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1、第一章第一章 微机系统导论微机系统导论 庄婵飞庄婵飞Tel:85517195Email:办公室：存中办公室：存中714n了解微型计算机的发展、应用及其分类了解微型计算机的发展、应用及其分类n掌握微型计算机的一般概念掌握微型计算机的一般概念n掌握存储器掌握存储器n理解微型计算机的工作过程理解微型计算机的工作过程n掌握计算机中数据的表示和编码掌握计算机中数据的表示和编码本章学习目标：本章学习目标：1.1微型计算机的发展微型计算机的发展n1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它
2、是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机Intel 4004第二代第二代中高档中高档8位机位机8080/8085、Z80、MC6800第三代第三代16位机位机Intel 8086、Z8000、MC6800第四代第四代32位机位机80386、80486第五代第五代64位机位机Intel Pentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-1992）（1993后）后）特点：特点：1、速度越来越快。、速度越来越快。2、容量越来越大。、容量越来越大。3、功能越来越强。、
3、功能越来越强。Intel的的CPU的的发展史展史intel 4004，intel 的发展史就是从这块的发展史就是从这块cpu起步的起步的80088085808680286，intel最后一块最后一块16位位cpu80386，intel第一代第一代32位位cpu486，这是，这是intel最后一代以数字编号最后一代以数字编号的的cpupentium，传说中的，传说中的586pentium propentium mmxpentiumpentium_katmaipentiumIntel pentium tualatin/coppermineintel pentium_423intel pentium
4、_4781、2 微型计算机的分类微型计算机的分类n1 1、单片机：、单片机：又称单片微控制器又称单片微控制器,它不是完成某一个逻它不是完成某一个逻辑功能的芯片辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机片就成了一台计算机 n2 2、单板机：、单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器电路板上，包括微处理
5、器/存储器存储器/输入输出接口，还输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。接在实验板上操作，适用于教学。n3 3、PCPC机机（Personal Computer Personal Computer）:面向个人单独使用面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。3个基本概念：个基本概念：微处理器（微处理器（CPU）微型计算机（简称微机）微型
6、计算机（简称微机）微型计算机系统微型计算机系统1.2 微机的一般概念微机的一般概念1.2.1 CPUnCPU=运算器运算器控制器控制器内部寄存器阵列内部寄存器阵列n见课本见课本p6，图，图1.6nALUn控制器控制器IR+ID+PLAn指令寄存器指令寄存器IR:保存当前正在执行的一条指令。保存当前正在执行的一条指令。n指令译码器指令译码器ID:将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号n可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA:内部寄存器内部寄存器u累加器累加器Au标志寄存器标志寄存器Fu程序计数器程序计数器PC:存放着正待取出的指令的地址存放着正待取出的指令的
7、地址u地址寄存器地址寄存器AR:存放正要取出的指令的地址存放正要取出的指令的地址 或操作数的地址或操作数的地址u数据寄存器数据寄存器DR:暂存数据或指令暂存数据或指令u寄存器阵列寄存器阵列RA1.2.2 微机微机 是指以是指以微处理器（微处理器（CPU）为核心，配上为核心，配上存储器存储器、输入输出接口电路输入输出接口电路及及系统总线系统总线所组成的计算机（又称主机或微电脑）。所组成的计算机（又称主机或微电脑）。ABDBCBCPU 存储器存储器I/O接口接口外外设设微型计算机组成框图微型计算机组成框图存放程序和数据由控制器、运算器和寄存器等组成，完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制 连接
