微机原理与接口技术第一章 概述

国脉信息学院微机原理及接口技术第一章绪论教材及主要参考书教材：•《微型计算机原理与接口技术》（第4版），周荷琴等编著，中国科学技术出版社，2008.6为什么要学习本课程?掌握一门新技术,拓宽自己的知识面掌握微型计算机的基本原理、结构和编程技术掌握微型计算机各种接口的工作原理及应用；通过学习，培养各种接口的使用、分析、设计能力。微机已广泛用于科学计算\信息处理\计算机控制\智能仪器\计算机通信\家用电器\辅助设计和制造(CAD/CAM)作为专业基础课且专业课,为后续课作准备(嵌入式控制系统、单片机原理及应用……)工程类课程重视练习经验很重要不要钻牛角尖授课内容有侧重第一章绪论1.1微型计算机的发展概况1.2微型计算机系统1.3计算机的数据格式小结1.1微机的发展概况一、计算机的发展二、微型计算机的发展三、微型计算机的特点1946年,世界上第一台电子数字计算机ENIAC.根据所使用的主要电子元器件的不同,计算机的发展划分为四代.微型计算机是第四代计算机的典型代表.一、计算机的发展一、计算机的发展（续）第一代:1946-1957电子管计算机时代(体积大,运算速度慢,价格高)第二代:1958-1964晶体管计算机时代(体积较小,可靠性较高)第三代:1965-1972中小规模集成电路(体积更小,耗电更省,可靠性更高)第四代:1972-现在大规模集成电路(向两极化发展......)二、微型计算机的发展微机的发展是以微处理器的发展为表征的.从字长和功能看,微处理器的发展经历如下阶段：1.4位或8位低档微处理器1971~1973典型产品:Intel4004,Intel8008特点:集成度(1200-2500晶体管);速度(基本指令执行时间10-15uS);系统结构和指令简单;用途:家用电器,简单控制场合2.8位中档微处理器1974~1977典型产品:Intel8080,Z80,MC6800特点:集成度(4000-9000晶体管);速度(基本指令执行时间1-2uS);系统结构和指令比较完善;用途:电子仪器,打印机等二、微型计算机的发展（续）3.16位微处理器1978~1984典型产品:Intel8086/8088/80286特点:集成度(2万-7万晶体管);速度(基本指令执行时间0.5uS);体系结构与指令更为完善与丰富,采用了多级中断,多种寻址方式,段式寄存器等结构IBMPC和IBMPC/XT采用8088主板;IBMPC/AT采用80286主板.二、微型计算机的发展（续）4.32位微处理器1983~1992典型产品:Intel80386/80486特点:集成度(100万晶体管);速度(基本指令执行时间25MIPS);32位地址线,有实地址,保护虚地址和虚拟8086三种方式;引入Cache;80486内部集成了80386,80387,8KB的Cache,采用了RISC技术以减少指令执行时间；二、微型计算机的发展（续）5.64位(数据总线)微处理器1993年Intel推出Pentuim集成度(310万晶体管),主频60MHz以上;增强型的浮点运算器;分支目标缓冲器,以预测分支指令结果提前安排指令执行顺序;超标量流水线结构,允许多条指令同时执行,将常用指令固化以硬件速度执行.在微处理器发展的过程中，存储技术、总线结构和软件系统，也有迅速发展。微机的应用二、微型计算机的发展（续）三、微型计算机的特点20世纪70年代,由于微电子技术和超大规模集成技术的发展,导致了以微处理器为核心的微型计算机的诞生.将运算器和控制器集成在一块很小的芯片上,称为微处理器.微处理器与存储器和外部设备进行连接时采用了总线结构.1.特点：体积小、功耗低；可靠性高、使用环境要求低；系统设计灵活；性能优良、价格低廉2.分类：可以从不同角度进行分类按字长分,可分为4位~64位;按组装形式,可分为“单片、单板、多板式”微型计算机。3.微型计算机(主机)的基本结构“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”。三、微型计算机的特点（续）第一章绪论1.1微型计算机的发展概况1.2微型计算机系统1.3计算机的数据格式小结1.2微型计算机系统一、冯.诺伊曼计算机基本结构二、计算机的工作原理（存储程序和程序控制）三、微型计算机系统的构成四、微型计算机硬件系统的构成五、微型计算机的总线结构六、提高微型计算机工作速度的途径七、微型计算机的几个技术指标一、冯.诺伊曼计算机基本结构1.“存储程序”概念的产生及其重要意义ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具备“存储程序”的功能EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）——采用“存储程序”的概念，并付诸实现，“开创了整个程序设计时代的到来”2.冯氏计算机结构计算机的硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本构件组成。一、冯.诺伊曼计算机基本结构（续）(1)运算器ALU：算术/逻辑运算。(2)存储器Register&Memory：存储数据和程序指令的触发器阵列。(3)输入接口：输入设备通过输入接口，输入数据和程序指令。(4)输出接口：通过输出接口，输出数据和程序指令给输出设备。(5)控制器：按执行的程序指令发出各种计算机内部控制命令，使各部件之间相互协调工作。按冯.诺伊曼结构计算机由运算器、控制器、存储器、输入接口、输出接口五大部分组成。一、冯.诺伊曼计算机基本结构（续）2、(运算)数据和(程序)指令以二进制代码形式，不加区别地存放在内存中。它们存放的位置由程序指令指定。综上所述，冯．诺依曼理论确定了计算机的工作方式是硬件结构支撑和软件程序控制的结合。3、由一个指令指针IP(或程序计数器PC)控制指令的执行指令的执行方式有顺序和跳转二种执行方法。一、冯.诺伊曼计算机基本结构（续）二、计算机的工作原理（存储程序和程序控制）1.