微處理器與計算機導論

第一章微處理器與計算機導論提綱第一節(jié)發(fā)展歷史第二節(jié)數制系統(tǒng)第三節(jié)計算機數據格式第四節(jié)微處理器與PC系統(tǒng)**微計算機*電子元器件的飛速發(fā)展，推動計算機技術的飛速發(fā)展，計算機性能得到了極大提高，其體積大大縮小，應用越來越普及。20世紀70年代末期8位機開始走向16位機。20世紀80年代，微機進入32位機的發(fā)展階段。微機這一高科技領域的產品已觸及到社會的各個角落。20世紀90年代，微機進入64位機的發(fā)展階段21世紀初，逐步邁進64位計算時代Intel的發(fā)展歷史見證了微處理器的發(fā)展歷史。起止年代主要元件主要元

速度（次件圖例

/秒）特點與應用領域第一代40-50年

5000～

體積巨大，運算速度低，耗電量大，存儲容量小代

電子管計算機發(fā)100展00

的應四用領個域：科階學計段算。第二代50-60年代晶體管第三

60年代代中、小規(guī)模集成電路幾十萬～幾百萬體積減小，耗電較少，運算速度較高，價格下降幾萬～幾

。十萬

應用領域：科學計算、數據處理和事務管理、工業(yè)控制。體積、功耗更少，可靠性及速度更高。應用領域：文字處理、企業(yè)管理、自動控制、城市交通管理等方面。性能大幅度提高，價格大幅度下降。幾千萬～

應用領域：辦公自動化、電子編輯排版、數據庫千百億

管理、圖像識別、語音識別、專家系統(tǒng)等各行各業(yè)。第四代70年代至今大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路機械時代算盤機械式計算器最早的計算機中國Pascal計算器法國數學家Pascal齒輪與轉輪運算機構革命性的10齒齒輪PASCAL語言因其命名*機械時代計算器

計算機不僅僅為了計算用程序計算數據!!!!!1937,Babbage分析機機械式計算機1000個20位長的十進制數字一個執(zhí)行各種任務的可變的程序借鑒Jacquard的穿孔卡片機輸入模式思想*電子時代自動化用電動機驅動的機械式機器計算1889,

Herman

Hollerith穿孔卡片存儲組建了Tabulating

Machine

Company（機械制表公司）

IBM第一臺電子計算機

Z1,1941,Konrad

Zuse Z3繼電器邏輯機器5.33Hz*電子時代第一臺真正的電子計算機1943,Alan

Turing破譯密碼不可編程專用計算機*電子時代第一臺通用可編程計算機系統(tǒng)賓夕法尼亞大學摩爾學院1946,ENIAC(電子數字積分器和計算器)17000真空管500英里長的導線30噸24m*6m*2.5m每秒100000次運算可編程！??！*集成電路(IC)第一個晶體管1948,

John

Bardeen,

Walter

Brattain,

WilliamSchockley第一塊集成電路1958,

Jack

Kilby*微處理器時代Intel

4004

(1970)4位微處理器4KB主存45條指令P溝道MOS技術

50KIPS(每秒千條指令)740KHz與ENIAC相比100KIPS30噸F14

CADC

(1970)ALU9.15KHz(F14雄貓戰(zhàn)斗機主控芯片)軍事機密，1998年解密*微處理器時代Intel

8008

(1971)4004的8位版本16KB主存48條指令NMOS

6微米技術4500個晶體管*微處理器時代Intel

8080

(1973)8位微處理器.64KB主存.4.77MHz0.5MIPS(每秒百萬條指令).比8008快10倍.MITS

Altair

800Andy

Grove,Robert

Noyce和Gordon

MooreBill

Gates和Paul

Allen*微處理器時代Intel

8085

(1977)8位微處理器–8080的更新版本64KB主存1.3微秒時鐘周期

769230指令/秒246條指令Intel已經銷售了超過1億片這種8位微處理器*微處理器時代Intel

8086/8088現代微處理器16位微處理器1MB主存2.5MIPS4或6字節(jié)的指令緩存IBM

PC軟件發(fā)展電子表格、文字處理、拼寫檢查*微處理器時代Intel

80286

(1983)16位架構微處理器與8086相同16MB主存4.0MIPS(250ns/8MHz)Intel

80386

(1986)32位微處理器4GB主存12-33MHz內存管理*微處理器時代Intel

80486(1989)32位微處理器，32位數據總線與32位地址總線4GB主存20-50MHz.后來達到66和100MHz在一個封裝內合并了一個80386式的微處理器、一個80387式的浮點運算協(xié)處理器和一個8K字節(jié)的高速緩存約有半數的指令在1個時鐘周期內完成，而386需要2個時鐘*微處理器時代Intel

