微型计算机系统课件

微型计算机系统概论

计算机的发展和应用基于计算机的信息表示计算机系统的组成与工作原理微型计算机的硬件系统计算机的发展和应用计算机的产生计算机的发展计算机的特点计算机的应用什么是计算机

计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。计算机的产生世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，电子数值积分机和计算机），于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学。它每秒可进行5000次加减运算。至今人们公认，ENIAC的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。人类第一台具有存储程序功能的计算机-UNIVAC。该机的特征占地面积为170平方米运算速度为每秒5000次18000多个电子管耗电150千瓦重量达30吨计算工具！计算机的发展第一代：电子管计算机（1946～1958）其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。第一代电子计算机体积庞大，造价高，主要用于军事和科学研究。电子管计算机的发展第二代：晶体管计算机（1958～1964）其基本特征是晶体管电路电子计算机，内存所使用的器件大多使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。晶体管计算机体积小，成本低，可靠性大大提高。除了科学计算，还用于数据处理和事务处理。晶体管计算机的发展第三代：集成电路计算机（1965～1970）其基本特征是逻辑元件采用小规模集成电路SSI（smallscaleintegration）和中规模集成电路MSI（middlescaleintegration）。运算速度每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件也逐步完善。计算机开始广泛应用在各个领域。集成电路计算机的发展第四代：大规模集成电路计算机（1971年至今）。其基本特征是逻辑元件采用大规模集成电路LSI（largescaleintegration）和超大规模集成电路VLSI（verylargescaleintegration）技术。计算机的速度最高可达每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。大规模集成电路计算机的特点1.运算速度快2.计算精度高3.存储能力强4.具有逻辑判断能力5.具有自动运行能力计算机的应用1.科学计算2.数据处理3.人工智能4.电子商务5.过程控制6.计算机辅助系统7.多媒体技术8.虚拟现实

日本三菱重工业公司研制发明了一个酷似人类小孩的机器人,这种智能机器人名叫若丸。若丸高1米，重30公斤，形似小孩。它可以识别10个人的面孔，并能与人交流。当它与移动电话连接后，若有盗贼入室或有家人病倒，它都可以通过移动电话将信息传送给主人。这种机器人可以识记1万个单词，并可以像家庭小保姆一样干家务。

基于计算机的信息表示数制与数制间的转换数值信息的二进制表示非数值信息的二进制表示数制与数制间的转换进位计数制：用一组特定的数字符号按照一定的进位规则来表示数目的计数方法在采用进位计数制的数字系统中，如果只用r个基本符号表示数值，则称其为基r数制，r称为该数制的基数，而数值中每一固定位置对应的单位值称为权。十进制数：121.41＝1×102+2×101+1×100+4×10-1+1×10-2

位权

…2、1、0、－1、－2…该数制的基1.计算机中的数字形式

计算机内部是一个二进制的数字世界，一切信息的存取、处理和传送都是以二进制编码形式进行的。二进制是计算机信息表示、存储、传输的基础。2.二进制的特点（1）物理上容易实现；（2）运算简便；（3）运行可靠；（4）逻辑计算方便。进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16基本符号0,10,1,2,…,70,1,2,…,90,1,…,9,A,B,…,F权2i8i10i16i表示形式BODH表1.2.1常用的各种进位计数制的表示数制与数制间的转换不同进位计数制的转换

(1)二-十转换：将二进制数按位权展开后相加(2)十-二转换：整数的转换—除2取余26213余数2062132021101除基数得余数从低位到高位数制与数制间的转换0.812521.625021.250020.5000取整1100.62500.2500乘基数取整数作系数从高位到低位小数的转换—乘2取整

若小数在连乘多次后不为0，一般按照精确度要求(如小数点后保留n

位)得到n个对应位的系数即可。21.00001常用进位计数制的对应关系十进制（D）二进制（B）八进制（O）十六进制（H）000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F数制与数制间的转换(3)二-八转换:57(4)八-二转换:每位8进制数转换为相应3

位二进制数011001.100111每3位二进制数相当一位8进制数011111101.1101000002341.062方法:“三合一”方法：“一变三”数制与数制间的转换（5）二-十六转换：每4

位二进制数相当一位16进制数A1（6）十六-二转换：每位16进制数换为相应的4位二进制数方法:“四合一”方法:“一变四”思考题：选出下列数中最大的数（）

A、（76）8B、（17）16C、（11101）2D、（190）10

A、（76）8=62B、（17）16=23C、（11101）2=29D、（190）10D数值信息的二进制表示1.符号数计机器数表示数在计算机中的表示统称为机器数。机器数有三个特点：（1）数的符号数值化在计算机中，因为只有0和1两种形式，为了表示数的正（+）、负（-）号，也必须以0和1表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负。称为数符；其余位仍表示数值。通常，把在机器内存放的正、负符号数值化的数称为机器数，机器数对应的数值称为机器数的真值数。

