工学微机原理与接口技术科大周荷琴主编课件第一章

第一章绪论第一台计算机世界上第一台数字电子计算机，1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功，取名为ENIAC（Electronic

Numerical

Integrator

and

Calcular）该计算机共用18000多个电子管，6000余个开关，7000多个电阻，10000个电容器和50万条连线，重达30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，运算速度5000次加法/秒尽管该计算机有诸多不足，如存储容量小，体积大，耗电多，可靠性差，使用不便等。但当时人们对它的速度还是相当满意，它的诞生宣布了电子计算机时代的到来。计算机发展经历4代第一代电子计算机特点是使用电子管，20世纪40年代末和50年代初获得重大发展。第二代电子计算机于20世纪50年代中期问世，晶体管代替电子管，并增加了浮点运算。1964年4月IBM360系统问世，成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表70年代以后，出现使用超大规模集成电路的第四代电子计算机，目前使用的计算机都属于第四代计算机。80年代开始研制第五代计算机，目标是打破以往计算机固有的体系结构，使计算机具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，称为“智能计算机”。目前，科学家们正在使计算机朝着巨型化、微型化、网络化和智能化和多功能化的方向发展。巨型机的研制、开发和利用，代表着一个国家的经济实力和科学水平。微型机的研制、开发和广泛应用，标志着一个国家科学普及的程度。1.1微处理器发展概况第一代微处理器：1971年开始4位和8位微处理器，典型产品有：1971年1972年Intel

4004Intel

8008芯片主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS电路，集成度为2300只晶体管，时钟频率小于1MHz，平均指令执行时间为10 -15第二代微处理器：1974年开始8位微处理器，典型产品有：1974年1974年1975年1976年Intel

8080Motorola

MC6800Zilog

Z80Intel

80858080微处理器采用NMOS工艺，集成度达4500只晶体管，时钟频率为2MHz，平均指令执行时间为1 -2第三代微处理器：1978年开始16位微处理器，典型产品有：1978年1979年1982年Intel

8086 1979年Zilog

Z8000Motorola

68000Intel

80286Motorola

680108086主要采用HMOS新工艺，集成度达29000万只晶体管，时钟频率有5MHz，8MHz，10MHz，平均指令执行时间0.5第四代微处理器：1983年开始32位微处理器，典型产品有：1983年1985年Zilog

Z80000Intel

803861984年

Motorola

680201989年 Intel

80486Motorola

6804080386主要采用CHMOS工艺，集成度高达27.5万只晶体管，时钟频率为16MHz~33MHz，平均指令执行时间小于0.1第五代微处理器：1993年开始32位微处理器，典型产品有：1993年1997年2000年Pentium

586Pentium

IIPentium

41995年1999年2006年Pentium

ProPentium

IIICore1.2微型计算机系统冯.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部分构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，存放地址由地址码指定，地址码也是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）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，能够根据计算结果选择不同的动作流程1.2.1微型计算机系统的组成1、微型计算机系统的三个层次微处理器（CPU）CPU是核心部件，具有运算和控制能力。主要包含：运算器控制器寄存器英特尔高性能家用台式机微处理器（2）微型计算机由CPU、存储器、I/O接口电路、系统总线构成存储器包括RAM和ROMI/O接口电路用于微机和外部设备的连接总线结构使得系统各功能部件间的相互关系变为各部件面向总线之间的单一关系数据总线（DB）：数据总线的位数（也称为宽度）与微处理器的位数相对应，数据总线是双向的地址总线（AB）：地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存范围，地址总线是单向的如：16位微型机的AB为20位，决定它的最大内存容量为 =1M字节控制总线（CB）：控制总线用来传输控制信号，是双向的（3）微型计算机系统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，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机软件分为系统软件和应用软件两大类1.2.2微型计算机的常用术语和工作原理一、位和字节1、位（bit）：位是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值为0或者1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b2、字节（byte）：由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B二、字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位32位等等。8088称为准16位处理器三、性能指标1、主频：指微型计算机中CPU的时钟频率，微机运行的速度与主频有关。2、内存容量：指微机存储器能存储信息的字节数。3、存取周期：存取周期是指主存储器完成一次读写所需的时间，存储时间越短，即存取速度越快，使整机的运算速度提高。4、运算速度：运算速度指微机每秒所能执行的指令条数，单位用MIPS（百万条指令/秒）5、内核数目：指封装在一个处理器内的处理器内核数目。微型计算机的工作原理微型计算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，即逐条的从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。1.2.3

