第一章 微型计算机系统概论.

1、第一章 微型计算机系统概论计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第一章1.1 绪论1.2 微型计算机的组成和结构1.3 微型计算机的工作原理（难点、重点）1.4 微型计算机内信息的表示（重点）主要内容掌握内容微型机的基本知识，计算机中数的表示和编码 1.1绪论 计算机的发展是以逻辑元件的发展来表征的。 微机的发展概述 发展阶段逻辑元件主存储器运算速度（每秒）软件应用第一代（1946-1958）电子管电子射线管几千次到几万次机器语言、汇编语言军事研究、科学计算第二代（1958-1964）晶体管磁芯几十万次监控程序、高级语言数据处理、事务处理第三代（1964-1971）中小规模集成电路半导体几十

2、万次到几百万次操作系统、编辑系统、应用程序有较大发展开始广泛应用第四代（1971-1981）大规模集成电路集成度更高的半导体上千万次到上亿次操作系统完善、数据库系统、高级语言发展、应用程序发展广泛应用到各个领域1.1绪论 世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造。电子管计算机（1946-1958）： 软件主要是二进制表示的机器语言机器语言，主要用于可学计算及军事方面。硬件方面，逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器；外存储器采用的是磁鼓。软件方面采用的是机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。特点是体积大、功耗高、可靠

3、性差。速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。 计算机的发展是以逻辑元件的发展来表征的。 微机的发展概述 1.1绪论 计算机的发展是以逻辑元件的发展来表征的。 微机的发展概述 晶体管计算机（1958-1964）： 软件出现了高级程序设计语言高级程序设计语言和编译系统编译系统，开始用于以管理为目的的信息处理。内存采用磁芯、外存采用磁盘，输入输出设备较大改进。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。 1.1绪论 计算机

4、的发展是以逻辑元件的发展来表征的。 微机的发展概述 中小规模集成电路计算机（1965-1971）： 软件有了很大发展，出现了操作操作系统系统，提出了结构化程序设计思想，出现了网络网络，应用朝着其它领域以及普及化发展。硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器采用半导体。特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。 1.1绪论 计算机的发展是以逻辑元件的发展来表征的。 微机的发展概述 超大规模集成电路计算机（1971-今）： 出现了微处理器微处理器

5、，从而推出了微型计算机。各种系统软件、应用软件大量推出，应用领域进一步扩大。硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。特点是1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。 微型计算机的发展趋势1.1绪论 1.2 微型计算机组成及结构一 微型计算机系统组成硬件微处理器微处理器 (CPU)软件外围设备运算器控制器存储器存储器 (内存)RAMROM外部设备辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、)

6、 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘) 输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、ADC、DAC) (I/O接口接口) 总线 (AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路二、冯、诺依曼计算机体系结构思想1）采用二进制数的形式表示指令和数据；2）将指令序列（程序）和数据预先存入计算机的存储器中，程序执 行时，能自动、连续第从存储器中逐一地去除指令并执行之。3）计算机由运算器、控制器、存储器、输入、输出设备五部分组成。1.2 微型计算机组成及结构 目前的各种微型计算机系统，无

7、论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机（PC机）系统，从来看，采用的基本上是计算机的经典结构三、微型计算机系统的三个层次运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微型计算机微型计算机系统 除算术逻辑部件和控制部件以外（CPU功能），还包含一组及等特殊的存储器。 微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等组成的计算机。 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。1.2 微型计算机组成及结构四

8、 微型计算机结构1.2 微型计算机组成及结构存存储储器器I/OI/O接接口口输输入入设设备备I/OI/O接接口口数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCB地址总线地址总线 ABAB输输出出设设备备CPUCPU各部件通过各部件通过总线总线连接连接 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 连接外部数据与CPU的桥梁，数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号1.3 微型计算机工作原理一 工作原理计算机工作过程执行程序过程执行指令序列过程指令：是规定计算机执行特定操作的命令,是计算机能够识别的一

9、组二进制编 码，由操作码和操作数组成，如MOV AL 2 CPU就是根据指令来指挥和控制计算机各部件协调地动作，以完成规定的操作。计算机全部指令的集合叫做计算机指令系统。 程序：是为解决某一问题而编写的指令序列。 CPU需要根据输入的指令来完成一定的任务，一般情况下，CPU能够自动完成一系列的操作，而且每一种操作对应一条或者几条指令，把这些所有指令组合起来就称之为程序。 为实现控制器自动连续地执行程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来；控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。取指令，

