第一章微型计算机概述

1第一章微型计算机概述21.电子计算机(1/2)电子计算机：能够在程序控制下进行信息处理的电子设备.组成中央处理器内存储器输入/输出接口总线计算机应称为信息处理机1.电子计算机(2/2)31.1第一台可由程序控制的数字式电子计算机电子数字积分器与计算器，ENIAC1946年，美国宾夕法尼亚大学研制总造价100多万美元使用18800多个电子管、1500多个继电器和500余英里长的导线占地150平方米、重30吨、耗电l50千瓦字长12位、运算速度约为0.5KIPS采用重新连接线路的方法编程41.2计算机发展的四个阶段(1/2)电子管计算机(1946年~1958年)逻辑元件为电子管主存采用磁鼓、磁芯，外存采用磁带前期用机器语言编程，后期用汇编语言编程主要用于科学计算晶体管计算机(1958年~1964年)逻辑元件为晶体管主存采用磁芯，外存采用磁盘用高级程序设计语言编程逐步用于简单数据处理和过程控制领域51.2计算机发展的四个阶段(2/2)集成电路计算机(1964年~1971年)逻辑元件为中/小规模集成电路主存采用磁芯，外存采用磁盘用分时操作系统、会话式高级语言编程在事物管理与过程控制领域中得到深入发展大规模集成电路计算机(1971年~今)逻辑元件为大规模集成电路主存采用半导体，外存采用磁盘、光盘用Windows/网络操作系统、面向对象的程序设计语言编程在各个领域中得到普遍应用6体积、重量和功耗显著减小，功能、运算精度和速度、存储容量和可靠性极大提高.1.3计算机科学领域的主要研究热点多媒体信息处理系统人工智能和专家系统神经网络、生物和光学计算机系统7更快速、更大容量、更强功能和更高可靠性.1.4计算机的特点运算速度快最快的达每秒数百亿次“记忆”能力强可长期存储大量的数据、指令等信息计算精度高运算结果可以有几十位的有效数字有逻辑判断功能可通过逻辑运算进行判断和推理，并可根据结果作相应的处理有自动运算和控制功能可以完成复杂的运算和控制程序81.5计算机的用途(1/2)科学计算解决生产和科研工作中复杂的数学问题.如微分方程的计算，弹道轨迹的计算，气象信息的计算等.数据处理解决信息的排序、检索、比较、分类、统计和存储等问题.如银行的储蓄、信贷和结算，报刊的订阅、分发和投递等.过程控制采集并处理各种过程中的各个参数以实现过程的自动控制.如汽车、船舶和飞机的自动驾驶等.人工智能赋予计算机一定的“推理”、“学习”和“判断”的功能.如棋牌对弈系统，英汉翻译系统，病情诊断系统等.91.5计算机的用途(2/2)计算机辅助设计/计算机辅助制造，CAD/CAMCAD：应用计算机图形学方法，设计各种工程、结构和部件.CAM：在CAD设计的基础上，制造各种工程、结构和部件.CAD+CAM构成自动化的工作站.如汽车、船舶和飞机的设计和制造等.信息网络通过信道将各个独立的计算机连接起来形成网络以及将这样的一些网络互联以实现计算机资源的共享和信息的高速传输.如Internet国际互联网，CERNT中国教育科研网等.101.6计算机的主要性能指标衡量计算机硬件系统优劣的重要指标有内存容量：内存的存储容量，基本单位为字节.是CPU能够直接寻址的存储空间.运算速度：每秒钟执行加法指令的条数，用IPS(条指令/每秒)表示.字长：每个字所包含的二进制数位的个数.CPU一次可以同时传送或处理的二进制数位的位数，如1、4、8、16、32和64位等.字长较长的计算机有较强的信息处理能力.比特：bit，二进制的一个数位.是计算机内部最小的信息单元.

