微機(jī)原理及接口技術(shù).ppt

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1、微機(jī)原理與接口技術(shù),主 編肖洪兵 副主編李 冰馬銀花 參 編何秋生許春媚朱娟花 北京大學(xué)出版社,第1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ),主要內(nèi)容： 1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 1.2微型計(jì)算機(jī)概述 1.3計(jì)算機(jī)中信息的表示,1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況,1.1.1發(fā)展史 自1946年第一代電子計(jì)算機(jī)研制成功后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)幾代： 電子計(jì)算機(jī)按體積、性能、價(jià)格分類： 巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、 微型機(jī)（70年）、單片機(jī)（82年） 它們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)和基本原理上無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，常用的微型機(jī)采用了集成度相當(dāng)高的器件，功能日益完善，體積

2、大大縮小，得到廣泛應(yīng)用。,一、微型機(jī)的特點(diǎn)： 微型機(jī)采用LSI、 VLSI，具如下優(yōu)點(diǎn) 體積小、重量輕、價(jià)格便宜 可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活 應(yīng)用廣泛（科學(xué)計(jì)算、信息處理、計(jì)算機(jī)控制、智能儀器、計(jì)算機(jī)通信、家用電器）,二、微處理器的發(fā)展情況： 微處理器（CPU）為微型機(jī)的核心部件 第一代微處理器（1971） 代表機(jī)型：Intel 4004 Intel 8008 工藝：PMOS工藝 字長(zhǎng)：4位、8位 集成度： 2000晶體管/芯片 時(shí)鐘頻率：小于1MHZ 平均指令執(zhí)行時(shí)間：1015微秒,第二代微處理器（1973） 代表機(jī)型：Intel 8080、8085

3、 Motorola MC6800 Zilog Z80 字長(zhǎng)：8位 工藝：NMOS工藝 集成度： 9000晶體管/芯片 時(shí)鐘頻率：14MHZ 平均指令執(zhí)行時(shí)間：12微秒,第三代微處理器（1978） 代表機(jī)型：Intel 8086、80286 Motorola MC68000、68010 Zilog Z8000 字長(zhǎng)：16位 工藝：HMOS工藝 集成度： 2萬(wàn)10萬(wàn)晶體管/芯片 時(shí)鐘頻率：425MHZ 平均指令執(zhí)行時(shí)間：0.5微秒,第四代微處理器（1983以后） 代表機(jī)型：Intel 80386、80486

4、 Motorola 68040 Zilog Z80000 字長(zhǎng)：32位 工藝：CHMOS工藝 集成度： 15萬(wàn)120萬(wàn)晶體管/芯片 時(shí)鐘頻率：1660MHZ 平均指令執(zhí)行時(shí)間：小于0.1微秒,第五代微處理器（1993） 代表機(jī)型：Pentium 586 Pentium Pro P6 Pentium系列產(chǎn)品 字長(zhǎng)：64位 工藝：CMOS工藝 集成度： 310750萬(wàn)晶體管/芯片 時(shí)鐘頻率：60450MHZ 平均指令執(zhí)行時(shí)間：小于0.1微秒,目前 ： 奔騰4代CPU 運(yùn)算頻率：2000MHZ/秒

5、以上,1.1.2發(fā)展趨勢(shì),微處理器在以下幾方面發(fā)展很快： 提高芯片集成度 提高功能和速度 增加外圍電路的功能和種類 微型機(jī)發(fā)展趨勢(shì)： 高性能、高價(jià)格超級(jí)微機(jī)取代價(jià)格昂貴的中、小型機(jī) 性能較低、價(jià)格低廉的單片機(jī)，功能專一，應(yīng)用廣泛,1.1.3計(jì)算機(jī)的分類,按照其功能大小，計(jì)算機(jī)可分為： 微型計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)大量普及，幾乎應(yīng)用于所有領(lǐng)域，對(duì)世界科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。例如，面向個(gè)人或家庭使用的計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC機(jī)）。 小型計(jì)算機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易維護(hù)和使用。其規(guī)模和設(shè)置可以滿足一個(gè)中小型部門的工作需要。 中型計(jì)算機(jī)：最大的特點(diǎn)是具有較好的性能價(jià)格比。介于小型機(jī)和大型機(jī)之間，