数值信息的二进制表示（2）计算机中通常只表示整数和纯小数。因此，小数点约定在一个固定的位置上，不再占用1个数位。（3）机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。例如，若表示一个整数，字长为8位，最大值01111111，最高位是符号位，因此此数的最大值为127。若数值超出127，就要溢出。为了表示较大或较小的数，用浮点数来表示。2.定点数与浮点数定点数约定小数点隐含在某一固定的位置上，称为定点数表示法；浮点数是指小数点位置可以任意浮动，称为浮点数表示法。数值信息的二进制表示定点数表示法定点数表示法有两种约定，定点整数和定点小数。定点整数约定小数点位置在机器数的最右边，如图1-2所示，定点整数是纯整数。

定点整数分为带符号数和不带符号数两类。对带符号数的整数，符号位被放在最高位。整数表示的数是精确的，但数的范围是有限的。根据存放的数的字长，它们可以用8、16、32位等表示，当以补码形式表示时，各自表示的数的范围见表1.2.3。

数值信息的二进制表示（2）浮点数表示法定点数表示的数值范围在许多应用中是不够的，尤其在科学计算中，为了能表示特大或特小的数，采用“浮点数”或“科学表示法”表示。“浮点数”由两部分组成，即尾数和阶码，底数是事先约定的，在机器数中不出现。在浮点表示方法中，小数点的位置是浮动的，阶码可以取不同的数值。为了便于计算机中小数点的表示，规定将浮点数写成规格化的形式，即尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。数值信息的二进制表示3.带符号数的表示从上述的机器数可知，数在存放时由数符位用0表示正数，1表示负数。若将符号位同时和数值参加运算，则会产生错误的结果；否则要考虑计算机结果的符号问题，将增加计算机实现的难度。

若考虑符号位的处理，则运算变得复杂。为了解决此类问题，在机器数中，负数有三种表示法：原码、反码和补码。（1）原码整数X的原码指：其数符位0表示正，1表示负；其数值部分就是X绝对值的二进制表示。通常用[X]原表示X的原码。数值信息的二进制表示由此可知，8位原码表示的最大值为127，最小值为-127，表示数的范围为-127~127。原码表示法简单易懂，与其真值得转换方便，但当两个数做加法运算时，如果两数码符号相同，则数值相加，符号不变，如果两数码符号不同，数值部分实际上是相减，这是必须比较哪个数的绝对值大，才能决定运算结果的符号位及值。（2）反码整数X的反码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反。通常用[X]反表示X的反码。数值信息的二进制表示由此可知，8位反码表示的最大值、最小值和表示数的范围与原码相同。（3）补码整数X的补码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反最右加1，即反码加1。通常用[X]补表示X的补码。因而可以多出来的一个编码10000000来扩展补码所能表示数的范围，即将负数最小-127扩大到-128。这里的最高位既可以看成是符号位负数，又可以表示为数值位，其值为-128。这就是补码与原码、反码最小值不同的原因。补码运算方便，二进制的减法运算可用补码实现，使用较为广泛。非数值信息的二进制表示1.字符编码字符是计算机中使用最多的信息形式之一，它是人与计算机进行通信、交互的重要媒介。它包括了西文字符和中文字符，由于计算机是以二进制的形式存储和处理的。因此字符也必须按特定的规则进行二进制编码才能进入计算机。（1）西文字符对西文字符编码最常用的是ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange,美国信息交换标准代码）。ASCII是用7位二进制编码，它可以表示27即128个字符，见表1.2.4。每个字符用7位基2码表示，其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0，d6为最高位，d0为最低位。非数值信息的二进制表示在ASCII码表中看出，十进制码值0~32和127（即NUL~US和DEL）共34个字符称为非图形字符（控制符）；其余94个字符称为图形字符。计算机的内部存储与操作以字节为单位，即8个二进制位为单位。因此一个字符在机算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高为d7为0。在需要奇偶校验时，这一位可用于存放奇偶校验位的值，此时称该位为校验位。西文字符除了常用的ASCII编码外，还有一种EBCDIC码（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode，扩展的二—十进制交换码），这种字符编码主要用在大型机器中。EBCDIC码采用8位基2码表示，有256个编码状态，但往往只选用其中一部分。非数值信息的二进制表示2.中文字符用计算机处理汉字时，必须先将汉字代码化，汉字是象形文字，种类繁多，编码比较困难，而且在一个汉字处理系统中，输入、内部处理、输出对汉字编码的要求不尽相同，因此进行一系列的汉字编码及转换，汉字信息处理中各编码及流程如图1-4所示。其中虚框中的编码对国标码而言。（1）汉字输入码在机算机系统中使用汉字，首先遇到的问题是如何把汉字输入到计算机内。为了能直接使用西文标准键盘进行输入，必须为汉字设计相应的编码方法。汉字编码方法主要分为三类：数字编码、拼音码和字形编码。非数值信息的二进制表示（2）内部码内部码是字符在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输字符用的代码。一个国标码占两个字节，每个字节最高位仍为０；英文字符的机内码是７位ASCII码，最高位也为０，为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，将国标码的每个字节的最高位有０变为１，变换后的国标码成为汉字机内码，由此可知汉字机内码的每个字节都大于128，而每个西文字符的ASCII码值均小于128。以汉字“大”为例，国标码为3473Ｈ，机内码为B4F3H。

