

7、最多传送数据的宽度。8 根根 一次传送一次传送 8位位16 根根 一次传送一次传送 16位位 32 根根 一次传送一次传送 32位位 64 根根 一次传送一次传送 64位位控制总线控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制和状态信号。用于传送各种控制和状态信号。 有的是有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向有的是发向CPU，如外设向，如外设向CPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。微型计算机系统微 型 计 算 机 系 统硬件软件主机外部设备（输入输出设备）系统总线程序和程序设计语言操作系统应用软件电源编译和解释程序

8、程序程序执行过程执行过程操作操作 ： 将两个数将两个数 7 和和 10 相加，其和存放在相加，其和存放在20H单元。单元。指令：指令： mov al, 7 add al, 10 mov 20h, al hlt机器指令：机器指令：1011 0000 B0h ( mov al, 7 ) 0000 0111 07h 0000 0100 04h ( add al, 10 ) 0000 1010 0Ah 1010 0010 A2h ( mov 20h, al ) 0010 0000 20h 1111 0100 F4h ( hlt )微型计算机的分类微型计算机的分类1) 按构成分类按构成分类2) 按按CP

9、U的字长分类的字长分类3) 按主机装置分类按主机装置分类CPU输输入入设设备备输输出出设设备备软软件件系系统统+硬件系统输输入入接接口口设设备备输输出出接接口口设设备备运 算 器控 制 器存 储 器1) 按构成分类按构成分类单片机、单板机、多板机单片机、单板机、多板机 单片机单片机l特点：超小型、高可靠性、价廉特点：超小型、高可靠性、价廉l 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等l 产品：产品：Intel 的的8051、8096/8098系列系列 Motorola 的的6801、6805系列系列 Hitachi (日立日立) 的的 H8S、SH系列系列

10、 单板机单板机l将将CPU、内存、内存、I/O接口及其它辅接口及其它辅 助电路助电路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。l 特点：结构简单、价廉特点：结构简单、价廉l 应用：过程控制、数据处理应用：过程控制、数据处理l 产品：产品：TP-801 以以Z80CPU为核心的单板机为核心的单板机 80年代各院校年代各院校“微机原理微机原理”的实验机的实验机 多板机多板机l 把把CPU、内存、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上，接口芯片装在多块电路板上， 各印刷板插在主机板的总线插槽上，各印刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统总线连接起来，构成多板机。通过

11、系统总线连接起来，构成多板机。l 特点：见前面微型计算机的特点特点：见前面微型计算机的特点l 产品：产品：IBM PC/XT、486机、机、Pentium机等机等 90年代以来各院校年代以来各院校“微机原理微机原理”和计算机硬件的实验机和计算机硬件的实验机2) 按按CPU的字长分类的字长分类CPU的性能可以用两个主要参数来描述：的性能可以用两个主要参数来描述：速度：速度：用用CPU的工作频率表示，单位的工作频率表示，单位MHzCPU内部寄存器宽度：寄存器的位数内部寄存器宽度：寄存器的位数宽度：宽度： 外部数据总线宽度：数据线的根数外部数据总线宽度：数据线的根数地址总线宽度：地址线的根数地址总线

12、宽度：地址线的根数l 按按CPU 的字长，微机可分为：的字长，微机可分为： 4位机位机、8位机位机、16位机位机、32位机位机CPU内部的寄存器宽度可用内部的寄存器宽度可用字长字长描述描述以以Intel公司生产的公司生产的80 x86为例为例：推推出出年年代代CPU芯芯片片寄寄存存器器位位 数数数数据据线线宽宽 度度地地址址线线宽宽 度度最最大大主主频频MHz1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.221978.61979.61982.2808680888028616161616816202024108161985.101989.480386

