11 概述及运算基础-精品文档资料系列.ppt

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1、1/61微微 机机 原原 理理主讲主讲 傅妍芳傅妍芳计算机学院计算机学院2/61本课程介绍 是工科计算机及相关专业是工科计算机及相关专业的一门重要的专业技术基础课的一门重要的专业技术基础课程。程。课程的目的是帮助学生全课程的目的是帮助学生全面了解微型计算机的硬件组成面了解微型计算机的硬件组成和特点。学会应用汇编语言进和特点。学会应用汇编语言进行程序设计和编程，建立起计行程序设计和编程，建立起计算机体系结构的基本框架，为算机体系结构的基本框架，为后续的软硬件课程做好准备。后续的软硬件课程做好准备。3/61先修课程先修课程：计算机文化基础计算机文化基础参考书参考书：微型计算机原理与接口技术微型计算

2、机原理与接口技术 （第（第3 3版）版） 杨立杨立 铁道出版社铁道出版社IBM PC 汇编语言程序设计汇编语言程序设计沈美明沈美明 清华出版社清华出版社微型计算机技术及应用微型计算机技术及应用（第第3 3版）版） 戴梅萼戴梅萼 清华出版社清华出版社4/61本学期学学时安排：本学期学学时安排：40(40(讲授讲授) ) 课堂：听讲与理解、适当笔记课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业课后：认真读书、完成作业总成绩考试成绩平时成绩实验成绩总成绩考试成绩平时成绩实验成绩5/61章节概述微型计算机结构图2、3、4章5章6、7章7/611.1 1.1 微型机的发展微型机的发展1.2 1.2

3、 微型机的特点和分类微型机的特点和分类1.3 1.3 微机的运算基础微机的运算基础1.4 1.4 微机组成和工作过程微机组成和工作过程第一章 微机概述8/61l掌握计算机中常用的数制与编码（整数、掌握计算机中常用的数制与编码（整数、小数的二进制、十六进制表示，小数的二进制、十六进制表示，BCD码）。码）。l了解了解ASCII码，了解数字和大写字母码，了解数字和大写字母AF的的ASCII码表示。码表示。l掌握带符号数的原码与补码。掌握带符号数的原码与补码。l掌握微机的组成与工作过程。掌握微机的组成与工作过程。本章要求9/6110/6111/61计算机中常用术语计算机中常用术语lbit （位）（位

4、） lByte （字节）（字节）l1 Byte = 8 bitl1KB =1024B =210Bytel1MB =1024KB =220Bytel1GB =1024MB =230Byte l1TB =1024GB =240BytelWord（字）（字） 1 Word = 2 Byte = 16 bitlDword（双字）（双字） 1 Dword = 2 Word = 32 bit13/61l第一阶段（19711973年)主要是4位和低档8位微型机。（4004、8008）l第二阶段(1974-1977年)主要是中高档8位微型机 （8080）l第三阶段(1978-1984年)主要为16位微型机 （

5、8086、8088）l第四阶段(1983-1992年)主要为32位高档微型机。 （80386、80486）l第五阶段(1993-1999年)主要为超级32位高档微机。 （Pentium、 PentiumII、PentiumIII 、PentiumIV ）l第六阶段(2000年至今)主要为64位高档微机。 （Merced ）1.1.2 1.1.2 微型机的发展六阶段微型机的发展六阶段14/61 19711971年，年，Intel 4004Intel 4004：4 4位微处理器。位微处理器。 是世界上第一片单片微处理器。是世界上第一片单片微处理器。 机器语言编程，机器语言编程，指令系统包括指令系统

6、包括4545条指令。性能差。条指令。性能差。 用于小型控制机：用于小型控制机：交通灯、微波炉、台秤、照相机。交通灯、微波炉、台秤、照相机。Intel 4004第一代典型产品第一代典型产品返回返回15/611972年：年：Intel 8008， 是世界上第一片是世界上第一片8位微处理器。位微处理器。 8008采用了采用了10 m生产工艺，生产工艺， 集成度为集成度为3500个晶体管，个晶体管， 工作频率为工作频率为200KHz。Intel 8008返回返回16/61第二代典型产品第二代典型产品 1976年：年：Intel 8085Intel公司生产的公司生产的最后一种最后一种8位通用微处理位通用

