微机系统组成及工作原理

计算机组成技术哈工大计算机学院硬件基础教研室徐冰2023/2/51第一章微机系统组成及工作原理讲述范围

讲解单台计算机的完整

硬件系统的基本组成原理与内部运行机制单台：非多机系统，非多处理机结构完整：计算机整机，全部的硬件功能部件基本：不一定是最高性能，最合理的组成,而是最基础的必要的组成部分2023/2/52第一章微机系统组成及工作原理教学内容组织以计算机硬件知识为主：按照CPU(中央处理器)→MM(主存)→I/O(外设)的顺序，从内核向外围过渡讲述。2023/2/53第一章微机系统组成及工作原理教学环节与成绩评定1.课堂讲授：40学时，考试成绩占

70分。2.教学实验：12学时，实验成绩占

20分。3.课外作业： 作业成绩占10分。2023/2/54第一章微机系统组成及工作原理课程特点

•知识单元和知识点多，而学时数相对少

•理论性系统性和工程性实践性都很强

•数学推导、证明少，逻辑推理、判断多

（所以既好学，又难学）

2023/2/55第一章微机系统组成及工作原理（2）理论与实践紧密结合，重视上机实验（3）适当淡化内部结构原理，而强化外部接口应用（内外分界是各级总线）（4）适应课件教学（课前预习－课堂会神－课后复习－阶段小结）（1）注意抓重点：基本概念的熟悉；基本原理的理解；基本方法技能的掌握。学习方法2023/2/56第一章微机系统组成及工作原理计算机硬件技术基础第一章微型计算机系统组成及工作原理第二章微处理器和指令系统第三章汇编语言程序设计基础第四章存储器第五章I/O接口第六章总线与总线标准第七章中断与中断控制-----微机原理部分2023/2/57第一章微机系统组成及工作原理第一章微型计算机系统概论1.1微型计算机系统的概述1.2微型计算机系统的硬件结构1.3微型计算机的运算基础1.4微型计算机的基本工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术1.6典型的微型计算机系统2023/2/58第一章微机系统组成及工作原理计算机发展的历史1946年ENIAC的诞生标志着人类进入了一个新的时代...2023/2/59第一章微机系统组成及工作原理1.先驱的探索—机械式计算机

第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡（B.Pascal）发明的机械计算机。

帕斯卡加法器2023/2/510第一章微机系统组成及工作原理1.先驱的探索—机械式计算机1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹乘法器2023/2/511第一章微机系统组成及工作原理1.先驱的探索—机械式计算机1822年巴贝奇花了近10年时间，构想、研制成功了第一台差分机。英国著名诗人拜仑的女儿爱达·拉夫拉夫斯基伯爵夫人被誉为世界第一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言Ada紧紧地联系在一起。巴贝奇的差分机与分析机

2023/2/512第一章微机系统组成及工作原理2.从机械到电的飞跃美国人赫尔曼·霍勒瑞斯，根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，就是395,781/395,782/395,783号专利“穿孔卡片制表系统”，并带入商业领域建立公司。赫尔曼·霍勒瑞斯公司名称为“计算-制表-记录公司”，即原“数据处理”公司这就是IBM的前身。赫尔曼·霍勒斯制表机ThomasWatson接手CTR公司，并将其改造为IBM2023/2/513第一章微机系统组成及工作原理2.从机械到电的飞跃1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。

