第一章+概述(201509)

1、l計算機的組成及工作原理計算機的組成及工作原理l程序程序執(zhí)行過程執(zhí)行過程l微型計算機的分類微型計算機的分類l計算機的發(fā)展（自學）計算機的發(fā)展（自學）l微機的特點（自學）微機的特點（自學）l微機的應用微機的應用l運算基礎運算基礎電子計算機的組成有兩種信息流在流動：一類是數據，用藍線表示，一類是控制，用紅線表示。不論是數據還是控制命令，在計算機中都用“0”和“1”表示的二進制數表示。 存儲器=內存+外存，外設=入+出+外，CPU=運+控，主機=運+控+內馮諾依曼計算機原理(即：即：“存儲程序存儲程序” + “程序控程序控制制”)運算器存儲器控制器輸入設備輸出設備程序和原始數據結果（Micropro

2、cessor）PP或或MPUMPU (Microcomputer)控制部件算術邏輯部件寄存器組IO接口電路ROMRAM外部設備存儲器微處理器微處理器系統(tǒng)(Microprocessing System) 以微處理器為核心構成的具有某種特以微處理器為核心構成的具有某種特殊用途的系統(tǒng)殊用途的系統(tǒng)時鐘微處理器RAMROMIO接口IO接口電源外部世界外部世界總線總線l 總線是連接多個功能部件的一組公共信號線總線是連接多個功能部件的一組公共信號線 微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸l采用總線結構便于部件和設備的擴充。采用總線結構便于部件和設備的擴充。 CPU

3、片內總線片內總線MI/O片間總線片間總線I/O接口板接口板外部設備外部設備內總線內總線(板級總線板級總線)外總線外總線(通信總線通信總線)l依總線所處位置的不同，總線可以分為四類依總線所處位置的不同，總線可以分為四類：片內總線片內總線這種總線是微處理器的內總線，在微處理器內用來連接運算這種總線是微處理器的內總線，在微處理器內用來連接運算 器、控制器和寄存器組等邏輯功能單元。這種總線沒有具體器、控制器和寄存器組等邏輯功能單元。這種總線沒有具體 標準，由芯片生產廠家自己確定。標準，由芯片生產廠家自己確定。 片間總線片間總線微處理器、存儲器芯片、微處理器、存儲器芯片、I/OI/O接口芯片等之間的連接

4、總線。片接口芯片等之間的連接總線。片 間總線通常包括間總線通常包括數據總線、地址總線和控制總線數據總線、地址總線和控制總線。 內總線內總線 內總線內總線( (板級總線板級總線) )是微型計算機系統(tǒng)內連接各插件板的總線是微型計算機系統(tǒng)內連接各插件板的總線 ( (系統(tǒng)內總線系統(tǒng)內總線） 內總線有不同的總線標準，如內總線有不同的總線標準，如 S-100S-100總線總線 (IEEE-696(IEEE-696標標),STD),STD總線總線,IBM-PC,IBM-PC總線，總線，ISAISA總線、總線、PCIPCI總線標準總線標準 等，采用不同總線標準的功能板無法連接在一起。等，采用不同總線標準的功能

5、板無法連接在一起。 外總線外總線 也稱通信總線。用于微型計算機系統(tǒng)之間或者微型計算機與也稱通信總線。用于微型計算機系統(tǒng)之間或者微型計算機與 外部設備之間的通信。外總線技術已經很成熟，各種應用要求外部設備之間的通信。外總線技術已經很成熟，各種應用要求 皆有標準可遵循。如并行總線皆有標準可遵循。如并行總線IEEE-488IEEE-488標準，串行總線標準，串行總線RS-232RS-232 標準等。標準等。 IEEE1394，USB（通用串行總線）。（通用串行總線）。 l 按信號的作用，總線分為三類：按信號的作用，總線分為三類：地址總線、數據總線、控地址總線、數據總線、控制總線制總線 地址總線地址總

6、線 AB ( Address Bus) ：單向單向用來傳送用來傳送CPU輸出的地址信號，確定要訪問的存儲單元、輸出的地址信號，確定要訪問的存儲單元、I/O端口。端口。地址總線的根數地址總線的根數 決定決定CPU的直接尋址能力。的直接尋址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G數據總線數據總線 DB ( Data Bus )：雙向雙向 用來在用來在CPU與存儲器、與存儲器、I/O接口之間進行數據傳送。接口之間進行數據傳送。數據總線數據總線的根數決定一次可最多傳送數據的寬度。的根數決定一次可

