微机原理及应用PPT课件chap1-微机原理概述和数制.ppt
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1、12课程目标课程目标 微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程:F微型计算机的基本工作原理F汇编语言程序设计F微型计算机接口技术 目的:建立微型计算机系统的整体概念,形成微机系统软硬件开发的初步能力。3教学内容教学内容第一章第一章 基础知识基础知识第二章第二章 微型计算机基础微型计算机基础第三章第三章 8086/8088 CPU的指令系统的指令系统第四章第四章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第五章第五章 存储器系统存储器系统第六章第六章 输入输出输入输出第七章第七章 中断技术中断技术第八章第八章 常用接口电路常用接口电路4第第1 1章章 微型计算机基础微型计算机基础5主要
2、内容:主要内容:l微型机的构成及工作原理微型机的构成及工作原理l80888088/ /8086 8086 CPU的结构及工作原理的结构及工作原理l系统总线系统总线l各种常用记数制和编码以及它们相互间的转换;各种常用记数制和编码以及它们相互间的转换;l二进制数的算术运算和逻辑运算;二进制数的算术运算和逻辑运算;l符号数的表示及补码运算;符号数的表示及补码运算;l二进制数运算中的溢出问题二进制数运算中的溢出问题61.1 1.1 微型机的基本结构微型机的基本结构掌握掌握:l微机系统的基本组成微机系统的基本组成l微型机的工作原理微型机的工作原理l微机微机80888088的存储器组织的存储器组织71.1
3、 概 述l电子计算机的发展:n电子管计算机(1946-1956)n晶体管计算机(1957-1964)n中小规模集成电路计算机(1965-1970)n超大规模集成电路计算机(1971-今)l电子计算机按其性能分类:n大中型计算机/巨型计算机(Mainframe Computer)n小型计算机(Minicomputer)n微型计算机(微型计算机(Microcomputer)n单片计算机(Single-Chip Microcomputer)l微型计算机的核心:微处理器(中央处理器CPU)lIntel CPU的发展见下页表8代代发表发表年份年份字长字长(bits)(bits)型号型号线宽线宽( ( m
4、)m)晶体管数晶体管数( (万个万个) )时钟频率时钟频率(MHz)(MHz)速度速度(MIPS)(MIPS)一一19711971197219724 48 8400440048008800850500.20.20.30.3110.050.05二二197419748 88080808020200.50.52-42-40.50.5三三197819781982198216168086/80888086/808880286802862-32-32.92.913134.77-104.77-108-208-201300300七七20022002?6464ItaniumItanium ?0.080.08CP
5、U:2.5KCPU:2.5KCache:30KCache:30K800(20800(20条指令条指令/ /时时钟周期钟周期) )300030009一、一、微型计算机系统组成系统组成微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的三个层次 微处理器微处理器( (Microprocessor) ) 微型计算机微型计算机( (Microcomputer) 微型计算机系统微型计算机系统( (Microcomputer System)10微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的三个层次微处理器微处理器存储器I/O接口总线 硬件系统软件系统微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机( (主机主机) )
6、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核心级核心级微处理器l微处理器简称微处理器简称CPU,是计算机的核心,是计算机的核心,主要包括:主要包括: 运算器运算器ALU 控制器控制器CU 寄存器组寄存器组RegisterslCPU实现了运算功能和控制功能实现了运算功能和控制功能12硬件系统级硬件系统级微型计算机微型计算机l以微处理器为核心,配上只读存储器以微处理器为核心,配上只读存储器(ROM)、读写存储器读写存储器(RAM)、输入、输入/输出输出(I/O)接口电路及接口电路及系统总线等部件,就构成了微型计算机。系统总线等部件,就构成了微型计算
