【哈工程】计算机硬件技术基础--10硬基第1章

1第1章微型机系统概述主要内容：微机系统概述微机系统硬件结构微机的运算基础微机的基本工作原理PC系列机2微型计算机系统的组成微处理器存储器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(单片机)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1.1概述CPUMPU3软件系统系统软件应用软件操作系统系统应用软件存储器管理进程管理设备管理文件管理用户界面GUI网络软件编译系统系统维护程序工具软件系统增强软件办公数据库图形图像游戏娱乐。。。41.1.1微机系统的三个层次2.微型计算机（单片机）3.微型计算机系统*只有微型计算机系统才是完整的计算机硬件软件1.微处理器CPU(MPU)5微型计算机系统的层次结构用户应用程序系统应用程序操作系统机器指令微指令硬件逻辑电路系统结构的观点程序员的观点应用程序BIOS硬件逻辑电路操作系统61.1.2微机系统的主要性能指标1.字长:16位,32位,64位2.存储器容量：(内/外)1KB,1MB,1GB,1TB3.运算速度:MIPS,MHz（主频：1秒内发生的同步脉冲数）4.外设扩展能力5.软件配置情况71.2微机系统的硬件结构微处理器系统的核心存储器记忆设备，内存/外存总线信息的传输设备（CPU总线、系统总线）I/O接口与外设进行信息交换的“桥梁”81.2.1三总线结构及分类1.冯·诺依曼计算机结构3个特点：①有五大部件组成的。②数据、程序以二进制形式存储在存储器中。③控制器是按程序来工作的。指令驱动控制命令指令流数据流输出设备运算器控制器存储器输入设备92.微型计算机的总线结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus*硬件五大部件之间是通过数据总线DB、控制总线CB、地址总线AB相连的。CPU三总线结构总线结构优点:构造简单,具有灵活性、扩展性、可维修性。103.总线的结构分类按总线组织方法的不同单总线结构双总线结构多层总线结构（双层）三种结构11单总线结构CPUMMI/OI/OI/ODB,AB,CB缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影响了存储器的读写速度12双总线结构面向CPU的双总线结构CPUMI/OI/OI/ODB,AB,CBDB,CB,AB缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过CPU多层总线结构缓冲器全局M全局I/O局部MCPUI/OI/O总线控制逻辑局部I/ODMA控制器DirectMemoryAccess,译为“直接存储器存取“141.2.2微机各大组成部分简介1.微处理器MPU(CPU)算术逻辑单元：ALU（以全加器为基础，完成四则预算）累加器ACC标志寄存器FR寄存器组RS堆栈和栈指针SP[后进先出,push(sp+1),pop]程序计数器PC指令寄存器IR，译码器ID，操作控制器OC15微处理器的典型结构示意图MOVA,5CHADDA,2EH162.存储器存储器（主板上）：称为内存或主存，存放数据和程序。2726252423222120存是计算机存储信息的记忆单元集合，每个记忆单元通常由8位二进制位组成，可读写其中的数据。1000101010111010110000111010100117常用术语bit（位，比特）1个二进制位Byte（字节）8个二进制位KB，MB，GB，TBWord（字）2个或多个字节18内存储器的访问过程**内存单元地址与内存单元内容是不同概念111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:写数据1000000010000000存储器的访问过程：向[0001]单元写数据19（2）内存操作：CPU对内存（RAM)可进行读\写操作。（3）内存分类：随机存储RAMDRAM动态SRAM静态固化ROM(PROMEPROM)特点:RAM可读可写（断电消失）ROM只读（断电不消失）203.输入输出(I/O)设备接口输入设备输出设备接口电路(I/O适配器):CPU与外设之间必须有(I/O)适配器。21输入设备常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。224.总线总线:是一组导线,是各种信号的传输公路,是各硬件部件之间的桥梁.有:数据总线DB地址总线AB控制总线CB231.3微型计算机的运算基础各数制间的转换非十进制数→十进制数：按相应的权表达式展开，再按十进制求和。例：24.AH=2×161+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分别用10～15代入24十进制→非十进制数十进制→二进制：整数：除2取余；53(00110101)小数：乘2取整。13.375(00001100.11)十进制→十六进制：整数：除16取余；小数：乘16取整。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。注：十进制转换成任意K进制数与上类似，整：除K取余，小数：乘K取整。25二进制数的运算二进制数算术运算逻辑运算无符号数有符号数:算术运算26逻辑运算与（∧）或（∨）非（▔）异或（⊕）掌握：逻辑关系（真值表）和逻辑门。特点：按位运算，无进位/借位。321、(有)符号数的表示：1.机器数和真值机器数:在计算机中使用的,连同符号位一起数字化的数.真值:机器数所表示的真实的值.(二进制/十进制)例如:真值:-9(-1001)机器数:11001**机器数中,用最高位作为真值的符号位,“0”为正号,“1”为负号.4(0100)-4(1100)33符号数的表示符号数(机器数)的表示方法:对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作[X]原，反码记作[X]反，补码记作[X]补。注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。