微型计算机基础知识doc.docx
《微型计算机基础知识doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机基础知识doc.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
微型计算机基础知识doc
教案说明
一、适用范围
农业机械及其自动化、机械设计及其自动化
二、计划学时
总学时64＝理论学时46+实验学时18
三、推荐教材
1、周鹏主编，微机原理与接口技术，北京：
机械工业出版社，2011年3月。
2、杨居义主编，微机原理与接口技术项目教程，北京：
清华大学出版社，2010年8月。
3、尹建华等著，微型计算机原理与接口技术，北京：
高等教育出版社，2003年8月，第1版。
第一讲
授课题目（章、节）
第一章微型计算机基础知识§1.1－1.2
教学内容：
微机发展概述及主要应用、进制转换、信息编码方法
重点：
进位计数制、信息编码（BCD编码、ASII码）
难点：
进制转换
导言
微机是本世纪科学技术最卓越的成就之一。
随着技术的发展，微机的应用领域已经扩展到了各行各业。
本课程作为计算机专业的一门技术基础课，是让学生了解微机的工作原理，建立微机工作的整体概念。
而对于微机的应用宏观上可以分为软件领域和硬件领域：
软件方面广义上说是程序设计，而硬件方面可以说是接口技术。
所以本书可以分为三部分内容：
1.微机基础知识与工作原理；2.汇编语言程序设计；3.接口知识。
第一章微机基础
第一节微机概述
一、微机发展概述
1.计算机发展的四代
自从1946年第一台电子计算机（ENIAC）问世以来，不过半个世纪，现在已经深入各行各业、各个领域。
计算机技术在发展过程中经历了四代的变化：
a.电子管（绝缘导线连接的电子管、继电器存储器，BUG的诞生）；b.晶体管（印刷电路板）；c.集成电路（多层印刷电路板）；d.大规模超大规模集成电路。
对比一下：
性能方面，最初的ENIAC时钟频率100kHz占地140平方米、重30吨；而现在的纳米制程可以在火柴盒大小的芯片上集成几千万个晶体管。
主频由以MHz为单位过渡到GHz为单位（主频之争）；INTEL的T计划：
超线程技术HT、64为方案EM64T、安全技术（杀毒软件和硬件防火墙）LT、虚拟化技术VT（单台电脑分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需要模拟电脑的一项技术。
）、主动管理技术AMT（远程管理和修复联网的计算机系统）。
功能方面，最初的数值计算发展到多媒体、人工只能。
2.微机组成
微机（微型计算机）是第四代计算机的典型代表，与PC（个人电脑）在概念上有重复，而不同于计算机（计算机按规模可分为巨型、大型、小型、工作站、微型机）。
比较典型的深蓝、银河都是巨型机。
而单片机是微机家族中比较引人注目的一个成员。
所谓单片机就是把的各个功能部件集成在一个芯片上构成具有计算机完整功能的一种微机。
从计算机体系结构上来说：
微机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成；具体来说由CPU、主板、内存、硬盘、光驱、显卡、声卡等组成，这些设备我们后面作介绍。
二、微机应用
1.工控
利用微机即使检测和收集某一生产活动中某些必要数据，并按最佳状况进行自动调节和控制，称为实时控制或过程控制。
工控涵盖面很广，以微机为中心包括测和控两个方面。
2.事务处理
微机从事对数据（信息）的非数值处理：
录入、排序、分类、统计、修改、检索、输出等。
财务管理、信息管理。
涉及数据库、网络技术。
3.计算机辅助CAX
计算机辅助设计CADAUTOCAD3DMAX
计算机辅助制造CAM数控机床
计算机辅助教学CAI多媒体课件、模拟机
第二节计算机中数的表示和编码
计算机中的数是用物理状态来表示的，所以二进制是最合适的（开关的闭合打开、电平的高低、频率的快慢）。
就如黑客帝国片头一样，计算机眼中的世界是0和1组成的，这也是学习计算机往往先从二进制开始；虽然计算机发展方向是拟人化、智能化、但作为计算机专业，尤其是学习微机原理时二进制是必须熟练掌握的。
一、计算机中的进位计数制（4种）
进制的基本规则，各进制特点：
十进制―常用；2进制―机器用；16/8进制―代替二进制方便书写阅读
1.进位计数制的表示方法
1）十进制D
用十个符号表示数0.1.2.3……9
这些符号称为数码，数码的个数称为基数基数为10
遵从“逢十进一”规则9＋1＝10
在一个数中，数码表示的值不仅取决于本身，还取决于它的位置。
即每一位有各自的权10n
