微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 v計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用v基于計(jì)算機(jī)的信息表示v計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與工作原理v微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用 v計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生 v計(jì)算機(jī)的發(fā)展 v計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)v計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生世 界 上 第 一 臺(tái) 電 子 計(jì) 算 機(jī) E N I A C（Electronic Numerical Integrator And Calculator，電子數(shù)值積分機(jī)和計(jì)算機(jī)），于1946年2月誕生在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)。它每秒可進(jìn)行5000次加減運(yùn)算。至今人們公認(rèn)，ENIAC的問(wèn)世，表明了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)，具有劃時(shí)代意義。計(jì)算機(jī)的發(fā)展v第一代：電子管計(jì)算機(jī)（1946

2、 1958）v其基本特征是采用電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯元件；數(shù)據(jù)表示主要是定點(diǎn)數(shù)；用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的限制，每秒運(yùn)算速度僅為幾千次，內(nèi)存容量?jī)H幾KB。第一代電子計(jì)算機(jī)體積龐大，造價(jià)高，主要用于軍事和科學(xué)研究。 計(jì)算機(jī)的發(fā)展v第二代：晶體管計(jì)算機(jī)（1958 1964）v其基本特征是晶體管電路電子計(jì)算機(jī)，內(nèi)存所使用的器件大多使用鐵淦氧磁性材料制成的磁芯存儲(chǔ)器。運(yùn)算速度達(dá)每秒幾十萬(wàn)次，內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十KB。晶體管計(jì)算機(jī)體積小，成本低，可靠性大大提高。除了科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理。 計(jì)算機(jī)的發(fā)展v第三代：集成電路計(jì)算機(jī)（1965 1970）v其基本特征是邏輯元件采

3、用小規(guī)模集成電路SSI（small scale integration）和中規(guī)模集成電路MSI（middle scale integration）。運(yùn)算速度每秒可達(dá)幾十萬(wàn)次到幾百萬(wàn)次。存儲(chǔ)器進(jìn)一步發(fā)展，體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，而軟件也逐步完善。計(jì)算機(jī)開(kāi)始廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)的發(fā)展v第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971年至今）。v其基本特征是邏輯元件采用大規(guī)模集成電路LSI（large scale integration）和超大規(guī)模集成電路VLSI（very large scale integration）技術(shù)。計(jì)算機(jī)的速度最高可達(dá)每秒幾十萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算。操作系統(tǒng)不斷完善，應(yīng)用軟件已

4、成為現(xiàn)代工業(yè)的一部分。 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) v1.運(yùn)算速度快 v2.計(jì)算精度高 v3.存儲(chǔ)能力強(qiáng) v4.具有邏輯判斷能力 v5.具有自動(dòng)運(yùn)行能力 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 v1.科學(xué)計(jì)算 v2.數(shù)據(jù)處理 v3.人工智能 v4.電子商務(wù) v5.過(guò)程控制 v6.計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng) v7. 多媒體技術(shù) v8.虛擬現(xiàn)實(shí) 基于計(jì)算機(jī)的信息表示 v數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 v數(shù)值信息的二進(jìn)制表示 v非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示 數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換v進(jìn)位計(jì)數(shù)制v在采用進(jìn)位計(jì)數(shù)制的數(shù)字系統(tǒng)中，如果只用r個(gè)基本符號(hào)表示數(shù)值，則稱(chēng)其為基r數(shù)制，r稱(chēng)為該數(shù)制的基數(shù)基數(shù)，而數(shù)值中每一固定位置對(duì)應(yīng)的單位值稱(chēng)為權(quán)。權(quán)。 表表1.2.1 常用的各種進(jìn)位計(jì)數(shù)

