微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)課件

微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)第一章微型計算機(jī)概論1．第一臺電子計算機(jī)

1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分計算機(jī)）。重量30噸，占地170平方米，每小時耗電150千瓦，價值約40萬美元。采用18000只電子管，70000個電阻，10000支電容，研制時間近三年，運(yùn)算速度為每秒5000次加減法運(yùn)算。

ENIAC的不足：運(yùn)算速度慢、存儲容量小、全部指令沒有存放在存儲器中、機(jī)器操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差。1.1微型計算機(jī)概述1.1.1計算機(jī)的發(fā)展2．馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)

1946年6月，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（JoheVonNeumman）提出了“存儲程序”的計算機(jī)設(shè)計方案。其特點是：采用二進(jìn)制數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和計算機(jī)指令。指令和數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)內(nèi)部存儲器中，能自動依次執(zhí)行指令。由控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部分組成計算機(jī)硬件。

工作原理的核心是“存儲程序”和“程序控制”。按照這一原理設(shè)計的計算機(jī)稱為馮·諾依曼型計算機(jī)。馮·諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)，被譽(yù)為計算機(jī)發(fā)展史上的里程碑。馮·諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)算器存儲器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備原始數(shù)據(jù)和指令計算結(jié)果計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖馮·諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和程序以二進(jìn)制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進(jìn)制。由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成?？刂破魇歉鶕?jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據(jù)指令，選擇不同的動作流程。微處理器包括運(yùn)算器和控制器。以其為核心，通過地址(AB)、數(shù)據(jù)(DB)、控制(CB)三總線連接存儲器、輸入/輸出接口，進(jìn)而輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。1.1.2微型計算機(jī)的分類及主要性能指標(biāo)1.微型計算機(jī)的分類

(1)按照CPU的字長來分類有4位、8位、16位、32位、64位微型計算機(jī)等。(2)按照微處理器器件的工藝來分類可分成MOS工藝、雙極型TTL工藝的微處理器。(3)按照微型計算機(jī)的利用形態(tài)來分類有單片機(jī)、單板機(jī)、位片機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)等。(4)按計算機(jī)的用途分類個人計算機(jī)：面向個人或家庭使用的低檔微型計算機(jī)。工作站：介于PC機(jī)和小型機(jī)之間的高檔微型機(jī)。小型計算機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易維護(hù)和使用。其規(guī)模和設(shè)置可以滿足一個中小型部門的工作需要。主機(jī)：具有大容量存儲器，多種類型的I/O通道，能同時支持批處理和分時處理等多種工作方式。其規(guī)模和配置可以滿足一個大中型部門的工作需要。小巨型計算機(jī)：也稱為桌上型超級計算機(jī)。最大的特點是價格便宜，并且具有較好的性能價格比。巨型計算機(jī)：也稱為超級計算機(jī)。具有極高的性能和極大的規(guī)模，價格昂貴，多用于尖端科技領(lǐng)域。2.微型計算機(jī)的性能指標(biāo)介紹

位：這是計算機(jī)中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。字長：是計算機(jī)在交換、加工和存放信息時的最基本的長度。字節(jié)（Byte）：是計算機(jī)中通用的基本單元，由8個二進(jìn)制位組成。字：是計算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。主頻：也稱時鐘頻率，是指計算機(jī)中時鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。訪存空間：是該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪問的存儲單元數(shù)。指令數(shù)：構(gòu)成微型計算機(jī)的操作命令數(shù)?；局噶顖?zhí)行時間：計算機(jī)執(zhí)行程序所花的時間?？煽啃裕褐赣嬎銠C(jī)在規(guī)定時間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計算機(jī)硬件設(shè)備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價格比：是衡量計算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。微機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)字長計算機(jī)內(nèi)部一次可處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長越長，則表示的數(shù)據(jù)精度越高，完成相同精度的數(shù)據(jù)運(yùn)算速度越快。運(yùn)算速度常用平均運(yùn)算速度MIPS(MillionsofInstructionPerSecond)和CPU的主頻表示。主頻：微處理器運(yùn)行的時鐘頻率。外頻：微處理器外部總線的頻率。早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從80486DX2開始，主頻=外部總線頻率

倍頻系數(shù)。微機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)存儲器容量：內(nèi)存和外存，通常以字節(jié)為單位。內(nèi)存：微處理器的尋址空間和實際配置的存儲器容量(內(nèi)存條容量)。外存：硬盤容量。1K=210=1024；1M=220=1024K；1G=230=1024M；1T=240=1024G外設(shè)擴(kuò)展能力計算機(jī)系統(tǒng)配接各種外部設(shè)備的可能性、靈活性和適應(yīng)性。1.1.3微型計算機(jī)的發(fā)展1．按邏輯部件化分的計算機(jī)發(fā)展階段按電子部件的演變經(jīng)歷了四代：（1）第一代（1946年-1958年）：電子管計算機(jī)特點：體積大、耗電多、運(yùn)算速度慢，存儲容量小。（2）第二代（1959年-1964年）：晶體管計算機(jī)

特點：體積減小，重量輕、省電、壽命長、可靠性提高，運(yùn)算速度可達(dá)每秒百萬次。（3）第三代（1965年-1970年）：中小規(guī)模集成電路計算機(jī)特點：存儲容量1-4兆字節(jié)。運(yùn)算速度每秒幾百萬至千萬次，可靠性有較大提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步降低，出現(xiàn)了向大型化和小型化發(fā)展的趨勢。（4）第四代（1971年-）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機(jī)大規(guī)模集成電路使計算機(jī)發(fā)生了巨大的變化，半導(dǎo)體存儲器的集成度越來越高。Intel公司推出了微處理器，誕生了微型計算機(jī)，使計算機(jī)的存儲容量、運(yùn)算速度、可靠性、性能價格比等方面都比上一代計算機(jī)有較大突破。（1）超、大、中、小型計算機(jī)階段（1946年-1980年）采用計算機(jī)來代替人的腦力勞動，提高了工作效率，能夠解決較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理。（2）微型計算機(jī)階段（1981年-1990年）微型計算機(jī)大量普及，幾乎應(yīng)用于所有領(lǐng)域，對世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的推動作用。（3）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段（1991年至今）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為人類實現(xiàn)資源共享提供了有力的幫助，從而促進(jìn)了信息化社會的到來，實現(xiàn)了遍及全球的信息資源共享。2．按計算機(jī)應(yīng)用劃分的計算機(jī)發(fā)展階段3.按微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展按照計算機(jī)CPU、字長和功能劃分，經(jīng)歷了5代的演變:第一代（1971年～1973年）：4位和8位低檔微處理器；第二代（1974年～1978年）：8位中高檔微處理器；第三代（1978年～1980年）：16位微處理器；第四代（1981年～1992年）：32位微處理器；第五代（1993年以后）：全新高性能奔騰系列微處理器。

將傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器（Microprocessor）。微型計算機(jī)是以微處理器為核心，再配上存儲器、接口電路等芯片構(gòu)成的。微處理器的發(fā)展一階段1971年Intel40044位2300108KHz每秒6萬次1972年Intel80088位3500基本指令周期為20～50μs第二階段1974年Intel80808位60002MHzMC68008位68001976年Z808位100002.5MHz三階段1978年Intel808616位290005MHz／基本指令周期0.5μs1982年Intel8028616位13.4萬基本指令周期0.2μs四階段1985年10月8038632位27.5萬16-33MHz／3-4MIPS1989年4月8048632位120萬33-120MHz/41-54MIPS五階段1993.3.22Pentium32位310萬75-133MHz0.6μm1995.11.8Pentiumpro32位550萬200MHz/400MIPS第六階段1997年P(guān)entiumⅡ32位700萬266MHz/400MIPS1999.2.26PentiumⅢ32位2800萬450MHz1999.2.24AMD-K6-Ⅲ32位2130萬450MHz0.25μm七階段2000.11.24Pentium432位4200萬1.4GHz0.18μmCPU性能每18個月增加一倍

晶體管數(shù)目每兩年增加一倍后面是什么???Itanium733/800MHzIA-64架構(gòu)McKinleyIA-64架構(gòu)MadisonIA-64架構(gòu)DeerfieldIA-64架構(gòu)PentiumⅡPentiumMMXPentiumPro80486DX280386DX802868086摩爾定律

晶體管數(shù)目每兩年增加一倍摩爾定律CPU性能每18個月增加一倍朝著微型計算機(jī)和巨型計算機(jī)兩級方向發(fā)展。當(dāng)前開發(fā)和研究的熱點是多媒體計算機(jī)。未來計算機(jī)發(fā)展的總趨勢是智能化計算機(jī)。今后計算機(jī)應(yīng)用的主流是計算機(jī)與通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。非馮·諾依曼型體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)是提高現(xiàn)代計算機(jī)性能的另一個研究焦點。

4．未來計算機(jī)的發(fā)展趨勢神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)：建立在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，從內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)來模擬人腦的神經(jīng)系統(tǒng)。用簡單的數(shù)據(jù)處理單元模擬人腦的神經(jīng)元，并利用神經(jīng)元節(jié)點的分布式存儲和相互關(guān)聯(lián)來模擬人腦的活動。生物計算機(jī)：使用由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白分子為材料的“生物芯片”，不僅具有巨大的存儲能力，而且能以波的形式傳播信息。由于它具備生物體的某些機(jī)能，所以更易于模擬人腦的機(jī)制。光子計算機(jī)：用光子代替電子，用光互連代替導(dǎo)線互連，用光硬件代替電子硬件，用光運(yùn)算代替電子運(yùn)算。5．新型計算機(jī)1.2計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.2.1計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)各部分的主要功能：（1）輸入設(shè)備：用于輸入原始信息和處理信息的程序。如鍵盤、鼠標(biāo)器和掃描儀等。（2）輸出設(shè)備：用來輸出計算機(jī)的處理結(jié)果及程序清單。如顯示器和打印機(jī)。（3）存儲器：用來存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器交換信息，是計算機(jī)中各種信息存儲和交流的中心。（4）運(yùn)算器：用來對信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算。也稱為算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整個計算機(jī)的指揮中心，用來指揮計算機(jī)各部件的操作，使其協(xié)調(diào)一致地工作。

計算機(jī)中的兩類信息：一類是采用雙線表示的數(shù)據(jù)信息流，它包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、計算結(jié)果和程序中的指令；另一類是采用單線表示的控制信息流，它是控制器發(fā)出的各種操作命令。1.2.2計算機(jī)的工作原理

1．存儲程序原理把事先編制好的由計算機(jī)指令組成的程序存放到存儲器內(nèi)，計算機(jī)在運(yùn)算時依次取出指令，根據(jù)指令的功能進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，這就是存儲程序原理。2．程序的自動執(zhí)行程序在執(zhí)行前先裝入內(nèi)存儲器，CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，分析識別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。

程序的執(zhí)行流程：取指令—

分析指令—

執(zhí)行指令。

1.2.3微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成

微型計算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成：硬件微計算機(jī)外圍設(shè)備微處理器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設(shè)備過程I/O通道1.微型計算機(jī)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫機(jī)器語言匯編語言高級語言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序硬件系統(tǒng)是由電子部件和機(jī)電裝置所組成的計算機(jī)實體。

硬件的基本功能是接受計算機(jī)程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務(wù)。軟件系統(tǒng)是指為計算機(jī)運(yùn)行工作服務(wù)的全部技術(shù)資料和各種程序。

軟件系統(tǒng)基本功能保證計算機(jī)硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個寬松的工作環(huán)境。計算機(jī)的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作。微處理器CPU存儲器RAM接口電路時鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線1.2.4微型計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

微型計算機(jī)（MicroComputer）是計算機(jī)的微型化，簡稱微機(jī)，它由CPU、存儲器、輸入接口和輸出接口以及總線組成。該層次就是已安裝了CPU和內(nèi)存條的主板。微型計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示1．中央處理單元中央處理單元CPU（ControlProcessingUnit）是微型計算機(jī)的核心部件，是包含有運(yùn)算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件的一塊大規(guī)模集成電路芯片，俗稱微處理器。各組成模塊及其功能：

微處理器（Microprocessor）簡稱μP或MP，或MPU（MicroprocessingUnit）。MPU是采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)將算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）、控制部件CU（ControlUnit）和寄存器組R（Registers）三個基本部分以及內(nèi)部總線集成在一塊半導(dǎo)體芯片上構(gòu)成的電子器件。又稱為“中央處理單元”（CentralProcessorUnit），簡稱CPU。

微處理器是微型計算機(jī)的核心，它的性能決定了整個微型機(jī)的各項關(guān)鍵指標(biāo)。按讀寫方式可分為兩種，一種是隨機(jī)存取存儲器RAM（RandomAccessMemory），RAM又分為靜態(tài)存儲器SRAM和動態(tài)存儲器DRAM，在PC機(jī)中，前者用作高速緩存，后者用作內(nèi)存條，可隨時將信息寫入RAM，也可隨時從RAM中讀出信息。另一種是只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory），CPU只能從ROM中讀出預(yù)先寫入的信息。存儲器均按字節(jié)編址。2．存儲器(用于存放程序與數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體器件)數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）：用于CPU與主存儲器、CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。地址總線AB（AddressBus）：用于CPU訪問主存儲器和外部設(shè)備時，傳送相關(guān)的地址?？刂瓶偩€CB（ControlBus）：用于傳送CPU對主存儲器和外部設(shè)備的控制信號。3．系統(tǒng)總線

總線（BUS）包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三種。所謂總線，它將多個功能部件連接起來，并提供傳送信息的公共通道，能為多個功能部件分時共享，總線上能同時傳送二進(jìn)制信息的位數(shù)稱為總線的寬度。

CPU通過三種總線連接存儲器和I/O接口，構(gòu)成了微型計算機(jī)。

（1）地址總線AB（AddressBus）微處理器數(shù)據(jù)總線寬度地址總線寬度最大存儲器容量808616201MB80888201MB8018616201MB80286162416MB80386SX162416MB80386DX32324GB8048632324GBPentium64324GBPentiumPro643664GBPentiumⅡ643664GBPentiumⅢ643664GBPentiumⅣ643664GB（2）數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）

