微型計算機原理及應用課件：第1章 微型計算機基礎

1、微型計算機原理及應用第1章 微型計算機基礎 微型計算機發(fā)展1.1微型計算機系統(tǒng)的組成1.2微型計算機中常用數(shù)制和編碼1.3微型計算機系統(tǒng)的性能指標1.41.1 微型計算機發(fā)展1946年2月，世界上第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)問世。計算機的發(fā)展經(jīng)歷了：電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模集成電路計算機。微處理器和微型計算機的發(fā)展1.1.1微型計算機的分類及其應用1.1.21.1.1 微處理器和微型計算機的發(fā)展 中央處理器(CPU)：由運算器和控制器構(gòu)成。微處理器(Microproce

2、ssor)：運算器和控制器集成于一個芯片中。1971年首先由Intel公司研制出Intel 4004。微型計算機(Microcomputer) ：是以微處理器為基礎，配以內(nèi)存儲器以及輸入/輸出接口電路和相應的輔助電路構(gòu)成的計算機。 微處理器的發(fā)展第一代：1971年開始，典型產(chǎn)品：Intel 4004/8008，字長：4位或8位。第二代：1973年開始，典型產(chǎn)品：Intel 8080、Intel 8085、 Motorola MC6800、Zilog Z80，字長：8位。第三代：1978年開始，典型產(chǎn)品：Intel 8086、Intel 80286、 Motorola MC68000、Zilog

3、 Z8000，字長：16位。第四代：1983年開始，典型產(chǎn)品：Intel 80386、 Intel 80486、Motorola MC68020、Zilog Z80000 ，字長：32位。第五代：1993年開始，典型產(chǎn)品：Intel的 Pentium 586、Pentium pro、Pentium MMX、Pentium 、Pentium 、Pentium 等，高檔的32位微處理器。 Intel公司2000年11月推出了第一代的64位微處理器Itanium，標志著Intel微處理器進入64位時代。1.1.2 微型計算機的分類及其應用 微型計算機的分類1微型計算機的應用21.微型計算機的分類按微

4、處理器的位數(shù)劃分： 4位機、8位機、16位機、32位機和64位機。按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模劃分：單片機單板機個人計算機單片機單片微型計算機(簡稱單片機)：將微處理器、RAM、ROM及I/O接口電路等集成在一塊芯片上的計算機。由于單片機體積小、功耗低、可靠性高，在智能儀器儀表和控制領域得到廣泛應用。典型的有Intel 8051、Intel 8096等產(chǎn)品。單板機單板微型計算機(簡稱單板機)：將微處理器、RAM、ROM、I/O接口電路及少量的輸入/輸出設備裝配在一塊印刷線路板上的計算機。單板機結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、具有獨立的微型機操作功能，但輸入/輸出設備簡單，一般為小鍵盤、數(shù)碼顯示器等，通常用在簡單的

5、控制系統(tǒng)和教學實驗。典型的有以Z80為CPU的TP-801等。個人計算機個人計算機(Personal Computer)(簡稱PC 機)：由微處理器組裝而成，供單個用戶使用。通常說的微型計算機或家用電腦就屬于個人計算機。典型的有IBM公司推出的IBM-PC系列計算機。現(xiàn)在，個人計算機在商用、家用、科學研究、教育等領域都得到了廣泛的應用。 2.微型計算機的應用科學計算信息處理計算機控制智能儀器計算機通信科學計算現(xiàn)在微型計算機的性能已超過原來的小型機，具有很強的運算能力。由多個微處理器或多個微型計算機組成多處理器或多計算機系統(tǒng)，已成為搭建大型計算機系統(tǒng)的主流。信息處理微型計算機配上適當?shù)墓芾碥浖?/p>

6、實現(xiàn)諸如辦公自動化、銀行管理、航空管理、企業(yè)資源管理等。采用多媒體技術(shù)已可以方便處理圖、文、聲、像等各種信息。計算機控制生產(chǎn)過程采用實時計算機控制及自動化生產(chǎn)線，可以大大提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，節(jié)約能源，降低勞動強度。 智能儀器配備微處理器的儀器儀表，可以極大提高儀器的精度和水平。工業(yè)過程中的檢測儀器、大型醫(yī)療器械等都廣泛使用了微處理器。計算機通信計算機技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合使得通信事業(yè)得到了迅速的發(fā)展。微機控制的通訊設備廣泛部署，通信工具越來越先進和智能化，特別是以計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎的網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展已徹底改變了人們的生活。1.2 微型計算機系統(tǒng)的組成 微型計算機硬件1.2.1微型計算機軟

