微机原理与接口技术第微机原理与接口技术第2版第版第01章计算机基本知识章计算机基本知识第一章第一章计算机基本知识计算机基本知识n绪论绪论n计算机的发展概况计算机的发展概况n微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n几个重要的数字逻辑电路几个重要的数字逻辑电路n微机基本结构微机基本结构几个概念nCPU=控制器运算器控制器运算器n计算机主机计算机主机CPU存储器存储器n计算机硬件系统计算机硬件系统n计算机软件系统计算机软件系统n计算机系统计算机系统n字长：字长：CPUCPU并行处理二进制的数据位数。并行处理二进制的数据位数。8 8位位 机、机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。12 计算机的发展概况 n微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗n巨型化巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度速度n智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力n系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级n网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路n多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控制、独立控制、 故障分散、资源共享故障分散、资源共享) )CNET中国.ZOL06年8月18日报道：今天下午，从英特尔酷睿2Merom技术说明会上获悉，英特尔酷睿2Merom处理器将于本月29日正式发布。据英特尔公司技术工程师介绍：酷睿2Merom为笔记本提供更优的性能功耗比，其中双核u2500的最低功耗仅为9.5瓦，笔记本电脑可以更轻薄更省电。http:/nb.zol.com.cn/33/331307.html日本NEC公司的“地球模拟机”(EarthSimulator)计算机在两年前曾是世界最快超级计算机，其计算能力达35.86Tflops。现在美国的IBM蓝色基因/L已经重夺这项桂冠，它的计算能力是280.6Tflops(新浪科技注：这台IBM超级计算机服务于美国国家核安全局，主要用于模拟核试验。)。http:/www.newmaker.com/mgz12计算机的发展概况计算机的发展概况 n一、计算机的发展概况一、计算机的发展概况第一代：电子管计算机时代（第一代：电子管计算机时代（19471957）第二代：晶体管计算机时代（第二代：晶体管计算机时代（19581964）第三代：集成电路计算机时代（第三代：集成电路计算机时代（19641972）第四代：超大规模集成电路（第四代：超大规模集成电路（VLSI）计算机时代）计算机时代（1972年年）。）。第五代：智能计算机（第五代：智能计算机（1981年年）。）。二、微处理器及微型计算机的发展概况二、微处理器及微型计算机的发展概况 第一代微处理器第一代微处理器是以是以Intel公司公司1971年推出的年推出的4004，4040为代表的四位微处理机。为代表的四位微处理机。第二代微处理机第二代微处理机（1973年年1977年），典型代表有：年），典型代表有：Intel公司的公司的8080、8085；Motorola公司的公司的M6800以及以及Zlog公公司的司的Z80。第三代微处理机第三代微处理机第三代微机是以第三代微机是以16位机为代表，基本上是在位机为代表，基本上是在第二代微机的基础上发展起来的。其中第二代微机的基础上发展起来的。其中Intel公司的公司的8088。8086是在是在8085的基础发展起来的；的基础发展起来的；M68000是是Motorola公公司在司在M6800的基础发展起来的；的基础发展起来的；第四代微处理机第四代微处理机以以Intel公司公司1984年年10月推出的月推出的80386CPU和和1989年年4月推出的月推出的80486CPU为代表，为代表，第五代微处理机第五代微处理机的发展更加迅猛，的发展更加迅猛，1993年年3月被命名为月被命名为PENTIUM的微处理机面世，的微处理机面世，98年年PENTIUM2又被推向市场。又被推向市场。