數(shù)據(jù)總線是CPU和存儲器、CPU和I/O接口之間傳送信息的數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)姆较驗殡p向傳輸。數(shù)據(jù)總線的寬度越寬，CPU傳輸數(shù)據(jù)信息的速度越快，8086CPU數(shù)據(jù)總線為16位，PentiumPro的數(shù)據(jù)總線64位，見表1-1，分別表示CPU一次可與存儲器或I/O接口傳送16位和64位二進(jìn)制信息。（3）控制總線CB（ControlBus）CPU的控制總線按照傳輸方向分為兩種，一種是由CPU發(fā)出的控制信號，用以對其他部件的讀控制、寫控制等，另一種則是其他部件發(fā)向CPU的，反過來實現(xiàn)對CPU的控制，在兩種方向的控制信號中前者多于后者。5．主機(jī)板主機(jī)板也稱為系統(tǒng)主板或簡稱主板。主機(jī)板上有CPU芯片、內(nèi)存槽、擴(kuò)展槽、各種跳線和一些輔助電路。6．外存儲器分為軟磁盤、硬磁盤、光盤存儲器。磁盤存儲器由磁盤、磁盤驅(qū)動器和驅(qū)動器接口電路組成，統(tǒng)稱為磁盤機(jī)。光盤存儲器是由光盤、光盤驅(qū)動器和接口電路組成。7．輸入/輸入設(shè)備計算機(jī)最常用的輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。計算機(jī)最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機(jī)。4．輸入輸出接口電路輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input/Output）電路，即通常所說的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計算機(jī)外部設(shè)備交換信息的橋梁。1.2.5微型計算機(jī)的軟件系統(tǒng)

計算機(jī)軟件是指支持計算機(jī)運(yùn)行的各種程序，以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序的各種技術(shù)資料的總稱。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，它們形成層次關(guān)系。處在內(nèi)層的軟件要向外層軟件提供服務(wù)，外層軟件必須在內(nèi)層軟件支持下才能運(yùn)行。系統(tǒng)軟件的主要功能是簡化計算機(jī)操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供服務(wù)。應(yīng)用軟件處于軟件系統(tǒng)的最外層，直接面向用戶，為用戶服務(wù)。應(yīng)用軟件是為了解決各類應(yīng)用問題而編寫的程序，包括用戶編寫的特定程序，以及商品化的應(yīng)用軟件和套裝軟件。計算機(jī)語言也稱為程序設(shè)計語言，是人機(jī)交流信息的一種特定語言。在編寫程序時用指定的符號來表達(dá)語義。1.3微型計算機(jī)的基礎(chǔ)知識

1.3.1基本概念在計算機(jī)內(nèi)部表示二進(jìn)制數(shù)的方法稱為數(shù)值編碼，把一個數(shù)及其符號在機(jī)器中的表示加以數(shù)值化，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)稱為數(shù)的真值。表示一個機(jī)器數(shù)，應(yīng)考慮以下三個因素：

1．機(jī)器數(shù)的范圍字長為8位，無符號整數(shù)的最大值是（11111111）B=（255）D，此時機(jī)器數(shù)的范圍是0-255。字長為16位，無符號整數(shù)的最大值是（1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D，此時機(jī)器數(shù)的范圍是0-65535。2．機(jī)器數(shù)的符號在算術(shù)運(yùn)算中，數(shù)據(jù)是有正有負(fù)的，將這類數(shù)據(jù)稱為帶符號數(shù)。為了在計算機(jī)中正確地表示帶符號數(shù)，通常規(guī)定每個字長的最高位為符號位，并用0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)。3．機(jī)器數(shù)中小數(shù)點的位置在機(jī)器中，小數(shù)點的位置通常有兩種約定：一種規(guī)定小數(shù)點的位置固定不變，這時的機(jī)器數(shù)稱為“定點數(shù)”。另一種規(guī)定小數(shù)點的位置可以浮動，這時的機(jī)器數(shù)稱為“浮點數(shù)”。

在計算機(jī)中，約定數(shù)據(jù)小數(shù)點的位置固定在某一位，原理上講，小數(shù)點的位置固定在哪一位都行，但是，通常有兩種定點格式，一是將小數(shù)點固定在數(shù)的最左邊（即純小數(shù)），二是固定在數(shù)的最右邊（即純整數(shù)）。

(1)定點數(shù)的表示法

例如，用寬度為n+1位的字來表示定點數(shù)X，其中X0表示數(shù)的符號，例如1代表負(fù)數(shù)，0代表正數(shù)，其余位代表它的數(shù)位，對于任意定點數(shù)X=X0X1X2……Xn，在定點計算機(jī)中可表示為：

①如果X為純小數(shù)，小數(shù)點固定在X0與X1之間，數(shù)X的表示范圍為：

0≤|X|≤1-2-n

②如果X為純整數(shù)，小數(shù)點固定在Xn的右邊，數(shù)X的表示范圍為：

0≤|X|≤2n-1(2)浮點數(shù)的表示法（1）

任意一個十進(jìn)制數(shù)N可以寫成

N=10E×M（1-3）

任意一個二進(jìn)制數(shù)N可以寫成

N=2e×m（1-4）例如，N=101.1101=20011×0.1011101同樣，在計算機(jī)中一個任意進(jìn)制數(shù)N可以寫成：

N=Re×M

其中，m為浮點數(shù)的尾數(shù)，是一個純小數(shù)，e是比例因子的指數(shù)，稱為浮點數(shù)的指數(shù)，是一個純整數(shù)，比例因子的基數(shù)R是一個常數(shù)，一般R取值為2，也有取值為8、16兩種情況。（2）浮點數(shù)的表示法（2）

在計算機(jī)中存放一個完整的浮點數(shù)，應(yīng)該包括階碼、階符、尾數(shù)以及尾數(shù)的符號（數(shù)符）共4部分，即：ESE1E2……EmMSM1M2……Mn階符階碼數(shù)符尾數(shù)

一般按照IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，采用32位浮點數(shù)和64位浮點數(shù)兩種標(biāo)準(zhǔn)格式。

32位浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)格式如下：①32位浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)格式

在32位浮點數(shù)中，約定基數(shù)R=2，S是尾數(shù)的符號位，即浮點數(shù)的符號位，它占一位，安排在最高位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，尾數(shù)M占23位，放在低位部分，當(dāng)然是純小數(shù)。E是階碼，占8位。②64位浮點數(shù)格式

它與32位浮點數(shù)的組成原理相同，約定基數(shù)R=2，尾數(shù)符號位S占一位，置于最高位，規(guī)格化的尾數(shù)M占52位，最左邊一位1已被隱藏。1.3.2原碼、反碼與補(bǔ)碼1.機(jī)器數(shù)與真值

機(jī)器數(shù)：帶符號的二進(jìn)制數(shù)稱之為機(jī)器數(shù)。二進(jìn)制數(shù)最高位作為符號位：1表示負(fù)數(shù)，0表示正數(shù)例：取8位字長時：

10001111B則可以代表-15

00001111B則可以代表+15真值：機(jī)器數(shù)所能表示的值。

在微機(jī)中，機(jī)器數(shù)有三種表示方法，即原碼、反碼與補(bǔ)碼2.原碼表示法

若定點整數(shù)的原碼形式為X0X1X2……Xn，則原碼表示的定義是

X

2n>X≥0

[X]原=

2n-X=2n+∣X∣

0≥X>-2n(1-8)

