计算机硬件基础

微型计算机硬件技术基础信息科学技术学院2目录1.微型计算机基础知识2.微处理器基础3.指令系统4.汇编语言程序设计5.总线结构6.存储器7.输入/输出技术3课程目标获得计算机硬件技术方面的基础知识，基本方法和基本技能，培养学生利用硬件与软件相结合方式分析、解决问题的思维方法和初步能力。具体要求：了解和掌握计算机中信息的表示和处理方法；掌握微型机硬件系统的构成及工作原理；建立微机系统的整体概念；掌握Intel8086基本指令系统，并了解汇编语言程序方法；掌握存储器的结构及设计原则；掌握微机的输入输出技术。4说明教材：《微型计算机硬件技术基础》迟丽华主编，天津大学出版社考核方式平时作业+实验30%期末考试70%5第1章微型计算机基础知识1.1微型计算机概述1.2数制1.3二进制基本运算1.4有符号数的表示及运算1.5二进制编码1.6计算机工作过程61.1微型计算机概述1.1.1微型机系统构成主机箱键盘鼠标打印机显示器7现代家庭、办公用计算机构成8主机内部结构电源主板托架：固定硬盘、光驱、软驱9主板构成CPU插座内存插槽PCI总线AGP接口电池电缆插座10接口（适配器）用于连接主机与外设11工业计算机应用系统构成监控对象传感器信号调理多路模拟开关采样保持A/D计算机总线D/A低通滤波控制装置功率放大CPUROMRAM键盘显示控制逻辑………12（1）采用PC总线的工控机13PC/104是自栈式结构，每个模块均可以独立栈接，栈高仅为0．6in（约15mm）。无需底板和插槽，CPU模块和其它PC/104模块即可组成系统，该结构省去了机箱和底板，非常适合嵌入式控制的独特要求。（2）PC104总线工控机CPU模块用户PCB8位扩展模块16位扩展模块16位CPU模块14（3）PLC工控机15计算机在船舶上的应用海洋工程船舶控制平台机舱监测系统智能船桥系统16软件类型系统软件应用软件17微型计算机系统组成硬件系统微型计算机系统微处理器存储器I/O接口总线微型计算机(主机)外设运算器寄存器控制器输入设备输出设备外部存储设备通信设备系统软件应用软件软件系统181.1.2微机硬件系统指令流控制命令数据流运算器输出设备控制器输入设备存储器冯·诺依曼计算机结构19微机硬件基本组成芯片组微处理器Cache主存BOISCOMSRAM主板I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口显示器磁盘鼠标其他外设总线20硬件系统逻辑功能微处理器(=控制器+运算器+寄存器):执行指令，进行控制和运算，计算机系统核心。存储器：记忆部件，存放数据和程序。按字节管理，按地址操作，可读写操作。I/O接口：连接主机与外设进行信息交换的“桥梁”。总线：计算机系统中信息的公共传输通道（CPU总线、系统总线、外设总线）。外设：实现对计算机信息的输入输出。21主板组成框图CPU北桥南桥RAMCacheAGPCRTBIOSKBD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISA前端总线/CPU总线接口卡外设总线扩展槽22主板功能构成芯片组：固定在主板上的一组IC，用于控制和协调整个计算机系统的运行。高速缓存（Cache）：速度匹配CMOS：存放系统运行所必需的配置信息和参数，由电池供电。系统BIOS：包含上电自检POST—从0FFFF0H处开始读取和执行指令系统初始化SysInit—IC初始化、设置中断向量表及中断向量，将操作系统中的初始引导程序装入内存，启动操作系统；系统设置Setup—装入或更新CMOS中的信息主板结构23ISA总线：16位总线PCI总线：32位总线AGP接口：图形加速端口内存接口：扩展内存容量IDE、EIDE：连接外存（硬盘、光驱等）并行、串行接口鼠标、键盘USB总线总线接口24微机硬件系统逻辑结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备微处理器数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus其他系统25位（bit，简写为“b”）：计算机中表示信息的最小单位，存放二进制中的0或1。字节（Byte，简写为“B”）：8个二进制位为一个字节，计算机中存储信息的基本单位。字长：CPU在单位时间内能一次处理的二进制数的位数，是计算机进行数据处理和运算的单位。……位(bit)字长字节Byte(8位)计算机中的信息单位261.1.3微机主要性能指标字长：指CPU一次运算二进制数的位数。字长标志着机器处理数据的精度，通常是8的倍数。外频：主板为CPU提供的基准时钟频率主频：时钟脉冲的频率，CPU内部电路的实际运行频率，用来表示CPU的运行速度。主频=外频×倍频系数存储器容量：计算机所能存放的字节数，包括主存和外存。运算速度：每秒所能执行的指令条数MIPS外设扩展能力：计算机配接各种外设的可能性、灵活性和适应性。27微程序技术：指令由微程序构成，加快微处理器的更新换代。RISC技术：简化指令和CPU结构，减少指令的执行周期数，加快机器的执行速度。流水线技术：将指令分解为多步，各步重叠并行操作。Cache与虚拟存储技术：提高存储器的操作速度、扩大存储空间。乱步执行技术：允许指令按照不同于程序中指定的顺序发送给执行部件去执行，缩短程序的执行时间。微机新技术应用281.2数制日常生活中存在着多种进位计数制，人们最习惯使用的是十进制。在计算机中则采用二进制，除此之外，还有八进制和十六进制，计算机中的所有信息都是以二进制数形式表示的。二进制：物理上容易实现，适合逻辑运算，运算规律简单，可靠性好、通用性强。1010010129计算机数值西文汉字声音、图像等输入设备十-二转换ASCII码输入码-机内码模/数转换数值西文汉字声音、图像等二-十转换西文字型码汉字字型码数/模转换输出设备二进制状态301.2.1进位计数制数制：数的制式，是利用有限个符号进行计数的一种方法。