微機原理第一章計算機基本知識

課程先修課程：電子技術(shù)，計算機基礎，C語言后繼課程：單片機技術(shù)，可編程控制器PLC48學時平時：20%，考試：80%，閉卷考試答疑：每周：周一下午5-6節(jié)，地點：實訓樓230教研室QQ：925341256(925341256@)群：419940410（每天學點微機）第一章

計算機基本知識

緒論計算機的發(fā)展概況微型計算機中信息的表示及運算基礎幾個重要的數(shù)字邏輯電路微機基本結(jié)構(gòu)1·1緒論計算機之父--馮·諾依曼

研究的專業(yè)是：1、數(shù)學 2、物理3、化學 4、經(jīng)濟5、電子

1·1緒論

在經(jīng)濟學方面，馮·諾依曼有突破性成就，被譽為“博弈論之父”。在物理領域，馮·諾依曼在30年代撰寫的《量子力學的數(shù)學基礎》已經(jīng)被證明對原子物理學的發(fā)展有極其重要的價值。在化學方面也有相當?shù)脑煸?，曾獲蘇黎世高等技術(shù)學院化學系大學學位。他無愧是上世紀最偉大的全才之一。

1·1緒論

1946年2月15日世界第一臺電子計算機問世

1946年世界上第一臺電子計算機由美國賓夕法尼亞大學研制成功。盡管它重達30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，用了18800多個電子管，每秒鐘僅能做5000次加法.

運作了九年之久。吃電很兇，據(jù)傳ENIAC每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每15分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調(diào)侃道：“只要那部機器可以連續(xù)運轉(zhuǎn)五天，而沒有一只真空管燒掉，發(fā)明人就要額手稱慶了”。1·1緒論

這臺計算機有五個基本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器和控制器，奠定了當代電子數(shù)字計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎。

工作特點是程序控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字編碼

——電子計算機工作的基礎幾個概念CPU幾個概念計算機主機幾個概念CPU=控制器＋運算器計算機主機＝CPU＋存儲器計算機硬件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)字長：CPU并行處理二進制的數(shù)據(jù)位數(shù)。8位機、16位機、32位機和64位機。1·2計算機的發(fā)展概況

微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標準化─便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網(wǎng)絡化─網(wǎng)絡計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享)Flynn分類法1966年，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流的多倍性（multiplicity）特征對計算機系統(tǒng)進行分類，定義如下·指令流：機器執(zhí)行的指令序列·數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果·多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。Flynn根據(jù)不同的指令流-數(shù)據(jù)流組織方式把計算機系統(tǒng)分為4類。1·單指令流單數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）SISD其實就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計算機，其指令部件每次只對一條指令進行譯碼，并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。2·單指令流多數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）SIMD以并行處理機為代表，并行處理機包括多個重復的處理單元PU1～PUn，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同的數(shù)據(jù)。3·多指令流單數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）MISD的結(jié)構(gòu)，它具有n個處理單元，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進行不同的處理。一個處理單元的輸出又作為另一個處理單元的輸入。4·多指令流多數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）MIMD的結(jié)構(gòu)，它是指能實現(xiàn)作業(yè)、任務、指令等各級全面并行的多機系統(tǒng)，多處理機就屬于MIMD。復雜指令集（英文：ComplexInstructionSetComputing；縮寫：CISC）是一種微處理器指令集架構(gòu)，每個指令可執(zhí)行若干低階操作，諸如從內(nèi)存讀取、儲存、和計算操作，全部集于單一指令之中。與之相對的是精簡指令集。復雜指令集的特點是指令數(shù)目多而復雜，每條指令字長并不相等，并為此付出了性能的代價。在精簡指令集處理器發(fā)跡以前，許多電腦架構(gòu)嘗試跨越“語義鴻溝”──設計出借由提供“高階”指令支援高階編程語言的指令集，諸如程序調(diào)用和返回，循環(huán)指令諸如“若非零則減量和分支”和復雜尋址模式以允許數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和陣列存取以結(jié)合至單一指令。與復雜指令集相比，精簡指令集實現(xiàn)更容易，指令并行執(zhí)行程度更好，編譯器的效率更高。屬于復雜指令集的處理器有CDC6600、System/360、VAX、PDP-11、Motorola68000家族、x86等。精簡指令集（英語：reducedinstructionsetcomputing，縮寫：RISC），是計算機中央處理器的一種設計模式。這種設計思路對指令數(shù)目和尋址方式都做了精簡，使其實現(xiàn)更容易，指令并行執(zhí)進程度更好，編譯器的效率更高。目前常見的精簡指令集微處理器包括DECAlpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、PowerArchitecture（包括PowerPC、PowerXCell）和SPARC等。1·2計算機的發(fā)展概況