X0為符號位，若n=7，即字長8位，則

①X取值范圍：-127～+127②[+0]原=00000000③[-0]原=10000000原碼

正數(shù)的符號位為0，負(fù)數(shù)的符號位為1，其它位按照一般的方法來表示數(shù)的絕對值。用這樣的表示方法得到的就是數(shù)的原碼?！纠慨?dāng)機(jī)器字長為8位二進(jìn)制數(shù)時：

X＝＋1011011[X]原碼＝01011011Y＝－1011011[Y]原碼＝11011011[＋1]原碼＝00000001[－1]原碼＝10000001[＋127]原碼＝01111111[－127]原碼＝11111111

原碼表示的整數(shù)范圍是：－（2n-1－1）～＋（2n-1－1），其中n為機(jī)器字長。則：8位二進(jìn)制原碼表示的整數(shù)范圍是－127～＋127；

16位二進(jìn)制原碼表示的整數(shù)范圍是－32767～＋32767。

采用原碼表示法簡單易懂，但它最大缺點是加法運(yùn)算電路復(fù)雜，不容易實現(xiàn)。3.反碼表示法

對于定點整數(shù)，反碼表示的定義是：

X2n>X≥0[X]反=(2n+1-1)+X0≥X>-2n(1-9)

同樣n取7，即字長8位，那么

①X取值范圍：-127～+127②[+0]反=00000000③[-0]反=11111111反碼

對于一個帶符號的數(shù)來說，正數(shù)的反碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼為其原碼除符號位以外的各位按位取反。【例】當(dāng)機(jī)器字長為8位二進(jìn)制數(shù)時：

X＝＋1011011[X]原碼＝01011011[X]反碼＝01011011Y＝－1011011[Y]原碼＝11011011[Y]反碼＝10100100[＋1]反碼＝00000001 [－1]反碼＝11111110[＋127]反碼＝01111111 [－127]反碼＝10000000

負(fù)數(shù)的反碼與負(fù)數(shù)的原碼有很大的區(qū)別，反碼通常用作求補(bǔ)碼過程中的中間形式。反碼表示的整數(shù)范圍與原碼相同。4.補(bǔ)碼表示法

對于定點整數(shù)，補(bǔ)碼表示的定義是：

X2n>X≥0[X]補(bǔ)=2n+1+X=2n+1-∣X∣0≥X≥-2n(1-10)

同樣如果n取7，即字長8位，那么

①X取值范圍：-128～+127②[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=00000000③[-10000000]補(bǔ)=10000000

④[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=X，對已知的一個補(bǔ)碼通過再一次求其補(bǔ)，便可還原出真值補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其反碼在最低位加1。【例】（1）X＝＋1011011（2）Y＝－1011011（1）根據(jù)定義有：[X]原碼＝01011011[X]補(bǔ)碼＝01011011（2）根據(jù)定義有：[Y]原碼＝11011011[Y]反碼＝10100100[Y]補(bǔ)碼＝10100101

補(bǔ)碼表示的整數(shù)范圍是－2n-1

～＋（2n-1－1），其中n為機(jī)器字長。則：8位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的整數(shù)范圍是－128～＋12716位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的整數(shù)范圍是－32768～＋32767

當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出這個范圍時，就不能正確表示數(shù)了，此時稱為溢出。例若字長8位，X=126，Y=-126,求[X]原，

[X]反，[X]補(bǔ)和[Y]原，[Y]反，[Y]補(bǔ)。解：[X]原=[X]反=[X]補(bǔ)=01111110[Y]原=11111110[Y]反=10000001[Y]補(bǔ)=100000105.補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算及溢出的判斷

(1)補(bǔ)碼加法運(yùn)算

規(guī)則：[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

=[X+Y]補(bǔ)

條件：X、Y以及X+Y在定義域內(nèi)

特點：符號位參與運(yùn)算；以2n+1為模進(jìn)行加法，最高位相加產(chǎn)生的進(jìn)位自然丟掉。根據(jù)運(yùn)算后結(jié)果的符號位，對結(jié)果求補(bǔ)，即[[X+Y]補(bǔ)]補(bǔ)=X+Y，便可還原出真值。在下面所有例子的運(yùn)算過程中，假定字長均是8位。例X=+00001111，Y=+01000000，求X+Y。解：[X]補(bǔ)=00001111[Y]補(bǔ)=0100000000001111+0100000001001111=[X+Y]補(bǔ)=X+Y，結(jié)果正確。例X=-00001111，Y=01000000，求X+Y解：[X]補(bǔ)=11110001[Y]補(bǔ)=0100000011110001+01000000100110001=[X+Y]補(bǔ)=X+Y，結(jié)果正確。(2)溢出的判斷若參與操作的兩數(shù)在定義域內(nèi)，但運(yùn)算結(jié)果超出了字長范圍內(nèi)補(bǔ)碼所能允許表示的值，所計算出的結(jié)果產(chǎn)生了錯誤，稱之為溢出。例如字長8位，補(bǔ)碼表示數(shù)的范圍是：

-128≤x≤+127，若字長n位，補(bǔ)碼所能表示數(shù)的范圍是-2n-1≤x≤2n-1-1，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出這個范圍時，便產(chǎn)生溢出，兩個正數(shù)相加可能產(chǎn)生正的溢出，兩個負(fù)數(shù)相加可能會產(chǎn)生負(fù)的溢出，正負(fù)兩數(shù)相加不會產(chǎn)生溢出。

例計算64+65D7D601000000+64+01000001+6510000001+129>+127，結(jié)果錯誤，產(chǎn)生了溢出

兩個正數(shù)相加，結(jié)果為負(fù)數(shù)形式，這是由于+129>+127的原因，從上式可看出D7=1，D6=0，OF=D7⊕D6=1⊕0=1，溢出標(biāo)志OF=1，表示有溢出。

例計算-128-1D7D6[-128]補(bǔ)

=10000000+[-1]補(bǔ)

=11111111101111111

兩個負(fù)數(shù)相加，結(jié)果為正數(shù)形式，這是由于-128-1=-129<-128的原因，從上式可看出D7=0，D6=1，OF=D7⊕D6=0⊕1=1，表示有溢出。

例計算64-1D7D6[+64]補(bǔ)=01000000+[-1]補(bǔ)=11111111100111111

運(yùn)算結(jié)果正確。D7=0，D6=0，則OF=D7⊕D6=0⊕0=0，無溢出。6．補(bǔ)碼與真值之間的轉(zhuǎn)換

正數(shù)補(bǔ)碼的真值等于補(bǔ)碼的本身；負(fù)數(shù)補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為其真值時，將負(fù)數(shù)補(bǔ)碼按位求反，末位加1，即可得到該負(fù)數(shù)補(bǔ)碼對應(yīng)的真值的絕對值?！纠縖X]補(bǔ)碼＝01011001B，[X]補(bǔ)碼＝11011001B，分別求其真值X。（1）[X]補(bǔ)碼代表的數(shù)是正數(shù)，其真值：

X＝＋1011001B＝＋（1×26＋1×24＋1×23＋1×20）＝＋（64＋16＋8＋1）＝＋（89）D（2）[X]補(bǔ)碼代表的數(shù)是負(fù)數(shù)，則真值：

