微型計算機基礎知識ppt課件

.,微型計算機原理與接口技術,主講：張銀行手機號.,成績計算方法：卷面成績占70%平時成績：（作業(yè)+回答問題+實驗成績提出問題+出勤率）30%,.,主要內(nèi)容,第一章：微型計算機基礎知識第二章：80X86CPU第三章：微型計算機指令系統(tǒng)第四章：匯編語言程序設計第五章：存儲器及與CPU的接口第六章：輸入/輸出接口及中斷技術第七章：總線和總線標準第八章：常用可編程并行數(shù)字接口芯片及其應用第九章：串行通信接口及總線標準第十章：模擬接口技術第十一章：常用外設和人機交互接口,.,第1章微型計算機基礎知識,1.微型計算機的發(fā)展概況與應用2.微型計算機中的數(shù)制系統(tǒng)3.微型計算機組成原理4.CPU內(nèi)部結構及微機的工作過程,.,基本要求：1.掌握微型計算機的概念和基本結構2.了解微型計算機的發(fā)展歷程3.重點掌握計算機中的數(shù)制系統(tǒng)4.重點原碼、補碼和反碼5.了解計算機系統(tǒng)的硬件組成和軟件系統(tǒng)6.初步了解微型計算機的工作過程,.,1.1微型計算機的發(fā)展概況與應用,微型計算機是指以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件的微處理器(CPU)為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。,.,一、微型計算機的發(fā)展概況,1、微型計算機的誕生1946年第一臺計算機ENIAC在美國問世以后，人們接觸最多的是微型計算機，它誕生于20世紀70年代，其發(fā)展以微處理器的發(fā)展為主要標志。,.,到目前為止，電子計算機先后經(jīng)歷了四代：電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計算機。按性能、價格和體積對計算機分類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機。微型計算機的特點：集成度高，體積小，重量輕，價格低廉；部件標準化，易于組裝與維修；高可靠性及適應性。,.,2、微型計算機發(fā)展概況,.,(1)4位處理器Intel40041971年，Intel公司成功地把傳統(tǒng)的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，發(fā)布了第一款微處理器芯片4004，如圖所示。,.,Intel4004,.,(2)8位處理器Intel8008/8080/80851972年，Intel公司研制出8008處理器，字長為8位，如圖所示。1974年，研制出8008的改進型號8080。,.,(3)16位處理器Intel8086/8088/80286Intel8086/8088處理器1978年，Intel公司推出了首枚16位微處理器i8086，1979年，Intel公司開發(fā)出8088處理器，如圖所示。,.,Intel80286處理器1982年，Intel推出了80286處理器，如圖所示為Intel80286的外觀。,.,(4)32位處理器Intel80386/80486Intel80386處理器1985年，Intel發(fā)布80386DX處理器，如圖所示。,.,除Intel公司生產(chǎn)386芯片外，還有AMD、Cyrix、IBM、Ti等公司也生產(chǎn)與80386兼容的芯片，如圖所示。,.,Intel80486處理器1989年，Intel推出了80486芯片，最初類型是80486DX，如圖所示。,.,80486和80386一樣，也陸續(xù)出現(xiàn)了幾種類型。1990年，推出了80486SX，它是一種低價格芯片，與80486DX的區(qū)別在于它沒有數(shù)學協(xié)處理器。其他公司也推出了與80486兼容的CPU芯片，如圖所示。,.,從80486開始首次出現(xiàn)了處理器倍頻技術，該技術使處理器內(nèi)部工作頻率為處理器外部總線運行頻率的2倍或4倍，486DX2與486DX4的名字便是由此而來的，如圖所示。例如80486DX2-66，處理器的頻率是66MHz，而主板的外頻是33MHz，即CPU內(nèi)頻是外頻的2倍。,.,(5)IntelPentium處理器1993年，Intel公司發(fā)布了Pentium（奔騰）處理器，如圖所示。與PentiumMMX屬于同一級別的CPU有AMDK6與Cyrix6x86MX等，如圖所示。（Cyrix1999年被VIA（威盛）收購）,.,(6)IntelPentium處理器1997年，Intel公司發(fā)布了Pentium處理器，如圖所示。同期，AMD公司和Cyrix公司分別推出了同檔次的AMDK6-2和CyrixM，如圖所示。,.,1998年4月，Intel推出了Celeron（賽揚）處理器，其中最為成功的是采用Socket370架構的Celeron333和366，如圖所示。,.,(7)IntelPentium處理器1999年，Intel公司發(fā)布了Pentium處理器，如圖所示。2000年3月，AMD公司領先于Intel公司率先推出了1GHz的Athlon微處理器，其性能超過了Pentium，如圖所示。,.,為了降低成本，后來的Pentium都改為Socket370架構，時鐘頻率有667MHz，733MHz，800MHz，933MHz和1GHz等，其外觀如圖所示。