教學第1章微型計算機的基礎知識課件

微機原理及應用微機原理及應用第1章微型計算機的基本知識§1.1微型計算機系統(tǒng)概述§1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼第1章微型計算機的基本知識§1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.1.2微型計算機基本結構1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.4微型計算機的工作原理1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微處理器和微型計算機1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1971年第一款4位微處理器4004面世，頻率為108KHz，內(nèi)含2300個晶體管，從此揭開了CPU發(fā)展的序幕。

1972年英特公司推出8位CPU8008，頻率為200KHz。

1974年英特發(fā)布首款真正的通用微處理器Intel8080，時鐘頻率為2MHz。

1976年英特發(fā)布時鐘頻率為5MHz的8085微處理器。

1978年英特推出16位CPU8086，時鐘頻率為4.77MHz。1.Intel系列微處理器的發(fā)展1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1971年1979年英特推出8088微處理器，內(nèi)含29000個晶體管，時鐘頻率為4.77MHz。

1982年英特推出16位的CPU80286，內(nèi)含13.4萬個晶體管，PC產(chǎn)業(yè)真正開始騰飛。

1985年英特推出32位的CPU80386，內(nèi)含27.5萬個晶體管。

1989年英特推出80486微處理器，內(nèi)含120萬個晶體管。

1993年英特推出Pentium（奔騰）處理器（俗稱586），集成了310萬個晶體管。

1995年英特推出專為服務器和工作站設計的PentimuPro處理器，內(nèi)含550萬個的晶體管。1979年英特推出8088微處理器，內(nèi)含29000個1996年英特推出采用了MMX（多媒體增強指令集）技術的Pentium處理器。

1997年英特推出PentiumⅡ處理器，集成了750萬個晶體管。

1999年英特發(fā)布PentiumⅢ處理器，內(nèi)含900萬個晶體管。

2000年英特發(fā)布Pentium4處理器，內(nèi)含4200萬個晶體管。

2006年1月

Core

酷睿

2006年7月

Core2Duo雙核

2006年11月Core2Quad4核

2008年11月Corei71996年英特推出采用了MMX（多媒體增強指令集）技

微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面：

第一，硬件的發(fā)展。它是隨著CPU的發(fā)展而發(fā)展，推動CPU發(fā)展的主要基礎是電子技術的發(fā)展，影響CPU發(fā)展的主要因素是新的設計思想和新的制造工藝。

第二，軟件的發(fā)展。它是隨著人們對計算機應用要求的不斷提高而發(fā)展的。2.微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面：2.微型計算機系1.1.2微型計算機基本結構

目前的計算機稱為馮·諾依曼體系結構計算機，主要特點有：（1）采用二進制形式表示指令和數(shù)據(jù)；（2）計算機的硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成；（3）將程序事先存入主存儲器中，使計算機能自動高速地從存儲器中逐條取指令、執(zhí)行指令。微型計算機的硬件主要包括：CPU、主板、內(nèi)存、外存、顯示器、鍵盤、鼠標等。雖然這些部件的功能與性能都有了巨大的發(fā)展，但是計算機的基本結構未變。1.1.2微型計算機基本結構目前的計算機稱為馮·諾計算機的基本結構框圖存儲器輸入設備輸出設備控制器運算器計算機的基本結構框圖存儲器輸入設備輸出設備控制器運算器

（1）運算器：由運算器件和寄存器組等構成，主要實現(xiàn)算術運算和邏輯運算。（2）控制器：控制器是計算機的核心，由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路、控制信號發(fā)生器等構成，產(chǎn)生指令執(zhí)行時的各種控制信號。（3）存儲器：由地址譯碼器、存儲體等構成，主要用于存儲信息。（4）輸入設備：將外部信息輸入到計算機中。（5）輸出設備：將計算機中的信息輸出到外部。（1）運算器：由運算器件和寄存器組等構成，主要實現(xiàn)算術微型計算機的結構特點

微型計算機是計算機家族中一個特殊成員，遵從計算機的組成原理，具有三個顯著特點：（1）微型計算機以主板作為硬件組件的集成平臺；（2）微型計算機采用總線結構，連接各硬件組件，傳送各種信息；（3）微型計算機將運算器和控制器集成在一個芯片上，稱為微處理器，簡稱CPU。微型計算機的結構特點微型計算機是計算機家族中一個特微型計算機的基本結構數(shù)據(jù)總線（DB）中央處理器CPU內(nèi)存儲器控制總線（CB）地址總線（AB）I/O接口I/O接口I/O設備I/O設備微型計算機的基本結構數(shù)據(jù)總線（DB）中央內(nèi)存儲器控制總線（C