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：Byte，1Byte=8bits.是计算机存储信息代码的基本单位.字：作为一个整体来传送或处理的信息代码的若干个数位.111.7计算机的分类从原理上电子模拟计算机、电子数字计算机从用途上通用计算机、专用计算机从规模上巨型、大型、中型、小型和微型机主要区别：字节长度、内存容量、运速度以及体积上的差别.12规模巨型大型中型小型微型字长(位)256以上128-25664-12832-1281-64内存(MB)1024以上512-1024128-51232-1280-64速度(MIPS)≥10001000-100100-1010-5<52.微处理器和微型计算机的发展计算机中最重要的电路部件是CPU微型机的CPU也称MPU微型机同其它机种的重要区别微型机CPU集成在一块或几块芯片上其他机种CPU由很多集成电路模块组成微型机特点体积小，功耗低，可靠性高，系统设计灵活，价格低廉等.13微型机的发展主要取决于MPU的进步2.1微处理器的发展(1/2)研制MPU的厂商很多，Intel的产品最具代表性.1971~1972年，先后推出4位的4004和8位的8008.分别可寻址4KB和16KB个存储单元，各有45条和48条指令.4004和8008均采用PMOS工艺制造，集成度为2000个晶体管/片，时钟频率1MHz左右，平均指令执行时间为10~20us(50~100KIPS).1973~1977年，先后推出8位的8080和8085.可寻址64KB个存储单元，扩充了指令系统，其中8085增加到246条.8080和8085均采用NMOS工艺制造，集成度为9000个晶体管/片，时钟频率1~4MHz，平均指令执行时间为1~2us(500~1000KIPS).1978~1983年，相继推出16位的8086/8088和80286.分别可寻址1MB和16MB个存储单元，有20000多条指令.8086/8088和80286均采用HMOS工艺制造，集成度为2~7万个晶体管/片，时钟频率5~25MHz，平均指令执行时间为0.25~0.5us(2~4MIPS).142.1微处理器的发展(2/2)1986~1989年，先后推出32位的80386和80486.最大可寻址4GB个存储单元.80386采用CHMOS工艺制造，集成度为15~50万个晶体管/片，时钟频率16~40MHz，平均指令执行时间小于0.1us(10MIPS).80486采用CHMOS工艺制造，集成度为120万个晶体管/片，时钟频率33~66MHz，平均指令执行时间为25ns(50MIPS).1993年，推出64位的Pentium(数字式型号无法获得版权).最大可寻址64GB个存储单元.Pentium采用亚微米的CMOS工艺制造，集成度为310万个晶体管/片，时钟频率60~166MHz，平均指令执行时间小于10ns(100MIPS).1996年，推出PentiumPro(高能奔腾).PentiumPro较Pentium具有更高的指令执行速度.1997年~2000年，相继发布PentiumMMX、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ.152.2微型计算机的发展(1/3)按模块的组成方式，微型机分为片级机将CPU、RAM、ROM、I/O接口等集成在一块芯片上的微型机.IntelMCS-51系列，MCS-96系列，MotorolaMC6805等.可广泛应用于智能化仪器仪表以及过程控制领域.板级机将CPU、RAM、ROM、I/O接口以及相应的外设(键盘、LED显示器)以及监控程序固件等安装在一块印刷电路板上的微型机.TP-801，TP-86等.可广泛应用于过程控制领域及教学实验中.系统机有充裕的内、外存，有丰富的软件支持，在操作系统的管理下进行工作的微型机.AppleⅡ(苹果2)机，PC机，高档微机等.162.2微型计算机的发展(2/3)影响最大的是系统机8位机第一台微型系统机是由MITS于1974年推出的、采用Intel8080为CPU的8位Altair8800机(为避免侵犯Intel公司版权，微机系列号采用8800).风靡一时的则是由Apple于1977年推出的、采用RockwellInternational6502为CPU的8位AppleⅡ机.PC机80年代初，IBM先后推出一系列的PC机，主要包括IBM的PC/XT/AT/PS2系列机及其兼容机.高档微机80年代末，IBM先后推出80386、80486、Pentium等与PC机兼容的高档微机.172.2微型计算机的发展(3/3)PC机包括PC型：以8088为CPU，配一个单面软驱，1M字节RAM，40K字节ROM(内有BASIC解释程序及基本I/O系统软件BIOS)，三种基本外设接口(键盘、扬声器、盒式磁带)，可配置各种外设(显示器、磁盘软盘、打印机).XT型：包括标准型XT机、扩充型XT机和XT-286机.