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微机原理与接口技术,主讲洪永强教授,第一章微型计算机概述,1.1微型计算机的基本结构1.2微型计算机系统1.3微型计算机的运算基础,,1.1微型计算机的基本结构,1.1.1微型计算机的结构特点1.1.2微处理器1.1.3内存储器1.1.4输入输出设备和输入输出接口1.1.5总线,返回,,微型计算机结构框图,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成,返回,1.1.1微型计算机的结构特点,,1.1.2微处理器,微处理器，中央处理单元简称CPU（CentralProcessingUnit）本身具有运算和控制功能控制器负责全机的控制工作运算器执行所有的算术和逻辑运算微处理器是微型计算机的核心，多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能.,CPU的功能,1.进行算术和逻辑运算2.能对指令进行译码并执行规定的动作3.可暂存少量数据4.提供整个系统所需要的定时和控制5.能和存储器、外设交换数据6.可以响应其他部件发来的中断请求,CPU在内部结构组成,1.算术逻辑部件（ALU）处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算2.累加器和通用寄存器组用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址3.程序计数器（指令指针）指向下一条要取出的指令4.指令寄存器存放从存储器中取出的指令码5.译码器对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。6.时序和控制部件指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。,CPU的控制信号,1.由CPU内部产生相应的控制信号送到存储器、输入/输出接口电路和其他部件2.微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时候向CPU发出各种请求信号如中断请求、总线、请求等。,返回,1.1.3内存储器,内存储器又叫内存或主存计算机的记忆部件存放数据（包括原始数据，中间结果和最终结果）和程序,1.内存单元的地址和内容,内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数二进制有关的数据单位位1位二进制数据，计算机存储信息的基本单位字节每8位组成一个字节字16位双字32位,,一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容，每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为16进制，如下图所示,,,16位时，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址两个字节单元构成一个字单元，字单元的地址采用它的低地址表示,,,如用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容用（X）表示，假如X单元中存放着Y,则（X）Y,而Y又是一个地址，则可用（Y）X来表示Y单元的内容。如,存储器地址与内容有关说明,1.存储器以字节（8bit）为单位存储信息2.每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加13.地址也用二进制数表示（无符号整数，写成十六进制）4.地址是16位,可表示2166553664K个地址，即0000H－FFFFH5.字长16位，一个字要占用相继的两个字节6.低位字节存入低地址，高位字节存入高地址7.机器以偶地址访问（读/写）存储器8.字单元地址用它的低地址来表示,,2.内存操作,CPU对内存的操作有读、写两种1.读操作是CPU将内存单元的内容取入CPU内部2.写操作是CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来,,3.内存分类,按工作方式不同，内存可分为两大类随机存取存储器RAMRandomAccessMemory只读存储器ROMReadOnlyMemoryRAM可以被CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器ROM中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU任意写入,返回,,1.1.4输入输出设备和输入输出接口,输入输出设备是指微型计算机上配备的I/O设备，也称为外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微型计算机提供具体的输入/输出手段微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口Interface电路与主机系统相连。,返回,1.1.5总线,总线实际上由一组导线条上关电路组成，是各种公共信号线的集合，用作微机各部分之间传递信息所共同使用的“高速信息公路”。在CPU，存储器，I/O接口之间传输信息的总线称为“系统总线”。系统总线包括数据总线，地址总线和控制总线。,返回,1.1.5总线,1.数据总线（databus,DB）数据总线用来传输数据信息，是双向总线2.地址总线（addressbus,AB）地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线3.控制总线（controlbus,CB）控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但CB作为一个整体是双向的,返回,1.2微型计算机系统,1.2.1微型计算机系统的组成1.2.2微型计算机的主要性能指标1.2.3典型微型计算机的组成结构,返回,1.2.1微型计算机系统的组成,一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可。微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等。,返回,微型计算机系统的基本组成,1.2.2微型计算机的主要性能指标,返回,1.基本字长位（Bit），是计算机内部数据存储的基本单位，音译为“比特”，习惯上用“b”来表示。字节，是计算机中数据处理的基本单位，习惯上用“B”来表示。一个字节由8个二进制位构成，即1Byte8bit。