微机原理及接口技术(2).ppt

微机原理与接口技术微机原理与接口技术主主 编编肖洪兵肖洪兵副主编副主编李李 冰冰马银花马银花参参 编编何秋生何秋生许春媚许春媚朱娟花朱娟花北京大学出版社北京大学出版社 第第1章章 微型计算机基础微型计算机基础主要内容：主要内容：1.1计算机的发展概况计算机的发展概况1.2微型计算机概述微型计算机概述1.3计算机中信息的表示计算机中信息的表示 1.1 计算机的发展概况计算机的发展概况1.1.1发展史发展史自自1946年第一代电子计算机研制成功后，计年第一代电子计算机研制成功后，计算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机几代：集成电路计算机、大规模集成电路计算机几代：电子计算机按体积、性能、价格分类：电子计算机按体积、性能、价格分类：巨型机、大型机、中型机、小型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（微型机（70年）、单片机（年）、单片机（82年）年）它们在体系结构和基本原理上无本质上的区别，它们在体系结构和基本原理上无本质上的区别，常用的微型机采用了集成度相当高的器件，功能常用的微型机采用了集成度相当高的器件，功能日益完善，体积大大缩小，得到广泛应用。日益完善，体积大大缩小，得到广泛应用。一、微型机的特点：一、微型机的特点：微型机采用微型机采用LSI、VLSI，具如下优点具如下优点体积小、重量轻、价格便宜体积小、重量轻、价格便宜可靠性高、结构灵活可靠性高、结构灵活应用广泛（科学计算、信息处理、计算机控应用广泛（科学计算、信息处理、计算机控制、智能仪器、计算机通信、家用电器）制、智能仪器、计算机通信、家用电器）二、微处理器的发展情况：二、微处理器的发展情况：微处理器（微处理器（CPU）为微型机的核心部件为微型机的核心部件第一代微处理器（第一代微处理器（1971）代表机型：代表机型：Intel 4004 Intel 8008 工艺：工艺：PMOS工艺工艺 字长：字长：4位、位、8位位 集成度：集成度：2000晶体管晶体管/芯片芯片 时钟频率：小于时钟频率：小于1MHZ平均指令执行时间：平均指令执行时间：1015微秒微秒第二代微处理器（第二代微处理器（1973）代表机型：代表机型：Intel 8080、8085 Motorola MC6800 Zilog Z80 字长：字长：8位位 工艺：工艺：NMOS工艺工艺 集成度：集成度：9000晶体管晶体管/芯片芯片 时钟频率：时钟频率：14MHZ平均指令执行时间：平均指令执行时间：12微秒微秒第三代微处理器（第三代微处理器（1978）代表机型：代表机型：Intel 8086、80286 Motorola MC68000、68010 Zilog Z8000 字长：字长：16位位 工艺：工艺：HMOS工艺工艺 集成度：集成度：2万万10万晶体管万晶体管/芯片芯片 时钟频率：时钟频率：425MHZ平均指令执行时间：平均指令执行时间：0.5微秒微秒第四代微处理器（第四代微处理器（1983以后以后）代表机型：代表机型：Intel 80386、80486 Motorola 68040 Zilog Z80000 字长：字长：32位位 工艺：工艺：CHMOS工艺工艺 集成度：集成度：15万万120万晶体管万晶体管/芯片芯片 时钟频率：时钟频率：1660MHZ平均指令执行时间：小于平均指令执行时间：小于0.1微秒微秒第五代微处理器（第五代微处理器（1993）代表机型代表机型：Pentium 586 Pentium Pro P6 Pentium系列产品系列产品 字长：字长：64位位 工艺：工艺：CMOS工艺工艺 集成度：集成度：310750万晶体管万晶体管/芯片芯片 时钟频率：时钟频率：60450MHZ平均指令执行时间：小于平均指令执行时间：小于0.1微秒微秒目前目前：奔腾奔腾4代代CPU 