6、能夠解決較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。 巨型計(jì)算機(jī)：也稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)。具有極高的性能和極大的規(guī)模，價(jià)格昂貴，多用于尖端科技領(lǐng)域如航天和軍事領(lǐng)域。,1.2.1微處理器（CPU） 集成在LSI、VLSI集成電路芯片上的中央處理單元，是微型機(jī)中運(yùn)算和控制的核心部件 微處理器組成： 算術(shù)邏輯部件 算術(shù)運(yùn)算 （ALU） 邏輯運(yùn)算 專門處理各種數(shù)據(jù)信息,,1.2 微型計(jì)算機(jī)概述,累加器 存放操作數(shù)、地址、運(yùn)算結(jié)果，也是CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的中間站 通用寄存器組 存放操作數(shù)、地址、運(yùn)算結(jié)果 控制邏輯部件 從內(nèi)存取指、譯碼，發(fā)控制信息和時(shí)序協(xié)調(diào)CPU內(nèi)部和外部的工作 內(nèi)部總

7、線 CPU內(nèi)部各部件之間的公共通道 注：CPU只有配上存儲(chǔ)器、外部輸入/輸出接口構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)才能工作,CPU的功能： 完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算 保存少量數(shù)據(jù) 對(duì)指令譯碼、完成規(guī)定的操作 能和外設(shè)及內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù) 提供控制信號(hào)和時(shí)序 響應(yīng)中斷請(qǐng)求,1.2.2微型計(jì)算機(jī),微型計(jì)算機(jī)的組成： CPU 存儲(chǔ)器 外部輸入/輸出接口電路（I/O接口） 系統(tǒng)總線,1.2.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成： 硬件：微型計(jì)算機(jī)+外設(shè) 軟件：系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 實(shí)用程序： 各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言程序、調(diào)試程序、 匯編程序、編譯程序等,,,1.3.1計(jì)算機(jī)中的

8、數(shù) 計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算的，微型計(jì)算機(jī)也不例外。當(dāng)然計(jì)算機(jī)中不僅要處理無(wú)符號(hào)數(shù)，還要處理帶符號(hào)數(shù)和帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)。 （1）機(jī)器數(shù) 為表示帶符號(hào)數(shù)，通常規(guī)定數(shù)的最高位為符號(hào)位。符號(hào)位通常用“0”表示正數(shù)，用“1”表示負(fù)數(shù)。如在8位機(jī)中，+12表示為00001100B，12表示為10001100B。這種能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的帶符號(hào)位的二進(jìn)制數(shù)就稱為機(jī)器數(shù)，而它所代表的真實(shí)值被稱為機(jī)器數(shù)的真值。,1.3計(jì)算機(jī)中的信息表示,,（2）帶符號(hào)數(shù)的表示 對(duì)帶符號(hào)數(shù)，計(jì)算機(jī)中常見的有原碼、反碼和補(bǔ)碼三種表示方法。 原碼 在表示帶符號(hào)數(shù)時(shí)，正數(shù)的符號(hào)位為“0”，負(fù)數(shù)的符號(hào)位為“1”，數(shù)值位不變，

9、這樣就得到了原碼。例如在8位機(jī)中： +38原=00100110B，38原=10100110B 其中，最高位為符號(hào)位，后面7位是數(shù)值。,,反碼 正數(shù)的反碼表示與原碼相同，最高位為符號(hào)位，其余位為數(shù)值位。如在8位機(jī)中： +4反=+4原=00000100B 而負(fù)數(shù)的反碼應(yīng)當(dāng)表示為，該數(shù)的原碼除符號(hào)位外按位取反。如在8位機(jī)中： 4反=11111011B,補(bǔ)碼,n位二進(jìn)制數(shù)X以2n為模的補(bǔ)碼為： X補(bǔ)=2n +X （mod2n） 當(dāng)X0時(shí)，X可表示為+X1X2Xn-1，X的補(bǔ)碼為： X補(bǔ)=2n +X=2n+X1X2Xn-1=0 X1X2Xn-1=X （mod2n） 當(dāng)X<0時(shí)，X可表示為X1X2Xn-1