Pentium

(1993)32位微處理器，64位數據總線和32位地址總線4GB主存60,

66,

90MHz一倍半頻的100MHz版本兩倍頻的120和133MHz版本最快的版本是233MHz(三倍半頻)16KB一級高速緩存(指令和數據各分得8KB)內存?zhèn)鬟f速度為66MHz(而不是33MHz)雙整數處理器*微處理器時代Intel

Pentium

Pro

(1995)32位微處理器，64位數據總線和36位地址總線64GB主存基本頻率為150MHz16KB一級高速緩存(指令和數據各分得8KB)256KB二級高速緩存

內存?zhèn)鬟f速度為66MHz3個整數處理器*微處理器時代Intel

Pentium

II

(1997)32位微處理器，64位數據總線和36位地址總線64GB主存基本頻率為266MHz32KB分用的指令/數據一級高速緩存(每個16KB)模塊集成了512KB二級高速緩存(133MHz)內存?zhèn)鬏斔俾蕿?6MHz至100MHz(1998)*微處理器時代Intel

Pentium

III

(1999)32位微處理器，64位數據總線和36位地址總線64GB主存儲器.800MHz及以上頻率32KB分用的指令/數據一級高速緩存(每個16KB)片內256KB二級高速緩存(高速)內存?zhèn)鬟f速率為100MHz至133MHz雙獨立總線(同時L2和系統(tǒng)內存存取)*微處理器時代Intel

Pentium

IV

(2002)1.4至1.9GHz，最新的有3.20GHz至3.46GHz(超線程)!1MB/512KB/256KB二級高速緩存800MHz(約6.4GB/s)/533MHz(4.3GB/s)/400MHz(3.2GB/s)系統(tǒng)總線1066MHz前端總線專門為視頻流、游戲和DVD應用(144個新的SIMD128位指令).0.13um，超過5500萬個晶體管.新產品采用90nm晶體管,可能多于1.25億個晶體管未來*摩爾定律*集成芯片的容量每18個月會翻一番，性能也會提升一倍。1965,

Gordon

Moore摩爾定律在過去的40年中一直是有效的1971:4004

2,250晶體管1972:8008

2,500晶體管1974:8080

5,000晶體管1978:8086

29,000晶體管1982:

802861985:

803861989:

80486

DX1993:

Pentium1997:

Pentium

II1999:

Pentium

III2000:

Pentium

4120,000晶體管275,000晶體管1,180,000晶體管3,100,000晶體管7,500,000晶體管24,000,000晶體管42,000,000晶體管摩爾定律不會在不久的將來結束第25頁**編程語言*編程機器進展編程語言通過重寫電路來編程機器語言二進制代碼,0/1馮諾依曼機：一個可以接受指令并將指令存儲在內存中的系統(tǒng).匯編語言Mnemonic

codes(助記符)0100

0111

ADD高級語言FLOWMATIC,

Fortran,

ALGOL,

COBOLBasic,Pascal

教學語言C/C++Java多用于底層或與硬件相關的編程主要用于網絡編程數制計算機化的信息計算機是基于電磁學原理來進行工作的計算機化的信息通常采用一定電壓的信號來處理的12V電壓用于硬盤驅動器5/3V電壓用于總線接口或外部通信接口1.5/1.3V電壓用于CPU等計算機通常采用電壓的開關來表示和處理信息的電壓開（Voltage

On,Power

On）為1電壓關（Voltage

Off,Power

Off）為0采用上述兩種工作狀態(tài)時，電子設備的性價比最高，即價格最便宜、性能最穩(wěn)定可靠數制二進制電路所有現代計算機都是基于二進制信息處理過程二進制由兩個數組成?1?0電路斷開電路閉合數制字節(jié)與位數制字長位字節(jié)：8位字：2字節(jié)，16位雙字：4字節(jié)，32位數量級μ：10-6m：10-3K