7、件1.2.2微型計算機的工作過程1.2.31.2.1 微型計算機硬件微型計算機硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路和一些必不可少的外部設備組成，并通過系統(tǒng)總線連接成有機整體。 微處理器 算術(shù)邏輯部件(ALU)：主要實現(xiàn)算術(shù)運算(加、減、乘、除等操作)和邏輯運算(與、或、非、異或等操作)，是運算器的核心；通用寄存器：用來存放參加運算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果等；程序計數(shù)器(PC)：指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令的位置，具有自動增1功能，以決定程序的執(zhí)行順序；時序與控制邏輯部件：主要負責對整機的控制，包括對指令的取出、譯碼、分析，確定指令的操作，使CPU內(nèi)部和外部各部件協(xié)調(diào)工作。 存儲器主要用來存放程序

8、和數(shù)據(jù)，這里指的是內(nèi)存儲器或主存儲器，分為：隨機存儲器(RAM) 只讀存儲器(ROM)存儲器由許多存儲單元組成，每個單元的位數(shù)可以是1位、4位、8位、16位等，其中8位為一個字節(jié)(Byte)。存儲器的容量是指存儲器所能存儲的二進制位數(shù)，通常用能存儲的字節(jié)數(shù)來衡量，單位有KB、MB、GB等。存儲器(續(xù))存儲器中每個存儲單元都有一個編號，稱為存儲地址，簡稱地址。微處理器就是按照存儲單元的地址來訪問內(nèi)存的。對存儲器的訪問操作有讀操作和寫操作，用于實現(xiàn)從存儲器中讀出信息和把信息寫入存儲器。存儲器(續(xù))每當需訪問存儲器時：(1)由微處理器給出地址；(2)通過地址譯碼器選擇相應的存儲單元；(3)微處理器發(fā)

9、出讀或?qū)懣刂菩盘?，從而從指定地址的單元讀出數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)寫入指定地址的存儲單元。 內(nèi)存儲器的結(jié)構(gòu)輸入/輸出接口電路輸入/輸出接口電路也稱I/O接口，用來連接輸入/輸出設備(外部設備)。輸入/輸出設備用來實現(xiàn)信息的輸入/輸出，包括外部存儲器、鍵盤、顯示器等。 系統(tǒng)總線總線是CPU向存儲器和輸入/輸出接口傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的公共通路。包括：地址總線(AB)數(shù)據(jù)總線(DB)控制總線(CB)1.2.2 微型計算機軟件軟件(software)是指在硬件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔，包括：計算機本身運行所需的系統(tǒng)軟件用戶完成特定任務所需的應用軟件 1.2.3 微型計算機的工作過程微型計算機的工作過程

10、就是執(zhí)行存放在存儲器中程序的過程，就是逐條執(zhí)行指令序列的過程，就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程。工作過程詳解模型計算機CPU的組成結(jié)構(gòu)舉例工作過程詳解假定程序已由輸入設備存放到內(nèi)存中。那么，微型計算機的工作過程包括的基本步驟有：(1)將第一條指令由內(nèi)存中取出(即取指令)；(2)將取出的指令送指令譯碼器譯碼，以確定要進行的操作；(3)讀取操作數(shù)(或操作對象)；(4)對操作數(shù)進行指令規(guī)定的操作，并存放結(jié)果(即執(zhí)行指令)；(5)一條指令執(zhí)行完后，轉(zhuǎn)入下一條指令的取指令階段。如此周而復始地循環(huán)，直到程序中的指令執(zhí)行完。圖1.2 模型計算機CPU的組成結(jié)構(gòu)模型計算機CPU的組成結(jié)構(gòu)要執(zhí)行指令的地址由程序

