微機原理與接口技術(shù)：第1章 微型計算機基礎(chǔ)概論

1、1第1章 微型計算機基礎(chǔ)概論主要內(nèi)容：微型計算機基礎(chǔ)知識微型計算機中的數(shù)據(jù)類型常用數(shù)據(jù)類型數(shù)值轉(zhuǎn)換有符號數(shù)的表示有用的編碼 微型計算機系統(tǒng)的組成本章小結(jié)2第1章 微型計算機基礎(chǔ)概論1.1 微型計算機基礎(chǔ)知識微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的概念微型計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標微型計算機的應(yīng)用概況3一、微型計算機系統(tǒng) 微型計算機是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。把微型計算機集成在一個芯片上即構(gòu)成單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）。由微型計算機配以相應(yīng)的外圍設(shè)備（如打印機）及其他專用電路、電源、面板、機架以及足夠的軟件構(gòu)成的系統(tǒng)叫作微型計算機系統(tǒng)（M

2、icrocomputer System）。 41.1微型計算機基礎(chǔ)知識計算機的發(fā)展歷史： 1642年，法國物理學(xué)家帕斯卡（Blaise Pascal）發(fā)明了齒輪式加法器。 1822年英國劍橋大學(xué)查爾斯巴貝奇（Charles Babbage）教授提出了“自動計算機”概念，于1834年設(shè)計成一臺分析機，由五個基本部件組成，即輸入裝置、處理裝置、存儲裝置、控制裝置和輸出裝置。 1847年英國數(shù)學(xué)家喬治布爾（George Boole）創(chuàng)立了邏輯代數(shù)。 1944年由美國哈佛大學(xué)霍華德艾肯（Honward Aiken）設(shè)計、IBM公司制造而成的Mark I計算機，使用十進制齒輪組作為存儲器 （Howard

3、）。 1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)的約翰莫克利（John Mauchly）和普雷斯普爾?？颂兀↗.Presper Eckert）主持研制成的世界上第一臺電子數(shù)字計算機“埃尼阿克”。由于存儲容量小，沒有完全實現(xiàn)“存儲程序”思想。 1951年馮諾依曼（John von Neumann）主持研制成EDVAC。它完全實現(xiàn)了“存儲程序”的思想，故稱為馮諾依曼計算機。5 自從第一臺電子計算機誕生以來，計算機經(jīng)歷了四個時期，也稱為四代。現(xiàn)在，又在向第五代智能化計算機的方向發(fā)展。 第一代計算機（19461958年）的基本電子器件是電子管，主存使用延遲線，外存有穿孔紙帶、穿孔卡片和磁鼓，運算速度為每秒幾千到幾

4、萬次，編程語言是最基本的機器語言和匯編語言，用于科學(xué)計算。 第二代計算機（19591964年）的基本電子器件是晶體管，主存使用磁芯存儲器，外存有穿孔紙帶、磁鼓、磁盤和磁帶等。編程語言有匯編語言和高級語言，比如FORTRAN、COBOL、ALGOL等，且出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，運算速度可達到每秒100萬次以上。 第三代計算機（19641971年）的基本電子器件是集成電路。主存以磁芯存儲器為主，外存有磁盤和磁帶。操作系統(tǒng)進一步發(fā)展，高級語言種類增加，功能增強。體積減小，功耗降低，運算速度達到每秒1000萬次以上。 6 第四代計算機（1971年到現(xiàn)在）的基本電子器件是大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，主存使用半導(dǎo)體

5、存儲器，外存主要有磁盤、磁帶和光盤。產(chǎn)品進一步向標準化、模塊化、系列化和多元化發(fā)展，運算速度達每秒幾億至千萬億次以上。在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了多處理機系統(tǒng)，尤其是上世紀80年代以來，微型機、多媒體計算機迅速發(fā)展，且與通信技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了全球Internet。 在第四代計算機產(chǎn)生以后，人們就期待第五代智能計算機的誕生，希望它能夠模擬人的大腦、具有邏輯思維和推理功能。因此，隨后出現(xiàn)了專家系統(tǒng)、人工智能、模糊計算機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，如今，又開始了真實（現(xiàn)實）世界計算（Real World Computing）的研究。這些，標志著第五代計算機在向我們走來。 71.1.1 微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)

