微机原理课件-第1章微型计算机基础

第1章微型计算机基础1第1章微型计算机基础№

21.1微型计算机的发展及分类1.2微型计算机的体系结构及性能指标1.3计算机中的数据信息第1章微型计算机基础3本章介绍微型计算机的发展、分类、技术指标、体系结构和工作原理，以及计算机中字符和数据的表示方法，为读者学习后续内容打下基础。1.1微型计算机的发展与分类4【学习目标】

了解微型计算机的基本概念、发展阶段、分类方式及应用领域【主要内容】

微型计算机的发展微型计算机的分类微型计算机的组成5微处理器（microprocessor，简称μP或MP），也称为中央处理器（centralprocessingunit，CPU）它是将构成计算机CPU的所有元件集成在一块硅片上制成的。以微处理器为核心，配合存储器、输入/输出（input/output，I/O）接口电路等外围电路，就构成了微型计算机。微型计算机的发展6主要是指微处理器的发展，分为五个阶段第一代（1971-1973）：4位和8位微处理器，采用机器语言及汇编语言

Intel4004、Intel8008第二代（1974-1977）：8位中高档微处理器，操作系统及高级语言的应用

Intel8080/8085、MC6800、Z80

8位单片机：Intel8048、MC6801、Z8第三代（1978-1984）：16位微处理器，PC机推出

Intel8086/8088、80286，M68000，Z8000第四代（1985-1992）：32位微处理器，多任务多用户作业

Intel80386/80486，M68030/68040第五代（1993年以后）：64位微处理器，多核技术奔腾（Pentium）系列，K6系列计算机的分类7【功能】专用计算机和通用计算机【体系结构、运算速度、结构规模、适用领域等】巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机计算机的分类8巨型计算机（Supercomputer）也称超级计算机，采用大规模并行处理的体系结构，有极强的运算处理能力，存储容量大，主要用于尖端的科学研究和现代化军事领域。大型计算机（Mainframe）是指运算速度快、处理能力强、存储容量大、功能完善的计算机。多采用对称多处理器结构，有数十个处理器，在系统中起着核心作用，发挥主服务器的作用。小型计算机（Minicomputer）主要应用在企业管理、工业自动控制、大学和研究单位的科学计算以及大型分析仪器和测量仪器的数据采集、分析计算等。工作站（Workstation）具有优越的图形功能，较强的网络通信能力。广泛应用于计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简写为CAD）和办公自动化等领域。微型计算机（Microcomputer）又称为个人计算机（PersonalComputer，简称PC机）或个人电脑。计算机的分类9【功能】专用计算机和通用计算机【体系结构、运算速度、结构规模、适用领域等】巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机【应用】嵌入式计算机和通用计算机嵌入式计算机10嵌入式计算机又称嵌入式系统（EmbeddedSystems），是一种以应用为中心、以微处理器为基础，软硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，分成4类嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，简称MCU，又称单片机）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）嵌入式片上系统（SystemonChip，SOC）。1.2微型计算机的体系结构及性能指标11【主要内容】微型计算机的硬件系统和软件系统，微型计算机中指令执行的基本流程以及微型计算机的主要技术指标。【学习目标】掌握冯.诺依曼计算机的体系结构，微型计算机的硬件组成以及各组成部分的基本概念，熟悉微型计算机的软件系统，主要技术指标，了解指令执行的基本流程。1.2微型计算机的体系结构及性能指标现代微型计算机的体系结构是由冯.诺依曼奠定的，称为“冯.诺依曼”结构。冯.诺依曼结构计算机的基本思想是：采用二进制计算、存储程序，并在程序控制下自动执行。微型计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件（hardware）是指组成计算机的物理设备，是看得见摸得着的物体，就像人的躯体。软件（software）一般是指在计算机上运行的程序以及计算机管理的数据和文档资料等，是指示计算机工作的命令，就像人的思想。121.2.1微型计算机的硬件系统13微型计算机的硬件系统由五大部分组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备运算器和控制器是微型计算机的核心，采用大规模和超大规模集成电路技术集成在一块芯片内，称为中央处理器CPU或微处理器。1.2.1微型计算机的硬件系统14图1-1微型计算机的硬件结构微处理器15微处理器是微型计算机的CPU，它具有算术运算和逻辑运算功能，能够发出控制信号，它是微机系统的核心或“大脑”，支配整个微机系统的工作。微处理器由运算器和控制器以及寄存器组3个基本部分组成。微处理器161）运算器运算器又称为算术逻辑单元ALU（arithmeticlogicunit），用来执行基本的算术运算和逻辑运算。2）控制器控制器（controlunit）发出控制信号，指挥计算机的各个部件有条不紊的工作。