微机原理第1章概述.ppt

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1、课程：116周微机原理及应用微机原理及应用答疑地点：答疑地点：东东6A408,411第一章第一章 概述概述微机发展概况微机发展概况信息在计算机中的表示信息在计算机中的表示微机系统工作原理微机系统工作原理微机硬件微机硬件微机软件微机软件习题习题第一章第一章小结小结第一章第一章习题习题学学 习习 目目 的的了解计算机的发展了解计算机的发展熟悉计算机的数制与编码熟悉计算机的数制与编码掌握微处理器、微型计算机和微型计算掌握微处理器、微型计算机和微型计算机系统的组成机系统的组成熟悉微型计算机的总线结构特点熟悉微型计算机的总线结构特点第一章第一章第一章第一章: :学习目的学习目的学习目的学习目的重重 点点

2、微处理器、微型计算机微处理器、微型计算机微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成计算机的数制与编码计算机的数制与编码微型计算机的总线结构微型计算机的总线结构难难 点点微型计算机的总线结构微型计算机的总线结构第一章第一章第一章第一章: :重点难点重点难点重点难点重点难点1.1 1.1 微计算机的发展（了解）微计算机的发展（了解）1.1.1.1.1.1.计算机的发展计算机的发展1946年，世界上第一台计算机诞生于美国宾年，世界上第一台计算机诞生于美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院夕法尼亚大学的莫尔学院.第一代：（第一代：（1946-1957）：电子管）：电子管第二代：（第二代：（1957-1964）：晶

3、体管）：晶体管第三代：（第三代：（1965-1971）：中小规模集成电路管）：中小规模集成电路管第四代：（第四代：（1970-1992）：超大规模集成电路）：超大规模集成电路第一章第一章第一章第一章:1.2:1.2计算机的发展计算机的发展计算机的发展计算机的发展1.1.1 1.1.1 计算机的发展计算机的发展1943年年美国开始研制电子计算机美国开始研制电子计算机1946年年2月月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领的物理学博士莫克利和电气工程师埃克特领导的研制小组，研制成了世界上第一台数字导的研制小组，研制成了世界上第一台数字式电子计算机

4、式电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。）。约约18000个电子管、个电子管、1500个继电器，耗电量个继电器，耗电量达达150kW，占地面积，占地面积167m2，重量约，重量约30吨吨，计算速度计算速度每秒每秒5000次次，采用字长，采用字长10位的十进位的十进制计数方式。制计数方式。1.1.2 1.1.2 微处理器的发展微处理器的发展第第一一代代1971年年Intel40044位位2300108KHz每秒每秒6万次万次1972年年Intel80088位位3500基本指令周期为基本指令周期为2050s第第二二代代1974

5、年年Intel80808位位60002MHzMC68008位位68001976年年Z808位位100002.5MHz第第三三代代1978年年Intel 808616位位290005MHz基本指令周期基本指令周期0.5 s1982年年Intel 8028616位位13.4万万基本指令周期基本指令周期0.2 s第第四四代代1985年年10月月8038632位位27.5万万16-33MHz3-4MIPS 1989年年4 4月月8048632位位120万万33-120MHz/41-54MIPS第第五五代代1995.3.22Pentium32位位310310万万75-133MHz0.6m1995.11.

6、8 Pentiumpro 32位位550万万200MHz/400MIPS1997年年Pentium32位位700700万万 266MHz/400MIPS1999.2.26Pentium32位位28002800万万450MHz1999.2.24AMD-K6-32位位21302130万万450MHz0.25m2000.11.24Pentium432位位42004200万万1.4GHz0.18m更新更新从从19711971年第一片微处理器诞生以来，微处理器和微型计年第一片微处理器诞生以来，微处理器和微型计算机获得了极快的发展，几乎每两年微处理器的集成度算机获得了极快的发展，几乎每两年微处理器的集成度

7、翻一番，每翻一番，每2 24 4年更新换代一次，现已进入第六代。年更新换代一次，现已进入第六代。 第一章第一章第一章第一章:1.1:1.1微处理器的发展微处理器的发展微处理器的发展微处理器的发展摩尔定律摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍晶体管数目每两年增加一倍第一章第一章第一章第一章:1.1:1.1计算机的发展计算机的发展计算机的发展计算机的发展摩尔定律摩尔定律 CPUCPU性能每性能每1818个月增加一倍个月增加一倍 14004502662001338033165020040060080010001200140016001978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1

8、999 2000年MHz频率第一章第一章第一章第一章:1.1:1.1微处理器的发展微处理器的发展微处理器的发展微处理器的发展CPU性能性能每每18个月增加一倍个月增加一倍晶体管数目每两年增加一倍晶体管数目每两年增加一倍后面是什么?PentiumPentiumMMXPentiumPro80486DX280386DX802868086在计算机内部用二进制数以不同形式在计算机内部用二进制数以不同形式 编码表示和存储信息。编码表示和存储信息。 计算机不仅能进行数值计算，而且还能处理文字、声音、图计算机不仅能进行数值计算，而且还能处理文字、声音、图计算机不仅能进行数值计算，而且还能处理文字、声音、图计算