INTELCPU发展历史发展历史nIntel第一第一块块CPU4004,4位主理器位主理器,主主频频108kHz,运算速度运算速度0.06MIPs(MillionInstructionsPerSecond,每秒百万条每秒百万条指令指令),集成晶体管集成晶体管2,300个个,10微米微米制造制造工工艺艺,最大最大寻寻址内存址内存640bytes,生生产产曰期曰期1971年年11月月.n8085,8位主理器位主理器,主主频频5M,运算速度运算速度0.37MIPs,集成晶体管集成晶体管6,500个个,3微米微米制造工制造工艺艺,最大最大寻寻址内存址内存64KB,生生产产曰期曰期1976年年n8086,16位主理器位主理器,主主频频4.77/8/10MHZ,运算速度运算速度0.75MIPs,集成晶体管集成晶体管29,000个个,3微米制造工微米制造工艺艺,最最大大寻寻址内存址内存1MB,生生产产曰期曰期1978年年6月月.n80486DX,DX2,DX4,32位主理器位主理器,主频主频25/33/50/66/75/100MHZ,总线频率总线频率33/50/66MHZ,运算速度运算速度2060MIPs,集成集成晶体管晶体管1.2M个个,1微米微米制造工艺制造工艺,168针针PGA,最大寻址内存最大寻址内存4GB,缓存缓存8/16/32/64KB,生产曰期生产曰期1989年年4月月nCeleron一代一代,主频主频266/300MHZ(266/300MHzw/oL2cache,Covington芯心芯心(Klamathbased),300A/333/366/400/433/466/500/533MHzw/128kBL2cache,Mendocino核心核心(Deschutes-based),总线频率总线频率66MHz,0.25微米微米制造工艺制造工艺,生产生产曰期曰期1998年年4月月)nPentium4(478针针),至至今今分分为为三三种种核核心心:Willamette核核心心(主主频频1.5G起起,FSB400MHZ,0.18微微 米米 制制 造造 工工 艺艺),Northwood核核心心(主主频频1.6G3.0G,FSB533MHZ,0.13微微米米制制造造工工艺艺,二二级级缓缓存存512K),Prescott核核心心(主主频频2.8G起起,FSB800MHZ,0.09微微米米制制造造工工艺艺,1M二二级级缓缓存存,13条条全全新新指指令令集集SSE3),生产曰期生产曰期2001年年7月月.n更大的缓存、更高的频率、 n超级流水线、分支预测、乱序执行n超线程技术 微型计算机组成结构微型计算机组成结构微型计算机系统硬件微型计算机（主机）微处理器微处理器(CPU)软件外围设备运算器控制器存储器存储器(内存)RAMROM外部设备辅助设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪)输出设备(显示器、打印机、绘图仪、)辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC)(I/O接口接口)总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路单片机简介单片机简介n单片机单片机即单片机微型计算机，即单片机微型计算机，是将计算机主机是将计算机主机( (CPUCPU、 内存内存和和I/I/O接口接口) )集成在一小块硅片上的微型机集成在一小块硅片上的微型机。n单片机开发系统单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。片机应用系统的硬、软件开发。n单片机为工业测控而设计，又称微控制器单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有。具有三高优势三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高)。n主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。仪器仪表、通讯设备、家用电器等。特别适合于特别适合于嵌入式微型机应用系统。嵌入式微型机应用系统。n三、计算机编程语言的发展概况三、计算机编程语言的发展概况 机机器器语语言言机器语言就是0，1码语言，是计算机唯一能理解并直接执行的语言。汇汇编编语语言言用一些助记符号代替用0，1码描述的某种机器的指令系统，汇编语言就是在此基础上完善起来的。高高级级语语言言BASIC，PASCAL，C语言等等。用高级语言编写的程序称源程序，它们必须通过编译或解释，连接等步骤才能被计算机处理。 面面向向对对象象语语言言C+，Java等编程语言是面向对象的语言。1.3微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n（一）（一） 十进制十进制N ND Dn有十个数码：有十个数码：0 09 9，逢十进一。，逢十进一。例例 1234.5=1101234.5=1103 3 +210+2102 2 +310+3101 1 +410+4100 0 +510+510- -1 1n加权展开式以加权展开式以1010称为基数，各位系数为称为基数，各位系数为0 09 9，1010i i为为权。权。一般表达式：一般表达式：nN ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+一、数的表示一、数的表示n（二）（二） 二进制二进制N NB Bn两个数码：两个数码：0 0、1, 1, 逢二进一逢二进一。例例 1101.101=12 1101.101=123 3+12+122 2+02+021 1+12+120 0+12+12-1 -1 +12+12-3-3 n加权展开式以加权展开式以2 2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 0、1 1， 2 2i i为为权。