,.,2000年，Intel公司推出了簡化Pentium的Celeron處理器，也采用Socket370處理器架構，其外觀如圖所示。同期，AMD公司推出了Athlon（速龍），如圖所示。它采用462針的SocketA架構，時鐘頻率為700MHz1.4GHz，內(nèi)建MMX和增強型3DNow!技術。注釋：MMX:是MultiMediaeXtensions(多媒體擴展)，MMXCPU極大地提高了電腦的多媒體(如立體聲、視頻、三維動畫等)處理功能AMD公司還推出了Athlon（速龍）的簡化版本Duron（鉆龍），如圖所示，也采用SocketA架構，時鐘頻率為600950MHz。,.,(8)IntelPentium4處理器Intel公司在2000年11月發(fā)布了Pentium4處理器，如圖所示。后期的Pentium4處理器均基于Socket478架構，采用Northwood核心，0.13m制造工藝，集成了5500萬個晶體管，主頻為1.82.4GHz，如圖所示。,.,同樣，Pentium4的簡化版本Pentium4Celeron也采用了Socket478架構，主頻頻率為1.4GHz以上，Pentium4CeleronCPU的外觀如圖所示。,.,同期，AMD公司推出了AthlonXP（速龍XP），如圖所示，仍采用SocketA架構，以全面對抗Pentium4。AthlonXP具有當時最強大的浮點單元設計和優(yōu)秀的整數(shù)計算單元。經(jīng)廣泛測試顯示，Pentium4需要多付出300400MHz的工作頻率才可以獲得與AthlonXP相當?shù)男阅堋?.,2004年6月Intel推出了SocketLGA775架構的Pentium4、CeleronD及Pentium4EE處理器。SocketLGA775架構Pentium4處理器的外觀，如圖所示。后來，Intel推出了采用SocketLGA775架構的Pentium4ExtremeEdition3.4GHz處理器。,.,(9)64位處理器(a)AMDAthlon64系列對x86架構進行擴展，從而實現(xiàn)同時兼容32位和64位運算，這一理念是由AMD率先提出。2003年9月，AMD發(fā)布了桌面64位Athlon64系列處理器（也稱K8架構）。K8在很多應用上都領先當時的IntelPentiumD。面向臺式機的AMD64位處理器分為Athlon64和Athlon64FX，如下圖所示。,.,(b)IntelPentium464位系列Intel公司于2005年2月發(fā)布了桌面64位處理器，并冠以6xx系列的名稱。不僅Pentium46xx系列全部具備64位技術，而且在新的Pentium45xx系列中也引入64位技術，它們的命名方式是Pentium45x1，以后綴為1來表示。在入門的CeleronD中，使用LGA775封裝的產(chǎn)品及最新的雙核心PentiumD處理器，也支持64位技術。,.,(10)雙核心處理器(a)PentiumD和PentiumExtremeEditionIntel在2005年4月發(fā)布了雙核心處理器，如圖所示。,.,(b)Athlon64X22005年5月，AMD發(fā)表了面向服務器和工作站的企業(yè)級x86雙核計算平臺AMD雙核皓龍?zhí)幚砥鱋pteron和面向桌面型的雙核速龍?zhí)幚砥鰽thlon64X2（包括4800+、4600+、4400+及4200+等），采用Socket939架構，如圖所示。與Intel雙核心PentiumD/ExtremeEdition處理器相比較，在處理單線程應用程序方面，Athlon64X24800+的表現(xiàn)要遠遠超出前者。,.,(11)Intel新一代Core微架構現(xiàn)在，Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4、PentiumD使用的NetBurst架構已經(jīng)不能滿足性能、功耗等方面的需求。2006年7月，Intel發(fā)布了新一代的全新的微架構桌面處理器Core2Duo（酷睿2），并且正式宣布Pentium時代結束。Core2Extreme、Core2Duo的產(chǎn)品標識，如下圖所示（其中Core2DuoQuad是四核處理器的標識）。,.,2006年11月，Intel發(fā)布了的四核桌面處理器，分為兩大系列：Core2Quad（酷睿2四核），以Q開頭；Core2QuadExtreme（酷睿2四核極品版），以QX開頭。Core2四核系列處理器的核心代號為Kentsfield，從技術上說，與當前的Core2Duo并沒有區(qū)別，它只不過是將兩個Conroe核心整合到同一塊基板之上，稱為非原生四核，其結構示意圖如圖所示。,.,(12)AMD新一代K10微架構2007年11月AMD發(fā)布了基于全新K10架構的Phenom處理器系列，是該公司第一款四核處理器。Phenom處理器的中文名“羿龍”，取自中國古老神話“后羿射日”。在K6之后，AMD的K7、K8架構桌面產(chǎn)品都采用了Athlon品牌，與筆記本的Turion和服務器的Opteron組成AMD的整體產(chǎn)品線。而進入K10架構之后，Athlon將被廢棄，取而代之的是新的Phenom處理器。,.,Phenom處理器采用HyperTransport3.0總線技術，可提供最高14.4GBps的系統(tǒng)帶寬，為1080p（19201080逐行掃描）高清視頻播放和極高分辨率游戲提供帶寬。同時集成的內(nèi)存控制器最高支持DDR2-1066。