7、微处理器。器。工作频率提高到工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升指令系统的指令数上升到到246条。条。1974年：年：Intel 8080采用了采用了6 m生产工艺，集成度为生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为个晶体管，主频为2MHz。第一款高档微处理器第一款高档微处理器. .1975年年4月，月，MITS公司推出了以公司推出了以8080为为CPU的世界的世界上第一台个人计算机上第一台个人计算机Altair 8800。值得一提的是。值得一提的是Altair 8800的的BASIC语言解释器是语言解释器是Bill Gates编写的。编写的。1977年：年：Z80，Zilog公司，公

8、司，8位机，优于位机，优于8080，8085返回返回17/61第三代典型产品第三代典型产品19781978年，年，Intel 8086Intel 8086 采用采用3 m工艺，集成了工艺，集成了29,000个晶体管，工作个晶体管，工作频率为频率为4.77 MHz。 它的寄存器和数据总线均为它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为位，地址总线为20位，从而使寻址空间达位，从而使寻址空间达1MB。 CPU的内部结构也有很大的改进，采用了的内部结构也有很大的改进，采用了流流水线结构水线结构，并设置了，并设置了6字节的字节的指令预取队列指令预取队列。返回返回18/61 除了它的数据总线为除了它的数据

9、总线为8位以外，其余均与位以外，其余均与8086相同。相同。 8088采用采用8位数据总线是为了利用当时现位数据总线是为了利用当时现有的有的8位设备控制芯片。由于位设备控制芯片。由于8088内部支持内部支持16位运算，而与位运算，而与I/O之间传输为之间传输为8位，故位，故8088称为称为准准16位微处理器。位微处理器。IBM PC/XT机机1981年年8月，月，IBM公司推公司推出以出以8088为为CPU的世界的世界上第一台上第一台16位微型计算机位微型计算机 IBM 5150 Personal Computer，即著名的，即著名的 IBM PC。1979年年 Intel 8088 IBM

10、PC/AT机机返回返回20/61第四代典型产品第四代典型产品 采用正方形的网络阵列采用正方形的网络阵列封装（封装（PGAPGA），），132132引脚。引脚。第一个实用的第一个实用的32位微处理器位微处理器，采用，采用1.5 m工艺工艺,集成集成275,000个晶体管，工作频率达个晶体管，工作频率达16MHz。 80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过位的。通过32位的地址总线，位的地址总线，80386的可寻址空间的可寻址空间达到达到4GB。 （2 23232=4G=4G） 8038680386内部包含了一个内部包含了一个内存管理单元内存

11、管理单元专专门负责管理和分配内存的硬门负责管理和分配内存的硬件电路。件电路。返回返回21/61首次采用首次采用RISCRISC技术（精简指技术（精简指令集），令集），返回返回22/61lIntel公司的公司的Pentum，内部采用超标量双流水，内部采用超标量双流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存，工作频率越来越高，基本指令的工作速度存，工作频率越来越高，基本指令的工作速度越来越高。越来越高。l随着随着Pentium MMX 、Pentium Pro、Pentium II 、Pentium III以及、以及、Pentium 4微微处理器的出现，处

12、理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶，可以体化和智能化等方面跨上了更高的台阶，可以说这一阶段是微型机发展最快，新技术最多、说这一阶段是微型机发展最快，新技术最多、最先进，影响最大的阶段。最先进，影响最大的阶段。第五代典型产品第五代典型产品23/61Pentium系列系列返回返回24/61Pentium（1993年年-1997年）年）（发展分成三代）（发展分成三代）第一代第一代Pentium处理器（以处理器（以P5代称，代称，1993年）年） 采用采用0.8 m工艺技术，集成了工艺技术，集成了310万个晶万个晶体管体管,工作频率为工作