它按照一定的顺序从存储器中读取指令，进行译码，并产生相应的操作信号，控制CPU及计算机系统的工作。3）寄存器组寄存器组用来暂存参加运算的数据、运算的中间结果以及反映运算结果的状态标志位等。微处理器中的寄存器组17CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器（instructionregister）用来保存当前正在执行的一条指令。程序计数器（programcounter）存放CPU要取的指令在存储器中的地址。又称为指令指针（instructionpointer）。数据地址寄存器（addressregister）用来保存当前CPU所访问的数据单元在存储器中的地址。数据缓冲寄存器（dataregister）用来暂存ALU的运算结果，或CPU从存储器或I/O接口中读取的一个数据。通用寄存器（register）提供一组暂存寄存器状态字寄存器（programstatusword，PSW）保存由算术或逻辑运算指令结果建立的各种条件代码。存储器（memory）18主要功能是存放程序和数据微型计算机的存储器采用半导体存储器。不管是程序还是数据，在存储器中都用二进制的0或1表示，统称为信息。一个8位二进制数保存在一组半导体触发器中，称为一个存储单元。每个存储单元都有编号，称为地址。每个存储单元的地址只有一个，固定不变，而存储在其中的信息是可以改变的。存储器（memory）19向存储单元中存放或取出信息，都称为访问存储器。向存储器中存放信息，称为写操作；从存储器中取出信息，称为读操作。写操作改变了存储单元的内容，是破坏性的；而读操作是非破坏性的，存储单元的内容被“读”走之后仍保留原信息。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用KB、MB、GB来表示，如64KB、512MB、8GB。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息越多。计算机通常配备容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对的，半导体存储器称为内存储器或主存储器，简称内存或主存。I/O设备和I/O接口20I/O设备是指微机上配备的输入/输出设备，也称为外部设备或外围设备（简称外设）。输入设备为计算机提供信息，它将人们熟悉的信息形式，如数字、字母、文字、图像等，转换成计算机能够识别的二进制信息并送人计算机中。输出设备将计算机处理结果的二进制信息转换成人或其它设备能够接收和识别的形式，如字符、文字、图形等。磁盘、光盘、U盘等大容量存储器也是计算机的外围设备，它们既可以作输入设备，也可以作输出设备。此外，它们还有存储信息的功能，可作为计算机系统的辅助存储器使用。各种I/O设备的工作速度、驱动方式等差别巨大，无法通过系统总线与CPU直接相连，必须通过I/O接口电路进行变换和中转。I/O接口也称为适配器或接口卡。总线21总线是将组成计算机的多个功能部件连接起来，传递信息的公共通道。总线上能同时传送二进制信息的位数称为总线的宽度。微型计算机的系统总线（systembus）是指从微处理器引出的总线，CPU通过系统总线与存储器和I/O设备进行信息交换。根据传送信息的不同，微型计算机系统中的总线分为地址总线、数据总线和控制总线。总线221）地址总线（addressbus）传送地址信息。CPU在地址总线上输出将要访问的主存单元或I/O端口的地址，所以地址总线为单向输出总线。地址总线的宽度决定了CPU能访问的主存储器的最大容量。2）数据总线（databus）传送数据信息。CPU进行读操作时，主存或外设的数据通过数据总线送往CPU；CPU进行写操作时，CPU的数据通过数据总线送往主存或外设，所以数据总线是双向总线。数据总线的宽度表示CPU处理数据的能力，CPU的位数指的就是数据总线的宽度。3）控制总线（controlbus）传送控制信息。控制信息用于系统各部件的工作。控制总线中有双向的，但大部分是单向的。单向控制总线中既有输出总线，也有输入总线。1.2.2微型计算机的软件系统23系统软件：面向所有用户的，为计算机使用提供最基本的功能；用于控制、管理及维护计算机资源，由计算机的设计者提供的，目的是便于用户使用和维护计算机。主要包括操作系统、程序设计语言、设备驱动程序、诊断调试程序以及为提高计算机效率编写的各种工具类程序等。应用软件：根据用户的需要解决各种不同的问题，提供不同的功能。如面向文字处理、计算机辅助设计、数据库管理类的软件或软件包，如微软的Office软件，也可以是为了解决某一具体问题而开发的软件，如在线考试软件。应用软件必须在系统软件的环境下运行。1.2.3微型计算机中指令执行的基本流程24当使用计算机完成某项任务时，必须要将完成任务的过程分解成若干个步骤每一个步骤是计算机能够识别并执行的一个基本操作，即指令；将这些指令按照一定顺序排列起来，就组成了程序。计算机执行程序时，从存储器中按照指定的顺序，把这些指令一条条取出来，加以分析并执行，周而复始，完成预定的任务。1.2.3微型计算机中指令执行的基本流程25步骤：1）把第一个数7，送到运算器。2）将运算器里的数与8相加。3）把加法运算的结果，送至存储器中指定的单元。助记符表示的程序：MOVAL,7ADDAL,8MOV[00H],ALHLT例【1-1】要求计算机将两个数7和8相加。由助记符表示的指令称为汇编指令，由汇编指令组成的程序称为汇编程序。计算机无法识别并执行汇编指令，必须将汇编指令用二进制数表示，即机器指令。每条汇编指令均对应一条机器指令，由机器指令组成的程序称为目标程序。1.2.3微型计算机中指令执行的基本流程261.2.3微型计算机中指令执行的基本流程27图1-3取指令的操作示意图

