微機原理及應用

微機原理及應用計算機簡介（補充內容）1微型計算機的發(fā)展和應用2微型計算機系統(tǒng)的組成3計算機中的數(shù)據(jù)表示4第一章微型計算機系統(tǒng)概述一、微型計算機的發(fā)展第一代：71-73年，4位CPU代表產品：Intel4004、8008執(zhí)行速度：50KIPS主要應用：家用電器、計算器、簡單控制等第二代：73-78年，8位CPU代表產品：Intel8080執(zhí)行速度：500KIPS主要應用：教學實驗、工業(yè)控制、智能儀器等Altair8800：第一臺個人計算機APPLEⅡ：真正意義的個人計算機一、微型計算機的發(fā)展第三代：78-86年：16位CPU代表產品：Intel8086、8088執(zhí)行速度：2.5MIPS主要應用：數(shù)據(jù)處理、辦公自動化、管理系統(tǒng)等IBMPC：現(xiàn)代PC機的鼻祖，于1981年推出一、微型計算機的發(fā)展第四代：32位CPU1986推出803861990推出804861993推出P51997推出PⅡ1999推出PⅢ2000推出PⅣ一、微型計算機的發(fā)展第五代：64位CPU2000年底推出P7（Iantium）：安騰2001年底推出Mckinley：安騰2主要應用：面向工作站和服務器，目前已廣泛用于PC機一、微型計算機的發(fā)展發(fā)展趨勢更寬：字長，CPU一次運算的位數(shù)更快：時鐘，CPU的工作頻率更強：集成度，IC芯片內晶體管的數(shù)量摩爾定律：1965年提出，每隔1年半，IC集成度將增加一倍。CPU400480808086286386486P1P2P3P4時鐘(MHz)0.124.77205010020050015005000集成度(萬)0.250.92.9271203304507502800125003微機的發(fā)展一、微型計算機的發(fā)展Intel80x86系列處理器8038680486奔騰奔騰II奔騰4802868086奔騰III酷睿4004不是我不明白，這世界變化太快。扎扎實實掌握知識，以不變應萬變！IA-32處理器安騰一、微型計算機的發(fā)展

“龍芯1號”：2002年9月由中科院計算所推出達到國際97年前后水平，等同于P226632位，0.18微米，400萬集成度，2億次/秒速度應用：曙光龍騰服務器、無線PDA等我國的微處理器發(fā)展“方舟-1”：2001年4月由中芯公司推出0.25微米工藝，166MHz時鐘，32位字長我國首枚具有自主知識產權的實用化CPU應用：網絡計算機、嵌入式設備等我國的微處理器發(fā)展

“龍芯2號”：2003年12月由中科院計算所推出樣片性能接近1GHzP4，與國外差距縮小為3年我國首款64位通用CPU，時鐘500MHz，0.18微米應用：Linux桌面PC、安全服務器、網絡防火墻等4我國的微處理器發(fā)展我國的微處理器發(fā)展計算機應用通常分成如下各個領域科學計算，數(shù)據(jù)處理，實時控制計算機輔助設計，人工智能，……由于微型計算機具有如下特點體積小、價格低工作可靠、使用方便、通用性強……所以，可以分為兩個主要應用方向二、

微型計算機的應用微型計算機應用的兩個方向:用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向通用微機，例如：PC微機功能越強越好、使用越方便越好用于過程控制及嵌入式應用方向專用微機，例如：工控機、單片機可靠性高、實時性強程序相對簡單、處理數(shù)據(jù)量小二、