6、的概念 1970年大規(guī)模集成電路（LSI）研制成功，計算機發(fā)展到第四代，微型計算機是第四代計算機的典型代表。1971年在美國硅谷第一塊通用微處理器Intel4004誕生，開創(chuàng)了微型計算機的新時代。 微處理器（也稱微處理機）是由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器，一般也稱為CPU（Center Process Unit）。其內(nèi)部通常包括算術(shù)邏輯部件、累加器和通用寄存器組、程序計數(shù)器、時序和控制邏輯部件、內(nèi)部總線等等。微處理器的發(fā)展大致經(jīng)歷了如下階段，如表1-1所示。 8 9 微型計算機（簡稱微機或微型機）是以微處理器為核心，配上輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成的裸機。微型計算機通常是指計算機

7、的硬件（硬設(shè)備），包括主機、顯示器、鼠標和鍵盤等。 微型計算機系統(tǒng)是指以微型計算機為主體，再配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源、輔助電路和所需要的軟件而構(gòu)成的計算機系統(tǒng)。常用的外圍設(shè)備有顯示器、打印機、鍵盤等；系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、編譯、編輯、匯編軟件等。 微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者關(guān)系如圖1-1所示。微型計算機、微型計算機系統(tǒng)都是以微處理器為基礎(chǔ)，加上相應(yīng)的硬件和軟件組裝而成的。需要注意，單純的微處理器不是計算機，單純的微型計算機也不是完整的計算機系統(tǒng)，它們都不能獨立地工作，只有微型計算機系統(tǒng)才是完整的計算機系統(tǒng)，才有實用意義。 10微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者的關(guān)系 圖

8、1-1 微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者的關(guān)系111.1.2 微型計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標字長 字長是計算機內(nèi)部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)。一般一臺計算機的字長取決于它的通用寄存器、內(nèi)存儲器、算術(shù)邏輯單元（ALU）的位數(shù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度。字長越長，一個字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運算時，則數(shù)據(jù)處理速度越高。然而，字長越長，計算機的硬件代價相應(yīng)也越大。 一般情況下，CPU的內(nèi)、外數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。但有的CPU為了改進運算性能，加寬了CPU的內(nèi)部總線寬度，致使內(nèi)部字長和對外數(shù)據(jù)總線寬度不一致，如：Inte1 8088/80188的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度為16位，外部為

9、8位，對這類芯片，稱之為“準XX位”CPU，因此Intel 8088/80188被稱為“準16位”CPU 。 121.1.2 微型計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標存儲器容量 存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。它指的是存儲設(shè)備可容納二進制信息的最大字節(jié)數(shù)。存儲二進制信息的基本單位是位（bit）。一般把8個二進制位組成的通用基本單元叫作字節(jié)B（Byte的縮寫）。微型計算機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量，并且將1024B稱為1KB（千字節(jié)），1024KB稱為1MB（兆字節(jié)），1024MB稱為1GB（吉字節(jié)），1024GB稱為1TB（太字節(jié)）。運算速度 計算機的運算速度一般用每秒鐘所能

10、執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。由于不同類型的指令所需時間長度不同，因而運算速度的計算方法也不同。常用計算方法有： 131.1.2 微型計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標（1）將不同類型的指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，得到平均運算速度，這時常用MIPS（Millions of Instruction Per Second，即百萬條指令秒）作單位。（2）以執(zhí)行時間最短的指令（如加法指令）為標準來估算速度。（3）直接給出CPU的主頻和每條指令的執(zhí)行所需的時鐘周期。主頻為CPU的額定工作頻率，亦稱內(nèi)頻，為CPU工作周期的最小時序，直接反映了CPU的工作速度。主頻一般以MHz為單位。目前，微機的主頻已達1

11、000MHz（1GHz），但與之相關(guān)的系統(tǒng)總線工作速率（外頻）因受主板芯片組和內(nèi)存工作頻率的制約，提升較慢，一般為133200MHz。外設(shè)擴展能力 這主要指計算機系統(tǒng)配接各種外部設(shè)備的可能性、靈活性和適應(yīng)性。一臺計算機允許配接多少外部設(shè)備，對于系統(tǒng)接口和軟件研制都有重大影響。在微型計算機系統(tǒng)中，打印機型號、顯示器幕分辨率，外存儲器容量等，都是外設(shè)配置中需要考慮的問題。141.1.2 微型計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標軟件配置情況 軟件是計算機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它的配置是否齊全，直接關(guān)系到計算機性能的好壞和效率的高低。例如，是否有功能很強、能滿足應(yīng)用要求的操作系統(tǒng)和高級語言、匯編語言，是否有