标准形XT机以8088为CPU，配一个360KB软驱和一个10MB硬盘，内存为640KB；在标准型XT机的基础上，扩充型XT机将硬盘扩充到20MB；XT-286机将CPU改用80286并配1.2MB的软驱.AT型：以80286为CPU，配1MB内存，1.2MB和360KB软驱各—个，40MB以内的硬盘一个，运算速度是XT机的2-3倍.PS2型：以8086或80286为CPU，配一个硬盘和两个软驱，运算速度是AT机的两倍以上，但与PC/XT/AT机不兼容.183.微处理器微型计算机微型计算机系统微处理器：运算器+控制器+寄存器阵列+片内总线微型计算机：微处理器+内存储器+I/O接口电路+总线微型计算机系统：硬件(微型计算机+外设+I/O接口板)+软件193.1微处理器微处理器：运算器+控制器+寄存器阵列+片内总线运算器：包括算术逻辑单元(ALU)、累加器、暂存寄存器和标志寄存器.ALU用来对数据进行算术和逻辑运算；累加器和暂存寄存器用来提供或接收ALU运算前后的数据；标志寄存器用来存储运算结果的特征.控制器：包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控制电路.负责对整机的控制.包括取指令、分析指令和执行指令；实现对存储器或I/O端口等部件的控制；使CPU内部及外部协调工作等.寄存器阵列：包括通用寄存器和专用寄存器.通用寄存器组用来临时存放参与运算的数据；专用寄存器用来支持某种专门的操作，如指令指针IP(程序计数器PC)和堆栈指针SP等.20微处理器不能构成独立的工作系统3.2微型计算机微型计算机：微处理器+内存储器+I/O接口电路+总线内存储器：存放程序和数据.ROMRAMI/O接口电路：将基本外设(如键盘、扬声器等)与CPU及内存连接起来.总线：辅助信息流动的公共通道(连线).21微型计算机是构成独立工作系统的最小配置3.3微型计算机系统微型计算机系统：硬件(微型计算机+外设+I/O接口板)+软件硬件：微型计算机及其各种外设，是能够收集、加工和处理数据以及产生输出数据的各种固定装置的总称.通过电气的、机械的方式彼此相连.软件：所有能够完成各种功能的计算机程序.硬件是软件运行的基础，软件是硬件能够发挥作用的条件.22微型计算机系统是用户使用计算机的基本配置3.3.1微型计算机系统的硬件(1/3)微型计算机+外设+I/O接口板外设(I/O设备)：协助主机实现输入、输出、存储等功能.包括输入设备：将外界信息(数据、程序指令及各种信号)送入微机的设备.典型的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪等.输出设备：将微机运算和处理后的信息，以可识别的形式(如字符、数据、图表等)记录、打印或显示出来的设备.典型的输出设备有扬声器、显示器、打印机、绘图仪等.外存储设备：可脱离主机、脱离通电状态记录用户数据和程序的装置.典型的外存储设备有硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器等.辅助设备：协助微机完成各种功能操作的设备.典型的辅助设备有UPS等.I/O接口板：协助系统总线与选配外设(非基本外设)间适配逻辑功能.在系统总线与外部设备之间需要适配逻辑来实现主机与外设间信息的发送和接收.233.3.1微型计算机系统的硬件(2/3)243.3.1微型计算机系统的硬件(3/3)253.3.2微型计算机系统的软件广义：指程序运行时所需的数据以及与程序相关的文档资料.狭义：仅指由专业人员编制的、在计算机上运行时增强了计算机功能的程序.分为系统软件：管理、监控和维护计算机资源的软件.主要包括：BIOS；操作系统；监控管理、联接程序、调试程序、故障检查和诊断程序；解释和编译程序；编辑软件；数据库管理系统.应用软件：为解决用户的各种实际问题而利用计算机及其所提供的系统软件编制的程序.按用途分为：工程计算；过程控制；数据处理；辅助设计；人工智能.264.微型计算机系统的总线结构(1/3)微处理器、微型计算机和微型计算机系统均采用总线结构来连接各自内部的组件.总线：辅助信息流动的公共通道(连线)，计算机内共有数据、地址和控制三种信息.从信息上，分为数据总线、地址总线和控制总线.从结构上，分为单总线、双总线和三总线.从层次上，分为片内总线(内部总线)：支持MPU内部各单元之间信息交换.片总线(微处理器级总线，元件级总线)：支持微型计算机内部各单元之间信息交换.内总线(系统总线、微机总线、板极总线)：支持微型计算机与各插件板之间信息交换.