AMD稱，熱設計功耗95W的Phenom處理器在開啟節(jié)能技術后，功耗大大降低，消費級應用平均為32W、辦公級應用平均為29W。Phenom處理器的標識，如圖所示。,.,.,.,.,.,3、嵌入式計算機的分類嵌入式微處理器EMPU采用“增強型”通用微處理器，目前主要有：Am186/188、Intel386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器MCU既單片機，可分為通用和半通用兩類：通用：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96系列、68300、C166/167等。半通用：8XC930/931、C540、C541等。嵌入式DSP處理器EDSP嵌入式片上系統(tǒng)SOC,.,二、微型計算機的應用,.,科學計算：,用于科學與工程領域。,如：的計算、中長期天氣預報及導彈發(fā)射中的計算等。,.,過程控制：,如對工業(yè)生產(chǎn)領域的過程控制，即對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制，以提高產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量，減輕工人的勞動強度；控制飛機飛行姿態(tài)、地形回避及導彈攔截等。,.,數(shù)據(jù)處理：,對數(shù)據(jù)進行收集、儲存、傳遞、分類、檢測、排序、計算、打印報表、輸出圖像等加工處理。,如：企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、電子商務處理系統(tǒng)等。,.,計算機輔助系統(tǒng)：,CAD計算機輔助設計,CAM計算機輔助制造,CAT計算機輔助測試,CAI計算機輔助教學,CAX(x=D、M、T、I、),CMI計算機管理教學,.,電子商務：,電子商務源于英文ELECTRONICCOMMERCE簡寫EC，顧名思義包含兩個方面：一是電子方式，二是商貿(mào)活動，電子商務指的是利用簡單、快捷、低成本的電子通訊方式、買賣雙方不謀面地進行商貿(mào)活動。,電子商務的真正發(fā)展是建立在INTERNET技術上，所以也稱IC(INTERNETCOMMERCE).,.,人工智能：,計算機模擬人的高級思維活動,進行邏輯判斷與推理。如機器人、專家系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)、圖形圖像等模式識別系統(tǒng)。,.,辦公自動化：,.,信息高速公路：,.,儀器儀表：,將傳感器與計算機集成于同一芯片上，智能傳感器不僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計、處理及自診斷、自校準、自適應等功能。,.,智能家電：,.,三、微型計算機的分類,1.按處理器同時處理數(shù)據(jù)的位數(shù)或字長分：,1位機、4位機、8位機、16位機、32位機、64位機,2.按組裝結構類型分：,.,PC(PersonalComputer)機：,是面向個人單獨使用的一類微機。當今的微機的許多指標，如存儲容量、運行速度等已經(jīng)趕上或超過了以前的小型機，可以滿足各種不同的應用場合。,.,是一種用于控制的微處理器芯片，其組成實際是由微型計算機的CPU、部分存儲器和輸入/輸出接口等部件集成在一塊芯片上。換句話說，一個單片機幾乎就是一個專用的計算機，只要配上少量的外部電路和設備就可以構成具體的應用系統(tǒng)。,單片微型機(單片機)：,常用于家用電器、智能化儀表、工業(yè)測量。,.,單板微型機(單板機)：,把微處器芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和小鍵盤、數(shù)碼顯示器等必要的輸入/輸出設備裝配在一塊印刷電路板上就構成了單板微型計算機系統(tǒng)。,常用于過程控制。,.,1.2微型計算機中的數(shù)制系統(tǒng),數(shù)制也稱為進位計數(shù)制。日常生活中人們習慣采用十進制，但計算機內(nèi)部的信息則是用二進制代碼來表示的。同時為了書寫的方便，在編寫程序的過程中，常常使用到十六進制(或八進制)。微型計算機中使用的數(shù)制系統(tǒng)包括：二進制、八進制、十進制、十六進制等。,.,1.常用數(shù)制（1）十進制數(shù)有十個不同的數(shù)字符號：0、1、2、9；低位向高位進、借位的規(guī)律是“逢十進一”“借一當十”的計數(shù)原則進行計數(shù)。任意一個十進制數(shù)ND均可以表示成如下式子：,其中：n表示整數(shù)部分的位數(shù)，m表示小數(shù)部分的位數(shù)，Di為十進制數(shù)字符號09，10i為第i位權值，10為十進制數(shù)的基數(shù)。,一、數(shù)制系統(tǒng),.,例如：1234.45=1103210231014100410-1+510-2式中的10稱為十進制數(shù)的基數(shù),103、102、101、100、10-1、10-2稱為各數(shù)位的權。十進制數(shù)用D結尾表示，也可以不加符號D。,.,（2）二進制數(shù)只有兩個不同數(shù)碼：0和1，進位規(guī)律是“逢二進一”“借一當二”的計數(shù)原則進行計數(shù)。二進制數(shù)用B結尾表示。