13、频率为60MHz/66MHz。第三代第三代Pentium MMX（P55C，1997年）年） 增加了增加了57条多媒体指令条多媒体指令第二代第二代Pentium处理器（处理器（P54C，1994年）年） 采用采用0.6 m工艺，工作频率为工艺，工作频率为90MHz/100MHz。返回返回25/61Pentium Pro （P6） 19951995年推出的年推出的PentiumProPentiumPro（又称（又称P6P6或高能或高能奔腾）奔腾）CPUCPU。 其中集成了其中集成了550550万只晶体管，主频提高到万只晶体管，主频提高到133 MHz133 MHz。 地址线为地址线为3636位，

14、寻址范围为位，寻址范围为64GB64GB，返回返回26/61Pentium 97年5月推出，时钟频率比P6提高了很多，如 233MHZ-400MHZ。 仍采用超级流水线和双独立总线体系结构； 增添了57条MMX（多媒体）指令； 采用全新封装形式，不是一个芯片，而是由一个核心芯片 + 二级Cache芯片组 +电阻、电容等构成的多芯片组的模块，将它们焊接到一个印刷电路板上，再进行封装，构成单边连接的盒卡，从一边输出242个引脚。27/61 Pentium 1999年2月推出，P刚推出时主频为400MHZ和500MHZ两种。一级 Cache32 KB、二级Cache 512 KB 。 采用与P相同的

15、架构。 增加了SSE指令集70条扩展指令.28/61不同于不同于P6P6架构架构29/61第六代典型产品第六代典型产品30/61 通过微处理器的发展可以看出，这几十年来，通过微处理器的发展可以看出，这几十年来，以以INTELINTEL生产的微处理器为生产的微处理器为CPUCPU的微型计算机是最有的微型计算机是最有代表性的主流机型。代表性的主流机型。IntelIntel公司推出的公司推出的80868086微处理微处理器家族成员从器家族成员从80868086、 8018680186、 8028680286、 8038680386、 8048680486到到Pentium (80586)Pentiu

16、m (80586)、 PentiumPentium及及PentiumPentium。 虽然芯片的制造工艺、结构、性能等虽然芯片的制造工艺、结构、性能等有了很大发展，但从使用者的角度，特别是应用程有了很大发展，但从使用者的角度，特别是应用程序的开发者角度来看，它们是一个系列，是一个家序的开发者角度来看，它们是一个系列，是一个家族。族。 可以把可以把 8086/88 8086/88 微处理器看作基础，以后所推微处理器看作基础，以后所推出的出的 80286 80286 等微处理器虽然都有改进，但都保持与等微处理器虽然都有改进，但都保持与 8086 8086 兼容，即兼容，即都具有都具有 8086 8

17、086 的基本逻辑结构。的基本逻辑结构。应用应用编程的寄存器结构，它们只有编程的寄存器结构，它们只有1616位和位和3232位的区分，位的区分，并没有本质的区别。并没有本质的区别。芯片的指令芯片的指令8080以上是完全相以上是完全相同的。所以可以说同的。所以可以说80868086、80888088是是Intel80X86Intel80X86系列芯系列芯片的基础。片的基础。从学习的角度出发，只有掌握了从学习的角度出发，只有掌握了80868086、80888088才能进一步掌握其他芯片。因此在本课程的学才能进一步掌握其他芯片。因此在本课程的学习中，将结合习中，将结合80868086、8088 80

18、88 系统来介绍微机的系统来介绍微机的CPUCPU、接口部件等微机技术。接口部件等微机技术。32/611.2 1.2 微型机的特点和分类微型机的特点和分类1.2.1微型计算机的特点：l体积小，功耗低体积小，功耗低l更新快，生命力强更新快，生命力强l品种多、产量多品种多、产量多l价格逐渐下降价格逐渐下降l用途广用途广l结构灵活，性能可靠结构灵活，性能可靠33/611.2 1.2 微型机的特点和分类微型机的特点和分类1.2.2微型计算机的分类：a. 按微机的组装形式分类 1.单片机单片机:2.单板机单板机3.个人计算机个人计算机（即（即PC机或机或个人电脑）个人电脑）4.多用户系统多用户系统5.微