10、PC值加 1停机?译码并执行结束YN 1.3 微型计算机工作原理1.3 微型计算机工作原理二 微型计算机工作过程1、程序 指令序列；2、存储程序（指令序列） 存储器；3、CPU从存储器中读取指令代码，分析并执行。编程器（editor)编译器（complier）汇编器（assembler）链接器（linker） 高级语言编程 汇编语言 待装配的指令代码可执行代码可执行代码1.3 微型计算机工作原理例：计算1+2=?C程序：intA；A=1；A=A+2；注：注：A是变量是变量汇编语言：汇编语言：AEQU ALMOVA，1ADDA，2注：注：A是寄存器是寄存器指令代码/操作数101100000000

11、0100存存储储器器1.3 微型计算机工作原理00020001000000010000CBDB101100001011000010110000101100000000000100000001ABMOVA，1第一步：取指阶段第二步：分析执行阶段ADDA，2一、取址阶段：1）通过地址译码器获 得指令ADD的地址；2）指令ADD的内容送IR；二、分析执行阶段：1）内存M（2）读入ACC；2）ALU:执行ADD;3）ALU结果送A;程序执行过程总结：1)将程序计数器PC中存放的指令地址送到存储器（M）：IPM；2)指令指针IP自动加1，指向下一个指令：IP+1IP；3)存储器对地址译码，找到相应的地址

12、单元，将其内容送入指令寄存器（IR）：MIR。 指令寄存器将内容送到指令译码器（ID），ID对指令译码后，由控制器产生一系列控制信号：1)操作数送存储器：addrM;2)读存储器，将指定单元的内容送到累加器（ACC）:MACC不管是取指阶段还是分析执行阶段，每一项操作如地址传送、存储器读写、数据传送等，都是在控制器发出的控制信号下按照严格的时间顺序逐步进行的。由于程序计数器在取址或分析执行阶段后都要加1操作，指向下一条指令，因此，下面的指令执行过程就周而复反的重复上述的取指、执行阶段。一 微型计算机的指标 位（bit）是计算机所能表示的最小的数据单位，可缩写成b 字节（byte）由8个位二进制

13、位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节可记作B。1K=1024b=210b1M=1024Kb=220b1G=1024Mb=230b1.4 微型计算机信息表示 字长是微处理器与存储器、I/O接口间一次传送二进制数据的位数（总线宽度）。 微处理器的字长有1位、 4位、8位、16位和32位半 字 节字 节字双 字03034707078F8F1 017181 F 1.4 微型计算机信息表示（CPU的主频，MHZ） MIPS： Millions of Instruction Per Second（百万条指令/秒） 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS， 主频为400MHz的Pentiu

14、m II的性能为832MIPS 主存储器所能存储信息（二进制信息）的总量，一般以字节（B）为单位。 指挥计算机进行基本操作的命令，是计算机能够识别的一组二进制编码，由操作码和操作数组成，如MOV AL 21.4 微型计算机信息表示二、进位计数制及其相互转换1、常用数制十进制(D) 符合人们的习惯二进制(B) 便于物理实现十六进制(H) 便于识别、书写八进制(O)以小数点为起点求得整数和小数的各个位。2、数制间的转换1、任意进制转换为十进制：按权展开求和2、十进制整数同任意进制整数间的转换：除基取余 十进制小数到任意进制小数的转换：乘基取整3、十六进制同二进制间的转换1）任意进制转换为十进制1）

15、具有R个不同的数字符号：0、1、2、R-12) 逢R进一。 R称为基数，任何一个R进制数S都可以用若干个数字符号组合表示。其中n为小数点前面的位数，m为小数点后面的位数。 R进制数S可以用多项式按权展开式表示（位置表示法）：mnnaaaaaaaS210121mmnnnnRaRaRaRaRaRaS1100112211例题1：十进制数表示 2101210105107108105107)75.758(例题2：二进制数表示 102101232)5 .11(202121212021)10.1011(49.58)10 = ( ？ )2 2 2 4949 2 2 24 -24 - 1 1 2 2 12 -