X＝－（[1011001]求反＋1）B＝－（0100110＋1）B

＝－（0100111）B＝－（1×25＋1×22＋1×21＋1×20）＝－（32＋4＋2＋1）＝－（39）D1.3.2、微機(jī)中常用的數(shù)字代碼與字符代碼1.數(shù)字代碼(1)數(shù)字代碼的表示

BCD碼是一種常用的數(shù)字代碼，它的編碼方法是每個十進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)表示，從而實現(xiàn)了用二進(jìn)制數(shù)。表示十進(jìn)制數(shù)。在計算機(jī)中，最常用的BCD碼是8421碼，稱為標(biāo)準(zhǔn)BCD碼，每個BCD碼每位上對應(yīng)的權(quán)值與二進(jìn)制權(quán)值相同，十進(jìn)制數(shù)0～9的BCD碼則為0000、0001……1001。

二—十進(jìn)制編碼——BCD碼

BCD（Binary-CodedDecimal）碼又稱為“二—十進(jìn)制編碼”，專門解決用二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)數(shù)的問題。最常用的是8421編碼，其方法是用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，自左至右每一位對應(yīng)的位權(quán)是8、4、2、1。1．壓縮BCD碼每一位數(shù)采用4位二進(jìn)制數(shù)來表示，即一個字節(jié)表示2位十進(jìn)制數(shù)。例如：二進(jìn)制數(shù)10001001B，采用壓縮BCD碼表示為十進(jìn)制數(shù)89D。2．非壓縮BCD碼每一位數(shù)采用8位二進(jìn)制數(shù)來表示，即一個字節(jié)表示1位十進(jìn)制數(shù)。而且只用每個字節(jié)的低4位來表示0～9，高4位為0。例如：十進(jìn)制數(shù)89D，采用非壓縮BCD碼表示為二進(jìn)制數(shù)是：

0000100000001001B（2）標(biāo)準(zhǔn)BCD碼的加法

由于計算機(jī)中的基本運(yùn)算電路只能作二進(jìn)制加法運(yùn)算，如果利用它實現(xiàn)BCD碼相加，必須要找出將二進(jìn)制加法運(yùn)算電路適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)BCD碼相加的規(guī)則，然后遵循該規(guī)則設(shè)計出BCD碼相加的運(yùn)算電路例

01000101+0101010010011001結(jié)果正確例

01000101+0101010110011010結(jié)果不正確

+110

個位加6修正

10100000結(jié)果還不正確

+110

十位加6修正

100000000結(jié)果正確BCD碼加法的規(guī)則：

兩個BCD數(shù)對應(yīng)的BCD碼位用二進(jìn)制加法相加，若產(chǎn)生的和小于10則保持不變，結(jié)果正確；如果產(chǎn)生的和≥10，則在和數(shù)上作加6修正兩個BCD數(shù)對應(yīng)的BCD碼位用二進(jìn)制加法相加后，如果向高位BCD碼產(chǎn)生了進(jìn)位，說明逢十六進(jìn)一，丟掉了6，所以也要作加6修正。加6修正的原因是：運(yùn)算電路只能逢十六進(jìn)一，不能逢十進(jìn)一(3)標(biāo)準(zhǔn)BCD碼的減法

BCD碼減法規(guī)則：兩個BCD數(shù)對應(yīng)的BCD碼位用二進(jìn)制相減，不發(fā)生借位則結(jié)果正確兩個BCD數(shù)對應(yīng)的BCD碼位用二進(jìn)制相減，若低位向高位發(fā)生了借位，表示借16，而不是借10，在低位上要作減6修正2.字符代碼

微機(jī)中常用的是ASCⅡ碼（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）,如表1-2所示。它包括10個十進(jìn)制數(shù)碼，26個英文字母和一些專用符號，總共128個字符的ASCⅡ碼，因此，只需要一個字節(jié)中的低7位編碼，最高位可用作奇偶校驗位，當(dāng)最高位恒取1，稱為標(biāo)記校驗，當(dāng)最高位恒取0，稱作空格校驗。ASCⅡ（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）碼是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼的簡稱，用于給西文字符編碼；包括英文字母的大小寫、數(shù)字、專用字符、控制字符等；這種編碼由7位二進(jìn)制數(shù)組合而成，可以表示128種字符；在ASCII碼中，按其作用可分為：34個控制字符；10個阿拉伯?dāng)?shù)字52個英文大小寫字母；32個專用符號

低位LSB高位MSB00001001201030114100510161107111012345000000010010001101000101NULSOHSTXETXEOTENQDLEDC1DC2DC3DC4NAKSP！″#$%012345@ABCDEPQRSTU、abcdepqrstu6789A01100111100010011010ACKBELBSHTLFSYNETBCANEMSUB&,()*6789

：FGHIJVWXYZfghijvwxyzBCDEF10111100110111101111VTFFCRSOSIESCFSGSRSUS+′-·/;<=>?KLMNO[\]↑←klmno{|}～DELNUL空HT橫向列表(穿孔卡片指信令)FF走紙控制DC4設(shè)備控制4SOH標(biāo)題開始LF換行CR回車NAK否定應(yīng)答STX正文結(jié)束SYN空轉(zhuǎn)同步SO移位輸出FS文字分隔符ETX本文結(jié)束ETB信息組傳送結(jié)束SI移位輸入GS組分隔符EOT傳輸結(jié)果CAN刪去符SP空格RE記錄分隔符ENQ詢問EM紙盡DLE數(shù)據(jù)鏈換碼US單元分隔符ACK承認(rèn)SUB減DC1設(shè)備控制1DEL作廢VEL報警符ESC換碼DC2設(shè)備控制2BS退一格VT垂直制表DC3設(shè)備控制3

128個ASCⅡ字符中有95個編碼，它們分別對應(yīng)計算機(jī)中在輸入/輸出終端設(shè)備上能鍵入和輸出顯示以及輸出打印的95個字符，包括大小寫英文字母，其余33個編碼，其編碼值為0～31和127，則不對應(yīng)任何顯示與打印實際字符，它們被用作為控制碼，控制計算機(jī)I/O設(shè)備的操作以及計算機(jī)軟件的執(zhí)行情況。

通常，計算機(jī)中的數(shù)據(jù)分為兩類：（1）數(shù)：用來直接表示量的多少，有大小之分，能夠進(jìn)行加減等運(yùn)算。（2）碼：通常指代碼或編碼，在計算機(jī)中用來描述某種信息。

1.數(shù)制的基本概念

(1)數(shù)的表示

任何一種數(shù)制表示的數(shù)都可以寫成按位權(quán)展開的多項式之和。

N＝dn－1bn－1＋dn－2bn－2＋dn－3bn－3＋……d－mb－m

式中：n——整數(shù)的總位數(shù)。

m——小數(shù)的總位數(shù)。

d下標(biāo)——表示該位的數(shù)碼。

b——表示進(jìn)位制的基數(shù)。

b上標(biāo)——表示該位的位權(quán)。1.3.3

計算機(jī)中的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(2)計算機(jī)中常用的進(jìn)位計數(shù)制計數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進(jìn)位關(guān)系二進(jìn)制20、1逢二進(jìn)一八進(jìn)制80、1、2、3、4、5、6、7逢八進(jìn)一十進(jìn)制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進(jìn)一十六進(jìn)制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進(jìn)一(3)計數(shù)制的書寫規(guī)則①在數(shù)字后面加寫相應(yīng)的英文字母作為標(biāo)識。如：二進(jìn)制數(shù)的100可寫成100B

