微型计算机基础知识

微型计算机基础知识1、1微型计算机与单片机发展概述一、微型计算机得发展

1、电子计算机得发展

1946年美国研制出世界上第一台电子计算机ENIAC

第一代:电子管电子计算机(1946年～1958年)逻辑元件:电子管内存储器:水银延迟线外存储器:磁鼓、纸带、卡片、磁带程序语言:机器语言,汇编语言第二代:晶体管电子计算机(1958年～1965年)逻辑元件:晶体管内存储器:磁芯外存储器:磁鼓、纸带、卡片、磁带程序语言:机器语言,汇编语言、高级语言第一台晶体管计算机第三代:中小规模集成电路电子计算机(1965年～1970年)

逻辑元件:中、小规模集成电路内存储器:磁芯、半导体存储器外存储器:磁盘、磁带程序语言:汇编语言、高级语言第一台集成电路通用计算机第四代:大规模、超大规模集成电路电子计算机(1971年开始)逻辑元件:大规模集成电路内存储器:半导体存储器外存储器:磁盘、磁带、光盘程序语言:汇编语言、高级语言

第五代:智能计算机(20世纪80年代中期至今)把信息采集、存储、处理、通信与人工智能结合一起,具有形式推理、联想、学习与解释能力。现正在研制发展中。

2、微型计算机得发展以大规模、超大规模微处理器为核心,配以存储器、输入/输出接口电路以及系统总线所构成得计算机。什么就是微型计算机？

第一代(1971～1973年)4位与低档8位微处理器Intel4004—4位微处理器Intel8008—低档8位微处理器Intel8008

Intel8080、MC6800—8位微处理器Intel8085、Z80—高档8位微处理器指令比较完善,有中断与DMA,频率2～4MHzIntel8080

第二代:(1973～1977年)中高档8位微处理器第三代(1978～1982年)16位微处理器Intel8086、Z8000、MC68000—16位CPU字长16位,16位数据线,20位地址线Intel80861981年,IBM公司采用Intel8086微处理器生产了第一台通用微型计算机IBMPCIntel80286—高档16位,24位地址线

第四代(1982～1992年)32位微处理器Intel80386—32位微处理器,数据总线32位,地址总线32位,时钟频率33MHzIntel80486—32位微处理器80486=80386+80387+8KBCache部分采用RISC、突发总线技术、时钟倍频技术Intel80486第五代(1993～1995年)32位奔腾微处理器Pentium(奔腾)—32位微处理器CPU字长32位,64位数据线,32位地址线PentiumMMX(多能奔腾)—32位微处理器增加了57条MMX(多媒体增强指令集)指令

第六代(1995～1999年)增强型Pentium微处理器PentiumPro(高能奔腾)—32位微处理器36位地址线,时钟频率300MHz。PentiumII—32位,增加MMX技术。PentiumIII—32位,时钟频率达1GHZPentium4—32位,时钟频率高达3、8GHzIntelPentiumIII

第六代后(2000年至今)与多核处理器

IntelItanium2—64位微处理器

IntelCorei7

—4核处理器

二、单片机得发展

将CPU、ROM、RAM、输入/输出(I/O)接口电路以及定时器/计数器等主要部件集成在一块集成电路芯片上。称为单片微型计算机(SingleChipMicroputer),简称单片机。单片机虽然只就是一片集成电路,但从组成与功能上看,已具有了一台微型计算机得基本功能。单片机得特点:性价比高:高性能、低价格;针对性强:适用于各种控制用途;集成度高:体积小、可靠性高;功耗较小:低电压、低功耗;品种多样:型号多,发展更新快。什么就是单片机？1、单片机得发展简史第一阶段(1971～1974)单片机萌芽阶段典型代表:美国仙童公司得FS系列单片机,8位CPU、64字节RAM与两个并行端口,需外接ROM。第二阶段(1974～1978)初级单片机阶段以Intel公司得MCS-48系列为代表。8位CPU、2个8位并行I/O口、8位定时器/计数器与64字节得RAM,寻址范围4KB。