例如，二進制數(shù)11011011.01可表示為：(11011011.01)2=12712602512412302212112002-112-2（3）八進制數(shù)有0、1、2、7八個不同數(shù)碼，采用“逢八進一”“借一當八”的計數(shù)原則進行計數(shù)。八進制數(shù)用O或者Q結尾表示。例如，八進制數(shù)（503.04）Q可表示為：（503.04）Q=582+081+380+08-1+48-2,.,（4）十六進制數(shù)有0、1、2、9、A、B、C、D、E、F共十六個不同的數(shù)碼，采用“逢十六進一”“借一當十六”的計數(shù)原則進行計數(shù)。十六進制數(shù)用H結尾表示。例如，十六進制數(shù)（4E9.27）H可表示為（4E9.27）H=4162141619160216-1716-22不同數(shù)制之間的相互轉換下表列出了二、八、十、十六進制數(shù)之間的對應關系，熟記這些對應關系對后續(xù)內(nèi)容的學習會有較大的幫助。,.,表1各種進位制的對應關系,.,（1）二、八、十六進制數(shù)轉換成為十進制數(shù)根據(jù)各進制的定義表示方式，按權展開作十進制相加，即可轉換為十進制數(shù)?！纠繉ⅲ?0101）B，(72)Q，（49）H轉換為十進制數(shù)。(10101)B=124023122021120=21(72)Q=781+280=58(49)H=41619160=73（2）十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)十進制數(shù)轉換為二進制數(shù),需要將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開,采用不同方法進行轉換,然后用小數(shù)點將這兩部分連接起來。,.,整數(shù)部分：除2取余倒記法。具體方法是：將要轉換的十進制數(shù)除以2，取余數(shù)；再用商除以2，再取余數(shù)，直到商等于0為止，將每次得到的余數(shù)按倒序的方法排列起來作為轉換的結果。【例】將十進制數(shù)25轉換成二進制數(shù),所以（25）D=11001B,.,小數(shù)部分：乘2取整順記法。具體方法是：將十進制小數(shù)不斷地乘以2，直到積的小數(shù)部分為零（或直到所要求的位數(shù)）為止，每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應進制的數(shù)碼。最初得到的為最高有效數(shù)位，最后得到的為最低有效數(shù)字?！纠繉⑹M制數(shù)0.625轉換成二進制數(shù)。,所以（0.625）D=0.101B,.,【例】將十進制數(shù)25.625轉換成二進制數(shù)，只要將上例整數(shù)和小數(shù)部分組合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B例如：將十進制193.12轉換成八進制數(shù)。,所以（193.12）D=(301.075)Q,.,簡便方法,333轉換成二進制數(shù)333可由256+64+8+4+1組成25612864321684210.50.250.125101001101則333對應的二進制數(shù)為101001101,.,(3)二進制與八進制之間的相互轉換由于23=8，故可采用“合三為一”的原則，即從小數(shù)點開始向左、右兩邊各以3位為一組進行二-八轉換：若不足3位的以0補足，便可以將二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)。反之，每位八進制數(shù)用三位二進制數(shù)表示，就可將八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)【例】將（10100101.01011101）2轉換為八進制數(shù)。010100101.010111010245.272即(10100101.01011101)B=(245.272)Q,.,【例】將(756.34)Q轉換為二進制數(shù)。756.34111101110.011100即(756.34)Q=(111101110.0111)B(4)二進制與十六進制之間的相互轉換由于24=16，故可采用“合四為一”的原則，即從小數(shù)點開始向左、右兩邊各以4位為一組進行二十六轉換，若不足4位的以0補足，便可以將二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)。反之，每位十六進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示，就可將十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)。,.,【例】將(1111111000111.100101011)B轉換為十六進制數(shù)。0001111111000111.1001010110001FC7.958即(111111000111.100101011)B=(1FC7.958)H【例】將(79BD.6C)H轉換為二進制數(shù)。79BD.6C0111100110111101.01101100即(79BD.6C)H=(111100110111101.011011)B,.,1.