取指令1.2.3微型计算机中指令执行的基本流程28图1-4取立即数的操作示意图执行指令1.2.4微型计算机的技术指标291.字长字长是微处理器一次能并行处理的二进制数据的位数，字长取决于微处理器的内部寄存器、运算器以及数据总线的位数。字长越长，代表CPU能够处理的数据精度越高，信息量大，处理速度也随之加快。微处理器的字长有8位、16位、32位和64位2.时钟频率时钟频率也称为主频。时钟频率越高，CPU的工作节律加快，计算机系统的速度越快。主频的单位是MHz、GHz。3.外频外频指CPU与外部进行交换数据的频率，通常为系统总线的工作频率，单位为MHz。早期的计算机系统主频等于外频。现在CPU的主频是外频的倍数→倍频技术。1.2.4微型计算机的技术指标304.主存储器容量主存储器又称内存，它是CPU能直接访问的存储器。主存储器的容量越大，计算机的效率就越高。主存的容量以字节（Byte，简写为B）为单位，MB/GB5.外存储器容量硬磁盘和光盘存储器等（或称辅助存储器），用以存放大量的数据和程序。外存储器的容量决定了微机能够存放的软件资源的多少。其他：计算机所配置的外部设备与CPU是否匹配，能否符合使用要求，计算机的性能价格比等。1.3计算机中的数据信息31【主要内容】数值数据以及字符数据在计算机中的表示方式计算机中不同进制的数及其相互转换计算机中有符号整数和实数的表示方法字符以及汉字的编码【学习目标】掌握原码、反码、补码、移码的概念以及表示定点整数的方法，掌握单精度浮点数、BCD码以及ASCII码的概念及格式，了解常用的汉字编码方式。1.3计算机中的数据信息32计算机处理的对象包括整数、实数等数据，也有字符、文字、图像、视频等各种信息，这些数据和信息统称为数据。整数、实数等→数值数据。英文字母、数字、汉字等→字符型数据1.3.1计算机中的数制33Binary