（1）CPU的基本功能數(shù)據(jù)運算：根據(jù)程序要求，完成各種運算。指令控制：程序是由一系列的指令組成的序列，指令控制即控制程序的執(zhí)行順序。操作控制：一條指令的功能往往由若干個操作組合實現(xiàn)；CPU負責分析指令，并產(chǎn)生相應的操作信號，把操作信號送往相應的組件，控制這些組件完成相應的操作。時序控制：對各組件的操作進行時間上的定時，控制各個操作按時序協(xié)調(diào)進行。1.中央處理器（CPU）（1）CPU的基本功能1.中央處理器（CPU）

（2）CPU的性能指標字和字長：“字”是CPU內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位，通常與CPU內(nèi)部的寄存器、運算器、總線寬度一致。一個字所包含的二進制位數(shù)稱為“字長”。常見的CPU的字長有8位、16位、32位和64位等。

主頻：主頻是CPU內(nèi)部的工作時鐘頻率，主頻越高表明CPU的運行速度越快。早年CPU的主頻只有幾MHz，現(xiàn)在的CPU主頻可達幾千MHz。

平均運算速度（MIPS）：常用單位時間執(zhí)行百萬條指令數(shù)來描述。早年的CPU一般只有幾十（MIPS），現(xiàn)在的CPU可達幾千（MIPS）。（2）CPU的性能指標

（1）主板主板是微型計算機中各主要部件的載體，還提供有多個擴展插槽和外設接口，主要由總線控制器、總線和接口驅(qū)動電路等主成。一般影響主板發(fā)展的因素有三個：

第一，新的CPU；

第二，新的芯片組；

第三，新的總線標準。2.主板與總線（1）主板2.主板與總線

（2）總線總線是連接計算機各部件的一組公用導線。①總線的分類

★根據(jù)所處的位置分類

片內(nèi)總線：位于微處理器芯片的內(nèi)部，用于算術邏輯單元ALU與各種寄存器或者其他功能單元之間的相互連接。

片間總線：又稱局部總線，用于各芯片之間的連接，主要用于CPU與其它接口芯片的連接，一般是CPU引腳的延伸，往往需要增加鎖存、驅(qū)動等電路，以提高CPU引腳的驅(qū)動能力。（2）總線

內(nèi)部總線：又稱為微型計算機系統(tǒng)總線，用于微型計算機系統(tǒng)各插件板之間的連接，是微型計算機系統(tǒng)的最重要的一種總線。

外部總線：又稱通信總線，用于系統(tǒng)之間的連接，如微機系統(tǒng)之間，微機系統(tǒng)與儀器、儀表或其他設備之間的連接。

★根據(jù)功能分類

地址總線：傳送地址信號的總線，一般為單向、三態(tài)總線。

數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信號的總線，為雙向、三態(tài)總線。

控制總線：傳送控制信號的總線，有的為單向、有的為雙向，有的為三態(tài)，有的為非三態(tài)。內(nèi)部總線：又稱為微型計算機系統(tǒng)總線，用于微型計算機系

②總線的特性

物理特性：指總線物理連接的方式。包括總線的條數(shù)、總線的插頭、插座形狀、引腳排列等。

功能特性：指總線中，每一根線的功能是什么。

電氣特性：指總線中，每一根線上信號的傳送方向、有效電平范圍，負載能力，阻抗等。

時間特性：指總線中，每根線在什么時間有效，也就是每根線的時序。②總線的特性

存儲器的主要作用是存儲數(shù)據(jù)和程序，其結構如圖所示。3.存儲器存儲器的主要作用是存儲數(shù)據(jù)和程序，其結構如圖所示。3

它由256個存儲單元組成，為了區(qū)分不同的存儲單元，對這些存儲單元分別用8位二進制數(shù)編號，用兩位十六進制數(shù)表示，這就是它們的地址，如00H、01H、02H、…、FFH等；而每一個存儲單元可以存放8位二進制信息，這就是它們的內(nèi)容。（1）讀操作將存儲器中某個單元的內(nèi)容傳送至CPU中。首先通過CPU的地址寄存器、地址總線傳送單元地址至存儲器，存儲器的地址譯碼器對地址譯碼，找到對應存儲單元，然后CPU發(fā)讀控制命令，于是存儲單元的內(nèi)容就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，送至CPU的數(shù)據(jù)寄存器。存儲器的讀出是非破壞性的，即信息讀出后存儲單元的內(nèi)容不變。

