微型计算机基础知识

微型计算机基础知识1第1页，共61页，2023年，2月20日，星期四学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真复习、完成作业实验：充分准备、勇于实践学习

方法2第2页，共61页，2023年，2月20日，星期四第一章微型计算机基础知识1-1概述

1、电子数字计算机概念

目前通常所说的计算机是指电子数字计算机。电子技术工艺、数字化信息处理方式、高度复杂的可编程逻辑电子电路。信息以二进制形式（逻辑电平形式）表示；自动地进行信息处理。2、计算机分类按信息处理方式：数字计算机和模拟计算机。模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，目前已很少生产。

3第3页，共61页，2023年，2月20日，星期四

按用途：通用计算机和专用计算机。

专用计算机针对某用途专门设计。按制造材料：机械计算机、电子计算机、光学计算机、生物计算机、量子计算机。按规模、速度（没有一个统一的标准，1989年IEEE(电气与电子工程师协会)提出一种分类）巨型计算机或超级计算机(Supercomputer)小巨型计算机(Minisupercomputer)企业级服务器(Mainframe)小型计算机(Minicomputer）工作站(WorkStation)个人计算机(PersonalComputer)4第4页，共61页，2023年，2月20日，星期四

3、计算机发展简史1）机械计算机的诞生

1614年:苏格兰人JohnNapier发明了一种可以进行四则运算和方根运算的精巧装置。

……1890年:HermanHollerith设计了用于美国人口普查的机器。结果仅用6周就得出了准确的人口统计数据(如果用人工方法，大概要花10年时间)。

2）电子计算机时代

1906年:美国人LeeDeForest发明电子管，为电子计算机的发展奠定了基础。

……1946年:第一台真正意义上的数字电子计算机诞生（ENIAC）。

5第5页，共61页，2023年，2月20日，星期四根据使用电子器件不同，电子计算机经历了四个阶段：电子管计算机(1946—1956)晶体管计算机(1957—1964) 集成电路计算机(1965—1970)

超大规模集成电路计算机(1971—至今)

用机器语言、汇编语言编写程序用于军事和国防尖端技术 开始使用高级语言开始用于工程技术、数据处理和其它科学领域采用微程序、流水线等技术，提高运行速度出现操作系统、诊断程序等软件采用半导体存储器采用图形界面操作系统器件速度更快,软件、外设更加丰富6第6页，共61页，2023年，2月20日，星期四自从1981年IBM公司进入微型计算机领域推出了IBM－PC以后，计算机的发展开创了一个新的时代——微型计算机时代。微型计算机的迅速、大规模的应用与普及，使计算机真正广泛地应用于工业、农业、科学技术技术以及社会生活与日常生活的各个方面。以前的大型机、中型机、小型机的界线巳经日益模糊与消失。随着微型计算机应用的普及与发展，芯片与微型机的功能与性能迅速提高，其功能已经远远超过了20世纪80年代以前的中型机、小型机，甚至超过了大型机。

