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1、第第1章微型计算机基础章微型计算机基础第1页，本讲稿共68页第第1章章 微型计算机基础微型计算机基础 微型计算机发展微型计算机发展1.1微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.2微型计算机中常用数制和编码微型计算机中常用数制和编码1.3微型计算机系统的性能指标微型计算机系统的性能指标1.4第2页，本讲稿共68页1.1 微型计算机发展微型计算机发展1946年2月，世界上第一台数字式电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)问世。计算机的发展经历了：电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机。微处理
2、器和微型计算机的发展微处理器和微型计算机的发展1.1.1微型计算机的分类及其应用微型计算机的分类及其应用1.1.2第3页，本讲稿共68页1.1.1 微处理器和微型计算机的发展微处理器和微型计算机的发展 中央处理器中央处理器(CPU)：由运算器和控制器构成。微处理器微处理器(Microprocessor)：运算器和控制器集成于一个芯片中。1971年首先由Intel公司研制出Intel 4004。微型计算机微型计算机(Microcomputer)：是以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/输出接口电路和相应的辅助电路构成的计算机。第4页，本讲稿共68页微处理器的发展微处理器的发展第一代：第一代：1
3、971年开始，典型产品：Intel 4004/8008，字长：4位或8位。第二代：第二代：1973年开始，典型产品：Intel 8080、Intel 8085、Motorola MC6800、Zilog Z80，字长：8位。第三代：第三代：1978年开始，典型产品：Intel 8086、Intel 80286、Motorola MC68000、Zilog Z8000，字长：16位。第四代：第四代：1983年开始，典型产品：Intel 80386、Intel 80486、Motorola MC68020、Zilog Z80000，字长：32位。第五代第五代：1993年开始，典型产品：Intel的
4、 Pentium 586、Pentium pro、Pentium MMX、Pentium、Pentium、Pentium 等，高档的32位微处理器。Intel公司2000年11月推出了第一代的64位微处理器位微处理器Itanium，标志着Intel微处理器进入64位时代。第5页，本讲稿共68页1.1.2 微型计算机的分类及其应用微型计算机的分类及其应用 微型计算机的分类微型计算机的分类1微型计算机的应用微型计算机的应用2第6页，本讲稿共68页1.微型计算机的分类微型计算机的分类按微处理器的位数划分：按微处理器的位数划分：4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。按组装形式和系统规模划分：按
5、组装形式和系统规模划分：单片机单片机单板机单板机个人计算机个人计算机第7页，本讲稿共68页单片机单片机单片微型计算机(简称单片机)：将微处理器、RAM、ROM及I/O接口电路等集成在一块芯片一块芯片上的计算机上的计算机。由于单片机体积小、功耗低、可靠性高，在智能仪器仪表和控制领域得到广泛应用。典型的有Intel 8051、Intel 8096等产品。第8页，本讲稿共68页单板机单板机单板微型计算机(简称单板机)：将微处理器、RAM、ROM、I/O接口电路及少量的输入/输出设备装配在一块印刷线路板上的计算机一块印刷线路板上的计算机。单板机结构简单、价格低廉、具有独立的微型机操作功能，但输入/输出
6、设备简单，一般为小键盘、数码显示器等，通常用在简单的控制系统和教学实验。典型的有以Z80为CPU的TP-801等。第9页，本讲稿共68页个人计算机个人计算机个人计算机(Personal Computer)(简称PC 机)：由微处理器组装而成，供单个用户使用。通常说的微型计算机或家用电脑就属于个人计算机。典型的有IBM公司推出的IBM-PC系列计算机。现在，个人计算机在商用、家用、科学研究、教育等领域都得到了广泛的应用。第10页，本讲稿共68页2.微型计算机的应用微型计算机的应用科学计算科学计算信息处理信息处理计算机控制计算机控制智能仪器智能仪器计算机通信计算机通信第11页，本讲稿共68页科学计
