微機(jī)原理與接口技術(shù)_01計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1、第11章 微型計算機(jī)基礎(chǔ)知識本章主要內(nèi)容 1.1 微型計算機(jī)的組成及工作原理 1.2 微型計算機(jī)的發(fā)展歷程與趨勢 1.3 微型計算機(jī)系統(tǒng) 1.4 數(shù)據(jù)表示與編碼 1.1 微型計算機(jī)的組成及工作原理1.1.1 微型計算機(jī)的基本組成 微型計算機(jī)是通過總線將微處理器、內(nèi)存儲器（RAM、ROM）和輸入/輸出接口連接在一起的有機(jī)整體。 1微處理器（Microprocessor） 中央處理器（Central Processing Unit，CPU）是計算機(jī)內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對處理過程進(jìn)行控制的部件。 2內(nèi)存儲器 內(nèi)存儲器也稱為主存，用于存放計算機(jī)當(dāng)前執(zhí)行的程序和需要使用的數(shù)據(jù)。它的存取速度快，CPU可以

2、直接對它進(jìn)行訪問。內(nèi)存儲器按讀、寫方式分為隨機(jī)存儲器（Random Access Memory，RAM）和只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）。 3I/O（輸入/輸出）接口 I/O接口電路是微型計算機(jī)的重要組成部件，是CPU與外部設(shè)備間交換信息的橋梁。它是微型計算機(jī)連接外部輸入、輸出設(shè)備及各種控制對象并與外界進(jìn)行信息交換的邏輯控制電路。 4總線 所謂總線，是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。按照所傳送信息的類型不同，總線可以分為數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB）、地址總線 （Address Bus，AB）和控制總線（Control Bus，CB）三種，通常稱微型計算

3、機(jī)采用三總線結(jié)構(gòu)。1.1.2 微型計算機(jī)的常用術(shù)語 1位和字節(jié)位（bit）是計算機(jī)所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值只能為0或1的一個二進(jìn)制數(shù)值位，位作為單位時記作b。字節(jié)（byte）由8個二進(jìn)制位組成，通常用作計算存儲容量的單位，字節(jié)作為單位時記作B。1K1024210 1M1024K220 1G1024M230 1T1024G240 2字長 字長是指計算機(jī)內(nèi)部參與運(yùn)算的數(shù)的位數(shù)。它決定著計算機(jī)內(nèi)部寄存器、ALU和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，直接影響著機(jī)器的硬件規(guī)模和造價。微型機(jī)的字長通常為4位、8位、16位、32位、64位 。 3主頻 主頻也稱作CPU的時鐘頻率，簡單地說就是CPU的工作頻率

4、。主頻的單位是MHz。一般而言，一個時鐘周期完成的指令數(shù)是固定的，所以主頻越高，CPU的速度也就越快。 4內(nèi)部緩存（cache） 內(nèi)部緩存也叫一級緩存（L1 cache），這種存儲器封裝于CPU內(nèi)部，存取速度與CPU主頻相同，內(nèi)部緩存容量越大，則整機(jī)工作速度也越快。 5工作電壓 工作電壓是指CPU正常工作所需的電壓。 6微處理器的生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)工藝是指在硅材料上生產(chǎn)微處理器時內(nèi)部各元器件間連接線的寬度，一般以m為單位，數(shù)值越小，生產(chǎn)工藝越先進(jìn)，微處理器的功耗和發(fā)熱量越小。 7微處理器的集成度 集成度是指微處理器芯片上集成的晶體管的密度。 8MIPS MIPS是Millions of Instr

5、uction Per Second的縮寫，用來表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令。 9iCOMP指數(shù) iCOMP指數(shù)是Intel公司為評價其32位微處理器的性能而編制的一種指標(biāo)，它是根據(jù)微處理器的各種性能指標(biāo)在微型計算機(jī)中的重要性來確定的。 1.2 微型計算機(jī)的發(fā)展歷程與趨勢 微型計算機(jī)的發(fā)展從1971年Intel公司首先研制成功的4位Intel 4004微處理器算起，已經(jīng)走過了40多年的歷程，微型計算機(jī)的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的。 1早期階段：4004/8085（19711976年） 在早期階段，CPU的字長為4位或8位，集成度為3 00010 000個晶體管/片，微

6、處理器的主頻為0.15MHz。 2第一代：8086/8088（19781981年） （1）1978年：Intel推出8086，它采用了3m工藝，集成了29 000個晶體管，工作頻率為4.77 MHz。 （2）1979年：Intel推出8088，除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與8086相同。 （3）1981年8月：IBM公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微型計算機(jī)IBM 5150 Personal Computer，即著名的IMB PC。 3第二代：80286（19821984年） 80286采用1.5m工藝，集成了134 000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線