：103M

：106G

：109T

：1012數制*數的表示從數字到數：數的進位計數制表示10進制表示、16進制表示、2進制表示、12進制表示等等數的不同進制表示之間的相互轉化數在計算機內部的表示真值和機器數二進制數的計算機表示：原碼、反碼和補碼基于機器數的運算（算術運算和邏輯運算）其它表示：BCD碼數制進位計數制的一般表示一般地，對任意一個K進制數S都可表示為其中：Si

--S的第i位數碼，可以是K個符號中任何一個；n,m--含義同前；K--基數(radix或number

base)；Ki

--K進制數的權(weight)*數制計算機的數制十進制數二進制數進制數舉例*進位計數制表示實例后綴：B,O,H,D◆例1:6進制表示下的25.2冪6^16^06^-1權6

1.167數2

5.2數值

12

+

5.

+

.333

=

17.333例2:2進制表示下的110.101冪2^2

2^1

2^0

2^-12^-22^-3權4

2

1

0.50.250.125數1

1

0.

101數值

4

+

2

+

06.625+ 0.5

+

0+

0.125

=不同進制的數之間的轉換*非十進制數到十進制數的轉換按相應進位計數制的權表達式展開，再按十進制求和。(整數和小數均遵循該原則)例：10110010B=(?)1013FAH=

(?)10數制計算機的數制二進制數

十進制數數制二進制數不同進制數之間的轉換十進制到非十進制數的轉換十進制→二進制的轉換：整數部分：除2取余；小數部分：乘2取整。十進制→十六進制的轉換：整數部分：除16取余；小數部分：乘16取整。以小數點為起點求得整數和小數的各個位。*數制計算機的數制十進制數

二進制數（不帶小數和帶小數）數制計算機的數制?

二進制數958710

=

100101011100112?

八進制數958710

=

(|010|010|101|110|011)2958710

=

(2|2|5|6|3)8958710

=

225638第41頁*數制計算機的數制BCH(二進制編碼的十六進制)二進制數958710

=

100101011100112十六進制數958710

=

|0010|0101|0111|00112958710

=

277316第42頁*數制二進制十六進制數制十六進制數數制*基本概念：機器數及其真值在計算機中，一個數連同它的符號都用二進制的編碼形式來表示，這種數稱為機器數。(Machine

Number)一個機器數對應的十進制數值稱為這個機器數的真值

(True

Value)基本概念：二進制數在計算機內的表示：原碼、反碼和補碼二進制數之間的運算無符號數

算術運算有符號數

邏輯運算注意它們之間的區(qū)別*數制無符號數的表示范圍一個n位的無符號二進制數X，其表示范圍為??0

≤

X

≤

2n-1若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。溢出的判斷判別方法：運算時，當最高位向更高位有進位（或借位）時則產生溢出機器數具有固定的位數一個8位機器數只能表示從(0)000000002到(255)111111112之間的數。如果在計算的過程中，如果結果超過255，這該計算機不能表示該數，產生“溢出”。無符號數的運算思考：X位無符號二進制數可表示的真值的范圍是多少？X=1時X=2時X=4時X=8時X=16時X=32時X=64時*有符號數的運算有符號數在計算機中的表示把二進制數的最高位定義為符號位符號位為

0

表示正數，符號位為

1

表示負數連同符號位一起數值化了的數，稱為機器數。機器數所表示的真實的數值，稱為真值。?有符號數的運算舉例:真值和機器數真值 機器數?

+52

=

+0110100

=

0

0110100?符號位

數值位?-52

=

-0110100

=

1

0110100?有符號數的運算有符號數在計算機中的表示對于符號數，機器數常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補碼記作[X]補。注意：對正數，三種表示法均相同。它們的差別在于對負數的表示。原碼[X]原定義符號位：0表示正，1表示負；數值位：真值的絕對值。原碼的例子符號符號位真值

X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼[X]原

=0

0010010[X]原

=1

0010010n位原碼表示數值的范圍是-(2n-1-1)~+(2n-1-1)對應的原碼是111

1～

011

1。原碼表示存在問題8位數0的原碼：+0=0

0000000-0

=

1

0000000即：數0的原碼不唯一負數不滿足算術運算法則如-2+1=-3-2

=

1

0000010◆

+

+1

=

0

0000001◆-3

=

1

0000011反碼[X]反定義若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對應原碼的符號位不變，數值部分按位求反反碼的例子X=

