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1/55《微机原理与应用》备课笔记（上）10年3月1日第一章微型计算机系统导论1.1微型计算机系统组成1.1.1计算机系统组成计算机系统由硬件系统和软件系统组成。1、硬件：实物，看得见、摸得着计算机五大组成部分控制器运算器内部存储器（主存储器）输出设备输入设备CPU主机计算机硬件系统五大组成部分2、软件：信息1）系统软件——通用性2）应用软件——针对性3）支撑软件、数据库管理软件2/551.1.2微型计算机硬件系统组成一般的微机系统控制器运算器内部存储器（主存储器）输出设备输入设备I/O接口μP主板微型计算机硬件系统组成I/O接口运算器控制器CPU内存（ROM、RAMI/O接口输入设备（键盘、鼠标等输出设备（显示器、打印机等外部存储器（磁盘、光驱、U盘等过程控制通道主机外设电源硬件软件微型计算机系统系统软件（操作系统、语言编译等应用软件3/551.2微型计算机的总线结构微型计算机的结果特点就是采用总线结构。微处理器CPUROMRAMI/O接口外设：输入设备输出设备外存等ABDBCB典型的微机硬件系统总线结构1）什么是总线——用于传送信息的一组公共导线。2）总线的特点：（1）分时、共享（2）系统结构（互连）简单、易扩展（3）信号的传输控制管理较复杂，必须有一定的规范和协议微机采用以CPU为核心，其它部件全部通过总线与CPU相连，由CPU负责总线的传送控制管理。所有的数据都必须经过CPU，并由CPU控制传送过程。为了确保其它部件能够与CPU准确、有序地传送数据信息，通常采用三总线结构。3）三总线的定义：数据总线DB——传送数据的通道，双向；地址总线AB——指示与CPU传送数据的对象地址，单向；控制总线CB——控制数据传送的时间、方向，以及协调微机各部件的工作时序，双向。4/551.3微处理器组成ALUI1I2OAFRAPLAIDIRPCABDBRAMCPUABDB定时与控制微处理器结构1.3.1运算器ALU1.3.2控制器1.3.3内部寄存器1.4内部存储器概述1.4.1基本概念在计算机中，程序和数据均以二进制数码的形式存储在内存中。存储二进制数码的电路就是数字电路中介绍的寄存器和触发器。基本术语：bit——位。一位二进制数。一位触发器可保存一位二进制数码信息，称为1bit。Byte——字节。8位二进制数码。Word——字。16位二进制数码。存储单元————对应于高级语言中的变量；存储单元的地址——对应于高级语言中的变量名；存储单元的内容——对应于高级语言中的变量值。单元内容XXXX单元地址XXXX存储单元5/551.4.2存储器的组织存储器的组织结构如右图所示，由三部分组成。存储体，地址译码器读/写控制电路1.4.3存储器读写操作过程1）读操作过程：（内存总线CPU）○1AB提供内存单元地址译码器译码选中指定存储单元，○2/RD信号有效，将选中单元中的内容输出DB，选中单元内容不变。2）写操作过程：（CPU总线内存）○1AB提供内存单元地址译码器译码选中指定存储单元，○2/WR信号有效，DB上的数据写入（取代）选中的单元中内容。该单元中原来的内容消失。具有以上功能的存储器称为RAM.1.5微机工作过程1.5.1微机工作过程就是执行指令的过程。也就是逐条执行指令序列的过程。指令是预先存放在内存中的，所以首先要取指令，然后再执行指令。指令如何执行要根据地址译码器00单元01单元02单元03单元254单元255单元读/写控制00010203ABDBRDWR255254存储体存储器组织结构示意图6/55指令的内容。所以微机的工作过程就是：取指令，执行指令，取指，执行，取指，执行，。。。。。。。的过程。1.5.2指令格式操作码Opcod+操作数Operand操作码——指示CPU进行何种操作；操作数——被操作的对象。它可以是被操作的数本身，也可以是被操作数所在的地址。究竟是数还是地址，在操作码中说明。1.5.3工作过程举例以计算3+2=？为例，说明工作过程：1）计算机比人笨，需要人事先编程告诉它做什么，如何运行；2）编程序要根据指令系统（CPU懂得的语言）。就好比人讲话、写作必须按照某种语言规范，否则别人听不懂。3）程序：MOVA,3ADDA,2HLT4）机器码程序指令名称助记符机器码说明立即数取入累加器MOVA,31011000nB0Hn双字节指令，第一字节为操作码，指令功能：把第二字节n当做立即数取入累加器A中加立即数ADDA,200000100n04H双字节指令，第一字节为操作码，指令功能：把第二字节n当做立即数取入，与累加器A中内容相加，结果暂存A中暂停HLT11110100F4HCPU暂停运行第一字节是操作码，第二字节是操作数7/555）先把机器码程序放入内存，地址存储器中指令的机器码指令的助记符十六进制二进制000000000010110000MOVA,n01000000010000001103020000001000000010ADDA,n03000000110000001002040000010011110100HLT0500000101…………………6）执行程序：a)程序开始运行前，程序计数器PC的内容指向程序的指令第一字节；b)根据PC所提供的地址，到存储器中取指令第一字节CPU的指令寄存器IR；同时PC计数值自动加1；c)CPU执行该指令，具体动作是：控制器对该指令操作码进行译码，知道了该指令还有第二字节，因此首先执行取第二字节操作，产生各种执行指令所需要的控制信号，取回第二字节n后，再继续执行指令规定的操作，将第2字节A中暂存。同时PC计数值自动加1。到此，第1条指令执行完毕；d)根据PC所提供的地址，到存储器中取指令第一字节CPU的指令寄存器IR；同时PC计数值自动加1；e)CPU执行该指令，具体动作是：控制器对该指令操作码进行译码，知道了该指令还有第二字节，因此首先执行取第二字节操作，产生各种执行指令所需要的控制信号，取回n后，再继续执行指令规定的操作，将第2字节n和A中暂存数同时送入ALU进行加法运算，运算结果送回A暂存。