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5、计算机的应用

数值计算信息处理：数据库，管理信息系统，办公自动化系统控制、自动化：过程控制，生产自动化辅助分析、设计：CAD，CAM，CAI

仿真计算网络应用人工智能：模式识别、神经网络、专家系统、机器人等8第8页，共61页，2023年，2月20日，星期四6、计算机发展方向

当前模式的电子计算机发展趋势是朝微型化和巨型化两方面发展。功能发展

多媒体计算机：更好地支持多媒体技术，音频、视频数据压缩、解压缩技术，多媒体数据的通信。

计算机智能化：具有推理、联想、学习等思维功能和模式识别功能。网络计算机：全面支持网络功能。9第9页，共61页，2023年，2月20日，星期四

新型计算机的研究：

神经网络计算机：从内部结构模拟人脑神经系统。

生物计算机：使用蛋白分子为材料的生物芯片。

光子计算机：用光子代替电子，用光连接代替金属导线连接，运算速度快千倍。10第10页，共61页，2023年，2月20日，星期四1-2微型计算机系统的组成

1、组成部分运算器ALU寄存器控制器系统软件：DOS、Windows应用软件：Word、Excel、VisualC++中央处理器CPU存储器I/O接口总线硬件软件微型计算机系统微型计算机(主机)外设键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪11第11页，共61页，2023年，2月20日，星期四微型计算机系统从小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如图所示。运算器控制器寄存器RAMROMI/O端口I/O端口微型计算机系统微型计算机微处理器电源系统软件系统I/O设备I/O设备12第12页，共61页，2023年，2月20日，星期四微处理器简称μP或MP(Microprocessor)是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件，又称为微处理机。它本身并不等于微型计算机，而只是其中央处理器。有时为区别大、中、小型中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)与微处理器，而称后者为MPU(MicroprocessingUnit)。通常在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。(1)微处理器13第13页，共61页，2023年，2月20日，星期四微型计算机简称μC或MC，是指以微处理器为核心，配上存储器、输入／输出接口电路及系统总线所组成的计算机(又称主机或微电脑)。当把微处理器、存储器和输入／输出接口电路统一组装在一块或多块电路板上或集成在单片芯片上，则分别称之为单板机、多板机或单片微型计算机。(2)微型计算机14第14页，共61页，2023年，2月20日，星期四

微型计算机系统(Microcomputersystem)简称μCS或MCS，是指以微型计算机为中心,以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件)以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。(3)微型计算机系统15第15页，共61页，2023年，2月20日，星期四2、中央处理器

中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）具有运算和控制功能，是整个微型计算机的核心，也称微处理器。微处理器的主要功能部件有（1）运算器，也称算术逻辑部件（ALU）：用来进行算术和逻辑运算。（2）控制器：整个系统的指挥控制部件从内存中取出指令、翻译指令并调动运算器及其它部件完成相应操作。（3）寄存器：包括程序计数器、指令寄存器、累加器、地址寄存器、数据寄存器、通用寄存器等。16第16页，共61页，2023年，2月20日，星期四3、存储器（Memory）

记忆部件：存储程序和数据。主存(内存)：用于存放当前正在运行的程序和正待处理数据。(CPU内部cache，主板上的内存,造价高，速度快，存储容量小)辅存(外存)：存放暂不运行的程序和输入处理的数据，(主机箱内或主机箱外，造价低，容量大，可长期保存，但速度慢)17第17页，共61页，2023年，2月20日，星期四4、I/O设备完成信息转换、发挥计算机的作用；文字、声音等自然信息以及其它物理信息与计算机能识别的二进制信息进行转换。微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。微型计算机常用的输出设备有CRT显示器、打印机和绘图仪等。18第18页，共61页，2023年，2月20日，星期四5、总线（Bus）计算机各部分之间传送信息的公共通道。各部件分时复用总线。在某一时刻，只能有一个部件向总线发送数据，否则形成总线冲突。可有多个部件从总线接收数据。总线结构降低了部件之间连线数量，提高可靠性；但数据交换速度降低。总线按传递信息的内容分为：数据总线（DataBus--DB）--双向地址总线（AddressBus--AB）--单向控制总线（ControlBus—CB）--双向19第19页，共61页，2023年，2月20日，星期四6、微型计算机结构框图存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU20第20页，共61页，2023年，2月20日，星期四图1.1微型计算机的系统组成控制总线CB数据总线DB地址总线AB系统总线形成处理器子系统I/O设备I/O接口存储器系统总线BUS微型计算机的硬件组成微处理器子系统存储器I/O设备和I/O接口系统总线21第21页，共61页，2023年，2月20日，星期四系统总线总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组地址总线AB：传送地址信息数据总线DB：传送数据信息控制总线CB