此外，字（Word）可以表示2个字节，即16个二进制位；双字（DoubleWord），可以表示4个字节，即32个二进制位。基本字长是指参与运算数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的,1.2.2微型计算机的主要性能指标,返回,2.主存容量一个主存储器所能存储的最大信息容量称为主存容量3.运算速度人们用计算机的主频时钟频率来表示运算速度，以MHz或GHz为单位4.系统配置5.性能价格比,1.2.3典型微型计算机的组成结构,典型微型计算机主板结构图,返回,1.3微型计算机的运算基础,1.3.1数和数制1.3.2数的表示1.3.3数的编码,预备知识,224241628256210102422010485761K2101024（Kilo）1M1024K220（Mega）1G1024M230（Giga）,常用的名词术语,1.位（bit比特）1个二进制位位是计算机所能表示的最基本最小的数据单元。2.字和字长字是计算机内部进行数据处理的基本单位，通常它与计算机内部的寄存器、运算装置、总线的宽度相一致。字长计算机的每一个字所包含的二进制位数称为字长。3.字节（Byte）8个二进制位，即1Byte8bit字节的长度是固定的，但不同的计算机字长不同4.字（Word）16位，2个字节，即1Word2Byte16bit5.双字（DoubleWord32位,1.3.1数和数制,1.数制与进位计数法2.数制转换3.数制运算,1.数制与进位计数法,数制进位记数制是一种记数的方法。基数数码的个数。,,1.数制与进位计数法,1.数制与进位计数法,2.数制转换,进制转换的一般方法,（1）r进制数转换为十进制数例1-3把110110B，123.4Q和2AB.8H转换为十进制数。,2.数制转换,（2）十进制数转换位r进制数例1-4把十进制数123。25D转换位二进制、八进制和十六进制数。解123.25D1111011.01B173.2Q7B.4H，计算过程如下。,2.数制转换,2.数制转换,3二进制数与八进制、十六进制数之间的转换,例1-5把10110011100.11B转换为八进制数和十六进制数。解01011001110011026346010110011100110059CC所以，10110011100.11B2634.6Q59C.CH,2.数制转换,2.数制转换,例1-6把1FD7.108H转换为二进制数和八进制数。解1FD71080001111111010111000100001000001111111010111000100001000177270410所以，1FD7.108H1111111010111.000100001000B17727.041Q,3.数制运算,,,1.3.2数的表示,1.机器数2.原码、反码和补码3.补码运算,1.机器数,计算机中的数是用二进制来表示的，数的符号也是用二进制表示的。在机器中，把一个数连同其符号在内数值化表示的数称为机器数。计算机常用8位、16位、32位等一个或多个字节的字长来表示一个机器数。,1.机器数,计算机要处理的数有无符号数和有符号数。所谓无符号数，通常表示一个数的绝对值或存储单元的地址。对无符号数而言，数的各个位都用来表示数的大小，所有的位均为数值位。所谓有符号数，即有正负意义的机器数。对有符号数而言，数的最高有效位为符号位，表示数的符号，正数用0表示，负数用1表示，其余位为数值位。,假设机器字长n为8位,76543210,假设机器字长n为16位,,,符号位数值位,1514131211109876543210,符号位0表示正数符号位1表示负数,,1.机器数,2.原码、反码和补码,正数的原码就是它本身，负数的原码符号位为1，数值位为其绝对值；正数的反码就是它本身，负数的反码符号位为1，数值位为其绝对值按位求反。例1-7机器字长n8时，求1D和-1D的原码和反码。解[1D]原00000001B01H，[-1D]原10000001B81H，[1D]反00000001B01H，[-1D]反11111110BFEH。,2.原码、反码和补码,补码表示法的规则是对于二进制数，正数的补码就是它本身，负数的补码，对该负数相对应的正数的补码先按位求反后末位加1。例1-8机器字长n8时，求1D和-1D的补码。解[1]补1D00000001B按位求反11111110末位加111111111[11]补11111111B0FFH所以1D00000001B01H，则[1]补00000001B01H，[-1]补111111111B0FFH。,2.原码、反码和补码,例1-9机器字长n16时，求8D和-8D的补码。解[8]补8D0000000000001000B按位求反1111111111110111末位加11111111111111000[-8]补111111111000B0FFF8H所以，[8]补0000000000001000B0008H，[-8]补11111111111111111B0FFF8H。,,2.原码、反码和补码,例1-10用8位和16位字长的数分别表示47D和-47D的补码。解用8位字长表示，47D00101111B[47]补47D00101111B2FH按位求反11010000末位加111010001[-47]补11010001B0D1H用16位字长表示，直接对8位表示的补码进行符号扩展即可，即[47]补002FH，[-47]补0FFD1H,2.原码、反码和补码,3.补码运算,所谓求补运算是指对一个二进制数的补码先按位求反再末位加1的运算，简称“求补”或“变补”。,3.补码运算,“求补”和“求补码”是两个不同的概念前者是进行“变反加1”的运算过程，即求一个数的相反数的补码；后者就是求一个数的补码，它可以是“求补运算”，也可以是“符号-绝对值”表示。,3.补码运算,补码的加法和减法运算规则是[XY]补[X]补[Y]补[X-Y]补[X]补[-Y]补其中[-Y]补可以用对[Y]补进行求补运算得到,3.补码运算,例1-11用补码进行下列运算2315；-23-15；23-15；-23--15。解[23]补00010111B17H；[-23]补11101001B0E9H；[15]补00001111B0FH；[-15]补11110001B0F1H；运算过程如下,3.补码运算,,3.补码运算,,1.3.3数的编码,1．BCD码（及其（加减）运算）2.ASCII码,1．BCD码（及其（加减）运算）,8421BCD码（简称BCD码），即将1位十进制数09分别用4位二进制编码来表示，而这四位的权从高位到低位一次是8，4，2，1。,1．BCD码（及其（加减）运算）,例1-12用组合和非组合BCD码分别表示十进制数43和512。解,2.ASCII码,用7位二进制码表示一个字符，共能表示128个不同的字符。,