德弗雷斯特因发明三极管而被称为“无线电之父”。二极管、三极管的发明2023/2/514第一章微机系统组成及工作原理3.技术的飞跃早在1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作《逻辑的数学分析》和《思维规律的研究》，创立了逻辑代数。逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。1939年，阿塔纳索夫提出计算机三原则；采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。1936年，24岁的英国数学家图灵发表著名论文《论可计算数及其在密码问题的应用》，提出了“理想计算机”，后人称之为“图灵机”。图灵通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图灵机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。图灵发表于1940年的另一篇著名论文《计算机能思考吗？》，对计算机的人工智能进行了探索，并设计了著名的“图灵测验”。1940年，美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则：数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。1944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。1938年，信息论的创始人、美国科学家仙农发表论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。2023/2/515第一章微机系统组成及工作原理计算机的数学模型--图灵机图灵机（英语：TuringMachine，又称确定型图灵机）是英国数学家阿兰·图灵于1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。2023/2/516第一章微机系统组成及工作原理图灵机的艺术表示2023/2/517第一章微机系统组成及工作原理TuringMachine图灵机解决了一个长期困扰我们的问题什么是计算?图灵机为实现自动计算提供了一个可以实施的数学模型.物理上如何实现该模型?冯.诺依曼为我们提供了另一个模型.2023/2/518第一章微机系统组成及工作原理第一台电子计算机的诞生1943年在美国费城的穆尔工程学院，约翰.莫奇莱、普里斯泊.艾克特提出了建造ENIAC的计划，并邀请了很多的数学家参加其中包括著名的数学家约翰.冯诺依曼(Von.Neumann)2023/2/519第一章微机系统组成及工作原理第一台电子计算机的诞生1946年初在Von.Neumann等人的努力下ENIAC研制成功。ENIAC由20,000个开关元件、重30吨、耗电150千瓦。首次应用即参与了在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行的原子弹爆炸试验的计算。2023/2/520第一章微机系统组成及工作原理电子管计算机的问题ENIAC的研制成功，奠定了一个新的时代。但是，电子管遇到了巨大的障碍：体积庞大，无法缩小。会发出很多的热量，管间间距需要很大。到了20世纪60年代，晶体管的问世促进了计算机革命性的进步。2023/2/521第一章微机系统组成及工作原理晶体管的发明人约翰.巴丁、沃尔特.布拉顿和威廉.肖克利三人因在晶体管技术上的革命性突破,被共同授予1965年的诺贝尔物理奖。右图是他们中的代表威廉.肖克利,以它的名字命名的“肖克利半导体公司”是当时最了不起的公司2023/2/522第一章微机系统组成及工作原理硅谷(siliconvalley)肖克利半导体公司衍生出仙童半导体公司,而仙童半导体公司又衍生出许多公司,包括Motorola、德州仪器公司、RCA等公司，这些公司与很多半导体公司都位于圣克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围内，而此时所有的半导体几乎都是用硅制造的，所以这个地区被人们称为“硅谷”(siliconvalley)2023/2/523第一章微机系统组成及工作原理计算机发展历史从晶体管技术的出现到现在，计算机走过了四个时代：电子管时代晶体管时代中小规模集成电路（IntegrateCircus）时代超大规模集成电路（IntegrateCircus）时代2023/2/524第一章微机系统组成及工作原理各时期计算机的比较（1）时期元器件代表机器第一代电子管第一台计算机ENIAC第一台通用电子计算机EDVAC第二代晶体管IBM公司生产的IBM-7904CDC公司生产的CDC1604第三代集成电路DEC公司研制成功的PDP-8，PDP-11，VAX-11第四代大规模集成电路Cray公司1976年推出的Cray-12023/2/525第一章微机系统组成及工作原理各时期计算机的比较（2）时期体积重量成本耗电可靠性运算速度第一代大重高高低5000次/秒第二代几万次-几十万次/秒第三代几百万-几千万次/秒第四代小轻低低高几亿次/秒2023/2/526第一章微机系统组成及工作原理微型电子计算机的发展第一代（1971-1972）4位的微处理器和微型电子计算机Intel40042300个晶体管2023/2/527第一章微机系统组成及工作原理第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机Intel80083300个晶体管Intel80804900个晶体管M68006800个晶体管Z8010000个晶体管2023/2/528第一章微机系统组成及工作原理第三代（1978-1983）16位的微处理器和微型电子计算机Intel808629000个晶体管M6800068000个晶体管Z800037500个晶体管2023/2/529第一章微机系统组成及工作原理第四代（1984-1993）32位的微处理器和微型电子计算机代表机型：Intel80286Intel80386Intel80486MC680202023/2/530第一章微机系统组成及工作原理第五代微处理器：1993年，Intel公司推出了微处理器Pentium（中文译名为奔腾）。1996年Intel公司将其微处理器正式命名为PentiumPro（奔腾），PentiumPro最合适的位置是作为高性能服务器和工作站

2000年11月，Intel推出了微处理器：奔腾4（Pentium4，或简称奔4或P4），这一新的架构称做NetBurst。第六代微处理器酷睿（core）系列微处理器时代早期的酷睿是基于笔记本处理器的2010年6月，Intel再次发布革命性的处理器——第二代Corei3/i5/i7在2012年4月24日下午北京天文馆，intel正式发布了ivybridge（IVB）处理器2023/2/531第一章微机系统组成及工作原理计算机的形态计算机在今天已经是千差万别，显现或隐藏在我们周围的很多角落，不注意你根本不能发觉，其实你一时一刻都离不开计算机…...2023/2/532第一章微机系统组成及工作原理计算机发展史及发展方向计算机发展方向巨型化:用于军事\科学计算微型化:手持电脑