7、机。l将将CPU、存储器、存储器、I/O接口、总线等集成在一接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上,称为单片微型计片超大规模集成电路芯片上,称为单片微型计算机,简称单片机。算机,简称单片机。13系统级系统级l以以微型计算机微型计算机为中心,配以相应的为中心,配以相应的外围设备外围设备以以及控制微型计算机工作的及控制微型计算机工作的软件软件,就构成了完整,就构成了完整的微型计算机系统。的微型计算机系统。l微型计算机如果不配有软件,通常称为微型计算机如果不配有软件,通常称为裸机裸机l软件分为软件分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类。两大类。14二、微型计算机的基本结构微处理器微处理
8、器(CPU)存储器存储器 输入输入/输出接口输出接口总线总线1. 微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统15微型计算机的概念结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备CPU数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/O接口AB: Address BusDB: Data BusCB: Control Bus16主机硬件系统CPUl计算机的控制中心,提供运算、判断能力计算机的控制中心,提供运算、判断能力l构成:构成:ALU、CU、Registers(p29)例:Intel 8088/8086、PIII、P4、Celeron AMD K7(Athlon、D
9、uron)CPU的位数:4位、8位、16位、32位、64位是指一次能处理的数据的位数17主机硬件系统存储器l存放存放程序程序和和数据数据的记忆装置的记忆装置l用途:存放程序和要操作的各类信用途:存放程序和要操作的各类信息(数据、文字、图像、。)息(数据、文字、图像、。)l内存:内存:ROM、RAMl特点:随机存取,速度快,容量小l外存:磁盘、光盘、半导体盘、外存:磁盘、光盘、半导体盘、l特点:顺序存取/块存取,速度慢,容量大18 有关内存储器的几个概念l内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容l内存容量内存容量l内存的操作内存的操作l内存的分类内存的分类19内存单元的地址和内容l内存包含有很多
10、存储单元内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含每个内存单元包含8bit),为区,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分不同的内存单元,对计算机中的每个内存单元进行编号,号,内存单元的编号就称为内存单元的地址。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内存单内存单元地址元地址内存单内存单元内容元内容.Bit 7 6 5 4 3 2 1 00 1 0 1 1 0 0 0*内存单元有时内存单元有时又称为又称为地址单元地址单元20内存容量l即内存单元的个数即内存单元的个数,以字节为单位。,以字节为单位。l注意:注意:内存空间内存空间与与内存容量内存
11、容量的区别的区别 内存容量内存容量:实际配置的内存大小。例:某微机配置:实际配置的内存大小。例:某微机配置2条条 128MB的的SDRAM内存条,其内存容量为内存条,其内存容量为256MB 内存空间内存空间:又称为存储空间、寻址范围,是指微机的:又称为存储空间、寻址范围,是指微机的 寻址能力,与寻址能力,与CPU的地址总线宽度有关。的地址总线宽度有关。21内存操作内存操作l读:将内存单元的内容取入读:将内存单元的内容取入CPUCPU,原单元内容不改变;原单元内容不改变;l写:写:CPUCPU将信息放入内存单元,单元中原内容被覆盖;将信息放入内存单元,单元中原内容被覆盖;l刷新:对刷新:对CPU
12、透明,仅动态存储器有此操作透明,仅动态存储器有此操作l内存的读写的步骤为:内存的读写的步骤为:lCPU把要读写的内存单元的地址放到AB上l若是写操作, CPU紧接着把要写入的数据放到DB上lCPU发出读写命令l数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DBl若是读操作, CPU紧接着从DB上取回数据22内存储器的分类内存储器的分类l读写存储器(读写存储器(RAMRAM)n可读可写可读可写n易失性,临时存放程序和数据易失性,临时存放程序和数据l只读存储器(只读存储器(ROMROM)n工作时只能读工作时只能读n非易失性,永久或半永久性存放信息非易失性,永久或半永久性存放信息23主机硬件系统输入/输出