8、外设和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作 CPU存储器存储器I/O接口接口 地址总线地址总线AB:传递地址信息的总线，CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址。单向总线单向总线系统总线系统总线 控制总线控制总线CB：传递控制信息的总线。双向总线双向总线数据总线数据总线DB：传递数据信息的总线。双向总线双向总线1、2、3 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成一个微型计算机系统包括一个微型计算机系统包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统。硬件和软件的结合，才能使计算机正常工作运行。硬件和软件的结合，才能使计算机正常工作运行。计算机硬件系统计算机硬件
9、系统是一个为执行程序建立物质基础是一个为执行程序建立物质基础的物理装置，称为硬件或裸机。的物理装置，称为硬件或裸机。计算机软件系统计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。算机所编制的所有程序及文档的总和。依据功能的不同，软件分为依据功能的不同，软件分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类。两大类。1.3 存储器概述存储器概述1.3.1 基本概念基本概念位位字节字节字字字长字长 每个每个0或或1就叫就叫1位信息位信息8位二进位二进制代码制代码2个字节个字节在数据总在数据总线上一次线上一次能处理的能处理的信息的位信息的位数数存储
10、单元存储单元（存储器一般（存储器一般分为若干单元，分为若干单元，每个单元一般每个单元一般存放一个字节）存放一个字节）单元地址单元地址（每个单元一（每个单元一个编号）个编号）存储容量存储容量（存储单元的（存储单元的总数目）总数目）存储容量的计算存储容量的计算nn条地址线可访问条地址线可访问2n个存储单元个存储单元nEg：n16条地址线可访问条地址线可访问 216=64 KB。n20条地址线可访问条地址线可访问 220=1 MB。n 1K=1024B n 1M=1024 KB n 1G=1024 MB1.3.2 存储器组成存储器组成n这里所讨论的存储器指内存这里所讨论的存储器指内存n例子：假设有一
11、个例子：假设有一个256个存储单元的随个存储单元的随机存取存储器，每个存储单元存放机存取存储器，每个存储单元存放8位二位二进制数，即字长为进制数，即字长为8。很显然，数据总线。很显然，数据总线有有8根，根，28256。n简单的结构示意图如下：简单的结构示意图如下：00单元单元01单元单元02单元单元03单元单元.FE单元单元FF单元单元地址地址译码器译码器 控制电路控制电路 来自来自CPU的地址的地址8位位AB.8位位存储体存储体往返于往返于 CPU8位位DB随机存取储存器随机存取储存器00010203FEFF从从CPU 来的来的读读/写信号写信号1.3.3 读操作过程读操作过程 假设假设CP
12、U要把内存单元要把内存单元04H的内容的内容97H读出，具体是如何操作的呢？请看读出，具体是如何操作的呢？请看下图。下图。地地址址译译码码器器.10010111.控制控制.内容内容0004FF.地址地址读读1 0 0 1 0 1 1 1DBAB 0 0 0 0 0 1 0 0T1T2 T3T4CLK地址地址/数据线数据线地址输出地址输出数据输出数据输出读读/RD1.3.4 读操作过程时序图读操作过程时序图1.3.5 写操作过程写操作过程n假设假设CPU要将数据要将数据26H写入内存写入内存08H单单元，具体是如何操作的呢？请看下图。元，具体是如何操作的呢？请看下图。地地址址译译码码器器.000
13、0000.控制控制.内容内容0008FF.地址地址0 0 1 0 0 1 1 0DBAB 0 0 0 0 10 0 0写写 00100110CLKT1T2 T3T4地址地址/数据线数据线地址输出地址输出数据输出数据输出写写/WR1.3.6 写操作过程时序图写操作过程时序图1.4 微机的工作过程微机的工作过程n就是执行程序的过程就是执行程序的过程n例：要完成例：要完成3+2=？n在进行计算前，应做如下工作：在进行计算前，应做如下工作：用助记符号指令（汇编语言）编写程序用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；（源程序）；用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计
