微型计算机系统的基础知识

计算机系统原理2025/4/81（综合性强，理论结合应用的一门学科基础课程）

学科拓展课程第一页，共87页。课程英文名称：

课程代码：E0200635

学时数：56（课堂48、实验8）

学分数：3.5

课程类型：学科拓展课程

课程性质：必修

适用学科专业：电子信息工程大类

先修课程：《数字电子技术》、

《计算机文化基础》、

《C程序设计》

2025/4/82

第二页，共87页。教学内容：第一章微型计算机系统的基础知识第二章计算机的基本结构和工作原理第三章微处理器第四章32微处理器第五章3指令系统2025/4/83微计算机原理部分：处理器，系统结构和指令集微计算机应用部分：接口、程序设计和微计算机应用系统设计第六章汇编程序设计第七章存储器与其接口设计第八章输入输出接口第九章总线第十章中断系统第十一章嵌入式计算机系统设计第三页，共87页。课程目标&学习目标课程目标通过本课程的学习，要求理解计算机的相关术语与基本概念，总线、接口技术的基本特性，掌握计算机系统的基本工作原理和接口设计方法，并能应用所学原理，去分析和设计各种嵌入式计算机系统，以培养具备工程基础知识与问题分析能力，为设计、开发、研究并解决复杂工程问题奠定扎实基础。学习目标目标1：工程知识的培养在理解计算机基本概念的基础上，记忆、理解计算机系统原理的相关术语与基本概念，接口通信方式，掌握信息在计算机中的表示形式，信息的处理与其相关软硬件系统设计。2025/4/84第四页，共87页。学习目标目标2：问题分析能力的培养。能分析和评价各计算机系统性能，针对信息处理问题在不同嵌入式计算机平台上的解决方案进行分析和设计，并能对分析求解的结果进行解释。2025/4/85目标3：文献查阅、使用现代工具、撰写报告的能力培养。通过课程安排的自学内容和课程实验，实现本项目标。第五页，共87页。计算机系统原理课程成绩评定课堂测评两次：每次的权系数：0.15，共0.3考勤作业：权系数：0.1实验：权系数：0.1期末考试：权系数：0.52025/4/86第六页，共87页。第一章微型计算机系统的基础知识计算机的运算基础

微型计算机系统概述

微型计算机的硬件系统

微型计算机的软件系统

计算机的发展

第七页，共87页。计算机是什么？第八页，共87页。

计算机的分类后时代：通用计算机、嵌入式计算机第九页，共87页。微计算机（包含嵌入式计算机系统）嵌入式计算机系统简称嵌入式系统，它是一门交叉学科，涉与计算机、微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸多领域。随着现代微电子技术、微机电系统、片上系统、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以与互联网的迅猛发展，嵌入式系统向集成化、微型化，智能化、网络化方向发展。微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器与输入输出(0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。微机网络计算机工业控制计算机个人计算机嵌入式计算机第十页，共87页。无所不在的计算机

CPU>90%<10%第十一页，共87页。新型的计算机生物计算机光子计算机量子计算机模糊计算机超导计算机………第十二页，共87页。2025/4/813第十三页，共87页。14第十四页，共87页。行业的四大定律1.定律微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番2.定律如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半； 每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、小型机、工作站、到的演变、新一代计算设备……3.定律未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍；4.定律网络价值同网络用户数的平方成正比；第十五页，共87页。1、节能2、数字生活3、泛在传感器网络()4、高性能视频会议5、数字安全6、下一代网络与功效7、远距离协作工具8、智能传送网()9、……近几年关注的热门话题的中文名称是国际电信联盟电信标准分局(),它是国际电信联盟管理下的专门制定电信标准的分支机构。现代信息科学的六大组成部分：信息生成、信息获取、信息存储、信息传输、信息处理与信息应用。第十六页，共87页。电位的高低状态（H、L）二进制逻辑的0、1记忆表示数值（数制）表示符号（码制）数值的运算（数值数据）符号的编码（非数值数据）§1.1计算机的运算基础信息在计算机中的存在形式：信息在计算机中的表示形式：第十七页，共87页。信息在计算机中的表示计数特点简单更加贴近生活电子记忆方便0、1；L、H；低、高对立、统一饱和、截止第十八页，共87页。进制的认识人类对数制认识非常深刻，应用广泛。每一个人每天都会用到不同的数制。例如：一天有24小时，即逢24进1；一小时有60分，即逢60进1。数量是确定的，而表示数量进制是可变的，例如：我们常说的“半斤八两”表示的数量相同，而“半斤”是十进制；“八两”是十六进制。第十九页，共87页。数的多项式表示法