12、豐富的、可供選用的應(yīng)用軟件等，都是在購置計算機系統(tǒng)時需要考慮的。1.1.3 微型計算機的應(yīng)用概況 微型計算機具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，已深刻影響了我們工作、學(xué)習(xí)和生活的各個方面。微型計算機的典型應(yīng)用包括科學(xué)計算、實時控制、信息處理、計算機輔助技術(shù)、家用電器、人工智能等。 科學(xué)研究和工程技術(shù)計算領(lǐng)域是微型計算機應(yīng)用最早的領(lǐng)域，也是應(yīng)用得較廣泛的領(lǐng)域。微型計算機在工業(yè)測量和控制方面的應(yīng)用已十分成熟和廣泛，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、國防以至我們?nèi)粘Ｉ畹雀鱾€領(lǐng)域。信息處理又稱為數(shù)據(jù)處理，是指微型計算機用于處理生產(chǎn)、經(jīng)濟活動、社會和科學(xué)研究中獲得的大量信息。15 計算機在發(fā)展初期僅僅用于數(shù)值計算，后來其應(yīng)

13、用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計算領(lǐng)域，可用來處理文字、表格、圖像、聲音等。計算機輔助技術(shù)包含計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機輔助教學(xué)（CAI）等。辦公自動化系統(tǒng)是以支持辦公自動化為目的的一個信息系統(tǒng)，如日程管理、電子郵政、電子會議、文檔管理、統(tǒng)計報表等，并能輔助管理和決策。目前，家用電器不僅使用各種類型的個人計算機，而且將單片機廣泛應(yīng)用于微波爐、磁帶錄音機、自動洗滌機、煤氣用定時器、家用空調(diào)設(shè)備控制器、電子式縫紉機、電子玩具、游戲機等。人工智能的研究課題是多種多樣的，諸如計算機學(xué)習(xí)、計算機證明、景物分析、模擬人的思維過程、機器人等等。161.2 微

14、型計算機中的數(shù)據(jù)類型常用數(shù)據(jù)類型數(shù)值轉(zhuǎn)換有符號數(shù)的表示常用的編碼171. 常用數(shù)據(jù)類型十進制數(shù)（D）二進制數(shù)（B）八進制數(shù)（O）十六進制數(shù)（H）182. 數(shù)值轉(zhuǎn)換二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八、十六進制數(shù)二進制數(shù)和十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換19二、八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)按相應(yīng)的權(quán)值表達式展開例：0110 0100B=020 + 021 + 122 + 023 + 024 + 125 + 126 + 027=4+32+64= 100(1507)O=780 + 081 + 582 + 183 = 83920十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進制數(shù)到二進制的轉(zhuǎn)換： 對整數(shù)

15、：除2取余； 對小數(shù)：乘2取整。到八進制的轉(zhuǎn)換： 對整數(shù)：除8取余； 對小數(shù)：乘8取整。到十六進制的轉(zhuǎn)換： 對整數(shù)：除16取余； 對小數(shù)：乘16取整。21二進制與十六進制間的轉(zhuǎn)換二進制和十六進制的互相轉(zhuǎn)換比較重要。不過二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制卻不用計算，直接就能轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)，反之亦然。例：FB=1111 1011B1111 1101，1010 0101，1001 1011 =F D ， A 5 ， 9 B22計算機中符號數(shù)的表示機器數(shù)計算機中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號位 + 真值 “0” 表示正“1” 表示負23例 +52 = +0110100 = 0 0110100 符號位 真值-52 = -011

16、0100 = 1 0110100 符號位 真值241. 符號數(shù)的表示機器數(shù)的表示方法：原碼反碼補碼25原碼最高位為符號位（用“0”表示正，用“1”表示負），其余為真值部分。優(yōu)點： 真值和其原碼表示之間的對應(yīng)關(guān)系簡單，容易理解；缺點：計算機中用原碼進行加減運算比較困難0的表示不唯一。26數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：數(shù)0的原碼不唯一。27反碼對一個機器數(shù)X：若X0 ，則 X反=X原若X0， 則X補= X反= X原若X0， 則X補= X反+131例X= 52= 0110100 X原=10110100 X反=11001011 X補= X反+1=11

17、00110032無符號數(shù) 在實際處理問題時，如果參加運算的數(shù)都是正數(shù)或者數(shù)的符號是沒有意義的，則可以不關(guān)心符號問題，此時數(shù)的符號位就是數(shù)值的一部分了，這樣的數(shù)稱為“無符號數(shù)”。在微機中內(nèi)存地址就是用無符號數(shù)來表示的。33數(shù)的浮點表示 在計算機中，數(shù)有兩種表示方法，即定點和浮點表示法。所謂定點表示法，就是小數(shù)點在數(shù)中的位置是固定不變的；浮點表示法就是小數(shù)點在數(shù)中的位置是浮動的。對于整數(shù)，小數(shù)點約定在最低位的右邊，稱為定點整數(shù)。對于純小數(shù)，小數(shù)點約定在符號位之后，稱為定點小數(shù)。只有在高級語言程序中才用到浮點數(shù)，且它有一套運算法則。在微型計算機中指令運算的操作數(shù)是定點整數(shù)，匯編語言涉及的都是整數(shù)。3