13、接口l简写为简写为I/O接口,是接口,是CPUCPU与外部设备间的与外部设备间的桥梁桥梁CPUI/O接口接口外设外设24接口的功能l提供驱动外设的电压或电流;提供驱动外设的电压或电流;l匹配计算机与外设之间的信号电平、匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等;速度、信号类型、数据格式等;l缓存发给外设的数据、控制命令和外缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息;设提供的运行状态信息;lDMA控制和中断控制。控制和中断控制。25主机硬件系统总线总线BUSl连接多个功能部件的一组公共信号线连接多个功能部件的一组公共信号线l地址总线地址总线AB:用来传送:用来传送CPU
14、输出的地址信号,确输出的地址信号,确定被访问的存储单元、定被访问的存储单元、I/O端口。端口。地址线的根数地址线的根数决定决定了了CPU的寻址范围的寻址范围。 CPU的寻址范围的寻址范围 = 2n, n-地址线根数地址线根数l数据总线数据总线DB:在:在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间数据接口之间数据传送的公共通路。传送的公共通路。数据总线的条数数据总线的条数决定决定CPU一次最一次最多可以传送的数据宽度。多可以传送的数据宽度。l控制总线控制总线CB:用来传送各种控制信号用来传送各种控制信号262. 微型计算机的软件系统l软件:为运行、管理和维护计算机系统软件:为运行、管理和维护计算机
15、系统或为实现某一功能而编写的各种程序的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。总和及其相关资料。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件273.微型计算机的物理结构CPU北桥北桥南桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD,Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡接口卡外设总线扩展槽28微型计算机的物理结构29INTEL 845GE30主板的主要硬件构成l CPU插座插座l 芯片组(南北芯片组(南北桥桥/HUB)l 内存插槽内存插槽l 高速缓存(现已集
16、成到高速缓存(现已集成到CPU内部)内部)l 系统系统BIOS,硬件控制,硬件控制l CMOS,存放硬件配置参数,存放硬件配置参数l 总线扩展槽,总线扩展槽,PCI、ISAl 串行、并行接口串行、并行接口l 软软/硬盘、光驱插座硬盘、光驱插座31芯片组芯片组lCPU的外围控制芯片,通常为的外围控制芯片,通常为2片片l两种架构:南北桥、两种架构:南北桥、HUB(加速中心)(加速中心)l南北桥南北桥n北桥提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接n南桥提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等例如:Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS
17、 645等lHUBnGMCHAGP接口、存储器通道nICHPCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口nFWH系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器例如:Intel 810、Intel 815、Intel845等32三、计算机的工作过程存储程序计算机存储程序计算机又称为冯诺依曼型计算机l以运算器为核心、以以运算器为核心、以存储程序原理存储程序原理为基础为基础l将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序,即程序是由多条有逻辑关系的指令组成,指令的长度不等(一般为14字节)l数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中,存放位置由地址指定,地址码也是二进制形式l由控制器控制整个程序
18、和数据的存取以及程序的执行指令指令驱动驱动33存储程序计算机的工作原理存储程序计算机的工作原理l 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。运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器指令流控制命令数据流34程序的执行过程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1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令?操作系统2。CPU如何按程序控制流执行指令?程序计数器3。CPU如何知道从哪里取操作数?地址、寻址方式35例:计算例:计算5+8(p35)汇编语言程序汇编语言程序对应