二十進制BCD碼（Binary-CodedDecimal）二十進制BCD碼是指每位十進制數(shù)用4位二進制數(shù)編碼表示。由于4位二進制數(shù)可以表示16種狀態(tài)，可丟棄最后6種狀態(tài)，而選用00001001來表示09十個數(shù)符。這種編碼又叫做8421BCD碼。如下表所示。,二、常用的信息編碼,.,表2十進制數(shù)與BCD碼的對應關系,.,【例】將69.25轉換成BCD碼。69.2501101001.00100101結果為69.25=(01101001.00100101)BCD【例】將BCD碼100101111000.01010110轉換成十進制數(shù)。100101111000.01010110978.56結果為（100101111000.01010110）BCD=978.56,2.字符編碼（ASCII碼）計算機使用最多、最普遍的是ASCII（AmericanStandardCodeForInformationInterchange）字符編碼，即美國信息交換標準代碼，如下表所示。,.,表3七位ASCII代碼表,.,ASCII碼的每個字符用7位二進制數(shù)表示，其排列次序為d6d5d4d3d2d1d0,d6為高位，d0為低位。而一個字符在計算機內(nèi)實際是用8位表示。正常情況下，最高一位d7為“0”。7位二進制數(shù)共有128種編碼組合，可表示128個字符，其中數(shù)字10個、大小寫英文字母52個、其他字符32個和控制字符34個。數(shù)字09的ASCII碼為30H39H。大寫英文字母AZ的ASCII碼為41H5AH。小寫英文字母az的ASCII碼為61H7AH。對于ASCII碼表中的0、A、a的ASCII碼30H、41H、61H應盡量記住，其余的數(shù)字和字母的ASCII碼可按數(shù)字和字母的順序以十六進制的規(guī)律寫出。,.,3.奇偶校驗碼偶校驗：包括奇偶校驗位在內(nèi)，字符的ASCII碼所有的1的個數(shù)之和配成偶數(shù)個。若原字符的ASCII碼中1的個數(shù)為偶數(shù)個，則最高位置為0；若原字符的ASCII碼中1的個數(shù)為奇數(shù)個，則最高位為1，把1的個數(shù)配成偶數(shù)個。例如：數(shù)字3的ASCII碼為00110011數(shù)字3的偶校驗ASCII碼為00110011奇校驗：包括奇偶校驗位在內(nèi)，字符的ASCII碼所有的1的個數(shù)之和配成奇數(shù)個。若原字符的ASCII碼中1的個數(shù)為偶數(shù)個，則最高位置為1；若原字符的ASCII碼中1的個數(shù)為奇數(shù)個，則最高位為0，把1的個數(shù)配成奇數(shù)個。例如：數(shù)字3的ASCII碼為00110011數(shù)字3的偶校驗ASCII碼為10110011,.,(一)二進制數(shù)在計算機內(nèi)的表示1.機器數(shù)在計算機中，因為只有“0”和“1”兩種形式，所以數(shù)的正、負號，也必須以“0”和“1”表示。通常把一個數(shù)的最高位定義為符號位，用0表示正，1表示負，稱為數(shù)符：其余位仍表示數(shù)值。把在機器內(nèi)存放的正、負號數(shù)碼化的數(shù)稱為機器數(shù)，把機器外部由正、負號表示的數(shù)稱為真值數(shù)。,三、計算機數(shù)值數(shù)據(jù)表示與運算,.,【例】真值為(-0101100)B的機器數(shù)為10101100，存放在機器中，如下圖所示。,圖真值B在機器中的存放要注意的是，機器數(shù)表示的范圍受到字長和數(shù)據(jù)類型的限制。字長和數(shù)據(jù)類型定了，機器數(shù)能表示的數(shù)值范圍也就定了。例如，若表示一個整數(shù)，字長為8位，則最大的正數(shù)為01111111，最高位為符號位，即最大值為127。若數(shù)值超出127，就要“溢出”。,.,3.帶符號數(shù)的表示在計算機中，帶符號數(shù)可以用不同方法表示，常用的有原碼、反碼和補碼。(1)原碼：機器碼中最高位為符號位，符號為0表示正數(shù)，符號位為1表示負數(shù)，其余為該數(shù)的絕對值。【例】當機器字長n=8時：+1原00000001，-1原10000001+127原01111111，-127原1111111l在原碼表示法中：()最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1，其余n-1位表示數(shù)的絕對值。,.,()8位二進制數(shù)的原碼表示范圍是12712716位二進制數(shù)的原碼表示范圍是3276732767（）在原碼表示中，零有兩種表示形式，即：+000000000B，-010000000B。(2)反碼：最高位為符號位，其余位為數(shù)值位；正數(shù)的原碼與原碼的表示方法相同，負數(shù)的補碼等于除符號位外，其余各位按位取反?！纠慨敊C器字長n=8時：+1反00000001，-1反11111110+127反01111111，-127反10000000在反碼表示中：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼只需保持符號位不變，其余各位按位求反即可得到。,.,()機器數(shù)的最高位是符號位，0代表正號，1代表負號。