微機(jī)原理第一章

第1章微機(jī)原理系統(tǒng)概述

了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展史。正確理解微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。理解CPU對存儲器的讀寫操作過程，重點(diǎn)掌握馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想。著重理解和熟練掌握程序執(zhí)行的過程。能熟練掌握與運(yùn)用各種數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)化的綜合表示法。熟練掌握補(bǔ)碼及其運(yùn)算，著重理解補(bǔ)碼與溢出的區(qū)別。1.1微機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展20世紀(jì)40～50年代后期電子管5000-1萬次ENIAC電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)晶體管10幾萬次

中小規(guī)模IC10幾萬~數(shù)百萬次20世紀(jì)50～60年代中期20世紀(jì)60中～70年代初期20世紀(jì)70年代初、中期大、超大規(guī)模IC

數(shù)千萬~百億次計(jì)算機(jī)發(fā)展過程年代此時，半導(dǎo)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，

2010年Corei7。

計(jì)算機(jī)發(fā)展以器件更新劃代1.1微機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展1.1.3微型計(jì)算機(jī)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(jī)發(fā)展過程(Intel)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）19851993Pentium2005年P(guān)entiumD2006年Core2Due2010年Corei7六代2000年后2.9萬管，內(nèi)存1MB6千管，內(nèi)存64KBDIP-16,2.3千管8086--1680486--321.1.3微型計(jì)算機(jī)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(jī)發(fā)展過程時間五代90年代8080--84004—4位P-PⅢ--641973-741971-7219781985-891993-9910?m6?m3?m120萬管，集成度386的4倍，性能高出386的2-4倍。486=386+387+8KBCache+（Cache），1?m1997年P(guān)II，750萬管，PIII1999年。32KBL1和512KBL2緩存，流水式浮點(diǎn)單元支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)的32位，64位及80位格式。朝10億管子，0.09?m，多核發(fā)展。0.28-0.01?m4層金屬CMOS工藝發(fā)展CPU發(fā)展集成度與內(nèi)存每18月翻一番

286于82年13.4萬管，尋16MB，可虛擬1GB1.1微機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展六代2000年后1.1微機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展單片機(jī)單板機(jī)個人計(jì)算機(jī)多用戶系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)微機(jī)的分類1.2微機(jī)系統(tǒng)的組成圖

計(jì)算機(jī)的基本組成2．控制器是統(tǒng)一調(diào)度和控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵部件，是指揮控制神經(jīng)中樞。取指、分析、微時序。1．運(yùn)算器是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理的部件，它主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）組成3.存儲器存放程序和數(shù)據(jù)的部件。主存又稱內(nèi)存，輔助又稱外存4.I/O設(shè)備--外設(shè)人機(jī)交互、輸入／輸出主機(jī)CPUIntel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentium

IIIntelPentiumIIIIntelPentiumIVCPU

主機(jī)主板主機(jī)箱體內(nèi)的主板是構(gòu)成復(fù)雜電子系統(tǒng)的中心。在面板上密布著各種元件（包括南、北橋芯片組、BIOS芯片等）、插槽（CPU插槽、內(nèi)存條插槽和各種擴(kuò)展插槽等）和接口（串口、并口、USB口、IEEE1394口等）

主機(jī)主板華碩X58主板主機(jī)內(nèi)存儲器存儲器單位：b，B，ＫＢ，ＭＢ，ＧＢ存儲器分為：ROM和RAM主機(jī)總線按總線傳送信息類別分類：地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）按信息傳送方向分類：單向總線、雙向總線按總線層次結(jié)構(gòu)分類：CPU總線、存儲總線、系統(tǒng)總線和外部總線為了簡化硬件電路設(shè)計(jì)、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。顯示器接口、打印機(jī)接口、PS/2、USB主機(jī)I/O接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)1.3微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：按照總體布局的設(shè)計(jì)要求如何將微機(jī)內(nèi)各部件掛接在總線上以構(gòu)成某個系統(tǒng)的連接方式。1.3微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4微處理器結(jié)構(gòu)模型的組成1.運(yùn)算器ALU（ArithmeticLogicUnit）2.控制器IR（InstructionRegister）指令寄存器ID（InstructionDecoder）指令譯碼器PLA（Programmable

LogicArray）可編程邏輯陣列3、內(nèi)部寄存器組A（Accumulator）累加器DR（DataRegister）數(shù)據(jù)寄存器PC（ProgramCounter）程序計(jì)數(shù)器AR（AddressRegister）地址寄存器FR（FlagRegister）標(biāo)志寄存器RA(RegisterArray)寄存器組1.4微處理器結(jié)構(gòu)模型的組成1.5存儲器的組成與讀寫操作1.5存儲器的組成與讀寫操作計(jì)算機(jī)的工作原理：“存儲程序”＋“程序控制”，即先把處理問題的步驟和所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的指令和數(shù)據(jù)送入存儲器中保存起來；工作時，由計(jì)算機(jī)的處理器將這些指令逐條取出執(zhí)行。1.6微機(jī)的工作過程1.6微機(jī)的工作過程開始程序