19、型机网络微型机网络b.按处理器字长分类l4位机l8位机l16位机l32位机l64位机34/61单片机单片机l定义：定义：把微处理器、存储器、输入把微处理器、存储器、输入/输出接口，都集成在输出接口，都集成在一块集成电路芯片上，这样的微型机叫做单片机。一块集成电路芯片上，这样的微型机叫做单片机。l特点：特点：体积小，可放在仪表内部。存储器容量小，输入体积小，可放在仪表内部。存储器容量小，输入/输出接口简单，功能较低。输出接口简单，功能较低。返回返回35/61单板机单板机l定义：将计算机的各个部件都组装在一块印制电路定义：将计算机的各个部件都组装在一块印制电路板上，包括微处理器、存储板上，包括微处

20、理器、存储器、输入器、输入/输出接口，还有简输出接口，还有简单的七段码发光二极管显示单的七段码发光二极管显示器、小键盘、插座等。器、小键盘、插座等。l特点：其功能比单片机特点：其功能比单片机强，适于进行生产过程的控强，适于进行生产过程的控制。它可以直接在实验板上制。它可以直接在实验板上操作，适用于教学。操作，适用于教学。返回返回36/61 个人计算机个人计算机返回返回37/61多用户系统多用户系统 l多用户系统是指一个主机连接着多个终端，多个用户多用户系统是指一个主机连接着多个终端，多个用户同时使用主机，共享计算机的硬件、软件资源。同时使用主机，共享计算机的硬件、软件资源。 返回返回38/61

21、微型机网络微型机网络l定义：把多个微型机系统连接起来的网络。定义：把多个微型机系统连接起来的网络。l功能：通过通信线路实现各个微型机系统之间的信息功能：通过通信线路实现各个微型机系统之间的信息交换、信息处理、资源共享。交换、信息处理、资源共享。 计算机网络和多用户微机的区别：计算机网络和多用户微机的区别：网络的各终端有自己的微机系统，并含有网络的各终端有自己的微机系统，并含有CPU，能独，能独立工作和运行；多用户微机的终端用户不含立工作和运行；多用户微机的终端用户不含CPU，不，不能离开主机系统工作。能离开主机系统工作。l微型机网络分类：微型机网络分类：网络工作站（客户端网络工作站（客户端cl

22、ient，即个人计算机）和网络，即个人计算机）和网络服务器（服务器（server）返回返回39/611.2.3微机的主要性能指标微机的主要性能指标l字长字长计算机内部一次可以处理的二进制数据计算机内部一次可以处理的二进制数据的位数。表征运算精度的主要参数。的位数。表征运算精度的主要参数。l存储容量存储容量衡量计算机存储二进制信息量大小衡量计算机存储二进制信息量大小的重要指标。的重要指标。l主频主频CPU的时钟频率，的时钟频率，在在CPU内数字脉冲信号震荡内数字脉冲信号震荡的速度。的速度。 l存取周期存取周期两次读写操作所需要间隔的最短时两次读写操作所需要间隔的最短时间间l外设扩展能力外设扩展能

23、力计算机可配置的外设数量及外计算机可配置的外设数量及外设类型。设类型。40/61主频主频l 假设某个假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当令，那么当CPU运行在运行在100MHz主频时，将比它运行主频时，将比它运行在在50MHz主频时速度快一倍。因为主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周的时钟周期比期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在工作在100MHz主频的主频的CPU执行一条运算指令所需时执行一条运算指令所需时间仅为间仅为10ns比工作在比工作在50MHz主频时的主频时的20ns缩短了一