7、最多傳送數據的寬度。8 根根 一次傳送一次傳送 8位位16 根根 一次傳送一次傳送 16位位 32 根根 一次傳送一次傳送 32位位 64 根根 一次傳送一次傳送 64位位控制總線控制總線CB ( Control Bus ) ： 用于傳送各種控制和狀態(tài)信號。用于傳送各種控制和狀態(tài)信號。 有的是有的是CPU發(fā)出，如讀控制信號、寫控制信號；發(fā)出，如讀控制信號、寫控制信號； 有的是發(fā)向有的是發(fā)向CPU，如外設向，如外設向CPU發(fā)出的中斷申請信號。發(fā)出的中斷申請信號。微型計算機系統(tǒng)微 型 計 算 機 系 統(tǒng)硬件軟件主機外部設備（輸入輸出設備）系統(tǒng)總線程序和程序設計語言操作系統(tǒng)應用軟件電源編譯和解釋程序

8、程序執(zhí)行過程程序執(zhí)行過程操作操作 ： 將兩個數將兩個數 7 和和 10 相加，其和存放在相加，其和存放在20H單元。單元。指令：指令： mov al, 7 add al, 10 mov 20h, al hlt機器指令：機器指令：1011 0000 B0h ( mov al, 7 ) 0000 0111 07h 0000 0100 04h ( add al, 10 ) 0000 1010 0Ah 1010 0010 A2h ( mov 20h, al ) 0010 0000 20h 1111 0100 F4h ( hlt )微型計算機的分類微型計算機的分類1) 按構成分類按構成分類2) 按按CP

9、U的字長分類的字長分類3) 按主機裝置分類按主機裝置分類CPU輸輸入入設設備備輸輸出出設設備備軟軟件件系系統(tǒng)統(tǒng)+硬件系統(tǒng)輸輸入入接接口口設設備備輸輸出出接接口口設設備備運 算 器控 制 器存 儲 器1) 按構成分類按構成分類單片機、單板機、多板機單片機、單板機、多板機 單片機單片機l特點：超小型、高可靠性、價廉特點：超小型、高可靠性、價廉l 應用：智能儀表、工業(yè)實時控制、家用電器等應用：智能儀表、工業(yè)實時控制、家用電器等l 產品：產品：Intel 的的8051、8096/8098系列系列 Motorola 的的6801、6805系列系列 Hitachi (日立日立) 的的 H8S、SH系列系列

10、 單板機單板機l將將CPU、內存、內存、I/O接口及其它輔接口及其它輔 助電路助電路 全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。全部裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。l 特點：結構簡單、價廉特點：結構簡單、價廉l 應用：過程控制、數據處理應用：過程控制、數據處理l 產品：產品：TP-801 以以Z80CPU為核心的單板機為核心的單板機 80年代各院校年代各院校“微機原理微機原理”的實驗機的實驗機 多板機多板機l 把把CPU、內存、內存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上，接口芯片裝在多塊電路板上， 各印刷板插在主機板的總線插槽上，各印刷板插在主機板的總線插槽上， 通過系統(tǒng)總線連接起來，構成多板機。通過

11、系統(tǒng)總線連接起來，構成多板機。l 特點：見前面微型計算機的特點特點：見前面微型計算機的特點l 產品：產品：IBM PC/XT、486機、機、Pentium機等機等 90年代以來各院校年代以來各院?！拔C原理微機原理”和計算機硬件的實驗機和計算機硬件的實驗機2) 按按CPU的字長分類的字長分類CPU的性能可以用兩個主要參數來描述：的性能可以用兩個主要參數來描述：速度：速度：用用CPU的工作頻率表示，單位的工作頻率表示，單位MHzCPU內部寄存器寬度：寄存器的位數內部寄存器寬度：寄存器的位數寬度：寬度： 外部數據總線寬度：數據線的根數外部數據總線寬度：數據線的根數地址總線寬度：地址線的根數地址總線

12、寬度：地址線的根數l 按按CPU 的字長，微機可分為：的字長，微機可分為： 4位機位機、8位機位機、16位機位機、32位機位機CPU內部的寄存器寬度可用內部的寄存器寬度可用字長字長描述描述以以Intel公司生產的公司生產的80 x86為例為例：推推出出年年代代CPU芯芯片片寄寄存存器器位位 數數數數據據線線寬寬 度度地地址址線線寬寬 度度最最大大主主頻頻MHz1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.221978.61979.61982.2808680888028616161616816202024108161985.101989.480386

