微型计算机原理及接口技术第一章

微型计算机原理及接口技术高等教育出版社第1章微型计算机基础知识1.1微型计算机的发展概述1.2微型机的运算基础1.3微型计算机组成原理1.4CPU内部机构及微型机的工作过程1.5微型计算机的主要技术指标及典型配置微型计算机的发展概述1.1应用面广可靠性高结构灵活价格低廉体积小重量轻特点•计算机（Computer）又称电脑，是20世纪最重要的科技成果。•计算机是一种能够自动地、高速地、精确地进行信息处理的现代化电子设备，是一种帮助人类从事脑力劳动（包括记忆、计算、分析、判断、设计、咨询、诊断、决策、学习与创作等思维活动）的工具。•1944年哈佛大学和IBM公司合作,在美国首次制造出了现代计算机的雏形——马克Ⅰ。•1942年美国物理学家毛希利（John·Mauchely）提出了一个名曰“高速电子管计算装置”的现代计算机制造方案。该机于1946年正式交付使用，取名ENIAC——电子数字积分机和计算机。1.1.1微型计算机的硬件技术发展概况时段数据处理代表产品制造工艺集成度(管/片)时钟频率执行时间第一代1971—4位低档8位Intel4004Intel4040、8008PMOS20001MHz20us第二代1974—高档8位Intel8080、8085Z80MC6800、6802NMOS84002~4MHz1~2us第三代1978—16位Intel8086、8088Z8000MC68000HMOS20000~600004~8MHz0.5us1980—高档16位Intel80286MC6801010000010MHz0.2us第四代1985—32位Intel80386、80486Z80000MC68020150000~50000016~100MHz0.1us第五代1993—Pentium系列5000000以上150MHz以上1.1.2微型计算机的操作系统发展概况DOS1.0DOS7.0MS-Windows95WindowsxpUNIXXENIXOS/21.1.3微型计算机及相关技术的发展趋势•两个发展方向:•1.面向低成本的家电,传统工业改造及微机普及教育的多功能型,高可靠性的专用化单片微型计算机.•2.面向复杂的数据处理,OA和DA科学计算,采用最新技术向高性能,多功能的方向发展32位、64位计算机。•发展趋势：•1.多级流水线结构；2.芯片上存储管理技术•3.虚拟存储管理技术；4.并行处理的哈佛结构•5.RISC结构；6.整片集成技术计算机中数的表示方法1.2一个R进制数具有以下主要特点具有R个不同数字符号：0、1、·······、R-1逢R进一S=an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m=an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+…+a1×R1+a0×R0+…+a-mR-m上述R进制数S可用多项式（称为按权展开式）表示为：1.2.1进位计数制十进制数具有十个不同的数字符号，即0-9逢十进一特点一个十进数可以用它的按权展开式表示。例如：（758.75）10=7×102+5×101+8×100+7×10-1+5×10-21.二进制数一个二进制数可以用它的按权展开式表示。例如：(10110.101)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(22.625)10具有两个不同的数字符号，即0和1逢二进一特点2.(1AF.4)16=1×162+10×161+15×160+4×16-1=(430.25)10一个十六进制数可以用它的按权展开式表示。例如：具有十六个不同的数字符号，即0-9和A-F逢十六进一特点3.十六进制数十进制二进制16进制十进制二进制16进制000000910019100011101010A200102111011B300113121100C401004131101D501015141110E601106151111F701117161000010810008171000111表1-1三种数制对照表【例1-1】十进制数22.625转换为二进制数222112…余0（低位）52…余122…余112…余00…余1（高位）0.625×21.25…取整数1（高位）×20.5…取整数0×21.0…取整数0（低位）（0.625）10=（0.101）2所以:（22）10=(10110)2结果:（22.625）10=(10110.101)2整数部分：小数部分：4.各种数制之间的转换十进制数430.25转换为十六进制数430162616…余14→E（低位）116…余10→A…余1(高位)整数部分：0小数部分：0.25×164.0…取整数4结果：（430.25）10=（1AE.4）16【例1-2】注意①整数部分转换，每次只求整数商，将余数作为转换结果的一位，重复对整数商除基数，一直除到商为0为止。②小数部分转换，每次把乘积的整数取走作为转换结果的一位，对剩下的小数继续进行乘法运算。对某些数可以乘到积的小数为0（如上述两例），这种转换结果是精确的；对某些数（如0.3）永远不能乘到积的小数为0，这时要根据精度要求，取适当的结果位数即可，这种转换结果是不精确的。：十六进制数1AE40001101011100100即（1AE.4）16=（110101110.01）2若要将二进制数转换为十六进制数，只要以小数点为分界，分别向左和向右每四位二进制位分为一组（若最高位或最低为不够四位则补0），对应转换为十六进制数即可。例如：二进制数110101110.01000110101110.0100十六进制数1AE.4即（110101110.01）2=（1AE.4）16例如二进制数的运算【例1-3】10100+1101=100001【例1-4】100001-10100=110110100100001+1101-110101000011101【例1-5】1101×1011=10001111【例1-6】11100÷101=101┅┅111101101┅┅商×1011111001101101110110000000101+110111┅┅余数100011115.