它由256個存儲單元組成，為了區(qū)分不同的存儲單元，對第1章微型計算機的基礎知識課件

（2）寫操作將CPU中的數(shù)據(jù)傳送至存儲器的某單元中。要把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容傳送到存儲單元，首先要求CPU的地址寄存器給出單元地址，并通過地址總線傳送至存儲器，經(jīng)譯碼后選中對應的存儲單元，然后把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送至存儲器；且CPU發(fā)出寫的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息就寫入到對應的存儲單元中。信息寫入后，在沒有新的信息寫入以前，該信息一直保持不變。

（2）寫操作第1章微型計算機的基礎知識課件

（3）存儲器的技術指標①存儲容量指存儲器的存儲單元能夠存放的信息總量?？梢杂枚M制位為單位進行表示，也可以用字節(jié)為單位進行表示。②存取時間和存取周期存取時間指完成一次存儲器操作所需要的時間。存取周期指啟動連續(xù)兩次存儲器操作的最小間隔時間。啟動第n+1次完成第n次啟動第n次完成第n+1次存取時間存取周期（3）存儲器的技術指標啟動第n+1次完成第n次啟動第n內(nèi)存只讀存儲器（ROM）讀寫存儲器（RAM）掩膜ROMPROM：一次可編程ROMEPROM：紫外線擦除可編程ROMEEPROM：電擦除可編程ROMFLASHROM：快速ROM靜態(tài)存儲器（SRAM）動態(tài)存儲器（DRAM）SDRAM：單倍速動態(tài)RAMDDRAM：雙倍速動態(tài)RAMRDRAM：隨機讀寫動態(tài)RAM軟磁盤、硬磁盤、磁帶、光盤、U盤外存存儲器

（4）存儲器分類內(nèi)只讀存儲器讀寫存儲器掩膜ROM靜態(tài)存儲器動態(tài)存儲器SDRA4.輸入輸出（I/O）設備

輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)和程序輸入到計算機內(nèi)部，轉(zhuǎn)換成為二進制代碼。輸出設備的作用是將二進制代碼轉(zhuǎn)換為相應的源信息形式，輸出數(shù)據(jù)信息。4.輸入輸出（I/O）設備輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.4微型計算機的工作原理1.1.4微型計算機的工作原理微處理器基本工作過程

微處理器的基本工作過程包括四個步驟：（1）取指令（2）分析指令（3）發(fā)送操作信號，執(zhí)行指令（4）為執(zhí)行下一條指令做準備微處理器基本工作過程微處理器的基本工作過程包括四個步

假設程序已存儲在內(nèi)存單元中，程序計數(shù)器中保存著將要執(zhí)行的指令的地址，控制器將程序計數(shù)器中的地址送至地址寄存器MAR，并發(fā)出讀命令，存儲器根據(jù)此地址取出一條指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送入指令寄存器IR。指令譯碼器對IR中的指令進行譯碼分析，確定該指令的操作功能?？刂七壿嬯嚵邢虼鎯ζ鳌⑦\算器等等部件發(fā)出操作命令，執(zhí)行指令操作碼規(guī)定的操作。修改程序計數(shù)器的內(nèi)容，為取下一條指令做準備。假設程序已存儲在內(nèi)存單元中，程序計數(shù)器中保存著將要執(zhí)微型計算機系統(tǒng)

以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部設備以后，就構成完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部第1章微型計算機的基礎知識課件1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼1.2.1字符的編碼1.2.2微型計算機中數(shù)值的表示方法1.2.3微型計算機中數(shù)的運算方法1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼1.2.1字符的編碼計算機中的信息控制信息數(shù)據(jù)信息非數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)有符號數(shù)值數(shù)據(jù)無符號數(shù)值數(shù)據(jù)計算機中的信息控制信息數(shù)據(jù)信息非數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)有符號數(shù)值數(shù)1.2.1字符的編碼

字符在計算機中的表示形式，稱為計算機中的字符編碼。包括西文字符編碼和中文字符編碼等。1.ASCII碼（美國信息交換標準碼）標準ASCII碼用7位二進制數(shù)表示一個字符，它有128種組合，可以表示128個字符。包括“0～9”、“A～Z”、“a～z”，以及常用標點符號和各種控制字符。在計算機中用一個字節(jié)表示一個ASCII碼字符，即在7位ASCII前最高位置為0。擴展ASCII碼用8位二進制數(shù)表示一個字符，有256種組合。1.2.1字符的編碼字符在計算機中的表示形式，稱為2.漢字編碼用計算機處理漢字，每個漢字必須用代碼表示。鍵盤輸入漢字是輸入漢字的外部碼。外部碼必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部碼才能在計算機內(nèi)進行存儲和處理。為了將漢字以點陣的形式輸出，還要將內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換為字形碼。