13、8048632323232323233661993.31995.111997.51999.2PentiumPentium ProPentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010003) 按主機裝置分類按主機裝置分類桌上型：臺式電腦桌上型：臺式電腦便攜型：筆記本、掌上電腦等便攜型：筆記本、掌上電腦等1946年，世界上出現第一臺數字式電子計算機ENIAC（最初的計算機只是一種計算工具,電子數據和計算器）。隨著采用器件從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第四代，產生了微型計算機。1971年，Intel公

14、司設計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，開創(chuàng)了一個全新的計算機時代微型計算機的產生微型計算機的產生 第1代(19711973 年）：4位和低檔8位微機400440408008 第2代(19731977 年)：中高檔8位微機Z80、I8085、M6800，Apple-II微機 第3代(19781984 年)：16位微機 8086808880286，IBM PC系列機 第4代(19851992 年)：32位微機8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 4 32位PC機、Macintosh機、PS/2機 第5代(1993年) ：64位

15、微機Itanium、64位RISC微處理器芯片微機服務器、工程工作站、圖形工作站微處理器和微機的發(fā)展史微機的特點（潘） 形小，體輕，功耗低； 能獲得最佳的性能價格比； 結構簡單（積木式），性能可靠； 靈活性好，適應性強。微機的應用（馮） 科學計算（或稱數值計算） 特點：數據量不大，但計算量非常大； 信息加工和數據處理 特點：數據量龐大，而計算比較簡單； 過程控制； 計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）； 人工智能； 計算機模擬； 計算機輔助教育。1、科學計算領域2、自動控制領域 3、測量與測試 4、信息處理領域5、教育、衛(wèi)生領域6、家用電器7、人工

16、智能主機主機中央處理單元（CPU）內存儲器運算器控制器寄存器組只讀存儲器ROM或PROM、EPROM隨機存儲器RAM返回返回硬件系列課程計算機組成原理計算機組成原理側重討論計算機基本部件的構成和組成方式，基本運算的操作原理和單元的設計思想、操作方式及其實現方法和電路原理側重內部各單元的工作原理和實現方法（芯片內）微機原理及接口技術微機原理及接口技術突出應用，詳細講述微處理器芯片的指令系統(tǒng)及編程、CPU外部特性、微機主板，與通用外設的接口電路及應用編程技術側重各模塊外部的連接和應用技術（芯片外）計算機體系結構計算機體系結構重點論述計算機系統(tǒng)的各種基本結構、設計技術和性能定量分析方法側重整個系統(tǒng)的

17、設計技術（芯片組合）返回返回世界上第一臺計算機ENIACENIAC (1946) )埃尼阿克埃尼阿克 掌上電腦掌上電腦(2000)返回返回17468個電子管、個電子管、6萬萬個個電阻器、電阻器、1萬萬個電容器和個電容器和6千千個開關組成個開關組成 達達30噸噸占地占地160平方米平方米耗電耗電174千瓦千瓦耗資耗資45萬美元萬美元Intel4004和采用4004的計算器返回返回Apple微型計算機Apple-IApple-II返回返回IBM PC系列機8088CPUIBM PC機機IBM PC/AT機機IBM PC/XT機機返回返回英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium 4返

18、回返回寄存器寄存器 l 寄存器寄存器是用來存放數據和指令的一種基本邏輯部件是用來存放數據和指令的一種基本邏輯部件。l 根據存放信息的不同，根據存放信息的不同， 有有指令寄存器指令寄存器、數據寄存器數據寄存器、地址寄存器地址寄存器等。等。標標 志志寄存器寄存器地址總線地址總線 AB數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB指令寄存器指令寄存器數據寄存器數據寄存器控制電路控制電路指令譯碼器指令譯碼器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 針針寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器組寄存器組運運算算器器IPCPU結構結構示意圖示意圖返回返回計算機中常用術語 1. 位 ( bit ) 2. 字節(jié) ( Byt

19、e ) 3. 字和字長 (word) 4. 位編號1. 位位 ( bit)l 指計算機能表示的最基本最小的單位指計算機能表示的最基本最小的單位l 在計算機中采用二進制表示數據和指令，故：在計算機中采用二進制表示數據和指令，故：位就是一個二進制位，有兩種狀態(tài)，位就是一個二進制位，有兩種狀態(tài)，“0” 和和 “1”2. 字節(jié)字節(jié) ( Byte )l 相鄰的相鄰的8位二進制數稱為一個字節(jié)位二進制數稱為一個字節(jié) 1 Byte = 8 bit 如：如： 1100 0011 0101 0111 例例 某某CPU內含內含 8位運算器位運算器，則：，則：參加運算的數及結果均以參加運算的數及結果均以 8位位 表示