I/O接口输入/输出接口电路用于CPU（或存储器）与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与CPU之间的工作速度不同，信号电平不同，数据格式不同，因此要配备不同的I/O接口电路来辅助CPU工作，实现CPU与外设之间的速度匹配，信号电平匹配，信号格式匹配，时序控制，中断控制等。□8259A：可编程中断控制器。外部设备请求与CPU传送数据时，由中断控制器向CPU发出请求，CPU响应中断后，暂停正在服务的程序，转去服务外设的程序，中断服务结束后返回主程序。□8254：可编程计数/定时器。计算机中需要的实时时钟，对动态RAM的定时刷新，扬声器的定时发声，以及其它定时控制的定时信号等，均可由8254来实现计数/定时器功能。□8255：可编程并行接口芯片。可实现CPU与外设之间8位数据并行传送，用于打印机接口，CRT控制接口等。□8251A：可编程串行接口。8251A是一种通用同步/异步数据收发器，作为可编程通信接口芯片，能工作在全双工方式，也可选择同步/异步工作方式。□8237A：可编程DMA控制器。当外设有大批量数据传送时，可采用DMA工作方式，即外设直接与存储器交换数据。CPU让出总线，由DMA控制器接管总线，产生地址、数据和控制信息。1.2.4微机总线结构总线结构：系统中各部件均挂在总线上，可使微机系统的结构比较简单，易于维护，并有更大的灵活性和更好的扩展性。根据总线结构组织方式不同，分为：单总线、双总线、双重总线。单总线结构：M和I/O使用同一组信息通路，采取分时操作。结构简单、成本低。中低档微机常用此结构。双总线结构：M和I/O各有一组连通CPU的总线，可同时操作。拓宽了总线宽度，提高了传输效率，高档微机采用此结构。CPU负担加重，可采用专门处理芯片（智能I/O接口）减轻负担。双重总线结构：具有局部总线与全局总线，并行操作。提高了数据处理和传输效率，高档微机和工作站采用此结构。1.3数据表示与运算1.3.1 进位计数制与不同基数制之间的转换一、二进制数、八进制数和十六进制数1、二进制数二进制数只有0,1两个数码，其基数为2，遵循逢二进一的原则，它的第K位权以 表示。二进制的描述是在其尾部加注字母B2、八进制数八进制数有0~7共8个数码，其基数为8，遵循逢八进一的原则，它的第k位权以 来表示。八进制的描述是在其尾部加注字母O或Q3、十六进制数十六进制数有0~9，A~F共16个数码，其中A~F分别表示10~15共6个数码，其基数为16，遵循逢十六进一的原则，它的第k位权以 表示。十六进制的描述是在其尾部加注字母H1.3.2

不同进制之间的转换1、非十进制数转换成十进制数各位非十进制数码乘以与其对应的权之和即为该数对应的十进制数例如：1011100.1011B=？A031H=？1001Q=？2、十进制数转换成非十进制数十进制数转换成非十进制数：一般整数部分采用除基数取余法，小数部分采用乘基数取整法。除基数取余法的具体操作是把待转换的十进制数的整数部分不断除以要转换为的非十进制基数，并记下余数，直到商为0时为止；乘基数取整法的具体操作是把待转换的十进制数的小数部分不断乘以要转换为的非十进制基数，逐次记下乘积整数部分的值，直到小数部分为0时为止。例题：以十进制转换成二进制为例说明137.8125D=？3、十六进制数与二进制数之间的转换一个十六进制数中的每一位均用4位二进制数表示，便可形成相应的二进制数；反之，二进制数只要把它从低位到高位每4位组成一组，再用十六进制数来表示就可以了。例题：CB9AH=？0111010110111111=？1.3.3数据表示一、数值数据的表示数值数据可以用不同的码制来表示，常用的有原码、补码和反码表示法1、原码以数值的符号加上数值的二进制表示组成的编码例：+772、反码和补码正数的原码、反码、补码形式是相同的负数反码：原码的符号位不变，数值位按位取反负数补码：反码加1结论：原码、反码和补码最高位都是符号位正数的原码、补码、反码相同原码、反码、补码的表示范围不同编程时不涉及码制，由硬件自动完成采用不同的码制，运算器和控制器的结构不同3、数的表示范围有符号数的表示范围一般说来，n位二进制补码的表示范围是8位补码能表示的范围是：-128~+12716为补码能表示的范围是：-32768~+32767无符号数的表示范围在做无符号数处理时，把最高有效位作为数值处理。8位无符号数的表示范围是：0~25516为无符号数的表示范围是：0~65535二、补码的运算补码的加法规则：[X+Y]补=[X]补+[Y]补补码的减法规则：[X-Y]补=[X]补+[-Y]补1、在数值的加减运算中，如果运算结果中有超出模值的位，这一位将被自然丢失，不考虑再当前运算结果中。例如：[53-44]补=[53]补+[-44]补00110101+

110101002、如果运算结果超出了所能表示的数值范围，则产生溢出，运算结果不正确。判断溢出的方法：（1）两个同符号数相加，运算结果的符号与加数、被加数的符号不同，则产生溢出；两个异号数相减，运算结果的符号如果与被减数的符号不同，则产生溢出。例如：[+120]补+[+10]补01111000+00001010双位符号数：使用两个相同的符号位表示一个数的符号，其中00表正号，01和10表溢出，11表负号，如果运算结果的两个符号位不同，则产生溢出进位判断法：在两个单符号码补码进行加减运算时，若最高数值位向符号位的进位值C1与符号位向前产生的进位值C2相同时，没有产生溢出，如果两个进位值不同，则有溢出产生二、BCD码BCD码是利用二进制形式来表示十进制数，即用4位二进制数（0000B~1001B）表示1位十进制数（0~9），而每4位二进制数之间的进位又是十进制的形式。1、压缩BCD码：一个字节中存放两个十进制数字位2、非压缩