微机原理 第一章

第一章计算机基础一.计算机基本结构二、指令系统三、CPU执行过程五、微型计算机系统四、CPU的主要性能指标六、原码、反码、补码七、字符编码一.计算机基本结构外部设备微处理器(CPU)存储器输入/输出接口电路数据总线控制总线地址总线1.微处理器(CPU)程序计数器PC指令寄存器IR处理器状态字PSW堆栈指示器SP指令译码器IDI/O控制逻辑工作寄存器地址寄存器数据寄存器ALU控制器微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分,一般被集成在一个大规模集成芯片上,如8088、80x86等等,它是计算机的核心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能.•ALU——运算器的核心部件是算逻单元ALU，所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的.•控制器——CPU的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。程序计数器PC——用于保存下一条要执行的指令的地址。指令寄存器IR——保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器ID——对指令寄存器IR中保存的指令进行译码分析。堆栈指示器SP——对堆栈进行操作时提供地址。处理器状态字PSW——暂存处理器当前的状态。•工作寄存器组——暂存寻址和计算过程的信息.地址寄存器——地址寄存器用于操作数的寻址。数据寄存器——数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。•I/O控制逻辑——包括CPU中输入/输出操作有关的逻辑，其作用是处理输入/输出的操作。2.存储器用于存放程序代码及有关数据.地址译码器地址内容0001020304FF00单元01单元02单元03单元FF单元11010011101000100010011010011101::11100001ABDB控制CB存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储单元：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放8位二进制信息（通常也用两位十六进制数表示）。存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它们的地址。存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读写操作。3.输入输出接口电路由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与CPU不匹配，故在连接时，需通过输入输出接口电路使外部设备与之相连。4.总线总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。对微机而言，总线可以分为以下四类：片内总线——这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALU、CU和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自己确定。片间总线——微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的连接总线。片间总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。内总线——内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。（系统总线）内总线有不同的总线标准，如S-100总线(IEEE-696标),STD总线,IBM-PC总线，ISA总线、PCI总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。外总线——用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如并行总线IEEE-488标准，串行总线RS-232标准等。IEEE1394，USB（通用串行总线）。四类总线之间的关系如图所示。CPU片内总线MI/O片间总线I/O接口板外部设备内总线外总线按总线传送信息的类别:可以把总线分成控制总线、地址总线和数据总线。地址总线：用于传送CPU要访问的存储单元的地址或I/O端口地址，地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的地址范围。控制总线：用来传送控制信号。数据总线：用于CPU与存储器、CPU与外设之间传送信息。二、指令系统上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。例如：4+5这种简单运算,需要以下几个步骤:①把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;②把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;③相加;④把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.•指令----我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来,就是指令.•指令系统-----一条指令对应着一种基本操作,计算机所能执行的全部指令,就是计算机的指令系统.这是计算机所固有的.•程序----我们在使用计算机时,必须把我们要解决的问题编成一条条指令,这些指令的集合就称为程序.(这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指令,也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中具有的指令.)•源程序---用户为解决自己的问题所编的程序,称为源程序.•指令形式----指令通常分成操作码(Opcode)和操作数(Operand).操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作的数本身或操作数所在的内存中的位置.因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统中的所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示.如前面例子.