ch01微型計算機系統概述

1、第第1章章 微型計算機系統概述微型計算機系統概述1.1 微型計算機發(fā)展及應用微型計算機發(fā)展及應用n第一臺數字式電子計算機誕生于第一臺數字式電子計算機誕生于1946年年2月月，簡簡稱稱ENIAC （電子數據和計算器）（電子數據和計算器） 。馮馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機結構及特點結構及特點特點：特點：（1）計算機內部采用二進制表示數據和指令。）計算機內部采用二進制表示數據和指令。（2）工作原理的核心為：）工作原理的核心為：“存儲程序存儲程序”和和“程序控制程序控制” 計算機發(fā)展史計算機發(fā)展史年代第一代1946-1957第二代1958-1964第三代1965-1970第四代1971-現在電子器件

2、電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路存儲器延遲線磁芯、磁鼓磁帶、紙帶磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁帶、磁盤光盤處理方式機器語言匯編語言監(jiān)控程序高級語言實時處理操作系統實時/分時處理網絡操作系統應用領域科學計算科學計算數據處理過程控制科學計算系統設計等科技工程領域各行各業(yè)運算速度5000至3萬次/秒幾十萬至百萬次/秒百萬至幾百萬次/秒幾百萬至千億次/秒典型機種ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展一代一代70年代初年代初

3、二代二代70年代年代三代三代70年代末年代末80年代初年代初四代四代80年代年代微型機發(fā)展過程微型機發(fā)展過程時間時間五代五代90年代年代4004 （8008-8位）位）第一臺個人電腦第一臺個人電腦8080 （Z80,MC6800）8位位4位位32-64位位16位位32位位1973-741971-7219788086M 6809和和Z800082年年80286及及80318038680486（M68020）1993 Pentium準準64位位1995年年11月月 Pentium Pro。1997年年1月月 Pentium MMX此后此后 P/419851993Pentium微型計算機的應用微型計

4、算機的應用n微型計算機體積小、價格低、耗電少和可靠性高微型計算機體積小、價格低、耗電少和可靠性高，主要有如下幾個應用方向：主要有如下幾個應用方向：q科學計算和信息處理科學計算和信息處理q計算機輔助設計、輔助制造、輔助教育及計算機輔助測計算機輔助設計、輔助制造、輔助教育及計算機輔助測試試q多媒體應用及網絡應用多媒體應用及網絡應用q過程控制過程控制q嵌入式應用方向嵌入式應用方向n兩個方向發(fā)展：兩個方向發(fā)展：q高性能、多功能的方向高性能、多功能的方向q價格低廉、功能專一的方向價格低廉、功能專一的方向1.2 微型計算機系統的組成微型計算機系統的組成n硬件系統硬件系統中央處理器中央處理器n微機的核心、控

5、制中心，中央處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPUn大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成芯片，集成q控制器控制器q運算器（整數運算器）運算器（整數運算器）q寄存器（高速存儲單元）寄存器（高速存儲單元）n高性能微處理器內部還有高性能微處理器內部還有q浮點處理單元甚至多媒體數據運算單元浮點處理單元甚至多媒體數據運算單元q存儲管理單元、代碼保護機制存儲管理單元、代碼保護機制qCacheq內存儲器內存儲器n存儲器（存儲器（Memory）是）是臨時或永久保存臨時或永久保存程序和數據的部件，程序和數據的部件，分為內存儲器和外存儲器分為內存儲器和外存儲器n高性能微機的存儲系統高性能微機的存儲

6、系統q微處理器內部的寄存器（微處理器內部的寄存器（Register）q高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache）q主板上的主存儲器主板上的主存儲器q以外設形式出現的輔助存儲器以外設形式出現的輔助存儲器n主存儲器（主存、內存）主存儲器（主存、內存）q半導體存儲器芯片組成半導體存儲器芯片組成qRAM部分斷電后信息丟失部分斷電后信息丟失q相對造價高、速度快、但容量小相對造價高、速度快、但容量小n輔助存儲器（簡稱輔存或外存）輔助存儲器（簡稱輔存或外存）q磁盤、光盤存儲器等構成磁盤、光盤存儲器等構成q相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和和RO