外总线(通信总线)：支持接口与各外设之间的信息交换.274.微型计算机系统的总线结构(2/3)IBMPC/XT机中的内总线采用8位的XT总线.IBMPC/AT机中的内总线采用16位的ISA总线.IBMPC/PS2机中的内总线采用32位的MCA总线.386、486高档微机的内总线采用32位的EISA总线.Pentium机的内总线采用64位的PCI总线.284.微型计算机系统的总线结构(3/3)295.微型计算机系统的基本操作过程采用数学家冯.诺依曼(JohnVonNeumann)提出的程序存储原理：用机器码指令排出的程序在执行前，首先存储于存储器中，存储器既存储程序又存储数据.然后CPU逐条地从存储器中逐次取出一条条指令码，把指令码变成控制信号序列，控制信号发向有关的部件，控制完成指令规定的操作.即MPU逐条地从内存储器中取出程序中的指令并执行指令规定的操作.指令：计算机能够执行的各种操作的命令形式.指令系统：一台计算机所能执行的全部指令.程序：按运算功能要求把指令排列起来.源程序：用户为解决实际的现实问题用各种语言编写的程序.306.计算机程序设计语言(1/2)编写指令或程序时必须遵循的格式，是人机对话、联络的工具.若计算机不能识别这些格式，则需“翻译器”，即系统软件中的汇编程序或解释和编译程序.程序设计语言是编制各种指令和程序的工具，它通过汇编程序、解释和编译程序翻译成机器码来向计算机发出指令，执行相应的操作.不能形成指令或程序的语言是毫无意义的.分为独立于机器，用不依赖于机器的具体指令表达的高级算法语言指令书写形式面向人(助记符)，指令表达形式面向人.计算机硬件系统不能直接识别源程序，需解释和编译程序.语言格式与CPU无关.程序易于编写、查错、验证，可移植性和通用性好.316.计算机程序设计语言(2/2)直接和机器打交道，用计算机指令表达的机器语言.指令书写形式面向计算机(二进制)，指令表达形式面向计算机.计算机硬件系统能够直接识别源程序、不需“翻译器”.CPU型号不同，语言格式不同.程序的编写、调试和修改较繁琐，执行速度快.用机器指令的助记符表达的汇编语言指令书写形式面向人(助记符)，指令表达形式面向计算机.计算机硬件系统不能直接识别源程序、需汇编程序.CPU型号不同，语言格式不同.程序便于理解，编程质量高、执行速度快，占用内存空间小.327.电脑*133微机系统的结构和工作过程与人体的结构和生物过程类似机(硬件)人(硬件)机(软件)人(软件)CPU+存储器大脑系统软件世界观接

口关节和肌肉应用软件具体行为和想法总

线神经系统语言系统自然语言输入系统五官等输出系统嘴和四肢等外存储器书籍和纸张8.数制和码制计算机的基本功能：数据信息的加工和处理.数据分为数值，如+9.3、-100.字符，如3、w、计算机.计算机内用二进制表示信息计算机由数字电路组成.一个数字电路由许多开关电路单元构成.一个开关电路单元仅有通、断两种稳定状态.多个开关电路单元的状态可以对应表示编码后的计算机数据.348.1数和数制(1/5)数是客观事物的量在人头脑中的反映，可用不同的数制来度量.数制以表示数值所用的数学符号的个数来命名.如二、八、十、十六进制分别用2、8、10、16个数学符号来表示.X进制数的基本特点有X个不同的数字符号.缝X进位.二进制比等值十进制数的位数多，读、写不方便.以三位或四位二进制数为一组缩写二进制数.即用八进制数或十六进制数来表示二进制数.为避免混淆，用区分符表示不同的进制.数字脚注(17.78)字母标注(B：二进制，O/Q：八进制，D/省：十进制，H：十六进制).358.1数和数制(2/5)计算机使用二进制计数制，而人们熟悉的却是十进制计数制.欲使计算机能够处理十进制数首先，将十进制数转换为二进制数.然后，在计算机中按二进制逻辑运算.最后，将二进制的运算结果转换回十进制数.如此导致了在不同计数制之间相互转换的问题.计算机编程/运算中涉及的主要是二、八、十、十六进制.368.1数和数制(3/5)①(二八十六)进制数之间相互转换根据定义直接完成.例1：10110011.100101B=263.45Q=B3.94H②(二八十六)进制数转换成十进制数各位数的系数和各位数的权相乘后求和.例2：1101.101B＝1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3＝13.625378.1数和数制(4/5)③