（1）外部碼漢字主要是從鍵盤輸入，每個漢字對應一個外部碼，外部碼是計算機輸入漢字的代碼，是代表某一個漢字的一組鍵盤符號。外部碼也叫輸入碼。漢字的輸入方法不同，同一個漢字的外部碼可能不一樣，有數(shù)據(jù)輸入碼、拼音輸入碼和字形輸入碼等。2.漢字編碼

（2）交換碼交換碼又稱為國標碼，用14位二進制數(shù)來表示一個漢字。將漢字和符號分為94個區(qū)，每個區(qū)分為94位。分別用兩位十進制數(shù)表示區(qū)號和位號構成其區(qū)位碼，將常用的6763個漢字分為兩級，一級有3755個，二級有3008個。將區(qū)號和位號分別加32，再分別轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)，構成國標碼。（3）內(nèi)部碼它是在計算機中存儲和傳送漢字時的編碼。用16位二進制數(shù)來表示一個漢字。內(nèi)部碼和交換碼的關系為：內(nèi)部碼=交換碼+8080H（2）交換碼

（4）輸出碼漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器的編碼。它是顯示漢字時的點陣碼。常用的有16×16，32×32，48×48等。漢字庫就是存放漢字輸出碼的文件

。漢字信息處理系統(tǒng)模型

漢字輸入外部碼交換碼內(nèi)部碼地址碼漢字輸出輸出碼（4）輸出碼漢字信息處理系統(tǒng)模型漢字輸入外部碼交換碼3.BCD碼

BCD碼稱為用二進制表示的十進制數(shù)，常用的有兩種。

（1）壓縮BCD碼用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)。其對應關系為：（0～9）10=（0000～1001）BCD

（2）非壓縮BCD碼用8位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，低4位與壓縮BCD碼相同，高4位可任意。即：（0～9）10=（****0000～****1001）BCD3.BCD碼1.2.2微型計算機中數(shù)值的表示方法1.機器數(shù)與真值

真值：數(shù)值的真實值，用“+”、“-”號表示數(shù)的符號，數(shù)據(jù)位表示數(shù)的大小的表示形式（日常生活中數(shù)的表示形式），真值可以是多種進制。

機器數(shù)：真值在計算機中的表示形式，通常要先規(guī)定其長度（定長），機器數(shù)只能是二進制，符號也必須用二進制表示（符號數(shù)字化）。符號的數(shù)字化規(guī)則為：“+”→“0”“-”→“1”1.2.2微型計算機中數(shù)值的表示方法1.機器數(shù)與真值2.無符號數(shù)和有符號數(shù)無符號數(shù)：無符號位，按正數(shù)理解，所有位都表示數(shù)值位。

n位無符號二進制整數(shù)的表示的范圍為0～2n-1n位無符號二進制小數(shù)的表示的范圍為0～1-2-n

有符號數(shù)：最高位為符號位，可正可負，其余位為數(shù)值位。有符號數(shù)在計算機中有多種編碼形式，常用的有原碼、反碼、補碼等，不同的編碼形式表示的范圍可能不相同。2.無符號數(shù)和有符號數(shù)3.原碼、反碼、補碼

（1）原碼最高位為符號位，正數(shù)用“0”表示，負數(shù)用“1”表示，其余位表示真值的絕對值。

n位整數(shù)原碼的表示范圍為：-（2n-1-1)～+(2n-1-1)

對于定長為8位時：

[25]原=00011001[-25]原=10011001[0]原=00000000[-0]原=10000000

原碼表示簡單，但不便于計算，微機中一般不用原碼表示。3.原碼、反碼、補碼

（2）反碼正數(shù)的反碼等于其原碼，負數(shù)的反碼等其原碼除符號位以外各位求反。

n位整數(shù)反碼的表示范圍為：-（2n-1-1)～+(2n-1-1)

對于定長為8位時：

[25]反=00011001[-25]反=11100110[0]反=00000000[-0]反=11111111（2）反碼

（3）補碼正數(shù)的補碼等于其原碼，負數(shù)的補碼等其反碼未位加1。

n位整數(shù)補碼的表示范圍為：-（2n-1)～+(2n-1-1)

對于定長為8位時：

[25]補=00011001[-25]補=11100111[0]補=[-0]補=00000000[-128]補=11111111

在計算機內(nèi)部，有符號數(shù)均用補碼表示，可以簡化其運算。

[x+y]補=[x]補+[y]補

[x-y]補=[x]補+[-y]補（3）補碼

（4）定點數(shù)與浮點數(shù)