（N）R=∑=11+22+…+K0R0+…i=i=1R：进制的基数例：二进制R=2；八进制R=8；十进制R=10；十六进制R=16。：进制的位权，i愈大则位权愈大。：位权的系数，值在进制集合的符号中。n：整数部分的数位。m：小数部分的数位。第二十页，共87页。数的多项式表示法（572）10=5×102＋7×101＋2×100（110）2=1×22＋1×21＋0×20=（6）10（12B）16=1×162＋2×161＋11×160=256＋32＋11=（299）10（10.11）2=1×21＋0×20＋1×2-1＋1×2-2=2＋0＋0.5＋0.25=（2.75）10第二十一页，共87页。数制中的进制表示二进制表示（）

十进制表示（）八进制表示（）十六进制表示（）符号0、1集合，尾符B《例》00010101B符号0~9集合，尾符D或缺省《例》21D或21符号0~9、A~F集合，尾符H《例》1符号0~7集合，尾符Q《例》27Q第二十二页，共87页。进制间的转换常见的进制转换类型常用进制转换方法N（2、8、16）←→10、2←→（8、16）多项式法：N（2、8、16）→10除进制基数N取余法：10→N（2、8、16）定位法：2←→16、2←→8第二十三页，共87页。多项式法N（2、8、16）→10将N进制按权展成多项式之和，和值就是十进制表示的N进制数。（110）2=1×22＋1×21＋0×20=（6）10（12B）16=1×162＋2×161＋11×160=256＋32＋11=（299）10（10.11）2=1×21＋0×20＋1×2-1＋1×2-2=2＋0＋0.5＋0.25=（2.75）10第二十四页，共87页。除进制基数N取余法10→N（2、8、16）将十进制反复除以N，记下每次除N的余数，除到商是0为止，第一次的余数为N进制数的低位，最后的余数为N进制数的高位。11401110010B114D=162Q114D=72H第二十五页，共87页。定位法11B=001010111101000100111111=2BD13F4位二进制数与1位十六进制数或3位二进制数与1位八进制数的转换方法00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111FE7H=1110,0111B=11100111B00000011010201131004101511061117第二十六页，共87页。无符号数与有符号数无符号数有符号数计算机中二进制数的所有位均有值的作用。计算机中二进制数的最高位表示值的符号(约定)《例》10001000136《例》10001000-8注：b7=0表示正数、b7=1表示负数第二十七页，共87页。有符号数的表示原码表示反码表示补码表示+8=00001000B-8=10001000B+8=00001000B-8=11110111B+8=00001000B-8=11111000B注：正数的原、反、补相同负数的原、反、补不同求反码方法：原码的符号位保持，其他数值位求反求补码的方法1：反码+1；方法2：在原码基础上，从右开始找第一个“1”，符号位和这个1之间的数值位求反。第二十八页，共87页。机器数与真值计算机中所有有符号都用补码表示。根据机器数求真值根据真值得机器数00001000+811111000-8+12=00001100B-12=11110100B第二十九页，共87页。无符号数的表值范围无符数的表示范围（8位二进制为例）二进制表示00000000B~11111111B十进制表示0~255十六进制表示00H~第三十页，共87页。有符号整型数的表示范围有符号数值的表示范围（以8位二进制为例）原码表示-127~+127反码表示-127~+127补码表示-128~+127注：数的补码表示中已经约定：10000000B表示-128D第三十一页，共87页。二进制数的运算算术运算法则逻辑运算法则0＋0＝0、0＋1＝1、1＋0＝1、1＋1＝00－0＝0、0－1＝1、1－0＝1、1－1＝00∩A＝0、1∩A＝A（A为0或1）0∪A＝A、1∪A＝10⊕0＝0、1⊕1＝0、0⊕1＝1、1⊕0＝1/0＝1、/1＝0第三十二页，共87页。计算机中仅有加法器，用补码运算可变减为加【X＋Y】补＝【X】补＋【Y】补【X－Y】补＝【X】补＋【－Y】补【【X】补】补＝【X】原二进制数的运算第三十三页，共87页。补码运算例设X＝＋37＝00100101、Y＝＋51＝00110011，求【X】补、【Y】补、【－X】补、【－Y】补、【X＋Y】补、【X－Y】补、【－X－Y】补解：【X】补＝00100101、【－X】补＝11011011【Y】补＝00110011、【－Y】补＝11001101【X＋Y】补＝【X】补＋【Y】补＝00100101＋00110011＝（01011000）补＝＋88第三十四页，共87页。