1、1计算机系统概述微型机原理与技术 2标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容3教学安排n课程性质：考试n总学时 72理论课 54实验课 18n主讲教师 张韫，刘璐邮箱地址 mail_n考试办法实验+考勤+平时成绩 30%期末闭卷笔试 70%4参考书n教材：微型机原理与技术（第2版）作者：戴梅萼出版社：清华大学出版社n参考书：nIBMPC汇编语言程序设计，沈美明 清华大学出版社n微型计算机原理及应用，郑学坚 清华大学出版社5课程目标n微机原理及应用是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程，主要内容有：微型计算
2、机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术n目标：建立微型计算机系统的整体概念，初步掌握微机系统软、硬件开发的基本思路和方法。6课程特点n“教”与“学”难度都较大概念抽象，知识点间的逻辑联系少需要记忆的内容多，入门较难课程综合性强（软硬结合）先修课程n计算机基础、C语言、数字线路等7计算机系统(computer system)硬 件软件8硬件系统n硬件系统=运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备n微处理器=中央处理器(CPU)+协处理器+高速缓冲存储器(Cache)nCPU（中央处理器）=运算器+控制器n主机=CPU+内存储器n外部设备=输入设备+输出设备+外存储器9中央处理器（C
3、entral Processing Unit,CPU)n位置：微处理器n器件：超大规模集成电路n组成：控制器，运算器 10运算器(operation unit)n算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit,ALU）n组成累加器移位电路数据缓冲寄存器标志寄存器n功能：进行算术运算和逻辑运算11运算器示意图累加器数据缓冲寄存器ALUAB标志寄存器12运算器的工作过程n例：A+B1.从内存取出第一个加数A，送累加器暂存2.从内存取另一加数B，送数据缓冲寄存器3.在控制信号作用下，将A和B送到算术逻辑单元（ALU）进行加法运算n结果送累加器暂存n将反映运算结果的状态（如：零、负、
4、进位、溢出）等标志写入标志寄存器13控制器(control unit)n组成：指令指针寄存器(IP,EIP)地址寄存器(AR)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)操作控制器n功能：根据指令产生的控制信号去控制计算机各部件协调工作，自动执行程序14IP控制器工作过程程序运行起点指令暂存位置数据结果标志15控制器工作过程n1.指令指针寄存器将当前要执行的指令的地址送地址寄存器，而后，其内容自动加1n2.地址寄存器向内存提供取指令的地址n3.从内存取指令送指令寄存器，随后，送指令译码器n4.指令译码器对指令进行译码，将要执行的指令代码编译成相应的控制信号n5.根据指令译码器的输出产生控制信号，并按一
5、定的时序发出相应的控制信号16存储器(memory)n存储器：计算机中具有记忆功能的部件n功能：存放程序和数据n分类：内存储器（主存储器）外存储器（辅助存储器）17内存储器n功能：存放程序运行时所使用的程序和数据n内存单元：内存中存放信息的基本单位，通常以字节为最小存取单元n内存地址：每个内存单元（字节）唯一的编号，用无符号二进制整数表示n内存容量：内存中可能拥有存储单元的总数n例：8086微处理器有20根地址线可访问220=1MB个内存单元其地址编号从 00000H0FFFFFH18内存储器n分类：随机存取存储器（Random Access Memory,RAM）n特点：计算机断电后，其中的
6、信息全部丢失n器件：内存条n用途：存放计算机运行时使用的程序和数据只读存储器（Read-Only Memory,ROM）n特点：厂家写入程序和数据，断电后，信息不会丢失n用途：存放计算机系统管理程序（监控程序和BIOS）19外存储器n功能：存储大量主机暂时不用的程序和数据n分类：硬盘、软盘、光盘和U盘等 n特点：1.断电后信息不丢失2.容量大、价格低、存取速度慢 nCPU对存储器的访问：CPU直接访问内存CPU通过内存访问外存20信息存储单位n位（bit)：表示一位二进制数（0或1）符号：b例：0或1：1b 1111：4b说明：位是计算机中度量数据的最小单位n字节（Byte)：8位二进制数所组
7、成的数据符号：B例：1B=8b说明：字节是计算机中数据处理和存储的基本单位21信息存储单位nB、KB、MB、GB和TB的换算210B=1024B=1KB220B=1024KB=1MB 230B=1024MB=1GB240B=1024GB=1TB22输入设备(input device)n输入设备：通过相应的接口(interface)将程序、操作命令和原始数据输入到存储器的装置n常用输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪等23输出设备(output device)n输出设备：将程序、操作命令的运行结果显示给用户的装置n常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪和音响等24总线（BUS）n定义：微机中各部件之间传