5、制的表示常用的各種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的表示進(jìn)位制 二進(jìn)制 八進(jìn)制 十進(jìn)制 十六進(jìn)制 規(guī)則 逢二進(jìn)一 逢八進(jìn)一 逢十進(jìn)一 逢十六進(jìn)一 基數(shù) r=2 r=8 r=10r=16基本符號(hào) 0,1 0,1,2,7 0,1,2,9 0,1,9,A,B,F權(quán) 2i 8i10i16i表示形式B ODH數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換v不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制的轉(zhuǎn)換v (1) 二二-十轉(zhuǎn)換：十轉(zhuǎn)換：將二進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開(kāi)后相加將二進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開(kāi)后相加2) 11 .101 (210122121212021 10)75 . 5(25 . 05 . 014 (2) 十十- -二轉(zhuǎn)換二轉(zhuǎn)換：整數(shù)的轉(zhuǎn)換整數(shù)的轉(zhuǎn)換-連除法連除法210) () 26 (

6、26213余數(shù)余數(shù)206213202 110111010除基數(shù)除基數(shù)得余數(shù)得余數(shù)作系數(shù)作系數(shù)從低位從低位到高位到高位數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換210) () 1258 . 0 ( 1101 . 00. 8125 21. 6250 21. 2500 20. 5000取整取整1100. 62500. 2500乘基數(shù)乘基數(shù)取整數(shù)取整數(shù)作系數(shù)作系數(shù)從高位從高位到低位到低位小數(shù)的轉(zhuǎn)換小數(shù)的轉(zhuǎn)換-連乘法連乘法快速轉(zhuǎn)換法：拆分法快速轉(zhuǎn)換法：拆分法( 26 )10= 16 + 8 + 2 = 24 +23 + 21= ( 1 1 0 1 0 )2 若小數(shù)在連乘多次后若小數(shù)在連乘多次后不為不為 0，一般按照精確度，一般

7、按照精確度要求要求(如小數(shù)點(diǎn)后保留如小數(shù)點(diǎn)后保留 n 位位)得到得到 n 個(gè)對(duì)應(yīng)位的系個(gè)對(duì)應(yīng)位的系數(shù)即可。數(shù)即可。 21. 0000116 8 4 2 1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換(3) 二二-八轉(zhuǎn)換八轉(zhuǎn)換:82) () 111 101 10 ( 25757(4) 八八-二轉(zhuǎn)換二轉(zhuǎn)換:每位每位 8 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 3 位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)28) () 47 .31 ( 011 001 . 100 111每每 3 位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)一位位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)一位 8 進(jìn)制數(shù)進(jìn)制數(shù)28) () 64 375. ( 011 111 101. 110 100082) () 1 1 0 0 0 1. 0

8、0 0 0 1 1 1 0 0 1 ( 002341. 062數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換（5）二）二-十六轉(zhuǎn)換：十六轉(zhuǎn)換：每每 4 位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)一位位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)一位 16 進(jìn)制數(shù)進(jìn)制數(shù)16210) () () 26 ( 1010 11AA1（6）十六）十六-二轉(zhuǎn)換：二轉(zhuǎn)換：每位每位 16 進(jìn)制數(shù)換為相應(yīng)的進(jìn)制數(shù)換為相應(yīng)的 4 位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)216) () 6 C . AF 8 ( 0 0 0 1216) () F 2 . 8 D E ( 0 1 1 11 1 1 1. 0 1 0 10 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1. 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 ) () 1

9、0 0 . 0 1 1 0 1 1 0 1 1 (162 2 . 6 B 10000000數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v1.符號(hào)數(shù)計(jì)機(jī)器數(shù)表示v數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)有三個(gè)特點(diǎn)：v（1）數(shù)的符號(hào)數(shù)值化 在計(jì)算機(jī)中，因?yàn)橹挥?和1兩種形式，為了表示數(shù)的正（+）、負(fù)（-）號(hào)，也必須以0和1表示。通常把一個(gè)數(shù)的最高位定義為符號(hào)位，用0表示正，1表示負(fù)。稱(chēng)為數(shù)符；其余位仍表示數(shù)值。 v通常，把在機(jī)器內(nèi)存放的正、負(fù)符號(hào)數(shù)值化的數(shù)稱(chēng)為機(jī)器數(shù)，機(jī)器數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值稱(chēng)為機(jī)器數(shù)的真值數(shù)。 數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v（2）計(jì)算機(jī)中通常只表示整數(shù)和純小數(shù)。 因此，小數(shù)點(diǎn)約定在一個(gè)固定的位置上，不再占用1個(gè)數(shù)位。v（