14、算机能识别的机器语言程序；成计算机能识别的机器语言程序；将数据和程序通过输入设备送入存储器将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。中存放。nMOV A，03H /B0H 03H nADD A，02H /04H 02HnHLT /F4H1、取指令阶段的执行过程：（设程序从、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放）开始存放）（1）、将程序计数器（）、将程序计数器（PC或或IP）的内容送地址寄存器）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器）、程序计数器PC的内容自动加的内容自动加1变为变为01H，为取下一条指令，为取下一条指令作好准备。作好准备。（3）、地址寄存器）、地址寄存器AR将将0
15、0H通过地址总线送至存储器地址译码通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中器译码，选中00H单元。单元。（4）、）、CPU发出发出“读读”命令。命令。（5）、所选中的）、所选中的00单元的内容单元的内容B0H读至数据总线读至数据总线DB上。上。（6）、经数据总线）、经数据总线DB，读出的，读出的B0H送至数据寄存器送至数据寄存器DR。（7）、数据寄存器）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码中，经过译码CPU“识别识别”出这个操作码为出这个操作码为“MOV A，03H”指令，于是控制器指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。发出执行这条指令的各种
16、控制命令。PCARALUADRIRIDPLA00H100H200 B0H01 03H02 04H03 02H04 F4H34读命令读命令B0H56B0H7控制信号控制信号（取第一条指令操作示意图）（取第一条指令操作示意图）2、执行指令阶段的执行过程：、执行指令阶段的执行过程：（1）、将程序计数器（）、将程序计数器（PC或或IP）的内容送地址寄存器）的内容送地址寄存器AR。（2）、）、程序计数器程序计数器PC的内容自动加的内容自动加1变为变为02H，为取下一条指，为取下一条指令作好准备。令作好准备。（3）、地址寄存器）、地址寄存器AR将将01H通过地址总线送至存储器地址译通过地址总线送至存储器地
17、址译码器译码，选中码器译码，选中01H单元。单元。（4）、）、CPU发出发出“读读”命令。命令。（5）、所选中的）、所选中的01H单元的内容单元的内容03H读至数据总线读至数据总线DB上。上。（6）、经数据总线）、经数据总线DB，读出的，读出的03H送至数据寄存器送至数据寄存器DR。（7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器送入累加器A中，所以数据寄存器中，所以数据寄存器DR通过内部总线将通过内部总线将03H送入送入累加器累加器A中。中。PCARALUADRIRIDPLA02H101H200 B0H01 03H02 04H
18、03 02H04 F4H34读命令读命令03H567控制信号控制信号03H（执行第一条指令操作示意图）（执行第一条指令操作示意图）1.5 1.5 计算机中数据的表示和编码计算机中数据的表示和编码 u进制数及其相互转化进制数及其相互转化u编码编码u带符号数的表示法带符号数的表示法1 1、5 5、1 1 计算机中常用的进制计算机中常用的进制数数 1、十进制数、十进制数 0 0，1 1，2 2，8 8，9 9“逢十进一，借一当十逢十进一，借一当十”用后缀用后缀D D或者缺省或者缺省2、二进制表示法、二进制表示法u0 10 1u用后缀用后缀B B表示。表示。u“逢二进一，借一当二逢二进一，借一当二”。
19、二进制表示数值方法如下：二进制表示数值方法如下：NB=Ki *2i 其中：其中：Ki=0 或或 1ni=-m例：二进制数例：二进制数1011.1表示如下：表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1算术运算规则：算术运算规则：加法运算：加法运算：0+0=0 0+1=1 1+1=10 减法运算：减法运算：0-0=0 0-1=1 1-0=1 1-1=0乘法运算：乘法运算：0*0=0 0*1=0 1*0 =0 1*1=1除法运算：除法运算：0/1=0 1/1=1逻辑运算规则：逻辑运算规则：与运算：与运算：0*0=0 0*1=0 1*0 =0 1*1=1或运算：或运
20、算：0+0=0 0+1=1 1+1=1 非运算：非运算：异或运算：异或运算：3、八进制表示法、八进制表示法0，1，2，7后缀后缀O O或者或者Q Q表示表示“逢八进一，借一当八逢八进一，借一当八”。八进制表示数值方法如下：八进制表示数值方法如下：NO=Ki *8i 其中：其中：Ki=0、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（例：（467.6)O=4*82+6*81+7*80+6*8-14、十六进制表示法、十六进制表示法基数为基数为16，用，用0-9、A-F 十五个字符来数值，逢十六十五个字符来数值，逢十六进一。进一。用后缀用后缀H H表示表示各位的权值为各位的权值为 16i。二进制表示数值