例如123＝1×102＋2×101＋3×100
1.25=1×100＋2×10-1＋5×10-2
推广N=an-1*10^n-1+an-2*10^n-2+……+a0*100
＋a-1*10-1+……+a-m*10^-m
2）二进制B
用两个符号表示数0和1基数为2
遵从“逢二进一”规则1＋1＝10
每一位有各自的权2n
例如：
101.01B＝1×22＋0×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2
=5.25D这也是二->十进制转换的一种方法
练习：
110.101B=6.625D
小数点右移相当于×2小数点左移相当于÷2
但这是有一定限制条件的
3）十六进制H
用十六个符号表示数0、1～9、A～F基数为16
遵从“逢十六进一”规则F＋1＝10
每一位有各自的权16n
例如：
2A.B1H＝2×161＋A×160＋B×16-1＋1×16-2
=42（177/256）D这也是十六->十转换的一种方法
练习：
A4.E5H=164（229/256）D
小数点右移相当于×16小数点左移相当于÷16
纯字母的十六进制数前要加0，和字符串区别。
0ABH
4）八进制O（为了和0区别也可使用Q）
用八个符号表示数0、1～7基数为8
遵从“逢八进一”规则7＋1＝10
每一位有各自的权8n
例如：
62.5Q＝6×81＋2×80＋5×8-1
=50（5/8）D这也是八->十转换的一种方法
练习：
125.63Q=85（51/64）D
小数点右移相当于×8小数点左移相当于÷8
2.R进制（二、八、十六）转换为十进制
常用方法就是使用按权展开式
11.01B＝1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2＝3.25D
3.十进制转换为R进制（二、八、十六）
注意：
转换时候整数和小数需要分别处理
1）整数的转换
第一方法：
除R取余
将十进制数N不断的除以R取其余数，将得到的余数a0a1……an逆向排列得到最终的R进制数an……a1a0。
例如：
59D->?
B
1<-3<-7<-14<-29<-59
÷2÷2÷2÷2÷2
a5=1a4=1a3=1a2=0a1=1a0=1取余数
59D=111011B
第二方法：
根据权作减（常用于二进制）
26＝6425＝3224＝1623＝822＝421＝220＝1
0111011
59－32＝27－16＝11－8＝3－2＝1
练习：
91D=1011011B50D=110010B
八进制和十六进制方法是一样的，这里就不再举例了。
2）小数的转换
方法：
乘R取整
将十进制的小数不断乘以R取其乘积的整数，顺序得到整数a-1a-2……a-m就是结果。
（不用逆向排列）
例如：
0.625D->?
B
0.625->0.25->0.5->0
×2×2×2
a-1＝1a-2＝0a-3＝1a-4＝0取整数
0.625D＝0.101B
注意：
小数转换时，可能会无限进行下去，我们取近似值就可以。
练习：
0.875D=0.111B
4.二进制与八进制、十六进制的转换
1）二进制<-->十六进制
将二进制数从小数点位开始，向左每4位产生一个十六进制数字，不足4位的左方补0，得到整数部分；向右每4位产生一个十六进制数字，不足4位的右方补0，得到小数部分。
例如：
00101101.01101000B=2D.68H
练习：
10110011.0010101B=B3.2AH
2）二进制<-->八进制
与上基本相同，只要按3位分割即可。
例如：
10110011.0010101B=263.124Q
练习：
101101.01101B=55.32Q
二、计算机中常用的编码
1.数字编码BCD码
计算机中十进制数的十个数码使用二进制编码表示，简称BCD码。
书上的说法有点问题，实际上最初的BCD码有很多种，（1可以用0001表示，也可以用0110表示）最常用的是8421BCD码（按每位的权），现在提到BCD码，一般就是指8421BCD码。
例如：
891.45D=100010010001.01000101BCD
练习：
125.68D=000100100101.01101000BCD
2.字符编码ASCII码
计算机中的字母、数字、符号都是按照特定的规则用二进制编码表示的。
最常用的规则就是ASCII码（美国信息交换标准码），ASCII码是7位编码，详见书后的附录。
注意的是：
数字的ASCII码和BCD等其他编码不同。
例如：
3D<=>0011BCD<=>00110011ASCII
一般来说，输入输出使用ASCII码，而运算时候使用BCD等其他编码。