10、，X的補(bǔ)碼為： X補(bǔ)=2n+X=2nX1X2Xn-1=111B 0 X1X2Xn-1+1= 1 +1 （mod2n） 即負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于負(fù)數(shù)的原碼（符號(hào)位除外）求反加1。 下面舉例說明補(bǔ)碼的求法與應(yīng)用： +3補(bǔ)=+3原=+3反=00000011B 3補(bǔ)=3反+1=11111100B+1=11111101B 0補(bǔ)=0反+1=11111111B+1=00000000B 這樣，當(dāng)負(fù)數(shù)采用補(bǔ)碼表示時(shí)，就可以把減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。,,（3）數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示 在實(shí)際運(yùn)算中，計(jì)算機(jī)所處理的數(shù)一般是帶有小數(shù)點(diǎn)的數(shù)，它既有整數(shù)部分，又有小數(shù)部分，這就提出一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位置如何確定的問題。在計(jì)算機(jī)中，通常有兩種方

11、法，即定點(diǎn)表示法和浮點(diǎn)表示法。 定點(diǎn)表示法 在定點(diǎn)表示法中，小數(shù)點(diǎn)的位置是固定的。計(jì)算機(jī)在處理定點(diǎn)數(shù)時(shí)，常把小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)值位的最后或最前面，即分為定點(diǎn)純小數(shù)與定點(diǎn)純整數(shù)兩類，如圖1.1所示。,,圖1.1 定點(diǎn)純小數(shù)和定點(diǎn)純整數(shù)的表示,浮點(diǎn)表示法,在浮點(diǎn)表示法中，小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動(dòng)的。例如，63.8可表示為0.638102或6.38100或63810-1等，由此，對(duì)于任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N也可表示為：N=S2J 其中，S稱為數(shù)N的尾數(shù)，表示數(shù)N的全部有效數(shù)字，它決定了N的精度。將S表示為SfS1S2Sn時(shí)，Sf是尾數(shù)的符號(hào)，稱為尾符，S1S2Sn表示尾數(shù)的數(shù)值。J稱為數(shù)N的階碼，底為2，指明了小數(shù)

12、點(diǎn)的位置，決定了數(shù)N的大小范圍，將J表示為JfJ1J2Jn，Jf是階碼的符號(hào)位，稱為階符，J1J2Jn表示階碼的數(shù)值。一般來說，任何一個(gè)數(shù)的浮點(diǎn)表示格式如圖1.2所示。,,圖1.2 浮點(diǎn)表示法,2計(jì)算機(jī)中的編碼,計(jì)算機(jī)中，數(shù)是用二進(jìn)制表示的。而計(jì)算機(jī)又應(yīng)能識(shí)別和處理各種字符，如大小寫英文字母、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、運(yùn)算符號(hào)等，這些符號(hào)也只能用若干位的二進(jìn)制碼組合（即編碼）來表示。 （1） BCD碼 BCD碼即十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼。因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)實(shí)現(xiàn)容易、可靠，且運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單，所以在計(jì)算機(jī)中使用二進(jìn)制數(shù)。但是，二進(jìn)制數(shù)并不直觀，于是在計(jì)算機(jī)的輸入和輸出時(shí)，通常還是采用十進(jìn)制數(shù)，不過，這樣的十進(jìn)制數(shù)要用二進(jìn)制編

13、碼表示，也就是二十進(jìn)制編碼，簡(jiǎn)稱BCD。,,（2） ASCII碼（字符編碼） 在計(jì)算機(jī)中，字母和字符也必須按照特定的規(guī)定，用二進(jìn)制編碼表示。編碼可以有各種方式，目前微機(jī)中最普遍采用的是ASCII碼（American Standard Cord for Information Interchange，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼）。ASCII碼使用7位二進(jìn)制編碼?？杀硎?28個(gè)字符，其中包括數(shù)碼（09），以及英文字母等可打印的字符。,本章小結(jié),本章從計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況開始，對(duì)計(jì)算機(jī)特別是微型計(jì)算機(jī)的基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、工作原理、系統(tǒng)組成、應(yīng)用特點(diǎn)等各類知識(shí)作了相應(yīng)的概述。 通過本章的學(xué)習(xí)，要了解微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史和應(yīng)用情況，關(guān)注當(dāng)前微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展動(dòng)向，尤其是微處理器芯片的更新?lián)Q代，以及相關(guān)軟件的應(yīng)用。要掌握微型計(jì)算機(jī)的分類方式，熟悉微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成以及工作原理，理解微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件各主要模塊的功能和在系統(tǒng)中所處的地位。為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。,習(xí)題,1.1什么是微處理器？ 1.2 什么是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？ 1.3什么是總線？,1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括： 微型計(jì)算機(jī)的硬件； 微型計(jì)算機(jī)的軟件。,部分習(xí)題答案,