20、表示, ,最高位產生的進位或借位在最高位產生的進位或借位在8位運算器中不保存，位運算器中不保存，而將其保存到標志寄存器中而將其保存到標志寄存器中 1 0 1 1 0 1 0 1 被加數被加數8位位 + + 1 0 0 0 1 1 1 1 加數加數8位位進位進位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和和8位位PSW標志寄存器標志寄存器運運算算器器標志標志寄存器寄存器運運算算器器被加數被加數加數加數和和進位進位字長是衡量字長是衡量CPU工作性能的一個重要參數。工作性能的一個重要參數。 不同類型的不同類型的CPU有不同的字長。有不同的字長。 如如: Intel 4004 是是

21、 4 位位 8080 是是 8 位位 8088/ 8086/80286 是是 16 位位 80386/80486、Pentium 是是 32 位位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加數被加數 + + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加數加數進位進位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和和 4位位 8次次 8位位 4次次16位位 2次次32位位 1次次位位 1 或或 0 1位位字節(jié)字節(jié) 1100 0011 8位位字字

22、 1100 0011 0011 1100 16位位雙字雙字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位位高字節(jié)高字節(jié)低字節(jié)低字節(jié) 高高 字字 低低 字字把一個把一個字字定為定為16 位位， 1 Word = 2 Byte 一個一個雙字雙字定為定為32位位 1 DWord = 2 Word= 4 Byte4. 位編號位編號 為便于描述，對字節(jié)為便于描述，對字節(jié),字和雙字中的各位進行編號。字和雙字中的各位進行編號。 從低位開始，從右到左依次為從低位開始，從右到左依次為 0、1、2 編號編號7654321010100010D7 D6 D5 D4 D3 D2

23、 D1 D0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0字節(jié)字節(jié)數據數據Data地址地址AddressD0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字字的編號為的編號為15 0雙字雙字的編號依此類推，為的編號依此類推，為31 0一、數制及其轉換 了解：各種計數制的特點及表示方法； 掌握：各種計數制之間的相互轉換。（一）常用計數法二進制（二進制（Binary）八進制（八進制（Octal）十進制（十進制（Decimal）十六進制（十六進制（Hex）二進制：二進制：B八進制：八進制：O十進制：十進制：D或或省略省略十六進制：十六進制：H各種數值的表示：各種數值的表示

24、：1. 十進制特點：以十為底，逢十進一； 共有0-9十個數字符號。用D代表。表示： 111002211101010101010nmiiimmnnnnDDDDDDD2. 二進制特點：以2為底，逢2進位； 只有0和1兩個符號。用B表示。表示： 111002211n2222222)(nmiiimmnnnBBBBBBB3. 十六進制 特點：有0-9及A-F共16個數字符號， 逢16進位。用H表示。 表示： 1110022n1116161616161616)(nmiiimmnnnHHHHHHH例： 234.98D或（234.98）D 1101.11B或（1101.11）B ABCD . BFH或（ABC

25、D . BF） H（二）各種進制數間的轉換十進制二進制八進制十六進制按位展開求和整數：除基取余小數：乘基取整二進制與十六進制變換二進制與十六進制變換二、二進制數的運算算術運算邏輯運算無符號數無符號數有符號數有符號數（一）無符號數的運算 算術運算包括： 加法運算 減法運算 乘法運算 除法運算 算術運算二進制 加法規(guī)則 乘法規(guī)則 0+0=0 00=0 0+1=1 01=0 1+0=1 10=0 1+1=0 （進位1） 11=1十六進制 0 5 C 3 H 3 D 2 5 H + 3 D 2 5 H - 0 5 C 3 H 4 2 E 8 H 3 7 6 2 H注意點： 對加法：1+1=0（有進位）

26、 對減法：0-1=1（有借位） 對二進制數，乘以2相當于左移一位； 除以2則相當于右移1位。例： 000010110100=00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余數=11B無符號數的表示范圍： 0 X 2n-1若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。對無符號數：運算時，當最高位向更高位 有進位（或借位）時則產生 溢出。例： 最高位向前有進位，產生溢出3. 邏輯運算 與 或 非 異或 邏輯運算（按位bit操作）“非”運算（NOT） A A 0 1 1 0“與”運算（AND） A B AB 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1“異或”

27、運算（XOR） A B AB 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0“或”運算（OR） A B AB 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1例例：X=00FFH Y=5555H，求Z=XY X= 0000 0000 1111 1111 B Y= 0101 0101 0101 0101 B Z= 0101 0101 1010 1010 B Z=55AAH（二）有符號數計算機中的符號數可表示為： 符號位+真值 機器數 “0” 表示正， “1” 表示負。例： +52 = +0110100 B= 0 0110100B 符號位 真值 -52 = -0110100B = 1 0110100

