第一章 微型计算机系统概述.docx

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第一章微型计算机系统概述

第一章

微型计算机系统概述

本章学习目标

•了解微型计算机的发展、应用及其分类

•掌握计算机数据的表示

•掌握计算机的组成结构

•理解微型计算机的工作过程

1、1微型计算机的发展、应用及其分类

1、1、1微机计算机的发展

1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。

该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。

它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。

微机概念：

以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。

划分阶段的标志：

以字长和微处理器型号。

特点：

1、速度越来越快。

2、容量越来越大。

3、功能越来越强。

1、1、2微型计算机的应用

1、科学计算和科学研究

计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。

2、数据处理（信息处理）

主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。

3、工业控制

用单板微型计算机实现DDC级控制，用卫星计算机实现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理已屡见不鲜。

4、计算机辅助系统

计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。

5、人工智能

人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。

其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。

1、1、3微型计算机的分类

按应用对象分为：

1、单片机：

又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：

它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机

2、单板机：

将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器/存储器/输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。

功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。

可以直接在实验板上操作，适用于教学。

3、PC机（PersonalComputer）:

面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。

2、二进制表示法

基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。

二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。

二进制表示数值方法如下：

NB=±Ki*2i其中：

Ki=0或1

例：

二进制数1011.1表示如下：

（1011.1）B=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1

运算规则：

加法运算：

0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二进一）

减法运算：

0-0=00-1=1（借位）1-0=11-1=0

乘法运算：

0*0=00*1=01*0=01*1=1

除法运算

0/1=01/1=1

3、八进制表示法

八进制数是基数为八的计数制。

八进制数主要采用0，1，2，…，7这八个阿拉伯数字。

八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。

八进制表示数值方法如下：

NO=±Ki*8i其中：

Ki=0、1、2、3、4、5、6、7

例：

（467.6）O=4*82+6*81+7*80+6*8-1

4、十六进制表示法

基数为16，用0-9、A-F十五个字符来数值，逢十六进一。

各位的权值为16i。

二进制表示数值方法如下：

NH=±Ki*16i其中：

Ki=0-9、A-F

例：

（56D.3）H=5*162+6*161+13*160+3*16-1

十进制（D）二进制（B）二—十进制（BCD）十六进制（H）

0000000000

1000100011

2001000102

3001100113

4010001004

5010101015

6011001106

7011101117

8100010008

9100110019

101010×A

111011×B

121100×C

131101×D

141110×E

151111×F

1、2、2各进制间的转换

1、二进制数和十进制数之间的转换

（1）、二进制数转换为十进制数

方法：

按二进制数的位权进行展开相加求和即可。

例:

