微型計算機原理及接口技術(shù)第一章

微型計算機原理及接口技術(shù)高等教育出版社第1章微型計算機基礎(chǔ)知識

1.1微型計算機的發(fā)展概述

1.2微型機的運算基礎(chǔ)1.3微型計算機組成原理

1.4CPU內(nèi)部機構(gòu)及微型機的工作過程1.5微型計算機的主要技術(shù)指標(biāo)及典型配置微型計算機的發(fā)展概述1.1應(yīng)用面廣可靠性高結(jié)構(gòu)靈活價格低廉體積小重量輕特點計算機（Computer）又稱電腦，是20世紀(jì)最重要的科技成果。計算機是一種能夠自動地、高速地、精確地進(jìn)行信息處理的現(xiàn)代化電子設(shè)備，是一種幫助人類從事腦力勞動（包括記憶、計算、分析、判斷、設(shè)計、咨詢、診斷、決策、學(xué)習(xí)與創(chuàng)作等思維活動）的工具。1944年哈佛大學(xué)和IBM公司合作,在美國首次制造出了現(xiàn)代計算機的雛形——馬克Ⅰ。1942年美國物理學(xué)家毛希利（John·Mauchely）提出了一個名曰“高速電子管計算裝置”的現(xiàn)代計算機制造方案。該機于1946年正式交付使用，取名ENIAC——電子數(shù)字積分機和計算機。1.1.1微型計算機的硬件技術(shù)發(fā)展概況時段數(shù)據(jù)處理代表產(chǎn)品制造工藝集成度(管/片)時鐘頻率執(zhí)行時間第一代1971—4位低檔8位Intel4004Intel4040、8008PMOS20001MHz20us第二代1974—高檔8位Intel8080、8085Z80MC6800、6802NMOS84002~4MHz1~2us第三代1978—16位Intel8086、8088Z8000MC68000HMOS20000~600004~8MHz0.5us1980—高檔16位Intel80286MC6801010000010MHz0.2us第四代1985—32位Intel80386、80486Z80000MC68020150000~50000016~100MHz0.1us第五代1993—Pentium系列5000000以上150MHz以上1.1.2微型計算機的操作系統(tǒng)發(fā)展概況DOS1.0DOS7.0MS-Windows95WindowsxpUNIXXENIXOS/21.1.3微型計算機及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢兩個發(fā)展方向:1.面向低成本的家電,傳統(tǒng)工業(yè)改造及微機普及教育的多功能型,高可靠性的專用化單片微型計算機.2.面向復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,OA和DA科學(xué)計算,采用最新技術(shù)向高性能,多功能的方向發(fā)展32位、64位計算機。發(fā)展趨勢：1.多級流水線結(jié)構(gòu)；2.芯片上存儲管理技術(shù)3.虛擬存儲管理技術(shù)；4.并行處理的哈佛結(jié)構(gòu)5.RISC結(jié)構(gòu)；6.整片集成技術(shù)計算機中數(shù)的表示方法1.2一個R進(jìn)制數(shù)具有以下主要特點具有R個不同數(shù)字符號：0、1、·······、R-1逢R進(jìn)一S=an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m

=an-1×Rn-1+

an-2×Rn-2+…+a1×R1+a0×R0+…+a-mR-m上述R進(jìn)制數(shù)S可用多項式（稱為按權(quán)展開式）表示為：1.2.1進(jìn)位計數(shù)制

十進(jìn)制數(shù)具有十個不同的數(shù)字符號，即0-9逢十進(jìn)一特點一個十進(jìn)數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：（758.75）10=7×102+5×101+8×100+7×10-1+5×10-21.二進(jìn)制數(shù)一個二進(jìn)制數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：(10110.101)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(22.625)10具有兩個不同的數(shù)字符號，即0和1逢二進(jìn)一特點2.(1AF.4)16=1×162+10×161+15×160+4×16-1=(430.25)10一個十六進(jìn)制數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：具有十六個不同的數(shù)字符號，即0-9和A-F逢十六進(jìn)一特點3.十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制二進(jìn)制16進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制16進(jìn)制000000910019100011101010A200102111011B300113121100C401004131101D501015141110E601106151111F701117161000010810008171000111表1-1三種數(shù)制對照表【例1-1】十進(jìn)制數(shù)22.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)222112…余0（低位）52…余122…余112…余00…余1（高位）0.625×21.25…取整數(shù)1（高位）×20.5…取整數(shù)0×21.0…取整數(shù)0（低位）

