工學微機原理與接口技術科大周荷琴主編課件第一章

第一章緒論第一臺計算機世界上第一臺數(shù)字電子計算機，1946年在美國賓夕法尼亞大學研制成功，取名為ENIAC（Electronic

Numerical

Integrator

and

Calcular）該計算機共用18000多個電子管，6000余個開關，7000多個電阻，10000個電容器和50萬條連線，重達30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，運算速度5000次加法/秒盡管該計算機有諸多不足，如存儲容量小，體積大，耗電多，可靠性差，使用不便等。但當時人們對它的速度還是相當滿意，它的誕生宣布了電子計算機時代的到來。計算機發(fā)展經(jīng)歷4代第一代電子計算機特點是使用電子管，20世紀40年代末和50年代初獲得重大發(fā)展。第二代電子計算機于20世紀50年代中期問世，晶體管代替電子管，并增加了浮點運算。1964年4月IBM360系統(tǒng)問世，成為使用集成電路的第三代電子計算機的著名代表70年代以后，出現(xiàn)使用超大規(guī)模集成電路的第四代電子計算機，目前使用的計算機都屬于第四代計算機。80年代開始研制第五代計算機，目標是打破以往計算機固有的體系結構，使計算機具有像人一樣的思維、推理和判斷能力，向智能化發(fā)展，稱為“智能計算機”。目前，科學家們正在使計算機朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化和多功能化的方向發(fā)展。巨型機的研制、開發(fā)和利用，代表著一個國家的經(jīng)濟實力和科學水平。微型機的研制、開發(fā)和廣泛應用，標志著一個國家科學普及的程度。1.1微處理器發(fā)展概況第一代微處理器：1971年開始4位和8位微處理器，典型產品有：1971年1972年Intel

4004Intel

8008芯片主要采用工藝簡單、速度較低的P溝道MOS電路，集成度為2300只晶體管，時鐘頻率小于1MHz，平均指令執(zhí)行時間為10 -15第二代微處理器：1974年開始8位微處理器，典型產品有：1974年1974年1975年1976年Intel

8080Motorola

MC6800Zilog

Z80Intel

80858080微處理器采用NMOS工藝，集成度達4500只晶體管，時鐘頻率為2MHz，平均指令執(zhí)行時間為1 -2第三代微處理器：1978年開始16位微處理器，典型產品有：1978年1979年1982年Intel

8086 1979年Zilog

Z8000Motorola

68000Intel

80286Motorola

680108086主要采用HMOS新工藝，集成度達29000萬只晶體管，時鐘頻率有5MHz，8MHz，10MHz，平均指令執(zhí)行時間0.5第四代微處理器：1983年開始32位微處理器，典型產品有：1983年1985年Zilog

Z80000Intel

803861984年

Motorola

680201989年 Intel

80486Motorola

6804080386主要采用CHMOS工藝，集成度高達27.5萬只晶體管，時鐘頻率為16MHz~33MHz，平均指令執(zhí)行時間小于0.1第五代微處理器：1993年開始32位微處理器，典型產品有：1993年1997年2000年Pentium

586Pentium

IIPentium

41995年1999年2006年Pentium

ProPentium

IIICore1.2微型計算機系統(tǒng)馮.諾依曼結構：由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分構成數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放地址由地址碼指定，地址碼也是二進制形式控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（即程序）工作，并由一個程序計數(shù)器控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能夠根據(jù)計算結果選擇不同的動作流程1.2.1微型計算機系統(tǒng)的組成1、微型計算機系統(tǒng)的三個層次微處理器（CPU）CPU是核心部件，具有運算和控制能力。主要包含：運算器控制器寄存器英特爾高性能家用臺式機微處理器（2）微型計算機由CPU、存儲器、I/O接口電路、系統(tǒng)總線構成存儲器包括RAM和ROMI/O接口電路用于微機和外部設備的連接總線結構使得系統(tǒng)各功能部件間的相互關系變?yōu)楦鞑考嫦蚩偩€之間的單一關系數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線的位數(shù)（也稱為寬度）與微處理器的位數(shù)相對應，數(shù)據(jù)總線是雙向的地址總線（AB）：地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內存范圍，地址總線是單向的如：16位微型機的AB為20位，決定它的最大內存容量為 =1M字節(jié)控制總線（CB）：控制總線用來傳輸控制信號，是雙向的（3）微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類1.2.2微型計算機的常用術語和工作原理一、位和字節(jié)1、位（bit）：位是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值為0或者1的一個二進制數(shù)值位。位作為單位時記作b2、字節(jié)（byte）：由8個位二進制位組成，通常用作計算存儲容量的單位。字節(jié)作為單位時記作B二、字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器內部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位32位等等。8088稱為準16位處理器三、性能指標1、主頻：指微型計算機中CPU的時鐘頻率，微機運行的速度與主頻有關。2、內存容量：指微機存儲器能存儲信息的字節(jié)數(shù)。3、存取周期：存取周期是指主存儲器完成一次讀寫所需的時間，存儲時間越短，即存取速度越快，使整機的運算速度提高。4、運算速度：運算速度指微機每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位用MIPS（百萬條指令/秒）5、內核數(shù)目：指封裝在一個處理器內的處理器內核數(shù)目。微型計算機的工作原理微型計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成，因此，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條的從存儲器中取出指令并完成指令所指定的操作由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，微型計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令時才結束機器的運行。1.2.3