HPC多媒体:声,图,文,动画,音频,视频智能化:模拟人的功能,识别声音,文字,图像,各种语言互译,使计算机具有推力联想等功能.网络化:使世界成为一体,无种族,无货币,无国界.2023/2/533第一章微机系统组成及工作原理计算机发展史及发展方向当今的个人计算机2023/2/534第一章微机系统组成及工作原理计算机发展史及发展方向的大小与人的指甲一样大小CPU2023/2/535第一章微机系统组成及工作原理计算机发展史及发展方向多种多样的计算机产品2023/2/536第一章微机系统组成及工作原理微处理器微处理器

微型计算机系统微型计算机微处理器微处理器

微型计算机微型计算机系统1.1.2微型计算机系统的三个层次微型计算机系统从局部到全局存在三个层次微处理器本身不是计算机，不能独立工作,它是微型计算机的核心部件,包括算术逻辑部件ALU,控制部件和寄存器组三个基本部分。微型计算机是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器（ROM和RAM）、输入/输出接口和系统总线组成的。它不是完整的计算系统，也不能独立工作。微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作，有实用意义。微处理器微处理器

微型计算机系统微型计算机微处理器微型计算机微处理器

微型计算机系统2023/2/537第一章微机系统组成及工作原理1.1.3计算机的性能分类

按微处理器的位数分：4位机、8位机、16位机、32位机、64位机按性能分：微型计算机，小型计算机，中型计算机，大型计算机；按结构分：单片机、多片机2023/2/538第一章微机系统组成及工作原理按用途分：个人计算机，工业控制计算机，军用计算机，嵌入式计算机；按设计目的分：专用计算机，通用计算机；按网络用途分：客户端计算机，服务器。

2023/2/539第一章微机系统组成及工作原理1.1.4计算机的性能评价基本字长：计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。早期的微型计算机的字长一般是8位和16位。目前586（Pentium，PentiumPro，PentiumⅡ，PentiumⅢ，Pentium4）大多是32位，现在的大多数人都装64位的了。主存容量：主存储器的存储单元个数乘以存储单元宽度来表示，如102416表示主存储器有1024个单元，每个单元的宽度是16位。计算机系统主存储器的最大存储单元个数取决于处理器地址总线的线数（宽度）存取周期：内部存储周期：几十到几百ns，外部存储周期：零点几到几十个微秒。2023/2/540第一章微机系统组成及工作原理运算速度：一般用每秒钟能够执行几百万条指令来衡量，称为MIPS(MillionInstructionsPerSecond)；主频：即CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。外部存储器容量：外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。1.1.4

计算机的性能评价2023/2/541第一章微机系统组成及工作原理1.2微型计算机系统的硬件结构

1.2.1三总线结构及框图1.2.2微机主要组成部分的结构及功能2023/2/542第一章微机系统组成及工作原理1.2微型计算机系统的硬件结构1.2.1三总线结构及框图

目前各种微型计算机系统采用的基本上是计算机的经典结构--冯·诺依曼结构。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式；控制器根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作,并由一个程序计数器控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。结构特点2023/2/543第一章微机系统组成及工作原理1.2.1三总线结构及框图

微型计算机系统硬件软件运算器控制器存储器输入/输出设备系统软件应用软件各部分间通过三条总线相连，故这种系统结构也称为三总线结构。2023/2/544第一章微机系统组成及工作原理1.2.1三总线结构及框图

微型计算机的结构框图MPURAM外设ABDBCBROMI/O接口三总线2023/2/545第一章微机系统组成及工作原理根据总线组织方法的不同，总线结构可分为以下三类：单总线结构双总线结构双重总线结构1.2.1三总线结构及框图2023/2/546第一章微机系统组成及工作原理1.2.1三总线结构及框图系统存储器M和I/O使用同一条信息通路，MPU对M和I/O的读写要分时进行。它逻辑结构简单，成本低，实现容易。大部分中低档微机均采用这种结构。MPUMI/O接口外设单总线结构单总线结构双总线结构双重总线结构2023/2/547第一章微机系统组成及工作原理I/O和M各自具有到MPU的总线通路，MPU可分别在两套总线上同时与M和I/O口交换信息。它展宽了总线带宽，提高了数据传输速率。有的单片机和高档微机采用了这种结构。双总线结构1.2.1三总线结构及框图存储总线I/O总线I/O接口M外设MP