11、計數(shù)器PC提供，地址寄存器AR將要尋址的單元的地址通過地址總線AB送至存儲器；從存儲器中取出指令后，由數(shù)據(jù)寄存器DR送至指令寄存器IR，再通過指令譯碼器ID譯碼，并通過可編程邏輯陣列PLA控制電路發(fā)出執(zhí)行一條指令所需要的各種控制信息。在控制信號的控制下，準備好參加運算的操作數(shù)，并由ALU完成對操作數(shù)的運算處理，同時把運算過程中的狀態(tài)標志信息存放在標志寄存器F。 圖1.2以簡單的加法運算為例假定要運算的數(shù)已存放在存儲器中，加法運算程序至少包括兩條指令：(1)把第一個數(shù)從它所在的存儲單元取出送至運算器中的累加器，如：MOV AL，addrx。(2)把累加器的內(nèi)容和存放在指定存儲單元的第二個數(shù)相加，

12、并將結(jié)果存放累加器，如：ADD AL，addry。以簡單的加法運算為例(續(xù))在模型計算機下，該加法運算程序的執(zhí)行過程(假定程序計數(shù)器PC中已存放第一條指令在存儲器中的地址)包括： (1)取第一條指令，即程序計數(shù)器PC送到地址寄存器AR，并送至內(nèi)存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中相應的單元；讀存儲器，把第一條指令取出來，經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR，送指令寄存器IR。同時PC自動加1，指向下一條指令的位置(地址)；(2)通過指令譯碼分析，確定該指令是完成從內(nèi)存addrx單元中取數(shù)的功能，即把第一個數(shù)的地址addrx部分送地址寄存器AR，并送至內(nèi)存儲器，通過讀存儲器，取出第一個數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR送累加器AL。(

13、3)取第二條指令，其讀取過程與第一條指令是完全一樣的；(4)通過指令譯碼分析，確定該指令是完成把AL和存放在addry單元的第二個數(shù)相加的功能，即把第二個數(shù)的地址addry部分送地址寄存器AR，并送至內(nèi)存儲器，通過讀存儲器，取第二個數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR送ALU，同時暫存在AL中的第一個數(shù)也送ALU，然后ALU進行加運算，并把結(jié)果輸出到AL。圖1.21.3 微型計算機中常用數(shù)制和編碼 常用數(shù)制及轉(zhuǎn)換1.3.1數(shù)的表示與運算1.3.2常用編碼1.3.31.3.1 常用數(shù)制及轉(zhuǎn)換 數(shù)制是數(shù)的表示方法?？梢杂酶鞣N進位計數(shù)制來表示數(shù)。常用數(shù)制1數(shù)制轉(zhuǎn)換21.常用數(shù)制基數(shù)：數(shù)制中所使用的數(shù)碼的個數(shù)。位權(quán)：

14、數(shù)制每一位所具有的權(quán)值，每一位的值等于該位數(shù)字和該位位權(quán)的乘積。常用數(shù)制十進制：人們最熟悉、最常用二進制：計算機中數(shù)的表示十六進制：為方便書寫計算機中的二進制數(shù)常用進制數(shù)之間的關(guān)系1)十進制十進制由09這十個不同的數(shù)字組成，其基數(shù)為10，每位的位權(quán)是以10為底的冪，即第i位的權(quán)為10i。十進制數(shù)可在數(shù)字后加后綴D表示，但常省略不寫。例如：123.45=1102+2101+3100 +410-1+510-22)二進制二進制由0、1這二個不同的數(shù)字組成，其基數(shù)為2，每位的位權(quán)是以2為底的冪，即第i位的權(quán)為2i。二進制數(shù)可在數(shù)字后加后綴B表示。例如：101.01B=122+021+120 +02-1

15、+12-2 =5.253)十六進制十六進制由09、A、B、C、D、E、F這十六個不同的數(shù)字組成，其基數(shù)為16，每位的位權(quán)是以16為底的冪，即第i位的權(quán)為16i。十六進制數(shù)可在數(shù)字后加后綴H表示。例如：1F3.9AH=1162+15161+3160 +916-1+1016-2 =499.6015625常用進制數(shù)之間的關(guān)系十進制二進制十六進制十進制二進制十六進制000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F2.數(shù)制轉(zhuǎn)換 二進制、十六進制轉(zhuǎn)換為

16、十進制十進制轉(zhuǎn)換為二進制二進制和十六進制間的互換1)二進制、十六進制轉(zhuǎn)換為十進制多項式展開法：把每個數(shù)位上的數(shù)字和該位的位權(quán)相乘再累加即可得到等值的十進制數(shù)。2)十進制轉(zhuǎn)換為二進制需要對數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行處理，再合并得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。(1)十進制整數(shù)：采用除2取余法，即用基數(shù)2不斷去除要轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)，直至商為0。每次的余數(shù)即為二進制位數(shù)，先得到的是二進制低位，后得到的是二進制高位。(2)十進制小數(shù)：采用乘2取整法，即用基數(shù)2不斷去乘要轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)。每次得到積的整數(shù)部分即為二進制位數(shù)，先得到的是二進制小數(shù)的高位，后得到的是二進制小數(shù)的低位。例1.1例1.1將十進制數(shù)135.8125轉(zhuǎn)

