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1、微機原理與接口技術,主 編肖洪兵 副主編李 冰馬銀花 參 編何秋生許春媚朱娟花 北京大學出版社,第1章 微型計算機基礎,主要內容： 1.1計算機的發(fā)展概況 1.2微型計算機概述 1.3計算機中信息的表示,1.1計算機的發(fā)展概況,1.1.1發(fā)展史 自1946年第一代電子計算機研制成功后，計算機的發(fā)展經歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模集成電路計算機幾代： 電子計算機按體積、性能、價格分類： 巨型機、大型機、中型機、小型機、 微型機（70年）、單片機（82年） 它們在體系結構和基本原理上無本質上的區(qū)別，常用的微型機采用了集成度相當高的器件，功能日益完善，體積
2、大大縮小，得到廣泛應用。,一、微型機的特點： 微型機采用LSI、 VLSI，具如下優(yōu)點 體積小、重量輕、價格便宜 可靠性高、結構靈活 應用廣泛（科學計算、信息處理、計算機控制、智能儀器、計算機通信、家用電器）,二、微處理器的發(fā)展情況： 微處理器（CPU）為微型機的核心部件 第一代微處理器（1971） 代表機型：Intel 4004 Intel 8008 工藝：PMOS工藝 字長：4位、8位 集成度： 2000晶體管/芯片 時鐘頻率：小于1MHZ 平均指令執(zhí)行時間：1015微秒,第二代微處理器（1973） 代表機型：Intel 8080、8085
3、 Motorola MC6800 Zilog Z80 字長：8位 工藝：NMOS工藝 集成度： 9000晶體管/芯片 時鐘頻率：14MHZ 平均指令執(zhí)行時間：12微秒,第三代微處理器（1978） 代表機型：Intel 8086、80286 Motorola MC68000、68010 Zilog Z8000 字長：16位 工藝：HMOS工藝 集成度： 2萬10萬晶體管/芯片 時鐘頻率：425MHZ 平均指令執(zhí)行時間：0.5微秒,第四代微處理器（1983以后） 代表機型：Intel 80386、80486
4、 Motorola 68040 Zilog Z80000 字長：32位 工藝：CHMOS工藝 集成度： 15萬120萬晶體管/芯片 時鐘頻率：1660MHZ 平均指令執(zhí)行時間：小于0.1微秒,第五代微處理器（1993） 代表機型：Pentium 586 Pentium Pro P6 Pentium系列產品 字長：64位 工藝：CMOS工藝 集成度： 310750萬晶體管/芯片 時鐘頻率：60450MHZ 平均指令執(zhí)行時間：小于0.1微秒,目前 ： 奔騰4代CPU 運算頻率：2000MHZ/秒
5、以上,1.1.2發(fā)展趨勢,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 微型機發(fā)展趨勢： 高性能、高價格超級微機取代價格昂貴的中、小型機 性能較低、價格低廉的單片機，功能專一，應用廣泛,1.1.3計算機的分類,按照其功能大小，計算機可分為： 微型計算機：微型計算機大量普及，幾乎應用于所有領域，對世界科技和經濟的發(fā)展起到了重要的推動作用。例如，面向個人或家庭使用的計算機（簡稱PC機）。 小型計算機：結構簡單、成本較低、易維護和使用。其規(guī)模和設置可以滿足一個中小型部門的工作需要。 中型計算機：最大的特點是具有較好的性能價格比。介于小型機和大型機之間，
6、能夠解決較復雜的數學計算和數據處理。 巨型計算機：也稱為超級計算機。具有極高的性能和極大的規(guī)模，價格昂貴，多用于尖端科技領域如航天和軍事領域。,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，是微型機中運算和控制的核心部件 微處理器組成： 算術邏輯部件 算術運算 （ALU） 邏輯運算 專門處理各種數據信息,,1.2 微型計算機概述,累加器 存放操作數、地址、運算結果，也是CPU與外設之間數據傳送的中間站 通用寄存器組 存放操作數、地址、運算結果 控制邏輯部件 從內存取指、譯碼，發(fā)控制信息和時序協(xié)調CPU內部和外部的工作 內部總
7、線 CPU內部各部件之間的公共通道 注：CPU只有配上存儲器、外部輸入/輸出接口構成一臺微型計算機才能工作,CPU的功能： 完成算術、邏輯運算 保存少量數據 對指令譯碼、完成規(guī)定的操作 能和外設及內存之間交換數據 提供控制信號和時序 響應中斷請求,1.2.2微型計算機,微型計算機的組成： CPU 存儲器 外部輸入/輸出接口電路（I/O接口） 系統(tǒng)總線,1.2.3微型計算機系統(tǒng),微型計算機系統(tǒng)組成： 硬件：微型計算機+外設 軟件：系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 實用程序： 各種計算機語言程序、調試程序、 匯編程序、編譯程序等,,,1.3.1計算機中的