十六進(jìn)制數(shù)100可寫成100H②在括號外面加數(shù)字下標(biāo)。如：（1011）2

表示二進(jìn)制數(shù)的1011

（2DF2）16

表示十六進(jìn)制數(shù)的2DF22.數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

1.十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)采用基數(shù)2連續(xù)去除該十進(jìn)制整數(shù)，直至商等于“0”為止，然后逆序排列余數(shù)。

2.十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制小數(shù)連續(xù)用基數(shù)2去乘以該十進(jìn)制小數(shù)，直至乘積的小數(shù)部分等于“0”，然后順序排列每次乘積的整數(shù)部分。

3.十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制整數(shù)或十六進(jìn)制整數(shù)采用基數(shù)8或基數(shù)16連續(xù)去除該十進(jìn)制整數(shù)，直至商等于“0”為止，然后逆序排列所得到的余數(shù)。

4.十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制小數(shù)或十六進(jìn)制小數(shù)連續(xù)用基數(shù)8或基數(shù)16去乘以該十進(jìn)制小數(shù)，直至乘積的小數(shù)部分等于“0”，然后順序排列每次乘積的整數(shù)部分。5.二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)用其各位所對應(yīng)的系數(shù)，按“位權(quán)展開求和”的方法就可以得到。其基數(shù)分別為2、8、16。

6.二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)從小數(shù)點開始分別向左或向右，將每3位二進(jìn)制數(shù)分成1組，不足3位數(shù)的補(bǔ)0，然后將每組用1位八進(jìn)制數(shù)表示即可。

7.八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)將每位八進(jìn)制數(shù)用3位二進(jìn)制數(shù)表示即可。

8.二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)從小數(shù)點開始分別向左或向右，將每4位二進(jìn)制數(shù)分成1組，不足4位的補(bǔ)0，然后將每組用一位十六進(jìn)制數(shù)表示即可。

9.十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)將每位十六進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)表示即可。

【例】將十進(jìn)制整數(shù)（105）10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)，采用“除2倒取余”的方法，過程如下：2︳105

2︳52

余數(shù)為12︳26

余數(shù)為02︳13

余數(shù)為02︳6

余數(shù)為12︳3

余數(shù)為02︳1

余數(shù)為10 余數(shù)為1

所以，（105）10＝（1101001）2【例】將十進(jìn)制小數(shù)（0.8125）10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)，采用“乘2順取整”的方法，過程如下：0.8125×2＝1.625取整數(shù)位10.625×2＝1.25取整數(shù)位10.25×2＝0.5取整數(shù)位00.5×2＝1.0取整數(shù)位1

所以，（0.8125）10＝（0.1101）2如果出現(xiàn)乘積的小數(shù)部分一直不為“0”，則可以根據(jù)精度的要求截取一定的位數(shù)即可。2.1微處理器主要性能指標(biāo)主頻：即微處理器時鐘頻率。如Pentium42GHz同系列的微處理器，主頻越高，速度越快。但主頻相同的微處理器，速度不一定都相同，因結(jié)構(gòu)有差異外頻：微處理器外部總線工作頻率。如Pentium42GHz的外頻為400MHz地址線寬度：決定訪存空間。如36位地址線訪問236=64GB存儲單元數(shù)據(jù)線寬度：決定微處理器與外部存儲器、輸入/輸出部件之間一次交換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。如8、16、32、64位。微處理器主要性能指標(biāo)內(nèi)置協(xié)處理器：加快數(shù)值運(yùn)算超標(biāo)量結(jié)構(gòu)：一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條以上的指令。低標(biāo)量結(jié)構(gòu)：一條指令至少需要一個以上的時鐘周期工作電壓：微處理器正常工作所需要的電壓，早期為5V，后來有3.3V,2.8V,1.5V等。制造工藝：晶體管之間的最小線距，0.35m,0.25m,0.18m,0.13m等微處理器微處理器類型(Intel)4004：4位8085/8088：8位8086、80286：16位80386、80486、80586：32位Pentium、PentiumPRO、PentiumII、PentiumIII、Pentium4：32/64位2.28086/8088微處理器INTEL78年推出（79年推出8088）4萬多個晶體管（8088為2.9萬個晶體管）時鐘頻率4.77MHZ數(shù)據(jù)線16位（8088的數(shù)據(jù)線8位）地址線20位40腳DIP封裝81年推出PersonalComputer（個人計算機(jī)、微機(jī)）組成：算術(shù)邏輯部件、控制器、寄存器陣列、總線及總線緩沖器。算術(shù)邏輯部件ALU：用硬件實現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、移位、布爾運(yùn)算等基本運(yùn)算功能?？刂破鳎褐鹨蝗〕鲋噶睢⒎治鲋噶?、執(zhí)行指令。

指令部件：程序計數(shù)、指令寄存、指令譯碼；時序部件：產(chǎn)生操作序列的定時信號；微操作控制部件：根據(jù)指令產(chǎn)生控制信號。2.2.1有關(guān)微處理器的一些概念

一、微處理器的基本結(jié)構(gòu)總線及總線緩沖器按照總線所連接的對象，有4級總線：片內(nèi)總線：連接CPU內(nèi)的各個電路部分。片間總線：指主板上各芯片之間的總線，用于連接CPU與主板上的其他芯片。按總線中各信號線功能的不同，又分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，即所謂的三總線。（系統(tǒng)）內(nèi)總線：指主板與I/O擴(kuò)展板之間的總線，一般都遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，如目前多采用的ISA標(biāo)準(zhǔn)、EISA標(biāo)準(zhǔn)和PCI標(biāo)準(zhǔn)等。外總線：指微機(jī)與其他設(shè)備、系統(tǒng)之間的總線，一般也遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，習(xí)慣上又稱為接口，如串行接口、并行接口、USB接口等?？偩€緩沖器：如地址鎖存器、數(shù)據(jù)緩沖器、總線收/發(fā)器等。運(yùn)算器寄存器控制器CPU存儲芯片I/O芯片主板擴(kuò)展接口板擴(kuò)展接口板微機(jī)系統(tǒng)④①②③其他微機(jī)系統(tǒng)其他儀器系統(tǒng)

微機(jī)系統(tǒng)的四級總線示意圖寄存器陣列——用于存放臨時數(shù)據(jù)和地址。數(shù)目多少不定，因處理器而異。累加器：數(shù)據(jù)運(yùn)算的場所。其長度即微機(jī)的字長。通用數(shù)據(jù)寄存器：存放運(yùn)算數(shù)據(jù)或結(jié)果；存放數(shù)據(jù)的地址指針。堆棧指針：專門指示堆棧的棧頂，輔助完成堆棧操作。程序計數(shù)器（指令指針）：指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令，實現(xiàn)順序執(zhí)行。指令寄存器：即指令隊列，暫存預(yù)取指令的代碼，直至完成譯碼。標(biāo)志寄存器：記錄當(dāng)前執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)。2.2.28086CPU功能結(jié)構(gòu)圖EU控制器ALU暫存器標(biāo)志寄存器8位隊列總線總線控制邏輯內(nèi)部總線16位地址加法器20位地址總線16位數(shù)據(jù)總線執(zhí)行部件EU總線接口部件BIU123456指令隊列通用寄存器AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDLSPBPDISICSDSSSES80888086IP暫存器8086總線1．執(zhí)行部件EU