十进制数转换成(二八十六)进制数十进制整数转换成(二八十六)进制数除X取余法：首先将十进制整数除以X，得到商并记录余数；然后不断地把商除以X并记录余数，直到商等于0时为止.则各次所得的余数，依次从后向前排列即得到X进制整数.例：301=100101101B=12DH降幂法：用十进制整数减去小于它的最大的X进制权值，够减该位记1，不够减该位记0，剩余数重复以上操作，直到该数等于0为止.38例：193＝11000001B=C1H操作数19365111111权值1286432168421二进制数110000018.1数和数制(5/5)十进制小数转换成(二八十六)进制数乘X取整法：首先将十进制数小数乘以X，得到小数部分并记录整数部分；然后不断地把小数乘以X并记录整数部分，直到小数部分等于零或有效数字足够多时为止.则各次所得的整数部分，依次由前到后顺序排列即得到X进制小数.例1：0.6875=0.1011B＝0.BH任意十进制数转换成(二八十六)进制数先将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再将他们组合起来.例2：301.6875=100101101.1011B=12D.BH398.2二进制数运算①

算术运算加法：缝二进一，减法：借一作二.②逻辑运算有与(AND)、或(OR)、异或(XOR)、非(NOT)四种.40例1：10110101B+1111B=11000100B11000100B-100101B=10011111B1101B×1011B=10001111B100110B÷110B=110B余10B例2：10010111AND00111000=0001000010010111OR00111000=1011111110010111XOR00111000=10101111NOT10010111=011010008.3无符号二进制数(1/3)有两种表示方法：常规二进制数和二进制编码的十进制数.①常规二进制数n位字长全部用于表示无符号的数值，有8位(字节)、16位(字)和32位(双字)等.41二进制数码无符号十进制数原码反码补码000000000+0+00000000011+1+1+1:::::01111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-127:::::11111110254-126-1-211111111255-127-0-18.3无符号二进制数(2/3)②二进制编码的十进制数简称BCD码，它将1位十进制的0-9分别用4位二进制码的组合来表示，并按位对任意十进制数进行编码.常用8421BCD码，8、4、2、1分别是4位二进制数的位权值.例：75.4=(01110101.0100)BCD，(10000101.0101)BCD=85.542十进制数0123456789BCD码00000001001000110100010101100111100010018.3无符号二进制数(3/3)BCD码有两种基本格式：压缩(组合)式BCD码：一个字节中存放两位十进制数.非压缩(分离)式BCD码：一个字节中的低4位存放一位十进制数，高4位与数值无关.BCD码的运算及其十进制调整BCD码加、减法运算应遵循“逢十进一”和“借一当十”的规则.而计算机是按“逢十六进一”和“借一当十六”的原则运算.必须对运算结果修正，以符合十进制数运算的进/借位规则.十进制加法调整两个BCD数相加：本位和﹥9、向高位进位，本位+6.十进制减法调整两个BCD数相减：本位差﹤0、向高位借位，本位-6.438.4有符号二进制数(1/4)数学运算中，乘、除以及各种函数运算均可转化为加、减运算.CPU中只有加法器，需引入有符号的二进制数来实现减法操作.在计算机中，数值和符号位均用二进制码表示.符号位规定在数的最高位，用“l”表示负数，“0”表示正数.01100111(二进制)真值为+103(十进制)11100111(二进制)真值为-103(十进制)有符号数表示方法：原码、反码和补码.①原码规定：正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，数值位用二进制绝对值来表示.例：X1=103，X2=-103时，[X1]原=01100111B[X2]原=11100111B0的原码有两种表示形式：[+0]原=00000000B或[-0]原=10000000Bn位二进制原码所能表示的数值范围为-(2n-1-1)~+(2n-1-1).448.4有符号二进制数(2/4)②反码规定：正数的反码与原码相同，负数的反码表示为它的正数的原码连符号位按位取反.例：X1=103，X2=-103时，[X1]反=01100111[X2]反=100110000的反码有两种表示形式：[+0]反=00000000B或[-0]反=11111111Bn位二进制反码所能表示的数值范围为-(2n-1-1)~+(2n-1-1).③补码负数的补码可表示为它的反码且在最低位加1的形式.如X1=103，X2=-103时，[X1]补=01100111，[X2]补=10011000+1＝10011001B0的补码只