：传送控制信息22第22页，共61页，2023年，2月20日，星期四总线信号地址总线AB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数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等举例举例特点23第23页，共61页，2023年，2月20日，星期四IBMPC系列机系统16位IBMPC系列机是32位微机的基础8088CPUIBMPC机IBMPC/AT机IBMPC/XT机24第24页，共61页，2023年，2月20日，星期四硬件基本组成16位和32位PC机的基本部件相同25第25页，共61页，2023年，2月20日，星期四1、位与字节1）位(Bit)指计算机能表示的最小信息单位。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，“0”和“1”1-3微型计算机系统的工作原理2）字节(Byte)相邻的8位二进制数称为一个字节1Byte=8bit如：11000011；0101011126第26页，共61页，2023年，2月20日，星期四3）字（Word）字是CPU内部进行数据处理的基本单位。字长与CPU内部的寄存器、运算器、总线宽度是一致的。通常也将2个字节（16位）定义为一个字；。4）位编号

10100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0数据Data地址Address27第27页，共61页，2023年，2月20日，星期四指令是CPU能执行的一项基本操作。如：取数、加、减、乘、除、存数等

2、指令与指令系统指令系统（或指令集）是某CPU所能执行的全部操作。不同的CPU，其指令系统不同。

程序是用户为使用计算机完成特定任务而编写的指令的序列。28第28页，共61页，2023年，2月20日，星期四为使指令能被计算机识别，必须以二进制编码形式表示，称为机器码。用机器码形式表示的指令不便于人来记忆和理解，于是用一些助记符表示指令代码。如:MOVAX,3561H;ADDBL,21H用助记符表示指令代码的语言称为汇编语言。汇编源程序经编译，形成机器码程序——目标程序。29第29页，共61页，2023年，2月20日，星期四微处理器由运算器、控制器和内部寄存器阵列3部分组成。1-4微处理器组成30第30页，共61页，2023年，2月20日，星期四一、运算器运算器又称为算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit),用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。参加运算的两个操作数，累加器和内部数据总线,可以是数据寄存器DR(DataRegister)中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果送回累加器A暂存。二、控制器(一)指令寄存器IR(InstructionRegister)

存放从存储器取出的将要执行的指令。(二)指令译码器ID(InstructionDecoder)

对指令寄存器IR中的指令进行译码，确定该指令应执行什么操作。(三)可编程逻辑阵列PLA(ProgrammableLogicArray)

产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。31第31页，共61页，2023年，2月20日，星期四三、内部寄存器通常，内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄存器组。(一)累加器累加器是用得最频繁的一个寄存器。在进行算术逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用来保存一个操作数；运算后，用来保存结果。(二)数据寄存器DR

数据寄存器DR用来暂存数据或指令。从存储器读出时，若读出的是指令，经DR暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR;若读出的是数据,则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时,数据是经数据寄存器DR，再经数据总线DB写入存储器的。

32第32页，共61页，2023年，2月20日，星期四(三)程序计数器PC(ProgramCounter)程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。通常,程序按顺序逐条执行。任何时刻,PC都指示微处理器要取的下一个字节或下一条指令(对单字节指令而言)所在的地址。因此,PC具有自动加1的功能。(四)地址寄存器AR(AddressRegister) 地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。在取指令时，将PC中存放的指令地址送到AR，根据此地址从存储器中取出指令。在取操作数时，将操作数地址通过内部数据总线送到AR，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向存储器写入数据。

33第33页，共61页，2023年，2月20日，星期四(五)标志寄存器F(FlagRegister)

标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根据检测有关的标志位是0或1,可以按不同条件决定程序的流向。