8、數 計算機中的數據是以二進制的形式進行存儲和運算的，微型計算機也不例外。當然計算機中不僅要處理無符號數，還要處理帶符號數和帶小數點的數。 （1）機器數 為表示帶符號數，通常規(guī)定數的最高位為符號位。符號位通常用“0”表示正數，用“1”表示負數。如在8位機中，+12表示為00001100B，12表示為10001100B。這種能被計算機識別的帶符號位的二進制數就稱為機器數，而它所代表的真實值被稱為機器數的真值。,1.3計算機中的信息表示,,（2）帶符號數的表示 對帶符號數，計算機中常見的有原碼、反碼和補碼三種表示方法。 原碼 在表示帶符號數時，正數的符號位為“0”，負數的符號位為“1”，數值位不變，
9、這樣就得到了原碼。例如在8位機中： +38原=00100110B，38原=10100110B 其中，最高位為符號位，后面7位是數值。,,反碼 正數的反碼表示與原碼相同，最高位為符號位，其余位為數值位。如在8位機中： +4反=+4原=00000100B 而負數的反碼應當表示為，該數的原碼除符號位外按位取反。如在8位機中： 4反=11111011B,補碼,n位二進制數X以2n為模的補碼為： X補=2n +X （mod2n） 當X0時，X可表示為+X1X2Xn-1，X的補碼為： X補=2n +X=2n+X1X2Xn-1=0 X1X2Xn-1=X （mod2n） 當X<0時，X可表示為X1X2Xn-1
10、，X的補碼為： X補=2n+X=2nX1X2Xn-1=111B 0 X1X2Xn-1+1= 1 +1 （mod2n） 即負數的補碼等于負數的原碼（符號位除外）求反加1。 下面舉例說明補碼的求法與應用： +3補=+3原=+3反=00000011B 3補=3反+1=11111100B+1=11111101B 0補=0反+1=11111111B+1=00000000B 這樣，當負數采用補碼表示時，就可以把減法運算轉換為加法運算。,,（3）數的定點和浮點表示 在實際運算中，計算機所處理的數一般是帶有小數點的數，它既有整數部分，又有小數部分，這就提出一個小數點位置如何確定的問題。在計算機中，通常有兩種方
11、法，即定點表示法和浮點表示法。 定點表示法 在定點表示法中，小數點的位置是固定的。計算機在處理定點數時，常把小數點固定在數值位的最后或最前面，即分為定點純小數與定點純整數兩類，如圖1.1所示。,,圖1.1 定點純小數和定點純整數的表示,浮點表示法,在浮點表示法中，小數點的位置是浮動的。例如，63.8可表示為0.638102或6.38100或63810-1等，由此，對于任意一個二進制數N也可表示為：N=S2J 其中，S稱為數N的尾數，表示數N的全部有效數字，它決定了N的精度。將S表示為SfS1S2Sn時，Sf是尾數的符號，稱為尾符，S1S2Sn表示尾數的數值。J稱為數N的階碼，底為2，指明了小數
12、點的位置，決定了數N的大小范圍，將J表示為JfJ1J2Jn，Jf是階碼的符號位，稱為階符，J1J2Jn表示階碼的數值。一般來說，任何一個數的浮點表示格式如圖1.2所示。,,圖1.2 浮點表示法,2計算機中的編碼,計算機中，數是用二進制表示的。而計算機又應能識別和處理各種字符，如大小寫英文字母、標點符號、運算符號等，這些符號也只能用若干位的二進制碼組合（即編碼）來表示。 （1） BCD碼 BCD碼即十進制數的二進制編碼。因為二進制數實現(xiàn)容易、可靠，且運算規(guī)律簡單，所以在計算機中使用二進制數。但是，二進制數并不直觀，于是在計算機的輸入和輸出時，通常還是采用十進制數，不過，這樣的十進制數要用二進制編
13、碼表示，也就是二十進制編碼，簡稱BCD。,,（2） ASCII碼（字符編碼） 在計算機中，字母和字符也必須按照特定的規(guī)定，用二進制編碼表示。編碼可以有各種方式，目前微機中最普遍采用的是ASCII碼（American Standard Cord for Information Interchange，美國標準信息交換碼）。ASCII碼使用7位二進制編碼?？杀硎?28個字符，其中包括數碼（09），以及英文字母等可打印的字符。,本章小結,本章從計算機的發(fā)展概況開始，對計算機特別是微型計算機的基本概念、硬件結構、工作原理、系統(tǒng)組成、應用特點等各類知識作了相應的概述。 通過本章的學習，要了解微型計算機的發(fā)展歷史和應用情況，關注當前微型計算機的發(fā)展動向，尤其是微處理器芯片的更新?lián)Q代，以及相關軟件的應用。要掌握微型計算機的分類方式，熟悉微型計算機系統(tǒng)組成以及工作原理，理解微型計算機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)內容的學習打下一個良好的基礎。,習題,1.1什么是微處理器？ 1.2 什么是微型計算機系統(tǒng)？ 1.3什么是總線？,1.2 微型計算機系統(tǒng)包括： 微型計算機的硬件； 微型計算機的軟件。,部分習題答案,
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