微机原理-ch01英文

Chapter1

IntroductiontotheMicroprocessorandComputerInstructor：Dr.ShenRunjie

电信楼644室DescriptionThiscoursecoversIntel80x86assemblylanguageArchitectureoftheIntelmicroprocessorsHardwareconfigurationandcontrolofCommonmicroprocessorsupportedchips,i.e.Interruptcontroller,popularIOdevicesInterfacingdesignforrealsystem2023/1/18第2页Outline AhistoricalbackgroundThenumbersystemsComputerdataformatsThemicroprocessorbasedPCsystem2023/1/18第3页MicroComputer纵观计算机技术50多年的发展历程，由于电子元器件的飞速发展，计算机性能得到了极大提高，其体积大大缩小，应用越来越普及。20世纪70年代末期8位机开始走向16位机。20世纪80年代，微机进入32位机的发展阶段。微机这一高科技领域的产品已触及到社会的各个角落。20世纪90年代，微机进入64位机的发展阶段21世纪初，逐步迈进64位计算时代Intel的发展历史见证了微处理器的发展历史。2023/1/18第4页1.1微型计算机发展表1.1 计算机发展的四个阶段起止年代主要元件主要元件图例速度（次/秒）特点与应用领域第一代40年代末至50年代末电子管5000～10000体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小。应用领域：科学计算。第二代50年代末至60年代末晶体管几万～几十万体积减小，耗电较少，运算速度较高，价格下降。应用领域：科学计算、数据处理和事务管理、工业控制。1.1微型计算机发展表1.1 计算机发展的四个阶段第三代60年代中期开始中、小规模集成电路几十万～几百万体积、功耗进一步减少，可靠性及速度进一步提高。应用领域：文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面。第四代70年代初开始大规模和超大规模集成电路几千万～千百亿性能大幅度提高，价格大幅度下降。应用领域：办公自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等各行各业。Background–theMechanicalAgeAbacusMechanicalcaculatortheearliestcomputingmachineChineseBabylonian2023/1/18第7页Background–theMechanicalAgePascalarithmeticmachineGears(10teeth)andwheels10teethpergearforonecompleterevolutionThePASCALlanguage2023/1/18第8页Background–theMechanicalAgeCalculatorComputerNotforcalculatingonlyComputenumericalfactswithaprogram!!!!!1937,BabbageAnalyticalEngineMechanicalcomputer100020-digitaldecimalnumberAvariableprogramforvarioustasksPunchedcardsinputmode,ideafromJacquard2023/1/18第9页Background–theElectricalAgeTheautomationageComputingwithmotor-drivenmechanicalmachine1889,HermanHollerithPunchedcardsstorageFormedtheTabulatingMachineCompanyIBMFirstelectroniccalculatingmachineZ1,1941,KonradZuseZ3Relaylogicmachine5.33Hz2023/1/18第10页Background–theElectricalAgeThefirstelectroniccomputer1943,AlanTuringCodebreakerNotprogrammableSpecial-purposecomputer2023/1/18第11页Background–theElectricalAgeThefirstgeneralpurpose,programmableelectroniccomputersystemMooreSchool，Univ.ofPennsylvania1946,ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator)17000vacuumtubes500milesofwires30tons24m*6m*2.5m100000operationspersecondProgrammable2023/1/18第12页IntegratedCircuits(IC)ThefirstTransistor1948,JohnBardeen,WalterBrattain,WilliamSchockleyThefirstIC1958,JackKilby2023/1/18第13页Background–theMicroprocessorAgeIntel4004(1970)4-bitmicroprocessor.4KBmainmemory.45instructions.P-ChannelMOStechnology.50KIPS(kilo-Instructionspersecond)740KHzComparedtoENIAC100KIPS30tonsF14CADC(1970)ALU9.15KHz(F14熊猫战斗机主控芯片)Militarysecrets,opentopublicin19982023/1/18第14页Background–theMicroprocessorAgeIntel8008(1971)8-bitversionof4004.16KBmainmemory.48instructions.NMOS6microntechnology.4500transistors2023/1/18第15页Background–theMicroprocessorAgeIntel8080(1973)8-bitmicroprocessor.64KBmainmemory.4.77MHz0.5MIPS(MillionInstructionspersecond).10Xfasterthan8008MITSAltair8002023/1/18第16页AndyGrove,RobertNoyceandGordonMooreBackground–theMicroprocessorAgeIntel8085(1977)8-bitmicroprocessor-upgradedversionofthe8080.64KBmainmemory.1.3microsecondsclockcycletime

