微机原理与接口技术-第1章.ppt

微机原理与接口技术PPT李继灿 主编 李继灿等 制作,第1章 微机系统概述,学习目标本章是整个课程的基础与重点。简要介绍：计算机与微机的发展简史与分类，以及微机系统组成的基本概念。重点讨论：典型的单总线微机硬件系统结构，微处理器组织及各部分的作用，存储器组织及其读写操作过程。简要讨论：微机运算的一些基础知识。学习要求了解计算机的发展简史。正确理解微型计算机的硬件系统和软件系统。理解CPU对存储器的读写操作过程，重点掌握冯诺依曼计算机的设计思想。着重理解和熟练掌握程序执行的过程。能熟练掌握与运用各种数制及其相互转化的综合表示法。熟练掌握补码及其运算，着重理解补码与溢出的区别。,1.1微机硬件技术的发展,1.计算机的发展简史电子计算机按其逻辑元件的更新可分为4代：第1代：电子管计算机（19461956）；第2代：晶体管计算机（19571964）；第3代：中小规模集成电路计算机（19651970）；第4代：超大规模集成电路计算机（1971今）。电子计算机按其性能可分为5类：大型计算机/巨型计算机（Mainframe Computer）；中型计算机（Mediumcomputer）；小型计算机（Minicomputer）；微型计算机（Microcomputer）；单片计算机（Single-Chip Microcomputer）。微型计算机是第4代超大规模集成电路计算机向微型化方向发展的一个非常重要的分支，也是本书讨论的基本机型。,2.Intel CPU发展简史,生产年份 Intel产品 主要性能说明1971 4004 第1片4位CPU，采用10微米制程，集成2300个晶体管1972 8008 第1片8位CPU，集成3500个晶体管，首次装在叫做“Mark-8(马克八号)”的机器上，这也是目前已知的最早的家用 电脑1974 8080 第2代8位CPU，约6000个晶体管，被用于当时一种品牌为 Altair(“牵牛星”科幻剧)的电脑上。这也是有史以 来第1台知名的个人电脑1978 8086/8088 第1片16位CPU，2.9万个晶体管，IBM公司于1981年推出 基于8088（准16位CPU）的PC。8086标志着x86系列的开 端，从8086开始，才有了目前应用最广泛的PC行业基础1980 80186 是Intel针对工业控制/通信等嵌入式市场推出的8086CPU的扩展产品，除8086内核，另外包括了中断控制器、定时器、DMA、I/O、UART、片选电路等外设。,2.Intel CPU发展简史,生产年份 Intel产品 主要性能说明1982 80286 超级16位CPU，14.3万只晶体管，首次运行保护模式并兼容前期所有软件，IBM公司将80286用在技术更为先进AT机中1985 80386 第1片32位并支持多任务的CPU，集成27.5万个晶体管1989 80486 增强的32位CPU，相当于80386+片内80387+8KB cache，集成125万个晶体管1993 Pentium(奔腾)第1片双流水CPU，集成310万个晶体管，内核采用了RISC 技术1995Pentium MMX在Pentium内核基础上改进而成，集成450万个晶体管，最大特点是增加了57条MMX指令，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率1995年秋 Pentium Pro首个专门为32位服务器、工作站设计的CPU，集成550万个晶体管，0.6m制程技术，256KB的二级高速缓存1997 Pentium II Pentium Pro的改进型CPU，结合了Intel MMX技术，集成 750万个晶体管，频率达750MHZ,2.Intel CPU发展简史,生产年份 Intel产品 主要性能说明1999 Pentium III Pentium II的改进型CPU，集成950万个晶体管，0.25m制程技术2000 Pentium 4 内建了4200万个晶体管，采用0.18m制程技术，频率达 2GHZ2002 Pentium4 Xeon 