微機(jī)原理第一章計(jì)算機(jī)基本知識(shí)

課程先修課程：電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，C語(yǔ)言后繼課程：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)，可編程控制器PLC48學(xué)時(shí)平時(shí)：20%，考試：80%，閉卷考試答疑：每周：周一下午5-6節(jié)，地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)樓230教研室QQ：925341256(925341256@)群：419940410（每天學(xué)點(diǎn)微機(jī)）第一章

計(jì)算機(jī)基本知識(shí)

緒論計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況微型計(jì)算機(jī)中信息的表示及運(yùn)算基礎(chǔ)幾個(gè)重要的數(shù)字邏輯電路微機(jī)基本結(jié)構(gòu)1·1緒論計(jì)算機(jī)之父--馮·諾依曼

研究的專業(yè)是：1、數(shù)學(xué) 2、物理3、化學(xué) 4、經(jīng)濟(jì)5、電子

1·1緒論

在經(jīng)濟(jì)學(xué)方面，馮·諾依曼有突破性成就，被譽(yù)為“博弈論之父”。在物理領(lǐng)域，馮·諾依曼在30年代撰寫的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》已經(jīng)被證明對(duì)原子物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的價(jià)值。在化學(xué)方面也有相當(dāng)?shù)脑煸?，曾獲蘇黎世高等技術(shù)學(xué)院化學(xué)系大學(xué)學(xué)位。他無(wú)愧是上世紀(jì)最偉大的全才之一。

1·1緒論

1946年2月15日世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世

1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。盡管它重達(dá)30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，用了18800多個(gè)電子管，每秒鐘僅能做5000次加法.

運(yùn)作了九年之久。吃電很兇，據(jù)傳ENIAC每次一開機(jī)，整個(gè)費(fèi)城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。另外，真空管的損耗率相當(dāng)高，幾乎每15分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時(shí)間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調(diào)侃道：“只要那部機(jī)器可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)五天，而沒有一只真空管燒掉，發(fā)明人就要額手稱慶了”。1·1緒論

這臺(tái)計(jì)算機(jī)有五個(gè)基本部件：輸入器、輸出器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器，奠定了當(dāng)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

工作特點(diǎn)是程序控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字編碼

——電子計(jì)算機(jī)工作的基礎(chǔ)幾個(gè)概念CPU幾個(gè)概念計(jì)算機(jī)主機(jī)幾個(gè)概念CPU=控制器＋運(yùn)算器計(jì)算機(jī)主機(jī)＝CPU＋存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)字長(zhǎng)：CPU并行處理二進(jìn)制的數(shù)據(jù)位數(shù)。8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)。1·2計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況

微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─便于各種計(jì)算機(jī)硬、軟件兼容和升級(jí)網(wǎng)絡(luò)化─網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路多機(jī)系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、 故障分散、資源共享)Flynn分類法1966年，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流的多倍性（multiplicity）特征對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類，定義如下·指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列·數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果·多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。Flynn根據(jù)不同的指令流-數(shù)據(jù)流組織方式把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為4類。1·單指令流單數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）SISD其實(shí)就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計(jì)算機(jī)，其指令部件每次只對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼，并只對(duì)一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。2·單指令流多數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）SIMD以并行處理機(jī)為代表，并行處理機(jī)包括多個(gè)重復(fù)的處理單元PU1～PUn，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同的數(shù)據(jù)。3·多指令流單數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）MISD的結(jié)構(gòu)，它具有n個(gè)處理單元，按n條不同指令的要求對(duì)同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個(gè)處理單元的輸出又作為另一個(gè)處理單元的輸入。4·多指令流多數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）MIMD的結(jié)構(gòu)，它是指能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級(jí)全面并行的多機(jī)系統(tǒng)，多處理機(jī)就屬于MIMD。復(fù)雜指令集（英文：ComplexInstructionSetComputing；縮寫：CISC）是一種微處理器指令集架構(gòu)，每個(gè)指令可執(zhí)行若干低階操作，諸如從內(nèi)存讀取、儲(chǔ)存、和計(jì)算操作，全部集于單一指令之中。與之相對(duì)的是精簡(jiǎn)指令集。復(fù)雜指令集的特點(diǎn)是指令數(shù)目多而復(fù)雜，每條指令字長(zhǎng)并不相等，并為此付出了性能的代價(jià)。在精簡(jiǎn)指令集處理器發(fā)跡以前，許多電腦架構(gòu)嘗試跨越“語(yǔ)義鴻溝”──設(shè)計(jì)出借由提供“高階”指令支援高階編程語(yǔ)言的指令集，諸如程序調(diào)用和返回，循環(huán)指令諸如“若非零則減量和分支”和復(fù)雜尋址模式以允許數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和陣列存取以結(jié)合至單一指令。與復(fù)雜指令集相比，精簡(jiǎn)指令集實(shí)現(xiàn)更容易，指令并行執(zhí)行程度更好，編譯器的效率更高。屬于復(fù)雜指令集的處理器有CDC6600、System/360、VAX、PDP-11、Motorola68000家族、x86等。精簡(jiǎn)指令集（英語(yǔ)：reducedinstructionsetcomputing，縮寫：RISC），是計(jì)算機(jī)中央處理器的一種設(shè)計(jì)模式。這種設(shè)計(jì)思路對(duì)指令數(shù)目和尋址方式都做了精簡(jiǎn)，使其實(shí)現(xiàn)更容易，指令并行執(zhí)進(jìn)程度更好，編譯器的效率更高。目前常見的精簡(jiǎn)指令集微處理器包括DECAlpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、PowerArchitecture（包括PowerPC、PowerXCell）和SPARC等。1·2計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況