769,230instructions/sec.246instructions.Intelsoldover100millioncopiesofthis8-bitmicroprocessor.2023/1/18第17页Background–theMicroprocessorAgeIntel8086/8088Modernmicroprocessor.16-bitmicroprocessor.1MBmainmemory.2.5MIPS.4-or6-byteinstructioncache.IBMPCSoftwaredevelopmentSpreadsheet,wordprocess,spelling2023/1/18第18页Background–theMicroprocessorAgeIntel80286(1983)16-bitarchitecturemicroprocessorIdenticaltothe8086.16MBmainmemory. 4.0MIPS(250ns/8MHz). Intel80386(1986)32-bitmicroprocessor.4GBmainmemory.12-33MHz.Memorymanagement.2023/1/18第19页Background–theMicroprocessorAgeIntel80486(1989)32-bitmicroprocessor,32-bitdatabusand32-bitaddressbus.4GBmainmemory.20-50MHz.Laterat66and100MHzIncorporatedan80386-likemicroprocessor,80387-likefloatingpointcoprocessorandan8Kbytecacheononepackage.Abouthalfoftheinstructionsexecutedin1clockinsteadof2onthe386.2023/1/18第20页Background–theMicroprocessorAgeIntelPentium(1993)32-bitmicroprocessor,64-bitdatabusand32-bitaddressbus.4GBmainmemory.60,66,90MHz.1-and-1/2100MHzversion.Doubleclocked120and133MHzversions.Fastestversionisthe233MHz(3-and-1/2clockedversion).16KBL1cache(splitinstruction/data:8KBeach).Memorytransfersat66MHz(insteadof33MHz).Dualintegerprocessors.2023/1/18第21页Background–theMicroprocessorAgeIntelPentiumPro(1995)32-bitmicroprocessor,64-bitdatabusand36-bitaddressbus.64GBmainmemory.Startsat150MHz.16KBL1cache(splitinstruction/data:8KBeach).256KBL2cache.Memorytransfersat66MHz.3integerprocessors.2023/1/18第22页Background–theMicroprocessorAgeIntelPentiumII(1997)32-bitmicroprocessor,64-bitdatabusand36-bitaddressbus.64GBmainmemory.Startsat266MHz.32KBsplitinstruction/dataL1caches(16KBeach).Moduleintegrated512KBL2cache(133MHz).Memorytransfersat66MHzto100MHz(1998).2023/1/18第23页Background–theMicroprocessorAgeIntelPentiumIII(1999)32-bitmicroprocessor,64-bitdatabusand36-bitaddressbus.64GBmainmemory.800MHzandabove.32KBsplitinstruction/dataL1caches(16KBeach).On-chip256KBL2cache(at-speed).Memorytransfers100MHzto133MHz.DualIndependentBus(simultaneousL2andsystemmemoryaccess).2023/1/18第24页Background–theMicroprocessorAgeIntelPentiumIV(2002)1.4to1.9GHzandthelatestat3.20GHzand3.46GHz(Hyper-Threading)!1MB/512KB/256KBL2cache.800MHz(about6.4GB/s)/533MHz(4.3GB/s)/400MHz(3.2GB/s)systembus.1066MHzfrontsidebus.Specializedforstreamingvideo,gameandDVDapplications(144newSIMD128-bitinstructions).0.13um,morethan55milliontransistors,.Neweronesarein90nmtransistors,>125millionpossibleThefuture2023/1/18第25页GenerationofComputerVacuumtube-1946-1957Transistor-1958-1964Smallscaleintegration-1965Upto100devicesonachipMediumscaleintegration-to1971100-3,000devicesonachipLargescaleintegration-1971-19773,000-100,000devicesonachipVerylargescaleintegration-1978todate100,000-100,000,000devicesonachipUltralargescaleintegrationOver100,000,000devicesonachip2023/1/18第26页代发表年份字长(bits)型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP5.25-.13.18-.135504507508501000133-200166-233233-450450-12001300-2400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20条指令/时钟周期)>30002023/1/18第27页Moore’sLawthecapacityofchipsdoublesevery18monthswithassociatedimprovementsinperformance1965,GordonMooreMoore’sLawhasremainedvalidfor4decades1971:4004 2,250transistors 1972:8008 2,500transistors 1974:8080 5,000transistors 1978:8086 29,000transistors 1982:80286 120,000transistors 1985:80386 275,000transistors 1989:80486DX 1,180,000transistors 1993:Pentium 3,100,000transistors 1997:PentiumII 7,500,000transistors 1999:PentiumIII 24,000,000transistors 2000:Pentium4 42,000,000transistors Moore’sLawisNOTgoingtoendinthenearfuture2023/1/18第28页2023/1/18第29页Background–ProgrammingProgrammingmachineprogramminglanguageAdvancementsProgrambyrewiringthecircuitsMachinelanguageBinarycodes(二进制代码),0/1vonNeumanmachine-asystemthatacceptedinstructionsandstoredtheminmemory.AssemblylanguageMnemoniccodes(助记符)01000111ADDAdvancedlanguageFLOWMATIC,Fortran,ALGOL,COBOLBasic,PascalteachinglanguageC/C++mostlyusingforlow-levelorhardwarerelatedprogrammingJavamaininnetworkprogramming2023/1/18第30页NumberSystems计算机化的信息计算机是基于电磁学原理来进行工作的计算机化的信息通常采用一定电压的信号来处理的12V电压用于硬盘驱动器5/3V电压用于总线接口或外部通信接口1.5/1.3V电压用于CPU等计算机通常采用电压的开关来表示和处理信息的电压开（VoltageOn,PowerOn）为1电压关（VoltageOff,PowerOff）为0采用上述两种工作状态时，电子设备的性价比最高，即价格最便宜、性能最稳定可靠NumberSystems二进制电路所有现代计算机都是基于二进制信息处理过程二进制由两个数组成10

