ch01微型計算機系統(tǒng)概述

微機系統(tǒng)與接口技術主講:韓曉茹辦公室：計算機524Tel: E_mail:微機系統(tǒng)與接口技術課程性質：專業(yè)技術必修課程課程的特點：偏重硬件，軟硬件結合先修課程：數(shù)字邏輯、組成原理、匯編語言等后續(xù)課程：系統(tǒng)結構、單片機應用、嵌入式系統(tǒng)等畢業(yè)要求指標點指標點2.4：具備將計算機專業(yè)知識用于計算機領域復雜工程問題進行求解的能力。指標點3.3：能夠對計算機領域復雜工程問題進行分析和求解，獲得有效結論。指標點4.1：能夠遵循計算機系統(tǒng)開發(fā)和工程化的基本要求，針對復雜工程問題，給出解決方案，并具有創(chuàng)新意識。指標點6.5：能夠根據(jù)實驗目的確定需要的數(shù)據(jù)，并能夠選擇合適的手段進行收集。本課程主要學習內容第1章微型計算機系統(tǒng)概述 2第12章IA32微型計算機系統(tǒng)（難點）

6第4章16位微處理器的外部特性 2第5章存儲器及存儲體系（重點） 4第6章微型計算機輸入和輸出技術(重點) 6第7章微型計算機的中斷系統(tǒng)（難點） 6第8章可編程接口芯片(重點) 16第10章模數(shù)和數(shù)模轉換技術（重點） 6第9章DMA控制接口 2目的要求目的： 了解當今微型計算機技術的特點，弄懂其內部結構的特點及工作原理，掌握其接口技術，并能運用到實際當中。要求：（1）課堂：細聽與理解+適當筆記（2）課后：回顧+完成作業(yè)（3）實驗與課設：認真準備+獨立完成最后：總成績＝考試成績＋實驗成績＋平時成績主要參考教材1.楊文顯主編.現(xiàn)代微型計算機原理與接口技術教程[M].北京：清華大學出版社,2006年7月2.錢曉捷主編.16/32位微機原理、匯編語言及接口技術教程[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012年3月3.馬維華主編.微機原理與接口技術.（第二版）[M].北京：科學出版社,2009年2月第1章微型計算機系統(tǒng)概述微型計算機發(fā)展及應用微型計算機的組成計算機中的數(shù)與編碼計算機中的常用邏輯部件1.1微型計算機發(fā)展及應用第一臺數(shù)字式電子計算機誕生于1946年2月，簡稱ENIAC（電子數(shù)據(jù)和計算器）。馮·諾依曼型計算機結構及特點特點：（1）計算機內部采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令。（2）工作原理的核心為：“存儲程序”和“程序控制”

20世紀40～50年代后期電子管5000-1萬次ENIAC電子數(shù)字積分計算機晶體管10幾萬次中小規(guī)模IC10幾萬~數(shù)百萬次20世紀50～60年代中期20世紀60中～70年代初期20世紀70年代初、中期大、超大規(guī)模IC

數(shù)千萬~百億次計算機發(fā)展過程年代此時，半導體存儲器迅速取代磁芯存儲器，并大容量、高速度。此后，存儲器芯片集成度大體上每三年翻兩番。

1971年Intel4004，

1999年750萬個管PentiumⅡ。

計算機發(fā)展以器件更新劃代計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型機發(fā)展過程時間五代90年代4004

（8008--8位）第一臺個人電腦8080（Z80,MC6800）8位4位32-64位16位32位1973-741971-7219788086M6809和Z800082年80286及80318038680486（M68020）1993

Pentium準64位1995年11月PentiumPro。1997年1月PentiumMMXPⅢ之后為64位19851993Pentium微型計算機的應用

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：科學計算和信息處理計算機輔助設計、輔助制造、輔助教育及計算機輔助測試多媒體應用及網(wǎng)絡應用過程控制嵌入式應用方向兩個方向發(fā)展：高性能、多功能的方向價格低廉、功能專一的方向1.2微型計算機系統(tǒng)的組成

硬件系統(tǒng)中央處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPU大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成控制器運算器（整數(shù)運算器）寄存器（高速存儲單元）高性能微處理器內部還有浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元存儲管理單元、代碼保護機制Cache……內存儲器

