微原CH1微型計算機基礎

1、NUIST第第1 1章章 微型計算機基礎微型計算機基礎 NUIST主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.1 1.1 微型計算機發(fā)展概述微型計算機發(fā)展概述 微型計算機的發(fā)展1 1微型計算機的特點2 2v 計算機發(fā)展歷程：巨型機、大型機、中型機、 小型機、微型機v 電子器件：電子管、晶體管、中小規(guī)模集成 電路 、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代微型計算機微型計算機1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第一代（1971年開始）

2、4位和低檔8位微處理器時代 1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第二代（1973年開始） 8位微處理器時代 1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第三代（1978年開始） 16位微處理器時代 1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第四代（1983年開始 ） 32位微處理器時代 1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)

3、展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第五代（1993年開始 ） X86架構(gòu)處理器時代 1.1.1 1.1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展v微型機的發(fā)展是以微型機的發(fā)展是以CPUCPU的發(fā)展來表征的的發(fā)展來表征的 第六代（至今 ） 64位和雙核微處理器時代 Intel Pentium D Intel Core AMD Athlon1.1 1.1 微型計算機發(fā)展概述微型計算機發(fā)展概述 微型計算機的發(fā)展1 1微型計算機的特點2 21.1.2 1.1.2 微型計算機的特點微型計算機的特點 v 標準的工業(yè)化裝配結(jié)構(gòu)，體積小重量輕，系統(tǒng)擴展及

4、性能升級容易v 微型計算機的芯片集成度高，基本不需要人工焊點，降低了故障發(fā)生的概率，提高了可靠性v 開放的標準體系結(jié)構(gòu)和多元化的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)使微型計算機的價格變得低廉v 標準化的體系結(jié)構(gòu)、超大規(guī)模集成電路、規(guī)?；纳a(chǎn)v 科學計算和科學研究科學計算和科學研究 ：科學研究和工程技術中所提出的數(shù)學問題（數(shù)值計算）。 v 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理( (信息處理信息處理) )：利用計算機的速度快和精度高的特點來對數(shù)字信息進行加工。 v 工業(yè)控制：工業(yè)控制：用單片或單板微型計算機實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)控制、過程監(jiān)控等。v 計算機輔助系統(tǒng)：計算機輔助系統(tǒng)：計算機輔助教 (CAI)、計算機輔助設計 (CAD)、計算機輔助制

5、造 (CAM)、計算機輔助測試 (CAT)、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)v 人工智能：人工智能：解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學科，包括智能機器人，模擬人的思維過程，計算機學習等等。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。 NUIST主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.2 1.2 微型計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程微型計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 1 1微機系統(tǒng)的工作過程 2 21.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成微機的組成圖 v微型計算機的組成1.2.

6、1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成v微型計算機的組成CPU 運算器（ALU） 控制器（CU） 寄存器（Registers）相關概念：字長算術邏輯運算 指令譯碼根據(jù)指令要求發(fā)出相應控制信息 存放數(shù)據(jù) 1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成v微型計算機的組成存儲器 主存儲器（內(nèi)存儲器） 外存儲器讀操作寫操作譯譯碼碼電電路路01H02H03H.地地址址總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線10000H10001H10003H1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

7、 微機的組成微機的組成v微型計算機的組成存儲器相關概念存儲單元存儲容量存儲規(guī)則CPU對存儲器尋址1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成v微型計算機的組成系統(tǒng)總線 地址總線AB：傳送地址信息l輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址l地址線的多少決定了系統(tǒng)直接尋址的范圍 數(shù)據(jù)總線DB ：傳送數(shù)據(jù)信息lCPU讀操作時，外部數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPU lCPU寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往外部l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 ：傳送控制信息l協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等信號l控制總線決定了系統(tǒng)

8、總線的特點，例如功能、適應性等例特點1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)的組成運算器運算器 控制器控制器 寄存器組寄存器組 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器 總線總線輸入輸出接口電路輸入輸出接口電路外部設備外部設備 軟件軟件微處理器微處理器CPU微型計算機微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)3個概念的區(qū)別1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微型計算機的總線結(jié)構(gòu)微型計算機的總線結(jié)構(gòu)v根據(jù)功能和規(guī)范不同，大致分為四類 片內(nèi)總線（Inner-Chip Bus） 片總線（Chip Bus） 內(nèi)總線（