7、算科学计算现在微型计算机的性能已超过原来的小型机，具有很强的运算能力。由多个微处理器或多个微型计算机组成多处理器或多计算机系统，已成为搭建大型计算机系统的主流。第12页，本讲稿共68页信息处理信息处理微型计算机配上适当的管理软件，实现诸如办公自动化、银行管理、航空管理、企业资源管理等。采用多媒体技术已可以方便处理图、文、声、像等各种信息。第13页，本讲稿共68页计算机控制计算机控制生产过程采用实时计算机控制及自动化生产线，可以大大提高产品的数量和质量，节约能源，降低劳动强度。第14页，本讲稿共68页智能仪器智能仪器配备微处理器的仪器仪表，可以极大提高仪器的精度和水平。工业过程中的检测仪器、大型
8、医疗器械等都广泛使用了微处理器。第15页，本讲稿共68页计算机通信计算机通信计算机技术和通信技术的结合使得通信事业得到了迅速的发展。微机控制的通讯设备广泛部署，通信工具越来越先进和智能化，特别是以计算机技术和通信技术为基础的网络技术的发展已彻底改变了人们的生活。第16页，本讲稿共68页1.2 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 微型计算机硬件微型计算机硬件1.2.1微型计算机软件微型计算机软件1.2.2微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程1.2.3第17页，本讲稿共68页1.2.1 微型计算机硬件微型计算机硬件微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、输入/输出接口电路和一些必不可少的外
9、部设备组成，并通过系统总线连接成有机整体。第18页，本讲稿共68页微处理器微处理器 算术逻辑部件(ALU)：主要实现算术运算(加、减、乘、除等操作)和逻辑运算(与、或、非、异或等操作)，是运算器的核心；通用寄存器：用来存放参加运算的数据、中间结果等；程序计数器(PC)：指向将要执行的下一条指令的位置，具有自动增1功能，以决定程序的执行顺序；时序与控制逻辑部件：主要负责对整机的控制，包括对指令的取出、译码、分析，确定指令的操作，使CPU内部和外部各部件协调工作。第19页，本讲稿共68页存储器存储器主要用来存放程序和数据，这里指的是内存储器或主存储器，分为：随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)
10、存储器由许多存储单元组成，每个单元的位数可以是1位、4位、8位、16位等，其中8位为一个字节(Byte)。存储器的容量是指存储器所能存储的二进制位数，通常通常用能存储的字节数来衡量用能存储的字节数来衡量，单位有KB、MB、GB等。第20页，本讲稿共68页存储器存储器(续续)存储器中每个存储单元都有一个编号，称为存储地址，简称地址。微处理器就是按照存储单元的地址来访问内存的。对存储器的访问操作有读操作和写操作，用于实现从存储器中读出信息和把信息写入存储器。第21页，本讲稿共68页存储器存储器(续续)每当需访问存储器时：(1)由微处理器给出地址；由微处理器给出地址；(2)通过地址译码器选择相应的通
11、过地址译码器选择相应的存储单元；存储单元；(3)微处理器发出读或写控制信号，微处理器发出读或写控制信号，从而从指定地址的单元读出数从而从指定地址的单元读出数据或把数据写入指定地址的存据或把数据写入指定地址的存储单元。储单元。内存储器的结构内存储器的结构第22页，本讲稿共68页输入输入/输出接口电路输出接口电路输入/输出接口电路也称I/O接口接口，用来连接输入/输出设备(外部设备)。输入/输出设备用来实现信息的输入/输出，包括外部存储器、键盘、显示器等。第23页，本讲稿共68页系统总线系统总线总线是CPU向存储器和输入/输出接口传送地址、数据和控制信息的公共通路公共通路。包括：地址总线(AB)数
