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微机原理及应用 教学课件 ppt 作者 胡蔷 第一章

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    • 1、第1章 计算机基础,内容提要:本章主要介绍了计算机的发展、计算机的基本结构、计算机的编码和个人计算机的组成四个部分的内容,着重介绍了计算机的数字编码在计算机中的表示形式及运算。 学习目标:了解计算机的发展、计算机的基本结构和计算机的常用术语。重点掌握计算机的数字编码在计算机中的表示形式及运算。,返回主目录,本章目录 1.1 计算机的发展与分类 1.2 计算机的基本组成及常用术语 1.3 计算机中的编码 1.4 个人计算机简介 小结,第1章 计算机基础,1.1计算机的发展与分类,1.1.1 计算机的发展,自1946年第一台电子计算机问世以来,计算机科学和技术的发展突飞猛进,已深入到人类生活的各个方面。半个世纪以来,伴随着电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路的发展,计算机的发展可分为四代。,第一代电子计算机时代。从1946年第一台计算机研制成功到50年代后期,其主要特点是采用电子管作为基本器件,使用机器语言。在这一时期,计算机主要为军事与国防尖端技术的需要而研制的。,第三代集成电路计算机时代。从20世纪60年代中期稻0年代初期,计算机采用集成电路作为基本器件,因此,功耗、体积、价格等

      2、进一步下降,而速度及可靠性相应地提高。开始出现操作系统软件,由于集成电路成本的迅速下降,使计算机的成本较低,因此计算机应用范围更加扩大,占领了许多数据处理的应用领域。,第四代大规模集成电路计算机时代。从20世纪70年代至今,第四代计算机采用大规模或超大规模的集成电路。这种工艺可在硅半导体上集成几千、几万甚至几千万电子器件。计算机的体积、功耗和价格迅速降低,已经广泛普及到教育、企事业、科研、军事和家庭等各个领域。,1巨型机 现代科学技术,尤其是国防技术的发展,需要有很高的运算速度、很大的存储容量的计算机,一般的大型通用计算机是不能满足它的要求。从上个世纪60年代到70年代生产了一些巨型机,其中取得最高成绩的是Cray-1计算机,运算速度达每秒8000万次。,2大型机 大型机是反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机,其中以IBM公司的大型机系列影响最大。从上个世纪60年代到80年代,信息处理主要是以主机系统加终端为代表的集中式数据处理,60年代的IBM360系统,70年代和80年代的IBM370系统曾占领大型机的霸主地位。80年代以后,随着网络技术的普及,客户机、服务器技术的发展,使大型

      3、机占据重要的作用。90年代第5代大型机的速度达到每秒10亿次。,1.1.2 计算机的分类,计算机按性能、价格和体积可分为:巨型机、大型机、小型机和微型机。,3小型机 小型机的特点规模小、结构简单、成本低,同时可用软件简单、操作容易和维护容易,可以大量生产。DEC公司的PDP-11系列是16位小型机的代表。小型机在控制领域得到了很好的应用。许多大型的分析仪器、测量仪器、医疗仪器均用小型机进行数据采集、整理、分析和计算。,4微型机 自从用4位微处理器Intel 4004组成的MCS-4微型机问世以来,微处理器的发展非常迅速。到目前为止,把微处理器已从4位发展到了64位。微处理器的速度越来越快,而价钱却越来越低,普及率越来越高。后续将介绍各种微处理器。,5嵌入式计算机 是计算机的一个重要发展方向。将微型计算机安装在特定的应用系统中。一般把带有微处理器的专用微机系统称为嵌入式计算机(Embedded Computer)或嵌入式系统。如单片机。,返回本章目录,1. 2计算机的基本组成及常用术语,1.2.1计算机的基本组成,微型机计算机(Microcomputer)的基本结构由两大部分组成,即硬件

      4、和软件。硬件是组成计算机系统的实体,是由中央处理器(Central Processor Unit)简称CPU,存储器(Memory),接口(Interface),总线(Bus)和输入/输出(In/Out)设备组成。软件是由硬件为载体,能进行运算处理、信息管理和测试维护所编制的各种程序。通常把软件分为系统软件和实用软件两大类。系统软件主要是为用户提供操作运行环境,如DOS 、WINDOS 、UNIX、 LINUX等。应用软件是为用户提供各种开发工具的软件及用户为解决各种实际问题所编写的程序。如工资管理系统,电机专家系统等。如图1-1,图1-2计算机结构示意图,1位(Bit) 位是指计算机中使用的二进制数的一位,它是存储信息中的最小单位,一般用b表示。只有两种状态“0”和“1”。 2字节(Byte) 计算机存储数据时,通常把8位二进制数作为一个存储单元,一个存储单元也叫一个字节。字节的长度固定,它是存储器存取信息的最小单位。 3字(Word) 字是计算机中CPU处理和传送信息的最基本单位。它通常与寄存器、运算器、传输线的宽度一致。 4字长 一个字所包含二进制数的长度称为字长。实际上表示的是

      5、CPU并行处理的最大位数。如16位机字长为16位,占2个字节。32位机的字长为32位,占4个字节。,1.2.2常用术语及主要性能指标,5存储容量 存储单元以字节为单位。存储容量是指CPU构成的系统所能访问的存储单元数。通常由地址总线AB的宽度决定。如AB = 16 ,所能寻访的地址码有216 = 65536种,因此可区分65536个存储单元。计算机中210 = 1024规定为1K,则216 = 65536 = 64KB,220 =1024K1024K = 1MB(兆),230 =1024K1024K1024K = 1GB。 6.指令 计算机能够识别和执行的基本操作命令。计算机指令有两种表示方式:机器码和助记符。机器码又称指令码,是机器能够接受的指令,但设计人员使用不便。助记符便于编写程序,在运行前须转换为机器码。通常一条指令由操作码和操作数两部分组成。前者说明进行何种操作,后者指出参与操作的数据的来源。,7.指令系统 计算机所能执行的全部指令的集合,称为该计算机的指令系统。微处理器的主要功能是由它的指令系统来体现的,不同的微处理器有不同的指令系统,其中每条指令对应着微处理器的一种基本操