内含创新的超线程技术，使性能增加25%，0.18m制程技术，频率达3.2HZ，是首次运行每秒30亿个运算周期的CPU2005 Pentium D 首颗内含2个处理核心，揭开x86处理器多核心时代2006 Core 2 DuoCore微架构桌面处理器，内含2.91亿个晶体管，性能 比Pentium D提升40%，省电效率也增加40%2007.4 四核处理器Core2 Core2 Extreme QX6700处理器的频率为2.66GHz；Core2 Extreme QX6800 Extreme QX6800的核心频率为2.93GHz,2.Intel CPU发展简史,生产年份 Intel产品 主要性能说明2008年7月 E8600双核处理器 Intel 酷睿2双核 E8600，插槽类型 LGA 775，主 频 3330，45m制程工艺，L2缓存6MB，L1缓存 232/232KB，核心电压1.856V，双核心类型 Wofldale，总线频率 1333，倍频 102010年2月 四核i7 978/950/920 Intel推出i7的9系列是高端CPU产品，其规格架构 都是一样的，DDR3 的3通道接口支持3通道内 存，原生4核心的处理器，一级超线程技术，它支 持智能超频2010年7月 core i7/i5/i3 Intel推出涵盖高、中、低档产品。新技术有：QPI（快速通道互联）、DMI（直接媒体接口）总 线、睿频加速技术、32nm制程、原生4核/6核、L3 智能缓存、AE5新指令、SSE4.2指令集、集成双通 道/三通道DDR3 MCRC（内存控制器中枢）、集成 GPU（图形处理器）、集成PCI-E控制器,3微机的分类,1.2 微机系统的组成,硬件系统 根据存储程序原理构造的计算机，称为存储程序计算机，又称冯诺伊曼型计算机。一个基本的微机硬件系统的组成原理框图如下所示。,现代主流的微型计算机系统,微机硬件系统主要包括主机、输入设备和输出设备3大部分。（1）主机在主机箱内，最重要的一个部件是主板。如图所示。,（2）输入设备常见的输入设备有键盘、鼠标器、图像/声音输入设备（如扫描仪、数码相机/摄像机、网络摄像头）等。（3）输出设备 常见的输出设备有显示器、打印机、音箱等。,主要部件的介绍,主机箱体内的主板是构成复杂电子系统的中心。在面板上密布着各种元件（包括南、北桥芯片组、BIOS芯片等）、插槽（CPU插槽、内存条插槽和各种扩展插槽等）和接口（串口、并口、USB口、IEEE1394口等）。,软件系统,软件系统通常可分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件主要包括操作系统、程序设计语言、解释和编译系统、数据库管理系统以及网络与通讯系统等。应用软件是指利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的专用程序或软件。系统程序类：如备份工具“一键GHOST”，数据恢复“Free Fast Recovery”，中文输入“QQ拼音输入法，电子阅读“Adobe Reader”，压缩工具“Win RAR”等；媒体工具类：如视频播放“Windows Media Player”、“暴风影音”，视频处理“视频编辑专家”，音频播放“千千静听”，网络音视“PPTV网络电视”等；网络工具类：下载工具“迅雷（Thunder）”、“快车FlashGet”等；图形图像类：如图像处理“Adobe Photoshop”，CAD图形，图像浏览“ACDSee”，Flash工具，动画制作“Macromedia Flash”等；管理软件类：办公软件“Microsoft Office 2007”，股票证券“大智慧新一代”等；安全类：如反黑防马“360安全卫士”，病毒防治“360杀毒”等。,1.3微机硬件系统结构,微机硬件系统结构:按照总体布局的设计要求将各部件构成某个系统的连接方式。典型的微机硬件系统结构通常是用系统总线将各个部件连接起来的。根据所传送信息的内容与作用不同，通常可将系统总线分为3类：数据总线DB（Data Bus）；地址总线AB（Address Bus）；控制总线CB（Control Bus）。