一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況

第一代：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1947~1957）第二代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1958~1964）第三代：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1964～1972）第四代：超大規(guī)模集成電路（VLSI）計(jì)算機(jī)時(shí)代（1972年~）。第五代：智能計(jì)算機(jī)（1981年~）。二、微處理器及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況INTELCPU發(fā)展歷史Intel第一塊CPU4004,4位主理器,主頻108kHz,運(yùn)算速度0.06MIPs(MillionInstructionsPerSecond,每秒百萬(wàn)條指令),集成晶體管2,300個(gè),10微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存640bytes,生產(chǎn)曰期1971年11月.

8085,8位主理器,主頻5M,運(yùn)算速度0.37MIPs,集成晶體管6,500個(gè),3微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存64KB,生產(chǎn)曰期1976年

8086,16位主理器,主頻4.77/8/10MHZ,運(yùn)算速度0.75MIPs,集成晶體管29,000個(gè),3微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存1MB,生產(chǎn)曰期1978年6月.

80486DX,DX2,DX4,32位主理器,主頻25/33/50/66/75/100MHZ,總線頻率33/50/66MHZ,運(yùn)算速度20~60MIPs,集成晶體管1.2M個(gè),1微米制造工藝,168針PGA,最大尋址內(nèi)存4GB,緩存8/16/32/64KB,生產(chǎn)曰期1989年4月

Celeron一代,主頻266/300MHZ(266/300MHzw/oL2cache,Covington芯心(Klamathbased),300A/333/366/400/433/466/500/533MHzw/128kBL2cache,Mendocino核心(Deschutes-based),總線頻率66MHz,0.25微米制造工藝,生產(chǎn)曰期1998年4月)

Pentium4(478針),至今分為三種核心:Willamette核心(主頻1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工藝),Northwood核心(主頻1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工藝,二級(jí)緩存512K),Prescott核心(主頻2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工藝,1M二級(jí)緩存,13條全新指令集SSE3),生產(chǎn)曰期2001年7月.

多核CPU是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)。通過(guò)劃分任務(wù)，線程應(yīng)用能夠充分利用多個(gè)執(zhí)行內(nèi)核，并可在特定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多任務(wù)。2006年7月18日，英特爾雙核安騰2處理器發(fā)布，集成了17.2億個(gè)晶體管，同樣采用了90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。

●45nm究竟有多小?

2千多顆45nm晶體管加起來(lái)才相當(dāng)于人類一根毛發(fā)的寬度，連看不到的細(xì)菌，原來(lái)它的直徑也有2,000nm，因此，肉眼要看到45nm晶體管，必須需要非常先進(jìn)的顯微鏡工具才能達(dá)成。2015年初的CES展會(huì)上Intel已經(jīng)推出了Broadwell-U系列的14nm處理器，但這還只是一個(gè)開始，由于14nm初代處理器Broadwell的延期，2015年Intel要硬著頭皮上兩代14nm工藝的處理器——Broadwell和Skylake，二者使用不同的接口，需要不同的芯片組，支持的規(guī)格也不更大的緩存、更高的頻率、超級(jí)流水線、分支預(yù)測(cè)、亂序執(zhí)行超線程技術(shù)多核技術(shù)低功耗微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件微型計(jì)算機(jī)（主機(jī)）微處理器

(CPU)軟件外圍設(shè)備運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器

(內(nèi)存)RAMROM外部設(shè)備輔助設(shè)備

輸入設(shè)備(鍵盤、掃描儀、語(yǔ)音識(shí)別儀…)

輸出設(shè)備(顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、…)

輔助存儲(chǔ)器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)

總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應(yīng)用軟件(科學(xué)計(jì)算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言)電源電路時(shí)鐘電路單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)即單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，是將計(jì)算機(jī)主機(jī)(CPU、 內(nèi)存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機(jī)。單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機(jī)和仿真器。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。單片機(jī)為工業(yè)測(cè)控而設(shè)計(jì)，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(shì)(集成度高、可靠性高、性價(jià)比高)。主要應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)、智能儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。三、計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的發(fā)展概況

機(jī)器語(yǔ)言

機(jī)器語(yǔ)言就是0，1碼語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)唯一能理解并直接執(zhí)行的語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言

用一些助記符號(hào)代替用0，1碼描述的某種機(jī)器的指令系統(tǒng)，匯編語(yǔ)言就是在此基礎(chǔ)上完善起來(lái)的。高級(jí)語(yǔ)言