定點數(shù)：小數(shù)點位置固定不變的數(shù)，分為定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種。①定點整數(shù)：小數(shù)點固定在最低位之后；②定點小數(shù)：小數(shù)點固定在最高位之前。

浮點數(shù)：小數(shù)點位置可變的數(shù)，在計算機中以指數(shù)形式表示。

x=m?jkm稱為尾數(shù)，一般用定點小數(shù)表示；

j稱為基數(shù)，一般由計算機的硬件決定；

k稱為階，一般由定點整數(shù)表示。（4）定點數(shù)與浮點數(shù)不同數(shù)制下數(shù)值轉(zhuǎn)換十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)整數(shù)：連續(xù)地除2取余小數(shù)：連續(xù)地乘2取整按權展開相加按權展開相加按權展開相加3位并成1位4位并成1位1位拆成3位1位拆成4位不同數(shù)制下數(shù)值轉(zhuǎn)換十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)整數(shù)：連1.2.3微型計算機中數(shù)的運算方法1.加減法運算在計算機內(nèi)部，有符號數(shù)均用補碼表示，其加減法運算規(guī)則為：

[X+Y]補=[X]補+[Y]補

[X-Y]補=[X]補+[-Y]補符號位與數(shù)值位一起參與運算，運算時超過定長的進位丟掉（使結果的位數(shù)與定長相符），只要結果不超過定長能表示的范圍（無溢出），就能得到正確的結果。1.2.3微型計算機中數(shù)的運算方法1.加減法運算2.溢出判斷所謂溢出是指結果超出了能表示的范圍，有多種判斷溢出的方法，其中較簡單的一種是判斷結果的符號位是否合理，若合理表明無溢出，否則表明有溢出，存在溢出的情況只有下面四種：①正+正=負②負+負=正③正-負=負④負-正=正其余情況均不會出現(xiàn)溢出。2.溢出判斷微機原理及應用微機原理及應用第1章微型計算機的基本知識§1.1微型計算機系統(tǒng)概述§1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼第1章微型計算機的基本知識§1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.1.2微型計算機基本結構1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.4微型計算機的工作原理1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微處理器和微型計算機1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1971年第一款4位微處理器4004面世，頻率為108KHz，內(nèi)含2300個晶體管，從此揭開了CPU發(fā)展的序幕。

1972年英特公司推出8位CPU8008，頻率為200KHz。

1974年英特發(fā)布首款真正的通用微處理器Intel8080，時鐘頻率為2MHz。

1976年英特發(fā)布時鐘頻率為5MHz的8085微處理器。

1978年英特推出16位CPU8086，時鐘頻率為4.77MHz。1.Intel系列微處理器的發(fā)展1.1.1微處理器和微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1971年1979年英特推出8088微處理器，內(nèi)含29000個晶體管，時鐘頻率為4.77MHz。

1982年英特推出16位的CPU80286，內(nèi)含13.4萬個晶體管，PC產(chǎn)業(yè)真正開始騰飛。

1985年英特推出32位的CPU80386，內(nèi)含27.5萬個晶體管。

1989年英特推出80486微處理器，內(nèi)含120萬個晶體管。

1993年英特推出Pentium（奔騰）處理器（俗稱586），集成了310萬個晶體管。

1995年英特推出專為服務器和工作站設計的PentimuPro處理器，內(nèi)含550萬個的晶體管。1979年英特推出8088微處理器，內(nèi)含29000個1996年英特推出采用了MMX（多媒體增強指令集）技術的Pentium處理器。

1997年英特推出PentiumⅡ處理器，集成了750萬個晶體管。

1999年英特發(fā)布PentiumⅢ處理器，內(nèi)含900萬個晶體管。

2000年英特發(fā)布Pentium4處理器，內(nèi)含4200萬個晶體管。

2006年1月

Core

酷睿

2006年7月

Core2Duo雙核

2006年11月Core2Quad4核

2008年11月Corei71996年英特推出采用了MMX（多媒體增強指令集）技

微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面：

第一，硬件的發(fā)展。它是隨著CPU的發(fā)展而發(fā)展，推動CPU發(fā)展的主要基礎是電子技術的發(fā)展，影響CPU發(fā)展的主要因素是新的設計思想和新的制造工藝。

第二，軟件的發(fā)展。它是隨著人們對計算機應用要求的不斷提高而發(fā)展的。2.微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面：2.微型計算機系1.1.2微型計算機基本結構