9、机不仅能进行数值计算，而且还能处理文字、声音、图形、图像等各种信息，统称为数据。具有数值大小和正负特性的形、图像等各种信息，统称为数据。具有数值大小和正负特性的形、图像等各种信息，统称为数据。具有数值大小和正负特性的形、图像等各种信息，统称为数据。具有数值大小和正负特性的数据称为数值数据；而文字、图形、声像之类的并无数值大小和数据称为数值数据；而文字、图形、声像之类的并无数值大小和数据称为数值数据；而文字、图形、声像之类的并无数值大小和数据称为数值数据；而文字、图形、声像之类的并无数值大小和正负特征的信息称为非数值数据。正负特征的信息称为非数值数据。正负特征的信息称为非数值数据。正负特征的信息

10、称为非数值数据。 计算机对要处理的数据（数值或非数值数据）计算机对要处理的数据（数值或非数值数据）实行二进制编码。实行二进制编码。为便于记忆和书写，用十六进为便于记忆和书写，用十六进制数表示二进制数。制数表示二进制数。1.2 信息在计算机中的表示信息在计算机中的表示1.2.1 1.2.1 机器数与真值机器数与真值用二进制数可以表示带符号数附附: : 十进制数、二进制数与十六进制数及相互关系十进制数、二进制数与十六进制数及相互关系HexHexBinaryBinaryDecimalDecimalHexHexBinaryBinaryDecimalDecimalF FE ED DC CB BA A9

11、98 8111111111110111011011101110011001011101110101010100110011000100001110111011001100101010101000100001100110010001000010001000000007 76 65 54 43 32 21 10 015157 714146 613135 512124 411113 310102 29 91 18 80 01.2.2 1.2.2 计算机中的数据类型计算机中的数据类型位（Bit） 、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、 四字（Quardword） 1 bit

12、=1个二进制位1 Byte=8 bit1 Word=2 Byte 1 Doubleword=2 Word=4 Byte1 Quardword=4 Word01101100 01111110 10101100 11110000 01010011bit(1B) Byte(53H)Word(0F053H)Doubleword(7EACF053H)Quardword低字节低字节高字节高字节高字高字低字低字1.2.3 1.2.3 原码、反码与补码原码、反码与补码计算机中带符号数的表示 对于带符号数，最高位为符号位，余下的二进制数位表示数值。符号位用 “0” 表示正数，用 “1” 表示负数。正数表示正数表

13、示正数表示正数表示: : 原码原码原码原码 , , 反码反码反码反码 , , 补码完全一样补码完全一样补码完全一样补码完全一样 例如例如例如例如: : 十进制数十进制数十进制数十进制数 +5 +5 的表示的表示的表示的表示原码原码原码原码: 00000101B : 00000101B 或或或或 05H05H反码反码反码反码: 00000101B : 00000101B 或或或或 05H05H补码补码补码补码: 00000101B : 00000101B 或或或或 05H05H用一个字用一个字用一个字用一个字节来表示节来表示节来表示节来表示1.2.3 1.2.3 原码、反码与补码原码、反码与补码

14、计算机中带符号数的表示负数表示负数表示负数表示负数表示: : 原码原码原码原码 , , 反码反码反码反码 , , 补码补码补码补码 表示都表示都表示都表示都不一不一样样 例如例如例如例如: : 十进制数十进制数十进制数十进制数 -5 -5 的表的表的表的表示示示示原码原码原码原码: : 10000101B 10000101B 或或或或 85H85H反码反码反码反码: : 11111010B 11111010B 或或或或 0FAH0FAH补码补码补码补码: : 11111011B 11111011B 或或或或 0FBH0FBH( (符号位不变符号位不变符号位不变符号位不变, ,其余位依次取反其余

15、位依次取反其余位依次取反其余位依次取反) )( (反码加反码加反码加反码加1)1)( (用一个字节来表达用一个字节来表达用一个字节来表达用一个字节来表达) )0的表示的表示:原码原码 , 反码反码 , 补码相同吗？补码相同吗？例例:十进制数十进制数-0和和+0的表示的表示原码原码:10000000B和和00000000B反码反码:11111111B和和00000000B补码补码:00000000B和和00000000B0 0的表示：只有补码表示是唯一的！的表示：只有补码表示是唯一的！在计算机中采用补码表示带符号数。在计算机中采用补码表示带符号数。1.2.3 1.2.3 原码、反码与补码原码、反

16、码与补码计算机中带符号数的表示 (2n 1)为为n个个1， (2n 1)- |x|为为|x|的的反码，所反码，所以以求负数的补码可求负数的补码可按按“按位取反，末位加按位取反，末位加1”的方法的方法进行进行（注意注意 符号位不变符号位不变） 。x补= x2n - |x| (x=0微机中用补码表示带符号数微机中用补码表示带符号数微机中用补码表示带符号数微机中用补码表示带符号数利用补码将减法运算转化为加法运算利用补码将减法运算转化为加法运算： X原原=X补补补补 X+Y补补=X补补+Y补补 X-Y补补=X补补+-Y补补在计算机中您如何解释数？在计算机中您如何解释数？一个存于计算机中的数，由于解释的

17、不同，可一个存于计算机中的数，由于解释的不同，可以表示不同的数值。以表示不同的数值。可以是无符号数，也可以是带符号数。可以是无符号数，也可以是带符号数。例如例如：在：在8位二进制下位二进制下11111111B=0FFH当作为当作为无符号数，无符号数，表示的真值为表示的真值为255，当作为当作为带符号数，带符号数，表示的真值为表示的真值为-1。因此，数的使用与解释全由编程者决定！因此，数的使用与解释全由编程者决定！第一章第一章第一章第一章: 1.2: 1.2原码、反码与补码原码、反码与补码原码、反码与补码原码、反码与补码1.2.3 1.2.3 原码、反码与补码原码、反码与补码计算机中带符号数的表