运算频率：运算频率：2000MHZ/秒秒以上以上1.1.2发展趋势发展趋势微处理器在以下几方面发展很快：微处理器在以下几方面发展很快：提高芯片集成度提高芯片集成度提高功能和速度提高功能和速度增加外围电路的功能和种类增加外围电路的功能和种类 微型机发展趋势：微型机发展趋势：高性能、高价格超级微机取代价格昂贵的中、小高性能、高价格超级微机取代价格昂贵的中、小型机型机性能较低、价格低廉的单片机，功能专一，应用性能较低、价格低廉的单片机，功能专一，应用广泛广泛1.1.3计算机的分类计算机的分类 按照其功能大小，计算机可分为：按照其功能大小，计算机可分为：微型计算机：微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，微型计算机：微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。例如，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。例如，面向个人或家庭使用的计算机（简称面向个人或家庭使用的计算机（简称PC机）。机）。小型计算机：结构简单、成本较低、易维护和使用。其规小型计算机：结构简单、成本较低、易维护和使用。其规模和设置可以满足一个中小型部门的工作需要。模和设置可以满足一个中小型部门的工作需要。中型计算机：最大的特点是具有较好的性能价格比。介于中型计算机：最大的特点是具有较好的性能价格比。介于小型机和大型机之间，能够解决较复杂的数学计算和数据小型机和大型机之间，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。处理。巨型计算机：也称为超级计算机。具有极高的性能和极大巨型计算机：也称为超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域如航天和军事领的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域如航天和军事领域。域。1.2.1 微处理器（微处理器（CPU）集成集成在在LSI、VLSI集成电路芯片上的中央处集成电路芯片上的中央处理单元，是微型机中运算和控制的核心部件理单元，是微型机中运算和控制的核心部件 微处理器组成：微处理器组成：算术逻辑部件算术逻辑部件 算术运算算术运算 （ALU）逻辑运算逻辑运算 专门处理各种数据信息专门处理各种数据信息1.2 微型计算机概述微型计算机概述累加器累加器 存放操作数、地址、运算结果，也是存放操作数、地址、运算结果，也是CPU与外设之间数据传送的中间与外设之间数据传送的中间站站通用寄存器组通用寄存器组 存放操作数、地址、运算结果存放操作数、地址、运算结果控制逻辑部件控制逻辑部件 从内存取指、译码，发控制信息和时序从内存取指、译码，发控制信息和时序协调协调CPU内部和外部的工作内部和外部的工作内部总线内部总线 CPU内部各部件之间的公共通道内部各部件之间的公共通道 注注：CPU只有配上存储器、外部输入只有配上存储器、外部输入/输输出接口构成一台微型计算机才能工作出接口构成一台微型计算机才能工作CPU的功能的功能：完成完成算术、逻辑运算算术、逻辑运算保存少量数据保存少量数据对指令译码、完成规定的操作对指令译码、完成规定的操作能和外设及内存之间交换数据能和外设及内存之间交换数据提供控制信号和时序提供控制信号和时序响应中断请求响应中断请求1.2.2 微型计算机微型计算机CPU存储器输入/出接口外围设备I/O总线地址总线控制总线数据总线控制微型计算机的组成微型计算机的组成：微型计算机的组成：CPU存储器存储器外部输入外部输入/输出接口电路输出接口电路（I/O接口接口）系统总线系统总线1.2.3 微型计算机系统微型计算机系统地址总线I/O总线CPU存储器输入/出接口外围设备控制总线数据总线控制微型计算机系统微型计算机系统组成：微型计算机系统组成：硬件：微型计算机硬件：微型计算机+外设外设 软件：系统软件软件：系统软件 操作系统操作系统 实用程序：实用程序：各种计算机语言程序、调试程序、各种计算机语言程序、调试程序、汇编程序、编译程序等汇编程序、编译程序等 1.3.1计算机中的数计算机中的数计算机中的数据是以二进制的形式进行存储和计算机中的数据是以二进制的形式进行存储和运算的，微型计算机也不例外。