计算集中的编码系统1.2.4BCD码是十进制数，有10个不同的数字符号，且是逢十进位的；但它的每一位是用4位二进制编码来表示的，因此称为二进制编码的十进制数。BCD码比较直观，例如十进制数65用BCD码书写为01100101，BCD码01001001.0111表示的十进制数为49.7。1.二进制编码的十进制数虽然BCD码是用二进制编码方式表示的，但它与二进制之间不能直接转换，要用十进制作为中间桥梁，即先将BCD码转换为十进制数，然后再转换为二进制数；反之亦然。表1-2BCD编码表十进制8421BCD码十进制8421BCD码0000060110100017011120010810003001191001401001000010000501011100010001字母与字符的编码2.另外，在计算机中，汉字编码采用国标码（GB18030-2000）,它采用单、双、四字节混合编码，每个字节的最高位为1，并以此来区分汉字和ASCⅡ码。字母和字符也必须按照特定的规则，用二进制编码才能在机器中表示。编码可以有各种方式，目前微机中最普遍采用的是ASCⅡ码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,美国标准信息交换码)。ASCⅡ码采用7位二进制编码,故可表示27=128个字符,其中包括数码(0-9)，以及英文字母等可打印的字符。原码●正数的符号位用0表示,负数的符号位用1表示,数值位保持不变。这种方法称为原码。原码的定义为:若X≥+0则[X]原=X若X≤-0则[X]原=2n-1–X其中n为原码的位数。1.2.2带符号数的表示1.反码⑴“0”有两种表示方法：[+0]反=00000000，[-0]反=11111111⑵8位二进制反码真值范围为-127～+127；16位反码真值范围为-32767～+32767。⑶当一个带符号数用反码表示时，最高位为符号位。特点2.反码的定义为：若X≥+0则[X]反=X若X≤-0则[X]反=2n+X-1其中n为反码的位数。补码●在钟表上，指针正拨12小时或倒拨12小时，其时间值是相等的,即在钟表上X+12=X-12(mod12)。模的概念补码的引入●对于n位二进制数，其计数范围为0～（2n-1），在该计数器上加2n或减2n结果是不变的，我们称2n为n位计数系统的模。对钟表来说，它的模为12。●在钟表上，如果现在时间是6点整，而钟表却指着8点整，快了2小时，校准的方法是正拨10小时或倒拨2小时，结果都正确，即：8+10=6（mod12）顺拨，8-2=6（mod12）倒拨。3.[+3]补=[+3]原=[+3]反=00000011[-3]补=[-3]反+1=11111100+1=11111101[+0]补=[+0]原=[+0]反=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=00000000补码的求法●对n为二进制数，模为2n，则[X]补=（2in+X），MOD2n,i为正整数。补码的定义●若X≥+0则[X]补=X，若X≤-0则[X]补=2n+X，其中n为补码的位数。如果X≥0,则[X]补=（2in+X）MOD2n=X,即正数的补码为原正数不变。如果X≤0,则[X]补(2n+X)MOD2n=2n-1+X+1=[X]反+1，即负数的补码等于负数的反码加1，也就是等于负数原码除符号位外求反加1。求法与应用[+0]补=[-0]补==00000000，即0的补码为0，且只有一种表示方法。注意补码⑴[+0]补=[-0]补=00000000。⑵8位二进制补码真值范围为-128～+127，16位补码真值范围为-32768～+32767。⑶一个用补码表示的二进制数，最高位为符号位，当符号位为“0”即正数时，其余位即为此数的二进制值；但当符号位为“1”即负数时，其余位不是此数的二进制值，其值为后面各位按位取反，在最低位加1。当采用补码表示时，可以把减法运算转换为加法运算，即[X±Y]补=[X]补+[±Y]补。8位带符号的补码特点补码数的表示方法十进制数二进制数原码反码补码-128-127-126…-2-1-0+0+1+2…+126+127-10000000-1111111-1111110……-0000010-0000001-0000000+0000000+0000001+0000010……+1111110+1111111----1111111111111110……100000101000000110000000000000000000000100000010……0111111001111111----1000000010000001……111111011111111011111111000000000000000100000010……0111111001111111100000001000000110000010……111111101111111100000000000000000000000100000010……0111111001111111表1-3定点表示法●约定小数点在符号位之后、数值部分最高位之前，因此数据是纯小数，故又称定点小数，其格式为：符号位数值部分（尾数）小数点位置定点小数法比例因子的选择：例如有两个数为010.01和001.100，若进行两数相加时：010.01+001.100=（0.1001+0.0110）×22，该比例因子选为22，而且两数相加结果仍小于1。1.2.3数的定点和浮点一定点小数法●约定小数点的位置固定在数值部分的最低位之后，也就是把数表示为纯整数，其格式如下：符号位数值部分（尾数）小数点位置定点整数表示法也有比例因子的选择问题，例如上例两个数化为定点整数运算则为（010.01+001.100）=（01001+00110）×2-2，该比例因子选为2-2。二定点整数法定点表示法PfP1P2…PmSfS1S2…Sn阶符阶码数符尾数浮点数包括两部分：即阶码P和尾数S