12、据总线(DB)控制总线(CB)第24页，本讲稿共68页1.2.2 微型计算机软件微型计算机软件软件(software)是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档，包括：计算机本身运行所需的系统软件用户完成特定任务所需的应用软件 第25页，本讲稿共68页1.2.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程就是执行存放在存储器中程序的过程，就是逐条执行指令序列的过程，就是不断地取指令取指令和执行指令执行指令的过程。工作过程详解模型计算机CPU的组成结构举例第26页，本讲稿共68页工作过程详解工作过程详解假定程序已由输入设备存放到内存中。那么，微型计算机的工作过程包括的基本步骤有：
13、(1)将第一条指令由内存中取出(即取指令取指令)；(2)将取出的指令送指令译码器译码译码，以确定要进行的操作；(3)读取操作数读取操作数(或操作对象)；(4)对操作数进行指令规定的操作，并存放结果(即执行指令执行指令)；(5)一条指令执行完后，转入下一条指令的取指令阶段。如此周而复始地循环，直到程序中的指令执行完。第27页，本讲稿共68页图图1.2 模型计算机模型计算机CPU的组成结构的组成结构第28页，本讲稿共68页模型计算机模型计算机CPU的组成结构的组成结构要执行指令的地址由程序计数器PC提供，地址寄存器AR将要寻址的单元的地址通过地址总线AB送至存储器；从存储器中取出指令后，由数据寄存
14、器DR送至指令寄存器IR，再通过指令译码器ID译码，并通过可编程逻辑阵列PLA控制电路发出执行一条指令所需要的各种控制信息。在控制信号的控制下，准备好参加运算的操作数，并由ALU完成对操作数的运算处理，同时把运算过程中的状态标志信息存放在标志寄存器F。图1.2第29页，本讲稿共68页以简单的加法运算为例以简单的加法运算为例假定要运算的数已存放在存储器中，加法运算程序至少包括两条指令：(1)把第一个数从它所在的存储单元取出送至运算器中的累加器，如：MOV AL，addrx。(2)把累加器的内容和存放在指定存储单元的第二个数相加，并将结果存放累加器，如：ADD AL，addry。第30页，本讲稿共
15、68页以简单的加法运算为例以简单的加法运算为例(续续)在模型计算机下，该加法运算程序的执行过程(假定程序计数器PC中已存放第一条指令在存储器中的地址)包括：(1)取第一条指令取第一条指令，即程序计数器PC送到地址寄存器AR，并送至内存储器，经地址译码器译码，选中相应的单元；读存储器，把第一条指令取出来，经数据寄存器DR，送指令寄存器IR。同时PC自动加1，指向下一条指令的位置(地址)；(2)通过指令译码分析译码分析，确定该指令是完成从内存addrx单元中取数的功能，即把第一个数的地址addrx部分送地址寄存器AR，并送至内存储器，通过读存储器，取出第一取出第一个数个数，经数据寄存器DR送累加器
16、AL。(3)取第二条指令取第二条指令，其读取过程与第一条指令是完全一样的；(4)通过指令译码分析译码分析，确定该指令是完成把AL和存放在addry单元的第二个数相加的功能，即把第二个数的地址addry部分送地址寄存器AR，并送至内存储器，通过读存储器，取第二个数取第二个数，经数据寄存器DR送ALU，同时暂存在AL中的第一个数也送ALU，然后ALU进行加运算加运算，并把结果输出到AL。图1.2第31页，本讲稿共68页1.3 微型计算机中常用数制和编码微型计算机中常用数制和编码 常用数制及转换常用数制及转换1.3.1数的表示与运算数的表示与运算1.3.2常用编码常用编码1.3.3第32页，本讲稿共
17、68页1.3.1 常用数制及转换常用数制及转换 数制是数的表示方法。可以用各种进位计数制来表示数。常用数制常用数制1数制转换数制转换2第33页，本讲稿共68页1.常用数制常用数制基数：基数：数制中所使用的数码的个数。位权：位权：数制每一位所具有的权值，每一位的值等于该位数字和该位位权的乘积。常用数制十进制：人们最熟悉、最常用二进制：计算机中数的表示十六进制：为方便书写计算机中的二进制数常用进制数之间的关系第34页，本讲稿共68页1)十进制十进制十进制由09这十个不同的数字组成，其基数为10，每位的位权是以10为底的幂，即第i位的权为10i。十进制数可在数字后加后缀数字后加后缀D表示，但常省表示
