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1、 微型计算机原理 主讲 贾清泉 开设的基本目的 计算机工作原理是电类专业学生知识结构的重要组成部 分 相关知识对后续课程 日常生活和工作 开展毕业 设计和硕博课题等各个方面都可能有不同程度的作用 学习目标 掌握微型计算机系统的结构组成 实现机理 工作原 理 掌握汇编语言程序设计的初步方法和调试过程 建立微型计算机系统整体概念 具备利用微机进行硬 件和软件开发的初步能力 课程特点 抽象 难理解 乏味 虽然对象是具体的 课时安排 共48学时 授课40学时 上机实验8学时 要求 加强理解 把相关知识具体化而不要抽象化 第一章 微型计算机基本原理 1 1 概述 1 电子数字计算机概念 目前通常所说的计
2、算机是指电子数字计算机 电子技术实现 数字化信息处理方式 高度复 杂的逻辑电子电路 信息以二进制形式 逻辑 电平形式 表示 自动地进行信息处理 2 计算机分类 按信息处理方式 数字计算机和模拟计算机 模拟计算机由于受元器件质量影响 其计算 精度较低 目前已很少生产 按用途 通用计算机和专用计算机 专用计算机针对某用途专门设计 按规模 速度 没有一个统一的标准 1989年 IEEE 电气与电子工程师协会 提出一种分类 巨型计算机或超级计算机 Supercomputer 小巨型计算机 Minisupercomputer 大型主机 Mainframe 小型计算机 Minicomputer 工作站 W
3、ork Station 个人计算机 Personal Computer PC 3 计算机发展简史 1 机械计算机的诞生 1614 年 苏格兰人John Napier发明了一种可以进 行四则运算和方根运算的精巧装置 1890年 Herman Hollerith 设计了用于美国人口普 查的机器 结果仅用6周就得出了准确的人口统计 数据 如果用人工方法 大概要花10年时间 2 电子计算机时代 1906 年 美国人Lee De Forest 发明电子管 为 电子计算机的发展奠定了基础 1946 年 第一台真正意义上的数字电子计算机 ENIAC 由美国宾夕法尼亚大学研制成功 重达数吨 占据几间房间 需要
4、多个操作员来维持 它们正常工作 非常昂贵 以至于只有政府和大型机构才能够买得 起 当时的人们认为几台或者几十台这样的机器就能够 满足全世界的需求了 在此期间 冯 诺伊曼 VON NEUMANM 也研制 出一台被认为是现代计算机原型的通用电子计算机 根据使用电子器件的不同 电子计算机经历了四个阶段 电子管计算机 1946 1956 晶体管计算机 1957 1964 集成电路计算机 1965 1970 超大规模集成 电路计算机 1971 至今 l 用机器语言 汇编语言编写程序 l 用于军事和国防尖端技术 l 开始使用高级语言 l 开始用于工程技术 数据处理和 其它科学领域 l 采用微程序 流水线等
5、技术 提高 运行速度 l 出现操作系统 诊断程序等软件 l 采用半导体存储器 l 采用图形界面操作系统 l 器件速度更快 软件 外设更加丰富 微型计算机是第四代计算机时期出现的一种 自从1981年IBM公司进入微型计算机领域推出了IBM PC以后 计算机的发展开创了一个新的时代 微型计 算机时代 微型计算机的迅速 大规模的应用与普及 使计算机真正广泛地应用于工业 农业 科学技术以及 社会生活与日常生活的各个方面 以前的大型机 中型 机 小型机的界线巳经日益模糊与消失 随着微型计算 机应用的普及和发展 芯片与微型机的功能和性能迅速 提高 其功能已经远远超过了20世纪80 年代以前的小型 机 中型
6、机 甚至超过了大型机 当前微型计算机运算速度一般为20 30亿次 秒 世界最快的计算机速度为280万亿次 秒 中国最快的计算机为上海超级计算机中心的 曙光 4000A 8万亿次 秒 世界排名第31位 4 计算机的特点 处理速度快 运算精度高 存储记忆能力强 自动执行任务功能 人机交互功能 5 计算机的应用 数值计算 基本功能 但此功能应用逐渐缩小 信息处理 数据库 管理信息系统 办公自动化 系统 目前世界约80 的计算机用于信息处理 控制 自动化 过程控制 生产自动化 辅助分析 设计 CAD CAM CAI 仿真计算 网络应用 人工智能 模式识别 神经网络 专家系统 机 器人等 6 计算机发展