解：【X】补＝00100101、【－X】补＝11011011【Y】补＝00110011、【－Y】补＝11001101【X－Y】补＝【X】补＋【－Y】补＝00100101＋11001101＝（11110010）补＝（10001110）原＝－14补码运算例第三十五页，共87页。解：【X】补＝00100101、【－X】补＝11011011【Y】补＝00110011、【－Y】补＝11001101【－X－Y】补＝【－X】补＋【－Y】补＝11011011＋11001101＝（110101000）补＝（11011000）原＝－88补码运算例第三十六页，共87页。补码运算的溢出与其判断方法在计算机系统中，两个带符号数的补码运算的结果若超出了允许的表示范围，就会发生溢出。溢出即意味着结果是错误的。如何判断溢出呢以8位带符号数运算为例。假定次高位进位用D6c表示，最高位进位用D7c表示。若有进位则相应位置1，否则相应位清0。溢出判断7c⊕D6c若1,则溢出若V＝0，则无溢出溢出：第三十七页，共87页。例1-1：已知01000000B，01000001B，计算的值。[X]补=01000000B(+64的补码)+[Y]补=01000001B(+65的补码)即[X]补+[Y]补=10000001B(-127的补码)[]原=11111111B(-127)结果应为正数+129，运算结果为负数-127结果错误对于字长为16位的二进制数用补码表示时，其范围为-216-1～+216-1-1，即-32768～+32767。判断溢出5c⊕D14c。第三十八页，共87页。计算机中的数据类型二进制位与二进制字节常用数据类型的表示（老教材与汇编）b——位（）B——字节（）B——字节数据（）8位W——字数据（）16位——双字数据（）32位——四字数据（）64位常用数据类型的表示（新教材与汇编）半字：16位单字：32位双字：64位第三十九页，共87页。有符号实型数的定点、浮点表示定点表示浮点表示小数点的位置在数的表示中是固定的小数点的位置在数的表示中是浮动的注：处理小数点的表示方法第四十页，共87页。定点表示法定点纯小数定点纯整数符号位纯小数小数点固定位置符号位纯整数小数点固定位置第四十一页，共87页。实型数的表示十进制实型数表示二进制实型数表示+542.689=+0.542689×103-0.00689=-0.689×10-2-1011.0110B=-0.10110110×24B+0.000110+0.110×2-3B注：实型数可用纯小数和指数表示第四十二页，共87页。计算机中实型数的表示一般公式N=±M×2±E尾符尾数阶符阶码注：实型数的浮点表示由四部分组成浮点表示阶符阶码尾符尾数注：阶符、尾符由一位二进制数0或1组成，阶码、尾数由多位二进制数01序列组成。第四十三页，共87页。浮点表示法（1）例：-1011.0110的浮点表示设阶符、尾符各占1；阶码、尾数各占7，阶码、尾数用原码表示。-1011.0110=-0.10110110×2+4阶符=0阶码=0000100尾符=1尾数=101101116浮点表示为11011第四十四页，共87页。浮点表示法（1）浮点表示的限制要扩大浮点数的表值范围，增加阶码的位数要提高浮点数的表值精度，增加尾数的位数注：在实际应用中浮点表示的方法有所不同。第四十五页，共87页。浮点表示法（2）用指数和尾数来表示实数。表示形式：（-1）S2E（b0b1b2b3…1）规格化的形式其中：（-1）S是该数的符号位S=0表正数；S=1表负数E为指数与位数（b0b1b2b3…1）是P位尾数表示隐含的小数点位置SE1E2E3…b1b2b3…1符号指数尾数注：b0=1，与小数点一起被隐含第四十六页，共87页。浮点数的三种机内类型

浮点数中的参数单精度浮点双精度浮点扩充精度浮点浮点数总长度326480尾数长p长度235264符号位S长度111指数E长度81115最小指数-126-1022-16382最大指数+127+1023+16383指数的偏移量值+127+1023+16383注：浮点数总长度越多精度越高第四十七页，共87页。【例】将十进制数+219.125用单精度浮点数表示。解：+219.125D=+11011011.001B规格化形式：+11011011.001=+1.1011011001×27符号位S=0（1位）指数E=+7+127=134=10000110（8位）尾数P=1（23位）单精度浮点表示：+219.125=0100001101第四十八页，共87页。【例】求单精度浮点数