正是因为数据编码的不一致，代码转换是一个很重要的问题（汇编中需要编程者自己解决）。
3.汉字编码
1）外部码
计算机输入汉字时使用的编码，是代表汉字的一组键盘符号，分为：
音码：
以汉语拼音作为输入编码。
紫光、智能ABC、微软拼音。
形码：
把汉字拆成若干字根。
五笔。
张音码zhang形码xt
一般来说，音码易学、重码高、速度慢；形码难学、重码低、速度快。
2）内部码
计算机内部存储和处理汉字使用的编码。
同一汉字外部码可以不同，但是内部码是一致的。
使用两个字节空间的编码。
简体：
国标码GB2312-80繁体：
BIG5
3）输出码
又称字型码，汉字的显示编码。
（各种字体、字库）。
M×N的矩阵。
第2讲
授课题目（章、节）
第一章微型计算机基础知识§1.3－1.4
教学内容：
带符号数的表示、定点和浮点数、微机术语、微机组成及基本工作原理
教学重点：
带符号数的表示、定点和浮点数、微机组成、工作原理
教学难点：
微机工作原理
复习上讲：
微机发展概述、微机应用、进位计数制、常用编码
本讲介绍：
带符号数的表示、定点和浮点数、微机名次术语、组成、工作原理和软件系统
我们前面所提到的都是无符号正数，那么有符号的正负数怎样表示呢？
三、带符号数的表示
1.机器数与真值
我们把数的符号（＋－）也数码化，即用二进制数表示，一般使用0表示正，1表示负。
81D=1010001B+81=01010001B
-81=11010001B
等号右边数码化的数称为机器数，等号左边的实际数值称为其真值。
2.原码（＋127～－127）
如上述形式最高位为符号位，其余为数值，这种表示法称为原码。
＋81和－81的低7位是相同的。
原码与真值转换方便，但运算必须有减法，不方便。
练习：
±45原＝00101101/10101101
3.反码（＋127～－127）
正数的反码与其原码相同符号位0＋数值位
负数的反码是对应正数连同符号位按位取反符号位为1。
＋5反＝00000101－5反＝11111010
＋0反＝00000000－0反＝11111111
＋127反＝01111111－127反＝10000000
练习：
±45反＝00101101/11010010
±56反＝00111000/11000111
4.补码（＋127～－128）
正数的补码与其原码相同符号位0＋数值位
负数的补码是对应正数的反码加1符号位为1。
＋5补＝00000101－5补＝11111011
＋0补＝00000000－0补＝00000000
－128补＝10000000
练习：
±45反＝00101101/11010011
±67反＝01000011/10111101
特点：
a.0的补码是唯一的，而原码和反码都有2个；
b.补码的表示范围最大，可以表示－128；
c.已知补码求其真值，同样取反加1；下例括号内为取反加1值
例如：
X补＝10010101X＝－（01101011）＝－107
d.补码运算只有加法
[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补+[-Y]补
5.移码
移码和补码基本相同，只是符号位相反。
＋5补＝00000101＋5移＝10000101
作业
二->十/十六10110101B＝181＝B5H0.101B=0.625=0.AH
十->二/十六100=01100100B=64H0.75=0.11B=0.CH
四、数的定点表示和浮点表示
计算机中涉及到小数时，有两种表示方法。
顾名思义。
定点数：
小数点位置固定不变。
浮点数：
小数点位置是浮动的。
1.定点表示有三种用法
a.定点整数
小数点位置固定在最后，不占存储空间，表示一个纯整数。
符号0正1负尾数常用原码小数点在最后一位之后
b.定点小数
小数点位置固定在符号位后，不占存储空间，表示一个纯小数。
符号0正1负小数点在最后一位之后尾数常用原码
c.普通小数
小数点的位置由程序员预定，不占存储空间。
符号0正1负（1位）小数点
可移植性不好，不常用。
2.浮点表示
a.浮点数形式
浮点数类似与十进制的科学计数法
十进制的科学计数法：
N＝3.1415×102
二进制可以同样表示：
N＝S×2P1011.01＝1.01101×23
因为2是固定的，所以我们只保存尾数S和阶码P。
阶码常用补码表示尾码常用原码表示
而阶码尾码占的空间不同机器是不同的，
有32位短实数，64位长实数阶12尾52，80位临时实数。
b.浮点数规格化
所谓的规格化浮点数就是绝对值0.5≤X≤1，因为使用原码表示尾数，所以最高位为1。
例如：
0.001001×21＝0.1001×2-1