7、MRAM和和ROMn隨機存取存儲器隨機存取存儲器（RAM）又稱讀寫存儲器：又稱讀寫存儲器：隨機存取隨機存?。嚎梢愿鶕枰x寫任意位置上的內容，而不：可以根據需要讀寫任意位置上的內容，而不像磁盤一樣必須成塊地順序讀寫。像磁盤一樣必須成塊地順序讀寫?？勺x可寫可讀可寫：隨機存儲器中的信息可以讀出，也可以寫入：隨機存儲器中的信息可以讀出，也可以寫入。易失性易失性：斷電后儲存的信息自動消失，是易失性存儲器：斷電后儲存的信息自動消失，是易失性存儲器。用途用途：用于存放當前正在使用的程序和數據。：用于存放當前正在使用的程序和數據。n只讀存儲器只讀存儲器(ROM)：只讀只讀：信息在一般情況下只能讀出，不能寫入

8、和修改：信息在一般情況下只能讀出，不能寫入和修改非易失性非易失性：斷電后原信息不會丟失，是非易失性存儲器：斷電后原信息不會丟失，是非易失性存儲器，用途用途：用來存放固定的程序和數據表格。：用來存放固定的程序和數據表格。I/O接口及接口及I/O設備設備nI/O設備（設備（Peripheral）：用戶與微機交互）：用戶與微機交互q輸入（輸入（Input）設備，如標準輸入設備：鍵盤）設備，如標準輸入設備：鍵盤q輸出（輸出（Output）設備，如標準輸出設備：顯示器）設備，如標準輸出設備：顯示器nI/O接口（接口（Interface）：外設和主機間的橋梁）：外設和主機間的橋梁q完成信號變換、數據緩沖、

9、聯絡控制等工作完成信號變換、數據緩沖、聯絡控制等工作q較簡單的較簡單的I/O接口電路與主板一體接口電路與主板一體q較復雜的較復雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡接口電路制成獨立的電路板（接口卡Card）系統總線系統總線n總線（總線（Bus）：傳遞信息的一組）：傳遞信息的一組公用導線、信息通道公用導線、信息通道n系統總線（系統總線（System Bus）：微機系統中信息交換的主要）：微機系統中信息交換的主要公共通道公共通道n地址總線：地址總線：單向單向輸出主存單元或輸出主存單元或I/O端口的地址信息端口的地址信息n數據總線：讀（數據總線：讀（Read）操作數據輸入微處理器；寫）操作數據輸

10、入微處理器；寫（Write）操作數據輸出到外界（主存或外設）操作數據輸出到外界（主存或外設）n控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯絡信號輸入絡信號輸入n微機系統采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、擴微機系統采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便展方便總線信號總線信號n地址總線地址總線ABq輸出將要訪問的內存單元或輸出將要訪問的內存單元或I/O端口的地址端口的地址q地址線的多少決定了系統直接尋址存儲器的范圍地址線的多少決定了系統直接尋址存儲器的范圍n數據總線數據總線DBqCPU讀操作時，外部數據通過數據總線送往讀操作時

11、，外部數據通過數據總線送往CPU qCPU寫操作時，寫操作時，CPU數據通過數據總線送往外部數據通過數據總線送往外部q數據線的多少決定了一次能夠傳送數據的位數數據線的多少決定了一次能夠傳送數據的位數n控制總線控制總線CBq協調系統中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等協調系統中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等q控制總線決定了系統總線的特點控制總線決定了系統總線的特點,例如功能、適應性等例如功能、適應性等舉例舉例舉例舉例Intel 80 x86CPU的地址線條數的地址線條數Intel 80 x86地址條數地址條數存儲容量存儲容量n8086201MBn8088201MBn802862416MB