34第34页，共61页，2023年，2月20日，星期四存储器是微机的存储和记忆部件，用来存放程序和数据（包括原始数据、中间结果与最终结果）。在计算机内部，程序和数据都是用0、1二进制代码的形式来表示的。每一个0或1就叫做1位信息。1-5存储器概述一、基本概念35第35页，共61页，2023年，2月20日，星期四二、存储器组成随机存取存储器由存储体、地址译码器和控制电路组成。地址译码器接收从地址总线AB送来的地址码，经译码器译码选中相应的某个存储单元，以便从中读出（取出）信息或写入（存入）信息。控制电路用来控制存储器的读／写操作过程。36第36页，共61页，2023年，2月20日，星期四三、读／写操作过程从存储器读出信息:假定CPU要读出存储器04H单元的内容10010111(1)CPU的地址寄存器AR先给出地址04H并将它放到地址总线上,经地址译码器译码选中04H单元;(2)CPU发出“读”控制信号给存储器,指示它准备把被寻址的04H单元中的内容97H放到数据总线上;(3)在读控制信号的作用下,存储器将04H单元中的内容97H放到数据总线上,送至数据寄存器DR,然后由CPU取走。37第37页，共61页，2023年，2月20日，星期四向存储器写入信息:

假定CPU要把数据寄存器DR中的内容00100110即26H写入存储器08H单元,则：(1)CPU的地址寄存器AR先把地址08H放到地址总线上,经地址译码器选中08H单元；(2)CPU把数据寄存器中的内容26H放到数据总线上;(3)CPU向存储器发送“写”控制信号,在该信号的控制下,将内容26H写入被寻址的08H单元。38第38页，共61页，2023年，2月20日，星期四微机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成,因此,执行程序的过程，就是执行指令序列的过程,即逐条地执行指令;由于执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段,所以,微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的过程。1-6微机工作过程39第39页，共61页，2023年，2月20日，星期四假定程序已由输入设备存放到内存中。当计算机从停机状态进入运行状态时,首先把第1条指令所在的地址赋给程序计数器PC，然后机器进入取指阶段。

40第40页，共61页，2023年，2月20日，星期四在取指阶段,CPU从内存中读出的内容必为指令,于是,数据寄存器DR便把它送至指令寄存器IR;然后由指令译码器译码，控制器就发出相应的控制信号,CPU便知道该条指令要执行什么操作。在取指阶段结束后，机器就进入执指阶段,这时,CPU执行指令所规定的具体操作。当一条指令执行完毕以后,就转入了下一条指令的取指阶段。这样周而复始地循环一直进行到程序中遇到暂停指令时方才结束。

41第41页，共61页，2023年，2月20日，星期四取指阶段都是由一系列相同的操作组成的,所以,取指阶段的时间总是相同的，它称为公操作。而执指阶段将由不同的事件顺序组成,它取决于被执行指令的类型，因此,执指阶段的时间从一条指令到下一条指令变化相当大。应当指出的是，指令通常包括操作码(OperationCode)和操作数(Operand)两大部分。操作码表示计算机执行什么具体操作,而操作数表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址,也称之为地址码。