小数点左移，阶码加1，小数点右移，阶码减1。
阶符1阶码11111111111尾符0尾码10010000……0047个
第三节微机的一般概念
一、计算机的基本组成和工作原理
1.计算机的基本组成
半个多世纪以来，尽管计算机性能不断提高、体系结构也有了一些变化，但从本质上说，现代计算机的结构基础仍然是冯.诺依曼体系结构。
以存储器为中心运算器控制器输入设备输出设备五部分组成。
详见p12图1－1
2.工作原理
冯.诺依曼体系结构的计算机工作原理可概括为“存储程序”和“程序控制”两句话。
存储程序指把已经编好的程序和数据一起送到存储器中保存起来。
程序控制指控制器按照存储程序中的指令顺序周而复始的取出指令、分析指令、执行指令。
二、微机结构与相关术语
1.微机
在不受人工干预的情况下，自动完成算术、逻辑运算的设备称为计算机。
通过总线把I/O接口电路、CPU、存储器有机结合在一起，即构成微机。
把微机加上I/O设备、软件系统、电源就构成微机系统。
2.微机结构
总线型结构即CPU、存储器、接口都是通过总线相连的。
详见p15图1－2
3.总线与系统主板
a.总线连接各个功能部件的一组公共信号线。
一般分为三类：
数据总线DB：
用于双向传送数据。
与字长相关，一般＝字长。
地址总线AB：
用于传送地址信号，以寻址存储器和外设。
与寻址能力相关20条220＝1M
控制总线CB：
用于传送各种控制信号，WR、RD、INT。
b.主板
总线由主板印刷电路板物理实现。
主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有CPU插座，存储器插座、扩展版插座（显卡、声卡、网卡）、I/O系统、总线系统（PCI、USB等）、电源接口等（相当于躯干）。
管理这些不同的设备需要不同的基本功能芯片，象并行口8255、定时器/计数器8253、中断8259等，这些芯片形成了主板的芯片组（南北桥）。
4.微处理器CPU
PC机的核心，广告中第一条就是采用了什么样的CPU（不要忽略其他）。
a.相关知识
主频也叫时钟速度（ClockSpeed），表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。
主频越高，CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多，CPU的运算速度也就越快。
CPU主频的计算公式为主频=外频×倍频。
外频是CPU与主板之间同步运行的速度，目前绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间同步运行的速度。
倍频是CPU的运行频率与整个系统外频之间的倍数。
高倍频会出现明显的“瓶颈”（CPU从系统中得到的数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度）效应。
前端总线指的是数据传输的速度与外频不同。
例如800MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡8000万次，而800MHz前端总线则指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是800MHz×64bit÷8bit/Byte=6400MB。
就处理器速度而言，前端总线比外频更具代表性。
制造工艺0.09µm。
CPU的核心面积可以做得更小，更加省电，因此发热量有望进一步降低，而频率可再次提升。
（超频）
指令集是为了增强CPU在某些方面的功能而特意开发的一组程序代码集合。
MMX（多媒体扩展）指令集是Intel公司1996年推出的一项多媒体指令增强技术。
SSE（单指令多数据流扩展）指令集和SSE2指令集多媒体应用起到全面强化的作用。
SSE3指令集有助于增加Intel超线程HT的处理能力。
AMD的3DNow！
指令集提高3D处理性能。
CPU插座INTEL的LGA775又称SocketT，是英特尔公司最新规格的处理器插座，用作取代Socket478。
它最大不同的地方是，其针脚设在底板上，CPU自身不带针脚。
AMD的SocketAM2插槽标准。
940个针脚插孔，取代原有的Socket754和Socket939。
b.CPU结构
寄存器阵列RS算术逻辑运算单元ALU内部总线缓冲器
控制器（指令寄存器IR、指令译码器ID、控制信号产生电路PLA）
5.存储器
衡量存储器的标准有容量速度成本（千年虫）
a.三级存储体系
①高速缓存（cache）位于CPU内部，速度快（同CPU相同速度工作）、容量小、成本高。