13、8048632323232323233661993.31995.111997.51999.2PentiumPentium ProPentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010003) 按主机装置分类按主机装置分类桌上型：台式电脑桌上型：台式电脑便携型：笔记本、掌上电脑等便携型：笔记本、掌上电脑等1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（最初的计算机只是一种计算工具,电子数据和计算器）。随着采用器件从电子管、晶体管、中小规模集成电路、发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机。1971年，Intel公

14、司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代微型计算机的产生微型计算机的产生 第1代(19711973 年）：4位和低档8位微机400440408008 第2代(19731977 年)：中高档8位微机Z80、I8085、M6800，Apple-II微机 第3代(19781984 年)：16位微机 8086808880286，IBM PC系列机 第4代(19851992 年)：32位微机8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 4 32位PC机、Macintosh机、PS/2机 第5代(1993年) ：64位

15、微机Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站微处理器和微机的发展史微机的特点（潘） 形小，体轻，功耗低； 能获得最佳的性能价格比； 结构简单（积木式），性能可靠； 灵活性好，适应性强。微机的应用（冯） 科学计算（或称数值计算） 特点：数据量不大，但计算量非常大； 信息加工和数据处理 特点：数据量庞大，而计算比较简单； 过程控制； 计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）； 人工智能； 计算机模拟； 计算机辅助教育。1、科学计算领域2、自动控制领域 3、测量与测试 4、信息处理领域5、教育、卫生领域6、家用电器7、人工

16、智能主机主机中央处理单元（CPU）内存储器运算器控制器寄存器组只读存储器ROM或PROM、EPROM随机存储器RAM返回返回硬件系列课程计算机组成原理计算机组成原理侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现方法和电路原理侧重内部各单元的工作原理和实现方法（芯片内）微机原理及接口技术微机原理及接口技术突出应用，详细讲述微处理器芯片的指令系统及编程、CPU外部特性、微机主板，与通用外设的接口电路及应用编程技术侧重各模块外部的连接和应用技术（芯片外）计算机体系结构计算机体系结构重点论述计算机系统的各种基本结构、设计技术和性能定量分析方法侧重整个系统的

17、设计技术（芯片组合）返回返回世界上第一台计算机ENIACENIAC (1946) )埃尼阿克埃尼阿克 掌上电脑掌上电脑(2000)返回返回17468个电子管、个电子管、6万万个个电阻器、电阻器、1万万个电容器和个电容器和6千千个开关组成个开关组成 达达30吨吨占地占地160平方米平方米耗电耗电174千瓦千瓦耗资耗资45万美元万美元Intel4004和采用4004的计算器返回返回Apple微型计算机Apple-IApple-II返回返回IBM PC系列机8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机返回返回英特尔微处理器芯片80386PentiumPentium 4返

18、回返回寄存器寄存器 l 寄存器寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。l 根据存放信息的不同，根据存放信息的不同， 有有指令寄存器指令寄存器、数据寄存器数据寄存器、地址寄存器地址寄存器等。等。标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB指令寄存器指令寄存器数据寄存器数据寄存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IPCPU结构结构示意图示意图返回返回计算机中常用术语 1. 位 ( bit ) 2. 字节 ( Byt

19、e ) 3. 字和字长 (word) 4. 位编号1. 位位 ( bit)l 指指计算机能表示的最基本最小的单位计算机能表示的最基本最小的单位l 在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位就是一个二进制位，有两种状态，位就是一个二进制位，有两种状态，“0” 和和 “1”2. 字节字节 ( Byte )l 相邻的相邻的8位二进制数称为一个字节位二进制数称为一个字节 1 Byte = 8 bit 如：如： 1100 0011 0101 0111 例例 某某CPU内含内含 8位运算器位运算器，则：，则：参加运算的数及结果均以参加运算的数及结果均以 8位位 表示