18、，但常省略不写略不写。例如：123.45=1102+2101+3100 +410-1+510-2第35页，本讲稿共68页2)二进制二进制二进制由0、1这二个不同的数字组成，其基数为2，每位的位权是以2为底的幂，即第i位的权为2i。二进制数可在数字后加后缀数字后加后缀B表示。例如：101.01B=122+021+120 +02-1+12-2 =5.25第36页，本讲稿共68页3)十六进制十六进制十六进制由09、A、B、C、D、E、F这十六个不同的数字组成，其基数为16，每位的位权是以16为底的幂，即第i位的权为16i。十六进制数可在数字后加后缀数字后加后缀H表示。例如：1F3.9AH=1162+
19、15161+3160 +916-1+1016-2 =499.6015625第37页，本讲稿共68页常用进制数之间的关系常用进制数之间的关系十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制0 0000000000 08 8100010008 81 1000100011 19 9100110019 92 2001000102 2101010101010A A3 3001100113 3111110111011B B4 4010001004 4121211001100C C5 5010101015 5131311011101D D6 6011001106 614141
20、1101110E E7 7011101117 7151511111111F F第38页，本讲稿共68页2.数制转换数制转换 二进制、十六进制转换为十进制二进制、十六进制转换为十进制十进制转换为二进制十进制转换为二进制二进制和十六进制间的互换二进制和十六进制间的互换第39页，本讲稿共68页1)二进制、十六进制转换为十进制二进制、十六进制转换为十进制多项式展开法多项式展开法：把每个数位上的数字和该位的位权相乘再累加即可得到等值的十进制数。第40页，本讲稿共68页2)十进制转换为二进制十进制转换为二进制需要对数的整数部分和小数部分分别进行处理，再合并得到转换结果。(1)十进制整数：采用除除2取余法取
21、余法，即用基数2不断去除要转换的十进制数，直至商为0。每次的余数即为二进制位数，先得到的是二进制低位，后得到的是二进制高位先得到的是二进制低位，后得到的是二进制高位。(2)十进制小数：采用乘乘2取整法取整法，即用基数2不断去乘要转换的十进制数。每次得到积的整数部分即为二进制位数，先得到的是二进制小数的高位，后得到的是二先得到的是二进制小数的高位，后得到的是二进制小数的低位进制小数的低位。例1.1第41页，本讲稿共68页例例1.1将十进制数135.8125转换为二进制数。所以，(135.8125)10=(10000111.1101)2 第42页，本讲稿共68页3)二进制和十六进制间的互换二进制和
22、十六进制间的互换4位二进制数对应1位十六进制数。二进制数转换为十六进制数时，以二进制数的小数点分界，分别进行分组处理，不足的位用0补足，整数部分在高位补整数部分在高位补0，小数部分，小数部分在低位补在低位补0。例1.2第43页，本讲稿共68页例例1.2将二进制数10000111.1101转换为六进制数。(10000111.1101)2=(1000 0111.1101)2=(87.D)16 第44页，本讲稿共68页1.3.2 数的表示与运算数的表示与运算 原码、反码和补码表示原码、反码和补码表示1补码的加减运算补码的加减运算2定点数与浮点数表示定点数与浮点数表示3基本概念基本概念0第45页，本讲
23、稿共68页基本概念基本概念真值：日常的表示方式，正负号加绝对值。机器数：计算机内部的表示方式，正负号分别用0、1表示。计算机中的数据分为数值数据和非数值数据。n无符号数值数据的表示形式：全部数位都表示数值大小n带符号数值数据的表示形式：常用的表示方法有：原码、反码和补码。第46页，本讲稿共68页原码原码若X=+99，则X原0 1100011B若X=-99，则X原1 1100011B+0原=0 0000000B-0原=1 0000000B8位原码表示的整数的范围为：1 1111111 0 1111111，即-127+127；8位原码表示的小数的范围为：1.1111111 0.1111111，即-