18、4數(shù)的浮點表示計算機硬件常用以下格式存儲一個浮點機器數(shù)，其格式如圖1-2所示。（1）浮點機器數(shù)將符號數(shù)值化，階符和尾符各占一位。階碼和尾碼若干位，階碼為純小數(shù)。尾符和尾數(shù)之間是小數(shù)點約定位置。（2）在定字長條件下，浮點數(shù)所能表示的真值范圍比定點數(shù)大，分配給階碼的位數(shù)越多，表示的數(shù)的范圍越大。但由于尾數(shù)的位數(shù)減少，數(shù)的精度減小。35例設(shè)字長為16位，其中，階符1位，階碼4位，尾符為1位，尾數(shù)10位。要求把X= 101101.0101B寫成規(guī)格化的浮點補碼數(shù)，階碼和尾數(shù)均為補碼表示。解：首先把X寫成規(guī)格化的浮點真值：X=0.10110101012+6則規(guī)格化的浮點補碼數(shù)如圖1-3所示。浮點數(shù)主要由

19、階碼和尾數(shù)兩部分組成。階碼表示小數(shù)點的實際位置。尾數(shù)是純小數(shù)，即小數(shù)點后是1不是0。規(guī)格化的浮點真值數(shù)。階碼是整數(shù)。36進位和溢出 進位是運算結(jié)果符號位向更高位的進位，進位位保存在進位標識位中。 在對兩個帶符號的二進制數(shù)進行補碼運算時，若運算結(jié)果的絕對值超過運算裝置的容量，數(shù)值部分便會發(fā)生溢出，占據(jù)符號位的位置，從而引起計算出錯。這和補碼運算過程中的正常溢出（符號位的進位）性質(zhì)上是不同的。任何一種運算都不允許發(fā)生溢出，除非是只利用溢出作為判斷而不使用所得的結(jié)果，所以當(dāng)溢出產(chǎn)生時，應(yīng)使計算機停機或進入檢查程序找出溢出原因，然后做相應(yīng)處理。37例 01101B（13）00111B（7）1 0100

20、B12溢出11100B（4）11100B（4）1 11000B8符號位進位，自認丟失 進位和溢出所表示的物理含義是不同的：進位一般描述無符號數(shù)結(jié)果的正確與否，溢出主要描述有符號數(shù)運算結(jié)果的正確與否。至于運算的兩個操作數(shù)是有符號數(shù)還是無符號數(shù)由程序員根據(jù)實際的物理意義而定。38常用的編碼BCD碼 用二進制編碼表示的十進制數(shù)ASCII碼 西文字符編碼漢字編碼 外部碼 內(nèi)部碼 交換碼 輸出碼39BCD碼壓縮BCD碼用4位二進制碼表示一位十進制數(shù)每4位之間有一個空格擴展BCD碼用8位二進制碼表示一位十進制數(shù)，每4位之間有一個空格。40ASCII碼西文 字符的編碼，一般用7位二進 制碼表示。D7位為校驗

21、位，默認情況下為0。要求：理解校驗位的作用熟悉0-F的ASCII碼41微型計算機系統(tǒng)的組成 主機 硬件系統(tǒng) 外設(shè) 微機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件 軟件系統(tǒng) 應(yīng)用軟件CPU存儲器輸入/輸出接口總線42中央處理器中央處理器簡稱CPU，是計算機的核心。主要包括： 運算器 控制器 寄存器組43有關(guān)內(nèi)存儲器的幾個概念內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量內(nèi)存的操作內(nèi)存的分類44內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存按單元組織每單元都對應(yīng)一個地址，以方便對單元的尋址1011011038F04H內(nèi)存地址單元內(nèi)容45內(nèi)存容量內(nèi)存容量：所含存儲單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位內(nèi)存容量的大小依CPU的尋址能力而定實地址模式下為CPU地址信號線的位數(shù)46內(nèi)存操作讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變；寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來的內(nèi)容被覆蓋。47內(nèi)存儲器的分類隨機存取存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）按工作方式可分為48高速緩沖存儲器 高速緩沖存儲器（Cac