20、表示, ,最高位产生的进位或借位在最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中而将其保存到标志寄存器中 1 0 1 1 0 1 0 1 被加数被加数8位位 + + 1 0 0 0 1 1 1 1 加数加数8位位进位进位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和和8位位PSW标志寄存器标志寄存器运运算算器器标志标志寄存器寄存器运运算算器器被加数被加数加数加数和和进位进位字长是衡量字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。工作性能的一个重要参数。 不同类型的不同类型的CPU有不同的字长。有不同的字长。 如如: Intel 4004 是是

21、 4 位位 8080 是是 8 位位 8088/ 8086/80286 是是 16 位位 80386/80486、Pentium 是是 32 位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数被加数 + + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数加数进位进位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和 4位位 8次次 8位位 4次次16位位 2次次32位位 1次次位位 1 或或 0 1位位字节字节 1100 0011 8位位字字

22、 1100 0011 0011 1100 16位位双字双字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位位高字节高字节低字节低字节 高高 字字 低低 字字把一个把一个字字定为定为16 位位， 1 Word = 2 Byte 一个一个双字双字定为定为32位位 1 DWord = 2 Word= 4 Byte4. 位编号位编号 为便于描述，对字节为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。字和双字中的各位进行编号。 从低位开始，从右到左依次为从低位开始，从右到左依次为 0、1、2 编号编号7654321010100010D7 D6 D5 D4 D3 D2

23、 D1 D0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0字节字节数据数据Data地址地址AddressD0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字字的编号为的编号为15 0双字双字的编号依此类推，为的编号依此类推，为31 0一、数制及其转换 了解：各种计数制的特点及表示方法； 掌握：各种计数制之间的相互转换。（一）常用计数法二进制（二进制（Binary）八进制（八进制（Octal）十进制（十进制（Decimal）十六进制（十六进制（Hex）二进制：二进制：B八进制：八进制：O十进制：十进制：D或或省略省略十六进制：十六进制：H各种数值的表示：各种数值的表示

24、：1. 十进制特点：以十为底，逢十进一； 共有0-9十个数字符号。用D代表。表示： 111002211101010101010nmiiimmnnnnDDDDDDD2. 二进制特点：以2为底，逢2进位； 只有0和1两个符号。用B表示。表示： 111002211n2222222)(nmiiimmnnnBBBBBBB3. 十六进制 特点：有0-9及A-F共16个数字符号， 逢16进位。用H表示。 表示： 1110022n1116161616161616)(nmiiimmnnnHHHHHHH例： 234.98D或（234.98）D 1101.11B或（1101.11）B ABCD . BFH或（ABC

25、D . BF） H（二）各种进制数间的转换十进制二进制八进制十六进制按位展开求和整数：除基取余小数：乘基取整二进制与十六进制变换二进制与十六进制变换二、二进制数的运算算术运算逻辑运算无符号数无符号数有符号数有符号数（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 算术运算二进制 加法规则 乘法规则 0+0=0 00=0 0+1=1 01=0 1+0=1 10=0 1+1=0 （进位1） 11=1十六进制 0 5 C 3 H 3 D 2 5 H + 3 D 2 5 H - 0 5 C 3 H 4 2 E 8 H 3 7 6 2 H注意点： 对加法：1+1=0（有进位）

26、 对减法：0-1=1（有借位） 对二进制数，乘以2相当于左移一位； 除以2则相当于右移1位。例： 000010110100=00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余数=11B无符号数的表示范围： 0 X 2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生 溢出。例： 最高位向前有进位，产生溢出3. 逻辑运算 与 或 非 异或 逻辑运算（按位bit操作）“非”运算（NOT） A A 0 1 1 0“与”运算（AND） A B AB 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1“异或”

27、运算（XOR） A B AB 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0“或”运算（OR） A B AB 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1例例：X=00FFH Y=5555H，求Z=XY X= 0000 0000 1111 1111 B Y= 0101 0101 0101 0101 B Z= 0101 0101 1010 1010 B Z=55AAH（二）有符号数计算机中的符号数可表示为： 符号位+真值 机器数 “0” 表示正， “1” 表示负。例： +52 = +0110100 B= 0 0110100B 符号位 真值 -52 = -0110100B = 1 0110100