21、方法如下：二进制表示数值方法如下：NH=Ki *16i 其中：其中：Ki=0 -9、A-Fni=-m例：（例：（56D.3)H=5*162+6*161+13*160+3*16-11 1、5 5、2 2 进制间的转换进制间的转换1、二进制数和十进制数之间的转换、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。例例:11101.101=124+123+122+021+120+12-1+02-2+12-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875（2）、十进制数
22、转换为二进制数）、十进制数转换为二进制数方法：方法：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。换结果进行相加。B、整数转换采用整数转换采用除除2取余法取余法：用用2不断地去除要不断地去除要转换的数，直到商为转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按。再将每一步所得的余数，按逆逆序序排列，便可得转换结果。排列，便可得转换结果。C、小数转换采用小数转换采用乘乘2取整法取整法：每次用每次用2与小数部与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到直到小部分为小部分为0。将所取整数
23、。将所取整数顺序顺序放在小数点后即为转换结放在小数点后即为转换结果。果。例：将（例：将（136）D转换为二进制数。转换为二进制数。2 136 余数（结果）余数（结果）低位低位 2 68 -0 2 34 -0 2 17 -0 2 8 -1 2 4 -0 2 2 -0 2 1 -0 0 -1 高位高位转换结果：（转换结果：（136）D=（10001000）B例：将（例：将（0.625)D转换为二进制数。转换为二进制数。0.625 *2 1.25 *2 0.5 *2 1.0 取整：取整：高位高位 低位低位转换结果：转换结果：(0.625)D =(0.101)B2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转
24、换、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位三位化一位”的的方法。方法。从小数点开始向两边从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右；向右不足三位的，从右边补边补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位四位化一位”的方法。的方法。例：将例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。转换为八进制数和十
25、六进制数。1 000 110.01 001 000 110.010 (1 0 6 .2)O二进制数到十六进制数的转换：二进制数到十六进制数的转换：（1000110.01）B =100 0110.01 0100 0110.0100(4 6 .4)H（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用方法：采用“一位化三位（四位）一位化三位（四位）”的方法。的方法。按顺按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。所得结果即为相应的二进制数。例：将例：将(352.6)o转换为二进制数
26、。转换为二进制数。3 5 2 .6 011 101 010 110 =(11 101 010.11)B1、5、3 数的定点与浮点表示数的定点与浮点表示对对 R进制数进制数 NR=S*Rp，可以有很多表示方法。，可以有很多表示方法。如：十进制数：如：十进制数：265.78 可以有：可以有：265.78、2657.8*10-1、0.26578*103 、2.6578*102等。等。1、定点数表示法：、定点数表示法：小数点在数中的位置是固定的，小数点在数中的位置是固定的，P=0。一般采用两种简单的约定：定点整数和定点小数。一般采用两种简单的约定：定点整数和定点小数。（1）、定点整数）、定点整数A、带