（0.625）10=（0.101）2所以:（22）10=(10110)2結(jié)果:（22.625）10=(10110.101)2整數(shù)部分：小數(shù)部分：4.各種數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)430.25轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)430162616…余14→E（低位）116…余10→A…余1(高位)整數(shù)部分：0小數(shù)部分：0.25×164.0…取整數(shù)4結(jié)果：（430.25）10=（1AE.4）16【例1-2】注意①整數(shù)部分轉(zhuǎn)換，每次只求整數(shù)商，將余數(shù)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果的一位，重復(fù)對整數(shù)商除基數(shù)，一直除到商為0為止。②小數(shù)部分轉(zhuǎn)換，每次把乘積的整數(shù)取走作為轉(zhuǎn)換結(jié)果的一位，對剩下的小數(shù)繼續(xù)進(jìn)行乘法運算。對某些數(shù)可以乘到積的小數(shù)為0（如上述兩例），這種轉(zhuǎn)換結(jié)果是精確的；對某些數(shù)（如0.3）永遠(yuǎn)不能乘到積的小數(shù)為0，這時要根據(jù)精度要求，取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果位數(shù)即可，這種轉(zhuǎn)換結(jié)果是不精確的。：十六進(jìn)制數(shù)1AE4

0001101011100100即（1AE.4）16=（110101110.01）2若要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，只要以小數(shù)點為分界，分別向左和向右每四位二進(jìn)制位分為一組（若最高位或最低為不夠四位則補0），對應(yīng)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)即可。例如：二進(jìn)制數(shù)110101110.01000110101110.0100十六進(jìn)制數(shù)1AE.4即（110101110.01）2=（1AE.4）16例如二進(jìn)制數(shù)的運算【例1-3】10100+1101=100001【例1-4】100001-10100=110110100100001+1101-110101000011101【例1-5】1101×1011=10001111【例1-6】11100÷101=101┅┅111101101┅┅商×1011111001101101110110000000101+110111┅┅余數(shù)100011115.計算集中的編碼系統(tǒng)1.2.4BCD碼是十進(jìn)制數(shù)，有10個不同的數(shù)字符號，且是逢十進(jìn)位的；但它的每一位是用4位二進(jìn)制編碼來表示的，因此稱為二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。BCD碼比較直觀，例如十進(jìn)制數(shù)65用BCD碼書寫為01100101，BCD碼01001001.0111表示的十進(jìn)制數(shù)為49.7。1.二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)雖然BCD碼是用二進(jìn)制編碼方式表示的，但它與二進(jìn)制之間不能直接轉(zhuǎn)換，要用十進(jìn)制作為中間橋梁，即先將BCD碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)；反之亦然。表1-2BCD編碼表十進(jìn)制8421BCD碼十進(jìn)制8421BCD碼0000060110100017011120010810003001191001401001000010000501011100010001字母與字符的編碼

2.另外，在計算機中，漢字編碼采用國標(biāo)碼（GB18030-2000）,它采用單、雙、四字節(jié)混合編碼，每個字節(jié)的最高位為1，并以此來區(qū)分漢字和ASCⅡ碼。字母和字符也必須按照特定的規(guī)則，用二進(jìn)制編碼才能在機器中表示。編碼可以有各種方式，目前微機中最普遍采用的是ASCⅡ碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)。ASCⅡ碼采用7位二進(jìn)制編碼,故可表示27=128個字符,其中包括數(shù)碼(0-9)，以及英文字母等可打印的字符。原碼●正數(shù)的符號位用0表示,負(fù)數(shù)的符號位用1表示,數(shù)值位保持不變。這種方法稱為原碼。原碼的定義為:

若X≥+0

則[X]原=X

若X≤-0

則[X]原=2n-1–X

其中n為原碼的位數(shù)。1.2.2帶符號數(shù)的表示1.反碼⑴“0”有兩種表示方法：[+0]反=00000000，[-0]反=11111111⑵8位二進(jìn)制反碼真值范圍為-127～+127；16位反碼真值范圍為-32767～+32767。⑶當(dāng)一個帶符號數(shù)用反碼表示時，最高位為符號位。特點2.反碼的定義為：若X≥+0則[X]反=X若X≤-0則[X]反=2n+X-1其中n為反碼的位數(shù)。補碼●在鐘表上，指針正撥12小時或倒撥12小時，其時間值是相等的,即在鐘表上X+12=X-12(mod12)。模的概念補碼的引入●對于n位二進(jìn)制數(shù)，其計數(shù)范圍為0～（2n-1），在該計數(shù)器上加2n或減2n結(jié)果是不變的，我們稱2n為n位計數(shù)系統(tǒng)的模。對鐘表來說，它的模為12?！裨阽姳砩希绻F(xiàn)在時間是6點整，而鐘表卻指著8點整，快了2小時，校準(zhǔn)的方法是正撥10小時或倒撥2小時，結(jié)果都正確，即：8+10=6（mod12）順撥，8-2=6（mod12）倒撥。3.[+3]補=[+3]原=[+3]反=00000011[-3]補=[-3]反+1=11111100+1=11111101[+0]補=[+0]原=[+0]反=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=00000000補碼的求法●對n為二進(jìn)制數(shù)，模為2n，則[X]補=（2in+X），MOD2n,i為正整數(shù)。補碼的定義●若X≥+0則[X]補=X，若X≤-0則[X]補=2n+X，其中n為補碼的位數(shù)。如果X≥0,則[X]補=（2in+X）MOD2n=X,即正數(shù)的補碼為原正數(shù)不變。如果X≤0,則[X]補(2n+X)MOD2n=2n-1+X+1=[X]反+1，即負(fù)數(shù)的補碼等于負(fù)數(shù)的反碼加1，也就是等于負(fù)數(shù)原碼除符號位外求反加1。求法與應(yīng)用[+0]補=[-0]補==00000000，即0的補碼為0，且只有一種表示方法。注意補碼⑴[+0]補=[-0]補=00000000。⑵8位二進(jìn)制補碼真值范圍為-128～+127，16位補碼真值范圍為-32768～+32767。⑶一個用補碼表示的二進(jìn)制數(shù)，最高位為符號位，當(dāng)符號位為“0”即正數(shù)時，其余位即為此數(shù)的二進(jìn)制值；但當(dāng)符號位為“1”即負(fù)數(shù)時，其余位不是此數(shù)的二進(jìn)制值，其值為后面各位按位取反，在最低位加1。當(dāng)采用補碼表示時，可以把減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算，即[X±Y]補=[X]補+[±Y]補。8位帶符號的補碼特點補碼數(shù)的表示方法十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)原碼反碼補碼-128-127-126…-2-1-0+0+1+2…+126+127-10000000-1111111-1111110……-0000010-0000001-0000000+0000000+0000001+0000010……+1111110+1111111----1111111111111110……100000101000000110000000000000000000000100000010……0111111001111111----1000000010000001……111111011111111011111111000000000000000100000010……0111111001111111100000001000000110000010……111111101111111100000000000000000000000100000010……0111111001111111表1-3定點表示法●約定小數(shù)點在符號位之后、數(shù)值部分最高位之前，因此數(shù)據(jù)是純小數(shù)，故又稱定點小數(shù)，其格式為：符號位數(shù)值部分（尾數(shù)）小數(shù)點位置定點小數(shù)法比例因子的選擇：例如有兩個數(shù)為010.01和001.100，若進(jìn)行兩數(shù)相加時：010.01+001.100=（0.1001+0.0110）×22，該比例因子選為22，而且兩數(shù)相加結(jié)果仍小于1。1.2.3數(shù)的定點和浮點一定點小數(shù)法●約定小數(shù)點的位置固定在數(shù)值部分的最低位之后，也就是把數(shù)表示為純整數(shù)，其格式如下：符號位數(shù)值部分（尾數(shù)）小數(shù)點位置定點整數(shù)表示法也有比例因子的選擇問題，例如上例兩個數(shù)化為定點整數(shù)運算則為（010.01+001.100）=（01001+00110）×2-2

，該比例因子選為2-2。二定點整數(shù)法定點表示法PfP1P2…PmSfS1S2…Sn

階符階碼數(shù)符尾數(shù)浮點數(shù)包括兩部分：即階碼P和尾數(shù)S，它們都有各自的符號位。階碼的符號位又稱階符，用Pf表示，階碼有P1、P2…Pm位；尾數(shù)的符號位又稱數(shù)符，用Sf表示，尾數(shù)有S1、S2…Sn位。●在浮點表示法中，小數(shù)點的位置是不固定的或者說是可浮動的。一般來說，任何一個二進(jìn)制數(shù)的浮點表示格式為：浮點表示法由此得出：任何一個二進(jìn)制數(shù)，它的浮點數(shù)可表示為：N=2P×S。例如：二進(jìn)制數(shù)N=2+11×0.1011，在浮點機中的表示格式為：0001101011階符階碼數(shù)符尾數(shù)規(guī)定：當(dāng)尾數(shù)滿足0.5≤︱S︱＜1時,即為規(guī)格化數(shù)。從而看出，所謂規(guī)格化數(shù)，即尾數(shù)的最高有效位是有效數(shù)字1，而不是0。對定點小數(shù)來說，用選擇恰當(dāng)?shù)谋壤蜃訉崿F(xiàn)規(guī)格化；對浮點表示法,需要調(diào)整階碼的數(shù)值實現(xiàn)規(guī)格化。

例如：N=2+11×0.0101，這是非規(guī)格化浮點數(shù)。改寫成：N=2+10×0.1010，這是規(guī)格化浮點數(shù)。浮點表示法定點表示法與浮點表示法的比較由于浮點數(shù)的小數(shù)點的位置是隱含于階碼之中，階碼不同的兩個尾數(shù)不能直接加減，需先把兩個數(shù)的階碼調(diào)整到一致，這稱為“對階”，然后兩個尾數(shù)才能相加減。數(shù)值表示范圍假定某機器字長32位，數(shù)符占1位，尾數(shù)占31位，則：定點小數(shù)表示范圍：2-31≤︱S︱≤1-2-31定點整數(shù)表示范圍：1≤︱S︱≤231-1浮點數(shù)的運算比定點數(shù)的運算復(fù)雜1.3微型計算機組成原理存儲器運算器控制器寄存器陣列輸入接口輸入設(shè)備輸