7、仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達(dá)到16MB。 4第三代：80386（19851988年） 80386是第一個實(shí)用的32位微處理器，采用了1.5m工藝，集成了275 000個晶體管，工作頻率達(dá)到16MHz。 5第四代：80486（19891992年） 80486采用1m工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為25MHz。 6第五代：Pentium（19931997年） 第一代Pentium處理器（以P5代稱，1993年3月22日）采用0.8m工藝技術(shù)，集成了310萬個晶體管，工作頻率為60MHz/66MHz。 第二代Pentium處理器（以P54C代稱，1994年10月

8、10日）采用0.6m工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。 第三代Pentium MMX處理器（以P55C代稱，1997年1月8日）增加了57條多媒體指令。 7第六代：P6（19972000年） P6處理器包括Pentium、Pentium 、Pentium 4、Pentium Itanium，采用0.60.18m工藝，集成了550萬750萬個晶體管，時鐘頻率為166MHz1GHz，采用二級高速緩存，二級超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行3條指令。 8第七代：Intel Core（2006年至今） 1.3 微型計算機(jī)系統(tǒng) 1.3.1 微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成 微型計算機(jī)系統(tǒng)是指由硬件和軟件

9、共同組成的完整的計算機(jī)系統(tǒng)。 1微型計算機(jī)的硬件 微型計算機(jī)硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)和外設(shè)。主機(jī)主要由微處理器和內(nèi)存儲器組成，制成一塊印制電路板，稱為主機(jī)板。外設(shè)主要有顯示器、鍵盤、硬盤、光盤等。 2微型計算機(jī)的軟件 1）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是面向計算機(jī)系統(tǒng)的軟件，它的功能是組織計算機(jī)各個組成部分協(xié)調(diào)、正常地工作，并使計算機(jī)為用戶提供友好的服務(wù)。 2）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是面向應(yīng)用領(lǐng)域、為解決某些具體問題由用戶自己開發(fā)或外購的軟件如各種辦公軟件、通信工具等。 1.3.2 微型計算機(jī)的工作過程 1程序存儲 程序是由一條條指令組合而成的，而指令是以二進(jìn)制代碼的形式出現(xiàn)的。把執(zhí)行一項信息處理任務(wù)的程序代碼，

10、以字節(jié)為單位，按順序存放在存儲器的一段連續(xù)的存儲區(qū)域內(nèi)，這就是程序存儲的概念。 2程序控制 計算機(jī)工作時，CPU中的控制器部分，按照程序指定的順序（由碼段寄存器CS及指令指針寄存器IP指引），到存放程序代碼的內(nèi)存區(qū)域中去取指令代碼，在CPU中完成對代碼的分析；然后，由CPU的控制器部分依據(jù)對指令代碼的分析結(jié)果，適時地向各個部件發(fā)出完成該指令功能的所有控制信號，這就是程序控制的概念。 3工作過程 執(zhí)行一條指令又可分為以下4個基本操作。 （1）取出指令 （2）分析指令 （3）執(zhí)行指令 （4）為執(zhí)行下一條指令作好準(zhǔn)備，即形成下一條指令地址。1.4 數(shù)據(jù)表示與編碼 1.4.1 數(shù)制的表示 數(shù)制是指用一

11、組數(shù)字和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目。 1十進(jìn)制 基數(shù)為10的計數(shù)制叫十進(jìn)制。它用0，1，2，8，9十個不同的符號來表示數(shù)值，采用“逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十”的原則，各個位對應(yīng)的權(quán)為10i。十進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開為 2二進(jìn)制 基數(shù)為2的計數(shù)制叫做二進(jìn)制，它用0，1兩個不同的符號來表示數(shù)值，采用的是“逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二”的原則，各個位對應(yīng)的權(quán)為2i。二進(jìn)制數(shù)常用“B”注明，按權(quán)展開為 二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算規(guī)則如下。 加法運(yùn)算：000；011；101；1110。 減法運(yùn)算：000；1011；101；110。 乘法運(yùn)算：000；010；100；111。 除法運(yùn)算：0/10；1/11。 二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算規(guī)則如下。 A

12、ND（與）：按位進(jìn)行，有0出0。 OR（或）：按位進(jìn)行，有1出1。 XOR（異或）：按位進(jìn)行，相同出0，不同出1。 NOT（非）：按位進(jìn)行，取反。 3八進(jìn)制 基數(shù)為8的計數(shù)制叫八進(jìn)制。八進(jìn)制數(shù)是大家熟悉的，用0，1，2，7八個不同的符號來表示數(shù)值，它采用“逢八進(jìn)一，借一當(dāng)八”的原則，各個位對應(yīng)的權(quán)為8i。八進(jìn)制數(shù)常用“O”注明，按權(quán)展開為 4十六進(jìn)制 基數(shù)為16的計數(shù)制叫十六進(jìn)制，用0，1，2，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)十六個不同的符號來表示數(shù)值，它采用“逢十六進(jìn)一，借一當(dāng)十六”的原則，各個位對應(yīng)的權(quán)為16i。十六進(jìn)制數(shù)常用“H”注明，按權(quán)展開為1.4.2 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換 1二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八