()8位二進制數(shù)的原碼表示范圍是12712716位二進制數(shù)的原碼表示范圍是3276732767()反碼表示方式中，零有兩種表示方法：+0反00000000，-0反11111111。（3）補碼：最高位為符號位，其余位為數(shù)值位；正數(shù)的補碼與原碼的表示方法相同，負數(shù)的補碼等于它的反碼加1?！纠慨敊C器字長n8時，+1補00000001，-1補11111111+127補01111111，-127補10000001在補碼表示中：正數(shù)的補碼與原碼、反碼相同，負數(shù)的補碼等于它的反碼加l。機器數(shù)的最高位是符號位，0代表正號，1代表負號。在補碼表示中，0有唯一的編碼：0補0補00000000。補碼的運算方便，二進制的減法可用補碼的加法實現(xiàn)，使用較廣泛。,.,注意：對于8位二進制數(shù)10000000B,若為補碼表示為-128補，若為原碼表示-0原，若為反碼表示-127反求補碼運算的簡單方法：（1）若該數(shù)為正數(shù)，則X補=X（2）若該數(shù)為負數(shù)，則X補=2n-|X|【例】28為256(100H),則-1的補碼為（100H01H)=FFH,-10的補碼為（100H0AH)=F6H,.,【例】假定計算機字長為8位，試寫出122的原碼、反碼和補碼。122原122反122補01111010B【例】假定計算機字長為8位，試寫出45的原碼、反碼和補碼。45原10101101B45反11010010B45補11010011B對于用補碼表示的負數(shù)，需對該補碼再求一次補碼，從而得到其原碼，依據(jù)原碼求得該補碼數(shù)的大小。即：X補補=X原例如，已知補碼數(shù)(11110011)B，對其求補碼后得到該數(shù)的原碼為：10001101B，故其大小為(13)D。【例】試寫出補碼數(shù)11011001的真值。11011001原10100111B=39D,.,(二)補碼數(shù)的運算在微處理機中，使用補碼進行運算使同一個微處理機中既能運算帶符號數(shù)又能運算無符號數(shù)。而且，在采用補碼表示帶符號數(shù)的情況下，兩個數(shù)的減法可以用加法來實現(xiàn)。在進行帶符號數(shù)的加減運算時，應把參與運算的數(shù)據(jù)轉換成補碼形式進行運算。當使用8位二進制數(shù)表示帶符號的數(shù)時，它所能表示的數(shù)值范圍在(-128)10(+127)10之間，如果相加結果超出了這個范圍，就會導致錯誤發(fā)生。X+Y補=X補+Y補X-Y補=X補+-Y補,.,(1)神威太湖之光超級計算機安裝了40960個中國自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。(2)現(xiàn)代中國四大發(fā)明：高鐵、支付寶、共享單車、網(wǎng)購(3)在集成電路領域，特征尺寸是指半導體器件中的最小尺寸,即柵長的最小尺寸柵長6nm！美國IBM開發(fā)成功世界最小的晶體管,.,(三)補碼數(shù)的溢出,溢出：帶符號數(shù)的補碼加、減運算的結果超出了補碼表示的范圍8位原碼、反碼和補碼表示的范圍分別如下：127127原碼FFH7FH127127反碼：80H7FH128127補碼：80H7FH當8位帶符號數(shù)的結果超出以上范圍時，就會出現(xiàn)溢出。,.,16位原碼、反碼和補碼表示的范圍分別如下：,3273732767原碼FFFFH7FFFH3276732767反碼：8000H7FFFH3276832768補碼：8000H7FFFH當16位帶符號數(shù)的結果超出以上范圍時，就會出現(xiàn)溢出。,.,可能出現(xiàn)溢出的情況：兩個同號數(shù)相加或兩個異號相減時,判斷出現(xiàn)溢出情況的方法：在兩個同號數(shù)相加或異號數(shù)相減時如果次高位向最高位有進位（或借位），而最高位向前無進位（或借位），則結果發(fā)生溢出。反過來，如果次高位向最高位無進位（或借位），而最高位向前有進位（或借位），則結果發(fā)生也溢出。,.,【例】兩個帶符號的數(shù)(01000001)2與(01000011)2相加例中兩個正數(shù)相加，但結果卻是一個負數(shù)符號位為1。顯然，這個結果是錯誤的，出現(xiàn)這種錯誤的原因就在于這兩個數(shù)相加的結果超過了8位二進制帶符號數(shù)所能表示的數(shù)值范圍?！纠績蓚€負數(shù)(10001000)2和(11101110)2的相加情況。,.,由于采用8位二進制數(shù)來表示帶符號的數(shù)，故作為進位位的第九位自然丟失。8位二進制負數(shù)相加的結果為一個正數(shù)。很明顯，結果是錯誤的,產(chǎn)生了溢出?！纠績蓚€無符號數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加：,從相加計算的結果來看，如果微處理機只有8位，也就是用8位二進制數(shù)來解釋運算的結果，則將出現(xiàn)錯誤。因此，在微處理機中設有專門的一位，稱為進位位，它將用于保存第九位以防丟失信息。,最高位,次高位,.,(三)邏輯運算1.“與”運算?！芭c”運算的運算規(guī)則是：00=001=010=011=1【例】二進制數(shù)01011101B和11010101B相與。,2.“或”運算?！盎颉边\算的運算規(guī)則是：00=001=110=111=1,.,【例】二進制數(shù)10101101和01010000相或。,3.“異或”運算?！