18、示补码表示补码表示补码表示补码表示数的范围数的范围数的范围数的范围字节字节(8位位): -128 +127字字(16位位): -32768 +327671.2.4 1.2.4 定点数与浮点数定点数与浮点数 定点数定点数: : 小数点位置固定（小数点位置固定（例如纯整数和纯小数例如纯整数和纯小数） 定定定定点点点点表表表表示示示示法法法法要要要要求求求求小小小小数数数数点点点点的的的的位位位位置置置置是是是是固固固固定定定定的的的的，但但但但具具具具体体体体在在在在什什什什么么么么位位位位置置置置并并并并无无无无限限限限制制制制。在在在在计计计计算算算算机机机机中中中中，有有有有两两两两种种种种

19、定定定定点点点点数数数数是是是是最最最最常常常常用用用用的的的的。但在具体应用时，还是需要事先约定好。但在具体应用时，还是需要事先约定好。但在具体应用时，还是需要事先约定好。但在具体应用时，还是需要事先约定好。 一一一一种种种种是是是是定定定定点点点点纯纯纯纯小小小小数数数数，把把把把小小小小数数数数点点点点固固固固定定定定在在在在最最最最高高高高数数数数值值值值位位位位左左左左边边边边，在小数点左边留有一位符号位，而且小数点本身不占位。在小数点左边留有一位符号位，而且小数点本身不占位。在小数点左边留有一位符号位，而且小数点本身不占位。在小数点左边留有一位符号位，而且小数点本身不占位。 另另另

20、另一一一一种种种种是是是是定定定定点点点点纯纯纯纯整整整整数数数数，把把把把小小小小数数数数点点点点固固固固定定定定在在在在最最最最低低低低数数数数值值值值位位位位右右右右边，最高位为符号位，而且小数点本身也不占位。边，最高位为符号位，而且小数点本身也不占位。边，最高位为符号位，而且小数点本身也不占位。边，最高位为符号位，而且小数点本身也不占位。1.2.4 1.2.4 定点数与浮点数定点数与浮点数 浮点数浮点数: : 小数点位置不固定（小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度数的表示范围和精度） 浮点数的表示方法浮点数的表示方法 SE1E2E3E4Eib

21、1b2b3b4bp-1符号符号 指数指数 尾数尾数(-1)S 2E (b0b1b2b3bp-1)S=0 正数S=1 负数小数点位置与b0=1省略 微机系统的三种浮点数类型微机系统的三种浮点数类型微机系统的三种浮点数类型微机系统的三种浮点数类型浮点数中的参数浮点数中的参数单精度浮点数单精度浮点数双精度浮点数双精度浮点数扩充精度浮点数扩充精度浮点数浮点数长度浮点数长度32位位64位位80位位尾数长度尾数长度p23位位52位位64位位符号位符号位S1位位1位位1位位指数长度指数长度E8位位11位位15位位最小指数最小指数-126-1022-16382最大指数最大指数+127+1023+16383指数

22、的偏移量值指数的偏移量值+127+1023+16383例例1.3:将十进制数将十进制数219.125表示成单精度浮点数。表示成单精度浮点数。219.125D=11011011.001B=1.1011011001 27 E=7+127=134=10000110B。（加偏移量（加偏移量127） 得到二进制表示的规格化的浮点数形式：得到二进制表示的规格化的浮点数形式：尾数（共尾数（共23位），包括隐含的位），包括隐含的b0共共24位位指数指数符号符号01000011010110110010000000000000例例例例1.4: 1.4: 已知单精度浮点数为已知单精度浮点数为已知单精度浮点数为已知单

23、精度浮点数为 1 10010000 10101100010000000000000B1 10010000 10101100010000000000000B求其对应的真值。求其对应的真值。求其对应的真值。求其对应的真值。 解解解解 由由由由给给给给定定定定的的的的浮浮浮浮点点点点数数数数格格格格式式式式可可可可知知知知S=1S=1，表表表表示示示示是是是是负负负负数数数数，E=10010000B=144E=10010000B=144，所所所所以以以以指指指指数数数数为为为为E=144-127=17E=144-127=17，尾尾尾尾数数数数为后为后为后为后2323位，去掉后面无效的位，去掉后面无效

24、的位，去掉后面无效的位，去掉后面无效的0 0，该数的真值为：，该数的真值为：，该数的真值为：，该数的真值为：-1.1010110001-1.1010110001 217B= - 110101100010000000B217B= - 110101100010000000B = - 219264 = - 2192641.2.4 1.2.4 定点数与浮点数定点数与浮点数1.2.5 1.2.5 计算机中常用码制计算机中常用码制1BCD码（码（BinaryCodedDecimal）用二进制编码表示十进制数称为用二进制编码表示十进制数称为BCD码码。一位十进。一位十进制数需要用制数需要用4位二进制编码表示

25、。例如位二进制编码表示。例如(0100100101111000.000101001001)BCD(4978.149)D压缩压缩BCD码码：一个字节表示：一个字节表示两位两位十进制数十进制数非压缩非压缩BCD码码：一个字节表示：一个字节表示一位一位十进制数十进制数（使用（使用低四位）低四位）十进制的基本数字分别用四位二进制数表示十进制的基本数字分别用四位二进制数表示.0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 984218421码在计算机中有两种表达方式：码在计算机中有两种表达方式：组合组合BCD BCD

