计算机系统概述.ppt

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1、微型计算机原理及应用,智爱娟,微机原理及应用-课程介绍,微机：Pentium机,原理：Pentium 指令系统和汇编语言程序设计,应用：半导体存储器及其接口I/O接口电路及其与外设连接,硬件接口电路原理软件接口编程方法,微机原理及应用-参考文献,戴梅萼，微型机原理与技术（第2版），北京：清华大学出版社，2009.2钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，2008.1戴梅萼，微型计算机技术与应用（第4版），北京：清华大学出版社，2008,微机原理及应用-课程内容,目 录第1章 计算机系统概述第4章 32位微处理器Pentium第5章 存储器、存储管理和高速缓存技术第6章 计

2、算机和外设的数据传输第7章 串/并行通信及其接口技术第8章 中断控制器的编程结构、工作方式及编程第9章 DMA控制器的编程结构及编程第10章 计数器/定时器和多功能接口芯片第15章 总线技术第16章 Pentium计算机系统的结构,微机原理及应用-课程特点,专业技术基础课硬件系列课程之一计算机组成原理微机原理及接口技术计算机体系结构特色以技术为主面向应用软硬件相结合,课程特点,区别,微机原理及应用-先修课程,数字逻辑提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能掌握计算机工作原理高级语言程序设计熟悉DOS环境程序设计的方法掌握基本程序设计思想,先修课程,第1章,计算机系统概述,第1章：1.1 计

3、算机的发展,1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）。计算机发展：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路四代，出现微型计算机。1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel 4004，开创了一个全新的计算机时代。微型计算机的特点：体积小、重量轻、功耗和价格低、可靠性高、使用方便、软件丰富。,以大规模、超大规模集成电路为主要部件,以集成了计算机主要部件控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统,第1章：1.2 微型计算机的分类：按CPU字长分,第1代：4位和低档8位微机（1971-1973年）Intel 4004MCS-4，Inte

4、l 8008 MCS-8第2代：中高档8位微机（1973-1977年）Z80、Intel 8080/8085、M6800，Apple-II微机第3代：16位微机（1978-1985年）Intel 8086/8088/80286，Z8000，MC68000，IBM PC系列机第4代：32位微机（1985-1992年）8038680486PentiumPentium II/III/432位PC机第5代：64位微机（1992-至今）Itanium、64位RISC微处理器芯片网络服务器、办公自动化,单片机将 CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上，构成具备基本功能的计算机。应用：智能仪表、工业

5、实时控制、家用电器等。例Intel 8051、DSP、ARM。单板机将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路装在一块印刷电路板上，组成单板机。应用：过程控制、数据处理。例TP-801 以Z80CPU为核心的单板机。,第1章：1.2 微型计算机的分类：按构成分,多板机把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上，各印刷板插在主机板的总线插槽上，通过系统总线连接起来，构成多板机。产品：IBM PC/XT、486机、Pentium机等 办公自动化、网络服务器、工业控制,第1章：1.2 微型计算机的分类：按构成分,第1章：1.2 微型计算机的分类：按主机装置分,台式机笔记本工作站掌上电脑平板电脑,

6、工作站,笔记本,掌上电脑,台式机,平板电脑,第1章：1.3 微型计算机的系统组成,区别3个概念,软件：系统软件 应用软件,1.微型计算机结构,（1）总线,地址总线 AB(Address Bus)：单向用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。,地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M32根 232 22 230 4G36根 236 26 230 64G,控制总线CB(Control Bus)：用于传送各种控制信号。,有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。

7、,（1）总线,数据总线 DB(Data Bus)：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8 根 一次传送 8位数据16 根 一次传送 16位数据 32 根 一次传送 32位数据64 根 一次传送 64位数据,（2）中央处理器CPU(Central processing unit),计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。,功能：算术与逻辑运算保存少量数据对指令译码及执行规定的操作和存储器、外设交换数据提供系统定时及控制响应中断请求,（3）内存,CPU,内存结构示意图,内存是存储程序和数据的部件

