67第一章 微机基础知识

1本章内容提要本章主要介绍：•微机的基本概念、组成、工作原理、特点•计算机内的信息表示和运算＊进位计数制的表示及其转换、＊符号数和无符号数的表示及运算＊十进制数的二进制表示及运算＊逻辑变量的表示及运算＊文字在计算机内的表示2第一节微机的基本组成3一、微机的基本硬件构成微机的基本硬件由下列几部分组成：•运算器（ALU）•控制器（CTRL）•存储器（MEM）•输入设备（INE）•输出设备（OUTE）•总线（BUS）4微机的硬件构成框图图1.1计算机的硬件构成框图控制器(CTRL)运算器(ALU)存储器(MEM)输入设备(INE)输出设备(OUTE)5微机的基本硬件构成（续）•运算器（ALU-ArithmeticLogicUnit）进行算术运算（加、减、乘、除与移位）；进行逻辑运算（与、或、非、异或等）；为了提高存取数据的速度，与ALU有关的部件还有寄存器阵列6计算机的结构计算机工作原理CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器PC7一些名词的解释（见第二章2.1节）•地址寄存器AR（AddressRegister）；存放的是内存单元的地址•数据寄存器DR（DataRegister）：存放的是写入内存的数据或者从内存读出的数据；•程序计数器PC（ProgramCounter）：存放的是下一条指令在内存中的访存地址•指令寄存器IR（InstructionRegister）:存放的是从内存中读出的指令；•标志寄存器FLAG:存放的是运算结果的状态；•指令指针IP（InstructionPointer）:功能同PC。•我们用到的还有AX，BX,CX，DX寄存器（2.1节会详细介绍）8微机的基本硬件构成（续）•控制器（CTRL-Controller）它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系。它有两个主要功能：一个是控制程序的运行；另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力。（这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求、总线周期延长等）上述ALU+CTRL+REG（寄存器阵列）=CPU（中央处理器）9微机的基本硬件构成（续）•存储器（MEM-Memory）记忆部件。它存储计算机操作的控制信息及各种命令信息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加工的中间与最终结果。存储器内有两类信息：一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区；另一类是数据，放在数据区。它们都以二进制形式存放。10信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位;用b表示字节（Byte）：最常用的基本单位;用B表示1B=8b;K字节1KB=1024ByteM（兆）字节1MB=1024KBG（吉）字节1GB=1024MBT（太）字节1TB=1024GBb7b6b5b4b3b2b1b010010101计算机软件概述11内存存储示意图第0个存储单元第11个存储单元•存储器的容量＝存储单元数×位数/单元•则此内存的容量为•一般情况下一个存储单元的内容为1B。•＝12×8＝92b=12B12微机的基本硬件构成（续）•输入设备与输出设备称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界的语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识别的电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换。输入设备如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码相机、A/D转换器等输出设备如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、D/A转换器等13微机的基本硬件构成（续）•总线（BUS）总线是计算机各部件间传送信息的公共通路，它把计算机的各个部件连接成为一个整体。分为内部总线，外部总线。计算机内部的基本总线分为数据总线（DBUS），地址总线（ABUS），控制总线（CBUS）。通常又称为三总线。关于总线技术，将在第六章中专门介绍。14二、微机系统（见课本第3页）•微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统•硬件部分：•（1）主机•CPU，内存，I/O接口，总线和电源•（2）外设设备；•输入/输出设备.15软件分类系统软件操作系统语言处理程序实用程序应用软件办公软件包数据库管理系统浏览器实时控制软件2、计算机软件软件=程序+数据+文档诊断程序反病毒程序备份程序文件压缩程序卸载程序图形图像处理软件其它应用软件16第二节微机的工作原理17一、工作原理•微型计算机是采用“程序存储控制”的原理工作的。这一原理是冯.诺依曼1946年提出的，它构成了计算机系统的结构框架。因此，计算机体系结构又称为冯.诺依曼结构。•世界：1946年世界上第一台电子计算机在美国宾西法尼亚大学诞生,取名为埃尼阿克ENIAC，这台计算机占地170平方米，重30吨，用了18000多个电子管，每秒能进行5000次加法运算。该机用于美国陆军部的弹道研究实验室。世界上第一台由冯.诺依曼设计具有存储程序功能的计算机叫“爱达法克”EDVAC，但是世界上第一台实现存储程序式的电子计算机是EDSAC。18冯·诺依曼体系结构计算机的工作过程或原理•如果让计算机完成一个任务，必须将此任务用高级语言（例如：JAVA，PASCAL，C等）编写成程序；•然后将高级语言程序转化成功能等价的机器语言指令构成的程序；•将机器语言指令构成的程序装入到内存中。•CPU在执行内存中的程序时，一条指令一条指令的执行。19内存存储示意图第0个存储单元第11个存储单元20•每个存储单元存放一个字节的数据，此内存共有12个存储单元，它的容量为12B。•存储单元从0H开始编号，第0个存储单元的内容为8CH，EAH数据所在的存储单元地址为02H。•内存可读也可写。例如：CPU从地址总线发出的地址信息为02H，从控制总线发出读命令，则从内存读出的数据为？