U单总线结构双总线结构双重总线结构2023/2/548第一章微机系统组成及工作原理双重总线结构MPU或DMA控制器1.2.1三总线结构及框图全局总线全局M全局I/OMPU总线控制逻辑局部I/O局部M缓冲器局部总线单总线结构双总线结构双重总线结构2023/2/549第一章微机系统组成及工作原理1.2.1三总线结构及框图

MPU通过局部总线访问局部M和局部I/O。当某MPU需对全局M和全局I/O访问时，由总线控制逻辑统一安排进行，实现双重总线上并行工作。这对等效总线带宽的增加、系统数据处理和数据传输效率的提高，效果更明显。目前各种高档微机和工作站基本都采用此结构。双重总线结构2023/2/550第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能

微机的主要组成部分有微处理器（MPU),存储器,I/O设备接口和总线。1.微处理器---微型计算机的运算和指挥控制中心

不同型号微机性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，而微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。每种微处理器有其特有的指令系统，但无论哪种微处理器，其内部基本结构总是相同的，都有控制器、运算器和内部总线及缓冲器三大部分，每部分又各由一些基本部件组成。2023/2/551第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能微处理器典型结构示意图指令寄存器IR指令译码器ID操作控制器OC累加器ACC累加锁存器暂存器

算术逻辑单元（ALU)标志寄存器（FR）地址总线（AB）地址缓冲器……控制总线（CB）

寄存器组（RS）堆栈指针（SP）程序计数器PC通用寄存器组内部总线及缓冲器数据总线（DB)数据缓冲器运算器控制器2023/2/552第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能2、存储器（内存或主存）---微机的存储记忆部件，用以存放数据和程序。①内存单元的地址和内容

内存由一个个内存单元组成，每个单元中一般存放一个字节(8位)的二进制信息，叫内容。内存单元的总数目叫内存容量。

微机通过给每个内存单元规定不同的地址(码）来管理内存。

注意：内存单元的地址和内存单元的内容是两个完全不同的概念。1011001000000010000011001100011101110010。。。。。。内容地址00000H00002HF0000H00001HFFFFFH2023/2/553第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能②内存操作CPU对内存的操作有读、写两种。写操作：CPU将其内部信息传送到内存单元保存下来，从而改变被写单元的内容。读操作：CPU将内存单元的内容取入CPU内部，不改变被读单元的内容。2、存储器（内存或主存）2023/2/554第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能③内存分类2、存储器（内存或主存）按工作方式分随机存取存储器(RAM):只读存储器(ROM):可被CPU随机的读和写,断电后所有信息消失。

只能被CPU随机读取,不能任意写入。断电后信息不会丢失。2023/2/555第一章微机系统组成及工作原理3、I/O设备的接口1.2.2微机主要组成部分的结构及功能

微机通过I/O设备与外部交换信息,处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不能直接兼容,必须在两者之间引入连接电路,即I/O接口电路。2023/2/556第一章微机系统组成及工作原理1.2.2微机主要组成部分的结构及功能4、总线

---微机中各组成部分传输信息共同使用的“公路”,是一组公共信号线。双向总线，用来传输数据信息单向总线，用于传送CPU发出的地址信息用来传送控制信号、时序信号和状态信息等，每根线单向，整体双向。数据总线DB：控制总线CB：地址总线AB：2023/2/557第一章微机系统组成及工作原理1.3微型计算机的运算基础1.3.1计算机中数的表示方法1.3.2计算机的运算2023/2/558第一章微机系统组成及工作原理1.3微型计算机的运算基础

1.3.1计算机中数的表示方法1.机器数和真值2.有符号的机器数表示方法3.数的定点和浮点表示4.无符号数的机器数表示方法2023/2/559第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法