微型計算機的應用計算機簡介（補充內容）1微型計算機的發(fā)展和應用2微型計算機系統(tǒng)的組成3計算機中的數(shù)據(jù)表示4第一章微型計算機系統(tǒng)概述微處理器、微機與微機系統(tǒng)微處理器：一般指CPU嚴格地講，微處理器≠CPUCPU：ALU+控制部件微處理器：CPU+寄存器組微機：微處理器+存儲器+輸入/輸出接口單板機：三大部分安裝在一塊電路板上單片機：三大部分集成在一塊芯片上，常稱為微控制器微機系統(tǒng)：微機+外圍設備+軟件一、微型計算機的硬件系統(tǒng)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)一、微型計算機的硬件系統(tǒng)CPU：中央處理單元基本功能：取指令、分析指令、執(zhí)行指令主要參數(shù)：字長、速度內部組成：ALU：算術邏輯運算單元控制部件：控制核心寄存器組：一類特殊的存儲器件，其存儲二進制數(shù)的位數(shù)通常與字長一致內部數(shù)據(jù)通路：其寬度通常與字長一致一、微型計算機的硬件系統(tǒng)存儲器基本功能：存放程序與數(shù)據(jù)主要參數(shù)：容量、速度分類：三級存儲體系：內存、外存、緩存（cache）RAM與ROM：分別存放數(shù)據(jù)和程序虛擬存儲器：通常由硬盤構成組織形式：存儲單元：以字節(jié)（Byte）為單位單元地址：一組二進制數(shù)，如0000H地址寬度與單元數(shù)量的關系：2n一、微型計算機的硬件系統(tǒng)I/O接口幾個容易混淆的概念：I/O設備：具體實現(xiàn)功能的外設，如顯示器I/O接口：CPU與外設之間的緩沖電路，如顯卡I/O端口：接口電路中的一些寄存器為什么會使用I/O接口？不同外設存在速度上、控制上的差異端口地址：與存儲單元地址本質相同端口種類：數(shù)據(jù)、控制、狀態(tài)端口寬度：由外設傳輸數(shù)據(jù)的能力決定一、微型計算機的硬件系統(tǒng)總線BUS是指傳遞信息的一組公用導線總線是傳送信息的公共通道微機系統(tǒng)采用總線結構連接系統(tǒng)功能部件總線信號可分成三組地址總線AB：傳送地址信息數(shù)據(jù)總線DB：傳送數(shù)據(jù)信息控制總線CB：傳送控制信息總線還有電源、地線等其他輔助信號一、微型計算機的硬件系統(tǒng)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、適應性等一、微型計算機的硬件系統(tǒng)圖1.1微型計算機的系統(tǒng)組成控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB系統(tǒng)總線形成處理器子系統(tǒng)I/O設備I/O接口存儲器系統(tǒng)總線BUS一、微型計算機的硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件由廠商提供的軟件如：操作系統(tǒng)、語言處理程序、監(jiān)控程序等應用軟件由用戶根據(jù)自己的需求而編寫的軟件如：工具軟件、用戶程序等一、微型計算機的軟件系統(tǒng)計算機簡介（補充內容）1微型計算機的發(fā)展和應用2微型計算機系統(tǒng)的組成3計算機中的數(shù)據(jù)表示4第一章微型計算機系統(tǒng)概述1.4計算機中的數(shù)據(jù)表示字符的表示（ASCII碼，漢字）定點數(shù)與浮點數(shù)帶符號數(shù)的表示進位計數(shù)制信息的數(shù)字化（補充內容）

計算機是通過執(zhí)行程序（指令序列）來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加工處理的。計算機中的各種信息可分為兩大類:控制信息,數(shù)據(jù)信息控制信息：指令代碼序列以此為基礎產生的控制信號(微命令)序列，控制計算機的工作。數(shù)據(jù)信息:計算機加工處理的對象,分為數(shù)值型和非數(shù)值型(字符、文字、圖像、聲音等)信息的數(shù)字化表示包含兩層含義：

?用數(shù)字代碼表示各種信息

?用數(shù)字信號表示數(shù)字代碼一、信息的數(shù)字化

在計算機中用數(shù)字代碼表示各種信息二進制代碼例1用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù)

5

-5

表示為00000101

表示為10000101

一、信息的數(shù)字化例2用數(shù)字代碼表示字符

A

B

表示為1000001

表示為1000010

例3用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài)

啟動

停止

正在工作

工作結束

表示為00

表示為01

表示為

10

表示為11

一、信息的數(shù)字化圖像、聲音等如何表示？

在物理機制上用數(shù)字信號表示數(shù)字代碼

數(shù)字型電信號例1用電平信號表示數(shù)字代碼

高電平

1

低電平

0

例2用脈沖信號表示數(shù)字代碼

有脈沖無脈沖有脈沖101實現(xiàn)并行操作實現(xiàn)串行操作一、信息的數(shù)字化

用數(shù)字化方法表示信息的主要優(yōu)點

（1）在物理上容易實現(xiàn)信息的表示與存儲（2）抗干擾能力強，可靠性高（3）數(shù)值的表示范圍大，表示精度高（4）表示的信息類型極其廣泛（5）能用數(shù)字邏輯技術進行信息處理一、信息的數(shù)字化

1、進位計數(shù)制數(shù)制的兩大要素：基數(shù)R：進位制中允許使用的基本數(shù)碼個數(shù)。

基數(shù)為R的數(shù)制稱為R進制數(shù)，特點是逢R進1

。權Wi：權也稱權重（或位權），指某一位i上的數(shù)碼的權重值(權與數(shù)碼的位置有關Wi

＝Ri）。例如：十進制(基數(shù)為10：0-9；“逢十進一”，“借一當十”;位權：以10為底的冪）3433.32=3103+4102+3101+3100+310-1+310-2二、進位計數(shù)制

