微机系统与接口教案第一章

第1章微型计算机基础1.1微型计算机概述1.1.1计算机的发展20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发展为电子计算机的研制准备了物质基础，1943年～1946年，美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分器和计算机)是世界上第一台电子计算机。当时，第二次世界大战正在进行，为了完成新武器在弹道问题中许多复杂的计算，在美国陆军部的资助下开展了这项研究工作，ENIAC计算机于1945年年底完成，1946年2月正式交付使用。因为ENIAC计算机是最早问世的一台电子数字计算机，所以人们认为它是现代计算机的始祖。ENIAC计算机共用18000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电140kW，每秒钟能进行5000次加法计算，领导研制的是宾夕法尼亚大学的莫克利(J.W.Mauchly)和埃克特(J.P.Eckert)。该计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数；二是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。在研制ENIAC计算机的同时，冯·诺依曼(VonNeumann)与莫尔小组合作研制了EDVAC计算机，该计算机采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼计算机具有如下基本特点：(1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。(2)采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器中运算，即由指令组成的程序是可以修改的。(3)数据以二进制码表示。(4)指令由操作码和地址码组成。(5)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，也可按运算结果或外界条件而改变。(6)机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。冯·诺依曼计算机开辟了“存储程序自动控制”现代计算机的先河，目前的计算机基本是基于冯·诺依曼计算机的模型和原理研制的。根据电子计算机所采用的逻辑器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代：第一代：电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到20世纪50年代后期)。第二代：晶体管计算机时代(从20世纪50年代中期到60年代后期)。第三代：集成电路计算机时代(从20世纪60年代中期到70年代前期)。第四代：大规模集成电路计算机时代。1.1.2微型计算机的特点微型计算机与其他类型计算机相比具有如下特点：(1)功能强。(2)可靠性高。(3)价格低。(4)适应性强。(5)周期短，见效快。(6)体积小，重量轻，耗电省。(7)维护方便。1.1.3微型计算机的指标1．字长微机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。它与微处理器内部寄存器以及CPU内部数据总线宽度是一致的，字长越长，所表示的数据精度就越高。2．存储容量存储容量是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。通常把8位二进制代码称为一个字节(Byte)，16位二进制代码称为一个字(Word)，把32位二进制代码称为一个双字(DWord)。存储器容量一般以字节为最基本的计量单位。一个字节记为1B，1024个字节记为1KB，1024KB记为1MB，1024MB记为1GB，而1024GB记为1TB。3．指令执行时间指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机执行一条指令运行速度的快慢。它一方面决定于微处理器工作时钟频率，另一方面又取决于计算机指令系统的设计、CPU的体系结构等。微处理器工作时钟频率指标可表示为多少兆赫兹，即MHz；微处理器指令执行速度指标则表示为每秒运行多少百万条指令(MIPS，MillionsofInstructionsPerSecond)。4．系统总线系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道，其性能直接关系到微机系统的整体性能。5．外部设备配置在微机系统中，外部设备占据了重要的地位。计算机信息输入、输出、存储都必须由外设来完成，微机系统一般都配置了显示器、打印机、网卡等外设。6．系统软件配置系统软件也是计算机系统不可缺少的组成部分。微机硬件系统仅是一个裸机，它本身并不能运行，若要运行，必须有基本的系统软件支持，如DOS、Windows等操作系统。1.1.4微型计算机的分类微型计算机的品种繁多，系列各异，最常见的有以下几种分类方法。1.按微处理器的位数分类按微处理器的位数分为4位机、8位机、16位机、32位机、64位机，即分别以4位、8位、16位、32位、64位处理器为核心组成的微型计算机。2.按微型计算机的用途分类按微型计算机的用途分为通用机和专用机两类。3.按微型计算机的档次分类按微型计算机的档次可分为低档机、中档机和高档机。计算机的核心部件是它的微处理器，也可以根据所使用的微处理器档次将微型计算机分为8086机、286机、386机、486机、586(Pentium)机、PentiumⅡ机、PentiumⅢ机和Pentium4机等。4.按微型计算机的组装形式和系统规模分类按微型计算机的组装形式和系统规模可分为单片机、个人计算机。单片机是将微型计算机的主要部件：微处理器、存储器、输入/输出接口等集成在一片大规模集成电路芯片上形成的微型计算机，它具有完整的微型计算机功能。单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点，广泛应用于智能仪器、仪表、家用电器、工业控制等领域。1.2微型计算机系统1.2.1微型计算机微型计算机是以微处理器芯片为核心，配以存储器、I/O接口、输入/输出设备以及相应的辅助电路而构成的裸机，简称微机。从结构上讲，它以微处理器为中心，通过总线把I/O设备、存储器等连接成一个整体。根据总线使用方法的不同，微型计算机可以有不同的组织方式。图1.1给出了微型计算机组成框图。