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微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 周鹏ppt 第1章微型计算机基础知识

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    • 1、第1章 微型计算机基础知识 1.1 计算机发展概况,电子计算机是由各种电子器件组成的,能够自动、高速、精确地进行逻辑控制和信息处理的现代化设备。它是20 世纪人类最伟大的发明之一。自20 世纪40 年代第一台电子计算机问世以来,计算机以构成某硬件的逻辑部件为标志,已经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路计算机这4 个阶段。随着大规模集成电路的发展,计算机分别朝着巨型机、大型机和超小型机、微型机两个方向发展。,开始,第一时期(19711973 年) 4 位或8 位低档微处理器和微机,1971 年,Intel 公司宣布4004 CPU ,是一种4 位微处理器,其运算速度为50KI/s(千指令/秒),指令周期为20s,时钟频率为1MHz,集成度约为2000 管/片。寻址能力为4KB,有45 条指令, 另一种4 位微处理器是4040。同年,出现4004 的低档8 位扩展型产品8008,其寻址能力为16KB,有48 条指令, 这一时期代表机型是MCS-4 和MCSS。,第二时期(19731977 年) 8 位中高档微处理器和微机,1973 年,Intel 发布8 位中

      2、档微处理器8080,其运算速度约500KI/s。指令周期为2s,寻址空间为64KB,同期,Motorola 公司的MC6800 与8080 相当。Zi1og 公司的Z80 和Intel公司1977 年发布的最后一款8 位微处理器8085 属于8 位高档微处理器。8085 的运算速度为770KI/s,指令周期为1.3s。在这一时期,出现以8080A/8085A、Z80 和MC6502 为CPU 组装成的微机。,第三时期(19781984 年) 16 位微处理器和微机,1978 年以后,出现16 位微处理器,代表产品如Intel 公司的8086(集成度为29000管/片)、8088、80286,Motorola 公司的MC68000(集成度为68000 管/片)和Zilog 公司的Z8000(集成度为17500 管/片)等。用16 位微处理器组装的微机(如IBM PC、PC/XT、PC/AT、AST286、COMPAQ286)功能已达到和超过低档小型机PDP-11/45。,第四时期(19851992 年) 32 位微处理器和微机,1986 年,Intel 公司推出80386 CPU,Mot

      3、orola 同期相继发布MC6802068050 四款32位微处理器。1989 年Intel 公司又推出80486 微处理器,其主要性能为80386 的24 倍。这一时期的主要微机产品有IBM-PS II/80、AST386、COMPAQ386 等。,第五时期(19931999 年) 超级32 位Pentium 微处理器和微机,1993 年3 月,Intel 公司推出Pentium 微处理器芯片(俗称586) 1996 年,Intel 公司推出了高能奔腾(Pentium Pro)微处理器 1997 年5 月,Intel 公司推出了Pentium II 微处理器 1999 年2 月,Intel 公司推出了Pentium III 微处理器,第六时期(2000 年以后) 新一代64 位微处理器Merced 和微机,在不断完善Pentium 系列处理器的同时,Intel 公司与HP 公司联手开发了更先进的64位微处理器Merced。Merced 采用全新的结构设计,这种结构称为IA-64(Intel Architecture-64),IA-64 不是原Intel 32 位X86 结构的64 位

      4、扩展,也不是HP 公司的64 位PA-RISC 结构的改造。IA-64是一种采用长指令字(LIW)、指令预测、分支消除、推理装入和其他一些先进技术从程序代码提取更多并行性的全新结构。,1.2 微 机 系 统,1.2 计算机的基本组成,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点,5. 存储程序,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯诺依曼计算机硬件框图,冯诺依曼计算机硬件框图,二、计算机硬件框图,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,(一)、运算器,1.2.1 微处理器(机)的组成,1、运算器的组成,算术逻辑单元(简称ALU),运算器,累加器,寄存器,2、运算器的作用,是把传送到微处理器的数据进行运算或逻辑运算。,举例,ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作,最后将结果存入累加器。,ALU执行不同的运算操作是

      5、由不同控制线上的信息所确定的。,例如: 两个数(7和9)相加,在相加之前,操作数9放在累加器中,7放在数据寄存器中,执行两数相加运算的控制线发出“加”操作信号,ALU即把两个数相加并把结果(16)存入累加器,取代累加器前面存放的数9。,3、ALU的两个主要的输入来源,输入来源,数据寄存器,累加器,4、运算器的两个主要功能,(1)执行各种算术运算。,(2)执行各种逻辑运算,并进行逻辑测试。 如零值测试或两个值的比较。,控制器的组成,程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序产生器,操作控制器,1、控制器的组成,(二)、控制器,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,控制器组成,2、作用,它是发布命令的“决策机构”,即协调和指挥整个计算机系统的操作。,3、控制器的主要功能,对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作。,指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。,从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。,以取数指令为例,主机完成一条指令的过程,以存数指令为例,主机完