計算機中常用的進位制

(1)

二進制的表示

(2)

八進制的表示(3)

十六進制的表示

(4)

十進制的表示

(5)二--十進制的表示十進制（Decimal）、二進制（Binary）、八進制（Octal）、十六進制（Hexdecimal）數(shù)分別用D、B、Q、H來標志。

1、進位計數(shù)制二、進位計數(shù)制十進制二進制八進制十六進制二--十進制000000000001000111000120010220010300113300114010044010050101550101601106601107011177011181000108100091001119100110101012A0001000011101113B0001000112110014C0001001013110115D0001001114111016E0001010015111117F00010101

常用進位制之間的對應關系(1)二進制、八進制、十六進制轉換成十進制方法：“按權相加”例如：

1）1011.01B=

2）2536.2Q=

3）4E6.CH=

123+022+121+120+02-1+12-2

=11.25D

283+582+381+680+28-1

=1374.25D

4162+14161+6160+1216-1

=1254.75D

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制(2)十進制轉換成二進制、八進制、十六進制方法：整數(shù)部分：“除基取余”小數(shù)部分:“乘基取整”例如：215.6875D=?B215D=0.6875D=

11010111B0.1011B即215.6875D=11010111.1011B

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制(3)二進制與八進制、十六進制之間的轉換由于二進制的基數(shù)與八進制、十六進制的基數(shù)之間有整冪的關系（23=8,24=16）例1：273.14Q=?B||||||010111011.001100即273.14Q=10111011.0011B273.14

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制(3)二進制與八進制、十六進制之間的轉換由于二進制的基數(shù)與八進制、十六進制的基數(shù)之間有整冪的關系（23=8,24=16）例2:3B5.4CH=?B3B5.4C||||||001110110101.01001100即3B5.4CH=1110110101.010011B

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制(3)二進制與八進制、十六進制之間的轉換例3:11101010.10011B=?Q011101010.100110||||||352.46即11101010.10011B＝352.46Q

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制(3)二進制與八進制、十六進制之間的轉換例4:1010101111.01111B=?H

001010101111.01111000||||||2AF.78即1010101111.01111B＝2AF.78H

2、不同數(shù)制間的轉換二、進位計數(shù)制機器數(shù)：連同數(shù)符一起數(shù)碼化的數(shù)

帶符號數(shù)有原碼、反碼、補碼三種表示法。真值：用“＋”、“－”表示正負例如：X1=+1011010（真值）

X2=-1011010（真值）X1

=+1011010(二進制真值)X1

=01011010(機器數(shù))X2

=-1011010(二進制真值)X2

=11011010(機器數(shù))三、帶符號數(shù)表示法真值與機器數(shù)

（1）原碼的表示法一個數(shù)的真值中的符號“＋”用0表示，而“－”用1表示，有效數(shù)值部分用二進制數(shù)絕對值的二進制數(shù)稱為原碼。

定點小數(shù)(N+1位)原碼形式:X0.X1X2…Xn

定點整數(shù)(N+1位)原碼形式:X0,X1X2…Xn(X0為符號位)例如：

X1=+77D=+1001101[X1]原＝01001101X2=-77D=-1001101[X2]原＝11001101三、帶符號數(shù)表示法（2）反碼的表示法正數(shù)的反碼與正數(shù)的原碼相同，而負數(shù)的反碼為除符號位外，將原碼逐位求反。例如：X1=+77D=+1001101X2=-77D=-1001101[X1]原＝01001101[X2]原＝11001101[X1]反＝01001101[X2]反＝10110010定點小數(shù)(N+1位)反碼形式:X0.X1X2…Xn,定點整數(shù)(N+1位)反碼形式:X0,X1X2…Xn，

三、帶符號數(shù)表示法（3）補碼的表示法正數(shù)的補碼與正數(shù)的原碼相同，而負數(shù)的補為其反碼加1。例如：X1=+77D=+1001101X2=-77D=-1001101[X1]反＝01001101[X2]反＝10110010[X1]補＝01001101[X2]補＝10110011定點小數(shù)(N+1位)補碼形式:X0.X1X2…Xn定點整數(shù)(N+1位)補碼形式:X0,X1X2…Xn三、帶符號數(shù)表示法三種機器數(shù)的小結

對于正數(shù)，原碼=補碼=反碼

對于負數(shù)，符號位為1，其數(shù)值部分原碼除符號位外每位取反末位加1補碼原碼除符號位外每位取反反碼

最高位為符號位，書寫上用“,”（整數(shù)）或“.”（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號位隔開三、帶符號數(shù)表示法1、定點表示法

（1）無符號的定點整數(shù)