1.机器数和真值在计算机中，无论数值还是数的符号，都只能用0、1来表示。通常用一个数的最高位作为符号位：0表示正数，1表示负数。在计算机中使用的、连同符号位一起数字化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实值则叫真值。1011010100101010例：机器数真值（十进制）-53+422023/2/560第一章微机系统组成及工作原理2.有符号的机器数表示方法常用三种原码反码补码1.3.1计算机中数的表示方法2023/2/561第一章微机系统组成及工作原理(1)原码---最高位表示符号,数值位用二进制绝对值表示。设机器数位长为n，则数X的原码定义为：n位原码表示数值的范围:-(2n-1-1)～+(2n-1-1)[+0]原=000…0[-0]原=100…0[X]原=0X1X2…Xn-1(X≥0)1X1X2…Xn-1=2n-1+│X│(X≤0)数0的原码有两种不同的形式:1.3.1计算机中数的表示方法

原码表示简单、直观,与真值间转换方便,但用它作加减运算不方便,且0有两种表示方法。2023/2/562第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法(2)反码---正数的反码表示与原码相同;负数的反码是将其原码除符位外各位取反得到。[X]反=0X1X2…Xn-1=X(X≥0)n位反码表示数值的范围:-(2n-1-1)～+(2n-1-1)数0的反码也有两种形式:[+0]反=000…0(全0)[-0]反=111…1(全1)反码还原为真值的方法:反码→原码→真值而[X]原=[[X]反]反反码定义：1X1X2…Xn-1=(2n-1)-│X│(X≤0)2023/2/563第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法(3)补码---正数的补码表示与原码相同;负数的补码是将其原码除符号位外各位取反加1而得到。补码的定义：n位补码表示数值的范围:-2n-1～+(2n-1-1)数0的补码只有一个:[+0]补=[-0]补=000…0(全0)补码还原为真值的方法:补码→原码→真值而[X]原=[[X]补]补[X]补=0X1X2…Xn-1=X(X≥0)1X1X2…Xn-1+1=2n-│X│=2n+X(X≤0)(mod2)2023/2/564第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法三点结论:①原码、反码、补码的最高位都是表示符号位。符号位为0时，表示真值为正数，其余位都为真值。符号位为1时，表示真值为负数，其余位除原码外不再是真值。②对于正数，三种编码都一样；对于负数，三种编码互不相同。所以原码、反码、补码本质上是用来解决负数在机器中表示的三种不同的编码方法。

③二进制位数相同的原码、反码、补码所能表示的数值范围不完全相同。当计算机采用不同的码制时，运算器和控制器的结构将不同。各种微机基本上都是以补码作为机器码，原因是补码的加减法运算简单，减法运算可化为加法运算，可省掉减法器电路，且是符号位与数值位一起运算，运算后自动获得正确结果。说明：2023/2/565第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法3.数的定点和浮点表示

计算机中不用某个二进制位来表示小数点,而是隐含规定小数点的位置。

根据小数点的位置是否固定，数的表示方法可分为定点表示和浮点表示，相应的机器数就叫定点数或浮点数。对于任一个二进制数X，通常可表示成：X=2J·S其中，S为数X的尾数，J为数X的阶码，2为阶码的底。

尾数S表示数X的全部有效数字，阶码J则指出了小数点的位置。S值和J值均可正可负。当J固定时，表示是定点数；当J值可变时，表示是浮点数。2023/2/566第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法(1)定点数

定点整数和定点小数在计算机中表示形式没什么区别，其小数点完全靠事先的约定而隐含在不同位置：根据小数点固定的位置不同。定点数有定点(纯）整数和定点（纯）小数两种。J=0，S为纯整数时，小数点固定在数的最低位之后，称为定点整数；J=0，S为纯小数时，小数点固定在数的最高位之前，成为定点小数。定点整数符号位数值位(尾数S)隐含小数点位置定点小数符号位数值位(尾数S)隐含小数点位置2023/2/567第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法浮点数一般由4个字段组成,一般格式如下:(2)浮点数其中阶码一般用补码定点整数表示，尾数一般用补码或原码定点小数表示。

