G第1章微型计算机基础知识

本章主要教学内容微处理器的产生和发展微型计算机系统的组成与工作过程计算机中数的表示与编码第一章微型计算机基础知识

11.1微处理器的产生和发展

1.1.1计算机发展简介

1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台电子数字计算机ENIAC，此后计算机的发展随着其主要电子部件的演变已经历了4代：

1.第一代（1946~1958）电子管计算机

2.第二代（1959~1964）晶体管计算机

3.第三代（1965~1970）中小规模集成电路计算机

4.第四代（1971年以后）大规模和超大规模集成电路计算机21.1.2微处理器的产生及发展（1）微处理器诞生于20世纪70年代初，将传统计算机的运算器和控制器等集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器。按照微处理器的字长和功能划分经历了5代演变：

1.第一代（1971开始）4位和8位低档微处理器

Intel4004(71)，Intel8008(72)2.第二代（1974开始）8位中高档微处理器

Intel8080(74)，MC6800(74)，Z80(75)，Intel8085(76)3.第三代（1978开始）16位微处理器

Intel8086(78)，Z8000(79)，MC68000(79)Intel80286、MC68010(82)31.1.2微处理器的产生及发展（2）

4.第四代（1983开始）32位微处理器

Z80000(83)，MC68020(84)，Intel80386(85)89年Intel80486、MC680405.第五代（1993年以后）是64位全新高性能奔腾（Pentium）系列微处理器。

93年Pentium95年PentiumⅡ97年PentiumPro99年PentiumⅢ2000年Pentium42006年Core4英特尔微处理器芯片80386PentiumPentium451.1.3计算机的发展趋势随着科学技术的发展，未来计算机的发展趋势有如下几个方面：

1.朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展。

2.开发和研究的热点是多媒体计算机。

3.未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。1.1.4微型计算机的分类

1.按字长分类按照微处理器能够处理的字长可分为8、16、32和64位微机。

2.按结构方式分类可分为位片机、单片机、单板机、微型计算机系统（PC机）。

3.按所处地位和作用分类单片机、个人计算机、工作站/服务器、网络计算机。61.1.5微型计算机的主要性能指标

1.字长：计算机CPU一次可同时处理的二进制数的位数。

2.主频：也称时钟频率，单位为MHz（兆赫），决定微机的处理速度。

3.主存容量：主存储器中RAM和ROM的总和。

4.运算速度：是微处理器执行指令的速度。

5.外设扩展能力。

6.软件配置。

7.可靠性：计算机在规定的时间和工作条件下正常工作不发生故障的概率。

8.兼容性：计算机的硬件和软件可用于其他多种系统的性能。

9.性能价格比：衡量计算机产品优劣的综合性指标，包括计算机的硬软件性能与售价的关系7

1.1.6微型计算机的应用微型计算机的应用已经深入到各行各业，成为当今信息社会不可缺少的重要工具，其应用领域可以归纳为以下几个方面：1.科学计算2.信息处理（1）办公自动化（2）数据库应用（3）多媒体技术3.过程控制4.计算机辅助设计与仿真5.网络与信息化

81.2.1微型计算机系统组成完整的微型计算机系统组成框架如图所示。硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体；软件是为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。软件由系统软件和应用软件组成。系统软件简化了计算机操作，支持应用软件的运行并提供服务，包括操作系统、实用程序和语言处理程序等；应用软件是为用户解决某种应用问题的程序及有关的文件和资料。

1.2微型计算机系统的组成与工作过程9模拟量I/O开关量I/OI/O设备微型计算机系统硬件软件系统软件程序设计语言应用软件（如软件包、数据库等）机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序主机外围设备运算器控制器寄存器阵列微处理器内存储器I/O接口电路系统总线数据总线地址总线控制总线并行I/O串行I/OROMRAM外部设备过程I/O通道外存储器微型计算机101.2.2微型计算机硬件结构微型计算机的硬件系统由微处理器、内存储器、外存储器、系统总线、接口电路、输入/输出设备等部件组成，如图所示。1.微处理器也称为CPU，是微机的核心部件，包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件，负责对计算机系统的各个部件进行统一的协调和控制。2.内存储器也称为主存储器，用来存放各类操作的数据和程序。按功能和性能可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。3.系统总线是CPU与其它部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道，根据传送内容的不同，可以将总线分成数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB。11微型计算机的硬件典型系统结构图124.I/O接口电路是微型计算机与外部设备交换信息的桥梁。5.主机板由CPU插座、芯片组、内存插槽、系统BIOS、CMOS、总线扩展槽、串并行接口、各种跳线和一些辅助电路等构成。6.外存储器使用最多的是磁盘存储器和光盘存储器。7.输入/输入设备是微机系统与外界通信联系的渠道，最常用的有键盘、鼠标、显示器、打印机等。1314存储程序计算机—又称为冯•诺依曼型计算机1.以运算器为核心、以存储程序原理为基础2.计算过程描述为：由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为1～4字节）3.数据和程序均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，地址码也是二进制形式4.由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行1.2.3计算机工作过程155.控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。运算器输出设备控制器输入设备存储器指令流控制命令数据流16程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码操作数执行1、CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？2、CPU如何按程序控制流执行指令？3、CPU如何知道从哪里取操作数？17汇编语言程序