目前的計算機稱為馮·諾依曼體系結構計算機，主要特點有：（1）采用二進制形式表示指令和數(shù)據(jù)；（2）計算機的硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成；（3）將程序事先存入主存儲器中，使計算機能自動高速地從存儲器中逐條取指令、執(zhí)行指令。微型計算機的硬件主要包括：CPU、主板、內(nèi)存、外存、顯示器、鍵盤、鼠標等。雖然這些部件的功能與性能都有了巨大的發(fā)展，但是計算機的基本結構未變。1.1.2微型計算機基本結構目前的計算機稱為馮·諾計算機的基本結構框圖存儲器輸入設備輸出設備控制器運算器計算機的基本結構框圖存儲器輸入設備輸出設備控制器運算器

（1）運算器：由運算器件和寄存器組等構成，主要實現(xiàn)算術運算和邏輯運算。（2）控制器：控制器是計算機的核心，由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路、控制信號發(fā)生器等構成，產(chǎn)生指令執(zhí)行時的各種控制信號。（3）存儲器：由地址譯碼器、存儲體等構成，主要用于存儲信息。（4）輸入設備：將外部信息輸入到計算機中。（5）輸出設備：將計算機中的信息輸出到外部。（1）運算器：由運算器件和寄存器組等構成，主要實現(xiàn)算術微型計算機的結構特點

微型計算機是計算機家族中一個特殊成員，遵從計算機的組成原理，具有三個顯著特點：（1）微型計算機以主板作為硬件組件的集成平臺；（2）微型計算機采用總線結構，連接各硬件組件，傳送各種信息；（3）微型計算機將運算器和控制器集成在一個芯片上，稱為微處理器，簡稱CPU。微型計算機的結構特點微型計算機是計算機家族中一個特微型計算機的基本結構數(shù)據(jù)總線（DB）中央處理器CPU內(nèi)存儲器控制總線（CB）地址總線（AB）I/O接口I/O接口I/O設備I/O設備微型計算機的基本結構數(shù)據(jù)總線（DB）中央內(nèi)存儲器控制總線（C

（1）CPU的基本功能數(shù)據(jù)運算：根據(jù)程序要求，完成各種運算。指令控制：程序是由一系列的指令組成的序列，指令控制即控制程序的執(zhí)行順序。操作控制：一條指令的功能往往由若干個操作組合實現(xiàn)；CPU負責分析指令，并產(chǎn)生相應的操作信號，把操作信號送往相應的組件，控制這些組件完成相應的操作。時序控制：對各組件的操作進行時間上的定時，控制各個操作按時序協(xié)調(diào)進行。1.中央處理器（CPU）（1）CPU的基本功能1.中央處理器（CPU）

（2）CPU的性能指標字和字長：“字”是CPU內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位，通常與CPU內(nèi)部的寄存器、運算器、總線寬度一致。一個字所包含的二進制位數(shù)稱為“字長”。常見的CPU的字長有8位、16位、32位和64位等。

主頻：主頻是CPU內(nèi)部的工作時鐘頻率，主頻越高表明CPU的運行速度越快。早年CPU的主頻只有幾MHz，現(xiàn)在的CPU主頻可達幾千MHz。

平均運算速度（MIPS）：常用單位時間執(zhí)行百萬條指令數(shù)來描述。早年的CPU一般只有幾十（MIPS），現(xiàn)在的CPU可達幾千（MIPS）。（2）CPU的性能指標

（1）主板主板是微型計算機中各主要部件的載體，還提供有多個擴展插槽和外設接口，主要由總線控制器、總線和接口驅(qū)動電路等主成。一般影響主板發(fā)展的因素有三個：

第一，新的CPU；

第二，新的芯片組；

第三，新的總線標準。2.主板與總線（1）主板2.主板與總線

（2）總線總線是連接計算機各部件的一組公用導線。①總線的分類

★根據(jù)所處的位置分類

片內(nèi)總線：位于微處理器芯片的內(nèi)部，用于算術邏輯單元ALU與各種寄存器或者其他功能單元之間的相互連接。

片間總線：又稱局部總線，用于各芯片之間的連接，主要用于CPU與其它接口芯片的連接，一般是CPU引腳的延伸，往往需要增加鎖存、驅(qū)動等電路，以提高CPU引腳的驅(qū)動能力。（2）總線