为保证不损失有效数字，一般对尾数进行规格化处理，即保证尾数的最高位是1，实际大小通过阶码来进行调整。相同位数时,浮点数表示的数值范围要比定点数表示大得多。尾数部分阶符Jf阶码J数符Sf尾数(也叫有效数)S阶码部分2023/2/568第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法[例]某计算机用32位表示一个浮点数，格式如下：8位补码定点整数24位补码定点小数阶符阶码数符尾数31302423220已知某数X的机器码为"00001001101111110101000000000000",则其真值为：X=(1.01111110101000000000000)补×2(00001001)补=(1.10000001011000000000000)原×2（00001001）补=-0.10000001011×29=(-100000010.11)2=(-258.75)102023/2/569第一章微机系统组成及工作原理1.3.1计算机中数的表示方法4.无符号数的机器数表示方法ASCII码一般在计算机的输入、输出设备中使用，而二进制码和BCD码则在运算处理过程中使用。压缩BCD码非压缩BCD码位数不等的二进制码BCD码ASCII码三种表示方法2023/2/570第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算计算机中有以下两种运算:逻辑运算:算术运算:参与运算的二进制数码表示的是逻辑状态。常见的有与、或、非和移位等。参与运算的二进制数码表示的是数值大小。常见的有加、减、乘、除、乘方、开方等。2023/2/571第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算1.补码运算及溢出判别(1)补码的加减法运算规则[X±Y]补=[X]补+[±Y]补其中X、Y为正、负数均可。例：X=33,Y=45,求X+Y、X-Y解:[X]补=00100001[Y]补=00101101,[-Y]补=11010011[X+Y]补=[X]补+[Y]补=01001110[X-Y]补=[X]补+[-Y]补=11110100所以,X+Y=[[X+Y]补]补=01001110=(+78)10

X-Y=[[X-Y]补]补=10001100=(-12)102023/2/572第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算用补码表示计算机中有符号数的优点：

①负数的补码与对应正数的补码之间的转换可用同一方法——求补运算实现，因而可简化硬件；

②可将减法变为加法运算，从而省去减法器；③有符号数和无符号数的加法运算可用同一加法器电路完成，结果都正确。2023/2/573第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算(2)溢出与溢出判断当结果超出补码表示的数值范围时,补码运算将会出错。这种现象称为“溢出”。计算机运算时要避免产生溢出,万一出现了溢出,要能判断，并做出相应处理。微机中多采用“双进位位”法进行溢出判断。2023/2/574第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算OF=C1C2=1,有溢出0,无溢出进位位C累加器A(内装补码)数值位fbn-1bn-2

……b0b1C1C2=1OF双进位位法溢出判断2023/2/575第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算例1：求55+66

[55]补=00110111+[66]补=01000010

□01111001=[121]补

例2：求(-93)+(-59)

[-93]补=10100011+[-59]补=11000101

□01101000=[+104]补1c2c1因为C2=0,C1=0,OF=C1C2=0,所以无溢出,结果正确。

因为C2=1,C1=0,OF=C1C2=1,所以有溢出,结果不对。根据C1、C2值亦可判断有溢出时是正溢出还是负溢出：C2C1=00=11时，无溢出；C2C1=01时，为正溢出；C2C1=10时，为负溢出。2023/2/576第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算2.BCD码运算及其十进制调整

BCD码加减法运算时，每组4位二进制码表示的十进制数之间应遵循“逢十进一”和“借一当十”的规则。但计算机总是将数作为二进制数来处理，即每4位之间按“逢16进一”和“借一当16”来处理，所以当BCD码运算出现进位和借位时，结果将出错。

为了得到正确的BCD码运算结果，必须对二进制运算结果进行调整，使之符合十进制运算的进位/借位规则。这种调整叫十进制调整。2023/2/577第一章微机系统组成及工作原理1.3.2计算机的运算

1)十进制加法调整规则①若两个一位BCD数相加结果大于9(1001),则应作加6(0110)修正。②若两个BCD数相加结果在本位并不大于9,但产生了进位,这相当于十进制数运算大于等于16,所以也应在本位作加6修正。

2)十进制减法调整规则

两个BCD数相减，若出现本位差超过9，或虽不超过9但向高位有借位，则说明必然是借了16，多借了6，应在本位作减6修正。

实际中，现代计算机中均有专门的十进制调整指令，利用它们，机器可按规则自动进行调整。十进制调整的规则：2023/2/578第一章微机系统组成及工作原理1.4微型计算机的基本工作原理微机工作的过程本质上就是以硬件为基础执行程序的过程。而程序是由若干条指令组成的，微机逐条执行程序中的每条指令，即可完成一个程序的执行，从而完成一项特定的工作。因此了解微机工作原理的关键，就是要了解指令和指令执行的基本过程。