24、缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。半，自然运算速度也就快了一倍。返回返回41/6142/611.3.1 1.3.1 带符号数的表示及运算带符号数的表示及运算 计算机中有符号数的表示计算机中有符号数的表示把二进制数的把二进制数的最高位最高位定义为符号位定义为符号位:0 正数，正数，1 负数负数连同符号位一起数值化了的数，称为连同符号位一起数值化了的数，称为机器数机器数。机器数所表示的真实的数值，称为机器数所表示的真实的数值，称为真值真值。（在以下讲述中，均以位二进制数为例在以下讲述中，均以位二进制数为例）43/61 + 52 = + 0110100B = 0 0110100B （1位）位）符

25、号位符号位数值位数值位（7位）位）真值真值机器数机器数【例例】- 52 = - 0110100B = 1 0110100B1.3.1 1.3.1 带符号数的表示及运算带符号数的表示及运算44/61 符号位符号位 以绝对值表示的数值部分以绝对值表示的数值部分b0b1b2b3b4b5b6b7【例例】 X = +18 = + 001 0010B， Y = - 18 = - 001 0010B X 原原= 0001 0010B12H Y 原原= 1001 0010B92H1.1.原码原码45/61 8位数位数0的原码：的原码： +0 原原= 0000 0000B - 0 原原= 1000 0000B8

26、位原码表示数值的范围是位原码表示数值的范围是 - 127 X + 127对应的原码是对应的原码是 1111 1111B 0111 1111B。46/612.2.反码反码【例例】 X = +18 ，Y = - 18 X原原= 0001 0010B X反反= 0001 0010BY原原= 1001 0010BY反反= 1110 1101B47/61 0 的反码：的反码： +0 反反= 0000 0000B - 0 反反= 1111 1111B 8位反码表示数值的范围是位反码表示数值的范围是 - 127 X + 127对应的反码是对应的反码是 1000 0000B 0111 1111B。48/613

27、.3.补码补码【例例】 Y = - 18 Y原原= 1001 0010BY反反= 1110 1101BY补补= 1110 1110B49/610的补码：的补码：+0补补= +0原原=0000 0000- 0补补= - 0反反+1=1111 1111+1 =1 0000 0000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉+0补补= - 0补补= 0000000050/61真值真值机器数机器数十进制十进制二进制二进制原码原码反码反码补码补码+127+111 11110111 1111+126+111 11100111 1110 +0+000 00000000 00000000 0000000

28、0 0000- 0- 000 00001000 00001111 11110000 0000- 1- 000 00011000 00011111 11101111 1111- 127- 111 11111111 11111000 00001000 0001- 128- 1000 0000无无无无1000 00008位字长，各种编码表示的数值范围位字长，各种编码表示的数值范围51/61对对8位二进制数：位二进制数：l原码：原码： -127 +127l反码：反码： -127 +127l补码：补码： -128 +127l无符号数：无符号数：0 25552/614. 补码加减法的运算规则补码加减法的运

29、算规则 通过引进补码，可将减法运算转换为通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：加法运算。规则如下：XY补补X补补Y补补其中其中X，Y为正负数均可，符号位参与为正负数均可，符号位参与运算，运算的结果仍为补码。运算，运算的结果仍为补码。53/61练练 习习解：X原 = X反 = X补 = 0100 0101 Y原 = Y反 = Y补 = 0110 0111 例：X=+100 0101 （69D），Y= +110 0111 （103D）， 求X+Y=？符号位是1，表明X+Y的真值是负数，这显然与实际情况不符合，出错！ X补= 0100 0101 +） Y补= 0110 0111 X补+

30、 Y补= 1010 1100 X+Y 补= 1010 1100 （172D）54/61分析：分析：8 8位字长的计算机可以表示的数据范围位字长的计算机可以表示的数据范围（1）不带符号数，8位全部是数据，M=28-1=255（2）带符号数，1位是符号，7位是数据， M = 27-1 = 127而 X+Y =69D+103D=172D 127D超出了8位字长的计算机可表示的范围，计算出错！结论当两个正数相加时，其和变成负数，同样当两个负数相加，其和变成正数。我们称这情况为溢出。当计算机发生溢出时，其计算结果肯定是错误的。55/61例例 题题【例例1】 X= - 011 0100 B ,Y= +11