28、B 符号位 真值符号数的表示： 原码 反码 补码原码： 最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；其余为真值部分。 优点： 真值和其原码表示之间的对应关 系简单，容易理解； 缺点： 计算机中用原码进行加减运算比 较困难，0的表示不唯一。数0的原码 8位数0的原码：+0=0 0000000B -0=1 0000000B 即：数0的原码不唯一。反码对一个机器数X： 若X0 ，则 X反=X原 若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1例： X= 52= 0110100B X原=10110100B X反=11001011B X补= X反+1=11001100B0的补码： +0

29、补= +0原=00000000B -0补= -0反+1=11111111B+1 =1 00000000B 对8位字长，进位被舍掉特殊数10000000B 该数在原码中定义为： -0 在反码中定义为： -127 在补码中定义为： -128 对无符号数，（10000000）B=128符号数的表示范围：对8位二进制数： 原码： -127 +127 反码： -127 +127 补码： -128 +127问题：问题：已经X原，求X补？已经X补， X原？已经X补， X补？结论：1.原码、补码、反码的最高位都是符号位；2.正数的原码、补码、反码都相同；3.原码、补码、反码的表示范围不同；符号数的算术运算 通

30、过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。 即：X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X+(-Y)补 =X补+-Y补例：X=-0110100B，Y=+1110100B，求X+Y=？ X原=10110100B X补= X反+1=11001100B Y补= Y原=01110100B 所以： X+Y补= X补+ Y补 =11001100B+01110100B =01000000B X+Y=+1000000B符号数运算中的溢出问题 两个带符号二进制数相加或相减时，若最高位的进位位次高位的进位位1，则结果产生溢出。例： 若：X=01111000B， Y=01101001B 则：X+Y=即：次高位向最高位有进位，

31、而最高位向前无进即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无进 位，产生溢出。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 三、计算机中的编码 BCD码ASCII码BCD码码 压缩BCD码 用4位二进制码表示一位十进制数 扩展BCD码（非压缩BCD码） 用8位二进制码表示一位十进制数BCD码与二进制数之间的转换 先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。 例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） BBCD码运算码运算由于编码是将每个十进制数用

32、一组由于编码是将每个十进制数用一组4 4位二进制数来表示，因位二进制数来表示，因此，若将这种此，若将这种BCDBCD码直接交计算机去运算，由于计算机总是码直接交计算机去运算，由于计算机总是把数当作二进制数来运算，所以结果可能会出错。把数当作二进制数来运算，所以结果可能会出错。例：用例：用BCDBCD码求码求38+4938+49。0011 1000 380100 1001 49+1000 0001 87结果不正确结果不正确解决的办法解决的办法是对二进制加法运算的结果采用是对二进制加法运算的结果采用“加加6 6修正修正”, ,这这种修正称为种修正称为BCDBCD调整。即将二进制加法运算的结果修正为

33、调整。即将二进制加法运算的结果修正为BCDBCD码加法运算的结果码加法运算的结果, ,两个两位两个两位BCDBCD数相加时数相加时, ,对二进制加法运对二进制加法运算结果采用修正规则进行修正。算结果采用修正规则进行修正。修正规则修正规则： (1)(1)当任何两个对应位当任何两个对应位BCDBCD数相加的结果向高一位无进数相加的结果向高一位无进位时，若得到的结果小于或等于位时，若得到的结果小于或等于9,9,则该位不需修正；则该位不需修正；若得到的结果大于若得到的结果大于9 9且小于且小于1616时时, ,该位进行加该位进行加6 6修正。修正。(2)(2)当任何两个对应位当任何两个对应位BCDBCD数相加的结果向高一位有进数相加的结果向高一位有进位时位时( (即结果大于或等于即结果大于或等于16),16),该位进行加该位进行加6 6修正。修正。 (3)(3)低位