一、計算機的發(fā)展概況

第一代：電子管計算機時代（1947~1957）第二代：晶體管計算機時代（1958~1964）第三代：集成電路計算機時代（1964～1972）第四代：超大規(guī)模集成電路（VLSI）計算機時代（1972年~）。第五代：智能計算機（1981年~）。二、微處理器及微型計算機的發(fā)展概況INTELCPU發(fā)展歷史Intel第一塊CPU4004,4位主理器,主頻108kHz,運算速度0.06MIPs(MillionInstructionsPerSecond,每秒百萬條指令),集成晶體管2,300個,10微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存640bytes,生產(chǎn)曰期1971年11月.

8085,8位主理器,主頻5M,運算速度0.37MIPs,集成晶體管6,500個,3微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存64KB,生產(chǎn)曰期1976年

8086,16位主理器,主頻4.77/8/10MHZ,運算速度0.75MIPs,集成晶體管29,000個,3微米制造工藝,最大尋址內(nèi)存1MB,生產(chǎn)曰期1978年6月.

80486DX,DX2,DX4,32位主理器,主頻25/33/50/66/75/100MHZ,總線頻率33/50/66MHZ,運算速度20~60MIPs,集成晶體管1.2M個,1微米制造工藝,168針PGA,最大尋址內(nèi)存4GB,緩存8/16/32/64KB,生產(chǎn)曰期1989年4月

Celeron一代,主頻266/300MHZ(266/300MHzw/oL2cache,Covington芯心(Klamathbased),300A/333/366/400/433/466/500/533MHzw/128kBL2cache,Mendocino核心(Deschutes-based),總線頻率66MHz,0.25微米制造工藝,生產(chǎn)曰期1998年4月)

Pentium4(478針),至今分為三種核心:Willamette核心(主頻1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工藝),Northwood核心(主頻1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工藝,二級緩存512K),Prescott核心(主頻2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工藝,1M二級緩存,13條全新指令集SSE3),生產(chǎn)曰期2001年7月.

多核CPU是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內(nèi)核)。通過劃分任務，線程應用能夠充分利用多個執(zhí)行內(nèi)核，并可在特定的時間內(nèi)執(zhí)行更多任務。2006年7月18日，英特爾雙核安騰2處理器發(fā)布，集成了17.2億個晶體管，同樣采用了90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。

●45nm究竟有多小?

2千多顆45nm晶體管加起來才相當于人類一根毛發(fā)的寬度，連看不到的細菌，原來它的直徑也有2,000nm，因此，肉眼要看到45nm晶體管，必須需要非常先進的顯微鏡工具才能達成。2015年初的CES展會上Intel已經(jīng)推出了Broadwell-U系列的14nm處理器，但這還只是一個開始，由于14nm初代處理器Broadwell的延期，2015年Intel要硬著頭皮上兩代14nm工藝的處理器——Broadwell和Skylake，二者使用不同的接口，需要不同的芯片組，支持的規(guī)格也不更大的緩存、更高的頻率、超級流水線、分支預測、亂序執(zhí)行超線程技術(shù)多核技術(shù)低功耗微型計算機組成結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器

(CPU)軟件外圍設備運算器控制器存儲器

(內(nèi)存)RAMROM外部設備輔助設備

輸入設備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀…)

輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀、…)

輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)

總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應用軟件(科學計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路單片機簡介單片機即單片機微型計算機，是將計算機主機(CPU、 內(nèi)存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機。單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高)。主要應用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能儀器儀表、通訊設備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機應用系統(tǒng)。三、計算機編程語言的發(fā)展概況