26、 码码：一个字节表示二个十进制数：一个字节表示二个十进制数 非组合非组合BCD BCD 码码：一个字节表示一个十进制数：一个字节表示一个十进制数例例：十进制数：十进制数3232表示为：表示为：组合组合BCDBCD码：码：0011001000110010非组合非组合BCDBCD码：码：0000000000110011 0000 000000100010第一章第一章第一章第一章: BCD: BCD码码码码字符的编码字符的编码字符的定义：在计算机中表达能为人理解的信字符的定义：在计算机中表达能为人理解的信息的符号。息的符号。字符的种类字符的种类：字符编码的种类很多，不同国家字符编码的种类很多，不同国

27、家的文字、不同系统使用不同的编码。常用的有的文字、不同系统使用不同的编码。常用的有ASCII码、码、GB码、码、BIG5码等。现在国际标准码等。现在国际标准化组织推荐使用化组织推荐使用UNICODE码码。编码的原则编码的原则：用一个规定的二进制数表达一个用一个规定的二进制数表达一个特定的符号。特定的符号。第一章第一章第一章第一章:1.2:1.2字符的编码字符的编码字符的编码字符的编码美国国家信息交换标准代码美国国家信息交换标准代码 ASCII码码(American Standard Code for Information Interchange)-字母、数字、符号的最普遍的编码。已成为字母、

28、数字、符号的最普遍的编码。已成为计计算机字符编码的国际标准。算机字符编码的国际标准。 第一章第一章第一章第一章:ASCII:ASCII码码码码例如例如: 可打印的可打印的ASCII码如码如数字数字数字数字 09: 30H 39H09: 30H 39H大写大写大写大写 AZ: 41H5AHAZ: 41H5AH小写小写小写小写 azaz: 61H7AH: 61H7AH空格空格空格空格(space): 20H(space): 20H不可打印不可打印: BEL(BEL(响铃响铃响铃响铃,07H),CR(,07H),CR(回车回车回车回车, , 0DH), LF(0DH), LF(换行换行换行换行,0A

29、H),0AH)等等等等第一章第一章第一章第一章:ASCII:ASCII码码码码 汉字编码汉字编码GB码码 （了解）（了解）外码、内码外码、内码GB码是国标码是国标GB2312-80汉字编码的简称。汉字编码的简称。GB码由两个字节组成，每个字节的最高位为码由两个字节组成，每个字节的最高位为1，共有，共有6763个编码。个编码。GB码只有在支持该码的码只有在支持该码的(中文中文)操作系统下才操作系统下才有效。若在西文状态下，该码将被解读为两个有效。若在西文状态下，该码将被解读为两个扩展扩展ASCII码。码。 第一章第一章第一章第一章: 1.2GB: 1.2GB码码码码汉字输入码汉字输入码 各种输入

30、法所采用的汉字编码统称为输入码各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码 汉字内码汉字内码 输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码汉字输出码汉字输出码 用于输出汉字字型的点阵编码用于输出汉字字型的点阵编码 第一章第一章第一章第一章: 1.2GB: 1.2GB码码码码1.3 1.3 计算机、微型机算机组成结构计算机、微型机算机组成结构主要内容主要内容计算机组成计算机组成微型机算计组成微型机算计组成CPUCPU的内部结构的内部结构 微型计算机总线结构微型计算机总线结构特点特点 中央处理器中央处理器CPU将运算器和控制器集成在一起，用来解释指令将运算器和控制器集

31、成在一起，用来解释指令并执行。并执行。1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m频率为8MHz2005/02 Intel P4 起跳频率为3.2GHz第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3台式计算机构成台式计算机构成台式计算机构成台式计算机构成内存内存硬盘硬盘软盘软盘显示卡显示卡显显示器示器光盘存储器光盘存储器鼠标、键盘鼠标、键盘100G硬盘硬盘液晶显示器液晶显示器外置刻录机外置刻录机MO磁光盘磁光盘无线蓝牙光电鼠标无线蓝牙光电鼠标可折叠键盘可折叠键盘第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3台式计算机构成台式计算机构成台式计算机构成台式计算机构成内存储器内存

32、储器输入设备输入设备控制器控制器计算机组成结构计算机组成结构输出设备输出设备运算器运算器计算机的组成计算机的组成-冯冯诺依曼结构诺依曼结构第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构运算器是进行运算的部件。运算器是进行运算的部件。运算包括算术运算和逻辑运运算包括算术运算和逻辑运算。一般简称算。一般简称ALU。控制器通过对指令的译码，控制器通过对指令的译码，控制自身和其它部分运行。控制自身和其它部分运行。存储器是存储数据和指令的部存储器是存储数据和指令的部件。其物理容量件。其物理容量(大小大小)是固定是固定的，以字节为单位的，以字节为单位(B)

33、。输入与输出设备是计算机与输入与输出设备是计算机与外界进行信息交换的场所，外界进行信息交换的场所，它们与计算机通过它们与计算机通过I/O接口接口实现信息的交换。实现信息的交换。1.3.1 1.3.1 计算机的基本结构计算机的基本结构运算器运算器运算器是进行运算的部件。运算包括算术运算和逻辑运运算器是进行运算的部件。运算包括算术运算和逻辑运算。一般简称算。一般简称ALUALU。控制器控制器控制器通过对指令的译码，控制自身和其它部分运行。控制器通过对指令的译码，控制自身和其它部分运行。存储器存储器存储器是存储数据和指令的部件。其物理容量存储器是存储数据和指令的部件。其物理容量( (大小大小) )是

