微机原理与接口技术第1章 微型计算机系统概述

第一章微型计算机系统概述本章学习目标•了解微型计算机的发展、应用及其分类•掌握计算机数据的表示•掌握计算机的组成结构•理解微型计算机的工作过程1、1微型计算机的发展、应用及其分类1、1、1微机计算机的发展1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。第一代4位和低档8位机Intel4004第二代中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800第三代16位机Intel8086、Z8000、MC6800第四代32位机80386、80486第五代64位机IntelPentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-1992）（1993后）特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。1、1、2微型计算机的应用1、科学计算和科学研究计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。2、数据处理（信息处理）主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。3、工业控制用单板微型计算机实现DDC级控制，用卫星计算机实现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理已屡见不鲜。4、计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。5、人工智能人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。1、1、3微型计算机的分类按应用对象分为：1、单片机：又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机2、单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器/存储器/输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。3、PC机（PersonalComputer）:面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。1、1、4机器数的表示机器数：数值数据在计算机中的编码。机器数的真值：机器数所代表的实际数值。常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码表示码原码：用最高位表示符号，其中：0----正、1----负，其它位表示数值的绝对值。定义：[X]原=X0〈=X〈1定点小数1+X-1〈X〈=0[X]原=X0〈=X〈=2n-1定点整数2n+1+X-(2n-1)〈=X〈=0例：求X1=0.1011，X2=-0.1011的原码表示。（8位）[X1]原=X1=01011000[X2]原=1+X2=11011000小数点位置例：求X1=1011，X2=-1011的原码。（8位）[X1]原=00001011[X2]原=10001011小数点位置0的表示形式（8位）[+0]原=00000000[-0]原=10000000特点A、原码与真值的对应关系简单。B、0的编码不唯一，处理运算不方便。2、反码表示法反码：最高一位表示符号，数值位是对负数取反。[+0]反=00000000[-0]反=1111111[+1100111]反=01100111[-1100111]反=100110003、补码表示法正数的补码和原码相同。负数的补码=反码+1。例：求0.1011和-0.1011的补码。（8位）[0.1011]补=[0.1011]原=01011000[-0.1011]补=[-1011000]反+1=10100111+1=10101000[0]补=[+0]补=[-0]补=000000001、1、5计算机中常用的编码1、ASCII码常用的编码方式为美国标准信息交换（AmericanStandardCardforInformationInterchange，ASCII码）。2、BCD码BCD码是一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码，也成为二进制编码表示的十进制数（BinaryCodeDecimal），简称BCD码。表1-2示出了十进制数0-15的BCD码。BCD码有两种格式：（1）压缩BCD码格式（PackedBCDFormat）用4个二进制位表示一个十进制位，就是用0000B-1001B来表示十进制数0-8。例如：十进制数4256的压缩BCD码表示为：0100001001010110B（2）非压缩BCD码格式（UnpackedBCDFormat）用8个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意义，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩BCD码相同。例如：十进制数4256的非压缩BCD码表示为：xxxx0100xxxx0010xxxx0101xxxx0110B1、2微型计算机的一般概念1、2、1中央处理器的组成中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。1、运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。功能：（1）、对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。（2）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。ALU数据寄存器1#数据寄存器2#存储器外设2、控制器控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。（1）、程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。（2）、指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。（3）、指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。（4）、时序信号发生器：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。3.寄存器陈列包括一组通用寄存器组和专用寄存器。通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等1、2、2微型计算机的组成ABDBCBCPU存储器I/O接口外设（微型计算机组成框图）1、微处理器微处理器（CPU）是大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成有控制器、运算器和寄存器等相关部件，完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制。2、存储器功能：存放程序和数据。存储器内存（主存）外存（辅存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM软盘、硬盘、光盘3、I/O设备和I/O接口（1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。I/O设备输入设备输出设备键盘鼠标扫描仪、数码相机显示器打印机绘图仪（2）、I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入/输出。网卡：完成网络数据的转换。扫描卡：连接扫描仪到计算机。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。USB接口：通用串行接口。4、系统总线（1）、总线：传递信息的一组公用导线。（2）、系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。系统总线分为：（A）、地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。内存容量的计算：16条地址线可访问216=64KB。20条地址线可访问220=1MB。1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB（B）、数据总线：传递数据信息的总线，即DB。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。（C）、控制总线：传递控制信息的总线，即CB。控制总线的方向：一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号、状态信号。控制总线的部件（总线主控设备）：CPU和DMA控制器。被总线控制的部件（总线控制设备）：存储器和I/O设备。总线的使用特点：1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。3、通过总线插槽来接口板连接。1、2、3微型计算机系统的组成一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和软件的结合，才能使计算机正常工作运行。计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理装置，称为硬件或裸机。计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。1、2、4微型计算机的工作过程在进行计算前，应做如下工作：（1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；（2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；（3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。完成5+6=？的程序：MOVA，05H/B0H05H；把05送入累加器AADDA，06H/04H06H；06与A中内容相加，结果存入累加器AHLT/F4H；停止所有操作。1、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放）（1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。（3）、地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00H单元。（4）、CPU发出“读”命令。（5）、所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。（6）、经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。（7）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码CPU“识别”出这个操作码为“MOVA，05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。PCARALUABDRIRIDPLA00H100H200B0H0105H0204H0306H04F4H34读命令B0H56B0H7控制信号（取第一条指令操作示意图）2、执行指令阶段的执行过程：（1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。（3）、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。（4）、CPU发出“读”命令。（5）、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。（6）、经数据总线DB，读出的05H送至数据寄存器DR。（7）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入累加器A中。PCARALUABDRIRIDPLA02H101H200B0H0105H0204H0306H04F4H34读命令05H567控制信号05H（执行第一条指令操作示意图）习题1.微型计算机按照字长和微处理器芯片作为每个阶段的标志，将微型计算机分为哪几个阶段？2.计算机的特点是什么？主要有哪些应用领域？3.计算机是由哪几部分组成的？阐述每部分的作用。4.画图说明计算机执行指令ADDAL，06H的工作过