24、(1-2-7)+(1-2-7)。原码表示简单易懂，但运算不方便。第47页，本讲稿共68页反码反码正数的反码表示与原码相同，负数的反码则正数的反码表示与原码相同，负数的反码则是原码的数值位按位取反是原码的数值位按位取反。若X=+99，则X反0 1100011B若X=-99，则X反1 0011100B+0反=0 0000000B-0反=1 1111111B字长为n位的反码的表数范围和其原码相同 第48页，本讲稿共68页补码补码正数的补码表示与原码相同，负数的补码正数的补码表示与原码相同，负数的补码则是原码的数值位按位取反，再末位加则是原码的数值位按位取反，再末位加1。若X=+99，则X补0 110
25、0011若X=-99，则X补1 0011101注意：若X=-128，则X补1 0000000+0补-0补=0 00000008位补码表示的整数的范围为：-128 +1278位补码表示的小数的范围为：-1 +(1-2-7)。第49页，本讲稿共68页2.补码的加减运算补码的加减运算 在进行补码加减运算时，符号位和数值位一起参加运算，并且可以把减法运算转化为负数补码的加法运算。补码的加减运算规则加减运算规则：X+Y补=X补+Y补；X-Y补=X补+-Y补；其中：-Y补=Y补各位取反+末位1。例1.3溢出及其判定第50页，本讲稿共68页例例1.3设字长为8位，X=+65，Y=+48，计算X+Y补、X-Y
26、补。X=+65=+1000001B，X补=0 1000001B，Y=+48=+110000B，Y补=0 0110000B，-Y 补=1 1001111B+1=1 1010000B X补 0 1000001B X补 0 1000001B +Y补 0 0110000B +-Y补 1 1010000B X+Y补 0 1110001B X-Y补 1 0 0010001B 丢失丢失所以，X+Y补=0 1110001B，X+Y=+113 X-Y补 =0 0010001B，X-Y=+17 第51页，本讲稿共68页溢出及其判定溢出及其判定溢出溢出：补码运算时，若运算结果超出了其表数范围就发生了溢出，造成运算结
27、果错误。例如，字长n=8时，X=+99，Y=+98，X+Y=+197+127，肯定发生溢出。溢出的判定方法：由于溢出只可能出现在同号相加或异号相减运算时，且采用补码减法可转变为加法，最直观、最易于理解的溢出判定方法是：若正数加正数，结果为负数或负数加负数，结果为正数，则发生溢出。第52页，本讲稿共68页3.定点数与浮点数表示定点数与浮点数表示 对于数值数据除了需要表示符号外，通常还包含小数点，而计算机是无法识别的。根据数中小数点的位置是固定还是浮动，分为：定点数定点数浮点数浮点数第53页，本讲稿共68页1)定点数定点数分为定点整数(纯整数，简称整数)和定点小数(纯小数，简称小数)。定点整数：小
28、数点固定在数据数值部分的最右边定点小数：小数点固定在数据数值部分的最左边由于这两种形式下小数点的位置是固定的，所以在计算机数据表示中实际上并不需要表示小数点，小数点采取隐含表示。而在书写时，为了直观起见，在符号位之后加小数点表示定点小数。第54页，本讲稿共68页1)定点数定点数(续续)字长为n位的定点整数形式为：X XXXXXXX .1位符号 n-1位数值部分 小数点(隐含)字长为n位的定点小数形式为：X .XXXXXXX1位符号 小数点(隐含)n-1位数值部分 例如：字长n=8时，X=+99=+1100011B0 1100011B；Y=-0.8125=-0.1101B1.1101000B。定
29、点数的表数范围较小，设字长为n位的定点数(符号位1位，数值位n-1位)以补码形式表示时，其范围为：定点整数：-2n-1 2n-1-1 定点小数：-1 1-2-(n-1)第55页，本讲稿共68页2)浮点数浮点数浮点数是指小数点位置可浮动的数据。把一个二进制数通过移动小数点位置可表示成整数的阶码和小数的尾数两部分，这样，就可采用定点数的表示形式来表示浮点数。浮点数在计算机中的表示形式为：X XXXXX X XXXXX 阶码符号(阶符)阶码数值部分 尾数符号 尾数数值部分浮点数由整数的阶码和小数的尾数两部分组成，其表示形式就由阶浮点数由整数的阶码和小数的尾数两部分组成，其表示形式就由阶码的整数表示和