I/O接口輸入/輸出接口電路用于CPU（或存儲器）與外設之間的信息交換。由于外設種類繁多，這些設備與CPU之間的工作速度不同，信號電平不同，數(shù)據(jù)格式不同，因此要配備不同的I/O接口電路來輔助CPU工作，實現(xiàn)CPU與外設之間的速度匹配，信號電平匹配，信號格式匹配，時序控制，中斷控制等?！?259A：可編程中斷控制器。外部設備請求與CPU傳送數(shù)據(jù)時，由中斷控制器向CPU發(fā)出請求，CPU響應中斷后，暫停正在服務的程序，轉去服務外設的程序，中斷服務結束后返回主程序?！?254：可編程計數(shù)/定時器。計算機中需要的實時時鐘，對動態(tài)RAM的定時刷新，揚聲器的定時發(fā)聲，以及其它定時控制的定時信號等，均可由8254來實現(xiàn)計數(shù)/定時器功能?！?255：可編程并行接口芯片?？蓪崿F(xiàn)CPU與外設之間8位數(shù)據(jù)并行傳送，用于打印機接口，CRT控制接口等?！?251A：可編程串行接口。8251A是一種通用同步/異步數(shù)據(jù)收發(fā)器，作為可編程通信接口芯片，能工作在全雙工方式，也可選擇同步/異步工作方式?！?237A：可編程DMA控制器。當外設有大批量數(shù)據(jù)傳送時，可采用DMA工作方式，即外設直接與存儲器交換數(shù)據(jù)。CPU讓出總線，由DMA控制器接管總線，產生地址、數(shù)據(jù)和控制信息。1.2.4微機總線結構總線結構：系統(tǒng)中各部件均掛在總線上，可使微機系統(tǒng)的結構比較簡單，易于維護，并有更大的靈活性和更好的擴展性。根據(jù)總線結構組織方式不同，分為：單總線、雙總線、雙重總線。單總線結構：M和I/O使用同一組信息通路，采取分時操作。結構簡單、成本低。中低檔微機常用此結構。雙總線結構：M和I/O各有一組連通CPU的總線，可同時操作。拓寬了總線寬度，提高了傳輸效率，高檔微機采用此結構。CPU負擔加重，可采用專門處理芯片（智能I/O接口）減輕負擔。雙重總線結構：具有局部總線與全局總線，并行操作。提高了數(shù)據(jù)處理和傳輸效率，高檔微機和工作站采用此結構。1.3數(shù)據(jù)表示與運算1.3.1 進位計數(shù)制與不同基數(shù)制之間的轉換一、二進制數(shù)、八進制數(shù)和十六進制數(shù)1、二進制數(shù)二進制數(shù)只有0,1兩個數(shù)碼，其基數(shù)為2，遵循逢二進一的原則，它的第K位權以 表示。二進制的描述是在其尾部加注字母B2、八進制數(shù)八進制數(shù)有0~7共8個數(shù)碼，其基數(shù)為8，遵循逢八進一的原則，它的第k位權以 來表示。八進制的描述是在其尾部加注字母O或Q3、十六進制數(shù)十六進制數(shù)有0~9，A~F共16個數(shù)碼，其中A~F分別表示10~15共6個數(shù)碼，其基數(shù)為16，遵循逢十六進一的原則，它的第k位權以 表示。十六進制的描述是在其尾部加注字母H1.3.2