機器語言

機器語言就是0，1碼語言，是計算機唯一能理解并直接執(zhí)行的語言。匯編語言

用一些助記符號代替用0，1碼描述的某種機器的指令系統(tǒng)，匯編語言就是在此基礎上完善起來的。高級語言

BASIC，PASCAL，C語言等等。用高級語言編寫的程序稱源程序，它們必須通過編譯或解釋，連接等步驟才能被計算機處理。面向?qū)ο笳Z言

C++，Java等編程語言是面向?qū)ο蟮恼Z言。1.3 微型計算機中信息的表示及運算基礎（一）十進制ND有十個數(shù)碼：0～9，逢十進一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權(quán)展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，10i為權(quán)。 一般表達式：ND=dn-1×10n-1+dn-2×10n-2+…+d0×100+d-1×10-1+…一、數(shù)的表示（二）二進制NB兩個數(shù)碼：0、1,逢二進一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1，2i為權(quán)。 一般表達式：

NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…（三）十六進制NH十六個數(shù)碼0～9、A～F，逢十六進一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F，16i為權(quán)。 一般表達式：

NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…二、不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（一）一個R進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)的方法：

按權(quán)展開，先乘后加

舉例：

1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625D

0DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5D

（二）二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

24=16，四位二進制數(shù)對應一位十六進制數(shù)。舉例：3AF.2H

=0011

1010

1111.0010

＝1110101111.001B 1111101.11B

=0111

1101.1100=7D.CH

（三）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)整數(shù)、小數(shù)分別轉(zhuǎn)換

1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法“除基取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。舉例：例：39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

39=100111B 2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5） 0

例：208轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)

208=D0H16208余01613余13=DH 02. 小數(shù)轉(zhuǎn)換法“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：

1.0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)0.625×2=1.2501(b-1)0.25×2=0.500(b-2)0.5×2=1.0 1(b-3)0.625=0.101B2.0.625轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)0.625×16=10.0 0.625=0.AH三、帶符號數(shù)的表示方法◆機器中，數(shù)的符號用“0”、“1”表示。

◆最高位作符號位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式。真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應關(guān)系如下：真值： X1=+84=+1010100BX2=-84=

-1010100B

機器數(shù)：[X1]機=01010100[X2]機=11010100（一）機器數(shù)與真值最高位為符號位，0表示“+”，1表示“－”。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。

例8位原碼機器數(shù)：

真值：

x1=+1010100B

x2=-

1010100B

原碼：

[x1]原=01010100

[x2]原=11010100原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復雜。1、原碼(TrueForm)(二)原碼、反碼、補碼正數(shù)的反碼與原碼表示相同。 負數(shù)反碼符號位為1，數(shù)值位為原碼數(shù)值各位取反。

例8位反碼機器數(shù)：

x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100

x=-4：[x]原=10000100[x]反=111110112、反碼（One’sComplement）3、補碼（Two’sComplement）正數(shù)的補碼表示與原碼相同。 負數(shù)補碼等于2n－abs（x）

例：求8位補碼機器數(shù)：

x=+4 [x]原=[x]反=[x]補=

00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011 [x]補=100000000－00000100=11111100補碼＝反碼加1。補碼表示的優(yōu)點：

0的表示唯一，加減運算方便。8位機器數(shù)表示的真值四、二進制編碼例：求十進制數(shù)876的BCD碼

876=100001110110BCD 876=36CH

=1101101100B1、BCD碼(BinaryCodedDecimal)二進制代碼表示的十進制數(shù)。 2、字符編碼

美國標準信息交換碼ASCII碼，用于計算 機與計算機、計算機與外設之間傳遞信息。3、漢字編碼

“國家標準信息交換用漢字編碼”（GB2312-80標準），簡稱國標碼。 用兩個七位二進制數(shù)編碼表示一個漢字 例如“巧”字的代碼是39H、41H漢字內(nèi)碼例如“巧”字的代碼是0B9H、0C1H1·4運算基礎

一、二進制數(shù)的運算加法規(guī)則：“逢2進1”

減法規(guī)則：“借1當2”

乘法規(guī)則：“逢0出0，全1出1”1010x1011101010100000000+10100001101110｝中間數(shù)部分和 1010 y=001011 1010 y=y+1010=10100010110100 y=y+10100=1111000010 101000 y=11110000011010000 y=y+1010000=1101110中間數(shù)部分和二、二—十進制數(shù)的加、減運算

BCD數(shù)的運算規(guī)則循十進制數(shù)的運算規(guī)則“逢