9、Internal Bus） 外總線（External Bus，E-Bus）1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微處理器結(jié)構(gòu)與基本功能微處理器結(jié)構(gòu)與基本功能典型8位微處理器結(jié)構(gòu) ALU主要完成算術和邏輯運算 累加器運算和傳輸過程中臨時存儲數(shù)據(jù)指令寄存器存放正在執(zhí)行的指令代碼 指令譯碼器對指令代碼進行分析、譯碼 寄存器組包括通用寄存器、段寄存器、標志寄存器FLAGS和指令指針寄存器IP1.2 1.2 微型計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程微型計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 1 1微機系統(tǒng)的工作過程 2 21.2.2 1.2.2

10、微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v相關概念 時鐘周期：最小時間單位 總線周期： CPU通過總線操作與外部（存儲器或I/O端口）進行一次數(shù)據(jù)交換的過程 指令周期：一條指令經(jīng)取指、譯碼、讀寫操作數(shù)到執(zhí)行完成的過程。若干總線周期組成一個指令周期演示1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v以一個模型機為例來說明微機的工作過程v假設計算12H34H，程序如下： MOV AL,12H ;將12H送到累加器中 ADD AL,34H ;計算12H+34H，結(jié)果送回累加器v編譯后，兩條指令對應的機器指令為： 10110000 00010010 ;“MOV AL,12H” 操作碼 操作數(shù)

11、 00000100 00110100 ;“ADD AL,34H” 操作碼 操作數(shù)演示NUIST主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.3 1.3 常用數(shù)制與編碼表示方法常用數(shù)制與編碼表示方法 計算機中常用的數(shù)制 1 1計算機中信息的編碼表示 2 21.3.1 1.3.1 計算機中常用的數(shù)制計算機中常用的數(shù)制 v任意r進制數(shù)N可以表示為v相關概念基數(shù)數(shù)碼權1110011222211nmiiimmnnnnrarararararararaN1.3.1 1.3.1 計算機中常用的數(shù)制計算機中常用的數(shù)制 不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 v 進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù) n任何數(shù)制可由數(shù)碼乘上對應的權求和轉(zhuǎn)換成十進制數(shù) u二進制

12、數(shù)(1011.001)B 轉(zhuǎn)換為十進制 （1011.001)B =123+022+121+120+02-1+02-2+12-3 =（11.125)D u八進制數(shù)（75.12)O 轉(zhuǎn)換為十進制 （75.12)O = 781+580+18-1+28-2 =（61.15625)D思考：十六進制（1A4.25)H 轉(zhuǎn)換為十進制r1.3.1 1.3.1 計算機中常用的數(shù)制計算機中常用的數(shù)制 不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換v十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成 進制數(shù)n整數(shù)部分除 取余，直到商為0，余數(shù)從逆序排列n小數(shù)部分乘 取整數(shù)部分，留小數(shù)部分繼續(xù)乘，直到小數(shù)部分為0或達到要求的精度為止 rrr1.3.1 1.3.1 計

13、算機中常用的數(shù)制計算機中常用的數(shù)制 不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換思考：（1）將十進制數(shù)28轉(zhuǎn)化成二進制數(shù) (28)(D) = (11100)(B)（2）將十進制數(shù)23630轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù) (23630)(D) = (5C4E )(H)1.3.1 1.3.1 計算機中常用的數(shù)制計算機中常用的數(shù)制 不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換v二進制、八進制、十六進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)時，分成整數(shù)部分和小數(shù)部分，每3位為一組對應一個八進制數(shù)，不滿3位的補0；反之，八進制數(shù)、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)只需將1位對應成3位、4位二進制數(shù)即可 1.3 1.3 常用數(shù)制與編碼表示方法常用數(shù)制與編碼