XnXn-1Xn-2。。。X0

數(shù)值部分（尾數(shù)）小數(shù)點的位置

無符號的定點整數(shù)表示的范圍：0～(2n+1-1)

例如：8位字長無符號的定點整數(shù)表示的范圍：０～２５５四、數(shù)的定點表示和浮點表示1、定點表示法

（2）

帶符號的定點整數(shù)

XnXn-1Xn-2...X0

符號位數(shù)值部分（尾數(shù)）小數(shù)點的位置

原碼定點整數(shù)表示的范圍：-(2n-1)～(2n-1)

補碼定點整數(shù)表示的范圍：-2n

～(2n-1)

例如：8位字長原碼定點整數(shù)表示的范圍：－１２７～＋１２７補碼定點整數(shù)表示的范圍：－１２８～＋１２７四、數(shù)的定點表示和浮點表示1、定點表示法

3）帶符號的定點小數(shù)

XnXn-1Xn-2。。。X0符號位小數(shù)點數(shù)值部分（尾數(shù)）

原碼定點整數(shù)表示的范圍：-(１－2-n)～(１－2-n)補碼定點整數(shù)表示的范圍：-１～(１－2-n)例如：16位字長原碼定點整數(shù)表示的范圍：－(1-2-15)～＋(1-2-15)補碼定點整數(shù)表示的范圍：－１～＋(1-2-15)

四、數(shù)的定點表示和浮點表示

2、

浮點表示法

N=M×RE浮點數(shù)的一般形式M

尾數(shù)E

階碼R

基數(shù)（R

取值2、4、8、16等）當R=2N=11.0101=0.110101×210=1.10101×21=1101.01×2-10

=0.00110101×2100

計算機中M

小數(shù)、可正可負E

整數(shù)、可正可負

規(guī)格化數(shù)二進制表示四、數(shù)的定點表示和浮點表示

浮點數(shù)格式（格式1）

EfE1E2...EmMfM1M2...Mn

階符階碼E數(shù)符尾數(shù)M

2、浮點表示法

MfEfE1...ElM1M2…Mn數(shù)符階符階碼E尾數(shù)M浮點數(shù)的真值為：S=±REM浮點數(shù)由兩個部分組成：階碼E和尾數(shù)M范圍主要由階碼決定，精度主要由尾數(shù)決定。格式2四、數(shù)的定點表示和浮點表示-100000-11111-11110-00001±00000+00001+00010+11110+11111……真值x(二進制)[x]補[x]移

真值x(十進制)

真值、補碼和移碼的對照表……-32-31-30-10+1+2+30+31……000000000010000001011111100000100001100010111110111111……011111011110000010000001000000111111100010100001100000四、數(shù)的定點表示和浮點表示定點、浮點表示法小結數(shù)值部分小數(shù)點位置Xn-1Xn-2X0……Xn符號位數(shù)值部分Xn-1Xn-2Xn-3X0……數(shù)值部分(尾數(shù))小數(shù)點位置Xn-1Xn-2X1X0…….符號位EfE1……E2EmM1MfM2……Mn階碼E階符尾數(shù)M數(shù)符

1、ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美國國家信息交換標準代碼表示字符數(shù):128個（7位編碼）

大小寫

英文字母(52個)十進制數(shù)(10個)專用符號(34個)控制字符(32個)計算機通常用1字節(jié)存放1個字符（最高位0+7位代碼）小型和微型計算機都用ASCII碼.字符串的表示？五、字符的表示（ASCII碼，漢字）字符的ASCII編碼五、字符的表示（ASCII碼，漢字）2、漢字編碼五、字符的表示（ASCII碼，漢字）（1）

漢字輸入碼

按排列順序形成的漢字編碼（流水碼），

如區(qū)位碼；按讀音規(guī)則形成的漢字編碼（音碼），

如全拼、雙拼等；按字形形成的漢字編碼（形碼），

如五筆字型等；按音、形結合形成的漢字編碼（音形碼），如自然碼、智能ABC。

五、字符的表示（ASCII碼，漢字）1個漢字用2個字節(jié)組成，其高位是01)區(qū)位碼：是數(shù)字編碼，無重碼。

把國標碼GB2312-80全部字符集組成94*94方陣，每1行稱1個區(qū)，編號從01-94，區(qū)號在前每1列稱1個位，編號從01-94，位號在后每個漢字1個區(qū)號，1個位號，均用10進制表示例如：“啊”的區(qū)位碼是(1601)D。2)國標碼：GB2312-80編碼規(guī)定：把區(qū)碼和位碼轉化為16進制，分別加上20H，構成國標碼。例如：“啊”的國標碼是3021H，即低