7、方向 当前模式的电子计算机发展趋势是朝微型 化和巨型化两方面发展 功能发展 多媒体计算机 更好地支持多媒体技术 音频 视频数据压缩 解压缩技术 多媒体 数据的通信 计算机智能化 具有推理 联想 学习等 思维功能和模式识别功能 网络计算机 全面支持网络功能 新型计算机的研究 神经网络计算机 从内部结构模拟人脑神 经系统 生物计算机 使用蛋白分子为材料的生物 芯片 光学计算机 用光子代替电子 用光连接 代替金属导线连接 运算速度快千倍 7 个人计算机的构成 中央处理器CPU 主板 内存 硬盘 显卡 显示器 键盘等 1 2 微型计算机系统的组成 1 组成部分 运算器ALU 寄存器 控制器 系统软件
8、DOS Windows 应用软件 Word Excel Visual C 中央处 理 器 CPU 存储器 I O接口 总线 硬 件 软 件 微 型 计算机 系 统 微 型 计算机 主机 外 设 键盘 鼠标 显示器 软驱 硬盘 光驱 打印机 扫描仪 2 中央处理器 中央处理器CPU Central Processing Unit 具有运 算和控制功能 是整个微型计算机的核心 也称微处 理器 微处理器的主要功能部件有 1 运算器 也称算术逻辑部件 ALU 用来进行 算术和逻辑运算 2 控制器 整个系统的指挥控制部件 从内存中取 出指令 翻译指令并操控运算器及其它部件完成相应 操作 3 寄存器 包括
9、程序计数器 指令寄存器 累加器 地址寄存器 数据寄存器 通用寄存器等 3 存储器 Memory 记忆部件 存储程序和数据 存储器分级配置 内存 由半导体存储器组成 读写速度快 外存 如硬盘 软盘等 容量大 读写速度慢 程序在外存存放 执行时调入内存 4 外部设备 I O设备 外设 Peripheral Equipment 完成信息转换 计算机与外界交互 文字 声 音等自然信息以及其它物理信息与计算机能识别 的二进制信息进行转换 使计算机对人有用 至少应有一台外设 5 总线 Bus 计算机各部件之间传送信息的公共通道 各部件分时复用总线 在某一时刻 只能有一个部件向总线发送数据 否 则形成总线冲
10、突 可有多个部件从总线接收数据 总线结构降低了部件之间连线数量 提高可靠性 但数据交换速度降低 总线按传递信息的内容分为 数据总线 Data Bus DB 双向 地址总线 Address Bus AB 单向 控制总线 Control Bus CB 双向 6 微型计算机结构框图 存 储 器 I O 接 口 输 入 设 备 I O 接 口 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 输 出 设 备 CPU 1 位与字节 1 位 Bit l 指计算机能表示的最小信息单位 l 在计算机中采用二进制表示数据和指令 故 位就是一个二进制位 有两种状态 0 和 1 1 3 微型计算机系统的工作原理 2
11、字节 Byte l 相邻的8位二进制数称为一个字节 1 Byte 8 bit 如 1100 0011 0101 0111 3 字 Word l字是CPU内部进行数据处理的基本单位 l字长与CPU内部的寄存器 运算器 总线宽 度是一致的 l通常也将2个字节 16位 定义为一个字 4 位编号 10100010 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 数据Data 地址Address l 指令是CPU能执行的一项基本操作 如 存数 取数 加 减 乘 除等 2 指令与指令系统 l 指令系统 或指令集 是某CPU所能执行的全部操 作的总和 不同的C