執(zhí)行部件中包含一個16位的算術(shù)邏輯單元（ALU），8個16位的通用寄存器，一個16位的狀態(tài)標(biāo)志寄存器，一個數(shù)據(jù)暫存寄存器和執(zhí)行部件的控制電路。功能：從BIU的指令隊列中取出指令代碼，經(jīng)指令譯碼器譯碼后執(zhí)行指令所規(guī)定的全部功能。執(zhí)行指令所得結(jié)果或執(zhí)行指令所需的數(shù)據(jù)，都由EU向BIU發(fā)出命令，對存儲器或I/O接口進(jìn)行讀/寫操作。2．總線接口部件BIU

總線接口部件BIU內(nèi)部設(shè)有四個16位段地址寄存器：代碼段寄存器CS、數(shù)據(jù)段寄存器DS、堆棧段寄存器SS和附加段寄存器ES，一個16位指令指針寄存器IP，一個6字節(jié)指令隊列緩沖器，20位地址加法器和總線控制電路。主要功能：根據(jù)執(zhí)行部件EU的請求，負(fù)責(zé)完成CPU與存儲器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。一、8086執(zhí)行部件EU組成：算術(shù)邏輯部件、控制器、寄存器陣列、總線及總線緩沖器。算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticandLogicUnit)進(jìn)行所有的算術(shù)和邏輯運(yùn)算計算尋址單元的十六位偏移地址EA(EffectAddress)EU控制器接收指令隊列中的指令，進(jìn)行指令譯碼、分析，形成各種控制信號，實現(xiàn)EU各個部件完成規(guī)定動作的控制。標(biāo)志寄存器F通用寄存器

標(biāo)志寄存器標(biāo)志（Flag）用于反映指令執(zhí)行結(jié)果或控制指令執(zhí)行形式。8086處理器的各種標(biāo)志形成了一個16位的標(biāo)志寄存器FLAGS（程序狀態(tài)字PSW寄存器）。OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0

程序設(shè)計需要利用標(biāo)志的狀態(tài)標(biāo)志寄存器Flags唯一能按位操作的寄存器只定義了其中9位，另外7位未定義（保留）6位狀態(tài)標(biāo)志：OF、SF、ZF、PF、CF、AF3位控制標(biāo)志：DF、IF、TFOFDFIFTFSFZFAFPFCFD15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0狀態(tài)標(biāo)志反映指令對數(shù)據(jù)作用之后，結(jié)果的狀態(tài)（不是結(jié)果本身）。這些狀態(tài)將控制后續(xù)指令的執(zhí)行OF（OverflowFlag）：溢出標(biāo)志(指補(bǔ)碼)，F(xiàn).11OF=1：在運(yùn)算過程中，如操作數(shù)超過了機(jī)器表示的范圍稱為溢出。OF=0：在運(yùn)算過程中，如操作數(shù)未超過了機(jī)器能表示的范圍稱為不溢出。求解方法：最高位進(jìn)位

次高位進(jìn)位字節(jié)允許范圍：－128—+127字允許范圍：－32768—+32767狀態(tài)標(biāo)志CF（CarryFlag）：進(jìn)位/借位標(biāo)志，F(xiàn).0CF=1：最高位需要向前產(chǎn)生進(jìn)位/借位。CF=0：最高位不會向前產(chǎn)生進(jìn)位/借位。AF（AuxiliaryCarryFlag）：輔助進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn).4AF=1：數(shù)據(jù)的第3位（半個字節(jié)）需要向前產(chǎn)生進(jìn)位/借位。AF=0：數(shù)據(jù)的第3位（半個字節(jié)）不會向前產(chǎn)生進(jìn)位/借位。狀態(tài)標(biāo)志SF（SignFlag）：符號標(biāo)志，F(xiàn).7SF=1：運(yùn)算結(jié)果的最高位為1，如果為帶符號數(shù)，則為負(fù)數(shù)。SF=0：運(yùn)算結(jié)果的最高位為0，如果為帶符號數(shù)，則為正數(shù)。帶符號數(shù)的最高位為符號位；而無符號數(shù)的最高位為數(shù)值位。ZF（ZeroFlag）：全零標(biāo)志，F(xiàn).6ZF=1：運(yùn)算結(jié)果為全0。不包括進(jìn)位的情況ZF=0：運(yùn)算結(jié)果不為0。狀態(tài)標(biāo)志PF（ParityFlag）：奇偶標(biāo)志PF=1:結(jié)果的低8位中有偶數(shù)個1。PF=0:結(jié)果的低8位中有奇數(shù)個1。有些運(yùn)算操作將影響全部狀態(tài)標(biāo)志，如加法、減法運(yùn)算有些操作影響部分狀態(tài)標(biāo)志，如移位操作有些指令的操作不影響任何狀態(tài)標(biāo)志，如數(shù)據(jù)傳送指令10001101001101100011001000011001+0110011010101001運(yùn)算結(jié)果最高位為1 ∴SF=1；例：2個數(shù)相加后，分析各標(biāo)志位的值第三位向第四位有進(jìn)位 ∴AF=1；次高位向最高位有進(jìn)位，最高位向前沒有進(jìn)位，∴OF=1

0=1最高位沒有進(jìn)位 ∴CF=0；低8位中1的個數(shù)為偶數(shù)個 ∴PF=1；運(yùn)算結(jié)果本身≠0 ∴ZF=0；10001101001101100011001000011001-0010110010001100運(yùn)算結(jié)果最高位為0 ∴SF=0；例：2個數(shù)相減后，分析各標(biāo)志位的值第三位向第四位沒有借位 ∴AF=0；次高位向最高位沒有借位，最高位向前沒有借位，∴OF=0

