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第一章 微机基础知识1本章内容提要本章主要介绍： • 微机的基本概念、发展、组成、工作原理 、 应用特点 • 计算机内的信息表示和运算＊ 进位计数制的表示及其转换、＊ 符号数和无符号数的表示及运算＊ 十进制数的二进制表示及运算＊ 逻辑变量的表示及运算＊ 文字在计算机内的表示2第一节 微机的基本组成及 发展 3投资150万美元 ，占地150平米，重 30吨，用了18800个 电子管，耗电 150KW，2KBytes 内存， 5000次/s， 几小时出一次故障 • 1946年，世界出现第一台数字式电子计算机 ENIAC就是采用冯.诺依曼结构框架 • 1971年，intel公司设计了世界上第一个微处理器芯 片Intel 4004,开创了一个全新的计算机时代一、 微型计算机的发展4微型计算机的发展• 第一代：4位和低档8位微机 4004~4040~8008 • 第二代：中高档8位微机 Z80~I8085~M6800~APPLE-II微机 • 第三代：16位微机 8086-8088-80286-IBM-PC系列5微型计算机的发展• 第四代：32位微机 80386-80486-pentium-pentium II-pentium III-pentium IV32位PC机 、Machintosh机、PS/2机 • 第五代：64位微机Itanium、64位RISC微处理器芯片、微机服务器、 工程工作站、图形工作站6微型计算机的应用• 计算机应用通常分为如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人工智能，……• 由于微型计算机具有如下特点：体积小、价格低工作可靠、使用方便、通用性强• 所以，可以分为两个主要应用方向。

7微型计算机的应用• 用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强、使用越方便越好• 用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：单片机、工控机可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小8明确3个概念的区别• 微处理器一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片• 微型计算机通常指微型计算机的硬件系统• 微型计算机系统指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统9明确3个概念的区别10微型计算机系统的三个层次微处理器 存储器 I/O接口 总线 硬件系统软件系统微 型 计算机 系 统微 型 计算机 (主机)外 设ALU 寄存器 控制器键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 系统软件 应用软件11二、微机的基本硬件构成v微机的基本硬件由下列几部分组成：• 运算器（ALU） • 控制器（CTRL） • 存储器（MEM） • 输入设备（INE） • 输出设备（OUTE） • 总线 （BUS）12微机的硬件构成框图13微机的基本硬件构成（续）• 运算器 （ALU-Arithmetic Logic Unit）进行算术运算（加、减、乘、除与移位）；进行逻辑运算（与、或、非、异或等）；为了提高存取数据的速度，与ALU有关的部件还有寄存器阵列14微机的基本硬件构成（续）• 控制器（CTRL-Controller） 它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的 各种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关 系。

 它有两个主要功能：一个是控制程序的运行；另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求 、总线周期延长等） 上述ALU+CTRL+REG阵列=CPU（中央处理器）15微机的基本硬件构成（续）• 存储器（MEM-Memory） 记忆部件它存储计算机操作的控制信息及各种命令 信息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加 工的中间与最终结果 存储器内有两类信息：一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区 ；另一类是数据，放在数据区它们都以二进制形式存放 应注意：内存中的代码区和数据区中的信息具有不同的 性质与功能，两个区域中的某些单元具有相同的信息，却 具有完全不同的含义16有关内存储器的几个概念• 内存单元的地址和内容 • 内存容量 • 内存的操作17内存单元的地址和内容• 内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区 分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编 号，内存单元的编号就称为内存单元的地址1 0 1 1 0 1 1 038F04H内存单 元地址内存单 元内容......Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0*内存单元有时 又称为地址单元18内存容量• 即内存单元的个数，以字节为单位 。

• 注意：内存空间与内存容量的区别内存容量：实际配置的内存大小例：某微机配置2条 128MB的SDRAM内存条，其内存容量为256MB内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关19内存操作• 读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不 改变； • 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被 覆盖； •刷新：对CPU透明，仅动态存储器有此操作 • 内存的读写的步骤为： – CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上 – 若是写操作， CPU紧接着把要写入的数据放到 DB上 – CPU发出读写命令 – 数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB – 若是读操作， CPU紧接着从DB上取回数据20微机的基本硬件构成（续）• 输入设备与输出设备 称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界 的语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识 别的电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换  输入设备如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码 相机、A/D转换器等 输出设备如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、D/A 转换器等21微机的基本硬件构成（续）• 总线（BUS） 总线是计算机各部件间传送信息的公共通路， 它把计算机的各个部件连接成为一个整体。

