微型计算机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 赵全利 吕建平 邹雪艳 第1章 微型计算机

第1章 微型计算机基础,1946年2月14日，在美国宾夕法尼亚(Pennsylvania)大学世界上第一台电子数字计算机启动了。,1.1 计算机产生的结构思想,1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(Von Neumann)提出了一个“以二进制存储信息”、“以存储程序”为基础的计算机结构思想，世界上第一台电子数字计算机（ENIAC）就是按照这种思想进行设计、制造和工作的，所以人们又称其为冯·诺依曼计算机。 冯·诺依曼计算机的设计方案包含3个要点： （1）采用二进制数的形式表示指令和数据。 （2）将指令和数据存放在存储器中。 （3）计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。,计算机硬件经典结构,从ENIAC的诞生到现在，经历了半个多世纪的发展，计算机由原来仅应用于科学和工程数值计算的同时，已逐步用于非数值运算，现已广泛用于国民经济的各个领域及人们学习、工作和生活中，计算机已经成为各行各业必备的基本工具。 在应用需求的强力推动下，计算机发展趋势主要集中在以下几个方面： （1）计算机工作速度不断提高 （2）计算机体积不断缩小 （3）计算机价格持续下降 （4）计算机的信息处理功能多媒体化 （5）网络化 （6）智能化,1.2 计算机中信息的表示,1.2.1 计算机使用的数制及转换 1. 数制 任一个r进制数都可以表示成： r 称为基数（二进制数为2），di表明第i位上可取的数字（如二进制数取0或1）；i为0m时，从低到高依次表示整数位，i为-1-n时，则依次表示小数位；ri（即r的i次方）称为第i位的权值。,（1）二进制数 二进制数只有两个数字符号：0和1，计数时按“逢二进一”的原则进行计数，也称其基数为二。 对于8位二进制整数其最大值为： (11111111)2=1×271×261×251×241×23+1×221×211×20 =(255)10=28-1 对于16位二进制整数其最大值为： (1111111111111111)2=65535=216-1 对于n位二进制整数其最大数值范围为： 02n-1,（2）十六进制数：计算机在信息输入输出或书写相应程序或数据时，可采用简短的十六进制数表示相应的位数较长的二进制数。 十六进制数有16个数字符号，其中09与十进制相同，剩余6个为A、B、C、D、E、F(或a、b、c、d、e、f)，分别表示十进制数的1015,为了便于区别不同进制的数据，一般情况下可在数据后跟一后缀： 二进制数用“B”表示（如00111010B）； 十六进制数用“H”表示（如3A5H, ）； 十进制数用“D”表示（如39D或39）； 八进制数用“Q”表示（如123Q）。 对于以AF或af开始的十六进制数，则在该数据前加0（零）。,2. 不同数制之间的转换 （1）二进制数与十进制数相互转换： 对任意二进制数均可按权值展开将其转化为十进制数。 例如：10111.011B=1×240×231×221×211×200×2-11×2-2+1×2-3=23.375D 十进制数转换为二进制数： 可将整数部分和小数部分分别进行转换，然后合并。其中整数部分可采用“除2取余法”进行转换，小数部分可采用“乘2取整法”进行转换。 也可以采用权值比较法，所谓权值比较法，即将十进制数与二进制位权从高位到低位逐位比较，若该位十进制数权值大于或等于二进制某位权值，则该位取“1”，否则该位取“0”，采用按位分割法进行转换。,例如：将37.625转换为二进制数。 将整数部分37与二进制各位权值从高位低位比较，3732，则该位取1，剩余37-32=5，逐位比较，得00100101B。 将小数部分0.625按同样方法，得0.101B。 结果为：37.625D=100101.101B。,（2）二进制数与十六进制数的相互转换 1位十六进制数可表示4位二进制数。在将二进制数转换为十六进制数时，其整数部分可由小数点开始向左每4位为一组进行分组，直至高位，若高位不足4位，则补0使其成为4位二进制数；其小数部分由小数点向右每4位为一组进行分组，不足4位则末位补0使其成为4位二进制数，然后按对应关系进行转换。,例如：7 A B FH 7ABFH=0111 1010 1011 1111 B 例如：0C5.A7H=1100 0101. 1010 0111 B 例如： 11000101.011B=1100,0101.0110B=0C5.6H,（3）十进制数与十六进制数的相互转换： 十进制数与十六进制数的相互转换可直接进行，也可先转换为二进制数，然后再把二进制数转换为十六进制数或十进制数。 例如：将十进制数37D转为十六进制数。 37D=100101B=00100101B=25H 例如：将十六进制数41H转换为十进制数。 41H=01000001B=65D,1.2.2 原码、反码和补码表示 任何数据在计算机中的表现形式称其为编码。一个数在计算机中的表示形式（编码）叫做机器数，而这个数本身（可以含符号“+”或“-”）称为机器数的真值。 机器数有多种表示形式： 对于二进制无符号整数，所有位都有与之相应的权值作为该位所表示的数值，其机器数就是二进制数本身； 对于二进制有符号数，用二进制数的最高位表示符号位，最高位为“0”表示正数，最高位为“1”表示负数，可因其编码不同而有不同的机器数表示法： 原码、反码和补码 。,（1）原码：正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，其数值部分随后表示，称为原码。 （2）反码与补码： 对于正数，其反码、补码与原码表示方式相同。 对于负数，其反码为对原码各位求反（即符号位不变）。 