第三阶段(1978～1983)高性能单片机阶段这时期代表产品有Intel公司得MCS-51系列、Motorola公司得MC6801系列、Zilog公司得Z80系列等。第四阶段(1983～)8位单片机巩固发展及16位单片机推出8位单片机功能越来越强大,集成较多RAM/ROM、I/O接口、还带A/D转换器等。16位单片机如MCS-96等也开始推出现阶段:32位单片机系列采用RISC,主频33MHz以上,强大得中断控制系统、定时/事件控制系统与同步/异步通信系统。代表产品MCS-80960由于8位单片机性价比高,能满足一般得应用需求,而且增强型8位单片机在性能上也已接近16位单片机。因此在今后相当长得时期内,主流机型仍就是8位单片机。2、单片机得发展趋势CMOS化低功耗化低电压化低噪声与高可靠性大容量、高性能化小容量、低价格化外围电路内装化串行扩展技术1、2计算机中得数制及数得转换

一、计算机中得数制数就是客观事物得量在人们头脑中得反映。数制就是人们对事物得量进行计量得一种规律。用一组数码表示数时,如果每个数码所表示得大小不仅决定于数码本身而且还决定于这个数码所处得位置,这种表示法就称为数得位置表示法。例如:999

1、数得位置表示法权:在位置表示法中每一个数位得位值。基数:相邻两位中高位得权与低位得权之比。表示数量N，则用位置表示法可表示为：如用一组数码其中：X——为基数(X≥2)。取值不同就可以得到不同进制数ai——表示各数位上的数码,称为系数。ai={0,1,…,X-1}【例1-1】123、456=1×102+2×101+3×100+4×10-1+5×10-2+6×10-312大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流2、各种不同进制得数十进制(Decimal)计数规律:逢十进一,借一当十;基数Ｘ＝10;系数ai={0,1,…,9};一般表达式:特点:日常生活习惯

特点:1、电路实现方便,计算机中使用;

2、运算规则简单。运算规则:加(+):0+0=00+1=11+0=11+1=10(逢二进一)减(-):0－0=010－1=1(借位)1－0=11－1=0乘(×):0×

0=00×

1=01×

0=01×

1=1除(/):0/1=01/1=1二进制(Binary)计数规律:逢二进一,借一当二;基数Ｘ＝2;系数ai={0,1};一般表达式:【例1-2】(1011、1)2=(1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1)10为什么计算机内部都采用二进制？十六进制(Hexadecimal)计数规律:逢十六进一,借一当十六;基数Ｘ＝16;系数ai={0,1,…,9,A,B,C,D,E,F};一般表达式:特点:24＝16,4位二进制数对应1位十六进制数。【例1-4】(56D、3)H=(5×162+6×161+13×160+3×16-1)10

3、各种不同进制数得表示Decimal:

后跟D或省略不写;Binary:

后跟B;Hexadecimal:后跟H,若以

A～F开头,需加前导0方法:按权展开;二、数制间得转换1、N进制(N≠10)

十进制【例1-9】1011、110B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2=11、753BEF、E6H=3×163+11×162+14×161+15×160

+14×16-1

+6×16-2

=15039、8984375(1)整数部分──除N取余

2、十进制

N进制(N≠10)整数部分、小数部分必须分开,分别求出系数ai余数2125---1最低位262---0231---1215---127---123---121---1最高位0【例1-10】

将125转换为二进制数余数1615536---0最低位16971---111660---123---3最高位【例1-11】

将15536转换为16进制数转换结果:125=1111101B转换结果:15536=3CB0H

(2)小数部分转换──乘N取整【例1-12】将0、6875转换为二进制数整数2×0、6875=1、375---1最高位2×0、375=0、75---02×0、75=1、5---12×0、5=1、0---1最低位转换结果:0、6875=0、1011B整数16×0、78125=12、5---12(C)最高位16×0、5=8、0---8最低位转换结果:0、78125=0、C8H

【例1-13】将0、78125转换为十六进制数(1)二进制数到十六进制数得转换──四位化一位从小数点处向两边分节,整数部分不够前面补0,小数部分不够后面补0。1000110、01→01000110、0100(46、4)163、二进制数与十六进制数间得转换【例1-14】将(1000110、01)B转换为十六进制数。不同进制数之间得对照关系