12、PU 其指令系统不同 l 程序是用户为使用计算机完成特定任务而编写的指 令的序列 l 为使指令能被计算机识别 必须以二进制编 码形式表示 称为机器码 l 用机器码形式表示的指令不便于人来记忆和 理解 于是用一些助记符表示指令代码 如 MOV AX 3561H ADD BL 21H l 用助记符表示指令代码的语言称为汇编语言 l 汇编源程序经特定的软件进行编译 形成机 器码程序 目标程序 l高级语言 按一定语法规则设计的便于理解 和编程的计算机编程语言 需经特定的编译软 件转化为机器语言才能被计算机执行 3 计算机的工作过程 程序存放在存储器中 CPU上电后自动从存储器特定位置开 始逐条执行指令
13、 执行过程 取一条指令 分析指令 执行指令 标 志 寄存器 地址总线 AB 数据总线 DB 控制总线 CB 指令寄存器 数据寄存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄 存 器 程序 计数器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 器 存 储 器 举例 一段汇编程序 MOV AL 7 将数值7装入累加器AL中 ADD AL 10 AL内容与10相加 结果存于AL中 HLT 停止操作 编译成机器码 10110000 MOV AL X 00000111 X 7 00000100 ADD AL X 00001010 X 10 11110100 HLT 写入存储器 内容 10110000 0000011
14、1 00000100 00001010 11110100 地址 0000H 0001H 0002H 0003H 0004H 4 当前计算机的基本实现方案 冯 诺依曼 Von Neumann 体系结构 由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设 备五部分组成 各自行使不同功能 指令与数据存放在存储器中 顺序执行 采用二进制形式表示信息 该体系结构是冯 诺依曼 Von Neumann 于1946年提 出 奠定了计算机实现框架 1949年诞生冯 诺依曼结构计算机 至今计算机结构 没有根本突破 年代 型号 晶体管数量 1978年 8086 2 9万 1982年 80286 13 5万 1985年 80
15、386 32万 1990年 80486 120万 1993年 Pentium 320万 1996年 Pentium Pro 550万 1997年 Pentium II 750万 300MHz 1999年 Pentium III 2000年 Pentium IV 4200万 1 4GHz 0 18um工艺 Moore定律 晶体管的大小将以指数速率变小 而集成 到芯片上的晶体管数目将18 24个月翻一番 Gordon Moore 1965 Intel公司的创始 人 著名半导体科学家 二进制 Binary 表示 计算机表示信息的方式 十进制 Decimal 表示 人的自然表示 16进制 Hexade
16、cimal 表示 二进制的等价表示 每4位二进制数字等价于一位16进制数字 用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 表示16个数码 表示 二进制 B 十进制 D 可省略 十六进制 H 1 4 计算机运算基础 1 常用的计数制 2 数制间的数值转换 1 非十进制数化十进制数的方法 各位数码乘以与其 对应的权 然后相加即可 如 1011B 1 23 0 22 1 21 1 20 11 02E3H 0 163 2 162 E 16 3 2 256 14 16 3 739 2 十进制转化为N进制数的方法 整数部分除以N 并记下余数 直到商为0 将余数按从后往前的顺序排列起来 构成整数部分 小数部分乘以N 并记下结果的整数部分 直到结果 的小数部分为0 然后将结果的整数部分从前向后排列 起来 构成小数部分 3 十六进制与二进制数的转换 十六进制数每一位用4位二进制数表示 4 举例 求100D的二进制和十六进制表示 100 2 50余0 50 2 25余0 25 2 12余1 12 2 6余0 6 2 3余0 3 2 1余1 1 2 0余1 所以100D 1100100B