結(jié)束

指令1

指令n

指令2。。。

取出指令

指令譯碼

操作數(shù)讀出

指令執(zhí)行指令格式操作碼操作數(shù)1.6微機(jī)的工作過程舉例：微機(jī)處理器如何實(shí)現(xiàn)3+2=？名稱助記符機(jī)器碼說明立即數(shù)取入累加器MOVA，n10110000n雙字節(jié)指令，把立即數(shù)取入累加器A中加立即數(shù)ADDA，n00000100n雙字節(jié)指令，把立即數(shù)與A中數(shù)值相加暫存A中暫停HLT11110100CPU停止所有操作模型機(jī)指令集1.6微機(jī)的工作過程101100000000011000001000000001011110100……存儲器中的指令地址0001020304…MOVA,3ADDA,2HLT程序?qū)崿F(xiàn)1.6微機(jī)的工作過程1.6微機(jī)的工作過程1.6微機(jī)的工作過程1.6微機(jī)的工作過程1.7微機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)1.7.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制數(shù)制二進(jìn)制十進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制用途計(jì)算機(jī)內(nèi)用

現(xiàn)實(shí)生活用用于壓縮書寫二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換更直觀、更簡潔、更方便數(shù)碼0，10，1，…，90，1.......70，1....9，A，B....F基數(shù)210816位權(quán)2i

10i

8i

16i

規(guī)則逢2進(jìn)1逢10進(jìn)1逢8進(jìn)1逢16進(jìn)1表示形式(XX…X)2

XX…XB(XX…X)10XX…XD(XX…X)8XX…XQ(XX…X)16

XX…XH1.k進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)各位數(shù)字按位權(quán)展開后相加例1：二進(jìn)制數(shù)11011→十進(jìn)制數(shù)1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換例2：八進(jìn)制數(shù)27651→十進(jìn)制數(shù)1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換2.十進(jìn)制數(shù)→k進(jìn)制數(shù)

整數(shù)部分：除k倒取余數(shù)小數(shù)部分：乘k順取整數(shù)例3：512.75D=1000.6Q（10進(jìn)制→8進(jìn)制，K=8）1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換2.十進(jìn)制數(shù)→k進(jìn)制數(shù)

整數(shù)部分：除k取余（倒取）小數(shù)部分：乘k取整（順?。├?：130.625D=10000010.101B;(10進(jìn)制→2進(jìn)制）1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換3.二←→八←→十六進(jìn)制特殊關(guān)系以小數(shù)點(diǎn)為基點(diǎn)，分別向左、向右3（4）位二進(jìn)制數(shù)用1位八（十六）進(jìn)制數(shù)取代（不足三位零補(bǔ)）即：三合一（四合一）反之則：一拉三（一拉四）例5：（1000000000.01)2=（1000.2)8

001

000

000

000.010

↓↓↓↓↓

1000.2同樣：寫成16進(jìn)制形式則為：

200.4H1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換例6：101111.001111B=2F.3CH0010

1111.0011

1100↓↓↓↓

2F.3C反向轉(zhuǎn)換：1拉4口令2F.3CH=00101111.0011

1100B

1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.7.2各種進(jìn)位數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換4.數(shù)制轉(zhuǎn)換的幾點(diǎn)快速技巧

1）轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制整數(shù)時，除8最快。除2太慢，且篇幅巨大；除16是二位數(shù)，速度也慢。利用除8以后一拉三速度最快。2）利用最大拆分原則分解十進(jìn)制數(shù)權(quán)位值：256、128、64、32、16、8、4、2、1

例如103D拆分為64+32+4+2+1=1100111B3）利用k=1024=210快速決定位數(shù)與容量的關(guān)系

1k=210=10位；1k×1k=1M=20位；

1M×1k=1G=30位；64G=36位1.7.3二進(jìn)制編碼BCD碼不同碼制所對應(yīng)的十進(jìn)制8421碼2421碼余3碼00000000011100102200113300100441010152011063011174100085100196101071011581100691101711108111191.二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)1.7.3二進(jìn)制編碼2.字母與字符的編碼ASCII字符編碼

每個字符用7位基2碼表示，其排列次序?yàn)锽6B5B4B3B2B1B0。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，每個字符是用8位（即一個字節(jié)）表示的。一般情況下，將最高位置為0，即B7為0。需要奇偶校驗(yàn)時，最高位用作校驗(yàn)位。1.7.3二進(jìn)制編碼表1-6ASCII字符編碼B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS?<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDEL1.7.4二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的加法、減法、乘法、除法，與、或、非、異或見例題1-14至1-241.7.4二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算二進(jìn)制乘法的運(yùn)算規(guī)則是：0×0＝0；0×1＝0；1×0＝0；1×1＝1。[例1.19]計(jì)算1111乘以1101。1.7.4二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算除法是乘法的逆運(yùn)算。因此，它是確定一個數(shù)（除數(shù)）可以從另一個數(shù)（被除數(shù)）中連減多少次的過程。[例1.20]計(jì)算100011除以101。1.7.4二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算1.8數(shù)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示（小數(shù)點(diǎn)固定還是浮動）1.定點(diǎn)數(shù)N=S×2P