      6、作。计算机的指令系统一般含有几十到几百条指令。 8.程序 为完成某一任务所作的指令(或语句)的有序集合称为程序。 9.运算速度 计算机完成一个具体任务所用的时间就是完成该任务的时间指标,计算机的速度越高,时间越短。以每秒执行基本指令的条数来大致反映计算机的运算速度。单位为百万条指令/秒(MIPS)。另一个衡量指标是计算机的主频,即CPU的时钟频率,单位为兆赫(MHz)或吉赫(GHz)。,返回本章目录,1.3计算机中的编码,计算机在传递信息时是以编码的形式进行的。常用的编码有数字编码,字符编码,汉字编码等。,计算机中常用的进制 二进制数(Binary):二进制数的特点有两个运算符号0和1,逢“二”进“一”。计算机中最常用的就是二进制数。记作“B”,如101011B。 十六进制数(Hexadcimal):十六进制数的特点是有十六个运算符号0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。逢“十六”进“一”。记作“H”,如1A9H。 十进制数(Decimal):十进制数的特点是有十个运算符号0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,逢“十”进“一”。记作“”。也可没有标记。如12

      7、D或12。,1.3.1数字编码,1数字的进制,各种进制的转换 二进制和十六进制的相互转换方法:是用四位二进制数表示一位十六进制数。例10110B=16H,1A9H=110101001B。 十六进制转换为十进制:将十六进制数按展开后,用十进制加法原则加即可。例如:1BH=1161+11160=27。 二进制转换成十进制数:将二进制数按权展开后,用十进制加法的原则相加即可。例如:1011B=123+022+121+120=8+0+2+1 11。,十进制转换成二进制或十六进制:用求基数2或16取余数法,直到商等于0为止。将后得的余数做高位。先得余数做低位,即可得到转换。例如:把20D转换成二进制数和十六进制数。,2二十进制(BCD码),用四位二进制数表示一位十进制数的形式叫二十进制。也叫BCD码。BCD码有压缩式和非压缩式两种。压缩式BCD码是用8位二进制数表示两位十进制数。例如91=10010001B。非压缩式的BCD码就是用8位二进制数表示一位十进制数。例如:910000100100000001B。,原码 用机器数表示数的形式又称为数的原码。 X=+75的原码为 X原=01001011B

      8、 X=-75的原码为 X原=11001011B 如果字长为16位二进制数时, X=+75的原码为 X原=0000000001001011B X=-75的原码为 X原=1000000001001011B,3.带符号数的表示法,机器码与真值 前面提到的数都没有考虑符号的问题,是指无符号数。但在计算机中处理的数通常是有符号数,符号在计算机中也用数码表示。规定用“0”是正数符号“”,用“1”表示负数符号“”。符号位放在数的最高位。例如-1001011B= 11001011B,+1001011B=01001011B。我们把用这种方法表示的数叫做机器数。如上例中的11001011B和01001011B。把数本身具有的数值叫真值。如上例中的1001011B是真值,反码 负数的反码是原码的符号位不变,其它各位取反。 如:X原=11001011B 则:X反=10110100B 正数的反码就是原码。 如:X原=01001011B 则:X反=01001011B,补码 负数的补码是原码的符号位不变,其它各位取反加1。 如:X原=11001011B 则:X补=10110101B 正数的补码就是原码。 如:X原=

      9、01001011B; 则:X补=010010111 由补码求原码的方法与由原码求补码的方法一样。, 补码运算 在计算机中对带符号的运算时,都采用补码运行,运行的结果也是补码。采用补码运算可把减法运算变成加法运算。, 8位二进制数和16位进制数的范围 数的表示分为无符号数和有符号数。有符号数又有原码、反码和补码三种形式。因此它们表示的范围是不同的。列表1-1和1-2分别表示8位二进制和16位二进制的表示范围。,表1-1 位二进制数的表示范围,表1-2 16位二进制数的表示范围,【例1-1】 已知X=+1,Y=+18求X-Y的值。 解 X-Y=X+(-Y) X-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补 X补=00001011B -Y原=-18原=10010010B -Y补=11101110B X补 00001011B + -Y补 11101110B X补 + -Y补=11111001B X-Y补=11111001B X-Y=10000111B 运行结果完全正确。,两个负数相加结果却为正数,显然运算结果出错。(-120) +(-18)应等于(-138),但由于有符号的位二进制数最大表示范围是+127-128。(-138)超出有符号的位二进制数的范围,因此产生溢出。在计算过程中,溢出是可以判断出来的。判断溢出的方法可用次高位向高位的进位标志CS和最高位的进位标志位CF的异或来判断,即CSCF。如果异或的结果为1,运算结果就产生溢出;如果异或结果为0,则运算结果没有溢出。计算机专门设计一个标志位来描述运算结果是否有溢出,这个标志位叫溢出标志位,用OF表示。(后续课将进行详细介绍)。上例中CS=0,CF=1,则CSCF=1,因此有溢出。,用键盘输入的各种字符,如数字、字母、标号符号等,都可用二进制编码表示。这种编码形式就叫字符编码。目前应用最广的字符编码是用7位二进制数表示1位字符的字符编码,叫美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange

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