0=0最高位沒有借位 ∴CF=0；低8位中1的個數(shù)為奇數(shù)個 ∴PF=0；運(yùn)算結(jié)果本身≠0 ∴ZF=0；控制標(biāo)志控制標(biāo)志位的值不由數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)果決定，而由指令直接賦值控制標(biāo)志決定后續(xù)指令的執(zhí)行情況DF（DirectionFlag）：方向控制標(biāo)志位用于串處理指令，控制從前往后、還是從后往前對字符串進(jìn)行操作處理DF=1，每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI的值遞減，使串處理從高地址向低地址方向處理。DF=0，每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI的值遞增，使串處理從低地址向高地址方向處理?？刂茦?biāo)志IF（InteruptFlag）：中斷允許/禁止標(biāo)志位IF=1,允許外部可屏蔽中斷。CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請求。IF=0,關(guān)閉中斷。CPU禁止響應(yīng)可屏蔽中斷請求。IF的狀態(tài)對不可屏蔽中斷和內(nèi)部軟中斷沒有影響。TF（TrapFlag）：跟蹤（陷阱）標(biāo)志位TF=1，每執(zhí)行一條指令后，自動產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷，使CPU處于單步執(zhí)行指令工作方式，便于進(jìn)行程序調(diào)試，用戶能檢查程序。TF=0,CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱?？刂茦?biāo)志與狀態(tài)標(biāo)志的區(qū)別控制標(biāo)志的值：由系統(tǒng)程序或用戶程序根據(jù)需要用指令設(shè)置。狀態(tài)信息：由中央處理器執(zhí)行運(yùn)算指令，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果而自動設(shè)置。X86CPU也提供了直接設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志之值的指令標(biāo)志名標(biāo)志為1標(biāo)志為0OF溢出(是/否）OVNVDF方向（減量/加量)DNUPIF中斷(允許/關(guān)閉)EIDISF符號(負(fù)/正)NGPLZF零(是/否）ZRNZAF輔助進(jìn)位(是/否）ACNAPF奇偶標(biāo)志(偶/奇)PEPOCF進(jìn)位標(biāo)志(是/否）CYNC調(diào)試狀態(tài)時，標(biāo)志位之值的符號表示AXBXCXDX8086的通用寄存器目的變址指針(DestinationIndex)DI源變址指針(SourceIndex)SI基址指針(BasePointer)BP堆棧指針(StackPointer)SP數(shù)據(jù)寄存器(Data)DLDHDX計數(shù)寄存器(Count)CLCHCX基址寄存器(Base)BLBHBX累加器(Accumulator)ALAHAX數(shù)據(jù)寄存器可分為兩個8位，主要用于數(shù)據(jù)操作地址指針主要用于地址操作16位888086的16位通用寄存器是：AX BX CX DXSI DI BP SP其中前4個數(shù)據(jù)寄存器都還可以分成高8位和低8位兩個獨(dú)立的寄存器8086的8位通用寄存器是：AH BH CH DHAL BL CL DL對其中某8位的操作，并不影響另外對應(yīng)8位的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器用來存放計算的結(jié)果和操作數(shù)，也可以存放地址每個寄存器又有它們各自的專用目的AX－－累加器，使用頻度最高，用于算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及與外設(shè)傳送信息等；BX－－基址寄存器，常用做存放存儲器地址；CX－－計數(shù)器，作為循環(huán)和串操作等指令中的隱含計數(shù)器；DX－－數(shù)據(jù)寄存器，常用來存放雙字長數(shù)據(jù)的高16位，或存放外設(shè)端口地址。指針寄存器指針寄存器用于尋址內(nèi)存堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)SP為堆棧指針寄存器，指示棧頂?shù)钠频刂稴P不能再用于其他目的，具有專用目的BP為基址指針寄存器，表示數(shù)據(jù)在堆棧段中的基地址SP和BP寄存器與SS段寄存器聯(lián)合使用以確定堆棧段中的存儲單元地址變址寄存器變址寄存器常用于存儲器尋址時提供地址SI是源變址寄存器DI是目的變址寄存器串操作類指令中，SI和DI具有特別的功能通用寄存器一般，通用寄存器可以用于任何指令的任意操作，可以相互替換16位的數(shù)據(jù)寄存器都可分成2個8位寄存器使用，是同一個物理介質(zhì)。如果已用作一個16位的數(shù)據(jù)寄存器，則不能再用作1個或2個8位數(shù)據(jù)寄存器；反之亦然地址寄存器不能分解為8位使用除了通用目的之外，有些操作規(guī)定只能使用某個寄存器，即寄存器的特殊用法

通用寄存器通用寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器與指針和變址寄存器兩組。數(shù)據(jù)寄存器包括4個16位的寄存器AX、BX、CX和DX，一般用來存放16位數(shù)據(jù)，故稱為數(shù)據(jù)寄存器。其中的每一個又可根據(jù)需要將高8位和低8位分成獨(dú)立的兩個8位寄存器來使用，即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL兩組，用于存放8位數(shù)據(jù)，它們均可獨(dú)立尋址、獨(dú)立使用。指針和變址寄存器包括指針寄存器SP、BP和變址寄存器SI、DI，都是16位寄存器,，一般用來存放地址的偏移量。這8個16位通用寄存器都具有通用性，從而提高了指令系統(tǒng)的靈活性。但在有些指令中，這些通用寄存器還各自有特定的用法，見下表。

通用寄存器的特殊用法（默認(rèn)用法）寄存器特殊用法AX，AL乘法/除法指令，作累加器；I/O操作時，作數(shù)據(jù)寄存器AH在LAHF指令中用作目的寄存器((AH)←標(biāo)志)AL在BCD碼及ASCII碼運(yùn)算指令中作為累加器；在XLAT指令中作為累加器（AL）←((AL)＋（BX）)BX在間接尋址中作為基址寄存器和變址寄存器CX在循環(huán)程序中，作循環(huán)次數(shù)計數(shù)器CL在移位和循環(huán)移位指令中，作為移位位數(shù)和循環(huán)移位次數(shù)的計數(shù)寄存器（指令執(zhí)行后，（CL）不變）DXI/O指令間接尋址時，作為地址寄存器；在乘法指令中作為輔助累加器（當(dāng)乘積或被除數(shù)為32位時，存放高16位數(shù)）BP在間接尋址中，作為基址寄存器SP在堆棧操作中，作為堆棧指針SI間接尋址時，作為地址寄存器或變址寄存器；在串操作指令中作為源變址寄存器DI在間接尋址時，作為地址寄存器或變址寄存器；在串操作指令中作為目的變址寄存器8086CPU功能結(jié)構(gòu)圖8位隊列總線總線控制邏輯內(nèi)部總線16位地址加法器20位地址總線16位數(shù)據(jù)總線總線接口部件BIU123456指令隊列CSDSSSESEU控制器ALU暫存器標(biāo)志寄存器執(zhí)行部件EU通用寄存器AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDLSPBPDISI80888086IP暫存器8086總線二、8086總線接口部件BIU(BusInterfaceUnit)BIU負(fù)責(zé)與M、I/O

端口傳送數(shù)據(jù)、地址。訪問存儲器時，需要生成20位的物理地址；要不斷從內(nèi)存中取指令并送到指令隊列；CPU執(zhí)行指令時，要配合執(zhí)行部件從指定的內(nèi)存單元或者外設(shè)端口中取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給執(zhí)行部件；或把執(zhí)行部件的操作結(jié)果傳送給指定的M或I/O口。指令隊列緩沖器8088為4字節(jié)，8086為6字節(jié)。為FIFO(先進(jìn)先出)結(jié)構(gòu)。指令隊列至少保持有一條指令，且只要有一條指令，EU就開始執(zhí)行；指令隊列只要有空，BIU自動執(zhí)行取指操作，直到填滿為止；若EU要進(jìn)行M/IO存取數(shù)據(jù)，BIU在執(zhí)行完現(xiàn)行取指操作周期后進(jìn)行。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，EU要求BIU從新的地址中重新取指。隊列中原有指令被清除。新取得的第一條指令直接送EU執(zhí)行，隨后取得的指令填入隊列。BIU的段寄存器4個16位段寄存器CS、DS、SS、ES用來識別當(dāng)前可尋址的四個段，每個段的功能各不相同CS：CodeSegmentRegister代碼段寄存器，指示當(dāng)前執(zhí)行程序所在存儲器的區(qū)域。DS：DataSegmentRegister數(shù)據(jù)段寄存器，指示當(dāng)前程序所用之?dāng)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域。SS：StackSegmentRegister堆棧段寄存器，指示當(dāng)前程序所用之堆棧位于的存儲器區(qū)域。ES：ExtraSegmentRegi