不同進制之間的轉換1、非十進制數(shù)轉換成十進制數(shù)各位非十進制數(shù)碼乘以與其對應的權之和即為該數(shù)對應的十進制數(shù)例如：1011100.1011B=？A031H=？1001Q=？2、十進制數(shù)轉換成非十進制數(shù)十進制數(shù)轉換成非十進制數(shù)：一般整數(shù)部分采用除基數(shù)取余法，小數(shù)部分采用乘基數(shù)取整法。除基數(shù)取余法的具體操作是把待轉換的十進制數(shù)的整數(shù)部分不斷除以要轉換為的非十進制基數(shù)，并記下余數(shù)，直到商為0時為止；乘基數(shù)取整法的具體操作是把待轉換的十進制數(shù)的小數(shù)部分不斷乘以要轉換為的非十進制基數(shù)，逐次記下乘積整數(shù)部分的值，直到小數(shù)部分為0時為止。例題：以十進制轉換成二進制為例說明137.8125D=？3、十六進制數(shù)與二進制數(shù)之間的轉換一個十六進制數(shù)中的每一位均用4位二進制數(shù)表示，便可形成相應的二進制數(shù)；反之，二進制數(shù)只要把它從低位到高位每4位組成一組，再用十六進制數(shù)來表示就可以了。例題：CB9AH=？0111010110111111=？1.3.3數(shù)據(jù)表示一、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示數(shù)值數(shù)據(jù)可以用不同的碼制來表示，常用的有原碼、補碼和反碼表示法1、原碼以數(shù)值的符號加上數(shù)值的二進制表示組成的編碼例：+772、反碼和補碼正數(shù)的原碼、反碼、補碼形式是相同的負數(shù)反碼：原碼的符號位不變，數(shù)值位按位取反負數(shù)補碼：反碼加1結論：原碼、反碼和補碼最高位都是符號位正數(shù)的原碼、補碼、反碼相同原碼、反碼、補碼的表示范圍不同編程時不涉及碼制，由硬件自動完成采用不同的碼制，運算器和控制器的結構不同3、數(shù)的表示范圍有符號數(shù)的表示范圍一般說來，n位二進制補碼的表示范圍是8位補碼能表示的范圍是：-128~+12716為補碼能表示的范圍是：-32768~+32767無符號數(shù)的表示范圍在做無符號數(shù)處理時，把最高有效位作為數(shù)值處理。8位無符號數(shù)的表示范圍是：0~25516為無符號數(shù)的表示范圍是：0~65535二、補碼的運算補碼的加法規(guī)則：[X+Y]補=[X]補+[Y]補補碼的減法規(guī)則：[X-Y]補=[X]補+[-Y]補1、在數(shù)值的加減運算中，如果運算結果中有超出模值的位，這一位將被自然丟失，不考慮再當前運算結果中。例如：[53-44]補=[53]補+[-44]補00110101+

110101002、如果運算結果超出了所能表示的數(shù)值范圍，則產生溢出，運算結果不正確。判斷溢出的方法：（1）兩個同符號數(shù)相加，運算結果的符號與加數(shù)、被加數(shù)的符號不同，則產生溢出；兩個異號數(shù)相減，運算結果的符號如果與被減數(shù)的符號不同，則產生溢出。例如：[+120]補+[+10]補01111000+00001010雙位符號數(shù)：使用兩個相同的符號位表示一個數(shù)的符號，其中00表正號，01和10表溢出，11表負號，如果運算結果的兩個符號位不同，則產生溢出進位判斷法：在兩個單符號碼補碼進行加減運算時，若最高數(shù)值位向符號位的進位值C1與符號位向前產生的進位值C2相同時，沒有產生溢出，如果兩個進位值不同，則有溢出產生二、BCD碼BCD碼是利用二進制形式來表示十進制數(shù)，即用4位二進制數(shù)（0000B~1001B）表示1位十進制數(shù)（0~9），而每4位二進制數(shù)之間的進位又是十進制的形式。1、壓縮BCD碼：一個字節(jié)中存放兩個十進制數(shù)字位2、非壓縮