根据总线结构组织方式的不同，可分为单总线、双总线和双重总线3类。,1.3微机硬件系统结构,总线结构组织方式:单总线、双总线和双重总线3类。,1.4微处理器结构模型的组成,微处理器模型的概念以“化繁为简”的方法，将一个复杂的微处理器用一个简化的微处理器来描述。图1-2给出了一个简化的微处理器结构模型。微处理器结构:运算器、控制器和内部寄存器阵列。,1.运算器,运算器:又称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。参加运算的两个操作数:通常，一个来自累加器A（Accumulator）；另一个来自内部数据总线，可以是数据寄存器DR（Data Register）中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果往往也送回累加器A暂存。,2.控制器,控制器：根据指令功能转化为控制信号的部件。它包括：指令寄存器IR（Instruction Register）；指令译码器ID（Instruction Decoder）；可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）。指令代码如何流动：首先由内存流向IR，再由IR流向ID，经ID将指令代码译码后最后送至PLA，于是由它产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。由于每条指令所执行的具体操作不同，所以，每条指令将对应控制信号的某一种组合，以确定相应的操作序列。,3.内部寄存器,微处理器的内部寄存器包括：内部寄存器：累加器A、数据寄存器DR、程序计数器PC、地址寄存器AR、标志寄存器F以及寄存器阵列RA（也称为寄存器组RS）。要着重理解程序计数器PC的功能与作用：由于PC具有自动加1的功能，能够使地址寄存器不断获得有序递增的寻址信息，所以，它对维持微处理器有序地执行程序起着关键性的作用。注意，标志寄存器是一个十分重要的寄存器，随着微处理器的不断升级，标志寄存器各标志位的设置与定义也越来越复杂。但是，后期产品的设计都沿用了对前期产品的兼容性。,1.5 存储器的组成与读写操作,1.存储器的组成存储器是微机中的存储和记忆部件，用来存放数据和程序。在计算机中，一般用位二进制代码作为一个字节（byte），字节是计算机中存储器容量的基本单位；用2个字节组成一个字（word）来标识16位数据的长度。字长：表示计算机数据总线上一次能处理的信息的位数即位长，并由此而定义是多少位的计算机，如1位机，4位机、8位机、16位机、32位机等。注意，为了计算机管理内存的方便，对每个内存单元都要赋予一个不同的编号。这个编号称之为地址单元号或简称地址。各存储单元的地址与该地址中存放的内容是完全不同的意思，不可混淆。,随机存取存储器,随机存取存储器组成：存储体、地址译码器和控制电路，如图所示。一个由8根地址线连接的存储体共有256个存储单元，其编号从00H（十六进制表示）到FFH，即从00000000到11111111。,2.存储器的读写操作过程,读出信息的操作过程分3步，注意，读操作的特点是非破坏性的。这一特点很重要，因为它允许多次读出同一单元的内容。向存储器写入信息的操作过程也分3步。上述类型的存储器称为随机存取存储器RAM。,1.6微机的工作过程,计算机的工作原理：“存储程序”“程序控制”，即先把处理问题的步骤和所需的数据转换成计算机能识别的指令和数据送入存储器中保存起来；工作时，由计算机的处理器将这些指令逐条取出执行。参见程序执行过程示意图。,例：3+2的微机工作过程,编写“3+2=?”的程序。该程序是3条指令5个字节。注意：由于微处理器和存储器均用1个字节存放与处理信息，因此，当把这段程序存入存储器时，共需要占5个存储单元。假设把它存放在存储器的最低端5个单元里，则该程序将占有从00H至04H这5个单元，如图所示。,取第1条指令的操作过程,开始执行程序时，必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址00H，然后进入第1条指令的取指阶段。