①把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;②把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;③相加;④把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.A00020MOVAL,[2000H]A81E0120MOVBL,[2001H]00D8ADDAL,BLA20030MOV[3000H],AL•机器语言----计算机发展的初期,就是用指令的机器码直接来编制用户的源程序,这就是机器语言阶段.（上面程序——左）•汇编语言----由于机器码是由一连串的0和1组成的,不好记忆,容易出错,因而后来人们用一些助记符(Mnemonic)来代替操作码,如上所示.这样,每条指令有明显的特征,易于理解记忆,这便是汇编语言阶段.（上面程序——右）•程序的存放----要求机器能自动执行这些程序,就必须把这些程序存放到存储器的某个区域.计算机在执行时把这些指令一条条取出来加以执行.三、CPU执行过程操作：将两个数7和10相加.指令：moval,7addal,10mov[20h],alhlt机器指令：10110000B0h(moval,7)0000011107h0000010004h(addal,10)000010100Ah10100010A2h(mov[20h],al)0010000020h11110100F4h(hlt)四、CPU主要性能指标1.数据宽度（字长）：CPU的字长指CPU一次所能处理的二进制的位数，一般等于CPU数据总线的宽度。常见的CPU字长有8位、16位、32位和64位。2.寻址能力指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数目决定。8088CPU——地址总线为20根，可直接寻址的物理地址为220=1M.80286CPU——地址总线为24根，可直接寻址的物理地址为224=16M.386/486/586CUP——地址总线为32根，可直接寻址的物理地址为232=4G.3.运算速度CPU的运算速度通常用每秒执行基本指令的条数来表示，常用单位为MIPS（MillionInstructionPerSecond）。通常情况下：386CPU运算速度——3.6~9MIPS；586CPU运算速度——100MIPS以上；P4CPU运算速度——1000MIPS以上；影响MIPS的因素：•CPU的时钟频率（主频）是影响运算速度的一个重要因素，主频越高，运算速度也越快；•体系结构不同（指令的执行时间缩短）。五、微型计算机系统运算器控制器寄存器组内存储器总线输入输出输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统1、中央处理器（CPU）80x86系列一统天下。从8086→80286→80386→80486→奔腾→奔腾MMX→奔腾PRO→奔腾Ⅱ→奔腾Ⅲ→奔腾Ⅳ→奔腾D→酷睿1→酷睿2。赛扬---CPUK6III---CPUCore2DuoE63001.86GHz2、存储器内存（主存储器）外存（辅助存储器）随机存储器RAM只读存储器ROM软盘硬盘光盘磁带主存储器只读存储器(ROM)：关电后存储器里的信息不会消失ROM--BIOS随机存储器(RAM)：在CPU工作期间既能读又能写，但断电后信息就会消失。外存储器外存储器分为：软盘、硬盘、光驱3、输入设备鼠标器键盘扫描仪触摸屏数码相机、摄像机（输入音像信息）显示器打印机4、输出设备系统软件：是向用户提供的一系列程序和文档资料的统称。它面向计算机的硬件，与计算机的硬件结构、逻辑功能有密切关系。如：DOS、WINDOWS等。应用软件：是用户为了解决各自的应用领域里的具体任务而编写的各种应用程序和有关文档资料的统称。如：WORD、WPS等。5、计算机的软件组成（1）操作系统MS-DOS、Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsNT、XP、UNIX、OS/2等。系统软件（2）程序设计语言机器语言汇编语言高级语言Pascal、Basic、VisualBasic、C、C++、VisualC++、VisualFoxPro等。（1）字处理软件：如Word2000、WPS（2）表处理软件：如Excel2000、Lutos123（3）计算机辅助系统：如CAD、CAI、CAM（4）数据库管理系统如：MSSQLServer、FOXPRO（5）多媒体制作软件如：Photoshop、Flash、Authorware应用软件【为什么要引入三种码的概念】计算机中多采用加法电路，通过对负数的码型变换便可以在加法电路上实现减法运算。1、原码一个二进制数同时包含符号和数值两部分，用最高位表示符号，其余位表示数值，这种表示带符号数的方法为原码表示法。[＋1011011]原＝01011011[－1011011]原＝11011011六、原码、反码、补码2、反码对于正数，其反码与原码相同；对于负数，在求反码的时候，除了符号位外，其余各位按位取反，即“1”都换成“0”，“0”都换成“1”。3、补码正数的补码和原码相同，负数的补码是在其反码的最后一位上加1。例如：X＝－0001101[X]原＝10001101[X]反＝11110010[X]补＝11110011补码表示的好处之一：通过对负数的码型变换便可以在加法电路上实现减法运算。【例如】17-13=17+(-13)[17]原＝00010001[-13]原＝10001101[-13]反＝11110010[-13]补＝1111001100010001+1111001100000100=4【字符】各种符号、数字、字母，统称为字符。•【字符编码】由字符组成的数据称为非数值数据。计算机不仅能处理数值数据，也能够处理非数值数据（如文字编辑）。这些字符在计算机中也都是以二进制代码表示，每个字符都有一个相应的二进制码，即字符编码。七、字符编码•ASCII码即美国标准信息交换码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），是目前计算机中使用最广泛的符号编码。•ASCII包括32个通用控制字符、10个十进制数码、52个大小写字母和32个专用字符共128个字符。•因此ASCII编码方案需要使用7位二进制数进行编码以区分每一个字符（因此ASCII是7位码）。通常使用1个字节（8个二进制位）表示一个ASCII字符，规定最高位为0。1、ASCII码高三位低四位0000010100111001011101110000NULDELSP0@P`p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LTSUB*:JZjz1011VTE