12、n80386Pentium324GBnPentium Core 2 36 64GB返回返回Intel 80 x86CPU的數據線位數的數據線位數Intel 80 x86數據位數數據位數n808616n80888n8028616n803868048632nPentium至今至今64返回返回微型計算機軟件系統微型計算機軟件系統n軟件是包含計算機工作時所需要的各種程序、數軟件是包含計算機工作時所需要的各種程序、數據及相關文檔資料，為計算機有效運行和特定信據及相關文檔資料，為計算機有效運行和特定信息處理提供全過程的服務，是用戶操作計算機的息處理提供全過程的服務，是用戶操作計算機的中介。中介。n系統軟件

13、系統軟件:是指沒有特殊的應用背景，專門為了發(fā)是指沒有特殊的應用背景，專門為了發(fā)掘硬件功能，測試硬件部件和減少用戶對硬件的掘硬件功能，測試硬件部件和減少用戶對硬件的依賴程度等編制的軟件程序。依賴程度等編制的軟件程序。n應用軟件：是指在應用領域中為解決各類應用問應用軟件：是指在應用領域中為解決各類應用問題而開發(fā)和使用的程序。題而開發(fā)和使用的程序。n系統軟件分類系統軟件分類 （1）操作系統）操作系統 （2）服務型程序）服務型程序 （3）各種語言的處理程序）各種語言的處理程序 （4）各種數據庫系統）各種數據庫系統n應用軟件分類應用軟件分類 （1）用于科學計算）用于科學計算 （2）文字處理軟件）文字處理

14、軟件 （3）圖像處理軟件）圖像處理軟件 （4）各種財務管理，稅務管理，工業(yè)控制，輔助）各種財務管理，稅務管理，工業(yè)控制，輔助教育軟件教育軟件微型計算機軟件系統微型計算機軟件系統 微微 型型 計計 算算 機機 系系 統統 主機主機 機機 外部設備外部設備 微處理器微處理器 主存儲器和高速緩存器主存儲器和高速緩存器 輸入輸出接口輸入輸出接口 系統總線和局部總線系統總線和局部總線 外存儲器外存儲器 輸入設備輸入設備 輸出設備輸出設備 其它設備其它設備 電源等電源等 系統軟件系統軟件 應用軟件應用軟件 操作系統操作系統 語言處理程序語言處理程序 支持軟件支持軟件 工程計算軟件工程計算軟件 數據處理軟件

15、數據處理軟件 過程控制軟件過程控制軟件 輔助設計軟件輔助設計軟件 。 。 。 。 。 匯匯編程序編程序 解釋程序解釋程序 編譯程序編譯程序 硬件硬件 軟件軟件 微機系統微機系統 區(qū)分三個概念區(qū)分三個概念運算器運算器 控制器控制器 寄存器組寄存器組 內存儲器內存儲器 總線總線 輸入輸出輸出輸入輸出輸出 接口電路接口電路外部設備外部設備 軟件軟件微處理器微處理器微型計算機微型計算機微型計算機系統微型計算機系統微機系統主要性能指標微機系統主要性能指標n字長字長：CPU一次能處理的二進制位數一次能處理的二進制位數，通常字長通常字長是字節(jié)的整數倍。目前微機的字長主要有是字節(jié)的整數倍。目前微機的字長主要有

16、32位和位和64位。位。n主頻主頻：即即CPU內核工作的時鐘頻率（內核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。n運算速度運算速度：運算速度是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令運算速度是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數條數n主存容量和存取速度主存容量和存取速度：主存儲器容量指內部存儲主存儲器容量指內部存儲器能存放數據的最大字節(jié)數器能存放數據的最大字節(jié)數；存取速度指主存完存取速度指主存完成一次讀成一次讀/寫所需要的時間寫所需要的時間。1.3 計算機中的數與編碼計算機中的數與編碼n進位計數制進位計數制表表 1 2 常用進制介紹常用進制介紹進制進制基數基數數字符號數字符號特點特點舉例舉例十進制十進制100、1