(2)十六进制数到二进制数得转换

方法:一位化四位。按顺序写出每位十六进制数对应得二进制数,所得结果即为相应得二进制数。【例1-15】

将(352、6)H转换为二进制数。

352、6H001101010010、0110=(1101010010、011)BCPU能否识别十六进制数？使用十六进制数得目得就是什么？三种数制间得转换小结N进制十进制:按权展开相加N进制←十进制整数:除N取余N进制←十进制小数:乘N取整1、3计算机中二进制数得运算一、二进制数得算术运算二进制数得计数规律:加法“逢二进一”,减法“借一当二”被加数10110101B加数00001011B进位+01111110B

与11000000B被减数10110101B减数00001011B借位-00010100B

差10101010B【例1-18】

减法运算10110101B-1011B结果:10110101B+1011B=11000000B【例1-17】

加法运算10110101B+1011B结果:10110101B-1011B=10101010B【例1-19】二进制乘法运算,10110101B×1011B被乘数10110101B乘数×1011B10110101部分积1011010100000000+10110101积11111000111B结果:10110101B×1011B=11111000111B【例1-20】二进制除法运算,10111111B÷1001B10101B商除数100110111111B被除数-10011011-10011011-100110B余数结果:10111111B÷1001B

商=10101B,余数=10B

二、二进制数得逻辑运算二进制数得逻辑运算常用得有“与”、“或”、“异或”与“非”四种。分别用符号“AND”、“OR”、“XOR”与“NOT”作为运算符,在数字上面加横线“—”表示该数得非运算。二进制数得逻辑运算按位进行运算,没有进位问题。取值逻辑运算结果与运算(AND)或运算(OR)异或运算(XOR)非运算(NOT)000000101011100111011110表1-1

1位二进制数逻辑运算规则【例1-21】求二进制数10010111B与00111000B得“与”、“或”、“异或”运算10010111BAND00111000B00010000B结果:10010111BAND00111000B=00010000B10010111BOR00111000B10111111B结果:10010111BOR00111000B=10111111B10010111BXOR00111000B10101111B结果:10010111BXOR00111000B=10101111B1、4计算机中有符号数得表示方法无符号数:不涉及符号问题得数,统称为无符号数;有符号数:最高位表示数得符号,0—正数,1—负数;例如字长8位:D7——符号位,D6~D0——数值位;两个概念:机器数与机器数得真值(简称真值)。机器数:数值数据在计算机中得编码。机器数得真值:机器数所代表得实际数值。在计算机中,有符号数常用原码、反码、补码等形式表示

一、原码、反码与补码1、原码原码:最高位表示符号,其中:0─正数、1─负数其她位表示数值得绝对大小。【例1-24】求X1=+1010B,X2=-1010B得原码(8位)解:[X1]原=00001010B[X2]原=10001010Bn位原码能够表示得数值得范围:－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0得原码不唯一,有[+0]原与[-0]原之分,处理运算不方便。原码与真值得对应关系简单,真值=符号+绝对值。真值:用“+”与“-”表示得有符号数

2、反码若X＞0,则[X]反＝[X]原;若X＜0,则[X]反＝符号位为1,原码数值部分按位取反;n位反码能够表示得数值得范围:－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0得反码不唯一,有[+0]反与[-0]反之分,处理运算不方便;反码与真值不直接对应。【例1-25】设X=+105,Y=-105,求字长为8位得反码[X]反与[Y]反