二进制Decimal十进制Hexadecimal

十六进制使用数字:

二进制B：

0,1十进制D：0,1,2,…,9十六进制H：0,1,2,….,A,B,C,D,E,F例：1011.01B,11.25D或11.25,B.4H基：数制中表示数的符号个数→2→10→16位置表示法34同一数字在不同的位置上代表的数值大小不同数字1在不同位置上代表的数值大小，称为该位的“权”

幂 22 21 20 2-1 2-2 2-3权 4 2 1 0.5 0.25 0.125二进制数 1 1 0. 1 0 1数值 4+2+ 0+ 0.5+ 0+ 0.125=6.6251.3.2不同数制之间的转换35其他进制数转换成十进制数方法：按幂和权展开并求和例幂 161 160 16-1

权 16 1 0.0625 十六进制数 6 A. C 转换结果 96+ 10+ 0.75=106.752.十进制数转换成二、十六进制数36整数部分：除基取余将十进制数的整数部分连续除以2（二进制数）或16（十六进制数）并保存余数作为结果的有效数字，直到商为0。最先得到的余数为转换结果的最低位。小数部分：乘基取整将十进制数的小数部分连续乘以2（二进制数）或16（十六进制数）并取整数部分，直到满足精度要求。最先得到的整数为转换结果小数点右边的第一位。2.十进制数转换成二、十六进制数37例【1-2】将十进制数94.65转换成二进制数

（小数点后保留4位）。

整数部分

小数部分

94.65=1011110.1010B2.十进制数转换成二、十六进制数38例【1-3】将十进制数3358.275转换成十六进制数

（小数点后保留2位）。

整数部分

小数部分

3358.275=D1E.46H二进制数转换成十六进制数Example：1110110101100.10101B=?H0001110110101100.101010001DAC.A8↓↓↓↓↓↓1110110101100.10101B=1DAC.A8H1110110101100.101011DAC.A8H4位一组，不足4位补0十六进制数转换成二进制数Example:39F.E1AH=?B

3

9

F.E

1

A001110011111.111000011010↓↓↓↓↓↓39F.E1AH=0011

1001

1111.11100001

1010B1110011111.11100001101B表1-1十进制、二进制、十六进制数码对照表41十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制0123456780000B0001B0010B0011B0100B0101B0110B0111B1000B0H1H2H3H4H5H6H7H8H9101112131415161001B1010B1011B1100B1101B1110B1111B10000B9HAHBHCHDHEHFH10H1.3.3计算机中定点数的格式

42计算机中的数表现为0和1组成的二进制编码，称为机器数。机器数所代表的实际值称为真值，用十进制计数法表示常用的数据表示格式有两种：定点格式和浮点格式。定点格式：小数点的位置是默认并固定不变的。如果小数点的位置被固定在机器数最低位的右边，则该数据为定点整数；如小数点的位置被固定在机器数最高位的左边，则该数据是定点小数。计算机中位数不等的各类整数均采用定点整数格式。1.3.3计算机中定点数的格式