-

52

=

-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011反碼的例子符號符號位真值

X=+18=+0010010X=-18=-0010010反碼[X]反[X]反=0

0010010=1

1101101n位反碼表示數值的范圍是-(2n-1-1)~+(2n-1-1)對應的反碼是100

0～

011

1。反碼表示存在問題8位數0的反碼：+0=0

0000000-0

=

1

1111111即：數0的反碼不唯一數“零”的運算不滿足算術運算法則如-0+1=+0-0

=

1

1111111◆

+

+1

=

0

0000001◆+0

=

0

0000000補碼[X]補定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+1補碼的例子X=–52=–0110100

（真實數）[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100n位補碼表示數值的范圍是-2n-1~+(2n-1-1)對應的補碼是100

0～

011

1。0的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=

[-0]反+1

=11111111

+

1=00000000對8位字長，進位被舍掉∴[+0]補=[-0]補=000000000的補碼編碼表示得到統(tǒng)一正負數滿足算術運算特殊數10000000該數在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數：(10000000)２=128補碼計算方法以計算-12為例方法1計算+12的編碼，有000011002反轉所有位，有111100112加1，有111101002故有-1210=111101002方法2寫出+12的編碼，有000011002從后往前，依次寫0，直到找到第一個不為0的位，在該位對應位置寫1再往前，依次寫入相反的位即可故同樣有-1210=111101002計算機的數制表示機器數的表示法機器數的正負數表示采用機器數的最高位來表示?！?表示該數是正數√1表示該數是負數，通常采用補碼表示01111111000100010000000100000000111111111111010010000001100000001271710-1-12-127-128有符號數的運算8位二進制有符號數的表示范圍(表示范圍問題)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127思考：16位有符號數的表示范圍是多少？有符號數的運算有符號二進制數與十進制的轉換對用補碼表示的二進制數：

1）求出真值2）進行轉換思考：如何計算一個十進制數(包含整數和小數部分)的二進制補碼表示？有符號數的運算例：將一個用補碼表示的二進制數轉換為十進制數。1)[X]補

=

0

0101110B

真值為：+0101110B??正數所以：X=+462)[X]補=1

1010010B負數?X=[[X]補]補=[11010010]補=-0101110B所以：X=-46有符號數的運算*補碼加減法的運算規(guī)則

通過引進補碼，可將減法運算轉換為加法運算。規(guī)則：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補-[Y]補

其中X，Y為正負數均可，符號位參與運算，不需要特別單獨處理。有符號數的運算*例:基于補碼表示的計算X=-0110100，Y=+1110100，求[X+Y]補[X]原=10110100[X]補=[X]反+1=11001100[Y]補=

[Y]原

=01110100所以：[X+Y]補=[X]補+[Y]補?

=11001100+01110100?

=01000000Tongji

UniversityPage

69有符號數的運算*符號數運算中的溢出問題進(借)位在加法過程中，符號位向更高位產生進位；在減法過程中，符號位向更高位產生借位。溢出運算結果超出運算器所能表示的范圍。Tongji

UniversityPage

70有符號數的運算*溢出的判斷方法方法１：同號相減或異號相加——不會溢出。同號相加或異號相減——可能溢出：兩種情況：同號相加時，結果符號與加數符號相反——溢出；異號相減時，結果符號與減數符號相同——溢出。方法２：兩個帶符號二進制數相加或相減時，若C7

C6＝1，則結果產生溢出。C7為最高位的進(借)位；C６為次高位的進(借)位。Tongji

UniversityPage

71有符號數的運算Tongji

UniversityPage

72?有符號數運算，有溢出表示結果是錯誤的?無符號數運算，有進位表示結果是錯誤的情況1: 情況2:1

0

1

0

0

0

1

0

01

0

1

1

0

1

0

10

1

0

0

0

0

1

0+1

0

0

0

1

1

1

1+0

1

1

0

0

0

1

11

0

1

0

0

1

0

1情況3:0

1

0

0

0

0

1

0+

1

1

0

0

1

1

0

11

0

0

0

0

1

1

1

1*基礎知識小數表示定點表示法將小數點約定在機器數的某一固定位置上，如√將小數點約定在符號位和數值的最高位之間，這可以表示有符號純小數X=010100002=0.62510√將小數點約定在最低位之后，則表示整數。X=010100002=4810數制小數表示浮點表示法小數點位置不固定通常一個既有整數部分，又有小數部分的十進制小數D可以表示為√