Closed

circuit

Open

circuit

NumberSystems字节与位字长位字节：8位字：2字节，16位双字：4字节，32位数量级μ：10-6m：10-3K：103M：106G：109T：1012NumberSystemsNumberSystems数的表示从数字到数：数的进位计数制表示10进制表示、16进制表示、2进制表示、12进制表示等等数的不同进制表示之间的相互转化数在计算机内部的表示真值和机器数二进制数的计算机表示：原码、反码和补码基于机器数的运算（算术运算和逻辑运算）其它表示：BCD码2023/1/18第35页NumberSystems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2023/1/18第36页其中：Si

--

S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个；n,m--

含义同前；K

--

基数(radix或numberbase)；Ki

--K进制数的权(weight)NumberSystems计算机的数制十进制数二进制数2023/1/18TongjiUniversityPage38ScaleNumberExamples进位计数制表示实例后缀：B,

O,H,DExample1:6进制表示下的25.2Power 6^1 6^06^-1Weight 6 1.167Number 2 5.2NumericValue 12+5.+.333=17.333Example2:2进制表示下的110.101Power 2^22^12^02^-12^-22^-3Weight 425Number 110.101NumericValue4+2+0+0.5+0+0.125=6.6252023/1/18TongjiUniversityPage39ConversionBetweenDifferentScaleNumbers非十进制数到十进制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。(整数和小数均遵循该原则)

例：10110010B

=(?)1013FAH

=(?)10NumberSystems计算机的数制二进制数十进制数NumberSystems二进制数2023/1/18TongjiUniversityPage42ConversionBetweenDifferentScaleNumbers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。NumberSystems计算机的数制十进制数二进制数（不带小数和带小数）NumberSystems计算机的数制二进制数958710=100101011100112八进制数958710=|010|010|101|110|0112958710=(2|2|5|6|3)958710=225638NumberSystems计算机的数制BCH(Binary-CodedHexadecimal)二进制数958710=100101011100112十六进制数958710=|0010|0101|0111|00112958710=277316NumberSystems二进制十六进制NumberSystems十六进制数2023/1/18TongjiUniversityPage48NumbersinComputer基本概念：机器数及其真值在计算机中，一个数连同它的符号都用二进制的编码形式来表示，这种数称为机器数。(MachineNumber)一个机器数对应的十进制数值称为这个机器数的真值

(TrueValue)基本概念：二进制数在计算机内的表示：原码、反码和补码2023/1/18TongjiUniversityPage49BinaryNumberOperations无符号数算术运算

有符号数逻辑运算注意它们之间的区别NumberSystems无符号数的表示范围

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。溢出的判断判别方法：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出机器数具有固定的位数一个8位机器数只能表示从(0)000000002到(255)111111112之间的数。如果在计算的过程中，如果结果超过255，这该计算机不能表示该数，产生“溢出”。2023/1/18TongjiUniversityPage51UnsignedNumberOperations思考：X位无符号二进制数可表示的真值的范围是多少？ X=1时 X=2时 X=4时 X=8时 X=16时 X=32时 X=64时2023/1/18TongjiUniversityPage52SignedNumberOperations有符号数在计算机中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。