111000000的真值。

解：分为三部分：1111000000求符号位S：S=1为负数求指数E：10010000=144、E=144–127=17求尾数P：1．1真值：-1．1010110001×217=-1100000=-219264第四十九页，共87页。计算机中常用码制码()码汉字编码用4位二进制数表示1位十进制数用7位二进制数表示常用符号（基本码）用8位二进制数表示特殊符号（扩展码）用16位二进制数表示1个汉字符号第五十页，共87页。0123456700@P`p11!1AQaq22“2BRbr33#3CScs44$4DTdt5%5EUeu6&6FVfv7‘7GWgw8(8HXhx9)9IYiyA*:JZjzB+;K[k{C,<L\l|D-=M]m}E.>N^n~F/?O_o输入字符表（7位码）HL空标题开始正文结束本文结束传输结束询问承认报警符退格横向列表换行垂直制表走纸控制回车移位输出移位输入数据链换码1设文字备控制12设备控制23设备控制34设备控制4否定空转同步信息组传送结束作废纸尽减换码分隔符组分隔符记录分隔符单元分隔符空格作废第五十一页，共87页。输入码的特点常用符号的码输入码的分类0~9的码30H~39HA~Z的码41H~5a~z的码61H~7符号码21H~7（共94个）控制码00H~20H、7（共34个）第五十二页，共87页。

0123456789ABCDEF0►0@P`pĢÉá░└╨∝≡1☺◄!1AQaqüæí▒┴╤β±2☻↨“2BRbréÆó▓┬╥Γ≥3♥‼#3CScsâôú│├╙π≤4♦¶$4DTdtäöñ┤─╘Σ⌠5♣§%5EUeuàòÑ╡┼╒σ⌡6♠▬&6FVfvåûạ╢╞╓μ÷7●↕‘7GWgwçùọ╖╟╫

≈8◘↑(8HXhxêÿ¿╕╚╪Φ˚9○↓)9IYiyëÖ⌐╣╔┘θ•A◙→*:JZjzēܬ║╩┌Ω·B♂←+;K[k{ïǽ╗╦█δ√C♀∟,<L\l|╝╠▄∞ⁿD♪↔-=M]m}쥡╜═▌φ²E♫▲.>N^n~Ä«╛╬▐