13、進(jìn)制 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)的方法簡單地講是“三位并一位”。具體操作時，從小數(shù)點(diǎn)開始向右（向左）每三位劃為一組，若最右邊不足三位，低位補(bǔ)0湊成一組；若最左邊不足三位，高位補(bǔ)0湊成一組，然后每一組用八進(jìn)制數(shù)符表示。 例如：(11011.1011)2(011 011.101 100)2(33.54)8。 2八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制 八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)方法是“一位拆成三位”。 例如：(327.04)8(011 010 111.000 100)2(11010111.0001)2。 3二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制 同樣地，由于2416，所以四位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于一位十六進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的方法是“四位并

14、一位”，具體操作與二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制相類似。 例如：(11011.101)2(0001 1011.1010)2(1B.A)8。 4十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制 十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)方法是“一位拆四位”。 例如：(3A.E)16(0011 1010.1110)2(111010.111)2。 5十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制 當(dāng)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制時，可以考慮將十六進(jìn)制先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后再轉(zhuǎn)換八進(jìn)制。 例如：(3A.E)16(11 1010.111)2(72.7)8； (37.23)8(011 111.010 011)2(1F.4C)16。 6十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二、八、十六進(jìn)制 一個非十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為其他進(jìn)制的數(shù)，

15、結(jié)果仍然是非整數(shù)。具體轉(zhuǎn)換是：整數(shù)部分往整數(shù)部分轉(zhuǎn)換，小數(shù)部分往小數(shù)部分轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法如下。 整數(shù)部分：除基取余，逆序排列。 小數(shù)部分：乘基取整，順序排列。 1.4.3 計算機(jī)值數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算 1機(jī)器數(shù)與真值 在計算機(jī)中，因?yàn)橹挥小?”和“1”兩種形式，所以數(shù)的正、負(fù)號，也必須以“0”和“1”表示。通常把一個數(shù)的最高位定義為符號位，用0表示正，1表示負(fù)，稱為數(shù)符，其余位仍表示數(shù)值。把在機(jī)器內(nèi)存放的正、負(fù)號數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)，把機(jī)器外部由正、負(fù)號表示的數(shù)稱為真值數(shù)。 2帶符號數(shù)的表示 1）原碼 正數(shù)的符號位用“0”表示；負(fù)數(shù)的符號位用“1”表示，這種表示法稱為原碼。 例如：在字長n8的情況下，

16、有 N101，N原0,0000101 N101，N原1,0000101 2）反碼 反碼的表示分兩種情況：正數(shù)的反碼表示法與原碼相同，最高位為符號位，其余位為數(shù)值位；負(fù)數(shù)的反碼表示法為“將其原碼的符號位保持不變，然后數(shù)值位全部取反”。 例如： (7)7 (0)0(7)10000111(7)11111000(0)10000000(0)11111111原反原反 3）補(bǔ)碼 補(bǔ)碼的表示亦分兩種情況：正數(shù)的補(bǔ)碼表示法與原碼相同，即最高位是符號位，用“0”表示正號，其余部分為數(shù)值位；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示等于它的反碼末位加1，即N補(bǔ)N反1。 4）補(bǔ)碼的運(yùn)算規(guī)則 （1）XY補(bǔ)X補(bǔ)Y補(bǔ) （2）XY補(bǔ)X補(bǔ)Y補(bǔ) （3）X補(bǔ)

17、補(bǔ)X原 3數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示 1）定點(diǎn)表示法 （1）定點(diǎn)整數(shù)表示法。小數(shù)點(diǎn)固定在最低數(shù)值位之后，機(jī)器中能表示的所有數(shù)都是整數(shù)。 （2）定點(diǎn)小數(shù)表示法。小數(shù)點(diǎn)固定在最高數(shù)值位之前，機(jī)器中能表示的所有數(shù)都是純小數(shù)。 2）浮點(diǎn)表示法 在微型機(jī)中，小數(shù)點(diǎn)位置不是固定不變的，而是可以變動的，這種表示法稱為浮點(diǎn)表示法。任意一個二進(jìn)制數(shù)N總可以表示為：NM2E 其中，M稱為尾數(shù)，是純二進(jìn)制小數(shù)，指出數(shù)N的全部有效位，尾數(shù)前面的一位符號稱作數(shù)符，表示數(shù)的正、負(fù)；E稱為階碼，它前面的符號稱為階符，指明尾數(shù)小數(shù)點(diǎn)向右或左浮動，而階碼E指明尾數(shù)小數(shù)點(diǎn)移動的位置，所以階符和階碼表明了數(shù)值N小數(shù)點(diǎn)的位置。1.4.4 編碼 1BCD碼 BCD碼是一種用4位二進(jìn)制數(shù)字來表示一位十進(jìn)制數(shù)字的編碼，也稱為二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)（Bina