,执行第1条指令取立即数阶段,执行第1条指令须把指令第2字节中的操作数03H取出来。取指令第2字节的过程如图所示。,取第2条指令的过程,它与取第1条指令的过程相同，只是在取指阶段的最后一步，读出的指令操作码04H由DR把它送到指令寄存器IR。,执行第2条指令的过程,第2条指令的执行阶段结束，A中存入和数为05H，它将原有内容03H冲掉。接着，CPU就转入第3条指令的取指阶段。,程序中的最后一条指令HLT的取指与执行,可用类似上面的取指过程把HLT取出。当把HLT指令的操作码F4H取入数据寄存器DR后，因是取指阶段，故CPU将操作码F4H送指令寄存器IR，再送指令译码器ID；经译码，CPU“已知”是暂停指令，于是，控制器停止产生各种控制命令，使计算机停止全部操作。这时，程序已完成3+2的运算，并且和数5已暂时存放在累加器A中。综上所述，微机的工作过程就是不断取指令和执行指令的过程。,1.7微机的运算基础,进位记数值1十进制数一个十进制数中的每一位都具有其位权（或简称权）。其中，每个位权由基数的次幂来确定。2.二进制数二进制数只包括“0”和“1”两个不同的数码，进位原则是“逢二进一”。3.八进制数八进制数用07八个不同的数码来表示数值。当计数时，它是“逢八进一”。4.十六进制数十六进制数是最常用的一种进制数，它的基数是16，即由09以及字母A、B、C、D、E、F分别表示0 15十六个数码。,进位记数制通式,对任意其它一种进位记数制，其基数可用正整数b表示。这时，数的按位权展开式的一般通式为：式中，ki为第位的数码；b为基数；bi为第位的权；为整数的总位数；为小数的总位数。,各种进位数制之间的转换,各种不同进位数制之间的综合转换表示法如图所示。,1.非十进制数转换为十进制数,对任一非十进制数转换为十进制数，其基本方法是：先将该数按位权展开式逐项计算，再按十进制运算规则求和。例如：将二进制数1011.101B转换成十进制数。例如：将十六进制数FFFE.4H转换为十进制数。,2.十进制数转换为非十进制数,对任一十进制数转换为非十进制数分成整数和小数两部分。整数部分采用“除以基数取余”方法，小数部分采用“乘基数取整”的方法。（1）例如：将十进制整数175转换成二进制整数。其转换结果为175D10101111B（2）例如：将十进制小数0.625 转换为二进制小数。其转换结果为0.625D0.101B。有时十进制小数不能用有限位的二进制小数精确表示，这时，可根据精度要求取位，得到十进制小数的2进制的近似表达式。,（3）例如：将十进制数1192.9032转换为十六进制数。,整数部分“除以16取余”，故1192D4A8H；小数部分“乘16取整”，故 0.9032D0.E738H。结果为：1192.9032D4A8.E738H。,3.八进制数与二进制数之间的转换,例如：将八进制数352.14转换为二进制数。其结果为352.14Q（011101010.001100）B11101010.0011B,4.十六进制数与二进制数之间的转换,例如：将二进制数110100110.110101转换为十六进制数。其结果为110100110.110101B1A6.D4H 注意：小数部分的最后一组若不足位时，要加0补足，否则出错。十六进制数转换为二进制数时，过程与上述相似。例如：将十六进制数C8F.49H转换为二进制数。C8F.49H同样要注意，在最后的结果中应将可能出现的最高位前面或最低位后面的无效0舍去。,二进制编码,计算机只能识别二进制数，因此，各种信息，如数字、字母、符号、以及声音、图像等都要化成由若干位0、1组合的特定二进制码来表示。这就是二进制编码。1.二进制编码的十进制1位十进制数用4位二进制编码来表示的方法很多，较常用的是8421 BCD编码。BCD码在计算机中有两种存储形式：压缩BCD码和非压缩BCD码。,2.字母与字符的编码,广泛使用的字母与字符编码是ASCII码美国标准信息交换码。7位ASCII代码能表示128种不同的字符，其中包括数码（09），英文大、小写字母，标点和控制的附加字符。,1.7.4 二进制的运算,1二进制加法二进制加法的运算规则是：000；011；110 进位1；1111 进位1。