BASIC，PASCAL，C語(yǔ)言等等。用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序稱源程序，它們必須通過(guò)編譯或解釋，連接等步驟才能被計(jì)算機(jī)處理。面向?qū)ο笳Z(yǔ)言

C++，Java等編程語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。1.3 微型計(jì)算機(jī)中信息的表示及運(yùn)算基礎(chǔ)（一）十進(jìn)制ND有十個(gè)數(shù)碼：0～9，逢十進(jìn)一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權(quán)展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，10i為權(quán)。 一般表達(dá)式：ND=dn-1×10n-1+dn-2×10n-2+…+d0×100+d-1×10-1+…一、數(shù)的表示（二）二進(jìn)制NB兩個(gè)數(shù)碼：0、1,逢二進(jìn)一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1，2i為權(quán)。 一般表達(dá)式：

NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…（三）十六進(jìn)制NH十六個(gè)數(shù)碼0～9、A～F，逢十六進(jìn)一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F，16i為權(quán)。 一般表達(dá)式：

NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…二、不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（一）一個(gè)R進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法：

按權(quán)展開，先乘后加

舉例：

1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625D

0DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5D

（二）二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

24=16，四位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)。舉例：3AF.2H

=0011

1010

1111.0010

＝1110101111.001B 1111101.11B

=0111

1101.1100=7D.CH

（三）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù)整數(shù)、小數(shù)分別轉(zhuǎn)換

1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法“除基取余”：十進(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個(gè)余數(shù)，從低位排向高位。舉例：例：39轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)

39=100111B 2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5） 0

例：208轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)

208=D0H16208余01613余13=DH 02. 小數(shù)轉(zhuǎn)換法“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：

1.0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)0.625×2=1.2501(b-1)0.25×2=0.500(b-2)0.5×2=1.0 1(b-3)0.625=0.101B2.0.625轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)0.625×16=10.0 0.625=0.AH三、帶符號(hào)數(shù)的表示方法◆機(jī)器中，數(shù)的符號(hào)用“0”、“1”表示。

◆最高位作符號(hào)位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。機(jī)器數(shù)：機(jī)器中數(shù)的表示形式。真值：機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。舉例:一個(gè)8位機(jī)器數(shù)與它的真值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：真值： X1=+84=+1010100BX2=-84=

-1010100B

機(jī)器數(shù)：[X1]機(jī)=01010100[X2]機(jī)=11010100（一）機(jī)器數(shù)與真值最高位為符號(hào)位，0表示“+”，1表示“－”。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。

例8位原碼機(jī)器數(shù)：

真值：

x1=+1010100B

x2=-

1010100B

原碼：

[x1]原=01010100

[x2]原=11010100原碼表示簡(jiǎn)單直觀,但0的表示不唯一，加減運(yùn)算復(fù)雜。1、原碼(TrueForm)(二)原碼、反碼、補(bǔ)碼正數(shù)的反碼與原碼表示相同。 負(fù)數(shù)反碼符號(hào)位為1，數(shù)值位為原碼數(shù)值各位取反。

例8位反碼機(jī)器數(shù)：

x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100

x=-4：[x]原=10000100[x]反=111110112、反碼（One’sComplement）3、補(bǔ)碼（Two’sComplement）正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同。 負(fù)數(shù)補(bǔ)碼等于2n－abs（x）

例：求8位補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)：

x=+4 [x]原=[x]反=[x]補(bǔ)=

00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011 [x]補(bǔ)=100000000－00000100=11111100補(bǔ)碼＝反碼加1。補(bǔ)碼表示的優(yōu)點(diǎn)：

0的表示唯一，加減運(yùn)算方便。8位機(jī)器數(shù)表示的真值四、二進(jìn)制編碼例：求十進(jìn)制數(shù)876的BCD碼

876=100001110110BCD 876=36CH

=1101101100B1、BCD碼(BinaryCodedDecimal)二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)。 2、字符編碼

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼，用于計(jì)算 機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間傳遞信息。3、漢字編碼

“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換用漢字編碼”（GB2312-80標(biāo)準(zhǔn)），簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)碼。 用兩個(gè)七位二進(jìn)制數(shù)編碼表示一個(gè)漢字 例如“巧”字的代碼是39H、41H漢字內(nèi)碼例如“巧”字的代碼是0B9H、0C1H1·4運(yùn)算基礎(chǔ)

一、二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算加法規(guī)則：“逢2進(jìn)1”

減法規(guī)則：“借1當(dāng)2”

乘法規(guī)則：“逢0出0，全1出1”1010x1011101010100000000+10100001101110｝中間數(shù)部分和 1010 y=001011 1010 y=y+1010=10100010110100 y=y+10100=1111000010 101000 y=11110000011010000 y=y+1010000=1101110中間數(shù)部分和二、二—十進(jìn)制數(shù)的加、減運(yùn)算

BCD數(shù)的運(yùn)算規(guī)則循十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則“逢