G第1章微型計算機基礎(chǔ)知識

本章主要教學(xué)內(nèi)容微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展微型計算機系統(tǒng)的組成與工作過程計算機中數(shù)的表示與編碼第一章微型計算機基礎(chǔ)知識

11.1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展

1.1.1計算機發(fā)展簡介

1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC，此后計算機的發(fā)展隨著其主要電子部件的演變已經(jīng)歷了4代：

1.第一代（1946~1958）電子管計算機

2.第二代（1959~1964）晶體管計算機

3.第三代（1965~1970）中小規(guī)模集成電路計算機

4.第四代（1971年以后）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機21.1.2微處理器的產(chǎn)生及發(fā)展（1）微處理器誕生于20世紀70年代初，將傳統(tǒng)計算機的運算器和控制器等集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器。按照微處理器的字長和功能劃分經(jīng)歷了5代演變：

1.第一代（1971開始）4位和8位低檔微處理器

Intel4004(71)，Intel8008(72)2.第二代（1974開始）8位中高檔微處理器

Intel8080(74)，MC6800(74)，Z80(75)，Intel8085(76)3.第三代（1978開始）16位微處理器

Intel8086(78)，Z8000(79)，MC68000(79)Intel80286、MC68010(82)31.1.2微處理器的產(chǎn)生及發(fā)展（2）

4.第四代（1983開始）32位微處理器

Z80000(83)，MC68020(84)，Intel80386(85)89年Intel80486、MC680405.第五代（1993年以后）是64位全新高性能奔騰（Pentium）系列微處理器。

93年P(guān)entium95年P(guān)entiumⅡ97年P(guān)entiumPro99年P(guān)entiumⅢ2000年P(guān)entium42006年Core4英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium451.1.3計算機的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來計算機的發(fā)展趨勢有如下幾個方面：

1.朝著微型計算機和巨型計算機兩級方向發(fā)展。

2.開發(fā)和研究的熱點是多媒體計算機。

3.未來計算機發(fā)展的總趨勢是智能化計算機。1.1.4微型計算機的分類

1.按字長分類按照微處理器能夠處理的字長可分為8、16、32和64位微機。

2.按結(jié)構(gòu)方式分類可分為位片機、單片機、單板機、微型計算機系統(tǒng)（PC機）。

3.按所處地位和作用分類單片機、個人計算機、工作站/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)計算機。61.1.5微型計算機的主要性能指標

1.字長：計算機CPU一次可同時處理的二進制數(shù)的位數(shù)。

2.主頻：也稱時鐘頻率，單位為MHz（兆赫），決定微機的處理速度。

3.主存容量：主存儲器中RAM和ROM的總和。

4.運算速度：是微處理器執(zhí)行指令的速度。

5.外設(shè)擴展能力。

6.軟件配置。

7.可靠性：計算機在規(guī)定的時間和工作條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。

8.兼容性：計算機的硬件和軟件可用于其他多種系統(tǒng)的性能。

9.性能價格比：衡量計算機產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標，包括計算機的硬軟件性能與售價的關(guān)系7

1.1.6微型計算機的應(yīng)用微型計算機的應(yīng)用已經(jīng)深入到各行各業(yè)，成為當(dāng)今信息社會不可缺少的重要工具，其應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為以下幾個方面：1.科學(xué)計算2.信息處理（1）辦公自動化（2）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用（3）多媒體技術(shù)3.過程控制4.計算機輔助設(shè)計與仿真5.網(wǎng)絡(luò)與信息化

81.2.1微型計算機系統(tǒng)組成完整的微型計算機系統(tǒng)組成框架如圖所示。硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體；軟件是為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或為實現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)軟件簡化了計算機操作，支持應(yīng)用軟件的運行并提供服務(wù)，包括操作系統(tǒng)、實用程序和語言處理程序等；應(yīng)用軟件是為用戶解決某種應(yīng)用問題的程序及有關(guān)的文件和資料。