•EAH;•CPU从地址总线发出的地址信息为02H，DR寄存器的内容为45H，从控制总线发出写命令，则内存的02H存储单元的内容为？•45H•问题，如果一个存储器的容量为2MB，说明此存储器共有多少个存储单元？存储单元的地址范围是？21•一个存储单元的内容为1B，现在存储器的容量为2MB，因此有2M＝221个存储单元.•存储单元的地址范围为：•从第0个存储单元开始到第221－1个存储单元。•0对应的二进制数：•000000000000000000000B＝0H•221－1对应的二进制数：•111111111111111111111B＝1FFFFFH•因此存储单元的地址范围为：•0H－1FFFFFH。2222计算机基本工作原理（考虑最简单的顺序执行的过程）•一条指令的执行过程分为以下4个步骤：–①取指令：按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。指令计数器加1–②分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。–③执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。–④一条指令执行完成，然后回到①，顺序执行下一条指令23计算机工作过程示例：完成下面的工作：7＋10，并将运算结果写入到第20H个存储单元中去。首先，将此任务编写成程序的形式，然后将此程序装入到内存中。•机器语言指令汇编语言指令•B007HMOVAL,07•其中B0是操作码，07H是操作数•此条指令的功能：由操作码B0产生（将7写入AL寄存器这个操作所需要的）所有控制信号•040AHADDAL,10•AL寄存器的当前内容与10做加法，并将结果写回到AL中。•A220HMOV[20H],AL•将AL寄存器的内容写到第20H个存储单元中去。2425第三节微机的特点、应用及发展方向26微机特点•运算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或每秒几十亿次运算。）•处理能力强（如各种管理、计算、决策）•能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量）•能干几乎所有的工作27应用•各行各业，无所不用•科技、生产、学习、日常生活等各个方面28发展方向•性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加（摩尔定律指出，每18个月计算机的运算速度就大体提高一倍，而价格则大约降低一半）•功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结合•体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信为中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结构向数据流结构发展•可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制转变，向智能化方向发展•制造工艺：向超高集成度发展，制造光集成芯片、生物芯片，设计超导、量子、生物、光计算机29第四节计算机运算基础30一、进位计数制•计算机中全部信息（包括指令和数据）都是采用二进制数；•为了书写方便，又经常采用十六进制。•而人们在日常生活中又广泛采用十进制。•因此需要进行相应的数值转换，二进、十六进、十进制都是进位计数制。31二、数制转换几种不同的进制数的基本符号十进制(D)二进制(B)八进制(O)十六进制(H)0123456789101112131415011011100101110111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789abcdef32321.4.1进位计数制ariimni1N=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-mr进制数N可表示为:(可按此公式转换成10进制数）R进制数用r个基本符号（例如0，1，2，…，r-1）表示数值基数权数码678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-233思考题•16进制数1B3.45对应的10进制数为？•8进制数127.2对应的10进制数为？•(1B3.45)16＝1B3.45H表示此数是16进制数•（127.2）8＝127.2O＝127.2Q表示此数是8进制数•（1234.56）10＝1234.56D＝1234.56•表示此数是十进制数，其中十进制数的下标和后缀可以省略•1B3.45H=1*162+B*161+3*160+4*16-1+5*16-2•=256+11*16+3+4*16-1+5*16-2•127.2O=1*82+2*81+7*80+2*8-134341.4.2不同进位计数制间的转换1.r进制转化成十进制r进制转化成十进制：数码乘以各自的权的累加例：10101B=24+22+1=21101.11B=22+1+2-1+2-2=5.75101O=82+1=6571Q=78+1=5101AH=163+16+10＝4106进制表示符号B二进制O（Q）八进制D十进制H十六进制T三进制352.十进制转化成r进制整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列。（直到乘积为0或达到要求的小数位数即可）例100.345(D)=1100100.01011(B)100(D)=144(O)=64(H)100(D)=144(O)=64(H)=1100100(B)~10025022521226232100010010.34520.69021.38020.76021.520210081281804411001660461611.04最高位最低位36363.二进制、八进制、十六进制数间的相互转换64(H)=01100100(B)64144(O)=001100100(B)144•一位八进制数对应三位二进制数•一位十六进制数对应四位二进制数•二进制转化成八(十六)进制)整数部分：从右向左按三(四)位进行分组小数部分：从左向右按三(四)位进行分组不足部分补零例如：将下列二进制数转换成8进制数和16进制数1101101110.11010137•001101101110.110101(B)=1556.65(O)•155665•001101101110