30、尾数的小数表示组合而成。码的整数表示和尾数的小数表示组合而成。例子第56页，本讲稿共68页例子例子数据N=-1323=-1101B23=-0.1101B27=-0.1101B2+111B，所以表示成浮点数形式，其尾数M=-0.1101B，阶码E=+111B。若浮点数为10位，阶码4位，尾数6位，如果以原码表示，则N原=0 111 1 11010 阶符 阶码 尾符 尾数浮点数由于有阶码的存在，扩大了浮点数的表数范围，同时由于有尾数的存在，又保证了浮点数具有一定的表数精度。第57页，本讲稿共68页1.3.3 常用编码常用编码 字符的编码字符的编码1汉字的编码汉字的编码2二进制编码的十进制数二进制编
31、码的十进制数3第58页，本讲稿共68页1.字符的编码字符的编码(ASCII码码)在微型计算机系统中，字母、数字符以及各种符号需要采取特定的规则用二进制编码来表示。目前，广泛采用的是美国信息交换标准码，即ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)。标准ASCII码采用7位二进制数作为字符的编码，可以表示128个字符。由于计算机中一个字节为8位二进制数，标准的ASCII码为一个字节8位二进制数，最高位(D7)为0。标准的ASCII码表见附录。数字符数字符09的的ASCII码为码为30H39H；大写字母大写字母AZ的的ASCI
32、I码为码为41H5AH。第59页，本讲稿共68页ASCII编码表编码表第60页，本讲稿共68页2.汉字的编码汉字的编码 GB-2312码，中华人民共和国国家标准信息交换代码，3755(一级汉字)+3008(二级汉字)+682(图形符号)，双字节表示。为了使汉字的编码与ASCII码相区别，在机器中，汉字是以内码形式存储和传输的。通常就是用汉字的国标码的两个字节的最高位都置“1”形成的。第61页，本讲稿共68页3.二进制编码的十进制数二进制编码的十进制数(BCD码码)1位十进制数可采用4位二进制编码来表示，常采用的是按权值8421编码，通常称为BCD码。BCD码分为两类：n压缩压缩BCD码码：一个
33、字节表示两位十进制数，这是常用的BCD码表示形式。如16的压缩BCD码为0001 0110n非压缩非压缩BCD码码：一个字节表示一位十进制数，字节的高4位总是0000。如16的非压缩BCD码为00000001 00000110表1.2第62页，本讲稿共68页表表1.2 BCD码和十进制数的关系码和十进制数的关系第63页，本讲稿共68页1.4 微型计算机系统的性能指标微型计算机系统的性能指标 字长字长1存储器容量存储器容量2运算速度运算速度3时钟频率时钟频率4第64页，本讲稿共68页1.字长字长指计算机内部一次可以处理的二进制数的位数。字长越长，计算机所能表示的数据精度越高，在完成同样精度的运算
34、时数据的处理速度越快。字长一般是字节的整数倍。第65页，本讲稿共68页2.存储器容量存储器容量是衡量计算机主存储器能存储二进制信息量大小的一个重要指标。主存储容量反映了主存储器的数据处理能力，存储容量越大，其处理数据的范围就越大，并且运算速度一般也越快。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量：字节1B(Byte)=8位，1KB(Kilobyte)=210B，1MB(Megabyte)=210KB，1GB(Gigabyte)=210 MB，1TB(Terabyte)=210 GB，1PB(Petabyte)=210 TB。第66页，本讲稿共68页3.运算速度运算速度计算机的运算速度以每秒钟能执
35、行的指令条数来表示。由于不同类型的指令执行时所需的时间长度不同，因而有几种不同的衡量运算速度的方法。MIPS(百万条指令百万条指令/秒秒)法法：根据不同类型指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，用MIPS作单位衡量。最短指令法最短指令法：以执行时间最短的指令(如传送指令、加法指令)为标准来计算速度。实际执行时间法实际执行时间法：给出CPU的主频和每条指令执行所需要的时钟周期，可以直接计算出每条指令执行所需的时间。第67页，本讲稿共68页4.时钟频率时钟频率又称为系统主频，指微处理器在单位时间(秒)内发出的脉冲数。计算机的操作都是分步进行的，一个时钟周期完成一个操作，因此时钟频率是衡量微型计算机速度的重要指标。一般来说，时钟频率越高，其运算速度越快。时钟频率现多使用MHz、GHz为单位。第68页，本讲稿共68页