17、、2、3、4、5、6、7、8、9“逢十進一，逢十進一，借一當借一當(123.4)10二進制二進制20、1“逢二進一，逢二進一，借一當二借一當二”(1011.1)2八進制八進制80、1、2、3、4、5、6、7“逢八進一，逢八進一，借一當八借一當八”(35.7)8十六進十六進制制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F“逢十六進一，逢十六進一，借一當十六借一當十六”(28A.C)16不同數制之間的轉換不同數制之間的轉換(1)n十進制整數轉換為十進制整數轉換為K進制數進制數q除除K取余數，結果倒序排列。取余數，結果倒序排列。不同數制之間的轉換不同數制之間的轉換(2)n十進制

18、小數轉換為十進制小數轉換為K進制小數進制小數q乘乘K取整，結果正序排列。取整，結果正序排列。不同數制之間的轉換不同數制之間的轉換(3)nK進制數轉換為十進制數進制數轉換為十進制數q將將K進制數按權展開進制數按權展開n(1010011.01010011)2=126 + 124 +121 +120 + 12-2 + 12-4 +12-7 + 12-8 =64+16+2+1+0.25+0.0625+0.0078125+0.00390625 =83.32421875n(1010011.01010011)2=126 + 124 +121 +120 + 12-2 + 12-4 +12-7 + 12-8 =

19、64+16+2+1+0.25+0.0625+0.0078125+0.00390625 =83.32421875二進制、八進制與十六進制之間的轉換二進制、八進制與十六進制之間的轉換表表 1 3 計算機中常用進制間的對應關系計算機中常用進制間的對應關系十進制十進制二進制二進制八進制八進制十六進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010計算機中數的表示計算機中數

20、的表示n無符號數的表示無符號數的表示n正數和零的集合正數和零的集合 n用用N位二進制表示一個無符號數時，最小的數是位二進制表示一個無符號數時，最小的數是0，最大的數是，最大的數是2N-1（N位二進制位二進制111111）。）。n如果一個無符號數需要增加它的位數時，需要在如果一個無符號數需要增加它的位數時，需要在它的左側添加若干個它的左側添加若干個0，稱為零擴展。，稱為零擴展。n有符號數的表示有符號數的表示n在計算機中，有符號數的正負通過數據的最高有在計算機中，有符號數的正負通過數據的最高有效位表示：效位表示：1表示符號為負，表示符號為負，0表示符號為正。表示符號為正。n機器數：一個數在機器中的

21、表示形式，即編碼。機器數：一個數在機器中的表示形式，即編碼。n真值：數本身。真值：數本身。計算機中數的表示計算機中數的表示有符號數有符號數n原碼原碼q最高位作為符號位，對正數，該位取最高位作為符號位，對正數，該位取0，對負數，該位，對負數，該位取取1。而數值部分保持數的原有形式（有時需要在高位而數值部分保持數的原有形式（有時需要在高位部分添幾個部分添幾個0）。）。n補碼補碼q對正數，補碼同原碼對正數，補碼同原碼；負數的補碼等于其原碼除符號位負數的補碼等于其原碼除符號位外按位外按位“求反求反”(1變變0，0變變1)，末位再加，末位再加1。n反碼反碼 q對正數，其反碼與原碼相同，也與補碼相同。對負

22、數，對正數，其反碼與原碼相同，也與補碼相同。對負數，其反碼等于原碼除符號位外，其反碼等于原碼除符號位外，按位求反按位求反(末位不加末位不加1)。一。一般把求反碼作為求補般把求反碼作為求補碼碼的中間過程，即的中間過程，即x補補=x反反+1。 表表 1 4 8位機器數的原碼、反碼和補碼表示位機器數的原碼、反碼和補碼表示真值真值（十進制）（十進制）二進制真值二進制真值原碼原碼反碼反碼補碼補碼127111 11110 111 11110 111 11110 111 11111000 00010 000 00010 000 00010 000 00010000 00000 000 00000 000 0