      6、成一条指令的过程,ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,(三)、CPU中的主要寄存器,1、累加器(A),2、数据寄存器(DR),3、指令寄存器(IR),4、指令译码器(ID),6、地址寄存器(AR),5、程序计数器(PC),1、累加器(A),在算术和逻辑运算时,它具有双重功能: 运算前,用于保存一个操作数; 运算后,用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。,累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。,2、数据寄存器(DR),数据(缓冲)寄存器(DR)是通过数据总线(DBUS)向存储器(M)和输入/输出设备I/O送(写)或取(读)数据的暂存单元。,3、指令寄存器(IR),指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。,当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄存器中,然后再传送到指令译码器中。,4、指令译码器(ID),指令分为操作码和地址码字段,由二进制数字组成。当执行任何给定的指令,必须对操作码进行译码,

      7、以便确定所要求的操作。,指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。,操作码一经译码后,即可向控制器发出具体操作的特定信号。,5、程序计数器(PC),通常又称为指令地址计数器。,在程序开始执行前,必须将其起始地址,即程序的第一条指令所在的内存单元地址送到PC。,当执行指令时,CPU将自动修改PC的内容,使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。,由于大多数指令都是按顺序执行的,所以修改的过程通常是简单的加1操作。,6、地址寄存器 (AR),地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。,因为内存(I/O设备)和CPU之间存在着速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保存地址信息,直到内存(I/O设备)读/写操作完成为止。,一、存储器,地址总线、数据总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来。 存储器从CPU接收控制信号,以确定存储器执行读/写操作。,1.2.2 存储器和输入/输出接口,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访, 存储单元, 存储元件,

      8、(0/1), 房间, 床位,(无人/ 有人),(1)存储器的基本组成,MAR,MDR,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 反映存储字长,(2)存储器的基本组成,地址总线将8位地址信息送入地址译码器,地址译码器的输出可以确定唯一的存储单元。 数据总线用来传送存储器到CPU或CPU到存储器的数据信息。,二、I/O接口及外设,每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器(I/O接口)。 每个I/O接口及其对应的外设都有一个固定的地址,在CPU的控制下实现对外设的输入(读)和输出(写)操作。,输入和输出设备,输入和输出设备因处于主机之外,所以又称外部设备(简称外设或I/O 设备)。它是微机和用户或者其他通信设备交流信息的桥梁。输入设备用于提供计算所需的数据和计算机执行的程序,如键盘、鼠标等。输出设备用于输出计算机的处理结果,如显示器、打印机等。大容量存储器(又称外存),包括硬盘、软盘、磁带、光盘等,既可用于向主机发送各种信息,又可接收、保存主机传来的信息,是一种输入、输出兼容设备。上面指出的几种外设,已是当前微机系统中必不可少的组成部分。外部设备还有许多,如绘图仪、扫描仪、数

      9、码相机、调制解调器(MODEM)等,可根据需要选配。各种外部设备之间、主机与外设之间的性能差异很大,因而,外设一般要通过接口和各种适配器经系统总线,才能与主机相连接。,1.2.3微处理器、微机和单片机的概念,微处理器(Microprocessor)是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分。 又称中央处理单元CPU(Central Processing Unit)。,微型计算机(Microcomputer,简称微机 C) 是具有完整运算及控制功能的计算机。,微型计算机,包括,微处理器(CPU),存储器,接口适配器(输入输出接口电路),输入/输出(I/O)设备。,单片机 (Single-Chip Microcomputer) 是将微处理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上,构成单片微型计算机。,微处理器 RAM ROM I/O口 定时器,单片微型计算机,1.2.4计算机硬件的主要技术指标,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,221 = 256KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80GB,如:MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总数量,1.3,1K 8位,64K 32位,1.3数制和码制 1.1 数制 一、二进制 1十进制数的特点及基数、权的概念 (1)09这十个独立的符号叫做数码,数码的个数叫基数, 十进制数的基数是10。 (2)逢十进一, 2二进制数的特点 (1)有二个独立的符号:0、1。二进制数的基数为2。 (2)逢二进一, 说明:二进制数在其尾部加字母B或者加下标2表示。 3十进制数转换为二进制数 十进制数转换为二进制数时,整数部分与小数部分转换方法不同,这二部分应分别转换,然后再将得到的二部分二进制数合并起来得到转换后的结果。 (1)整数部分的转换,规则:除2取余,逆序排列。最先的余数在最低位,最后的 余数在最高位。 (2)小数部分的转换 规则:乘2取整,顺序排列。最先的整数在最高位,最后的 整数在最低位

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