当然计算机中不运算的，微型计算机也不例外。当然计算机中不仅要处理无符号数，还要处理带符号数和带小数仅要处理无符号数，还要处理带符号数和带小数点的数。点的数。（1）机器数）机器数为表示带符号数，通常规定数的最高位为符号为表示带符号数，通常规定数的最高位为符号位。符号位通常用位。符号位通常用“0”表示正数，用表示正数，用“1”表示表示负数。如在负数。如在8位机中，位机中，+12表示为表示为00001100B，12表示为表示为10001100B。这种能被计算机识别的。这种能被计算机识别的带符号位的二进制数就称为机器数，而它所代表带符号位的二进制数就称为机器数，而它所代表的真实值被称为机器数的真值。的真实值被称为机器数的真值。1.3计算机中的信息表示计算机中的信息表示（2）带符号数的表示）带符号数的表示对带符号数，计算机中常见的有原码、反码对带符号数，计算机中常见的有原码、反码和补码三种表示方法。和补码三种表示方法。原码原码在表示带符号数时，正数的符号位为在表示带符号数时，正数的符号位为“0”，负数的符号位为负数的符号位为“1”，数值位不变，这样，数值位不变，这样就得到了原码。例如在就得到了原码。例如在8位机中：位机中：+38原原=00100110B，38原原=10100110B其中，最高位为符号位，后面其中，最高位为符号位，后面7位是数值。位是数值。反码反码正数的反码表示与原码相同，最高位为符号正数的反码表示与原码相同，最高位为符号位，其余位为数值位。如在位，其余位为数值位。如在8位机中：位机中：+4反反=+4原原=00000100B而负数的反码应当表示为，该数的原码除符而负数的反码应当表示为，该数的原码除符号位外按位取反。如在号位外按位取反。如在8位机中：位机中：4反反=11111011B补码n位二进制数位二进制数X以以2n为模的补码为：为模的补码为：X补补=2n+X（mod2n）当当X0时，时，X可表示为可表示为+X1X2Xn-1，X的补码为：的补码为：X补补=2n+X=2n+X1X2Xn-1=0 X1X2Xn-1=X （mod2n）当当X0时，时，X可表示为可表示为X1X2Xn-1，X的补码为：的补码为：X补补=2n+X=2nX1X2Xn-1=111B 0 X1X2Xn-1+1=1+1 （mod2n）即负数的补码等于负数的原码（符号位除外）求反加即负数的补码等于负数的原码（符号位除外）求反加1。下面举例说明补码的求法与应用：下面举例说明补码的求法与应用：+3补补=+3原原=+3反反=00000011B3补补=3反反+1=11111100B+1=11111101B0补补=0反反+1=11111111B+1=00000000B这样，当负数采用补码表示时，就可以把减法运算转这样，当负数采用补码表示时，就可以把减法运算转换为加法运算。换为加法运算。（3）数的定点和浮点表示）数的定点和浮点表示在实际运算中，计算机所处理的数一般是带有在实际运算中，计算机所处理的数一般是带有小数点的数，它既有整数部分，又有小数部分，小数点的数，它既有整数部分，又有小数部分，这就提出一个小数点位置如何确定的问题。在这就提出一个小数点位置如何确定的问题。在计算机中，通常有两种方法，即定点表示法和计算机中，通常有两种方法，即定点表示法和浮点表示法。浮点表示法。定点表示法定点表示法在定点表示法中，小数点的位置是固定的。计在定点表示法中，小数点的位置是固定的。计算机在处理定点数时，常把小数点固定在数值算机在处理定点数时，常把小数点固定在数值位的最后或最前面，即分为定点纯小数与定点位的最后或最前面，即分为定点纯小数与定点纯整数两类，如图纯整数两类，如图1.1所示。所示。图图1.1 定点纯小数和定点纯整数的表示定点纯小数和定点纯整数的表示浮点表示法在浮点表示法中，小数点的位置是浮动的。例在浮点表示法中，小数点的位置是浮动的。