指令与程序概述

指令类别指令与程序的执行

程序执行过程举例微机工作过程的本质：2023/2/579第一章微机系统组成及工作原理

1.4微型计算机的基本工作原理1.4.1指令与程序概述4.程序--为解决某一问题而编写在一起的指令序列。3.指令结构--任何一条指令均由两部分组成：操作码：指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除等。地址码(操作数)：指明参加上述规定操作的数据存放地址或数据。1.指令--规定计算机执行特定操作的命令。2.指令系统--计算机全部指令的集合。指令系统准确定义了计算机的处理能力。不同型号的计算机有不同的指令系统，从而形成各自的特点和相互差异。2023/2/580第一章微机系统组成及工作原理

机器语言程序汇编语言程序高级语言程序

1.4.1指令与程序概述目前微机系统中使用着三个层次、三种形式的程序：2023/2/581第一章微机系统组成及工作原理计算机中的指令以二进制代码形式存在，叫机器码指令。机器码指令构成的指令系统叫机器语言，用机器语言编写的程序叫机器语言程序。机器语言程序优点是能被计算机直接理解和执行；缺点是编程繁琐、不直观、难记忆、易出错。1.4.1指令与程序概述机器语言程序汇编语言程序高级语言程序(1)机器语言程序2023/2/582第一章微机系统组成及工作原理1.4.1指令与程序概述为克服机器语言程序的缺点，常用助记符来代替机器语言指令。助记符与机器语言指令之间有一一对应关系。这种用助记符构成的指令系统叫汇编语言，用汇编语言编写的程序叫汇编语言程序。汇编语言程序的优点是直观、易懂、便于记忆。但又存在着计算机无法识别的缺点。(2)汇编语言程序机器语言程序汇编语言程序高级语言程序2023/2/583第一章微机系统组成及工作原理1.4.1指令与程序概述

高级语言为比较接近于习惯的自然语言和数学语言的程序设计语言。它以语句和数据的定义为基础，且通常一个语句都是由一组机器语言指令或汇编语言指令构成的。用高级语言编写的程序即为高级语言程序。高级语言程序比汇编语言程序更直观易懂，更易于面向问题和对象。(3)高级语言程序机器语言程序汇编语言程序高级语言程序2023/2/584第一章微机系统组成及工作原理1.4.1指令与程序概述

高级语言程序和汇编语言程序必须先翻译成机器语言程序才能执行。这个翻译过程，对汇编语言程序叫汇编(Assemble);对高级语言程序有的叫解释(Interpretation),有的叫编译(Compilation)。

通常又将翻译前的程序叫源程序,而将翻译后的机器语言程序叫目标程序。完成汇编、解释、编译的程序则分别叫作汇编程序(Assembler)、解释程序(Interpreter)、编译程序(Compiler),它们作为工具软件事先存放在计算机中。2023/2/585第一章微机系统组成及工作原理1.4.2指令类别

1、数据传送与交换类指令

2、算术及逻辑运算类指令

3、输入/输出类指令

4、程序控制类指令

5、CPU控制类指令

一般计算机指令系统都包括有下述几类指令2023/2/586第一章微机系统组成及工作原理1.4.3指令与程序的执行

取指令--根据程序计数器PC中的值从存储器读出现行指令，送到指令寄存器IR，然后PC自动加1，指向下一条指令地址或本条指令下一字节。指令执行三步曲:

分析指令--将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质，如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令--取出操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。2023/2/587第一章微机系统组成及工作原理1.4.3指令与程序的执行微型机程序的执行过程，实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直到遇到停机指令才结束运行。取指令，PC值加1停机？分析指令执行指令结束YN程序执行过程2023/2/588第一章微机系统组成及工作原理程序执行过程中的每条指令操作三步曲并非在各种微处理器中都是串行完成的，除早期的8位微处理器外，后来的各种16位以上处理器机都可将这三步操作分配给两个或两个以上的独立部件并行完成。如80386和80486采用了6级流水线结构，不同指令的取址、分析、执行三个阶段可并行处理。1.4.3指令与程序的执行关于程序执行过程的两点说明：一般程序的指令和数据都存放在内存中，故在执行程序时，CPU和内存通过存储器地址寄存器MAR和存储器数据寄存器MDR以及若干读/写控制信号实现联系。MAR存放着将访问的指令/数据的地址，MDR存放着从内存中读出的指令操作码或读出/写入的数据。2023/2/589第一章微机系统组成及工作原理1.4.3指令与程序的执行假想模型机2023/2/590第一章微机系统组成及工作原理1.4.4程序执行过程举例程序如下：