非数值信息的二进制表示（3）字形码汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点陈表示字形时，汉字字形码指的是就是这个汉字字形点阵的代码。根据输出的汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为16x16点阵，提高型汉字为24x24点阵、32x32点阵、48x48点阵等。点阵规模愈大，字形愈清晰美观，所占用的存储的空间也愈大。以16x16点阵为例，每个汉字要占用32B存储空间，两级汉字大约占用256KB。因此，字模点阵用来构成“字库”，字库中存储了每个汉字的点阵代码，当显示输出时检索字库，输出字模点阵得到字形。计算机系统的工作原理与组成计算机的基本工作原理计算机系统的组成微型计算机系统的分类

计算机的基本工作原理1.计算机的指令系统。指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令的数量和类型由CPU决定。一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。计算机的基本工作原理计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。当计算机在工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令。指挥各部件协调地工作。计算机的基本工作原理下面以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令执行的过程分为以下四个步骤：（1）取指令（2）分析指令（3）执行指令（4）一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到（1）。微型计算机系统的分类（1）按组成结构分类单片机单板机（2）按用途分类微型计算机按用途可分为台式机、便携式计算机、手持式计算机等。一、计算机硬件系统二、计算机软件系统1.3.2计算机系统的组成

一个完整的计算机系统:是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件系统：是构成计算机系统的各种物理设备的总称，它是由各种器件和电子线路组成。是计算机完成计算工作的物质基础。软件系统：是计算机硬件设备上运行的各种程序及相关的资料的总和。计算机系统内存储器随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）主机中央处理器CPU运算器控制器硬件系统外部设备输入设备：键盘、鼠标器、光笔、扫描仪输出设备：显示器、打印机、绘图仪等外存储器：磁带、磁盘（软盘、硬盘）、光盘通信设备：网卡、调制解调器等软件系统系统软件：操作系统、语言处理系统支撑软件：工具软件、数据库管理系统、网络系统应用软件：各种应用程序包等

计算机系统的基本组成图中央处理器（CPU）控制器运算器数据流地址控制流输入设备输出设备（外）存储器（内）存储器一、计算机硬件系统运算器：用于对数据进行加工的部件控制器：用于控制各个部分自动协调地工作存储器：用于存放程序和数据的记忆装置输入设备：是外部向计算机传送信息的装置输出设备：是将计算机内部二进制的信息转换成人们所需要的或能够识别的信息形式各部分的主要功能：软件:

是各类程序、数据及其有关的技术文档的总和。软件分类:系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件：是负责控制、维护和管理计算机系统资源的软件支撑软件：用于支持实际应用系统的开发和运行的软件应用软件：是面向具体问题和具体用户而编制的软件1.3.2计算机软件系统

二、计算机软件系统软件系统组成：

软件系统系统软件操作系统（如DOS、Windows、UNIX、OS/2、Linux等）语言编译和解释系统程序设计语言(如汇编语言、VisualBASIC、C、FORTRAN、PASCAL、

C++、VC、VC++、Delphi、PB、Java、VBScript、

JavaScript、PHP、ASP、JSP等）网络软件(Leapftp、Cuteftp、Flashget)数据库管理系统(如FoxBASE、VisualFoxPro、Access、

SQLServer、

Oracle、DB2、Sybase、Informix等)系统服务程序（如诊断程序、杀毒软件等）应用软件信息管理软件（如工资管理软件、人事管理软件等)科学计算程序办公自动化软件（OA：如WPSOffice、Word、Excel）图形与图像处理软件(CorelDraw、Photoshop)辅助设计软件（如CAD、CAM、CAI、CAT、CAPP等）支撑软件个人电脑微型机又叫PC机或个人电脑。一台个人电脑由：主机、显示器、键盘、鼠标、音箱、调制解调器等设备组成。

笔记本电脑1.4计算机硬件系统CPU是英文CentralProcessingUnit的缩写，称之为中央处理器。常见芯片如图：1.中央处理器（CPU）

Intel生产的PentiumⅢ和Pentium4芯片AMD生产的Athlon芯片

主板连结着主机箱内的其他硬件，是其他硬件的载体，因此又称“母板(Motherboard)”。CPU、内存、硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器、显示卡等都插接在主板上。2.主板(Mainboard)