11101.101

=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875

（2）、十进制数转换为二进制数

方法：

A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。

B、整数转换采用除2取余法：

用2不断地去除要转换的数，直到商为0。

再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。

C、小数转换采用乘2取整法：

每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。

将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。

例：

将（136）D转换为二进制数。

2136余数（结果）低位

268----------0

234----------0

217----------0

28----------1

24----------0

22----------0

21----------0

0----------1高位

转换结果：

（136）D=（10001000）B

例：

将（0.625）D转换为二进制数。

0.625*21.25*20.5*21.0

取整：

高位低位

转换结果：

（0.625）D=（0.101）B

2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换

（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换

A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。

从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。

B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。

从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。

例：

将（1000110.01）B转换为八进制数和十六进制数。

1000110.01001000110.010

（106.2）O

二进制数到十六进制数的转换：

（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100

2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换

方法：

采用“一位化三位（四位）”的方法。

按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。

例：

将（352.6）o转换为二进制数。

352.6

011101010110=（11101010.11）B

1、2、3数的定点与浮点表示

对R进制数NR=±S*R±E，可以有很多表示方法。

如：

十进制数：

265.78可以有：

265.78、

2657.8*10-1、0.26578*103、2.6578*102等。

1、定点数表示法

一般采用两种简单的约定：

定点整数和定点小数。

（1）、定点整数

A、带符号整数：

某个N位二进制数，其最高位为符号位，其它N-1位为数值部分：

NfNn-2Nn-3……N2N1N0（如：

－1234）

符号位数值部分小数点

B、无符号整数：

所有的数位都用来表示数值。

Nn-1Nn-2Nn-3……N3N2N1N0（常指正数：

1234）

数值部分小数点

（2）、定点小数

用最高位表示符号，其它N-1位表示数值部分，将小数点定在数值部分的最高位左边。

NfNn-2Nn-1……N2N1N0（如：

＋0.123）

符号位数值部分

小数点

2、浮点数表示

浮点数：

小数点在数据中的位置可以左右移动。

N=±S*R±E

在计算机内，存储的格式：

如：

1234=123.4*101=12.34*102=1.234*103

EfE（m位）SfS（n位）

阶码部分尾数部分

其中：

Ef：

阶码，表示阶码的符号

E：

阶码，指出小数点的位置

Sf：

数码，数值的符号位

S：

尾数，决定数值的精度

1、2、4带符号二进制数的表示与运算

常用的编码方案：

原码、反码、补码。

1、原码表示码

原码：

用最高位表示符号，其中：

0----正、1----负，

其它位表示数值的绝对值。

一个8位的二进制表示一个带符号数，最高有效位D7位为符号位。

如：

＋1表示为：

00000001B

＋127表示为：

01111111B

－1表示为：

10000001B

－127表示为：

11111111B

例：

求X1=0.1011，X2=-0.1011的原码表示。

（8位）

[X1]原=X1=01011000

[X2]原=10000000+X2=11011000

例：

求X1=1011，X2=-1011的原码。

（8位）

[X1]原=00001011[X2]原=100010110的表示形式（8位）[+0]原=00000000

[-0]原=10000000

特点

A、原码与真值的对应关系简单。

B、0的编码不唯一，处理运算不方便。

2、反码表示法

反码：

最高位表示符号，数值位是对各位取反。

[+0]反=00000000[-0]反=11111111[+1100111]反=01100111[-1100111]反=10011000

3、补码表示法

正数的补码和原码相同（正数的三码相同）。

负数的补码=反码+1。

例：

求0.1011和-0.1011的补码（8位）

[0.1011]补=[0.1011]原=01011000

[-0.1011]补=[11011000]反+1=10100111+1=10101000

[0]补=[+0]补=[-0]补=00000000

小窍门：

真值＋补码＝模数

如：

十进制数0～9的模数是10

8位二进制数的模数是100H（256＝28）

例：

若模数为100H，则真值－3的补码是100H–3=FDH

对于正的二进制数的每位求反再加1，即可得

在机器中表示的该数的负数，称2的补码表示法。

在这种编码方式中，正数的补码就是该正数。

以8位二进制为例，求－1的补码。

例：

＋100000001

每位求反11111110

加1＋1

－111111111

带符号数的补码值表（8位）

十进制十六进制（H）补码值（B）

＋1277F01111111

＋1006401100100

＋3300000011

＋2200000010

＋1100000001

0000000000

－1FF11111111

－2FE11111110

－1009C10011100

－1288010000000

1、2、5计算机中常用的编码

1、ASCII码

常用的编码方式为美国标准信息交换（AmericanStandardCardforInformationInterchange，ASCII码）。

2、BCD码

BCD码是一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码，也成为二进制编码表示的十进制数（BinaryCodeDecimal），简称BCD码。

表1-2示出了十进制数0-15的BCD码。

BCD码有两种格式：

（1）压缩BCD码格式（PackedBCDFormat）

用4个二进制位表示一个十进制位，就是用0000B-1001B来表示十进制数0-9。

例如：

十进制数4256的压缩BCD码表示为：

0100001001010110B

（2）非压缩BCD码格式（UnpackedBCDFormat）

用8个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意义，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩BCD码相同。

例如：

十进制数4256的非压缩BCD码表示为：

xxxx0100xxxx0010xxxx0101xxxx0110B

1、3微型计算机的一般概念

1、3、1中央处理器的组成

中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。

1、运算器：

计算机中加工和处理数据的功能部件。

功能：

（1）、对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。

（2）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。

2、控制器

控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。

由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。

（1）、程序计数器（IP）：

程序指令所在单元地址。

（2）、指令寄存器（IR）：

保存当前正在执行的一条指令。

（3）、指令译码器（ID）：

将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。

（4）、时序信号发生器：

根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。

3.寄存器陈列

包括一组通用寄存器组和专用寄存器。

通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。

这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。

专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等

1、3、2微型计算机的组成

（微型计算机组成框图）、

1、微处理器

微处理器（CPU）是大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成有控制器、运算器和寄存器等相关部件，完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制。