17、換為二進制數(shù)。 所以，(135.8125)10=(10000111.1101)2 3)二進制和十六進制間的互換4位二進制數(shù)對應1位十六進制數(shù)。二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)時，以二進制數(shù)的小數(shù)點分界，分別進行分組處理，不足的位用0補足，整數(shù)部分在高位補0，小數(shù)部分在低位補0。例1.2例1. 2將二進制數(shù)10000111.1101轉(zhuǎn)換為六進制數(shù)。(10000111.1101)2=(1000 0111.1101)2=(87.D)16 1.3.2 數(shù)的表示與運算 原碼、反碼和補碼表示1補碼的加減運算2定點數(shù)與浮點數(shù)表示3基本概念0基本概念真值：日常的表示方式，正負號加絕對值。機器數(shù)：計算機內(nèi)部的表示方式，

18、正負號分別用0、1表示。計算機中的數(shù)據(jù)分為數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)。無符號數(shù)值數(shù)據(jù)的表示形式：全部數(shù)位都表示數(shù)值大小帶符號數(shù)值數(shù)據(jù)的表示形式：常用的表示方法有：原碼、反碼和補碼。原碼若X=+99，則X原0 1100011B若X= -99，則X原1 1100011B+0原=0 0000000B -0原=1 0000000B8位原碼表示的整數(shù)的范圍為：1 1111111 0 1111111，即 -127+127；8位原碼表示的小數(shù)的范圍為：1.1111111 0.1111111，即 -(1-2-7)+(1-2-7)。 原碼表示簡單易懂，但運算不方便。 反碼正數(shù)的反碼表示與原碼相同，負數(shù)的反碼則是原碼的

19、數(shù)值位按位取反。若X=+99，則X反0 1100011B若X= -99，則X反1 0011100B+0反=0 0000000B -0反=1 1111111B字長為n位的反碼的表數(shù)范圍和其原碼相同 補碼正數(shù)的補碼表示與原碼相同，負數(shù)的補碼則是原碼的數(shù)值位按位取反，再末位加1。若X=+99，則X補0 1100011若X= -99，則X補1 0011101注意：若X=-128，則X補1 0000000+0補-0補=0 00000008位補碼表示的整數(shù)的范圍為： -128 +1278位補碼表示的小數(shù)的范圍為： -1 +(1-2-7)。 2.補碼的加減運算 在進行補碼加減運算時，符號位和數(shù)值位一起參加運

20、算，并且可以把減法運算轉(zhuǎn)化為負數(shù)補碼的加法運算。 補碼的加減運算規(guī)則： X+Y補=X補+Y補； X-Y補=X補+-Y補； 其中：-Y補=Y補各位取反+末位1。 例1.3溢出及其判定例1.3設字長為8位，X=+65，Y=+48，計算X+Y補、X-Y補。X=+65=+1000001B，X補=0 1000001B， Y=+48=+110000B， Y補=0 0110000B， -Y 補= 1 1001111B+1=1 1010000B X補 0 1000001B X補 0 1000001B + Y補 0 0110000B + -Y補 1 1010000B X+Y補 0 1110001B X-Y補 1

21、 0 0010001B 丟失所以，X+Y補=0 1110001B，X+Y=+113 X-Y補 = 0 0010001B，X-Y=+17 溢出及其判定溢出：補碼運算時，若運算結(jié)果超出了其表數(shù)范圍就發(fā)生了溢出，造成運算結(jié)果錯誤。例如，字長n=8時，X=+99，Y=+98，X+Y=+197+127，肯定發(fā)生溢出。溢出的判定方法：由于溢出只可能出現(xiàn)在同號相加或異號相減運算時，且采用補碼減法可轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃?，最直觀、最易于理解的溢出判定方法是：若正數(shù)加正數(shù)，結(jié)果為負數(shù)或負數(shù)加負數(shù)，結(jié)果為正數(shù)，則發(fā)生溢出。 3.定點數(shù)與浮點數(shù)表示 對于數(shù)值數(shù)據(jù)除了需要表示符號外，通常還包含小數(shù)點，而計算機是無法識別的。根據(jù)數(shù)