內(nèi)部總線：又稱為微型計算機系統(tǒng)總線，用于微型計算機系統(tǒng)各插件板之間的連接，是微型計算機系統(tǒng)的最重要的一種總線。

外部總線：又稱通信總線，用于系統(tǒng)之間的連接，如微機系統(tǒng)之間，微機系統(tǒng)與儀器、儀表或其他設備之間的連接。

★根據(jù)功能分類

地址總線：傳送地址信號的總線，一般為單向、三態(tài)總線。

數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信號的總線，為雙向、三態(tài)總線。

控制總線：傳送控制信號的總線，有的為單向、有的為雙向，有的為三態(tài)，有的為非三態(tài)。內(nèi)部總線：又稱為微型計算機系統(tǒng)總線，用于微型計算機系

②總線的特性

物理特性：指總線物理連接的方式。包括總線的條數(shù)、總線的插頭、插座形狀、引腳排列等。

功能特性：指總線中，每一根線的功能是什么。

電氣特性：指總線中，每一根線上信號的傳送方向、有效電平范圍，負載能力，阻抗等。

時間特性：指總線中，每根線在什么時間有效，也就是每根線的時序。②總線的特性

存儲器的主要作用是存儲數(shù)據(jù)和程序，其結構如圖所示。3.存儲器存儲器的主要作用是存儲數(shù)據(jù)和程序，其結構如圖所示。3

它由256個存儲單元組成，為了區(qū)分不同的存儲單元，對這些存儲單元分別用8位二進制數(shù)編號，用兩位十六進制數(shù)表示，這就是它們的地址，如00H、01H、02H、…、FFH等；而每一個存儲單元可以存放8位二進制信息，這就是它們的內(nèi)容。（1）讀操作將存儲器中某個單元的內(nèi)容傳送至CPU中。首先通過CPU的地址寄存器、地址總線傳送單元地址至存儲器，存儲器的地址譯碼器對地址譯碼，找到對應存儲單元，然后CPU發(fā)讀控制命令，于是存儲單元的內(nèi)容就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，送至CPU的數(shù)據(jù)寄存器。存儲器的讀出是非破壞性的，即信息讀出后存儲單元的內(nèi)容不變。

它由256個存儲單元組成，為了區(qū)分不同的存儲單元，對第1章微型計算機的基礎知識課件

（2）寫操作將CPU中的數(shù)據(jù)傳送至存儲器的某單元中。要把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容傳送到存儲單元，首先要求CPU的地址寄存器給出單元地址，并通過地址總線傳送至存儲器，經(jīng)譯碼后選中對應的存儲單元，然后把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送至存儲器；且CPU發(fā)出寫的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息就寫入到對應的存儲單元中。信息寫入后，在沒有新的信息寫入以前，該信息一直保持不變。

（2）寫操作第1章微型計算機的基礎知識課件

（3）存儲器的技術指標①存儲容量指存儲器的存儲單元能夠存放的信息總量?？梢杂枚M制位為單位進行表示，也可以用字節(jié)為單位進行表示。②存取時間和存取周期存取時間指完成一次存儲器操作所需要的時間。存取周期指啟動連續(xù)兩次存儲器操作的最小間隔時間。啟動第n+1次完成第n次啟動第n次完成第n+1次存取時間存取周期（3）存儲器的技術指標啟動第n+1次完成第n次啟動第n內(nèi)存只讀存儲器（ROM）讀寫存儲器（RAM）掩膜ROMPROM：一次可編程ROMEPROM：紫外線擦除可編程ROMEEPROM：電擦除可編程ROMFLASHROM：快速ROM靜態(tài)存儲器（SRAM）動態(tài)存儲器（DRAM）SDRAM：單倍速動態(tài)RAMDDRAM：雙倍速動態(tài)RAMRDRAM：隨機讀寫動態(tài)RAM軟磁盤、硬磁盤、磁帶、光盤、U盤外存存儲器

（4）存儲器分類內(nèi)只讀存儲器讀寫存儲器掩膜ROM靜態(tài)存儲器動態(tài)存儲器SDRA4.輸入輸出（I/O）設備

輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)和程序輸入到計算機內(nèi)部，轉(zhuǎn)換成為二進制代碼。輸出設備的作用是將二進制代碼轉(zhuǎn)換為相應的源信息形式，輸出數(shù)據(jù)信息。4.輸入輸出（I/O）設備輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.3微處理器的內(nèi)部結構1.1.4微型計算機的工作原理1.1.4微型計算機的工作原理微處理器基本工作過程

微處理器的基本工作過程包括四個步驟：（1）取指令（2）分析指令（3）發(fā)送操作信號，執(zhí)行指令（4）為執(zhí)行下一條指令做準備微處理器基本工作過程微處理器的基本工作過程包括四個步