16、12 - 0 0 2 2 6 - 6 - 0 0 2 2 3 - 3 - 0 0 2 2 1 - 1 - 1 1 0 - 0 - 1 1 0.580.58 2 21 1 .16 .16 2 20 0 .32 .32 2 20 0 .64 .64 整数除以整数除以2 2倒取余数倒取余数 小数乘以正取整数小数乘以正取整数110001. 100 2）十进制与二进制间的转换（除基取余/乘积取整)高位低位高位低位 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： 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C10110001001.110 = (589.C)H用1位十六进制

17、数表示4位二进制数。例 1 A E . 4 0001 1010 1110 0100（1AE.41AE.4）1616=(000110101110.0100)=(000110101110.0100)2 2十六进制二进制123456789ABCDEF000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111三、带符号位的表示1.4 微型计算机信息表示 一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为0 X 2n-1。 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。 11111111 + 0000000

18、1 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）1.4 微型计算机信息表示计算机中有符号数的表示：把二进制数的最高位定义为符号位 符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。 +52 = +0110100 = 0 0110100 （机器数） 真值 符号位数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100 计算机中只有机器数，没有真值1.4 微型计算机信息表示1）原码正数的原码：符号位为0，数值位等于真值。负数的原码：符号位为1，数值位等于真

19、值绝对值。真值真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000原码原码X原原=00010010=10010010=00000000=10000000符号符号符号位符号位X原原X原原X原原1.4 微型计算机信息表示2）反码正数的反码：符号位为0，数值位等于真值。负数的反码：等于该数的原码除符号位外，按位取反。真值真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000反码反码X反反=00010010=11101101=00000000=11111111符号符号符号位符号

20、位X反反X反反X反反 在数的原码和反码表示法中，数的符号是不能参加运算的，因此不便于计算机运算。 数的补码表示法解决这一问题，使参加运算数的符号与数一样可以参加运算。1.4 微型计算机信息表示3）补码正数的补码：与原码相同，数值位等于真值。负数的补码：等于该数的原码除符号位外，按位取反加1。真值真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000补码补码X补补=00010010=11101110=00000000=00000000符号符号符号位符号位X补补X补补X补补n位补码表示数值的范围是对应补码：1000 0111。()112

21、21nn +0补= +0原=00000000-0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉+0补= -0补= 00000000？1.4 微型计算机信息表示通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下： X+Y补=X补+ Y补 X-Y补=X补+ -Y补 其中X，Y为正负数均可。X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y补X原=10110100X补= X反+1=11001100Y补= Y原=01110100所以： X+Y补= X补+ Y补 =11001100+01110100 =010000001.4 微型计算机信

22、息表示l在加法过程中，符号位向更高位产生进位；l在减法过程中，符号位向更高位产生借位。 运算结果超出运算器所能表示的范围。 对于字长n的补码表示的带符号位，最高位为符号位，其余的n-1位表示数值，范围为 ，如果超过这个范围，出现补码溢出。12211nn判断溢出方法：同号相减或异号相加不会溢出。同号相加或异号相减可能溢出：可能溢出的两种情况：(1) 同号相加时，结果符号与加数符号相反溢出； (2) 异号相减时，结果符号与减数符号相同溢出。 +60补=00111100+ +100补=01100100 101000001.4 微型计算机信息表示 1 0 1 1 0 1 0 1 + + 1 0 0 0

23、 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0CASE1: 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1CASE3:第6位进位0第7位进位1C7C61结果溢出第7位进位1第6位进位1C7C60结果不溢出方法：两个带符号的二进制数相加或相减时，若C7C61，则结果产生溢出。其中C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位。其中某一个有进（借）位1.4 微型计算机信息表示1）十进制的表示BCD码 二进制编码的十进制数表示。四、二进制编码方法注意：BCD码不能与二进制码直接转换，需要用十进制码作为中间桥梁。组合的BCD码：4位二进制表示一位十进制数；128.25D=(0001 0010 1000.0010 0101)BCD (0110 0010 1000.1001 0101)BCD=628.95D非组合的BCD码：8位二进制表示一位十进制数；128.25D=(00000001 00000010 00001000.0000001 00000101)BCD1.4 微型计算机信息表示2）