2023/1/18TongjiUniversityPage53SignedNumberOperationsExample:真值和机器数+52==00110100

符号位数值位

-52=-0110100=10110100

真值机器数NumberSystems机器数的表示法机器数的正负数表示采用机器数的最高位来表示。0表示该数是正数1表示该数是负数，通常采用补码表示01111111 12700010001 1700000001 100000000 011111111 -111110100 -1210000001 -12710000000 -1282023/1/18TongjiUniversityPage55SignedNumberOperations有符号数在计算机中的表示 对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。

注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。2023/1/18TongjiUniversityPage56原码[X]原定义 符号位：0表示正，1表示负；数值位：真值的绝对值。2023/1/18TongjiUniversityPage57原码的例子真值X=+18=X=-18=-0010010原码[X]原=00010010[X]原=10010010符号符号位n位原码表示数值的范围是 -(2n-1-1)~+(2n-1-1)对应的原码是1111～0111。2023/1/18TongjiUniversityPage58数0的原码8位数0的原码：+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。2023/1/18TongjiUniversityPage59反码[X]反定义

若X>0，则[X]反=[X]原

若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反2023/1/18TongjiUniversityPage60[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=110010112023/1/18TongjiUniversityPage61反码的例子真值X=+18=X=-18=-0010010反码[X]反=00010010[X]反=11101101符号符号位n位反码表示数值的范围是-(2n-1-1)~+(2n-1-1)对应的反码是1000～0111。2023/1/18TongjiUniversityPage620的反码：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。2023/1/18TongjiUniversityPage63补码定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+12023/1/18TongjiUniversityPage64[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100n位补码表示数值的范围是-2n-1~+(2n-1-1)对应的补码是1000～0111。2023/1/18TongjiUniversityPage650的补码：[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

对8位字长，进位被舍掉∴[+0]补=[-0]补=000000002023/1/18TongjiUniversityPage66特殊数10000000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)２=1282023/1/18TongjiUniversityPage67SignedNumberOperations8位二进制有符号数的表示范围(表示范围问题)：原码：-127~+127反码：-127~+127补码：-128~+127思考：16位有符号数的表示范围是多少？SignedNumberOperations机器数的表示法补码计算方法，以计算-12为例方法1计算+12的编码，有000011002反转所有位，有111100112加1，有111101002故有-1210=111101002方法2写出+12的编码，有000011002从后往前，依次写0，直到找到第一个不为0的位，在该位对应位置写1再往前，依次写入相反的位即可故同样有-1210=1111010022023/1/18TongjiUniversityPage69SignedNumberOperations有符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数：1）求出真值2）进行转换思考：如何计算一个十进制数(包含整数和小数部分)的二进制补码表示？2023/1/18TongjiUniversityPage70SignedNumberOperationsExample：将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。1)[X]补=00101110B真值为：B正数所以：X=+462)[X]补=11010010B负数X=[[X]补]补=[11010010]补=-0101110B所以：X=-462023/1/18TongjiUniversityPage71SignedNumberOperations补码加减法的运算规则

通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则：[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补-[Y]补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算，不需要特别单独处理。2023/1/18TongjiUniversityPage72SignedNumberOperations补码的运算原理模（module）就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以进位计数制基数为底，以位数为指数的幂。凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动丢弃。因此，当器件为n位时，有

X=2n+X(mod2n)不难验证，

[X]补=2n+X(mod2n)因此，

[XY]补=2n+(XY)(mod2n)

=(2n+X)+(2n+X)(mod2n) =[X]补+[Y]补2023/1/18TongjiUniversityPage73SignedNumberOperationsExample:基于补码表示的计算 X=-0110100，Y=，求[X+Y]补 [X]原=10110100 [X]补=[X]反+1=11001100 [Y]补=[Y]原=01110100 所以：[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11001100=010000002023/1/18TongjiUniversityPage74SignedNumberOperations符号数运算中的溢出问题进(借)位在加法过程中，符号位向更高位产生进位；在减法过程中，符号位向更高位产生借位。溢出运算结果超出运算器所能表示的范围。2023/1/18TongjiUniversityPage75SignedNumberOperations溢出的判断方法方法１：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：两种情况： 同号相加时，结果符号与加数符号相反——溢出；异号相减时，结果符号与减数符号相同——溢出。方法２：两个带符号二进制数相加或相减时，若