43定点整数：无符号定点整数（简称无符号数）表示范围为正数和0，不含负数所有位均为数值位，没有符号位。有符号定点整数（简称有符号数）对符号位进行数值化处理将二进制数的最高位定义为符号位通常用“0”表示“+”号，用“1”表示“-”号其余位为数值位表示形式：原码、反码、补码和移码原码44符号位为0表示正数，为1表示负数数值部分等于真值的绝对值n位原码所表示的数据范围为1-2n-1~2n-1-1。8位二进制原码表示的数据范围：-127~+127。【例1-4】0的原码反码45符号位为0表示正数，为1表示负数正数的反码与其原码相同负数，保持其原码的符号位不变，数值部分按位取反反码的数据表示范围与原码相同例【1-5】0的反码补码46符号位为0表示正数，为1表示负数正数的补码与其原码相同负数，保持其原码的符号位不变，数值部分按位取反+1n位补码表示的数据范围为-2n-1~2n-1-18位二进制补码表示的数据范围为-128~+127。例【1-6】0的补码补码47特点：补码进行加减法运算时，无需判断符号位的正负，符号位与数值位一起参与运算，还可以将两个数的减法运算变为补码加法运算来实现补码加减法运算的电路相对简单，易于实现计算机中的有符号数普遍采用补码的形式来表示[[X]补]补=X，对某一数据的补码再次求补，可得到它的原值。移码48符号位为1表示正数，为0表示负数无论正数、零还是负数，将某数的补码符号位取反，数值部分不变得到的就是此数的移码。移码的表示范围与补码相同，即n位移码表示的数据范围是-2n-1~2n-1-1。例【1-7】

[+67]移=11000011B=C3H

[-67]移=00111101B=3DH0的移码移码49移码可通过对补码平移得到。例：8位移码=补码+80H（丢弃进位）移码表示的特点是：机器数字面显示的值越大，它对应的真值也越大。对于n位移码，所有二进制位均为0时表示的真值最小，即-2n-1。例：8位移码00H对应的机器数的真值是-128。两个移码数据可以直接比较大小，有利于浮点运算中的对阶操作，所以浮点数中的阶码通常采用移码表示。表1-28位机器数的原码、反码、补码和移码50十进制数原码反码补码移码1270111111101111111011111111111111112601111110011111100111111011111110100000001000000010000000110000001000000000000000000000000010000000-010000000111111110000000010000000-110000001111111101111111101111111-12711111111100000001000000100000001-12810000000000000001.3.4计算机中实数的表示51计算机中的实数采用浮点格式表示。科学表达法M：有效数字e：指数底数为10二进制数M：二进制有效数字，纯小数，称为尾数；e：指数，整数，称为阶码；底数为2Intel系统中浮点数的存放方式524字节浮点数称为单精度浮点数或浮点数8字节浮点数称为双精度浮点数（简称双精度数）这种格式与IEEE754标准相同，3130

2322

0S阶码E尾数M单精度浮点数636252510S阶码E尾数M双精度浮点数IEEE754规格化的32位单精度浮点数53S：符号位，1位

S=0表示正数，S=1表示负数。E：阶码，8位，采用移码形式，为指数真值e加上偏移值

E=e+127M：尾数，共23位，小数点的位置在最高有效位的左边注：浮点数的尾数部分采用的是规格化表示，即尾数为大于1而小于2的数。因为规格化后的实数有效数字最高位总是1，所有这一位不存储，而认为隐藏在小数点的左边，因此23位字段可以存放24位尾数IEEE754规格化的32位单精度浮点数54例【1-8】将十进制数12.75转换成32位浮点数的二进制存储格式。1.3.5计算机中的编码55图像、声音、视频等多媒体数据的编码方法比较复杂，不在本书的讨论范围之内。用二进制编码表示的字母、符号、文字等，称为符号数据字符、文字图形、图像视频动画等二进制编码计算机标准ASCII码56MSDLSD0123456700000101001110010111011100000NULDLESP0@P、p10001SOHDC1!1AQaq20010STXDC2〃2BRbr30011ETXDC3#3CScs40100EOTDC4$4DTdt50101ENQNAK%5EUeu60110ACKSYN&6FVfv70111BELETB,7GWgw81000BSCAN(8HXhx91001HTEM)9IYiyA1010LFSUB*：JZjzB1011V