1.2微型計算機系統(tǒng)的組成與工作過程9模擬量I/O開關(guān)量I/OI/O設(shè)備微型計算機系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件（如軟件包、數(shù)據(jù)庫等）機器語言匯編語言高級語言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序主機外圍設(shè)備運算器控制器寄存器陣列微處理器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線并行I/O串行I/OROMRAM外部設(shè)備過程I/O通道外存儲器微型計算機101.2.2微型計算機硬件結(jié)構(gòu)微型計算機的硬件系統(tǒng)由微處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、系統(tǒng)總線、接口電路、輸入/輸出設(shè)備等部件組成，如圖所示。1.微處理器也稱為CPU，是微機的核心部件，包含有運算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件，負責(zé)對計算機系統(tǒng)的各個部件進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和控制。2.內(nèi)存儲器也稱為主存儲器，用來存放各類操作的數(shù)據(jù)和程序。按功能和性能可分為隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。3.系統(tǒng)總線是CPU與其它部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道，根據(jù)傳送內(nèi)容的不同，可以將總線分成數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB。11微型計算機的硬件典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖124.I/O接口電路是微型計算機與外部設(shè)備交換信息的橋梁。5.主機板由CPU插座、芯片組、內(nèi)存插槽、系統(tǒng)BIOS、CMOS、總線擴展槽、串并行接口、各種跳線和一些輔助電路等構(gòu)成。6.外存儲器使用最多的是磁盤存儲器和光盤存儲器。7.輸入/輸入設(shè)備是微機系統(tǒng)與外界通信聯(lián)系的渠道，最常用的有鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。1314存儲程序計算機—又稱為馮?諾依曼型計算機1.以運算器為核心、以存儲程序原理為基礎(chǔ)2.計算過程描述為：由許多條指令按一定順序組成的程序，即程序是由多條有邏輯關(guān)系的指令組成，指令的長度不等（一般為1～4字節(jié)）3.數(shù)據(jù)和程序均以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進制形式4.由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行1.2.3計算機工作過程155.控制器按預(yù)先存放在計算機存儲器中的程序的流程自動地連續(xù)取出指令并執(zhí)行之。運算器輸出設(shè)備控制器輸入設(shè)備存儲器指令流控制命令數(shù)據(jù)流16程序的執(zhí)行過程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行指令存結(jié)果指令周期操作碼操作數(shù)執(zhí)行1、CPU如何知道從哪里取出程序的第一條指令？2、CPU如何按程序控制流執(zhí)行指令？3、CPU如何知道從哪里取操作數(shù)？17匯編語言程序

對應(yīng)的機器指令

對應(yīng)的操作------------------------------------------------------------------------MOVAL,5 10110000

將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,800000100

計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中

00001000 HLT

11110100

停機

例：計算5+8的程序是如執(zhí)行？18②輸出指令地址鎖存地址②累加器A加法器數(shù)據(jù)寄存器DR指令寄存器IR指令譯碼器ID時序邏輯電路時序控制信號（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100內(nèi)部總線存儲器01234程序計數(shù)器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址總線+1③地址譯碼器讀寫控制電路④輸出地址10110000⑦鎖存指令鎖存數(shù)據(jù)⑥置初值①讀寫命令⑤⑧指令譯碼鎖存輸出地址寄存器AR指令執(zhí)行過程(取指/譯碼/執(zhí)行)19取指令，PC加本指令的字節(jié)數(shù)分析指令執(zhí)行指令停機指令？結(jié)束YN程序執(zhí)行過程1.取指令階段的任務(wù)根據(jù)程序計數(shù)器PC從存儲器中取出指令，送到指令寄存器IR，PC自動指向下一條指令。2.分析指令階段的任務(wù)一條指令由兩部分組成：操作碼和操作數(shù)。將IR中的指令操作碼譯碼，分析指令。3.執(zhí)行指令階段的任務(wù)根據(jù)分析的結(jié)果，取出操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，完成指令的功能。4.如果不是停機指令又執(zhí)行地1條的動作；如果是停機指令，則結(jié)束。201.3計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1.3.1常用計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

1．?dāng)?shù)的表示十進制數(shù)采用0~9共10個數(shù)字符號及其進位來表示數(shù)的大小。0~9這些數(shù)字符號稱為“數(shù)碼”；全部數(shù)碼的個數(shù)稱為“基數(shù)”，用“逢基數(shù)進位”進行計數(shù)稱為進位計數(shù)制。進位以后的數(shù)字按其所在位置的前后，將代表不同的數(shù)值，表示各位有不同的“位權(quán)”，位權(quán)與基數(shù)的關(guān)系是：位權(quán)的值等于基數(shù)的若干次冪。