8、输信息的公共信号线n总线宽度：一次能传输数据的位数n数据总线（Data Bus）双向，决定微机数据处理速度和精度n地址总线（Address Bus）单向，决定内存容量n控制总线（Control Bus）控制信号：从CPU内存/I/O端口状态信号：从内存/I/O端口CPU25微机硬件系统n用总线将微处理器、存储器和各种输入输出设备接口电路连接在一起的计算机体系结构存储器 ROM存储器 RAM微处理器CPU I/O接口 I/O设备ABDBCB26软件系统(software system)n软件：程序、程序所用数据及有关文档的集合（即：软件=程序+数据+文档）程序：完成某种功能的一组指令的有序集合文
9、档：软件开发过程中的计划、设计、编程、维护等资料及软件使用说明书n程序和指令系统的概念27软件系统系统软件应用软件飞机订票图像处理银行管理语音识别基础软件支撑软件操作系统网络通信管理软件程序设计语言及语言处理程序数据库管理系统实用软件制图软件辅助设计软件工具软件调试程序办公软件包28计算机系统的层次结构 应用软件数据库管理系统实用程序和开发工具程序设计语言及处理程序操作系统硬件系统计算机系统的“物质”基础1.直接对硬件编程2.基本组成：硬件设备的驱动程序3.管理和控制软、硬件系统4.提供用户界面5.为编程人员提供系统和功能调用提供开发应用软件的工具和环境提供开发数据库软件的工具和环境29系统配
10、置与主要指标n8086计算机主频（时钟频率）：4.7710 MHz数据总线：16位地址总线：20位内存容量：1MB软盘：5.25英寸；硬盘容量：10MB显示器（CGA）分辨率：640200运算速度：每秒执行几百万条指令操作系统：MS-DOSn80386计算机主频：1640 MHz数据总线：32位地址总线：32位内存容量：4GB显示器分辨率：（EGA）640350；（VGA）640480运算速度：3-12MIPS操作系统：MS-DOS网络：以太网nP计算机主频：1.74.0 GHz数据总线：32位地址总线：36位内存容量：64GB软盘：3.5英寸；硬盘容量：70200GB显示器：CRT或液晶n分
11、辨率：102476812801024运算速度：1000MIPS操作系统：WindowsXP(内含MS-DOS)网络：10M/100M/1000Mbps以太网30计算机硬件配置示意图31系统主板内存条芯片组BIOS芯片CPU插座串行接口AGP扩展槽PCI扩展槽电池32冯诺依曼计算机模型n采用二进制代码表示指令和数据指令=操作码+操作数n采用“存储程序”的工作方式，即：预先将程序和数据存入存储器依次读取指令，计算机按程序控制自动运算n指令指针寄存器IP提供要执行指令的内存地址n计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成 33数的表示（十进制记数法）n特点：有10个数字符号逢10进一
12、位置原理：相邻位位权差10倍n基数：10n位权：每一位对应着固定的10n例：103102101100.10-110-210-3n数值计算 32.5=1 2 3 4 41001 1033 1012 1023 101+2 100+5 10-134数的表示（二进制记数法）n特点：有2个数字符号逢2进一位置原理：相邻位位权差2倍n数值计算：1101.1=1 23+1 22+0 21+1 20+1 2-1=8+4+0+1+0.5=(13.5)1035数的表示（十六进制记数法）n特点：有16个数字符号（0,1,2,A,B,C,D,E,F）逢16进一位置原理：相邻位位权差16倍n数值计算 (1AD.8)16
13、=1 162+A 161+D 160+8 16-1 =256+160+13+0.5 =(429.5)1036数制转换n要求：熟练掌握2进制数10进制数16进制数37数制转换n各种进制数的符号表示2进制：B(Binary)10进制：D(Decimal)16进制：H(Hexdecimal)n例：111B=22+2+20=7111D111H=162+16+160=27338二进制数转换为十进制数例:(10001011.01)2=27+0+0+0+23+0+21+20+0+2-2=128+8+2+1+0.25=(139.25)1039=(429.5)10(1AD.8)16=1 162+10 161+1
14、3 160+8 16-1=256+160+13+0.5十六进制数转换为十进制数40十进制数转换为二进制数n例：(171.375)10=(10101011.011)2n方法：整数部分：n除2读余，商0为止，逆序排列读结果小数部分：n乘2读整，按精度止，顺序排列读结果41(171.375)10=(10101011.011)2整数部分 小数部分21718542211052102222222111110000.375 2 0.750 2 1.500 0.5 2 1.0 10 142十进制数转换为十六进制数n例：(423.12)10=(1A7.1E)16n方法：整数部分：n除16读余，商0为止，逆序排列