小數(shù)點(diǎn)位置固定的機(jī)器數(shù)；具有運(yùn)算簡便,表示范圍小的特點(diǎn);其中S表示了N的全部有效數(shù)字，稱之為N的尾數(shù)，一般用原碼來表示；P指明小數(shù)點(diǎn)的位置，對于定點(diǎn)數(shù)P=0。

1)定點(diǎn)整數(shù)：小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)值位之后。 2)定點(diǎn)小數(shù)：小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)值位之前符號位之后。

小數(shù)點(diǎn)在機(jī)器中不占位置，機(jī)器中的定點(diǎn)數(shù)具體代表定點(diǎn)整數(shù)還是定點(diǎn)小數(shù)，由程序員預(yù)先約定好。1.8數(shù)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示11010111-0.101011101010111+0.1010111n位定點(diǎn)小數(shù)能表示的數(shù)值范圍2-n≦|N|≦1-2-n例：二進(jìn)制數(shù)浮點(diǎn)表示：B=±S×2±P

PfPSfS

階苻階碼尾數(shù)尾數(shù)符號2、浮點(diǎn)數(shù)1）小數(shù)點(diǎn)位置不固定。表示范圍大，運(yùn)算復(fù)雜。1.8數(shù)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示例如：2+100×0.1011101010001011101階符階碼尾符尾碼2）浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化表示規(guī)格化表示：使數(shù)值最高位為有效數(shù)值位。尾數(shù)用原碼表示時，使其最高位為1。尾數(shù)用補(bǔ)碼表示時，應(yīng)滿足尾數(shù)最高數(shù)值位與符號位不同，即0.1××…×和1.0××…×。規(guī)格化操作：相應(yīng)地調(diào)整尾數(shù)和階碼的大小，使其滿足要求。1.8數(shù)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示m位階碼，n位尾數(shù)浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍2-（m-1）·2-n≦|N|≦2+（m-1）·（1-2-n）1.9帶符號數(shù)的表示方法

二進(jìn)制數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼及運(yùn)算（原碼、反碼、補(bǔ)碼及運(yùn)算）

●常用二進(jìn)制數(shù)編碼有原碼、反碼、補(bǔ)碼，大多微機(jī)數(shù)字采用補(bǔ)碼編碼運(yùn)算?！駲C(jī)器數(shù)：帶符號的二進(jìn)制數(shù)值在機(jī)器內(nèi)的編碼，即符號位數(shù)值化。（符號位：0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)）●真值：機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際值。(1)原碼、反碼、補(bǔ)碼的數(shù)學(xué)表達(dá)注意三式對比1.9帶符號數(shù)的表示方法+(2)原碼、反碼、補(bǔ)碼的實(shí)際求法由式可知：正數(shù)的原、反、補(bǔ)碼完全一樣！

(也可以理解為正數(shù)無反碼、補(bǔ)碼)

原碼求法（設(shè)機(jī)器字長為n位）當(dāng)X≥0時，[X]原的最高位為0，其余n-1位填X的各數(shù)值位的位值，超出數(shù)據(jù)范圍的最高位自然丟失。當(dāng)X≤0時，[X]原的最高位填1，其余n-1位填X的各數(shù)值位的位值。1.9帶符號數(shù)的表示方法(2)原碼、反碼、補(bǔ)碼的實(shí)際求法

反碼求法：負(fù)數(shù)的反碼就是原碼的符號位保持不變，其余按位取反。

補(bǔ)碼求法：負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼就是原碼的符號位保持不變，其余按位取反+1。也可以直接由負(fù)數(shù)原碼寫出負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼：兩個1之間的所有的位均取反1.9帶符號數(shù)的表示方法(2)原碼、反碼、補(bǔ)碼的實(shí)際求法例如機(jī)器字長n=8位，X=-68D，求X原、反、補(bǔ)碼。解：字長8位，符號1位，數(shù)值占7位。

[-68]原=-(64+4)=11000100B[-68]反=10111011B[-68]補(bǔ)=[10111011B]反+1=10111100B

由原碼11000100B直接寫出10111100B1.9帶符號數(shù)的表示方法規(guī)則①[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)②[X－Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[－Y]補(bǔ)減法運(yùn)算通常變成加法運(yùn)算

[X]補(bǔ)-[Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)由[Y]補(bǔ)求[-Y]補(bǔ)：從[Y]補(bǔ)最低位開始第一個“1”不變，其余包括符號在內(nèi)的所有位都變反，即得[-Y]補(bǔ)。（注意包括符號位變反）(3)補(bǔ)碼的運(yùn)算1.9帶符號數(shù)的表示方法00100110B01100000B00111010B110111001B11100100B110101