▮F☼▼/?O_oΔŃ»┐╧▄∩输出字符表第五十三页，共87页。码表基本码表（b7=0）扩展码表（b7=1）输入码表

输出码表别国符号的码表

图形符号的码表国际标准扩展应用第五十四页，共87页。汉字编码标准2312—1980仅定义近七千个汉字与符号的编码定义了二万多个汉字与符号的编码与国际标准相适应的汉字与符号的编码台湾繁体汉字编码微软简体汉字编码方案13000—199318030—200052022第五十五页，共87页。汉字编码方案区位码共分94个区，每区94个（位）汉字区码+20H，位码+20H区码+20H+80H，位码+20H+80H注：跳过控制符编码注：保证b7位=1国标码机内码第五十六页，共87页。2025/4/8汉字字模编码16×16汉字字模与编码注：区位码2字节字模码32字节第五十七页，共87页。汉字编码转换汉字区位码、国标码、机内码的转换啊区位码：1601区码：16=10H、位码：01=01H国标码：30H、21H10H+20H=30H、01H+20H=21H机内码：B0H、A1H10H+A0H=B0H、01H+A0H=A1H第五十八页，共87页。图符编码的意义1个点阵字模信息传送1个符号的编码信息传送内含字库内含字库英文字符1字节汉字符号2字节英文字符8字节汉字符号32字节英第五十九页，共87页。§1.2微型计算机系统概述微处理器是整个微型计算机的核心部件和总控制单元，决定了微机的基本性能。微型计算机系统的组成微处理器()微处理器是把运算器、寄存器组和控制器集成在一个超大规模集成电路芯片上的功能部件，又称作是具有计算机系统运算和控制功能的中央处理单元()。微型计算机(，)微型计算机是以微处理器芯片为核心，配以一定规模的半导体存储器、系统总线(包括数据总线、地址总线和控制总线)与其控制単元、硬盘、输入/输出(，)接口电路和辅助电路构成的装置，构成了微型计算机的基本硬件结构，即裸机。第六十页，共87页。微型计算机系统(，)微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上输入设备、输出设备、外部存储器设备如移动硬盘和光盘驱动器、电源、机箱以与系统软件和应用软件组成的系统，简称微机系统。微型计算机系统的组成第六十一页，共87页。微机硬件系统由微处理器、存储器、译码控制模块、系统总线控制模块、系统总线、输入/输出接口电路和各类外部设备等部件组成。微机系统的硬件基本结构微机硬件系统基本结构是核心部件，通过系统总线控制模块和译码控制模块，控制地址总线、数据总线和系统总线与其他部件进行数据和消息交换，完成指定的计算和控制任务。第六十二页，共87页。计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构第六十三页，共87页。软件与硬件的等价性原理软件与硬件的等价性原理是指任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现，任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成。硬件是软件的物质支柱，在硬件高速发展的基础上才有软件的生存空间和活动场所；没有大容量的主存和辅存，大型软件将不能运行；而没有软件支持的“裸机”也不能发挥作用。软件和硬件相互融合、相互渗透、相互促进的趋势越来越明显。硬件速度快，复杂功能实现困难；软件速度慢，易于实现复杂的算术逻辑功能硬件软化可以增强系统功能和适应性，而软件硬化则能有效发挥硬件成本日益降低的潜力。第六十四页，共87页。计算机的结构、组成与实现是计算机组成的物理实现，对应数字电路层。它包括处理器、主存等部件的物理结构、器件的集成度和速度、部件连接、信号传输以与电源、冷却和组装技术等，主要利用器件技术进行物理实现。计算机结构（）是指为机器编写正确的程序、机器语言程序员必须理解的一种结构。计算机结构确定了计算机系统中软件和硬件的接口，即指令集结构。它包括指令集(指令系统）、指令格式、数据类型、寄存器、寻址方式、主存访问方式和机制等。计算机组成（）是计算机结构的逻辑实现（逻辑设计），对应计算机层次结构的控制层。它包括计算机各部件的功能以与各部件的联系，涉与如何控制计算机、信号产生方式、存储器类型等。计算机实现()第六十五页，共87页。软件兼容与系列机和兼容机软件兼容可从机器性能和推出时间分成向上（向下)兼容和向前(向后）兼容。向上兼容是指软件能够在更高档次机器上保持兼容；向下兼容则是指软件能够在较低档次机器上保持兼容。向后兼容是指软件能够在此后生产的机器上保持兼容；向前兼容则是指软件能够在此前生产的机器上保持兼容。软件兼容示意图第六十六页，共87页。通用微机嵌入式系统()微型计算机的分支第六十七页，共87页。§1.3微型计算机的硬件系统微机系统硬件组成第六十八页，共87页。微机的主要组件微处理器存储器输入/输出()设备的接口总线是微机的运算和指挥控制中心。由运算器、控制器和寄存器组构成。用于存储程序和数据。分为内存储器和外存储器，内存用于存放微处理器即将使用或正在使用的数据和程序，微处理器可以直接访问内存。外存用于存放暂时不用的数据和程序，微处理器不能直接访问外存。用于微机与外设的连接。用于实现各设备之间的信息传输。按功能分为：数据总线、地址总线、控制总线第六十九页，共87页。§1.4微型计算机的软件系统微机软件是程序、数据和有关文档的集合。程序是完成任务所需要的一系列指令序列；文档是为了便于了解程序所需要的阐明性资料。计算机语言和语言处理程序计算机语言机器语言、汇编语言、高级语言语言处理程序把一种语言编写的程序翻译成与其等价的另一种语言所编写的程序。被翻译的程序通常称为源程序，而翻译后的程序称为目标程序。语言处理程序包括汇编程序、解释程序和编译程序。第七十页，共87页。汇编程序是把汇编语言编写的源程序翻译成机器语言的目标程序的一种软件工具。整个汇编的过程实质上是对汇编语言指令逐条处理的过程，翻译后产生的机器指令与汇编语言程序的指令一一对应。解释程序把高级语言编写的源程序按动态的运行顺序逐句进行翻译并执行，每翻译一句，就产生一系列完成该语句功能所对应的机器指令，并立即执行这一系列的机器指令，直至全部源程序结束。编译程序把高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目标程序。翻译过程中，编译程序对源程序的语法、句法和程序的逻辑结构进行检查，如果没有错误，则产生相应的目标代码。翻译过程中若出现错误，系统立即显示出错信息，待修改后才能继续进行下去。第七十一页，共87页。软件的分类系统软件：指不需要用户干预就能生成、准备和执行其他程序所需的一组程序。应用软件：指用于解决各种特定具体应用问题的而专门