D=R×10N√R為純小數，其小數點后的第一位數字為非零數字，N為指數，是一個整數?如√123.456可以表示為0.123456×103√0.00123456可以表示為0.123456×10-2數制小數表示浮點表示法同樣，對于既有整數部分，又有小數部分的二進制小數D，也可以表示為√

D=R×2N√R為二進制定點小數，稱為D的尾數。其小數點后的第一位數字為非零數字，√N為二進制定點整數，稱為D的階碼。?如√101(+5.0)可以表示為1.01×22=1.01×210√-0.0001101(-0.1015625)可以表示為-1.101×2-4=-1.101×211111100目前多采用IEEE754浮點數標準√對于單精度型，由符號位(1位)、階碼位(8位+127)和尾數位(23位)三部分組成√故有101=0

10000001

01000000

00000000

0000000

=

40A00000-0.0001101=1

01111011

10100000

00000000

0000000

=

BDD00000符號位(1位)

階碼(8位)

尾數(23位)*頁內存基本架構內存中的字節(jié)內存基本架構數據存儲字節(jié)Byte

-例

1-20,24字Word–例1-26,27雙字Double

Word–例1-28,29實數Real

Number–例1-28,29字符串String–例1-30*第78頁計算機數據格式計算機數據格式ASCII字符編碼

-

p34?ASCII

(American

Standard

Code

forInformation

Interchange) 美國標準信息交換碼?128字符。從00000002到01111112.?采用擴展編碼(extended ASCII)時，可以充分利用256個字符。從000000002到111111112計算機數據格式字符編碼信息“Hello.”的編碼計算機數據格式字符編碼GB2312-80編碼《信息交換用漢字編碼字符集》全部國標漢字和符號組成94×94的矩陣√每一行稱為一個“區(qū)”，有94個區(qū)√每一列稱為一個“位”，有94個位√這樣由一個區(qū)位碼(區(qū)碼在前，位碼在后)可以唯一確定一個字符區(qū)域劃分√1-15區(qū)為圖形符號區(qū)√16-55區(qū)為一級常用漢字區(qū)，漢字啊的編碼為160116√56-87區(qū)為二級常用漢字區(qū)√88-94區(qū)為用戶自定義漢字區(qū)計算機數據格式字符編碼GB2312-80編碼作為直接編碼會導致與ASCII編碼沖突在區(qū)碼和位碼上均增加A016,即10100000√這樣漢字“啊”的編碼為B0A116。計算機數據格式字符編碼GB2312-80編碼計算機數據格式字符編碼GB2312-80編碼計算機數據格式圖像編碼1代表黑.0代表白.=01010101010101010101011010110100100100011111000001101010101010101010100101101001011001010000011010010101010101010101011011000101000010100101010010110110101101101011010110011001011010001000100101101001011010010110101000100110010010110101001010010110110010101101010111011001100101001010110001101001001101011001001000100110011010101001000101010110110010110010010111011001100101010010010101010101010101001101101000100110001010000101010010101010101010110001001011001000110100111010000101010101010101000100010100010110100001000000110111011010101001010011010001101001001110010110100010100101010010001010010110010110110000101000001010101101000100100100100101111010101101010010110010101000010001001001011111010111110010100100100計算機數據格式4級灰度意味著使用四種形狀.每個像素需要兩位：?00–代表白色?01–代表淺灰色?10–代表深灰色?11–代表黑色計算機數據格式256級灰度意味著每個像素點需要8位來表示256種灰色計算機數據格式我們仍可以用8位(即一個字節(jié))來代表每個像素點的顏色.一個字節(jié)可以表示256個不同的數，因此我們在這幅圖像中可以有256種不同的顏色計算機數據格式更多的字節(jié)？3個字節(jié)紅綠藍像素點的顏色高級話題*8位數無符號數有符號數16位數/32位數十進制數的表示——BCD碼用4位二進制數表示一位十進制數。有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼的每一位用4位二進制表示，0000~1001表示

0~9，一個字節(jié)表示兩位十進制數。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進制數，高4位總是0000，低4位的0000~1001表示0~9。第90頁*頁第92頁微處理器架構內存與IO系統(tǒng)總線總線內存微處理器I/O系統(tǒng)動態(tài)RAM

(DRAM)8086打印機靜態(tài)RAM

(SRAM)8088串行通信設備高速緩存80186軟盤驅動器只讀存儲器(ROM)80286硬盤驅動器閃速存