28、B 符號位 真值符號數的表示： 原碼 反碼 補碼原碼： 最高位為符號位，用“0”表示正，用“1”表示負；其余為真值部分。 優(yōu)點： 真值和其原碼表示之間的對應關 系簡單，容易理解； 缺點： 計算機中用原碼進行加減運算比 較困難，0的表示不唯一。數0的原碼 8位數0的原碼：+0=0 0000000B -0=1 0000000B 即：數0的原碼不唯一。反碼對一個機器數X： 若X0 ，則 X反=X原 若X0， 則X補= X反= X原 若X0， 則X補= X反+1例： X= 52= 0110100B X原=10110100B X反=11001011B X補= X反+1=11001100B0的補碼： +0

29、補= +0原=00000000B -0補= -0反+1=11111111B+1 =1 00000000B 對8位字長，進位被舍掉特殊數10000000B 該數在原碼中定義為： -0 在反碼中定義為： -127 在補碼中定義為： -128 對無符號數，（10000000）B=128符號數的表示范圍：對8位二進制數： 原碼： -127 +127 反碼： -127 +127 補碼： -128 +127問題：問題：已經X原，求X補？已經X補， X原？已經X補， X補？結論：1.原碼、補碼、反碼的最高位都是符號位；2.正數的原碼、補碼、反碼都相同；3.原碼、補碼、反碼的表示范圍不同；符號數的算術運算 通

30、過引進補碼，可將減法運算轉換為加法運算。 即：X+Y補=X補+Y補 X-Y補=X+(-Y)補 =X補+-Y補例：X=-0110100B，Y=+1110100B，求X+Y=？ X原=10110100B X補= X反+1=11001100B Y補= Y原=01110100B 所以： X+Y補= X補+ Y補 =11001100B+01110100B =01000000B X+Y=+1000000B符號數運算中的溢出問題 兩個帶符號二進制數相加或相減時，若最高位的進位位次高位的進位位1，則結果產生溢出。例： 若：X=01111000B， Y=01101001B 則：X+Y=即：次高位向最高位有進位，

31、而最高位向前無進即：次高位向最高位有進位，而最高位向前無進 位，產生溢出。位，產生溢出。（事實上，兩正數相加得出負數，結果出錯）（事實上，兩正數相加得出負數，結果出錯）11100001 01101001 01111000 三、計算機中的編碼 BCD碼ASCII碼BCD碼碼 壓縮BCD碼 用4位二進制碼表示一位十進制數 擴展BCD碼（非壓縮BCD碼） 用8位二進制碼表示一位十進制數BCD碼與二進制數之間的轉換 先轉換為十進制數，再轉換二進制數；反之同樣。 例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） BBCD碼運算碼運算由于編碼是將每個十進制數用

32、一組由于編碼是將每個十進制數用一組4 4位二進制數來表示，因位二進制數來表示，因此，若將這種此，若將這種BCDBCD碼直接交計算機去運算，由于計算機總是碼直接交計算機去運算，由于計算機總是把數當作二進制數來運算，所以結果可能會出錯。把數當作二進制數來運算，所以結果可能會出錯。例：用例：用BCDBCD碼求碼求38+4938+49。0011 1000 380100 1001 49+1000 0001 87結果不正確結果不正確解決的辦法解決的辦法是對二進制加法運算的結果采用是對二進制加法運算的結果采用“加加6 6修正修正”, ,這這種修正稱為種修正稱為BCDBCD調整。即將二進制加法運算的結果修正為

33、調整。即將二進制加法運算的結果修正為BCDBCD碼加法運算的結果碼加法運算的結果, ,兩個兩位兩個兩位BCDBCD數相加時數相加時, ,對二進制加法運對二進制加法運算結果采用修正規(guī)則進行修正。算結果采用修正規(guī)則進行修正。修正規(guī)則修正規(guī)則： (1)(1)當任何兩個對應位當任何兩個對應位BCDBCD數相加的結果向高一位無進數相加的結果向高一位無進位時，若得到的結果小于或等于位時，若得到的結果小于或等于9,9,則該位不需修正；則該位不需修正；若得到的結果大于若得到的結果大于9 9且小于且小于1616時時, ,該位進行加該位進行加6 6修正。修正。(2)(2)當任何兩個對應位當任何兩個對應位BCDBCD數相加的結果向高一位有進數相加的結果向高一位有進位時位時( (即結果大于或等于即結果大于或等于16),16),該位進行加該位進行加6 6修正。修正。 (3)(3)低位修