34原码[X]原最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；数值部分照原样写出即可。优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不唯一35数0的原码[phone](11111)+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。36原码的例子[X]原真值：X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码：[X]原=00010010=10010010符号符号位n位原码表示数值的范围是：对应的原码是1111～0111()~()112121nn37反码[X]反对一个数X：若X0，则[X]反=[X]原若X0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分38反码例X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011390的反码[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。n位反码表示数值的范围是对应的反码是1000～0111()~()112121nn40补码[X]补定义：若X0，则[X]补=[X]反=[X]原若X0，则[X]补=[X]反+141例X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100练习:[65]补[-78]补[-118]补[35]补[-97]补[-128]补42[-128]补=[-10000000]B=[110000000]原=[101111111]反+1=[110000000]补=10000000（对8位字长，第9位被舍掉）430的补码[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000对8位字长，进位被舍掉n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000～0111~()11221nn44特殊数10000000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数，（10000000）B=12845例:将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。[X]补=00101110B真值为：+101110B正数所以：X=+46[X]补=11010010B真值不等于：-1010010B负数而是：1）X原=[[X]补]补=[11010010]补2）X真值=-0101110B3）X真值=-46462、符号数的算术运算通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。即：[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。47例X=-52=-0110100，Y=116=+1110100，求X+Y=？[X]原=10110100[X]补=[X]反+1=11001100[Y]补=[Y]原=01110100所以：[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11001100+01110100=[01000000]补=[01000000]原X+Y=+1000000=64**若结果为负值（11000000）怎样求真值？负数：原码=[[X]补]补真值48练习题：补码运算1.33-45=2.64-32=3.-68+24=4.-58-70=4.-58-70=-128-58=-(32+16+8+2)=-(0111010)真值=10111010原=11000110补-70=-(64+4+2)=-(1000110)真值=11000110原=10111010补-58-70=110000000(10000000补)=110000000补=-1000000049-64-70=-134-64=-(1000000)真值=11000000原=11000000补-70=-(64+4+2)=-(1000110)真值=11000110原=10111010补-64-70=1011111010补=00000110原=+6溢出问题50符号数运算中的溢出问题两个8位带符号二进制数相加或相减时，若（C7C6C5C4C3C2C1C0其中C7为符号位）（C7j进/借位）（C6j进/借位）＝1则结果产生溢出。其中：C7j为最高位的进(借)位；C6j为次高位的进(借)位。*C7C6同时进(借)位或都不进(借)位时，不溢出。对16位或32位的运算，也有类似结论。51观察以下四种情况哪个溢出？10110101+1000111110100010001000010+011000111010010101000010+11001101100001111CASE1:CASE2:CASE3:假定以下运算都是有符号数的运算。10100010+11101101110001111CASE4:溢溢不不52例：若：X=01111000，Y=01101001则：X+Y=即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）111000010110100101111000533.数的定点和浮点表示**根据小数点位置是否固定,数的表示分为:定点表示浮点表示对于任何十进制数:X=10j*f=103*10.25对于任何二进制数:X=2j*f=24*11.101.当j=0,f为纯整数时,称为定点纯整数2.当j=0,f为纯小数时,称为定点纯小数1025011100011..1054定点数：小数点位置固定不变的数。小数点的位置：纯小数纯整数符号X1X2Xn…小数点位置符号X1X2Xn…小数点位置55浮点数浮点数来源于科学记数法（赤道长度、细胞直径）例如：