权。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-122n-1 n-1 + b+ bn-2n-222n-2 n-2 +b+b0 0220 0 +b+b-1-122-1-1+n（三）十六进制（三）十六进制N NH Hn十六个数码十六个数码0 09 9、A AF F，逢十六进一，逢十六进一。例：例：DFC.8=1316DFC.8=13162 2 +1516 +15161 1 +1216 +12160 0 +816 +816-1-1 n展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为0 09 9，A AF F，1616i i为权。为权。一般表达式：一般表达式：N NH H= = h hn-1n-11616n-1n-1+ + h hn-2n-21616n-2n-2+ + h h0 016160 0+ + h h-1-11616- -1 1+二、二、不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换（一）（一）一个一个R进制的数转换成十进制数的方法：进制的数转换成十进制数的方法：按权展开，先乘后加按权展开，先乘后加举例：举例：1011.1010B=121011.1010B=123 3+12+121 1+12+120 0+12+12-1-1+12+12-3-3=11.625D=11.625D0DFC.8H=13160DFC.8H=13162 2+1516+15161 1+1216+12160 0+816+816-1 -1 = 3580.5D= 3580.5Dn（二）二进制与十六进制数之间的转换（二）二进制与十六进制数之间的转换24=16，四位二进制数对应一位十六进制数，四位二进制数对应一位十六进制数。n举例举例：n3AF.2H3AF.2H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 1110101111.001B 1110101111.001B n1111101.11B1111101.11B = = 0 0111111 11011101. .11110000 = 7D.CH = 7D.CH （三）十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数n整数、小数分别转换整数、小数分别转换n1.整数转换法整数转换法“除除基基取取余余”：十十进进制制整整数数不不断断除除以以转转换换进进制制基基数数，直直至至商商为为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例：例：39转换成二进制数转换成二进制数39=100111B2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5）0例：208转换成十六进制数转换成十六进制数208=D0H16208余01613余13=DH0n2. 小数转换法小数转换法n“乘乘基基取取整整”：用用转转换换进进制制的的基基数数乘乘以以小小数数部部分分，直直至至小小数数为为0或或达达到到转转换换精精度度要要求求的的位位数数。每每乘乘一一次次取取一次整数，从最高位排到最低位。一次整数，从最高位排到最低位。举例：1.0.625转换成二进制数转换成二进制数0.6252=1.2501(b-1)0.252=0.500(b-2)0.52=1.01(b-3)n0.625=0.101B2.0.625转换成十六进制数转换成十六进制数0.62516=10.00.625=0.AH三、带符号数的表示方法三、带符号数的表示方法 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0”“0”、“1” “1” 表示。表示。 最高位作符号位，最高位作符号位，“0”“0”表示表示“+”“+”，“1”“1”表示表示“-”“-”。n机器数：机器中数的表示形式。机器数：机器中数的表示形式。n真值：真值： 机器数所代表的实际数值。机器数所代表的实际数值。n举例举例: :一个一个8 8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值：X1=+84=+1010100X1=+84=+1010100B B X2=-84=X2=-84= -1010100-1010100B B 机器数：机器数：X1X1机机= 01010100 X2= 01010100 X2机机= 11010100= 11010100（一）机器数与真值（一）机器数与真值n最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“”。数值位与真值数值位相同。例8位原码机器数： 真值： x1=+1010100Bx2=1010100B 机器数： x1原=01010100x2原=11010100n原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。