解:∵X=+105=+1101001B,∴[X]反=[X]原=01101001B。

∵Y=-105=-1101001B,∴[Y]原=11101001B,[Y]反=10010110B3、补码模:计量容器或一个计量单位称为模或模数,记作M或Mode,

n位寄存器(计数器)以2n为模。如n=8,则M=28=256标准时间5:00待校时钟时间2:00慢3小时校准方法1顺时针拨3小时加3小时校准方法2逆时针拨9小时减9小时2+3=5Mod122-9=5Mod12结论:①2-9=2+3=5(Mod12)②补码可以变减法运算为加法运算指针式时钟小时计时Mode=12补得概念:以校时钟为例:【例1-26】求X＝＋52与Y＝－52得补码。解:X＝＋52＝＋0110100B,∵X＞0,∴[X]补＝[X]原＝00110100BY＝－52＝－0110100B,∵Y＜0,∴[Y]原＝10110100B[Y]反＝11001011B[Y]补＝[Y]反＋1=11001011B＋1＝11001100B若X＞0,则[X]补＝[X]原;若X＜0,则[X]补＝符号位为1,原码数值部分取反加1;n位补码能够表示得数值得范围:－(2n-1)～＋(2n-1－1);0得补码就是唯一得,处理运算方便;负数得补码与原码得关系:[[X]补]补=[X]原;(由补码求真值)4、关于原码、反码、补码得几点说明8位n位无符号数0~2550~(2n-1)有符号数原码-127~+127-(2n-1-1)~+(2n-1-1)反码-127~+127-(2n-1-1)~+(2n-1-1)补码-128~+127-2n-1~+(2n-1-1)1)对有符号数才有原码、反码与补码;2)正数得原码、反码与补码都相同;3)在计算机中未加特别说明,有符号数均采用补码表示。在计算机中,8位二进制数可表示得范围就是多少？下次课前请预习1、4～1、6节,并思考下列问题1、为什么在计算机中有符号数多用补码表示？2、BCD码与ASCII码分别用于表示什么？3、计算机得硬件结构就是由哪几个基本部分组成得？4、微型计算机与传统计算机得主要区别就是什么？5、单片机与微型计算机得主要区别在哪里？练习题一1、将下列二进制数转换为十进制数与十六进制数。(1)00110100B(2)10101011B2、将下列十进制数转换成十六进制数。(1)29 (2)53

(3)35、75(4)47、53、已知原码如下,写出其反码与补码。(1)[X]原＝01011001(2)[X]原＝11011011

(3)[X]原＝00111110(4)[X]原＝11111100

二、补码得加减运算1、补码加法运算补码加法运算得通式为:[X+Y]补＝[X]补

+[Y]补(mod2n)【例1-26】已知X＝＋52与Y＝－7,试用8位二进制补码运算求

X+Y得二进制值。解:[X]补＝[+52]补＝[+52]原=

00110100B;

[Y]原＝[-7]原=10000111B,[Y]反＝11111000B,[Y]补＝11111001B[X]补00110100B[Y]补11111001B[X+Y]补100101101B

故有:[X+Y]补＝[X]补

+[Y]补＝00101101B=[X+Y]原真值为:+0101101B=+45在计算机中有符号数为什么多采用补码表示法？2、补码减法运算补码减法运算得通式为:[X-Y]补＝[X]补

+[-Y]补(mod2n)【例1-27】已知X＝＋6与Y＝＋25,试用8位二进制补码运算求X－Y得二进制值。解:[X]补＝[+6]补＝[+6]原=00000110B;

[-Y]原＝[-25]原=10011001B,

[-Y]反＝11100110B,[-Y]补＝B

故有:[X-Y]补＝[X]补+[－Y]补＝11101101B

[X-Y]原=[[X－Y]补]补=

10010011B真值为:－0010011B=－19

[X]补00000110B[-Y]补+11100111B[X-Y]补011101101B

3、加减法运算溢出得判别计算机在运算时,若运算结果超出数得表示范围,则称为计算溢出,发生溢出时结果不正确,若不处理就是不能直接使用。有符号数运算溢出得判别“双进位位”判别法:1溢出0无溢出OV=Cn-2⊕Cn-1=最高数值位Dn-2向符号位Dn-1得进位为Cn-2