22、中小數(shù)點的位置是固定還是浮動，分為：定點數(shù)浮點數(shù)1)定點數(shù)分為定點整數(shù)(純整數(shù)，簡稱整數(shù))和定點小數(shù)(純小數(shù)，簡稱小數(shù)) 。定點整數(shù)：小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的最右邊定點小數(shù)：小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的最左邊由于這兩種形式下小數(shù)點的位置是固定的，所以在計算機數(shù)據(jù)表示中實際上并不需要表示小數(shù)點，小數(shù)點采取隱含表示。而在書寫時，為了直觀起見，在符號位之后加小數(shù)點表示定點小數(shù)。 1)定點數(shù)(續(xù))字長為n位的定點整數(shù)形式為： X XXXXXXX . 1位符號 n-1位數(shù)值部分 小數(shù)點(隱含)字長為n位的定點小數(shù)形式為： X . XXXXXXX1位符號 小數(shù)點(隱含) n-1位數(shù)值部分 例如：字長n=8

23、時，X=+99=+1100011B0 1100011B； Y= -0. 8125=-0. 1101B1. 1101000B。定點數(shù)的表數(shù)范圍較小，設字長為n位的定點數(shù)(符號位1位，數(shù)值位n-1位)以補碼形式表示時，其范圍為： 定點整數(shù)：- 2n-1 2n-1-1 定點小數(shù)：-1 1-2-(n-1)2)浮點數(shù)浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù)。把一個二進制數(shù)通過移動小數(shù)點位置可表示成整數(shù)的階碼和小數(shù)的尾數(shù)兩部分，這樣，就可采用定點數(shù)的表示形式來表示浮點數(shù)。浮點數(shù)在計算機中的表示形式為： X XXXXX X XXXXX 階碼符號(階符) 階碼數(shù)值部分 尾數(shù)符號 尾數(shù)數(shù)值部分浮點數(shù)由整數(shù)的階碼和小數(shù)的

24、尾數(shù)兩部分組成，其表示形式就由階碼的整數(shù)表示和尾數(shù)的小數(shù)表示組合而成。 例子例子數(shù)據(jù)N=-1323=-1101B23=-0.1101B27=-0.1101B2+111B，所以表示成浮點數(shù)形式，其尾數(shù)M=-0.1101B，階碼E=+111B。若浮點數(shù)為10位，階碼4位，尾數(shù)6位，如果以原碼表示，則N原= 0 111 1 11010 階符 階碼 尾符 尾數(shù)浮點數(shù)由于有階碼的存在，擴大了浮點數(shù)的表數(shù)范圍，同時由于有尾數(shù)的存在，又保證了浮點數(shù)具有一定的表數(shù)精度。1.3.3 常用編碼 字符的編碼1漢字的編碼2二進制編碼的十進制數(shù)31.字符的編碼(ASCII碼)在微型計算機系統(tǒng)中，字母、數(shù)字符以及各種符號

25、需要采取特定的規(guī)則用二進制編碼來表示。目前，廣泛采用的是美國信息交換標準碼，即ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange)。標準ASCII碼采用7位二進制數(shù)作為字符的編碼，可以表示128個字符。由于計算機中一個字節(jié)為8位二進制數(shù)，標準的ASCII碼為一個字節(jié)8位二進制數(shù)，最高位(D7)為0。標準的ASCII碼表見附錄。數(shù)字符09的ASCII碼為30H39H；大寫字母AZ的ASCII碼為41H5AH。 ASCII編碼表2.漢字的編碼 GB-2312碼，中華人民共和國國家標準信息交換代碼，3755(一級漢字)+3008(二級漢字)+682(圖形符號)，雙字節(jié)表示。為了使?jié)h字的編碼與ASCII碼相區(qū)別，在機器中，漢字是以內(nèi)碼形式存儲和傳輸?shù)?。通常就是用漢字的國標碼的兩個字節(jié)的最高位都置“1”形成的。 3.二進制編碼的十進制數(shù)(BCD碼)1位十進制數(shù)可采用4位二進制編碼來表示，常采用的是按權(quán)值8421編碼，通常稱為BCD碼。