34、是固定的，以字节为单位固定的，以字节为单位(B)(B)。输入设备输入设备：典型的输入设备是键盘典型的输入设备是键盘输出设备输出设备：典型的输出设备是显示器典型的输出设备是显示器输入与输出设备是计算机与外界进行信息交换的场所，输入与输出设备是计算机与外界进行信息交换的场所，它们与计算机通过它们与计算机通过I/OI/O接口实现信息的交换。接口实现信息的交换。第一章第一章第一章第一章:1. 3 :1. 3 计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构诺依曼结构特点诺依曼结构特点:串行顺序处理机制串行顺序处理机制采用二进制采用二进制采用程序存储方式采用程序存储方式计算机组成结构计算

35、机组成结构:5:5个部分个部分诺依曼结构的改进诺依曼结构的改进采用多个处理部件形成流水线处理采用多个处理部件形成流水线处理组成阵列机构组成阵列机构, ,采用单指令流多数据流采用单指令流多数据流用多个诺依曼结机器组成多机系统用多个诺依曼结机器组成多机系统, ,支持并行工作支持并行工作第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构1.3.2 1.3.2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构微型计算机硬件系统组成微型计算机硬件系统组成微处理器微处理器CPU CPU (Central Processer Unit)由运算器、控制器、寄存器组由运算器

36、、控制器、寄存器组3 3部分组成。实现运算和部分组成。实现运算和控制功能。又称中央处理单元控制功能。又称中央处理单元CPU.CPU.存储器存储器由由CPU之外的半导体存储器芯片组成，存放程序、操之外的半导体存储器芯片组成，存放程序、操作数、运算的中间结果和最终数据。作数、运算的中间结果和最终数据。分为只读存储器分为只读存储器ROM（Read Only Memory)与可读可与可读可写的随机存储器写的随机存储器RAM (Random Access Memory)第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成I/OI/O接口电路与接

37、口电路与I/OI/O设备：设备：输入设备将程序、数据信息送给计算机；输出设备输入设备将程序、数据信息送给计算机；输出设备将处理结果以各种形式表现出来。外设与将处理结果以各种形式表现出来。外设与CPUCPU间的硬间的硬件连线和信息交换要经件连线和信息交换要经接口电路。接口电路。总线总线连接多个功能部件的一组公共信号线，具有逻辑控连接多个功能部件的一组公共信号线，具有逻辑控制功能。制功能。内存储器内存储器微微处处理理器器IO接口接口外部设备外部设备ABDBCB微处理器微处理器：进行算数：进行算数运算和逻辑运算。运算和逻辑运算。存储器存储器：存储程序、：存储程序、数据、符号等数据、符号等I/O接口接

38、口：使外设：使外设与微机相连。与微机相连。第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成 微处理器系统的总线结构微处理器系统的总线结构CPURAMROMI/OI/O接口外设ABDBCB 2 组成微机系统的各部分通过地址总线组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线数据总线DB和和控制总线控制总线CB联系在一起。联系在一起。1总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。中各部分联络的规范通道。微机总线功能：微机总线功能：数据总线数据总线DB：装载数据和

39、指令代码。装载数据和指令代码。是双向的。是双向的。是双向的。是双向的。总线总线宽度：总线中信号线的条数。宽度：总线中信号线的条数。地址总线地址总线AB：装载地址信号，装载地址信号，确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/O端口。端口。是单向总线。是单向总线。是单向总线。是单向总线。地址线的根数决定了地址线的根数决定了CPU所能所能直接访问的存储空间容量。直接访问的存储空间容量。 CPU的寻址范围的寻址范围 = 2n， n-地址线根数地址线根数控制总线控制总线CB：CPU向其他部件传送控制信号，其他部向其他部件传送控制信号，其他部件向件向CPU传送状态信号和请求信号。宽度各异。传送状态信

40、号和请求信号。宽度各异。可见，可见，可见，可见，CBCB中每一根线的方向是一定的、单向的，中每一根线的方向是一定的、单向的，中每一根线的方向是一定的、单向的，中每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线凡涉及到控制总线凡涉及到控制总线凡涉及到控制总线CBCB，均以双向线表示。，均以双向线表示。，均以双向线表示。，均以双向线表示。 第一章第一章第一章第一章:1.3 :1.3 计算机硬件系统组成计算机硬

41、件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成CPUMI/O总线总线单总线单总线CPUI/OM存储器总线存储器总线I/O总线总线双总线双总线CPU局部局部I/O局部局部M缓冲器缓冲器总线控总线控制逻辑制逻辑全全局局全全局局MI/ODMA控制器控制器双重总线双重总线局部总线全局总线全局总线 微处理器系统的总线结构类型微处理器系统的总线结构类型微处理器组成微处理器组成(CPU) 控制单元控制单元 I/O控制逻辑控制逻辑 工作寄存器组工作寄存器组 ALU 控制器控制器运算器运算器分析和分析和执行指令执行指令暂存数据和结果暂存数据和结果算术和算术和逻辑运算逻辑运算第一章第一章第一章第一章:1.3:1.