10、3）機(jī)器數(shù)表示的范圍受到字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)的類(lèi)型的限制。 例如，若表示一個(gè)整數(shù)，字長(zhǎng)為8位，最大值01111111，最高位是符號(hào)位，因此此數(shù)的最大值為127。若數(shù)值超出127，就要溢出。為了表示較大或較小的數(shù)，用浮點(diǎn)數(shù)來(lái)表示。v2.定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)v定點(diǎn)數(shù)約定小數(shù)點(diǎn)隱含在某一固定的位置上，稱(chēng)為定點(diǎn)數(shù)表示法；浮點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置可以任意浮動(dòng)，稱(chēng)為浮點(diǎn)數(shù)表示法。數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v定點(diǎn)數(shù)表示法v定點(diǎn)數(shù)表示法有兩種約定，定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。v定點(diǎn)整數(shù)約定小數(shù)點(diǎn)位置在機(jī)器數(shù)的最右邊，如圖1-2所示，定點(diǎn)整數(shù)是純整數(shù)。v 定點(diǎn)整數(shù)分為帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)兩類(lèi)。對(duì)帶符號(hào)數(shù)的整數(shù)，符號(hào)位被放在最高位。整數(shù)表示的數(shù)是

11、精確的，但數(shù)的范圍是有限的。根據(jù)存放的數(shù)的字長(zhǎng)，它們可以用8、16、32位等表示，當(dāng)以補(bǔ)碼形式表示時(shí)，各自表示的數(shù)的范圍見(jiàn)表1.2.3。 數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v（2）浮點(diǎn)數(shù)表示法v定點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)值范圍在許多應(yīng)用中是不夠的，尤其在科學(xué)計(jì)算中，為了能表示特大或特小的數(shù)，采用“浮點(diǎn)數(shù)”或“科學(xué)表示法”表示?！案↑c(diǎn)數(shù)”由兩部分組成，即尾數(shù)和階碼，底數(shù)是事先約定的，在機(jī)器數(shù)中不出現(xiàn)。v在浮點(diǎn)表示方法中，小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動(dòng)的，階碼可以取不同的數(shù)值。 v為了便于計(jì)算機(jī)中小數(shù)點(diǎn)的表示，規(guī)定將浮點(diǎn)數(shù)寫(xiě)成規(guī)格化的形式，即尾數(shù)的絕對(duì)值大于等于0.1并且小于1，從而唯一地規(guī)定了小數(shù)點(diǎn)的位置。 數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v3

12、.帶符號(hào)數(shù)的表示v從上述的機(jī)器數(shù)可知，數(shù)在存放時(shí)由數(shù)符位用0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。若將符號(hào)位同時(shí)和數(shù)值參加運(yùn)算，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果；否則要考慮計(jì)算機(jī)結(jié)果的符號(hào)問(wèn)題，將增加計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的難度。 v若考慮符號(hào)位的處理，則運(yùn)算變得復(fù)雜。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，在機(jī)器數(shù)中，負(fù)數(shù)有三種表示法：原碼、反碼和補(bǔ)碼。v（1）原碼v整數(shù)X的原碼指：其數(shù)符位0表示正，1表示負(fù)；其數(shù)值部分就是X絕對(duì)值的二進(jìn)制表示。通常用X原 表示X的原碼。數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v由此可知，8位原碼表示的最大值為127，最小值為-127，表示數(shù)的范圍為-127 127。v原碼表示法簡(jiǎn)單易懂，與其真值得轉(zhuǎn)換方便，但當(dāng)兩個(gè)數(shù)做加法運(yùn)算時(shí)，如果兩數(shù)