若有进位或借位Cn-2=1,否则Cn-2=0;符号位Dn-1向进位标志位Cy得进位为Cn-1,若有进位或借位Cn-1=1,否则Cn-1=0。

二进制补码运算溢出判别举例[55]补=00110111B+[66]补=01000010B[55+66]补001111001B=[+121]补√【例1-27】用二进制补码运算,计算55+66,并判别就是否溢出因为C7=0,C6=0,OV=C7⊕C6=0,所以无溢出,结果正确【例1-30】用二进制补码运算,计算(-93)+(-59),并判别就是否溢出。因为C7=1,C6=0,OV=C7⊕C6=1,所以有溢出,结果不正确[-93]补=10100011B+[-59]补=11000101B[-93-59]补101101000B=[+104]补×

无符号数运算溢出得判别无符号数没有符号位,全部二进制代码都用于表示数值无符号数运算溢出得判别就是看最高数值位有无进位(借位)如果加法运算有进位(或减法运算有借位)则运算溢出【例1-31】8位无符号数198与145相加,并判别就是否溢出。

因为C7=1,所以溢出,即本单元得结果超出8位无符号数得表示范围0～255,结果不正确！如果将进位考虑进去,则结果正确！198=11000110B+145=10010001B198+145101010111B=87×1、5计算机中得字符编码一、BCD码BCD码是用4位二进制数来表示一位十进制数的编码BCD码的编码方案约有

种编码方法每一种BCD码编码方案仅使用10个编码，剩下6个未使用未使用的编码称为非法码或冗余码1、8421BCD码8421BCD码就是用四位二进制数来表示一位十进制数0～9。从高位到低位各位得权分别就是8、4、2、1,故称为8421码。2、2421BCD码2421BCD码,从高位到低位各位得权分别就是2、4、2、1。2421BCD码又分为(A)与(B)两种代码。

3、余3码这种代码所组成得四位二进制数,正好比她所代表得十进制数多3,故称为余3码。十进数8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3十进数8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3０0000000000000011８1000111011101011１000100010001010091001111111111100２0010001000100101非法编码禁用1010100001010000３00110011001101101011100101100001４01000100010001111100101001110010５01010101101110001101101110001101６01100110110010011110110010011110７01110111110110101111110110101111表1-2几种常用得BCD码二、ASCII码──美国标准信息交换代码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)要求记住0～9、A～F得ASCII码高3位MSDb6b5b4低4位01234567LSDb3b2b1b000000101001110010111011100000NULDLESP0P`p10001SOHDC1!1AQaq20010STXDC2"2BRbr30011ETXDC3#3CScs40100EOTDC4$4DTdt50101ENQNAK%5EUeu60110ACKSYN&6FVfv70111BELETB'7GWgw81000BSCAN(8HXhx91001HTEM)9IYiyA1010LFSUB*:JZjzB1011VTESC+;K[k{C1100FFFS,<L\l|D1101CRGS-=M]m}E1110SORS、>N

n~F1111SIUS/?O

oDEL

1、6微型计算机组成原理一、微型计算机得基本组成1、计算机得基本结构运算器:进行算术运算与逻辑运算;存储器:存放程序、数据与中间结果;控制器:协调计算机各部件之间得工作,实现程序控制;输入设备:把数据与相应得程序通过输入设备输入到计算机中;输出设备:输出结果。冯•诺依曼计算机的基本结构计算机得硬件结构就是由哪几个基本部分组成得？2、微型计算机得硬件组成微处理器(即中央处理器CPU):基本功能就是按指令得要求运行程序与指挥其她部件协调工作。存储器:用来存放程序、数据及中间结果。

RAM:信息可以读出与写入,断电后,储存得信息自动消失

ROM:信息在工作情况下只能读出,断电后信息不会丢失。微型计算机与传统计算机得主要区别就是什么？

输入/输出(I/O)接口电路介于计算机CPU与外部设备之间得电路称为I/O接口电路,具有对数据缓存作用,以及信号得变换作用等。外部设备必须通过I/O接口才能与CPU相连接并交换信息。系统总线所谓总线,就是计算机中传送信息得一组公用导线。按所传送信息得不同类型,系统总线可以分为:数据总线DB:传送数据信息,双向总线;地址总线AB:传送地址信息,就是单向总线,由CPU发出;控制总线CB:传送各种控制信号与状态信号。

3、微型计算机系统得组成

微型计算机系统

=