42、3计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成现代微机的存储器（体系结构）现代微机的存储器（体系结构）:对存储器的管理由操作系统来完成对存储器的管理由操作系统来完成CPUCache外存储器外存储器主存储器主存储器第一级第一级第二级第二级第三级第三级静态静态动态动态第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构微机结构的特点：微机结构的特点：采用总线或微通道连接系统的各个部件。采用总线或微通道连接系统的各个部件。所谓总线所谓总线是一组能为多个部件共享的公共信息传输线是一组能为多个部件共享的公共信息传输线路，可以分时发送

43、与接收各部件的信息。路，可以分时发送与接收各部件的信息。总线分为：地址总线（总线分为：地址总线（ABAB）、）、数据总线（数据总线（DBDB）和控制和控制总线（总线（CBCB）采用总线结构有什么优点？采用总线结构有什么优点？有了总线结构以后系统中各功能部件之间的相互关系变有了总线结构以后系统中各功能部件之间的相互关系变为了各功能部件面向总线的单一关系。为了各功能部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总路线标准的系统中，使系统功能得到扩展。路线标准的系统中，使系统功能得到扩展。 第一章第一章第一章第一章:1.3:1.

44、3计算机总线组成计算机总线组成计算机总线组成计算机总线组成1.3.3 1.3.3 指令和程序指令和程序（熟悉）（熟悉）问题：计算机如何完成问题：计算机如何完成a+b的工作？的工作？第一步：从存储器取第一个数第一步：从存储器取第一个数a第二步：从存储器取第二个数第二步：从存储器取第二个数b第三步：相加第三步：相加a+b第四步：将结果送到指定存储单元第四步：将结果送到指定存储单元每一步都是一种操作，将计算机要执行的各种每一步都是一种操作，将计算机要执行的各种操作用命令的形式写出来，形成指令。操作用命令的形式写出来，形成指令。第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3指令和程序指令和程序指令和程序指令

45、和程序指令指令：指令是用来指挥和控制计算机执行某种：指令是用来指挥和控制计算机执行某种操作的命令。一条指令包括两个基本组成部分，操作的命令。一条指令包括两个基本组成部分，即操作码和地址码。即操作码和地址码。指令系统指令系统：一台计算机所能识别和执行的全部：一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合称为该计算机的指令系统。指令的集合称为该计算机的指令系统。程序程序：完成或解决某一特定问题而编写的指令：完成或解决某一特定问题而编写的指令序列称为程序。通常用二进制代码形式组成的序列称为程序。通常用二进制代码形式组成的指令序列称为机器语言程序，即目标程序。指令序列称为机器语言程序，即目标程序。汇编语言程

46、序：用助记符形式组成的指令序列汇编语言程序：用助记符形式组成的指令序列称为汇编语言程序，或符号程序。称为汇编语言程序，或符号程序。例如：助记符例如：助记符ADD表示加法指令表示加法指令ADDAX,BX的二进制代码为的二进制代码为0000001111000011第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3指令和程序指令和程序指令和程序指令和程序1.3.4 1.3.4 模型计算机模型计算机模型计算机模型计算机CPU结构结构存储器结构存储器结构执行过程执行过程简单程序举例简单程序举例第一章第一章第一章第一章: 1.3.4 : 1.3.4 初级计算机初级计算机初级计算机初级计算机模型计算机模型计算机CPU

47、结构结构寄寄存存器器组组(RS(RS) )通用寄存器组通用寄存器组堆栈指针堆栈指针(SP)(SP)程序计数器程序计数器(PC)(PC)地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓冲器指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)操作控制器操作控制器(OC)(OC)累加器累加器(ACC)(ACC)累加锁存器累加锁存器标志寄存器标志寄存器(FR)(FR)暂存器暂存器算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU)(ALU)地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线256字节RAM存放下一条要执行存放下一条要执行的指令的地址的指令的地址 指示栈项地址指示栈项地址临时存放单元：临时存放单元：

48、暂时存放数据和暂时存放数据和地址地址存放运算操存放运算操作数和结果作数和结果以全加器为基础，辅之以移位寄存器以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算除四则运算和各种逻辑运算寄存寄存ALU操作操作结果的状态结果的状态模型计算机存储器模型计算机存储器第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3指令和程序指令和程序指令和程序指令和程序简单程序举例简单程序举例将将7和和10相加相加例：让计算机把7和10两个数相加。 第一步：第一步：确定可实现的汇编指令确定可实现的汇编指令 MOV ALMOV AL，n n ; ;将数据将数据n

49、 n送累加器送累加器ALAL ADD AL ADD AL，m m ; ;将将ALAL中的数据与中的数据与m m相加相加 HLT HLT ; ;停机停机编译编译第一章第一章第一章第一章: 1.3.4 : 1.3.4 初级计算机初级计算机初级计算机初级计算机第二步第二步：指令对应的：指令对应的机器码机器码00H0000 00001011 0000MOV AL，n01H0000 00010000 0111n=702H0000 00100000 0100ADD AL，n03H0000 00110000 1010m=1004H0000 01001111 0100HLT地址地址内容内容指令指令十六进制十六