存儲器（Memory）是臨時或永久保存程序和數(shù)據(jù)的部件，分為內存儲器和外存儲器高性能微機的存儲系統(tǒng)微處理器內部的寄存器（Register）高速緩沖存儲器（Cache）主板上的主存儲器以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器（主存、內存）半導體存儲器芯片組成RAM部分斷電后信息丟失相對造價高、速度快、但容量小輔助存儲器（簡稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和ROMRAM和ROM隨機存取存儲器（RAM）又稱讀寫存儲器：隨機存?。嚎梢愿鶕?jù)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?？勺x可寫：隨機存儲器中的信息可以讀出，也可以寫入。易失性：斷電后儲存的信息自動消失，是易失性存儲器。用途：用于存放當前正在使用的程序和數(shù)據(jù)。只讀存儲器(ROM)：只讀：信息在一般情況下只能讀出，不能寫入和修改非易失性：斷電后原信息不會丟失，是非易失性存儲器，用途：用來存放固定的程序和數(shù)據(jù)表格。I/O接口及I/O設備I/O設備（Peripheral）：用戶與微機交互輸入（Input）設備，如標準輸入設備：鍵盤輸出（Output）設備，如標準輸出設備：顯示器I/O接口（Interface）：外設和主機間的橋梁完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作較簡單的I/O接口電路與主板一體較復雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡Card）系統(tǒng)總線總線（Bus）：傳遞信息的一組公用導線、信息通道系統(tǒng)總線（SystemBus）：微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線：單向輸出主存單元或I/O端口的地址信息數(shù)據(jù)總線：讀（Read）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器；寫（Write）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設）控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯(lián)絡信號輸入微機系統(tǒng)采用總線結構，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便總線信號地址總線AB輸出將要訪問的內存單元或I/O端口的地址地址線的多少決定了系統(tǒng)直接尋址存儲器的范圍數(shù)據(jù)總線DBCPU讀操作時，外部數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPUCPU寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往外部數(shù)據(jù)線的多少決定了一次能夠傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)控制總線CB協(xié)調系統(tǒng)中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等控制總線決定了系統(tǒng)總線的特點,例如功能、適應性等舉例舉例Intel80x86CPU的地址線條數(shù)

Intel80x86 地址條數(shù) 存儲容量8086 20 1MB8088 20 1MB80286 24 16MB80386~Pentium 32 4GBPentiumⅡ~Core2 3664GB返回Intel80x86CPU的數(shù)據(jù)線位數(shù)

Intel80x86 數(shù)據(jù)位數(shù)8086 168088 880286 1680386~80486 32Pentium~至今 64返回返回微型計算機軟件系統(tǒng)

軟件是包含計算機工作時所需要的各種程序、數(shù)據(jù)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中介。系統(tǒng)軟件應用軟件微機系統(tǒng)區(qū)分三個概念運算器

控制器寄存器組

內存儲器總線輸入輸出輸出接口電路外部設備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)明確3個概念的區(qū)別

微處理器（Microprocessor）一個大規(guī)模集成電路芯片內含控制器、運算器和寄存器等微機中的核心芯片微型計算機（puter）通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)，包含馮諾依曼體系結構中的五個部件還有一般的說法：微機、微型機微型計算機系統(tǒng)（putersystem）指由硬件、軟件以及外部設備共同組成的完整的可供用戶直接使用的計算和控制設備微機系統(tǒng)主要性能指標

字長：CPU一次能處理的二進制位數(shù)，通常字長是字節(jié)的整數(shù)倍。目前微機的字長主要有32位和64位。主頻：即CPU內核工作的時鐘頻率（CPUClockSpeed）。運算速度：運算速度是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)主存容量和存取速度：主存儲器容量指內部存儲器能存放數(shù)據(jù)的最大字節(jié)數(shù)；存取速度指主存完成一次讀/寫所需要的時間。1.3計算機中的數(shù)與編碼進位計數(shù)制表1?2常用進制介紹進制基數(shù)數(shù)字符號特點舉例十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9“逢十進一，借一當(123.4)10二進制20、1“逢二進一，借一當二”(1011.1)2八進制80、1、2、3、4、5、6、7“逢八進一，借一當八”(35.7)8十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F“逢十六進一，借一當十六”(28A.C)16不同數(shù)制之間的轉換(1)

十進制整數(shù)轉換為K進制數(shù)除K取余數(shù)，結果倒序排列。不同數(shù)制之間的轉換(2)十進制小數(shù)轉換為K進制小數(shù)乘K取整，結果正序排列。不同數(shù)制之間的轉換(3)K進制數(shù)轉換為十進制數(shù)將K進制數(shù)按權展開(1010011.01010011)2=1·26+1·24+1·21+1·20+1·2-2+1·2-4+1·2-7+1·2-8 =64+16+2+1+0.25+0.0625+0.0078125+0.00390625=83.32421875(1010011.01010011)2=1·26+1·24+1·21+1·20+1·2-2+1·2-4+1·2-7+1·2-8 =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