31、1 0100 B ，求求X+Y补。补。【例例2】 若若X，Y均为有符号数，求均为有符号数，求X+Y补，并判断结果是否正确补，并判断结果是否正确。（1）64 19 （2） 19 64（3） 90 + 107 （4） - 110 - 92 56/61【例例】 X= - 011 0100 B ,Y= +111 0100 B ， 求求X+Y补。补。X原原=1011 0100 B X补补=1100 1100 BY补补= Y原原=0111 0100 BX+Y补补= X补补+ Y补补 =1100 1100 B + 0111 0100 B =0100 0000 B Y 111 0100B- X 011 010

32、0B100 0000B57/61【例例1】 64 190100 0000 B +64补补 + 1110 1101 B - 19补补 1 0010 1101 B+45补补进位自然丢失进位自然丢失【例例2】 19 640001 0011 B +19补补 + 1100 0000 B - 64补补 1101 0011 B- 45补补【例例4】 - 110 - 92 1001 0010 B - 110补补 + 1010 0100 B - 92补补 1 0011 0110 B+ 54补补进位自然丢失进位自然丢失【例例3】 90 + 1070101 1010 B + 90补补 + 0110 1011 B +

33、107补补 1100 0101 B- 59补补有符号数相加的结果超过微处理器所能表示有符号数相加的结果超过微处理器所能表示的数值范围的数值范围溢出（溢出（OF标志）。错误结果标志）。错误结果59/61如上所述，一定位数的二进制数能够表示的如上所述，一定位数的二进制数能够表示的数值范围是有限的。数值范围是有限的。两数相加或相减，结果超过该数字位能够表两数相加或相减，结果超过该数字位能够表示的无符号数范围（最高位产生进位），称示的无符号数范围（最高位产生进位），称为进位。为进位。两数相加或相减，结果超过该数字位能够表两数相加或相减，结果超过该数字位能够表示的有符号数范围（与进位无关），称为溢示的有

34、符号数范围（与进位无关），称为溢出。出。进位和溢出是互不相干的两种情况。进位和溢出是互不相干的两种情况。课后自己结合进位和溢出概念给出具体算例。课后自己结合进位和溢出概念给出具体算例。分析：进位与溢出分析：进位与溢出60/611.3.2 十进制数、字符的表示十进制数、字符的表示1. BCD1. BCD码码十进制数的表示十进制数的表示用用4位二进制数表示一位十进制数。位二进制数表示一位十进制数。 压缩的压缩的BCD码码：一个字节可表示：一个字节可表示两个两个BCD数数 非压缩非压缩BCD码码：一个字节只表示：一个字节只表示一个一个BCD数数低低4位位高高4位位BCD0BCD1BCD00001个字

35、节个字节压缩的压缩的BCD码码非压缩非压缩BCD码码7 4 3 061/618421BCD码码十进制数十进制数 压缩压缩BCD 非压缩非压缩BCD 0 0000 0000 0000 0000 1 0000 0001 0000 0001 2 0000 0010 0000 0010 9 0000 1001 0000 1001 100001 0000 00000001 00000000 110001 0001 00000001 00000001 120001 0010 00000001 0000001062/61 采用采用7位二进制代码对字符进行编码位二进制代码对字符进行编码 最高位通常总为最高位通

36、常总为0，有时也用作奇偶校验位，有时也用作奇偶校验位。ASCII码码 数字数字 ASCII码码 字母字母0011 0000B 30H 0 0100 0001B 41H A0011 0001B 31H 1 0100 0010B 42H B0011 0010B 32H 2 0100 0011B 43H C 0011 1001B 39H 9 0100 0110B 46H F2.ASCII2.ASCII码码常用字符编码常用字符编码作业作业1.完成数值的转换 （1011001.101）2=（）10 （101100111001）2=（）16 （3FFF）16 =（）10 （255）10 =（）22.查表写出下列字符的ASCII码a 、K、G、+、DEL、SP、CR、$