50、进制二进制二进制第一章第一章第一章第一章: 1.3.4 : 1.3.4 初级计算机初级计算机初级计算机初级计算机指令的执行过程指令的执行过程取第一个字节取第一个字节取第二个字节取第二个字节取第取第3，4个字节个字节取指令取指令指令译码指令译码执行指令执行指令1.4 微机硬件微机硬件1.4.1微机系统的性能指标微机系统的性能指标1、 字长字长微机系统能够直接处理的二进制数据的位数微机系统能够直接处理的二进制数据的位数。 2 、运算速度、运算速度 微处理器的主频微处理器的主频/MIPS (Million Instructions Per Second) 3、存储容量、存储容量 包括内存容量（由微处

51、理器的寻址能力决定）和外存容量。包括内存容量（由微处理器的寻址能力决定）和外存容量。 4、外设扩展能力、外设扩展能力1.4.2 微型计算机先进技术微型计算机先进技术1 1、 微程序控制技术微程序控制技术微程序控制技术微程序控制技术 根据要完成的操作控制信号编成若干根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操

52、作。这种利用软件方法使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作来设计硬件的技术称作“微程序控制微程序控制”2 2、 虚拟存储器技术虚拟存储器技术虚拟存储器技术虚拟存储器技术一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被内存储器被CPU执行。执行。 33、流水线技术、流水线技术、流水线技术、流水线技术流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作流水

53、线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。PentiumPentium使用的使用的6 6步流水线结构步流水线结构（1 1）取指令：）取指令：CPUCPU从高速缓存或内存中取一条指令。从高速缓存或内存中取一条指令。（2 2）指令译码：分析指令性质。）指令译码：分析指令性质。（3 3）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作

54、）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。（4 4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。对操作数寻址并读出。（5 5）执行指令：由）执行指令：由ALUALU执行指令规定的操作。执行指令规定的操作。（6 6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器或写回累加器A A中。中。 44、高速缓冲存储器技术、高速缓冲存储器技术、高速缓冲存储器技术、高速缓冲存

55、储器技术 为了加快运算速度，普遍在为了加快运算速度，普遍在为了加快运算速度，普遍在为了加快运算速度，普遍在CPUCPUCPUCPU与常规主存储器之间增与常规主存储器之间增与常规主存储器之间增与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（设了一级或两级高速小容量存储器（设了一级或两级高速小容量存储器（设了一级或两级高速小容量存储器（CacheCacheCacheCache）。）。）。）。将将要执将将要执将将要执将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。动态执

56、行是目前动态执行是目前CPUCPU主要采用的先进技术之一。采用分主要采用的先进技术之一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPUCPU的运算速度。的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。支后所进行的处理也就是推测执行。推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置，行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置， Pentium 4Pentium 4系列系列CP

57、UCPU的分支预测正确率达到了的分支预测正确率达到了90%90%。 55、分支预测（、分支预测（、分支预测（、分支预测（branchpredictionbranchprediction）和推测执行和推测执行和推测执行和推测执行（speculationexecutionspeculationexecution）6 6、 乱序执行（乱序执行（乱序执行（乱序执行（out-of-orderexecutionout-of-orderexecution）CPUCPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电

58、路具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。RISCRISC的指令简单，的指令简单，CPUCPU在每一周期的任务单纯，因此在每一周期的任务单纯，因此CPUCPU结构简单，有利于流水作业。从结构简单，

59、有利于流水作业。从Pentium ProPentium Pro开始，开始，x86CPUx86CPU都采用都采用RISCRISC内核内核+ CISC+ CISC到到RISCRISC译码器的结构。译码器的结构。 当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。支持并行处理。7 7、 CISCCISC指令集加指令集加指令集加指令集加RISCR

60、ISC微结构微结构微结构微结构8 8、 多媒体技术多媒体技术多媒体技术多媒体技术1.4.3 1.4.3 微型计算机系统三个层次微型计算机系统三个层次微处理器微处理器( (MicroprocessorMicroprocessor) ) 微型计算机微型计算机( (Microcomputer)Microcomputer)微型计算机系统微型计算机系统( (Microcomputer System)Microcomputer System)第一章第一章第一章第一章:1.4:1.4计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成微处理器微处理器核心级核心级在一片超大规模集成电路上，

61、将运算器、控制器、寄存在一片超大规模集成电路上，将运算器、控制器、寄存器组集成在一起，称微处理器。器组集成在一起，称微处理器。微型计算机微型计算机硬件系统级硬件系统级以微处理器为核心，辅以存储器（以微处理器为核心，辅以存储器（RAMRAM、ROM)ROM)，输入输输入输出接口出接口I/OI/O及辅助电路，通过总线与其它部件相连，构及辅助电路，通过总线与其它部件相连，构成微型计算机。成微型计算机。将将CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口、总线等集成在一片超大规模接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。单片机。

62、第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构微型计算机系统微型计算机系统系统级系统级硬件系统硬件系统以微型计算机为核心，配上外围设备（输入输出设备）、电以微型计算机为核心，配上外围设备（输入输出设备）、电源源 ，构成了微型计算机系统硬件系统。构成了微型计算机系统硬件系统。软件系统软件系统系统软件系统软件用户软件用户软件微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构微处理器微处理器 、微型计算机和微型计算机系统微型计

63、算机和微型计算机系统 的三个层次的三个层次第一章第一章第一章第一章:1.3:1.3计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构计算机组成结构微处理器微处理器内存储器内存储器I/OI/O接口电路接口电路系统总线系统总线 硬件系统硬件系统软件系统软件系统微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机外外 设设ALUALU寄存器寄存器控制器控制器键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器外存储器：软盘、硬盘、光盘外存储器：软盘、硬盘、光盘 打印机、扫描仪打印机、扫描仪系统软件系统软件应用软件应用软件地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线1.4.4 微机系统组成微机系统组成微机微机主板主板电源、