两个二进制数相加时，每1列有3个数，即相加的两个数以及低位的进位，用二进制的加法规则相加后得到本位的和以及向高位的进位。例如：计算两个8位数10001111B与10110101B相加。两个8位二进制数相加后，第9位出现的一个1代表“进位”位。,2二进制减法,二进制减法的运算规则是：000；110；101；011 借位1。微机一般以8位数进行减法。若被减数、减数或差值中的有效位不足于，应在有效位的前面补若干个零位以保持8位数。例如：计算11011B减1101B。“借位后的被减数”现在是指产生借位以后每位被减数的值。注意，二进制的10 等于十进制的2。用借位后的被减数逐列地减去减数即得差。,例1.17计算11000100B减00100101B。例1.18 计算11101110B减10111010B。此例中，答案包括6位有效位，应补加两个0位以保持8位数。,二进制减法,3二进制乘法,二进制乘法的运算规则是：000；010；100；111。例1.19 计算1111乘以1101。,计算1111乘以1101的过程,二进制乘法的步骤：,（1）乘数最低有效位LSB为1，把被乘数加至部分积（其初值为0）上，然后把被乘数左移；（2）乘数次低位为0，不加被乘数，然后把被乘数左移；（3）乘数为1，把已左移的被乘数加至部分积，然后把被乘数左移；（4）乘数为1，把已左移的被乘数加至部分积得最终乘积。以上是以被乘数左移加部分积的方法实现乘法的。当两个位数相乘时，乘积为2位；在运算过程中，这2位都有可能进行相加的操作，所以，需要2个加法器。,用部分积右移加被乘数的方法实现上例两数相乘,过程如下：,用部分积右移加被乘数的方法,（1）乘数最低位为1，把被乘数加至部分积，然后部分积右移；（2）乘数为0，不加被乘数，部分积右移；（3）乘数为1，加被乘数，部分积右移；（4）乘数为1，加被乘数，部分积右移，得最终乘积。比较：所得最后结果相同。但用部分积右移的运算方法却只有位进行相加的操作，所以只需要个加法器。,4二进制除法,除法是乘法的逆运算。因此，它是确定一个数（除数）可以从另一个数（被除数）中连减多少次的过程。例1.20 计算100011除以101。,1.8.5二进制数的逻辑运算,在微机中，以0或1两种取值表示的变量叫逻辑变量。逻辑变量之间按位进行的运算，称为逻辑运算。逻辑运算有3种基本运算：逻辑加法（或运算）、逻辑乘法（与运算）和逻辑否定（非运算）。1与运算与运算通常用符号“”或“”或“”表示。它的运算规则如下所示。010或010或010 读成0与1等于0 100或100或100 读成1与0等于0 111或111或111 读成1与1等于1例1.21 计算1100001110101001110000111010100110000001,2或运算,或运算通常用符号“”或“”表示。它的运算规则如下所示。000或者000 读成0或0等于0 011或者011 读成0或1等于1 101或者101 读成1或0等于1 111或者111 读成1或1等于1例1.22 计算1000001111000011 100000111100001111000011,3非运算,非运算又称逻辑否定。它是在逻辑变量上方加一横线表示非，其运算规则如下所示。例1.23 将10100101求非。,4异或运算,在给定的两个逻辑变量中，只要两个逻辑变量相同，则异或运算的结果就为0；当两个逻辑变量不同时，异或运算的结果才为1。例如：计算1010001110101100，其结果为：101000111010110000001111注意，当两个多位逻辑变量之间进行逻辑运算时，只在对应位之间按逻辑运算规则进行运算，而不同位之间不发生任何关系，没有算术运算中的进位或借位关系。,1.8数的定点与浮点表示,在计算机中，用二进制表示一个带小数点的数有两种方法，即定点表示和浮点表示。定点表示与浮点表示的区别是以小数点在数中的位置是固定或浮动来划分的。1定点表示通常，对于任意一个二进制数总可以表示为纯小数或纯整数与一个2的整数次幂的乘积。例如，两个8位二进制数0.1010111和0.1010111在计算机中的定点表示形式如下所示。