将事先编好的程序及运算中所需的数据，按一定的方式输入并存储在计算机的内存中；2.将程序的第一条指令存放的地址送入程序计数器PC中，并启动运行；3.计算机自动地逐一取出程序的一条条指令，加以分析并执行所规定的功能。三、微型计算机系统的构成以微型计算机为主体，配上外部输入／输出设备及系统软件就构成了微型计算机系统。外设用来实现数据的输入／输出。四、微型计算机硬件系统的构成由微处理器（CPU中央处理器）、存储器、输入输出接口电路和系统总线组成。CPU地址总线（AB）RAMI/O接口I/O设备ROM数据总线（DB）控制总线（CB）计算机与I/O设备之间是通过I/O接口CPU与构成微型计算机的其它部件是通过系统总线来连接的五、微型计算机的总线结构CPU存储器存储器I/O接口I/O接口ABDBCB微机的单总线结构面向CPU的双总线结构CPU主存储器I/O接口I/O设备I/O设备I/O设备存储总线I/O总线I/O接口I/O接口五、微型计算机的总线结构（续）CPU主存储器I/O接口I/O设备存储总线I/O总线面向存储器的双总线结构I/O接口I/O设备五、微型计算机的总线结构（续）六、提高微型计算机工作速度的途径提高CPU的时钟频率，减小存储器的访问时间增加CPU内部寄存器的数量和种类；将取指和执指并行进行。字长:参与运算的数的位数.它决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。有4位，8位，16位，32位，64位等。主存容量:主存储器所能存储信息的总量。通常以字节数(Byte)来表示。例：内存128MB。运算速度:有不同的计量方法和测试标准。MIPS(MillionInstructionPerSecond)平均无故障运行时间(可靠性)MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均无故障间隔时间性能/价格比七、微型计算机的几个技术指标第一章绪论1.1微型计算机的发展概况1.2微型计算机系统1.3微型计算机中信息的表示及运算基础小结1.3微型计算机中信息的表示及运算基础（一）十进制ND有十个数码：0～9，逢十进一。例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加权展开式以10称为基数，各位系数为0～9，10i为权。一般表达式：ND=dn-1×10n-1+dn-2×10n-2+…+d0×100+d-1×10-1+…一、数的表示（二）二进制NB两个数码：0、1,逢二进一。例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3加权展开式以2为基数，各位系数为0、1，2i为权。一般表达式：NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…（三）十六进制NH十六个数码0～9、A～F，逢十六进一。例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F，16i为权。一般表达式：NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…不同进位记数制对照表十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F二、不同进位计数制之间的转换（一）一个R进制的数转换成十进制数的方法：按权展开，先乘后加举例：1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625D0DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5D（二）二进制与十六进制数之间的转换24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。举例：3AF.2H=001110101111.0010＝1110101111.001B1111101.11B=01111101.1100=7D.CH（三）十进制数转换成二、十六进制数整数、小数分别转换1.整数转换法“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例：例：39转换成二进制数39=100111B2391（b0）2191（b1）291（b2）240（b3）220（b4）211（b5）0例：208转换成十六进制数208=D0H16208余01613余13=DH02.小数转换法“乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。举例：1.0.625转换成二进制数0.625×2=1.2501(b-1)0.25×2=0.500(b-2)0.5×2=1.01(b-3)0.625=0.101B2.0.625转换成十六进制数0.625×16=10.00.625=0.AH3.208.625转换成十六进制数208.625=D0.AH三、带符号数的表示方法•机器中，数的符号用“0”、“1”表示。最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。机器数：机器中数的表示形式。真值：机器数所代表的实际数值。举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=-1010100B机器数：[X1]机=01010100[X2]机=11010100（一）机器数与真值最高位为符号位，0表示“+”，1表示“－”。数值位与真值数值位相同。例8位原码机器数：真值：x1=+1010100Bx2=－1010100B机器数：[x1]原=01010100[x2]原=11010100原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。1、原码(TrueForm)(二)原码、反码、补码正数的反码与原码表示相同。负