13、碼符號(hào)相同，則數(shù)值相加，符號(hào)不變，如果兩數(shù)碼符號(hào)不同，數(shù)值部分實(shí)際上是相減，這是必須比較哪個(gè)數(shù)的絕對(duì)值大，才能決定運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)位及值。v（2）反碼v整數(shù)X的反碼指：對(duì)于正數(shù)與原碼相同，對(duì)于負(fù)數(shù)，數(shù)符位為1，其數(shù)值位X的絕對(duì)值取反。通常用X反 表示X的反碼。 數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v由此可知，8位反碼表示的最大值、最小值和表示數(shù)的范圍與原碼相同。v（3）補(bǔ)碼v整數(shù)X的補(bǔ)碼指：對(duì)于正數(shù)與原碼相同，對(duì)于負(fù)數(shù)，數(shù)符位為1，其數(shù)值位X的絕對(duì)值取反最右加1，即反碼加1。通常用X補(bǔ) 表示X的補(bǔ)碼。v因而可以多出來(lái)的一個(gè)編碼10000000來(lái)擴(kuò)展補(bǔ)碼所能表示數(shù)的范圍，即將負(fù)數(shù)最小-127擴(kuò)大到-128。這里的

14、最高位既可以看成是符號(hào)位負(fù)數(shù)，又可以表示為數(shù)值位，其值為-128。這就是補(bǔ)碼與原碼、反碼最小值不同的原因。v補(bǔ)碼運(yùn)算方便，二進(jìn)制的減法運(yùn)算可用補(bǔ)碼實(shí)現(xiàn)，使用較為廣泛。 非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v1.字符編碼v字符是計(jì)算機(jī)中使用最多的信息形式之一，它是人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信、交互的重要媒介。它包括了西文字符和中文字符，由于計(jì)算機(jī)是以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)和處理的。因此字符也必須按特定的規(guī)則進(jìn)行二進(jìn)制編碼才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)。v（1）西文字符v對(duì)西文字符編碼最常用的是ASCII（American Standard Code for Information Interchange,美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）。ASCII是

15、用7位二進(jìn)制編碼，它可以表示27即128個(gè)字符，見(jiàn)表1.2.4。每個(gè)字符用7位基2 碼表示，其排列次序?yàn)閐6d5d4d3d2d1d0，d6為最高位，d0為最低位。非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v在ASCII碼表中看出，十進(jìn)制碼值0 32 和127（即NUL US和DEL）共34 個(gè)字符稱(chēng)為非圖形字符（控制符）；其余94個(gè)字符稱(chēng)為圖形字符。v計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)與操作以字節(jié)為單位，即8個(gè)二進(jìn)制位為單位。因此一個(gè)字符在機(jī)算機(jī)內(nèi)實(shí)際是用8位表示。正常情況下，最高為d7為0。在需要奇偶校驗(yàn)時(shí)，這一位可用于存放奇偶校驗(yàn)位的值，此時(shí)稱(chēng)該位為校驗(yàn)位。v西文字符除了常用的ASCII編碼外，還有一種EBCDIC碼（Exte

16、nded Binary Coded Decimal Interchange Code，擴(kuò)展的二十進(jìn)制交換碼），這種字符編碼主要用在大型機(jī)器中。vEBCDIC碼采用8位基2 碼表示，有256個(gè)編碼狀態(tài)，但往往只選用其中一部分。 非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v2.中文字符v用計(jì)算機(jī)處理漢字時(shí)，必須先將漢字代碼化，漢字是象形文字，種類(lèi)繁多，編碼比較困難，而且在一個(gè)漢字處理系統(tǒng)中，輸入、內(nèi)部處理、輸出對(duì)漢字編碼的要求不盡相同，因此進(jìn)行一系列的漢字編碼及轉(zhuǎn)換，漢字信息處理中各編碼及流程如圖1-4所示。其中虛框中的編碼對(duì)國(guó)標(biāo)碼而言。v（1）漢字輸入碼v在機(jī)算機(jī)系統(tǒng)中使用漢字，首先遇到的問(wèn)題是如何把漢字輸入到計(jì)算