27、符号整数：、带符号整数：某个某个N位二进制数，其最高位为符位二进制数，其最高位为符号位，其它号位，其它N-1位为数值部分：位为数值部分：Nf Nn-2 Nn-3 N2 N1 N0符号位符号位 数值部分数值部分 小数点小数点 B、无符号整数：所有的数位都用来表示数值。、无符号整数：所有的数位都用来表示数值。Nn-1 Nn-2 Nn-3 N3 N2 N1 N0 数值部分数值部分 小数点小数点（2）、定点小数）、定点小数用最高位表示符号，其它用最高位表示符号，其它N-1位表示数值部分，将小数位表示数值部分，将小数点定在数值部分的最高位左边。点定在数值部分的最高位左边。Nf Nn-2 Nn-1 N2
28、N1 N0符号位符号位 数值部分数值部分 小数点小数点 2、浮点数表示、浮点数表示浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。N=S*R P在计算机内，存储的格式：在计算机内，存储的格式：Pf P(m位位)Sf S(n位位)阶码部分阶码部分 尾数部分尾数部分其中：其中：Pf：阶码，表示阶码的符号：阶码，表示阶码的符号 P：阶码，指出小数点的位置：阶码，指出小数点的位置 Sf：数码，数值的符号位：数码，数值的符号位 S：尾数，决定数值的精度：尾数，决定数值的精度1、5、4 机器数的表示机器数的表示机器数：机器数：1个数在机器中的一组二进制数表示形式。个数在
29、机器中的一组二进制数表示形式。机器数的真值：机器数所代表的实际数值。机器数的真值：机器数所代表的实际数值。常用的编码方案：原码、反码、补码。常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码表示法、原码表示法原码：用最高位表示符号，其中：原码：用最高位表示符号，其中：0-正、正、1-负，负，其它位表示数值的绝对值。其它位表示数值的绝对值。例：例：+10原原=00001010 -10原原=100010100的表示形式（的表示形式（8位）位）+0原原=00000000-0原原=10000000特点特点A、原码与真值的对应关系简单。、原码与真值的对应关系简单。B、0的编码不唯一，处理运算不方便。的编码不唯一
30、，处理运算不方便。2、反码表示法、反码表示法正数的反码和原码相同。正数的反码和原码相同。负数的反码：将它的负数的反码：将它的正数正数按位按位（所有位）（所有位）取反而形成。取反而形成。+0反反=00000000 0反反=1111111+4反反=00000100 4反反=11111011+31反反=00011111 31反反=11100000+127反反=01111111 127反反=100000003、补码表示法补码表示法正数的补码和原码相同。正数的补码和原码相同。负数的补码负数的补码=反码反码+1。例：求例：求+4和和-4的补码。（的补码。（8位）位）+4补补=+4原原=00000100-4
31、补补=-4反反+1=11111011+1=111111000补补=+0补补=-0补补=000000001、5、5 计算机中常用的二进制编码计算机中常用的二进制编码1、ASCII码码 字母和符号常用的编码方式为美国标准信息交换字母和符号常用的编码方式为美国标准信息交换（American Standard Card for Information Interchange，ASCII码）。码）。P35 表表2.3示出了全示出了全ASCII码。码。2、8421BCD码码 十进制数的二进制编码（十进制数的二进制编码（Binary Code Decimal），简称），简称BCD码。码。P33 表表2.2示
32、出了十进制数示出了十进制数0-15的的BCD码。码。BCDBCD码有两种格式码有两种格式：（1 1）压缩）压缩BCDBCD码格式（码格式（Packed BCD FormatPacked BCD Format）一个十进制位用一个十进制位用4个二进制位表示，就是用个二进制位表示，就是用0000B-1001B来表示十进制数来表示十进制数0-9。例如：十进制数。例如：十进制数4256的压缩的压缩BCD码表示为：码表示为：0100 0010 0101 0110 B（2）非压缩）非压缩BCD码格式（码格式（Unpacked BCD Format）一个十进制位用一个十进制位用8个二进制位表示，其中，高四位无
33、意个二进制位表示，其中，高四位无意义，我们一般用义，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩表示，低四位和压缩BCD码相同。码相同。例如：十进制数例如：十进制数4256的非压缩的非压缩BCD码表示为：码表示为：xxxx0100 xxxx0010 xxxx0101 xxxx0110 B 习习 题题P24-1.2 1.8 1.12P24-1.2 1.8 1.121.1.将下列十进制数转换成为二进制数（最多保留将下列十进制数转换成为二进制数（最多保留6 6位位小数）小数）（1 1）12.37512.3752.给出下列十进制数对应的给出下列十进制数对应的8位二进制补码表示。位二进制补码表示。（1）46 （2）-46 （3）-128 （4）127