 分为内部总线，外部总线 计算机内部的基本总线分为数据总线（DBUS ），地址总线（ABUS），控制总线（CBUS） 通常又称为三总线关于总线技术，将在第六章中专门介绍22微机的基本硬件构成（续）23微机的基本硬件构成（续）• 地址总线输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围• 数据总线CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据总线的多少决定了一次能够传送数据的位数• 控制总线协调系统各个部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等 24微机的基本硬件构成（续）25微机的基本硬件构成（续）26微机的基本硬件构成（续）• 系统总线的使用特点除了CPU外，还具有DMA控制器和协处理器都具 有控制系统总线的能力，它们被称为“总线主控制 设备”在某一时刻，只能有一个总线主控设备来控制系 统总线在连接系统总线的各个设备中，某一时刻只能有 一个发送者向总线发送信号；但是可以有多个设 备从总线上同时获得信号27三、 微机的软件系统• 软件：为运行、管理和维护计算机系统或为 实现某一功能而编写的各种程序的总和及其 相关资料。

系统软件应用软件操作系统 编译系统 网络系统 工具软件软件28四、微机系统• 微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统 • 硬件：主机、外设、电源等 • 软件：操作系统、编译程序、连接程序、调试程序、诊断程序、应用软件、数据库等29五、IBM PC系列30硬件组成31主板的组成32主板的组成33存储空间的分配34I/O口的分配35微型计算机的物理结构CPU北桥南桥RAMCache AGPCRTBIOSKBD，Mouse 串行/并行接口 HDD/CDROM(IDE ) FDD USBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡外设总线扩展槽36微型计算机的物理结构37主板的主要硬件构成• CPU插座 • 芯片组（南北桥/HUB） • 内存插槽 • 高速缓存（现已集成到CPU内部） • 系统BIOS，硬件控制 • CMOS，存放硬件配置参数 • 总线扩展槽，PCI、ISA • 串行、并行接口 • 软/硬盘、光驱插座38芯片组 • CPU的外围控制芯片，通常为2片 • 两种架构：南北桥、HUB（加速中心） – 南北桥 » 北桥——提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口 、PCI桥接 » 南桥——提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA 桥接等 »例如：Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS 645 等 – HUB » GMCH——AGP接口、存储器通道 » ICH——PCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口 » FWH——系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器 »例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等39第二节 微机的工作原理 40一、工作原理• 微型计算机是采用“程序存储控制”的原理工作的 。

这一原理是冯.诺依曼1946年提出的，它构成了 计算机系统的结构框架因此，计算机体系结构 又称为冯.诺依曼结构• 存储程序指将指令、数据以二进制形式存入计算 机的存储器中 • 程序控制指计算机自动取出并执行存储器中的指 令、完成预定的操作41工作原理• 控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程 自动地连续取出指令并执行之运算器输出设备控制器输入设备存储器指令流控制命令数据流42二、程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n… …取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行1CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？——操作系统2CPU如何按程序控制流执行指令？——程序计数器3CPU如何知道从哪里取操作数？——地址、寻址方式43例：计算5+8• 汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作 • ------------------ --------------------- ------------------ - • MOV AL, 5 10110000 将立即数5传送到累 加寄存器AL中 00000101• ADD AL, 8 00000100 计算两个数的和，结 果存放到AL中 00001000 • • HLT 11110100 停机44指令执行过程(取指/译码/执行)累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011 0000 0000 0101 0000 0100 0000 1000 1111 0100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOV A, 5 ADD A, 8 HLT 地址总线+1③地 址 译 码 器读写控制电路④输出地址1011 0000⑦锁存指令锁存数据 ⑥置初值①② 输出指 令地址锁存地址②读写命令⑤⑧指令译码锁存输出地址寄存器AR45第三节 微机的特点、应用及发展方向46微机特点• 运算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或 每秒几十亿次运算。

MIPS（106），GIPS（10 9） ） • 处理能力强（如各种管理、计算、决策） • 能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量） • 能干几乎所有的工作47应用• 各行各业，无所不用 • 科技、生产、学习、日常生活等各个方面48发展方向• 性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加 （摩尔定律指出，每18个月计算机的运算速度就 大体提高一倍，而价格则大约降低一半） • 功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结合 • 体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信 为中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结构向 数据流结构发展 • 可用性：从面向过。