缓存分为两种，即L1Cache（一级缓存）和L2Cache（全速二级缓存）。
Pentium和赛扬的区别就在缓存。
②内存：
以内存条形式提供，介于高速缓存和外存之间。
分为两类RAM随机存储器，ROM只读存储器。
DDRSDRAM是是目前最流行的内存。
它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能成倍提高SDRAM（同步动态随机存取存储器）的速度，并具有比SDRAM多一倍的传输速率和内存带宽。
DDR400的数据吞吐率＝200MHz×2×64bit÷8bit/Byte=3.2GB/S
所以与P4配合组建双通道是必要的。
而赛扬533MHz×64bit÷8bit/Byte=4.2GB/S
③外存：
包括硬盘和光盘。
硬盘：
硬盘是一个密封好的大铁盒子，在硬盘内部被抽成真空的，硬盘盘片放置在主轴电机上，磁头和盘片保持着极微小的距离（这个距离比一根头发丝还要细）。
当硬盘工作时，主轴电机带动着盘片高速旋转，通常这个速度为5400rm/s或7200rm/s，甚至高达10000rm/s，而磁头随着机械臂在盘片上移动，读取保存在盘片上的数据。
平均寻道时间指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应目标数据所用的时间，它描述硬盘读取数据的能力，单位为ms。
缓存。
并口硬盘ATA（IDE）和串口硬盘。
ATA-133只能接4个设备，最高外部数据吞吐率为133MB/S，而SATA理论上没有限制，1.0标准仍可达到150MB/s，未来的SATA2.0/3.0更可提升到300以至600MB/s。
而最大内部数据传输率一般小于上述速度，是瓶颈。
光盘：
分为和DVD。
用激光读取盘片的凹凸点。
价格便宜，而且网络的出现，使用率降低，所以不太关心相关参数。
光盘的轨道是螺旋型中心向外发散（由中心向外擦），而硬盘是同心圆。
CD单倍速为150KB/s，而DVD单倍速相当于CD的9倍为1.35MB/S。
区码限制：
CSS规定，软硬件都必须同时经过授权认证才可以成功地解码播放DVD影片，也就是说DVD-ROM、DVD硬解压卡和DVD播放软件都必须同时通过区码的授权。
b.存储器的地址与内容
假设CPU有8条DB和8条AB，则最大可以寻址28＝256的存储单元，
每个单元有自己唯一的地址（00H～0FFH），可以存放一个8位二进制信息；地址和信息是不同的，详见p16图1－4
读写过程：
AB选通单元，CB发控制信号，DB送数据。
6.显示子系统
a.显卡
显卡拥有自己的图形函数加速器和显存，用来执行图形加速任务。
主流显卡都是PCI－E16×带宽250MB/S×16＝4GB/S，将来32×。
AGP8×带宽66MHZ×32/8＝2.1GB/S
指标：
核心频率（超频）显示芯片位宽（和CPU字长类似）双256
显存容量、频率、显存带宽＝显存频率×显存位宽÷8
b.显示器
CRT阴极射线管显示器
尺寸和可视面积：
对角线长度，可视面积要略小于实际尺寸。
分辨率：
分辨率是屏幕上可以容纳像素点的总和。
点距：
点距一般是指显像管水平方向上相邻同色像素间的距离。
刷新频率：
扫描完整个屏幕为一次刷新，每秒钟扫完屏幕的次数。
视频带宽：
理论上视频带宽=水平像素×垂直像素×刷新频率。
显像管类型：
分为球型和平面直角型两种。
LCD液晶显示器
尺寸和可视面积：
对角线长度，可视面积一般等于实际尺寸。
分辨率：
厂商会提供最佳的分辨率，无特殊情况最好使其工作在最佳分辨率状态下，否则会出现错误。
亮度与对比度：
是液晶显示器较重要的技术指标之一，因为液晶本身是不发光的，而是考后面的光源（4个灯管），亮度单位CD/m2；液晶显示器的对比度愈高，显示的效果也越佳400:
1。
响应时间以ms（毫秒）为单位，是指一个亮点转换为暗点的速度。
坏点是指颜色不会再发生任何变化的点。
可视角度：
CRT显示器有180O的可视角度，而液晶显示器可视角度小一些，当人眼与显示屏之间的角度稍大一点时，就无法看清显示的内容。
7.声音子系统
a.声卡
插口：
SPEAKER用于连接音响设备，标准的接口为绿色；LINEIN用于将品质较好的声音信号输入到声音处理芯片中，处理后录制成文件，标准的接口为蓝色；MICIN用于连接话筒，输入外界语音以制成文件或配合语音软件进行语音识别，标准的接口颜色为红色。
除此以外还有一个MIDI/游戏摇杆接口，可以连接电子合成乐器实现在电脑上进行MIDI音乐信号的传输和编辑，游戏摇杆和MIDI共用一个接口。
LINEOUT与SPEAKER类似。
声道：
5.1。
b.音箱
声道：
5.1。
材质、功率、
升级会员 