对应的机器指令

对应的操作------------------------------------------------------------------------MOVAL,5 10110000

将立即数1传送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,800000100

计算两个数的和，结果存放到AL中

00001000 HLT

11110100

停机

例：计算5+8的程序是如执行？18②输出指令地址锁存地址②累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址总线+1③地址译码器读写控制电路④输出地址10110000⑦锁存指令锁存数据⑥置初值①读写命令⑤⑧指令译码锁存输出地址寄存器AR指令执行过程(取指/译码/执行)19取指令，PC加本指令的字节数分析指令执行指令停机指令？结束YN程序执行过程1.取指令阶段的任务根据程序计数器PC从存储器中取出指令，送到指令寄存器IR，PC自动指向下一条指令。2.分析指令阶段的任务一条指令由两部分组成：操作码和操作数。将IR中的指令操作码译码，分析指令。3.执行指令阶段的任务根据分析的结果，取出操作数，执行指令规定的操作，完成指令的功能。4.如果不是停机指令又执行地1条的动作；如果是停机指令，则结束。201.3计算机中的数据表示与编码1.3.1常用计数制及其转换

1．数的表示十进制数采用0~9共10个数字符号及其进位来表示数的大小。0~9这些数字符号称为“数码”；全部数码的个数称为“基数”，用“逢基数进位”进行计数称为进位计数制。进位以后的数字按其所在位置的前后，将代表不同的数值，表示各位有不同的“位权”，位权与基数的关系是：位权的值等于基数的若干次幂。

2．计算机中常用的进位计数制下表给出了计算机中常用计数制的基数和数码以及进位关系。计数制基数数码进位关系二进制20、1逢二进一十进制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十进一十六进制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六进一213．计数制的书写规则（1）在数字后面加写英文字母作为标识：B(Binary)表示二进制数；D(Decimal)表示十进制数（通常可以省略）；H(Hexadecimal)表示十六进制数。（2）在括号外面加数字下标作为标识：(1101)2表示二进制数；(287)10表示十进制数；(5AB9)16表示十六进制数。22

4．数制之间的转换（1）十进制数转换为二进制数：整数转换时，用基数2连续去除该整数直至商等于0，逆序排列余数即可。【例1.1】将十进制整数(35)10转换为二进制整数，采用“除2倒取余”的方法。

2︳35

余数为12︳17

余数为12︳8

余数为02︳4

余数为02︳2

余数为02︳1

余数为10转换后的结果为：(35)10＝(100011)223小数转换时，用基数2去乘以该小数，取出乘积整数部分，连续乘到小数部分等于“0”，然后顺序排列乘积的整数。【例1.2】将十进制小数(0.8125)10转换为二进制小数，采用“乘2顺取整”的方法。0.8125×2＝1.625 取整数位10.625×2＝1.25 取整数位10.25×2＝0.5 取整数位00.5×2＝1.0 取整数位1

转换后的结果为：(0.8125)10＝(0.1101)2

同理，十进制转换为十六进制可采用“除16倒取余”或“乘16顺取整”的方法。24（2）二进制、十六进制数转换为十进制数：按照“将位权展开求和”的方法就可以得到。【例1.3】将二进制数(100101.101)2

转换为十进制数，过程如下：(100101.101)2＝1×25＋1×22＋1×20＋1×2－1＋1×2－3

＝32＋4＋1＋0.5＋0.125

＝(37.625)1025十六进制数转换为十进制数时，用其各位所对应的系数来乘以基数为16的相应位权，就可以得到相应的十进制数。【例1.4】将十六进制数(F5.B)16

转换为十进制数，过程如下：(F5.B)16＝15×161＋5×160＋11×16－1

＝240＋5＋0.6875

＝(245.6875)10261.3.2无符号数与带符号数的表示把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化，这样的数称为机器数。机器数的表示要考虑以下3个因素：（1）机器数的范围（2）机器数的符号（3）机器数中小数点的位置271．数的原码、反码、补码表示（1）原码：正数的原码将其符号位置“0”，负数的原码将其符号位置“1”，其余各位按照通常的方法来表示。（2）反码：正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。（3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。引入补码可以将减法运算化成加法运算，从而简化机器的控制线路，提高运算速度。

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【例1.7】已知[X]补码＝11011011B，求其值X。由于[X]补码的符号位为“1”，表示该数为负数，则其值为：X＝－([1011011]反码＋1)2＝－(0100100＋1)2＝－(0100101)2＝－(1×25＋1×22＋1×20)＝－