假設程序已存儲在內(nèi)存單元中，程序計數(shù)器中保存著將要執(zhí)行的指令的地址，控制器將程序計數(shù)器中的地址送至地址寄存器MAR，并發(fā)出讀命令，存儲器根據(jù)此地址取出一條指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送入指令寄存器IR。指令譯碼器對IR中的指令進行譯碼分析，確定該指令的操作功能?？刂七壿嬯嚵邢虼鎯ζ?、運算器等等部件發(fā)出操作命令，執(zhí)行指令操作碼規(guī)定的操作。修改程序計數(shù)器的內(nèi)容，為取下一條指令做準備。假設程序已存儲在內(nèi)存單元中，程序計數(shù)器中保存著將要執(zhí)微型計算機系統(tǒng)

以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部設備以后，就構成完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部第1章微型計算機的基礎知識課件1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼1.2.1字符的編碼1.2.2微型計算機中數(shù)值的表示方法1.2.3微型計算機中數(shù)的運算方法1.2微型計算機中的數(shù)及其編碼1.2.1字符的編碼計算機中的信息控制信息數(shù)據(jù)信息非數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)有符號數(shù)值數(shù)據(jù)無符號數(shù)值數(shù)據(jù)計算機中的信息控制信息數(shù)據(jù)信息非數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)有符號數(shù)值數(shù)1.2.1字符的編碼

字符在計算機中的表示形式，稱為計算機中的字符編碼。包括西文字符編碼和中文字符編碼等。1.ASCII碼（美國信息交換標準碼）標準ASCII碼用7位二進制數(shù)表示一個字符，它有128種組合，可以表示128個字符。包括“0～9”、“A～Z”、“a～z”，以及常用標點符號和各種控制字符。在計算機中用一個字節(jié)表示一個ASCII碼字符，即在7位ASCII前最高位置為0。擴展ASCII碼用8位二進制數(shù)表示一個字符，有256種組合。1.2.1字符的編碼字符在計算機中的表示形式，稱為2.漢字編碼用計算機處理漢字，每個漢字必須用代碼表示。鍵盤輸入漢字是輸入漢字的外部碼。外部碼必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部碼才能在計算機內(nèi)進行存儲和處理。為了將漢字以點陣的形式輸出，還要將內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換為字形碼。

（1）外部碼漢字主要是從鍵盤輸入，每個漢字對應一個外部碼，外部碼是計算機輸入漢字的代碼，是代表某一個漢字的一組鍵盤符號。外部碼也叫輸入碼。漢字的輸入方法不同，同一個漢字的外部碼可能不一樣，有數(shù)據(jù)輸入碼、拼音輸入碼和字形輸入碼等。2.漢字編碼

（2）交換碼交換碼又稱為國標碼，用14位二進制數(shù)來表示一個漢字。將漢字和符號分為94個區(qū)，每個區(qū)分為94位。分別用兩位十進制數(shù)表示區(qū)號和位號構成其區(qū)位碼，將常用的6763個漢字分為兩級，一級有3755個，二級有3008個。將區(qū)號和位號分別加32，再分別轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)，構成國標碼。（3）內(nèi)部碼它是在計算機中存儲和傳送漢字時的編碼。用16位二進制數(shù)來表示一個漢字。內(nèi)部碼和交換碼的關系為：內(nèi)部碼=交換碼+8080H（2）交換碼

（4）輸出碼漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器的編碼。它是顯示漢字時的點陣碼。常用的有16×16，32×32，48×48等。漢字庫就是存放漢字輸出碼的文件

。漢字信息處理系統(tǒng)模型

漢字輸入外部碼交換碼內(nèi)部碼地址碼漢字輸出輸出碼（4）輸出碼漢字信息處理系統(tǒng)模型漢字輸入外部碼交換碼3.BCD碼

BCD碼稱為用二進制表示的十進制數(shù)，常用的有兩種。

（1）壓縮BCD碼用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)。其對應關系為：（0～9）10=（0000～1001）BCD

（2）非壓縮BCD碼用8位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，低4位與壓縮BCD碼相同，高4位可任意。即：（0～9）10=（****0000～****1001）BCD3.BCD碼1.2.2微型計算機中數(shù)值的表示方法1.機器數(shù)與真值

真值：數(shù)值的真實值，用“+”、“-”號表示數(shù)的符號，數(shù)據(jù)位表示數(shù)的大小的表示形式（日常生活中數(shù)的表示形式），真值可以是多種進制。

機器數(shù)：真值在計算機中的表示形式，通常要先規(guī)定其長度（定長），機器數(shù)只能是二進制，符號也必須用二進制表示（符號數(shù)字化）。符號的數(shù)字化規(guī)則為：“+”→“0”“-”→“