中国科技大学微机原理与接口技术-周荷琴第4版ppt课件

第一章绪论主要内容•微型计算机的组成•计算机中数制及其转换•符号数的表示及运算•数的定点与浮点表示§1.1概述一、电子计算机的发展：•电子管计算机（1946-1956）•晶体管计算机（1957-1964）•中小规模集成电路计算机（1965-1970）•超大规模集成电路计算机（1971-今）二、电子计算机按其性能分类：•大中型计算机/巨型计算机（MainframeComputer）•小型计算机（Minicomputer）•微型计算机（Microcomputer）•单片计算机（Single-ChipMicrocomputer）•微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的•微处理器的集成度每隔18-24个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍------摩尔定律IntelCPU的发展见下页表代发表年份字长(bits)型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.310.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.9134.77-108-2011-2四198519893280386804861-227.512012-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP40.60.60.35.25-.13.18-.135504507508503000133-200166-233233-450450-12001300-3000300七2002？64Itanium？0.08CPU:2.5KCache:30K800(20条指令/时钟周期)3000三、微型计算机的组成I/O设备CPU运算器控制器内存RAMROMI/O接口AB地址总线DB数据总线CB控制总线8255、8250（8251）8253、8259键盘、打印机显示器、软硬盘A/D、D/A等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、U盘硬盘（移动硬盘）光盘•AMDAthlonIIX2240/盒装本周劲热排行第3位•参考价格：￥380(全国)•接口类型：SocketAM3(938)•生产工艺：45纳米•主频：2.8GHz•二级缓存：L2=2×1M•核心数量：双核AMDPhenomIIX2550/黑盒•参考价格：￥740(全国)•接口类型：SocketAM3(938)•核心类型：Stars•生产工艺：45纳米•主频：3.1GHz•二级缓存：L2=2×512K•三级缓存：L3=6M•核心数量：双核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。四、微机主要性能指标1、字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。2、主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。现在一般用G表示。如P4/2．8G3、运算速度MIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令。由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。4、主存容量主存储器所能存储的信息总量称为主存容量。主存容量一般以字节为单位。如256MB、512MB位：二进制信息的最小单位。字节：由8位二进制所组成。§1.2计算机中的数制和编码一、计算机中常用的进制数人们最常用的数是十进制数，计算机中采用的是二进制数，同时有的时候为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。1、十进制数十进制数是大家熟悉的，用0，1，2，…，8，9十个不同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。2、二进制表示法基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。二进制表示数值方法如下：NB=±Ki*2i其中：Ki=0或1ni=-m例：二进制数1011.1表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1运算规则：加法运算：0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二进一）减法运算：0-0=010-1=1（借位）1-0=11-1=0乘法运算：0*0=00*1=01*0=01*1=1除法运算0/1=01/1=13、八进制表示法八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，…，7这八个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。八进制表示数值方法如下：NO=±Ki*8i其中：Ki=0、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（467.6)O=4*82+6*81+7*80+6*8-14、十六进制表示法基数为16，用0-9、A-F十五个字符来数值，逢十六进一。各位的权值为16i。二进制表示数值方法如下：NH=±Ki*16i其中：Ki=0-9、A-Fni=-m例：（56D.3)H=5*162+6*161+13*160+3*16-1二、进制间的转换1、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。例:11101.101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875（2）、十进制数转换为二进制数方法：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。B、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。例：将（136）D转换为二进制数。2136余数（结果）低位268----------0234----------0217----------028----------124----------022----------021----------00----------1高位转换结果：（136）D=（10001000）B例：将（0.625)D转换为二进制数。0.625*21.25*20.5*21.0取整：高位低位转换结果：(0.625)D=(0.101)B若出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可。如0.6*22、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。1000110.01001000110.010(106.2)O二进制数到十六进制数的转换：（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100(46.4)H（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。例：将(352.6)o转换为二进制数。352.6011101010110=(11101010.11)B三、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、原码表示法原码：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：nnnXXXXX111222≥00≥-例：求X1=1011，X2=-1011的原码。（8位）[X1]原=00001011[X2]原=100010110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。C、8位数原码所表示的范围：-127～+1272、反码表示法定义：若X0，则[X]反=[X]原。若X0，则[X]反=对应原码的符号位不变数值部分按位求反。[+0]反=00000000[-0]反=1111111[+1100111]反=01100111[-1100111]反=100110008位反码所表示的范围：-127～+127nnnXXXXX112(21)2≥00≥-3、补码表示法正数的补码和原码相同。负数的补码=反码+1。[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000[0]补=[+0]补=[-0]补=000000008位补码所表示的范围：-128～+127计算机中的数均为补码形式。-nnnXXXXX11222≥00＞≥-•特殊数10000000•该数在原码中定义为：-0•在反码中定义为：-127•在补码中定义为：-128•对无符号数：(10000000)２=1284、由补码求真值•某内存单元的内容是D2，为8位二进制数，其所表示的十进制数是多少？[X]补=D2H=1101001