17、機(jī)內(nèi)。為了能直接使用西文標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)進(jìn)行輸入，必須為漢字設(shè)計(jì)相應(yīng)的編碼方法。漢字編碼方法主要分為三類(lèi)：數(shù)字編碼、拼音碼和字形編碼。非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v（2）內(nèi)部碼v內(nèi)部碼是字符在設(shè)備或信息處理系統(tǒng)內(nèi)部最基本的表達(dá)形式，是在設(shè)備和信息處理系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)、處理、傳輸字符用的代碼。一個(gè)國(guó)標(biāo)碼占兩個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)最高位仍為；英文字符的機(jī)內(nèi)碼是位ASCII碼，最高位也為，為了在計(jì)算機(jī)內(nèi)部能夠區(qū)分是漢字編碼還是ASCII碼，將國(guó)標(biāo)碼的每個(gè)字節(jié)的最高位有變?yōu)?，變換后的國(guó)標(biāo)碼成為漢字機(jī)內(nèi)碼，由此可知漢字機(jī)內(nèi)碼的每個(gè)字節(jié)都大于128，而每個(gè)西文字符的ASCII碼值均小于128。以漢字“大”為例，國(guó)標(biāo)碼為3473，

18、機(jī)內(nèi)碼為B4F3H。 非數(shù)值信息的二進(jìn)制表示v（3）字形碼v漢字字形碼是表示漢字字形的字模數(shù)據(jù)，通常用點(diǎn)陣、矢量函數(shù)等方式表示。用點(diǎn)陳表示字形時(shí)，漢字字形碼指的是就是這個(gè)漢字字形點(diǎn)陣的代碼。根據(jù)輸出的漢字的要求不同，點(diǎn)陣的多少也不同。簡(jiǎn)易型漢字為16 x 16點(diǎn)陣，提高型漢字為24 x 24點(diǎn)陣、32 x 32點(diǎn)陣、48 x 48點(diǎn)陣等。v點(diǎn)陣規(guī)模愈大，字形愈清晰美觀，所占用的存儲(chǔ)的空間也愈大。以16 x 16點(diǎn)陣為例，每個(gè)漢字要占用32B存儲(chǔ)空間，兩級(jí)漢字大約占用256KB。因此，字模點(diǎn)陣用來(lái)構(gòu)成“字庫(kù)”，字庫(kù)中存儲(chǔ)了每個(gè)漢字的點(diǎn)陣代碼，當(dāng)顯示輸出時(shí)檢索字庫(kù)，輸出字模點(diǎn)陣得到字形。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

19、的工作原理與組成 v計(jì)算機(jī)的基本工作原理 v計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 v 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi) 計(jì)算機(jī)的基本工作原理v1.計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。v指令是能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，它規(guī)定了計(jì)算機(jī)能完成的某一種操作。指令的數(shù)量和類(lèi)型由CPU決定。v一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有指令的集合，稱(chēng)為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。不同類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，指令系統(tǒng)的指令條數(shù)有所不同。 計(jì)算機(jī)的基本工作原理v計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程實(shí)際上是快速地執(zhí)行指令的過(guò)程。當(dāng)計(jì)算機(jī)在工作時(shí)，有兩種信息在執(zhí)行指令的過(guò)程中流動(dòng)：數(shù)據(jù)流和控制流。v數(shù)據(jù)流是指原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、結(jié)果數(shù)據(jù)、源程序等。控制流是由控制器對(duì)指令進(jìn)行分析、解釋后向各部件發(fā)出的控制命令。指揮各部件協(xié)調(diào)地工作。計(jì)算機(jī)的基本工作原理v下面以指令的執(zhí)行過(guò)程來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的基本工作原理。指