1、原码、原码(TrueForm)(二二)原码、反码、补码原码、反码、补码n正数的反码与原码表示相同。正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为负数反码符号位为 1 1，数值位为原码数值各位取反。，数值位为原码数值各位取反。例例8位位反码反码机器数机器数： x= +4 x= +4： x x原原= 00000100= 00000100 xx反反= 00000100= 00000100 x= -4x= -4： x x原原= 1= 100001000000100 x x反反= 1= 1111101111110112、反码（、反码（OnesComplement）3、补码（、补码（TwosComplement）n正数的补码表示与原码相同。正数的补码表示与原码相同。 负数补码等于负数补码等于2 2n nabsabs（x x）例：求例：求8位补码机器数：位补码机器数：x=+4x=+4 x x原原=x=x反反=x=x补补= = 0000010000000100x=-4x=-4 x x原原 = 10000100= 10000100 x x反反 = 11111011 = 11111011 x x补补 = 100000000= 1000000000000010000000100 = 11111100 = 11111100n补码反码加补码反码加1 1。n补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表示唯一，加减运算方便。的表示唯一，加减运算方便。8位机器数表示的真值四、二进制编码例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码876= 1000 0111 0110 BCD 876= 1000 0111 0110 BCD 876= 36CH876= 36CH = 1101101100B= 1101101100B1 1、BCDBCD码码(Binary Coded (Binary Coded Decimal) Decimal) 二进制代码表示的十二进制代码表示的十进制数。进制数。2 2、字符编码字符编码 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码，用于计算码，用于计算 机与计算机、计算机与外设之间传递信息。机与计算机、计算机与外设之间传递信息。3、汉字编码、汉字编码 n“国家标准信息交换用汉字编码国家标准信息交换用汉字编码”（GB2312-80标准），简称国标码国标码。用两个七位二进制数编码表示一个汉字例如“巧”字的代码是39H、41Hn汉字内码例如“巧”字的代码是0B9H、0C1H14 运算基础 n一、一、二进制数的运算二进制数的运算n加法规则：加法规则：“逢逢2进进1” 减法规则：减法规则：“借借1当当2” 乘法规则：乘法规则：“逢逢0出出0，全，全1出出1” 1010 x 1011 1010 1010 0000+ 1010 11011101011 1010 y=01012010111010y=y+1010=1010101300101 10100y=y+10100=11110101400010 101000 y=11110101500001 1010000 y=y+1010000=1101110n二、二二、二十进制数的加、减运算十进制数的加、减运算BCD数的运算规则数的运算规则循十进制数的运算规循十进制数的运算规则则“逢逢10进进1”。但计算机在进行这种运算时。但计算机在进行这种运算时会出现潜在的错误。为了解决会出现潜在的错误。为了解决BCD数的运算数的运算问题，采取调整运算结果的措施：即问题，采取调整运算结果的措施：即“加六加六修正修正”和和“减六修正减六修正”例：例：10001000(BCD)+01101001(BCD) =000101010111(BCD) 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 调整 1 0 1 0 1 0 1 1 1 进位n部分和是AFn本位对高位进位例：例： 10001000(BCD) 01101001(BCD)= 00011001(BCD) 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 调整 0 0 0 1 1 0 0 1 n本位对高位借位n三、三、带符号二进制数的运算带符号二进制数的运算 1. 加法运算：加法运算：直接相加。 2. 2. 减法运算：减法运算：变补相加。1.5 1.5 几个重要的数字逻辑电路几个重要的数字逻辑电路n编码器n译码器n计数器n微机自动工作的条件n程序指令顺序存放n自动跟踪指令执行1、地址译码器2、指令译码器1.6 微机基本结构n微机结构n各部分组成n连接方式n1、以CPU为中心的双总线结构；2、以内存为中心的双总线结构；3、单总线结构nCPU结构n管脚特点 1、多功能；2、分时复用n内部结构 1、控制; 2、运算; 3、寄存器; 4、地址n程序计数器n堆栈定义 1、定义；2、管理；3、堆栈形式