其补码为：原码的符号位不变，其数值部分按位取反后再加1。 例如：N2= -105，则： N2原=1 1101001B N2反=1 0010110B N2补=N2反+1 =1 0010110B+1=1 0010111B 如果已知一个负数的补码，可以对该补码再进行求补码（即一个数的补码的补码），即可得到该数的原码，即X补补=X原，而求出真值。,【例1-2】已知数据A1、A2、A3、4在存储单元以补码形式存储的形式分别为：10000001B、11111111B、10000010B、11111110B，求A1、A2、A3、A4的真值。 由于补码的最高位为1表示负数，必须求出原码才能求其真值，故有： A1原=A1补补=10000001补 =11111110B+1B=11111111B，得：A1= -127 A2原=A2补补=11111111补=10000000+1B=10000001B， 得：A2= -1 A3原=A3补补=10000010补=11111101B+1B=11111110B，得：A3= -126 A4原=A1补补=11111110补=10000001B+1B=10000010B，得：A4= -2,注意： （1）计算机在运算过中，结果超出此允许范围，则称为发生溢出，即运算结果错误。 （2）所有负数在计算机中都是以补码形式存放的，补码表示仅为负数时才与原码有所不同。采用补码表示的n位二进制有符号整数的有效范围是：2n-1 +2n-11 （3）计算机中存储的任何一个数据，由于解释形式的不同，所代表的意义也不同。在编写汇编语言程序时，首先要确定数据的编码形式，然后按编码形式编写处理程序。因为计算机在执行程序时并不直接理解人们设置的编码，只能按照指令的功能对其进行运算和处理。,例如：某计算机存储单元的数据为84H，其对应的二进制数表现形式为10000100B。 该数若解释为无符号数编码，其真值为: 128+4=132； 该数若解释为有符号数编码，最高位为1可确定为负数的补码表示，则该数的原码为：11111011B+1B=11111100B，其真值为-124； 该数若解释为BCD编码，其真值为84D。,1.2.3 二-十进制编码 二-十进制编码又称BCD编码，用4位二进制代码表示1位十进制数。 例如，将27转换为8421BCD码： 27D=(0010 0111)8421BCD,1.2.4 数的定点和浮点表示 1.定点数 所谓定点数，是指计算机中小数点位置是固定不变的。 2.浮点数 所谓浮点数，是指计算机中数的小数点位置不是固定的，或者说是“浮动”的。在计算机中，浮点数法一般用来表示实数，可以采用“阶码表示法”来表示浮点数，它由整数部分和小数部分组成，一个实数可以表示成一个纯小数和一个乘幂之积。,对于任何一个二进制数都可表示为： (±E)×（±S） 其中E称为阶码，阶符为0表示E为正、为1表示E为负。 由此可知，小数点的实际位置随着阶码E的大小和符号而浮动决定；±S为全部有效数据，称为尾数部分。 例如： 1001.011=20100×(0.1001011),1.2.5 非数值数据的编码表示 所谓非数值数据的编码，是指文字、符号、图像、声音等在信息计算机中的表示形式。 ASCII（美国标准信息交换码）： 数字09的编码是： 0110000B0111001B， 字符A的ASCII码为41H（65）；字符B的ASCII码为42H（66）。,1.3 微型计算机概述 1. 微处理器 微处理器是计算机的核心部件，它是一个集成了包括中央处理器（Central Processing Unit，即CPU）在内的大规模集成电路或超大规模集成电路封装芯片。 2. 微型计算机 以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。 3. 微型计算机系统 以微型计算机为中心，配以相应的输入、输出（I/O）设备以及控制微型计算机工作的软件系统，就构成了完整的微型计算机系统。,4 常用术语 （1）位：位（bit）是计算机所能表示的最小数据单位，即一个二进制数值位 （2）字节：字节（Byte）由8个二进制位组成，字节的单位可用Byte或B表示，即1Byte=8bit。 （3）主频：主频也叫做时钟频率（工作频率），用来表示微处理器的运行速度。 （4）字长：字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数， （5）MIPS：MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能，即每秒钟能执行多少百万条指令。,1.4 微型计算机系统组成 微型计算机系统包括硬件系统（微型计算机硬件组成）和软件系统。 1.硬件系统： 微型计算机硬件系统主要包括：微处理器、主存储器/辅助存储器、接口电路、输入/输出 设备、总线等。 把微处理器芯片、存储器芯片、输入输出（I/O）接口芯片等部件通过一组通用的信号线（内总线）连接在印制电路板上，称为主机。 主机的I/O接口通过一组通用的信号线（外总线）把外部设备（如键盘、显示器及必要的I/O装置）连接在一起，构成了微型计算机。,以总线形式构成的计算机硬件结构图,2. 软件系统 计算机软件指在硬件上运行的程序和相关的数据文档。计算机的工作过程也就是执行程序的过程，计算机所作的任何工作都是执行程序的结果，数据是程序处理的对象。,3.程序设计语言： 程序设计语言又称计算机语言，即计算机所能识别的语言。任何软件、或者说计算机所执行的任何操作都必须用计算机语言进行描述，这就是所谓的程序设计。 计算机语言可分为三类： 机器语言（又称二进制目标代码）是CPU硬件惟一能够直接识别的语言，在设计CPU时就已经确定其代码的含义。 汇编语言使用人们便于记忆的符号来描述与之相应的机器语言. 高级语言，是一种接近人们习惯的程序设计语言。,本章小结： 作业： 第一章结束,