爱惢颉边\算的運算規(guī)則是：相同為0，不同為100=001=110=111=0【例】二進制數(shù)10101101和01101110相異或。,.,1.3微型計算機組成原理,現(xiàn)代計算機結構仍然是在馮諾依曼提出的計算機邏輯結構和存儲程序概念基礎上建立起來的。硬件系統(tǒng)包括：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。,.,馮諾依曼思想：存儲程序與程序控制原理,1946年，馮諾依曼提出EDVAC計算機方案，體現(xiàn)了五部分的計算設計思想。,.,輸入設備,運算器,輸出設備,存儲器,控制器,馮諾依曼計算機的基本結構,.,微型計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。,硬件系統(tǒng)：構成計算機的硬件實體。它包括微處理器、存儲器、I/O接口、系統(tǒng)總線、外部設備和電源等。,軟件系統(tǒng)：在計算機上運行的各種程序，包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。,.,硬件系統(tǒng)：,.,軟件系統(tǒng)：,.,微型計算機系統(tǒng)從小到大可分為微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)三個層次結構，如圖所示,.,三、微型計算機的硬件結構,微型計算機主要由（1）微處理器（2）存儲器、（3）輸入/輸出接口（4）系統(tǒng)總線連接。,.,1.微處理器,整個微機的核心是微處理器(up,MPU)，也稱CPU。它包含運算器ALU(ArithmaticandLogicUnit)、控制器及內(nèi)部寄存器陣列。,ALU：加、減、乘、除四則運算和邏輯運算,內(nèi)部寄存器：存放操作數(shù)、中間結果、地址、標志等信息,控制器：整個機器控制中心，包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、控制信息產(chǎn)生電路等。,.,.,2.存儲器,微機的存儲器分為：主存和輔存,主存(內(nèi)存)：用于存放當前正在運行的程序和正待處理的數(shù)據(jù)。(CPU內(nèi)部cache，主板上的內(nèi)存,造價高，速度快，存儲容量小),輔存(外存)：存放暫不運行的程序和輸入處理的數(shù)據(jù)，(主機箱內(nèi)或主機箱外，造價低，容量大，可長期保存，但速度慢),.,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容簡介：,內(nèi)存由許多存儲單元組成，每個內(nèi)存單元可存放一組二進制數(shù)。在微機中規(guī)定每個內(nèi)存單元可存放8位二進制數(shù)，即一個內(nèi)存單元存放一個字節(jié)的內(nèi)容，為了區(qū)分各個不同的內(nèi)存單元，就給每個存儲單元編上不同的號碼，即內(nèi)存地址。CPU要訪問某個單元時，先要通過地址總線送出該單元的地址號。,.,實際操作中，一個操作數(shù)可以是字節(jié)、字、雙字節(jié)、十字節(jié)等各種形式。1.字節(jié)：計算機的基本處理單位，一個字節(jié)由8位二進制位組成2.字：通常微機的字長有8位、16位、32位、64位，故其字數(shù)據(jù)的存放所占內(nèi)存單元的個數(shù)也不一樣3.雙字：即2個字4.四字：即4個字的長度，共8個字節(jié)。,.,表示存儲器容量的最小單位為bit(二進制位)，表示存儲器容量的基本單位為Byte(字節(jié))。通常：一個單元為一個字節(jié)，字節(jié)可用B(即Byte的縮寫)表示，且1Byte=8bit。存儲器的容量用“K”表示，1K即為1024個單元。大容量單位為KB、MB、GB、TB。,1KB=210B=1024B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B,地址總線16位，內(nèi)存容量為216個單元，即64KB。,地址總線20位，內(nèi)存容量為220個單元，即1MB。,.,地址,存放內(nèi)容二進制表示,十六進制表示,00000H,11000010,00011000,00001H,C2H,18H,00010010,00008H,12H,00110100,00009H,34H,01110000,FFFFFH,70H,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容示意圖,.,內(nèi)存儲器：,.,外存儲器：,.,3.輸入設備,輸入設備是把程序、命令轉換成計算機所能識別接收的信息，輸入給計算機微型計算機常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、數(shù)字化儀、圖像掃描儀、數(shù)碼相機等。,.,4.輸出設備,輸出設備是把CPU計算和處理的結果轉換成人們易于理解和閱讀的形式，輸出到外部微型計算機常用的輸出設備有CRT顯示器、液晶顯示器、打印機和繪圖儀等。,.,注意：由于各種外設的工作速度、驅動方式差別很大，無法與CPU直接匹配，所以不可能把它們簡單地連到系統(tǒng)總線，需要有一個接口電路充當它們和CPU間的橋梁，通過該電路完成信號的變換、數(shù)據(jù)的緩沖、與CPU聯(lián)絡等工作。