1．运算器运算器是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元(ALU)组成，在控制器的指挥下可以完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。2．控制器控制器是统一指挥和有效控制计算机各部件协调工作的关键部件，是微型计算机的指挥控制神经中枢。它从存储器中逐条地取出指令、分析指令，并向各部件发出相应的控制信号，使它们一步步地执行指令所规定的操作。另一方面，它又接收运算器、存储器以及输入/输出设备的反馈信息，以确定程序的执行顺序。3．存储器存储器是存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机能够实现存储程序工作原理的基础，存储器分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称内存，通常由半导体存储器组成。4．输入/输出设备输入/输出(I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连，它是计算机与外部世界联系的桥梁。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，所谓总线是一组公共信号线，它能分时地发送和接收各部件的信息。1.2.2微型计算机系统输入设备接口存储器运算器控制器微处理器接口输入/输出芯片输出设备主机微型计算机的硬件系统称为裸机，裸机不能做任何事情。裸机配上系统软件，加上电源和合适的外部设备，就构成了一个可以使用的微型计算机系统。1.3计算机中的数制及其转换计算机内部的信息分为两大类：控制信息和数据信息。控制信息是一系列的控制命令，用于指挥计算机如何操作；数据信息是计算机操作的对象，一般又可分为数值数据和非数值数据。数值数据用于表示数量的大小，它有确定的数值；非数值数据没有确定的数值，它主要包括字符、汉字、逻辑数据等等。对计算机而言，不论是控制命令还是数据信息，它们都要用“0”和“1”两个基本符号(即基2码)来编码表示，这是由于以下三个原因：(1)基2码在物理上最容易实现。例如，用“1”和“0”表示高、低两个电位，或表示脉冲的有无，还可表示脉冲的正、负极性等等，可靠性都较高。(2)基2码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。(3)基2码的两个符号“1”和“0”正好与逻辑数据“真”与“假”相对应，为计算机实现逻辑运算带来了方便。因此，不论是什么信息，在输入计算机内部时，都必须用基2码编码表示，以方便存储、传送和处理。1.3.1数与数制进位计数制是一种计数的方法。在日常生活中，人们使用各种进位计数制。例如，六十进制(1小时=60分，1分=60秒),十二进制(1英尺=12英寸，1年=12月)等。但最熟悉和最常用的是十进制计数。如前所述，在计算机中使用的是二进制计数。另外，为便于人们阅读及书写，常常还要用到八进制计数及十六进制计数来表示二进制计数。十进制数的特点是“逢十进一，借一当十”，需要用到的数字符号为10个，分别是0～9。二进制数的特点是“逢二进一，借一当二”，需要用到的数字符号为2个，分别是0、1。八进制数的特点是“逢八进一，借一当八”，需要用到的数字符号为8个，分别是单用户操作系统多用户操作系统网络操作系统…操作系统汇编程序解释程序编译程序语言处理程序数据库管理系统诊断与维护程序调试程序编辑程序装配链接程序工具软件系统软件软件包用户程序应用软件软件0～7。十六进制数的特点是“逢十六进一，借一当十六”，需要用到的数字符号为16个，分别是0～9、A～F。任意一个十进制数可以用位权表示，位权就是某个固定位置上的计数单位。在十进制数中，个位的位权为100，十位的位权为101，百位的位权为102，千位的位权为103，而在小数点后第一位上的位权为10－1，小数点后第二位的位权为10－2等等。因此，如果有十进制数234.13，则百位上的2表示两个100，十位上的3表示三个10，个位上的4表示四个1，小数点后第一位上的1表示一个0.1，小数点后第二位上的3表示三个0.01，用位权表示为(234.13)10=2×102+3×101+4×100+1×10－1+3×10－2同理，任意一个二进制数、八进制数和十六进制数也可用位权表示。例如：(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2－1+1×2－2(124.36)8=1×82+2×81+4×80+3×8－1+6×8－2(AC.B5)16=A×161+C×160+B×16－1+5×16－21.3.2不同数制之间的转换1.十进制数与二进制数之间的转换1)十进制整数转换成二进制整数方法：除2取余法。具体做法：将十进制数除以2，得到一个商和一个余数；再将商除以2，又得到一个商和一个余数；继续这一过程，直到商等于0为止。每次得到的余数(必定是0或1)就是对应的二进制数的各位数字。注意：第一次得到的余数为二进制数的最低位，最后得到的余数为二进制数的最高位。2)十进制小数转换成二进制小数方法：乘2取整法。具体做法：用2乘以十进制小数，得到整数和小数部分；再用2乘以小数部分，又得到一个整数和一个小数部分；继续这一过程，直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止；最后将每次得到的整数部分(必定是0或1)按先后顺序从左到右排列，即得到所对应的二进制小数。3)二进制数转换成十进制数方法：按位权展开后相加。2.十进制与八进制之间的转换1)十进制整数转换成八进制整数方法：除8取余法。具体做法：将十进制数除以8，得到一个商和一个余数；再将商除以8，又得到一个商和一个余数；继续这一过程，直到商等于0为止。每次得到的余数(必定是小于8的数)就是对应八进制数的各位数字。第一次得到的余数为八进制数的最低位，最后一次得到的余数为八进制数的最高位。2)十进制小数转换成八进制小数方法：乘8取整法。具体做法：用8乘以十进制小数，得到一个整数和一个小数部分；再用8乘以小数部分，又得到一个整数和一个小数部分；继续这一过程，直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止；最后将每次得到的整数部分(必定是小于8的数)按先后顺序从左到右排列，即得到所对应的二进制小数。3)八进制数转换成十进制数方法：按位权展开后相加3.十进制与十六进制之间的转换1)十进制整数转换成十六进制整数方法：除16取余法。具体做法：将十进制数除以16，得到一个商和一个余数；