23、0000 000 00000000 00001 000 00001 111 11110 000 00001000 00011 000 00011 111 11101 111 11112000 00101 000 00101 111 11011 111 111012711111111 111 11111 000 00001 000 00011281 000 0000無法表示無法表示無法表示無法表示1 000 0000無符號數的運算規(guī)則無符號數的運算規(guī)則運算運算運算規(guī)則運算規(guī)則加法運算加法運算000；011；101；110（有進位）（有進位）減法規(guī)則減法規(guī)則000；110；101；011（有借位）

24、（有借位）邏輯與（邏輯與（AND）運算運算000；010；100；111邏輯或（邏輯或（OR）運算運算000；011；101；111邏 輯 異 或邏 輯 異 或（XOR）運算）運算0 00；0 11；1 01；1 10邏輯非（邏輯非（NOT）運算運算0(0() )1；1()0有符號數的加減運算有符號數的加減運算n補碼的運算規(guī)則如下：補碼的運算規(guī)則如下：naX+Y補補=X補補+Y補補，即兩數之和的補碼等于，即兩數之和的補碼等于各自補碼的和。各自補碼的和。 nbX-Y補補=X補補+-Y補補，即兩數之差的補碼等于，即兩數之差的補碼等于被減數的補碼與減數相反數的補碼之和。被減數的補碼與減數相反數的補碼

25、之和。 ncX補補補補=X原原，即按求補碼的方法，對，即按求補碼的方法，對x補補再再求補碼一次，結果等于求補碼一次，結果等于x原原。 ndX補補求補求補=-X補補，求補運算是指包含符號位取，求補運算是指包含符號位取反加反加1的操作。的操作。 【例【例 1 7】設設X+100，Y=+83，求，求X-Y 補補。解：先求解：先求X補補和和-Y補補。X補補100補補1100100B補補01100100B。-Y補補Y補補求補求補01010011B補補求補求補01010011B求補求補10101101B。 X補補 01100100B + -Y補補 10101101B X-Y 補補 1 00010001B1

26、1H16117 進位自然丟失進位自然丟失【例【例 1 8】設設X+100，Y=+83，求，求Y-X 補補。解：先求解：先求-X補補和和Y補補。-X補補X補補求補求補100補補求補求補01100100B求補求補10011100B。Y補補83補補1010011B補補01010011B。Y補補 01010011B + -X補補 10011100B Y-X 補補 11101111B0010001B（161）17計算機中的編碼計算機中的編碼ASCII碼碼nASCII碼即美國標準信息交換代碼碼即美國標準信息交換代碼(American Standard Cord for Information Interc

27、hange)，它它用用7位二進制編碼表示位二進制編碼表示128個字符和符號個字符和符號。n每個字符用每個字符用8位（即一個字節(jié)）表示，其中最高位（即一個字節(jié)）表示，其中最高位為位為“0”，當需要進行奇偶校驗時，最高位用，當需要進行奇偶校驗時，最高位用做校驗位。做校驗位。nASCII編碼的前編碼的前32個（編碼個（編碼00H1FH）用來表示）用來表示“控制字符控制字符”，例如，例如:CR（“回車回車”，編碼，編碼0DH），），LF（“換行換行”，編碼，編碼0AH）。計算機中的編碼計算機中的編碼ASCII碼碼ASCII編碼編碼30H39H用來表示數字字符用來表示數字字符“0”“9”。它們的高。它們的高3位為位為011，低，低4位就是這個數字字符位就是這個數字字符對應的二進制表示。對應的二進制表示。ASCII編碼編碼41H5AH用來表示大寫字母用來表示大寫字母“A”“Z”，它們的高，它們的高2位為位為01。ASCII編碼編碼61H7AH用來表示小寫字母用來表示小寫字母“a”“z”，它們的高，它們的高2位為位為10。小寫字母的編碼比對應的大寫字母編碼大小寫字母的編碼比對應的大寫字母編碼大20H。計算機中的編碼計算機中的編碼BCD碼碼用一組四位二進制來表述一位十進