在微機系統(tǒng)中，較復雜的I/O接口電路一般都做在電路板上，這種電路板又稱為“卡(Card)”，由卡的一側引出連接外界的插座，另一側做成插入端，只要將它們插入總線槽(I/O通道)就連到了系統(tǒng)總線。,.,5.系統(tǒng)總線,所謂“總線”，是指傳遞信息的一組公用導線。系統(tǒng)總線(SystemBus)是指從處理器子系統(tǒng)引出的若干信號線，CPU通過它們與存儲器和I/O設備進行信息交換。系統(tǒng)總線一般分為三組：,數(shù)據(jù)總線：DB(DataBus),地址總線：AB(AddressBus),控制總線：CB(ControlBus),.,總線系統(tǒng),.,地址總線(AddressBus)：,傳送地址信息、CPU在AB總線上輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口地址、該總線為單向，地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存單元范圍。,.,數(shù)據(jù)總線(DataBus)：,傳送數(shù)據(jù)信息的總線。在CPU進行讀操作時，內(nèi)存或外設的數(shù)據(jù)通過DB總線送往CPU；在CPU進行寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過DB總線送往內(nèi)存或外設，所以該總線為雙向總線。,.,控制總線(ControlBus)：,傳送控制信息的總線。其中，有些信號線將CPU的控制信號和狀態(tài)信號送往外設，外設請求或聯(lián)絡信號送往CPU，個別信號線兼有以上兩種情況。所以在討論控制總線的傳送方向時要具體到某一個信號，它們可能是輸出、輸入或者雙向的。,.,系統(tǒng)總線使用特點：,(1)在某一時刻，只能由一個總線主控設備控制系統(tǒng)總線，其他總線主控設備必須放棄對總線的控制。,(2)在連接系統(tǒng)的各個設備中，某一時刻只能有一個發(fā)送者向總線發(fā)送信號，但可以有多個設備從總線同時獲得信號。,.,1.4CPU內(nèi)部結構及微機的工作過程,就目前各種CPU而言，都是由運算器、控制器、內(nèi)部寄存器陣列和輸入/輸出控制邏輯四大部分組成的。如下圖給出了一個模型機的基本結構,圖中虛線框內(nèi)為微處理器模型，存儲器(內(nèi)存)通過系統(tǒng)總線與CPU相連。,.,程序計數(shù)器,地址緩沖寄存器,數(shù)據(jù)緩沖寄存器,寄存器陣列,指令寄存器,指令譯碼器,累加器,算術邏輯單元,控制邏輯部件,控制器,FlagRegister,.,（1）運算器,也叫算術邏輯運算單元主要完成算術、邏輯、位移循環(huán)等操作（2）控制器包括：指令寄存器IR、指令譯碼器ID和定時與控制電路指令寄存器IR：用來存放從存儲器取出將要執(zhí)行的指令指令譯碼器ID：用來對指令寄存器IR指令進行譯碼，以確定指令應執(zhí)行什么操作定時與控制電路：用來才生指令和執(zhí)行指令所需的各種微操作控制信號,.,（3）內(nèi)部寄存器,累加器A:在進行算術邏輯運算時，它用來保存其中一個操作數(shù)數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR:用來暫存數(shù)據(jù)和指令程序計數(shù)器PC:用來提供待取指令的機器碼所在存儲單元的地址，根據(jù)PC中的指令地址，準備從存儲器中取出將要執(zhí)行的指令。任意時刻，PC總是指示要取出的下一個字節(jié)或下一條指令（對單字節(jié)指令而言）所在單元的地址。每取一個字節(jié)的指令的機器碼，PC的內(nèi)容自動加1.,.,地址緩沖寄存器AR:存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址寄存器陣列RA:標志寄存器F:用來寄存指令執(zhí)行時所才生的結果或狀態(tài)的標志信號。根據(jù)檢測有關的標志位是0或1，可以按不同條件決定程序的走向。如8086的標志狀態(tài)寄存器,.,狀態(tài)標志位：6位CF(CarryFlag)：進位標志位。當進行加減運算時，若最高位發(fā)生進位或借位則CF=1，否則為0。通常用于判斷無符號數(shù)運算結果是否超出了計算機所能表示的無符號數(shù)的范圍。PF(ParityFlag)：奇偶標志位。當指令執(zhí)行結果中含有偶數(shù)個1時，PF=1，否則PF=0。AF(AuxiliaryFlag)：輔助進位標志位。當執(zhí)行加法或減法運算指令時，低半部分向高半部分有進位或借位，則AF=1，否則為0。,.,ZF(ZeroFlag)：零標志位。若當前的運算結果為0，則ZF=1，否則為0。SF(SignFlag)：符號標志位。當運算結果的最高位為1時，SF=1，否則為0。OF(OverflowFlag)：溢出標志位。當運算結果超出了帶符號數(shù)所能表示的數(shù)值范圍，即溢出時，OF=1，否則為0。用來判斷帶符號數(shù)運算結果是否溢出。,.,控制標志位：3位用來控制CPU的操作，由程序設置或清除。它們是：TF(TrapFlag)：跟蹤（陷阱）標志位。為測試程序的方便而設置。若將TF置1，則CPU處于單步工作方式，每執(zhí)行一條指令，自動產(chǎn)生一次單步中斷，可使用戶逐條檢查指令執(zhí)行結果；若TF=0，則