42第42页，共61页，2023年，2月20日，星期四举例一段汇编程序MOVAL，7；将数值7装入累加器AL中ADDAL，10；AL内容与10相加，结果存于AL中HLT；停止操作编译成机器码：10110000（MOVAL，X）00000111（X=7）00000100（ADDAL，X）00001010（X=10）11110100（HLT）写入存储器内容1011000000000111000001000000101011110100地址0000H0001H0002H0003H0004H43第43页，共61页，2023年，2月20日，星期四二进制（Binary)表示；计算机表示信息的方式。十进制(Decimal)表示；人的自然表示。16进制(Hexadecimal)表示；二进制的等价表示，每4位二进制数字等价于一位16进制数字。用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F表示16个数码。表示：二进制—B；十进制—D（可省略）；十六进制—H1-7计算机运算基础1、常用的计数制44第44页，共61页，2023年，2月20日，星期四2、数制间的数值转换1）非十进制数化十进制数的方法：各位数码乘以与其对应的权，然后相加即可。如：1011B=1*23+0*22+1*21+1*20=1102E3H=0*163+2*162+E*16+3=2*256+14*16+3=7392）十进制转化为N进制数的方法整数部分除以N，并记下余数，直到商为0;将余数按从后往前的顺序排列起来，构成整数部分。小数部分乘以N，并记下结果的整数部分，直到结果的小数部分为0;然后将结果的整数部分从前向后排列起来，构成小数部分。45第45页，共61页，2023年，2月20日，星期四3）十六进制与二进制数的转换十六进制数每一位用4位二进制数表示4）举例求100D的二进制和十六进制表示100/2=50余050/2=25余025/2=12余112/2=6余06/2=3余03/2=1余11/2=0余1所以100D=1100100B=1100100B=64H46第46页，共61页，2023年，2月20日，星期四3、计算机中常用的编码1)所谓编码是指信息在计算机中的表示方法。信息既包括数字也包括字母、符号和一些不可见的控制符号。2)BCD码（Binary-CodedDecimal)用四位二进制数表示一位十进制数。3)ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange)用7位二进制进行编码（00-7FH），可表示128种字符，见附录1。在机器内用一个字节表示，D7=0。47第47页，共61页，2023年，2月20日，星期四4)汉字编码：常用国标码，用两个7位编码表示汉字和一些图形符号；在机器内用两个8位字节表示，称为内码；每个字节的D7=1，以与ASCII码相区别。如汉字‘啊’的国标码为01100000100001；对应内码为101100001010000148第48页，共61页，2023年，2月20日，星期四在计算机中，符号只能用数字来表示。用二进制数字的最高位表示该数的符号。正数为0，负数为1。其余位为数值位。机器数的表示方法有：原码、反码、补码。4、计算机中有符号数的表示5、原码、反码和补码1）原码：正数的原码为该数的二进制数； 负数的原码仅符号位为1。例：若用8位二进制数表示机器数，则13的原码为00001101；而-13的原码为10001101。

原码表示便于乘除运算，不便于加减运算。49第49页，共61页，2023年，2月20日，星期四2）反码：正数的反码等于原码； 负数的反码等于其相反数按位取反。 例：若用8位二进制数表示机器数，则13的反码为00001101；-13的反码为11110010；而-（-13）的反码为（11110010）的各位取反。3）补码：正数的补码等于原码； 负数的补码为其反码+1。例：若用8位二进制数表示机器数，则13的补码为00001101；而-13的补码为11110010+1=11110011。-（-13）的补码为00001100+1=00001101=1350第50页，共61页，2023年，2月20日，星期四4）补码的性质与作用[x+y]补=[x]补+[y]补[x-y]补=[x]补+[-y]补

如32-13=32+（-13）=00100000B+11110011B=000010011B而13-32=00001101B+11100000B=11101101B=-19的补码采用补码可将减法转化为加法，符号位同数值位一同参与运算，运算简单。

引入补码的目的是：1）便于加减法运算；2）使加法和减法相统一，降低硬件复杂性。51第51页，共61页，2023年，2月20日，星期四

M位二进制数能够表示的无符号数范围为：0～2M-1M位二进制数能够表示的有符号数范围为：原码-2M-1+1～2M-1-1反码-2M-1+1～2M-1-1补码-2M-1～2M-1-16、无符号数和有符号数的表示范围52第52页，共61页，2023年，2月20日，星期四典型8位二进制数的码值数值 原码 反码 补码127 7FH 7FH 7FH126 7EH 7EH 7EH1 01H 01H 01H0 00H/80H 00H/0FFH 00H-1 81H 0FEH 0FFH-2 82H 0FDH 0FEH-127 0FFH 80H 81H-128 / / 80H53第53页，共61页，2023年，2月20日，星期四当前计算机的基本实现方案——冯.诺依曼(VonNeumann)体系结构

由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，各自行使不同功能；指令与数据存放在存储器中，顺序执行；采用二进制形式表示信息。该体系结构是冯.诺依曼(VonNeumann)于1946年提出，奠定了计算机实现框架；1949年诞生冯.诺依曼结构计算机，至