同时PC计数值自动加1。到此，第2条指令执行完毕；f)根据PC所提供的地址，到存储器中取指令第一字节CPU的指令寄存器IR；8/55同时PC计数值自动加1；g)CPU执行该指令，具体动作是：控制器对该指令操作码进行译码，知道了该指令的功能是暂停CPU运行，执行该指令，暂停CPU的运行。9/55第二章计算机运算基础计算机只认识二进制数，故所有的信息和数据都必须采用二进制数码表示。如何表示？2.1计数制1）十进制2）二进制3）十六进制0~9，A~F，十六个字符表示。逢十六进一。用途：二进制数的简洁书写、记忆方法。特点：与二进制数之间转换极为方便，且一字节二进制数正好用二位十六进制数表示。书写规则：必须以0~9的数字符打头，以H字符结尾，例如：67H，3FH，0AH，0B7H，2.2计数制之间的转换（自学）2.3二进制编码数和码的一异同：相同点——都以数字形式读、写；不同点——数是自然的，是可以运算的，(如+、-、*、/等），码是人造的，不具有可运算性，但是可以处理。2.3.1二进制编码的十进制数最常用的二进制编码的十进制数是8421BCD编码，其编码规则如下表。十进制数BCD编码十进制数BCD编码0000081000100019100120010101030011101140100110050101110160110111010/55每一位十进制数用四位二进制编码表示，且逢十进一。多位十进制数的BCD码，123.45=[000100100011.01000101]BCD2.3.2ASCII码（美国标准信息交换代码）ASCII码是专门用于英文文件的计算机编码。用来把英文文本输入计算机，它包括了：1)英文字母和数字符2)标点符号和常用书写符号3)控制书写格式的控制符号，如回车、换行等每一个ASCII码由7位二进制编码组成，代表一个ASCII字符。ASCII字符共有128个=27。ASCII字符编码表参加教材。2.4二进制运算（自学）2.4.1算术运算2.4.2逻辑运算——按对应位相与、或、非、异或运算逻辑运算没有算术运算中的进位、借位关系。2.5带符号数的表示法2.5.1机器数与真值一个带符号数字包括数值位和符号位。在计算机中带符号数也用二进制表示为：符号位数值位＋70===01000110B－70===11000110B真值机器数机器数——完全用二进制数码表示的，机器能够识别、存储的数；70111111111/55真值———机器数表示的实际数值。2.5.2机器数的种类和表示方法（以八位为例）1）原码表示法：[+70]原==01000110[－70]原==110001102）反码表示法：[+70]反==01000110==[+70]原[－70]反==10111001==对[+70]反码按位取反。3）补吗表示法：[+70]补==01000110==[+70]原[－70]补==10111010==[－70]反＋1[－70]反==101110014）带符号数的表示范围八位原码的表示范围：-127~-0，+0~+127，有二个0。八位反码的表示范围：-127~-0，+0~+127，有二个0。八位补码的表示范围：-128~0~+127，只有一个0。2.5.3补码的意义1）模、同余、补数先以右图钟表为例，介绍模的概念：问：右图所指现在几点？3点？15点？都正确！在这个时钟系统中，3点==15点。将此现象抽象到数学中就可表示为：3==15（mod12）Mod12表示以12为模模——一个循环计数系统所能表示的数字个12369015182112/55数，或状态数。例如：右图时钟的模为12。同余——当任意二个数除以模n，其余数相等时，称这二个数对模n同余。例如：右图时钟中，3与15同余，记作：3==15（mod12）补数——当二个同余数的绝对值之和等于模n时，称这二个数对模n互补。例如：要从上图变化到下图，既可以在上图的基础上加7小时（顺时针旋转），也可以减去5小时（逆时针旋转。记作：3＋7==3－5==10（mod12）即：＋7==－5（mod12）可见：＋7和－5对模12同余。同时，因为︱＋7︱＋︱－5︱==12（模），所以，称＋7和－5对模12互补，或称＋7和－5对模12互为补数。由上可见，任意二个互补数，符号必定相反。对一个模为n的循环计数系统，减去一个数就等于加上一个该数的补数。例如：8－4=8＋8==16==12＋4（mod12）其中－4和＋8互为补数。二进制数的求补运算用数字逻辑电路很容易实现。所以，计算机中带符号数常用补码表示和运算。2）补码的意义为了用二进制表示带符号数，先设定规则：○1二进制补码的最高位为符号位，且0——正，1——负；○2应该符合加减运算规则○3数字0的补码为00000000。那么，对8为二进制补码：12369015182113/55数字0的补码=[0]补==00000000B数字＋1的补码=[0]补＋1==00000001B数字＋2的补码=[1]补＋1==00000010B数字＋3的补码=[2]补＋1==00000011B*******数字＋127的补码=[126]补＋1==01111111B数字＋128的补码=[127]补＋1==10000000B符号位改变，不符合前面所定规则，所以非法。因此，正数的表示范围是：0～＋127。同理：数字0的补码=[0]补==00000000B数字－1的补码=[0]补－1==11111111B数字－2的补码=[－1]补－1==11111110B数字－3的补码=[－2]补－1==11111101B*******数字－127的补码=[－126]补－1==10000001B数字－128的补码=[－127]补－1==10000000B数字－129的补码=[－128]补－1==01111111B符号位改变，不符合前面所定规则，所以非法。因此，负数的表示范围是：0～－128。总之，8位补码的表示范围：－128～0～＋127，16位