14、表示方法 計算機中常用的數(shù)制 1 1計算機中信息的編碼表示 2 21.3.2 1.3.2 計算機中信息的編碼表示計算機中信息的編碼表示 vBCD碼(二十進制編碼)n用四位二進制數(shù)表示一個十進制數(shù)的編碼n使二進制和十進制之間的轉(zhuǎn)換得以快捷的進行vASCII碼n美國信息交換標準代碼 American Standard Code for Information Interchange n用二進制編碼來表示文字和符號 v漢字編碼 NUIST主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.4 1.4 微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法 原碼1 1反碼2 2補碼3 31.4 1.4 微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法微型

15、計算機中的數(shù)據(jù)表示方法原碼原碼v數(shù)在微型計算機中用二進制數(shù)表示，若是有符號數(shù)，最高位是符號位，1表示負數(shù)，0表示正數(shù)；數(shù)的表示范圍受字長和數(shù)據(jù)類型的限制 v整數(shù)X的原碼除去最高位符號位外，其余數(shù)值部分就是它的絕對值的二進制數(shù) +1原=00000001 +127原=01111111-1原=10000001 -127原=11111111+0原=00000000 -0原=100000001.3 1.3 常用數(shù)制與編碼表示方法常用數(shù)制與編碼表示方法 原碼1 1反碼2 2補碼3 31.4 1.4 微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法反碼反碼v整數(shù)X的反碼：對于正數(shù)，反碼同原碼；對于負數(shù)，

16、符號位為1，其余數(shù)值位取反+1反=00000001 +127反=01111111-1反=11111110 -127反=10000000+0反=00000000 -0反=11111111 1.3 1.3 常用數(shù)制與編碼表示方法常用數(shù)制與編碼表示方法 原碼1 1反碼2 2補碼3 31.4 1.4 微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法微型計算機中的數(shù)據(jù)表示方法補碼補碼v整數(shù)X的補碼：對于正數(shù)，補碼同原碼；對于負數(shù)，符號位為1，其余數(shù)值位取反加1+1補=00000001 +127補=01111111-1補=11111111 -127補=10000001v注意：+0補=-0補=00000000，所以多一個編碼10

17、000000來表示-128 v第一章結(jié)束譯譯碼碼電電路路01H02H03H.地址總線地址總線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線總線10000H10001H10003Hv存儲器的讀操作 從10003H讀入一個字節(jié)1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成1、CPU發(fā)地址10003H2、地址10003H經(jīng)過地址總線送到存儲器10003H10003H3、經(jīng)過存儲器的譯碼電路譯碼后選中10003H對應的存儲單元03H4、CPU發(fā)讀控制命令更令CPU讀控制命令5、10003H存儲單元中的03H經(jīng)由數(shù)據(jù)總線被讀出03H返回5、04H經(jīng)由數(shù)據(jù)總線被入10000H存儲單元譯譯

18、碼碼電電路路01H02H03H.地址總線地址總線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線總線10000H10001H10003Hv存儲器的寫操作 寫04H到10000H存儲單元1.2.1 1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) 微機的組成微機的組成1、CPU發(fā)地址10000H2、地址10000H經(jīng)過地址總線送到存儲器10000H10000H3、經(jīng)過存儲器的譯碼電路譯碼后選中10000H對應的存儲單元4、CPU發(fā)寫控制命令CPU寫控制命令04H04H返回地址總線舉例地址總線舉例地址總線條數(shù)存儲容量8086201MB8088201MB802862416MB80386324GB返回系統(tǒng)總線的使用特點系

19、統(tǒng)總線的使用特點v除了CPU外，還有DMA控制器和協(xié)處理器都具有控制系統(tǒng)總線的能力，它們又叫做總線控制器v在某一個時刻，只能由一個總線控制器來控制系統(tǒng)總線v在連接系統(tǒng)總線的各個設備中，某一時刻只能有一個向總線發(fā)送信號；但可以有多個設備從總線上同時獲得信號返回微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的區(qū)別微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的區(qū)別v微處理器（Microprocessor） 一個大規(guī)模集成電路芯片 內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等 微機中的核心芯片v微型計算機（Microcomputer） 通常指微型計算機的硬件系統(tǒng) 還有一般的說法：微機、微型機v微型計算機系統(tǒng)（Microcomputer