C7C6＝1，则结果产生溢出。C7为最高位的进(借)位；C６为次高位的进(借)位。2023/1/18TongjiUniversityPage76SignedNumberOperations有符号数运算，有溢出表示结果是错误的无符号数运算，有进位表示结果是错误的

10110101

+10001111

101000100

01000010

+0110001110100101

01000010

+11001101

100001111CASE1:CASE2:CASE3:基础知识小数表示定点表示法将小数点约定在机器数的某一固定位置上，如将小数点约定在符号位和数值的最高位之间，这可以表示有符号纯小数X=010100002=0.62510将小数点约定在最低位之后，则表示整数。X=010100002=4810NumberSystems小数表示浮点表示法小数点位置不固定通常一个既有整数部分，又有小数部分的十进制小数D可以表示为

D=R×10NR为纯小数，其小数点后的第一位数字为非零数字，N为指数，是一个整数如123.456可以表示为0.123456×1030.00123456可以表示为0.123456×10-2NumberSystems小数表示浮点表示法同样，对于既有整数部分，又有小数部分的二进制小数D，也可以表示为

D=R×2NR为二进制定点小数，称为D的尾数。其小数点后的第一位数字为非零数字，N为二进制定点整数，称为D的阶码。如101(+5.0)可以表示为1.01×22=1.01×210-0.0001101(-0.1015625)可以表示为-1.101×2-4=-1.101×211111100目前多采用IEEE754浮点数标准对于单精度型，由符号位(1位)、阶码位(8位+127)和尾数位(23位)三部分组成故有101=01000000101000000000000000000000=40A00000-0.0001101=10111101110100000000000000000000=BDD00000符号位(1位)阶码(8位)尾数(23位)BasicMemoryArchitecture内存中的字节BasicMemoryArchitectureDataStorageByte--Example1-20,24Word--Example1-26,27DoubleWord--Example1-28,29RealNumber--Example1-28,29String--Example1-302023/1/18第81页ComputerDataFormats计算机数据格式ASCII字符编码-p34ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美国标准信息交换码128字符。从00000002到01111112.采用扩展编码(extendedASCII)时，可以充分利用256个字符。从000000002到111111112ComputerDataFormats字符编码信息“Hello.”的编码ComputerDataFormats字符编码GB2312-80编码《信息交换用汉字编码字符集》全部国标汉字和符号组成94×94的矩阵每一行称为一个“区”，有94个区每一列称为一个“位”，有94个位这样由一个区位码(区码在前，位码在后)可以唯一确定一个字符区域划分1-15区为图形符号区16-55区为一级常用汉字区，汉字啊的编码为16011656-87区为二级常用汉字区88-94区为用户自定义汉字区ComputerDataFormats字符编码GB2312-80编码作为直接编码会导致与ASCII编码冲突在区码和位码上均增加A016,即10100000这样汉字“啊”的编码为B0A116。ComputerDataFormats字符编码GB2312-80编码ComputerDataFormats字符编码GB2312-80编码ComputerDataFormats图像编码1representsblack.0representswhite=000111110000010100000110100110110001010000101001010100100010001001001101010010010010101100001010010001000100100101000001010100001110100001000000001101100101101000001010000010000100101100001001001001000010010000101000100101010110101000000000000010000010101000000001000101000010010000001100100101011001001000ComputerDataFormats4levelgray-scaleMeans4shadesareused.Eachpixelneeds2bits:00-representswhite01-representslightgray10-representsdarkgray11-representsblackComputerDataFormats256levelgray-scale

means8bitsperpixelareneededfor256shadesofgrayComputerDataFormatsWecouldalsouse8bits(knownasabyte)torepresentthecolourofapixel.Abytecanrepresent256differentnumbers,sowecanhave256differentcoloursintheimageComputerDataFormatsMoreBytes？

3BytesRedGreenBlueColourofpixel高级话题8位数16位数/32位数无符号数有符号数十进制数的表示——BCD码用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：压缩BCD码和非压缩BCD码。压缩BCD码的每一位用4位二进制表示，0000~1001表示0~9，一个字节表示两位十进制数。非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的0000~1001表示0~9。2023/1/18第93页ArchitectureThememoryandIOSystem2023/1/18第94页MicroprocessorMemoryI/OSystemBUSBUSDynamicRAM(DRAM)StaticRAM(SRAM)CacheReadonly(ROM)FlashmemoryEEPROMSDRAMRAMBUSD