例如，如，63.8可表示为可表示为0.638102或或6.38100或或63810-1等，由此，对于任意一个二进制数等，由此，对于任意一个二进制数N也可表示为：也可表示为：N=S2J其中，其中，S称为数称为数N的尾数，表示数的尾数，表示数N的全部有的全部有效数字，它决定了效数字，它决定了N的精度。将的精度。将S表示为表示为SfS1S2Sn时，时，Sf是尾数的符号，称为尾符，是尾数的符号，称为尾符，S1S2Sn表示尾数的数值。表示尾数的数值。J称为数称为数N的阶码，的阶码，底为底为2，指明了小数点的位置，决定了数，指明了小数点的位置，决定了数N的大的大小范围，将小范围，将J表示为表示为JfJ1J2Jn，Jf是阶码的符是阶码的符号位，称为阶符，号位，称为阶符，J1J2Jn表示阶码的数值。表示阶码的数值。一般来说，任何一个数的浮点表示格式如图一般来说，任何一个数的浮点表示格式如图1.2所示。所示。图图1.2 浮点表示法浮点表示法2计算机中的编码计算机中的编码计算机中，数是用二进制表示的。而计算机又应能计算机中，数是用二进制表示的。而计算机又应能识别和处理各种字符，如大小写英文字母、标点识别和处理各种字符，如大小写英文字母、标点符号、运算符号等，这些符号也只能用若干位的符号、运算符号等，这些符号也只能用若干位的二进制码组合（即编码）来表示。二进制码组合（即编码）来表示。（1）BCD码码BCD码即十进制数的二进制编码。因为二进码即十进制数的二进制编码。因为二进制数实现容易、可靠，且运算规律简单，所以在制数实现容易、可靠，且运算规律简单，所以在计算机中使用二进制数。但是，二进制数并不直计算机中使用二进制数。但是，二进制数并不直观，于是在计算机的输入和输出时，通常还是采观，于是在计算机的输入和输出时，通常还是采用十进制数，不过，这样的十进制数要用二进制用十进制数，不过，这样的十进制数要用二进制编码表示，也就是二编码表示，也就是二十进制编码，简称十进制编码，简称BCD。（2）ASCII码（字符编码）码（字符编码）在计算机中，字母和字符也必须按照特在计算机中，字母和字符也必须按照特定的规定，用二进制编码表示。编码可以定的规定，用二进制编码表示。编码可以有各种方式，目前微机中最普遍采用的是有各种方式，目前微机中最普遍采用的是ASCII码（码（American Standard Cord for Information Interchange，美国标准信息，美国标准信息交换码）。交换码）。ASCII码使用码使用7位二进制编码。位二进制编码。可表示可表示128个字符，其中包括数码（个字符，其中包括数码（09），），以及英文字母等可打印的字符。以及英文字母等可打印的字符。本章小结本章小结本章从计算机的发展概况开始，对计算机特别是本章从计算机的发展概况开始，对计算机特别是微型计算机的基本概念、硬件结构、工作原理、微型计算机的基本概念、硬件结构、工作原理、系统组成、应用特点等各类知识作了相应的概述。系统组成、应用特点等各类知识作了相应的概述。通过本章的学习，要了解微型计算机的发展历史通过本章的学习，要了解微型计算机的发展历史和应用情况，关注当前微型计算机的发展动向，和应用情况，关注当前微型计算机的发展动向，尤其是微处理器芯片的更新换代，以及相关软件尤其是微处理器芯片的更新换代，以及相关软件的应用。要掌握微型计算机的分类方式，熟悉微的应用。要掌握微型计算机的分类方式，熟悉微型计算机系统组成以及工作原理，理解微型计算型计算机系统组成以及工作原理，理解微型计算机硬件和软件各主要模块的功能和在系统中所处机硬件和软件各主要模块的功能和在系统中所处的地位。为后续内容的学习打下一个良好的基础。的地位。为后续内容的学习打下一个良好的基础。习题习题1.1什么是微处理器？什么是微处理器？1.2 什么是微型计算机系统？什么是微型计算机系统？1.3什么是总线？什么是总线？1.2 微型计算机系统包括：微型计算机系统包括：微型计算机的硬件；微型计算机的硬件；微型计算机的软件。微型计算机的软件。部分习题答案部分习题答案