19、的机器指令对应的机器指令 对应的操作对应的操作- - -MOV AL, 5 10110000 将立即数将立即数1传送到累加寄存器传送到累加寄存器AL中中 00000101ADD AL, 8 00000100 计算两个数的和,结果存放到计算两个数的和,结果存放到AL中中 00001000HLT 11110100 停机停机指令执行过程见下页图36指令执行过程指令执行过程(取指取指/译码译码/执行执行)累加器A加法器加法器数据寄存器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 00000000 01010000 01000000 10001111 0100内部总线存储
20、器01234程序计数器PC地址MOV A, 5ADD A, 8HLT地址总线+1地址译码器读写控制电路输出地址输出地址1011 0000锁存指令锁存指令锁存数据锁存数据置初值置初值输出指输出指令地址令地址锁存地址锁存地址读写命令读写命令指令译码指令译码锁存输出地址寄存器AR371.2 计算机中的数制计算机中的数制l了解了解l 特点;l 表示方法;l 相互间的转换。38一、常用记数制一、常用记数制 l十进制十进制符合人们的习惯符合人们的习惯l二进制二进制便于物理实现便于物理实现l十六进制十六进制便于识别、书写便于识别、书写l八进制八进制391. 十进制十进制特点:以十为底,逢十进一;特点:以十为
21、底,逢十进一; 共共有有0 0- -9 9十个数字符号十个数字符号。表示:表示:120120111101010101010 nnnnmmniiimDDDDDDD402. 二进制二进制特点:以特点:以2为底,逢为底,逢2进位;进位; 只有只有0和和1两个符号。两个符号。表示:表示:1202n 120111( )222222nnnmmniiimBBBBBBB 413. 十六进制十六进制特点:以特点:以16为底,逢为底,逢16进位;进位; 有0-9及A-F共16个数字符号。表示:表示:1201n 20111( )16161616161616nnnmmniiimHHHHHHH 42进位计数制的一般表示
22、进位计数制的一般表示一般地,对任意一个一般地,对任意一个K进制数进制数S都可表示为都可表示为120n 120111( ) nnknmmniiimSSKSKSKSKSKSK其中: Si - S的第i位数码,可以是K个符号中任何一个; n,m 整数和小数的位数; K - 基数; Ki - K进制数的权43如何区分不同进位记数制的数字如何区分不同进位记数制的数字在数字后面加一个字母进行区分:在数字后面加一个字母进行区分:l二进制:数字后面加B, 如1001Bl八进制:数字后面加O, 如1001Ol十进制:一般不加, 如1001l十六进制:数字后面加H , 如1001Hl在明显可以区分其记数制的情况下
23、,可以省略在明显可以区分其记数制的情况下,可以省略数字后面的字母数字后面的字母44二、各种数制间的转换二、各种数制间的转换1. 非十进制数到十进制数的转换非十进制数到十进制数的转换 按相应按相应进位计数制的权表达式展开,进位计数制的权表达式展开,再按十进制求和。再按十进制求和。 例:例:10110010B10110010B = (?)= (?)1010 13FAH13FAH = (?)= (?)1010452. 十进制到非十进制数的转换十进制到非十进制数的转换l十进制十进制 二进制的转换:二进制的转换: 整数部分:除整数部分:除2取余;取余; 小数部分:乘小数部分:乘2取整。取整。l十进制十进
24、制 十六进制的转换:十六进制的转换: 整数部分:除整数部分:除16取余;取余; 小数部分:乘小数部分:乘16取整。取整。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。463. 二进制与十六进制间的转换二进制与十六进制间的转换l用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十六进制数位十六进制数 例:例: 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C 注意:位数不够时要补注意:位数不够时要补0471.3 无符号二进制数的运算无符号二进制数的运算 无符号数无符号数 算术运算算术运算 有符号数有符号数 逻辑运算逻辑运算
25、48一、无符号数的运算一、无符号数的运算l算术运算算术运算 包括:包括: 加法运算加法运算 减法运算减法运算 乘法运算乘法运算 除法运算除法运算491. 规则规则l加法:加法:1+1=0(有进位)(有进位), l减法:减法:0-1=1(有借位)(有借位), l乘除法:乘除法: 一个数乘以一个数乘以2相当于该数左移一位;除以相当于该数左移一位;除以2则相当于该数右移则相当于该数右移1位。位。 50例例:l000010110100=00101100B l000010110100=00000010B11B 即:即: 商商=00000010B 余数余数=00000011B512. 无符号数的表示范围无
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