ORG1000H对应机器码1：MOVA，5CH；B0H5CH2：ADDA，2EH；04H2EH3：JO100AH；70H0AH10H4：MOV(0200H)，A；A2H00H02H5：HLT；F4H

程序功能：5CH+2EH,如结果无溢出，将结果存放到内存0200H单元后停机；如有溢出，则直接停机。2023/2/591第一章微机系统组成及工作原理1.4.4程序执行过程举例（1）将PC内容1000H送地址寄存器MAR.(2)PC值自动加1，为取下一个字节机器码作准备。（3）MAR中内容经地址译码器译码，找到内存储器1000H单元。（4)CPU发读命令。（5）将1000H单元内容B0H读出，送至数据寄存器MDR.（6）由于B0H是操作码，故将它从MDR中经内部总线送至指令寄存器IR.（7）经指令译码器ID译码，由操作控制器OC发出相应于操作码的控制信号。（8）将PC内容1001H送MAR.（9）PC值自动加1。（10）MAR中内容经地址译码器译码，找到1001H存储单元。（11)CPU发读命令。（12）将1001H单元内容5CH读至MDR.(13)因5CH是操作数，将它经内部总线送至操作码规定好的累加器A.启动程序运行后，步骤如下：2023/2/592第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术

超级微型机(SuperMicroComputer)巨型机(SuperComputer)小巨型机(MiniSuperComputer)超小型机(SuperMiniComputer)

统称"四个Super"

它们在发展过程中相互取长补短，既竞争又借鉴，推动着计算机技术不断推陈出新，同时也使它们间的界限越来越模糊。当今计算机的四个发展方向：2023/2/593第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术在高档微型计算机中，除普遍采用了小、中、大型计算机中早已采用的堆栈、中断、DMA、多寄存器结构等技术外，还相继引入了其它三种“Super”计算机中广泛应用的许多现代先进计算机硬件、软件技术，如：

微程序控制技术流水线技术高速缓冲存储器技术虚拟存储器技术乱序执行技术分支预测技术……2023/2/594第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术1.微程序控制技术---将原来的硬件电路控制的指令操作步骤改用微程序来控制。其基本特点是综合运用程序设计技术和只读存储技术，将每条指令的微操作序列转化为一个控制码点的微程序存于PROM、EPROM或EPROM等可编程只读存储器中。当执行指令时，就从ROM中读出与该指令对应的微程序，并转化为微操作控制序列。显然，微程序是许多微指令的有序集合，每条微指令又由若干微操作命令组成。可见，执行一条机器指令，就是执行一段微程序或一个微指令序列。这段微程序或微指令序列称为指令解释器。这种技术通过编程重写ROM内容，很容易改变或增加功能，有利于加快微处理器的更新换代，同时也有利于提高微机的可靠性、可用性、可维护性和促进模拟与仿真技术的发展。2023/2/595第一章微机系统组成及工作原理微程序控制的基本原理示意图及说明：1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术2023/2/596第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术

2.流水线技术

---将每条指令分解为多步，并让不同指令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过程的技术。

超流水线结构：5－6级以上流水线

超标量设计技术：含有2条以上流水线流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。一般一条流水线上有多少级，就应该有多少个独立的功能部件来支持其并行操作。2023/2/597第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术

3.高速缓存技术

在32位微处理器和微机中，为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设一级或两级高速小容量存储器，称之为高速缓存器(Cache)。它的存取速度大体与CPU的处理速度相当。

有了高速缓存器，CPU在对一条指令或一个操作数寻址时，首先要看其是否在Cache中，若在，就立即存取；否则，就要作一常规的存储器访问，同时将所访问内容及相关数据块复制到高速缓存器中。一般CPU对Cache的命中率可在90%以上。

高速缓存器及其控制逻辑是由硬件实现的，对用户或程序员是透明的，不必用户自己控制和操作。2023/2/598第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术

4.虚拟存储器技术

---通过硬件和软件的综合来扩大用户可用存储空间的技术。

程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。从CPU角度看到的是一个速度接近内存，却具有外存容量的假想存储器，即虚拟存储器

在采用虚拟存储器的计算机系统中，有虚地址空间(逻辑地址空间)和实地址空间(物理地址空间)两个地址不同的空间。虚地址空间是程序可用的空间，而实地址空间是CPU可访问的内存空间。后者容量由CPU地址总线宽度决定，而前者则由CPU内部结构决定，前者比后者大得多。2023/2/599第一章微机系统组成及工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术

它本质上