2．計算機中常用的進位計數(shù)制下表給出了計算機中常用計數(shù)制的基數(shù)和數(shù)碼以及進位關(guān)系。計數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進位關(guān)系二進制20、1逢二進一十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進一十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進一213．計數(shù)制的書寫規(guī)則（1）在數(shù)字后面加寫英文字母作為標識：B(Binary)表示二進制數(shù)；D(Decimal)表示十進制數(shù)（通?？梢允÷裕?；H(Hexadecimal)表示十六進制數(shù)。（2）在括號外面加數(shù)字下標作為標識：(1101)2表示二進制數(shù)；(287)10表示十進制數(shù)；(5AB9)16表示十六進制數(shù)。22

4．?dāng)?shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)：整數(shù)轉(zhuǎn)換時，用基數(shù)2連續(xù)去除該整數(shù)直至商等于0，逆序排列余數(shù)即可?！纠?.1】將十進制整數(shù)(35)10轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)，采用“除2倒取余”的方法。

2︳35

余數(shù)為12︳17

余數(shù)為12︳8

余數(shù)為02︳4

余數(shù)為02︳2

余數(shù)為02︳1

余數(shù)為10轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為：(35)10＝(100011)223小數(shù)轉(zhuǎn)換時，用基數(shù)2去乘以該小數(shù)，取出乘積整數(shù)部分，連續(xù)乘到小數(shù)部分等于“0”，然后順序排列乘積的整數(shù)?！纠?.2】將十進制小數(shù)(0.8125)10轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)，采用“乘2順取整”的方法。0.8125×2＝1.625 取整數(shù)位10.625×2＝1.25 取整數(shù)位10.25×2＝0.5 取整數(shù)位00.5×2＝1.0 取整數(shù)位1

轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為：(0.8125)10＝(0.1101)2

同理，十進制轉(zhuǎn)換為十六進制可采用“除16倒取余”或“乘16順取整”的方法。24（2）二進制、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)：按照“將位權(quán)展開求和”的方法就可以得到?！纠?.3】將二進制數(shù)(100101.101)2

轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，過程如下：(100101.101)2＝1×25＋1×22＋1×20＋1×2－1＋1×2－3

＝32＋4＋1＋0.5＋0.125

＝(37.625)1025十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)時，用其各位所對應(yīng)的系數(shù)來乘以基數(shù)為16的相應(yīng)位權(quán)，就可以得到相應(yīng)的十進制數(shù)。【例1.4】將十六進制數(shù)(F5.B)16

轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，過程如下：(F5.B)16＝15×161＋5×160＋11×16－1

＝240＋5＋0.6875

＝(245.6875)10261.3.2無符號數(shù)與帶符號數(shù)的表示把一個數(shù)及其符號在機器中的表示加以數(shù)值化，這樣的數(shù)稱為機器數(shù)。機器數(shù)的表示要考慮以下3個因素：（1）機器數(shù)的范圍（2）機器數(shù)的符號（3）機器數(shù)中小數(shù)點的位置271．?dāng)?shù)的原碼、反碼、補碼表示（1）原碼：正數(shù)的原碼將其符號位置“0”，負數(shù)的原碼將其符號位置“1”，其余各位按照通常的方法來表示。（2）反碼：正數(shù)的反碼與其原碼相同，負數(shù)的反碼為其原碼除符號位以外的各位按位取反。（3）補碼：正數(shù)的補碼與其原碼相同，負數(shù)的補碼為其反碼在最低位加1。引入補碼可以將減法運算化成加法運算，從而簡化機器的控制線路，提高運算速度。

28

【例1.7】已知[X]補碼＝11011011B，求其值X。由于[X]補碼的符號位為“1”，表示該數(shù)為負數(shù)，則其值為：X＝－([1011011]反碼＋1)2＝－(0100100＋1)2＝－(0100101)2＝－(1×25＋1×22＋1×20)＝－