8、，由地址译码器、内存单元等构成。,（4）外设和输入/输出接口（I/O接口）,外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。,I/O接口结构示意图,CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。,2.微型计算机的指令执行过程,计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”,IP+1,微机的工作过程分三个阶段：取指、译码、执行,对IR中的操作码进行译码，产生控制信号序列 对IR中地址码进行译码，产生操作数地址,由IP给出指令所在内存的地址 地址经地址寄存器 地址总线 地址译码器,选中指令所在的 内存单元 CPU发出内存读控制信号 指令从内存

9、数据总线 数据暂存器 指令寄存器,（1）取指令阶段（CPU读内存操作）,（2）译码阶段,（3）执行阶段,按照控制信号序列完成相应操作 IP加1,IP+1,不同的指令，CPU的具体执行过程不同。CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术、逻辑运算等。,当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。,例 指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。,指令1在CPU 内部即可完成,IP+1,例 指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中,指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。,IP+1,例 指令3：

10、将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中,指令3的执行阶段包括一个向内存存数(即写内存)的过程。,当一条指令取走后，指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址，这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段，如此不断的重复。,100H,20AH,20H,100H,【例】ADD AX，BX+DISP 机器码为：0110 0011 0000 1010,3.微型计算机系统运行过程,计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”,（1）存储程序 编辑加工 翻译转换 连接装配,（2）程序控制 开机，系统测试 读取引导程序 装配操作系统 等待用户命令 装配应用程序 执行应用程序 返回操作系统 退出，关机,4

11、.常用数据类型（自学）,80 x86系列微机中，常用数据类型包括：带符号整数、无符号整数、BCD数、字符串、位、浮点数数据在内存储器中的存储方式内存的作用用来存储参加运算的操作数、运算的中间结果和最后结果。数据在内存中的存储常以字节Byte为单位进行存储两个相邻字节组成一个字Word，4个相邻字节为双字DWord,多字节数据的存储采用高位字节在地址高的存储单元中，低位字节在地址号低的存储单元中的规则 举例：,4.常用数据类型（自学）,数的进位制表示约定进位计数制常用进位制有二进制、十六进制、十进制、八进制不同进制的数常用后缀字母区别。H/h表示十六进制，B/b表示二进制，没有或D/d表示十进制

12、，Q/q表示八进制。如1011B=(1011)2，A8H=(A8)16，61Q=(61)8基数某种进位计数制中所包含的数码个数就是该数的基数，如二进制为2，N进制为N。基数体现了该数制中进位和借位的原则：当在某一位数上计够一个基数时需要向上进1，反之，从上位借1在下位当一个整基数来使用,4.常用数据类型（自学）,权表示进位计数制中各个数位上的单位值。权一般以基数幂的形式来表示，如：十进制数1111.11D，其中的各个1有不同的权重，从左到右分别为：103、102、101、100、10-1、10-2。整数整数分带符号数和无符号数两种无符号数指字节、字、双字的二进制位都用来表示数值本身，没有用来表

13、示符号的位，因而为正整数。其中0位为最低有效位，7、15、31分别为最高有效位。,4.常用数据类型（自学）,无符号整数图示,10000000,128,32768,0000000000000000,2147483648,4.常用数据类型（自学）,带符号整数带符号整数表示法有4种：原码、反码、补码及移码原码最高位表示数的符号位，常以0表示正数，1表示负数，其余各位表示数值本身，则称为原码表示法。例如X=+1011100，Y=-1011100，则 X原=01011100，Y原=11011100。是符号数值化的数，可在计算机中使用，称为机器数。原来的带符号数称为相应机器数的真值。原码与真值之间的关系：