对于一个任意数制的数N（n位整数、m位小数）可表示为：其中：R：数制的基数Ri：第i位的权ai：数符，有R个ai=0，1…，R-1。RainmiiN1按进位的原则进行计数逢N进1采用位权表示法6783461071081031041021012.基数权数码31常用的进制十进制DecimalR＝10，ai＝0、1、2、…、9逢十进一二进制BinaryR＝2，ai＝0，1逢二进一十六进制HexadecimalR＝16，ai＝0、…9、A、B、C、D、E、F逢十六进一进制表示符号:B二进制D十进制H十六进制32表1-1三种进制对照表DBHDBH00000000810008010001109100190200102101010A0300113111011B0401004121100C0501015131101D0601106141110E0701117151111F331.2.2各种数制间转换(1)将二进制、十六进制转换为十进制分别写出R进制数的按权展开式，计算所得的值即为转换后的十进制数。RainmiiN1(人)(表示方式)(机)DBH34例1:10101B=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20=24+22+1=21D例2：5C.2AH=5×161+12×160+2×16-1+10×16-2=80+12+0.125+0.0390625=92.1640625D35整数部分：除以2取余数，直到商为0，余数从右到左排列。小数部分：乘以2取整数，直到小数部分为0，或满足精度，整数从左到右排列。0210050202250122163221200110.23×20.46×20.92×21.84例：将100.23D化为二进制数。方法：0.84×21.68若小数保留4位：结果:100.23D=1100100.0011B←低位(2)十进制数转化成二进制数36例：1101101110.11010100B=36E.D4H36ED4•B转化成H以小数点为基准整数部分：从右向左按四位进行分组小数部分：从左向右按四位进行分组不足补零64H=01100100B64•一位H对应四位B(3)二与十六进制数间的转换371.3二进制基本运算1.3.1算术运算加：0+0=00+1=11+0=11+1=(1)0减：0-0=00-1=(-1)11-0=11-1=0乘：0×0=00×1=01×0=01×1=1除：0÷1=01÷1=138逻辑与：0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1逻辑或：0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1逻辑非：0=11=0逻辑运算是指对某一给定条件，判断结论是否成立的一种运算。0和1不表示数值的大小，而是表示条件和结论成立与否。1.3.2基本逻辑运算391.3.3基本逻辑单元&1&=1≥1≥1=1与门或门非门与非门或非门异或门同或门1缓冲门三态门40附1常见逻辑运算真值表输入输出XAB缓冲非与或与非或非异或同或AAA•BA+BA•BA+BABA⊙B0001001101010101101010100110101110110001¯41附2集成芯片型号及引脚图74LS00二输入四与非门74LS04六反向器42（1）译码器有n个输入变量，2n个输出。当输入为某一组合时，对应的仅有一个输出有效，而其余输出无效。EY0ABY1Y2Y3¯功能表1111XX10111110101110011010101110000Y3Y2Y1Y0BAE¯1.3.4常见逻辑部件43译码器原理EY0ABY1Y2Y3¯100110001111EY0ABY1Y2Y3¯0001110011104474LS1383-8译码器45（2）多路开关（数据选择器）从多个输入通道中选择某一个通道的数据作为输出。例四通道选一功能表0XX1D3110D2100D1010D0000YS0S1E¯ED0D1D2D3S0S1Y¯46多路开关功能ED0D1D2D3S0S1Y¯011D3ED0D1D2D3S0S1Y¯14774LS1518选1数据选择器48（3）电位触发触发器接收满足一定条件的输入数据，具有记忆功能，时序逻辑电路.Q¯DEQ功能表10Q0Q10XD0111Q00QE¯¯EDQQ¯49电位触发触发器功能QE=0DQ¯E＝10Q＝0Q＝1¯E＝11Q＝1Q＝0¯50（4）D触发器（边沿触发）Q¯DCPQ¯RS¯¯RCPDQQ¯654321¯S1010Q10XXD0111110X011X10QCPSR功能表¯¯¯5174LS74双D触发器52（5）寄存器用于暂存数据和指令。采用正边沿触发D触发器和锁存器构成。¯QQRDDCP¯¯QQRDDCP¯¯QQRDDCP¯¯QQRDDCP¯¯1Q4Q3Q2Q4D3D2D1DCKRD1Q¯4Q¯2Q¯3Q¯0000X04D3D2D1D14Q3Q2Q1QCKRD¯53移位寄存器D1D4D3D2QAQDQCQBDCBADRDLDRDRDRDLDLDLS0S1RD54移位寄存器RDS0S1CK功能操作0xxx清0Q=0100保持Q=Q110右移Q=DR101左移Q=DL111并入Q=D功能表QAQDQCQBCDBACKS0S1RD¯¯DLDR逻辑符号5574LS95四位移位寄存器56（6）一位二进制全加器Fi＝AiBiCi＋AiBiCi＋AiBiCi＋AiBiCi＝AiBiCi=HiCiCi+1＝AiBiCi＋AiBiCi＋AiBiCi＋AiBiCi＝AiBi+(AiBi)Ci＝AiBi+HiCiAiBiCiFiCi+10000001010100101100100110011011010111111Fi＝Ai＋Bi＋Ci进位Ci＋1FiFACiBiAiCi＋157全加器逻辑图和符号FiCi＋1CiBiAiHiFiFACiBiAiCi＋158（7）n位串行进位加法器构成：由n个全加器相连特点：加法器间的进位自低位向高位逐位串行传递，有延时，速度慢。fn－1F