64、电源、机箱机箱外围外围设备设备外部设备外部设备外存储器外存储器模拟量模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量转换器、开关量I/O过程过程I/O通道通道微处理器微处理器内存储器内存储器I/O接口电路接口电路系统总线系统总线算术逻辑单元算术逻辑单元控制器控制器寄存器阵列寄存器阵列只读存储器（只读存储器（ROM）随机存储器（随机存储器（RAM）高速缓存（高速缓存（Cache）并行输入并行输入/输出接口输出接口串行输入串行输入/输出接口输出接口磁盘、磁带磁盘、磁带光盘、光盘、U盘盘PC总总 线线 、 ISA、 EISA、 PCI、AGP键键盘盘、鼠鼠标标、触触摸摸屏屏、扫扫描描仪仪、显显示示器器、打

65、打印印机机、绘绘图图仪仪、数数码码相机相机输入输入/输出设备输出设备 微型计算机软件层次微型计算机软件层次计算机软件分为两大类：系统软件和用户软件。计算机软件分为两大类：系统软件和用户软件。 裸机裸机操作系统操作系统语言处理程序（解释、编译）语言处理程序（解释、编译）各种标准程序库各种标准程序库数据库管理数据库管理应用软件应用软件服务性支撑软件服务性支撑软件软硬件层次软硬件层次1.5 计算机软件系统组成计算机软件系统组成8088/8086CPUIBM公司于公司于1981年年8月月12日所推出的日所推出的第一台第一台PC机的主板图机的主板图1.4.5 现代微型计算机系统组成结构举例现代微型计算机

66、系统组成结构举例P4i845E系统支持DDR266P4i845G系统 内建图形芯片，支持DDR533P4 CPU (3.0GHz)与与i875芯片组芯片组 (2003-4-14)南桥芯片南桥芯片南桥芯片南桥芯片总线转换总线转换总线转换总线转换桥，作用是将桥，作用是将桥，作用是将桥，作用是将PCIPCI总总总总线转换为线转换为线转换为线转换为ISA, USB, ISA, USB, IDEIDE接口标准接口标准接口标准接口标准北桥芯片北桥芯片北桥芯片北桥芯片系统控制系统控制系统控制系统控制器，管理器，管理器，管理器，管理CPUCPU、高速、高速、高速、高速缓存，主存与缓存，主存与缓存，主存与缓存，

67、主存与PCI PCI 总总总总线之间传送信息。线之间传送信息。线之间传送信息。线之间传送信息。P4(3GHz)i875系统系统支持支持800MHz前端总线前端总线北桥芯片系统控制北桥芯片系统控制北桥芯片系统控制北桥芯片系统控制器，管理器，管理器，管理器，管理CPUCPU、高速、高速、高速、高速缓存，主存与缓存，主存与缓存，主存与缓存，主存与PCI PCI 总总总总线之间传送信息。线之间传送信息。线之间传送信息。线之间传送信息。南桥芯片总线转换南桥芯片总线转换南桥芯片总线转换南桥芯片总线转换桥，作用是将桥，作用是将桥，作用是将桥，作用是将PCIPCI总总总总线转换为线转换为线转换为线转换为ISA

68、, USB, ISA, USB, IDEIDE接口标准接口标准接口标准接口标准P4(3GHz)i875系统现代微机系统组成结构举例系统现代微机系统组成结构举例采用采用875芯片组的主板芯片组的主板Socket478插槽 AGP插槽插槽PCI总线总线插槽插槽北桥芯片北桥芯片南南桥桥芯芯片片DDR内存插槽内存插槽鼠标、鼠标、键盘键盘USBCPU的接口（针脚式）Socket754、940是AMD的64位处理器的接口方式 2009年年12月发布：月发布：Intel P5x系列芯片组系列芯片组 第一章第一章 小小 结结计算机组成计算机组成微型计算机的组成微型计算机的组成CPU的结构与功能的结构与功能数制

69、与编码数制与编码ASCII码码BCD码码第一章第一章思考题思考题1.1计算机、微型计算机由哪几部份组成？计算机、微型计算机由哪几部份组成？1.2微微处处理理器器、微微型型计计算算机机和和微微型型计计算算机机系系统统三三者者之之间有什么不同？间有什么不同？1.3微微处处理理器器在在内内部部结结构构上上由由哪哪几几部部分分组组成成?微微处处理理器应具备什么功能器应具备什么功能?1.4微型计算机采用总线结构有什么优点微型计算机采用总线结构有什么优点?1.5将下列十进制数转换成将下列十进制数转换成8421BCD码码: 1049 =0001 0000 0100 1001 1049 =0001 0000

70、0100 1001 902=1001 0000 0010 902=1001 0000 0010 851.37=1001 0101 0001 . 0011 0111 851.37=1001 0101 0001 . 0011 0111 0.6259=0000. 0110 0010 0101 1001 0.6259=0000. 0110 0010 0101 10011.6填空：填空：45的二进制数（的二进制数（），十六进制数（），十六进制数（），压缩），压缩BCD码（码（）。）。1.7填空：填空：10000001表示无符号数，其值（表示无符号数，其值（），表示），表示带符号数补码，其值（带符号数补码，其值（），表示压缩），表示压缩BCD码，其值（码，其值（）。）。