14、,4.常用数据类型（自学）,正数的原码表示设X=+Xn-2Xn-3X1X0，X原=0 Xn-2Xn-3X1X0负数的原码表示设X=-Xn-2Xn-3X1X0，X原=1 Xn-2Xn-3X1X0=2n-1+Xn-2Xn-3X1X0=2n-1-（-Xn-2Xn-3X1X0）=2n-1-X零的原码表示在二进制数原码表示中有正零和负零之分，即+0原=000000，-0原=100000综上所述，有如下公式：,4.常用数据类型（自学）,补码和反码补码：一个二进制数，若以2n为模，他的补码叫做2补码，简称补码，即反码：一个二进制数，若以2n-1为模，他的补码叫做1补码，也称反码。即补码和反码之间的关系X为正

15、数时，X补=X反=X原=XX为负数时，X反是将X原的符号位保持不变，其余各位变反；X补是将 X原的符号位保持不变，其余各位变反加1。或采用带借位0减。例如：,4.常用数据类型（自学）,若=+1010011B，X2=-1010011B，则 X1补=X1反=X1原=01010011B；X2原=11010011B，X2反=10101100B，X2补=10101101B,当X为+0时，则+0补=2n+0000=0+0反=+0原=0000=0,当X为-0时，则-0补=2n-0000=0+0反=11111,4.常用数据类型（自学）,移码移码是在数的真值上加一个偏移量形成的，他的定义为：X移=2n-1-1+

16、X 2n-1X-2n-1其中X表示二进制数真值，n表示包括符号位和数值部分在内的二进制数位数，2n-1-1为偏移量。例如：若X=+10010B=+18，Y=-10010B=-18，则X移=110001B，Y移=001101B。,100000 1011111+10010110001,100000 1011111-10010001101,运算过程：,4.常用数据类型（自学）,举例,假设数的原码、反码、补码表示形式均为10000010B，计算它们所对应的真值分别是多少？,其为原码表示时是：-2,其为反码表示时是：-125,其为补码表示时是：-126。即：减1变反,5.算术运算（自学）,补码运算X+Y

17、补=X补+Y补X-Y补=X补-Y补X-Y补=X补+-Y补,（1）87-73=？（2）87+（-73）=？,01010111+87补 01010111+87补-01001001+73补+10110111-73补 00001110+14补 100001110+14补,（3）87-（-73）=？（4）-87+（+73）=？,01010111+87补 10101001-87补-10110111-73补+01001001+73补-110100000-96补 11110010-14补,（5）（-87）-73=？（6）（-87）-（-73）=？,10101001+87补 10101001-87补-01001

18、001+73补-10110111-73补-101100000+96补 11110010-14补,5.算术运算（自学）,溢出判断：（1）有符号数溢出判断根据溢出标志OF判断，OF=1溢出（2）无符号数溢出判断根据进位标志CF判断，CF=1溢出,5.算术运算（自学）,6.逻辑运算（自学）,作 业,1.CPU在内部结构上分哪几部分?CPU应具备那些主要功能?2.累加器和其他通用寄存器相比有什么不同?3.微机总线传输的信号有哪几类?4.控制总线传输的信号大致有哪几种?5.微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间有什么不同？6.将下列二进制数转换为十进制数和十六进制数(1)00101010B(2)111

19、0.017.从冯诺依曼原理理解微机系统运行过程。,各种微处理器,硬件系列课程,计算机组成原理侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现方法和电路原理侧重内部各单元的工作原理和实现方法（芯片内）微机原理及应用突出应用，详细讲述微处理器芯片的指令系统及编程、CPU外部特性、微机主板，与通用外设的接口电路及应用编程技术侧重各模块外部的连接和应用技术（芯片外）计算机体系结构重点论述计算机系统的各种基本结构、设计技术和性能定量分析方法侧重整个系统的设计技术（芯片组合）,返回,明确3个概念的区别,微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、微型机微型计算机系统（Microcomputer system）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,返回,单片机和单板机图片,RAMTRON Ramtron International Corporation工业用,