20、 system） 指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)返回微機系統(tǒng)中的四類總線微機系統(tǒng)中的四類總線返回周期介紹周期介紹返回1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v工作過程舉例運運算算器器ALU累累加加器器A 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線PC+1地地址址緩緩沖沖器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 內(nèi)內(nèi)容容存存儲儲器器外外部部地地址址總總線線外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器指指令令寄寄存存器器指指令令譯譯碼碼器器寄寄存存器器組組PLA控控制制信信號號標標志志寄寄存存器器FCP

21、U10000H10001H10002H10003H1、初始：載入程序 PC自動加1，即由10000H變?yōu)?0001H 2、PC的內(nèi)容10000H送到地址緩沖器 1011 00000001 00100000 01000011 010010000H 10000H 10001H 3、地址緩沖器中10000H送到外部地址總線上至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼后，選中10000H單元 1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v工作過程舉例運運算算器器ALU累累加加器器A 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線PC+1地地址址緩緩沖沖器器10000H10001H10002H10003H1011000000

22、0100100000010000110100地地址址 內(nèi)內(nèi)容容存存儲儲器器外外部部地地址址總總線線外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器指指令令寄寄存存器器指指令令譯譯碼碼器器寄寄存存器器組組PLA控控制制信信號號標標志志寄寄存存器器FCPU4、CPU發(fā)讀控制命令 10001H CPU讀控制命令5、10000H單元內(nèi)容10110000通過數(shù)據(jù)線送到數(shù)據(jù)緩沖器 1011 00001011 000010000H 1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v工作過程舉例運運算算器器ALU累累加加器器A 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線PC+1地地址址緩緩沖沖器器10000H10001

23、H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 內(nèi)內(nèi)容容存存儲儲器器外外部部地地址址總總線線外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器指指令令寄寄存存器器指指令令譯譯碼碼器器寄寄存存器器組組PLA控控制制信信號號標標志志寄寄存存器器FCPU6、數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)容被送到指令寄存器，經(jīng)過指令譯碼器譯碼為“MOV AL,n”指令 ，發(fā)出相應控制命令，CPU取操作數(shù) 10001H 1011 000010000H 1011 00001011 00007、PC的內(nèi)容10001H送到地址緩沖器 10001H 8、PC自動加1，由10001H變?yōu)?0002H

24、10002H 1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v工作過程舉例運運算算器器ALU累累加加器器A 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線PC+1地地址址緩緩沖沖器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 內(nèi)內(nèi)容容存存儲儲器器外外部部地地址址總總線線外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器指指令令寄寄存存器器指指令令譯譯碼碼器器寄寄存存器器組組PLA控控制制信信號號標標志志寄寄存存器器FCPU9、地址緩沖器中10001H通過外部地址總線送至存儲器，經(jīng)過地址譯碼器譯碼后選中10001H單元 10002H

25、 10001H 10001H CPU讀控制命令10、CPU發(fā)讀控制命令11、10001H單元內(nèi)容00010010（12H）送到數(shù)據(jù)緩沖器 000100100001001012、數(shù)據(jù)緩沖器中12H通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線總線被送到累加器 0001001017、10002H單元內(nèi)容00000100通過數(shù)據(jù)線送到數(shù)據(jù)緩沖器 15、地址緩沖器中10002H送到外部地址總線上至存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼后，選中10002H單元 18、數(shù)據(jù)緩沖器中內(nèi)容送到指令寄存器，經(jīng)過指令譯碼器譯碼，發(fā)出相應控制命令 13、PC的內(nèi)容10002H送到地址緩沖器 1.2.2 1.2.2 微機系統(tǒng)的工作過程微機系統(tǒng)的工作過程v工作過程舉例運運算算器器ALU累累加加器器A 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線PC+1地地址址緩緩沖沖器器10000H10001H10002H10003H10110000000100100000010000110100地地址址 內(nèi)內(nèi)容容存存儲儲器器外外部部地地址址總總線線外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩沖沖器器指指令令寄寄存存器器指指令令譯譯碼碼器器寄寄存存器器組組PLA控控制制信信號號標標志志寄寄存存器器FCPU14、PC自動加1，即由10002H變?yōu)?0003H 10003H 10