表1?3計算機中常用進制間的對應關系十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010計算機中數(shù)的表示

無符號數(shù)的表示正數(shù)和零的集合

用N位二進制表示一個無符號數(shù)時，最小的數(shù)是0，最大的數(shù)是2N-1（N位二進制111……111）。有符號數(shù)

原碼最高位作為符號位，對正數(shù)，該位取0，對負數(shù)，該位取1。而數(shù)值部分保持數(shù)的原有形式（有時需要在高位部分添幾個0）。補碼對正數(shù)，補碼同原碼；負數(shù)的補碼等于其原碼除符號位外按位“求反”(1變0，0變1)，末位再加1。反碼

對正數(shù)，其反碼與原碼相同，也與補碼相同。對負數(shù)，其反碼等于原碼除符號位外，按位求反(末位不加1)。一般把求反碼作為求補碼的中間過程，即[x]補=[x]反+1。

表1?48位機器數(shù)的原碼、反碼和補碼表示真值（十進制）二進制真值原碼反碼補碼＋127＋11111101111110111111101111111＋1＋0000001000000010000000100000001＋0＋0000000000000000000000000000000－0－0000000100000001111111100000000－1－0000001100000011111111011111111－2－0000010100000101111110111111110－127－1111111111111111000000010000001－128－10000000無法表示無法表示10000000無符號數(shù)的運算規(guī)則運算運算規(guī)則加法運算0＋0＝0；0＋1＝1；1＋0＝1；1＋1＝0（有進位）減法規(guī)則0－0＝0；1－1＝0；1－0＝1；0－1＝1（有借位）邏輯與（AND）運算0∧0＝0；0∧1＝0；1∧0＝0；1∧1＝1邏輯或（OR）運算0∨0＝0；0∨1＝1；1∨0＝1；1∨1＝1邏輯異或（XOR）運算0⊕0＝0；0⊕1＝1；1⊕0＝1；1⊕1＝0邏輯非（NOT）運算0(－)＝1；1(－)＝0有符號數(shù)的加減運算

補碼的運算規(guī)則如下：a．[X+Y]補=[X]補+[Y]補，即兩數(shù)之和的補碼等于各自補碼的和。

b．[X-Y]補=[X]補+[-Y]補，即兩數(shù)之差的補碼等于被減數(shù)的補碼與減數(shù)相反數(shù)的補碼之和。

c．[[X]補]補=[X]原，即按求補碼的方法，對[x]補再求補碼一次，結果等于[x]原。

d．[[X]補]求補=[-X]補，求補運算是指包含符號位取反加1的操作。

【例1?7】設X＝+100，Y=+83，求[X-Y]補。解：先求[X]補和[-Y]補。[X]補＝[＋100]補＝[＋1100100B]補＝01100100B。[-Y]補＝[[Y]補]求補＝[[01010011B]補]求補＝[01010011B]求補＝10101101B。 [X]補 01100100B+[-Y]補

＋10101101B[X-Y]

補

100010001B＝11H＝16＋1＝17

進位自然丟失【例1?8】設X＝+100，Y=+83，求[Y-X]補。解：先求[-X]補和[Y]補。 [-X]補＝[[X]補]求補＝[[100]補]求補＝[01100100B]求補＝10011100B。 [Y]補＝[83]補＝[＋1010011B]補＝01010011B。 [Y]補 01010011B +[-X]補

＋10011100B[Y-X]

補11101111B＝－0010001B

＝－（16＋1）＝－17計算機中的編碼——ASCII碼

ASCII碼即美國標準信息交換代碼(AmericanStandardCordforInformationInterchange)，它用7位二進制編碼表示128個字符和符號。每個字符用8位（即一個字節(jié)）表示，其中最高位為“0”，當需要進行奇偶校驗時，最高位用做校驗位。ASCII編碼的前32個（編碼00H~1FH）用來表示“控制字符”，例如:CR（“回車”，編碼0DH），LF（“換行”，編碼0AH）。ASCII編碼30H~39H用來表示數(shù)字字符“0”~“9”。它們的高3位為011，低4位就是這個數(shù)字字符對應的二進制表示。ASCII編碼41H~5AH用來表示大寫字母“A”~“Z”