2、存储器

功能：

存放程序和数据。

SRAM（静态RAM）

3、I/O设备和I/O接口

（1）、I/O设备：

微机配备的输入/输出设备（外设）。

标准输入/输出设备（控制台）：

键盘和显示器（CRT）

（2）、I/O接口：

连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。

显示器卡：

完成显示器与总线的连接。

声卡：

完成声音的输入/输出。

网卡：

完成网络数据的转换。

扫描卡：

连接扫描仪到计算机。

调制解调器卡：

模拟信号与数字信号相互转换。

键盘接口、打印机接口等。

232接口：

串行数据接口。

USB接口：

通用串行接口。

4、系统总线

（1）、总线：

传递信息的一组公用导线。

（2）、系统总线：

从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。

系统总线分为：

（A）、地址总线：

传递地址信息的总线，即AB。

CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。

内存容量的计算：

16条地址线可访问216=64KB。

20条地址线可访问220=1MB。

（1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB）

（B）、数据总线：

传递数据信息的总线，即DB。

在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU；

在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。

（C）、控制总线：

传递控制信息的总线，即CB。

控制总线的方向：

一部分是从CPU输出：

通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。

如时钟信号、控制信号等。

另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：

中断请求信号、总线请求信号、状态信号。

控制总线的部件（总线主控设备）：

CPU和DMA控制器。

被总线控制的部件（总线控制设备）：

存储器和I/O设备。

总线的使用特点：

1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。

2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。

3、通过总线插槽来接口板连接。

1、3、3微型计算机系统的组成

一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。

硬件和软件的结合，才能使计算机正常工作运行。

计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理装置，称为硬件或裸机。

计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。

依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。

1、3、4微型计算机的工作过程

在进行计算前，应做如下工作：

（1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；

（2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；

（3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

完成5+6=？

的程序：

MOVAL，05H/B0H05H；把05送入累加器AL

ADDAL，06H/04H06H；06与AL中内容相加

结果存入累加器AL

HLT/F4H；停止所有操作

1、取指令阶段的执行过程：

（设程序从00H开始存放）

（1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。

（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。

（3）、地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00H单元。

（4）、CPU发出“读”命令。

（5）、所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。

（6）、经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。

（7）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码CPU“识别”出这个操作码为“MOVAL，05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。

2、执行指令阶段的执行过程：

（1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。

（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。

（3）、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。

（4）、CPU发出“读”命令。

（5）、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。

（6）、经数据总线DB，读出的05H送至数据寄存器DR。

（7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入累加器A中。

本章小结

⏹本章对微型计算机的工作原理、系统结构、硬件和软件模块、计算机中各类数制的表示方法和相互转换、无符号数和带符号数的机器内部表示、字符编码等知识进行了介绍。

⏹硬件和软件的整体称为计算机系统。

微型计算机的硬件主要由CPU、存储器、系统总线、接口电路及I/O设备等部件组成。

软件由各种程序和数据组成。

在硬件基础上的系统软件是对硬件功能的扩充与完善，而操作系统是配置在硬件上的第一层软件，所有系统实用程序以及更上层的应用程序都在操作系统上运行，他们受操作系统的统一管理和控制。

⏹计算机内部的信息处理主要针对数值型数据和字符型数据，数值型数据通常采用二、八、十、十六进制来表示，计算机能够直接识别的是二进制数据，而汇编语言编程时多采用十进制和十六进制来表示数据，各类数制之间相互转换有特定的规律。

⏹此外，无符号数和带符号数在计算机中也有规定的表示方法，要理解带符号数的原码、反码、补码表示和应用特点。

字符型数据在计算机中常采用ASCII码表示，用二进制数表示十进数时常采用BCD码表示。

熟悉这些知识可以为后续内容的学习打下良好基础。

⏹注意：

参考书中第9页、11页的表1.1和表1.2中内容