,2浮点表示,浮点数在计算机中的表示形式如下：浮点表示与定点表示比较，只多了一个阶码部分。为了使计算机运算过程中不丢失有效数字，提高运算的精度，一般都采用二进制浮点规格化数。,1.9带符号数的表示法,机器数与真值在计算机中的二进制数有无符号数与有符号数之分。1个数的数值和符号全都数码化了。把1个数（包括符号位）在机器中的一组二进制数表示形式，称为“机器数”，而把它所对应的实际值（包括符号）称为机器数的“真值”。,机器数的种类和表示方法,在机器中表示带符号的数有3种表示方法：原码、反码和补码。为了运算带符号数的方便，在计算机中实际上使用的都是补码，而引出原码与反码是为了研究补码。1.原码原码表示方法：符号位用0表示正，用1表示负；其余数字位表示数值本身，此机器数的数值部分为真值的绝对值。例如：正数 105的原码表示如下；对于负数 105的原码表示如下。原码表示简单易懂，而且与真值的转换很方便，但采用原码表示在计算机中进行加减运算时很麻烦。目前都采用简便的补码运算。,2.反码,正数的反码表示与其原码相同，即符号位用“0”表示正，数字位为数值本身。负数的反码是将它的正数按位（包括符号位在内）取反而形成的。,3补码,1）正数的补码正数的补码与其原码相同，即符号位用“0”表正，其余数字位表示数值本身。2）负数的补码负数的补码表示为它的反码加1（即在其低位加1）。,补码的加减法运算,在微机中，凡是带符号数一律用补码表示，而且，运算的结果自然也是补码。补码的加减运算是带符号数加减法运算的一种。其运算特点是：符号位与数字位一起参加运算，并且自动获得结果（包括符号位与数字位）。在进行加法时，按两数补码的和等于两数和的补码进行。在进行减法时，按两数补码的差等于两数差的补码进行。例如：已知1000000，0001000，求两数的补码之和。例如：已知X+0000111，Y0010011，求两数的补码之和。,溢出及其判断方法,1溢出的概念溢出是指带符号数在进行补码运算时，其运算结果超出了补码所能表示的最大范围。2判断溢出的方法判断溢出的方法较多，例如根据参加运算的两个数的符号及运算结果的符号不同可以判断溢出。此外，利用双进位的状态也是常用的一种判断方法。3溢出与进位进位是指运算结果的最高位向更高位的进位。对于字长为16位的二进制数用补码表示时，其范围为3276832767。,第1章 本章小结,学习本章时，要始终围绕微机系统的整体结构、工作原理以及运算方法这3个基本方面反复思考与融会贯通，方能掌握计算机的最基础的共性知识。在理解微机系统的整体结构时，首先要着重理解的是微型计算机从其诞生以来就采用了总线结构。CPU通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据交换。先进的总线技术对于解决系统整体速度“瓶颈”效应、提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响。微机系统的组成及其运行，都是围绕微处理器来展开的。作为微机的核心部件的微处理器，它是一个非常复杂的可编程芯片。用简化的微处理器结构模型来分析微处理器的结构特点和工作原理是一种“化繁为简”的科学方法。一个简单的微处理器主要由运算器、控制器和内部寄存器阵列3个基本部分组成。在后续的高档微处理器中，主要是扩充了寄存器的结构与数量以及对存储器的管理部件。在理解微机的操作原理时，必须建立的一个基本观点就是，微处理器与存储器（这里指内存）的联系是最直接也是最密切的。而存储器的读写操作是微机的一个最基本的操作。,第1章 本章小结,“存储程序”和“控制程序”是冯诺依曼型数字计算机工作原理的核心思想。微机的工作过程在本质上就是不断地取指令和执行指令的过程。在模型机中描述的是一种简单的串行工作方式；而在高档微机中，则描述的是一种并行操作的流水线工作方式。计算机的运算基础应包括以下3方面的基本知识：各种数制之间相互转换的综合表示法、常见的二进制编码以及有关补码表示法与补码溢出等几个问题。最后需要指出，本章所介绍的基本内容是各种计算机所共有的一些基础知识，务求深入理解，融会贯通。,