15、读结果小数部分：n乘16读整，按精度止，顺序排列读结果43(423.12)10=(1A7.1E)16整数部分 小数部分2 64 2 3 3 2 1 0 3 9 6 7 7162 6161 61 01A116010.1 2X 1 6 7 2 1 2 1.9 2 0.9 2X 1 6 5 5 29 2 14.7 2 1 E 保留两位44二进制数转换为十六进制数(11010111101.11)2方法：补0 0110,1011,1101.1100 补0 由右向左分 由左向右分=(6BD.C)166 B D .C2445十六进制数转换为二进制数(ABC.8E)16方法：A B C .8 E=(10101
16、0111100.10001110)2 1010 1011 1100 .1000 111046二进制数算术运算 被加数 11001011 加数 +01100110 进位 1100111 100110001加法47 1100101 被减数 11001011 减数 -01100110借位 11 1二进制数算术运算减法48十六进制算术运算 被加数 9999H 加数 +9999H 进位 1111 13332H加法49 99AH 被减数 1333H 减数 -999H借位 111十六进制算术运算减法50二进制数的逻辑运算n本质：逻辑运算是位操作，无进位n与运算（逻辑乘）运算符号：运算规则：对应位均为1，结果
17、为1，否则为0特点：与1不变，与0为0应用：保留，置0n或运算（逻辑加）运算符号：运算规则：对应位均为0，结果为0，否则为1特点：或1为1，或0不变应用：保留，置151二进制数的逻辑运算n异或运算运算符号：规则：对应位不同，结果为1，对应位相同，结果为0特点：异或1变反，异或0不变，自身异或清0应用：变反，保留，清0，检验两数是否相等n非运算运算符号：用数上加横线表示运算规则：对应位0变1，1变0特点：当前逻辑状态的相反值应用：按位求反52二进制数的逻辑运算练习：与C4H 或CDH 异或5AH 非4AH 40H CFH 10H B5H53带符号数的表示（以16位机为例）n计算机系统中二进制数的
18、编组形式：字节(byte,B)：8位二进制数组成的存储单元字(word,W)：两个字节双字(double word,DW)：4个字节n符号位：用一个数的最高位表示符号0：正；1：负符号位D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D054带符号数的表示机器数与真值真值：带符号数字的书写形式机器数：计算机中连同数符一起数码化的数例：真值 机器数 +5 +101 00000101 -5 -101 1000010155带符号数的表示计算机中机器数的表示法：原码、补码和反码原码：机器数例：+5原 00000101 -5原 1000010156带符号数的表示反码：正数的反码等于原码；负数的反码是原码除符号
19、位外按位求反。例：原码 反码 +5 00000101 00000101 -5 10000101 1111101057带符号数的表示补码：正数的补码等于原码；负数的补码：方法1：等于反码+1；方法2：原码最外侧两1之间各 位变反，其它位不变。例：原码 反码 补码+5 00000101 00000101 00000101-5 10000101 11111010 1111101158带符号数的表示补码原理模：一个系统的最大量程或此系统所能表示的最大 数值（模是自然丢失的）。例：1个3位10进制里程表（公里）,1个人从0位置顺时针走了5公里，而后逆时针走了4公里，共顺时针走了多远？2500模：1000
20、公里方法1：5-4=1（公里）方法2：5+996=1（公里）（模自然丢失）996即为-4的10的补码59带符号数的表示补码在计算机中的应用 因为在计算机中，二进制数有一定的编组形式，故利用补码运算可以将减法转换成加法来做。例：15-5=1015补=-5补=0000111111111011 00001111+11111011 0000101060带符号数的表示练习1：35-10=25 练习2：-35+10=-25 35补=-10补=0010001111110110 00100011+11110110 100011001自然丢失-35补=10补=1101110100001010 11011101+
21、00001010 11100111负数的补码需要变成原码 10011001 -25D61计算机常用字符编码nASCII码American Standard Code for Information Interchangen微型计算机中应用最普遍的字母、数字和各种专用符号的二进制编码。n课程要求熟练掌握以下字符的ASCII码：AZ；az；09；空格、$、回车、换行符41H5AH 61H7AH 31H39H20H24H0DH0AH62 ASCII 字符表0000010100111001011101110000NULDLESP0Pp0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr001
22、1ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,Nn1111SIUS/?OoDEL注：H 表示高 3 位，L 表示低 4 位。HL计算机常用字符编码63计算机常用数字编码nBCD码（Binary Coded Decimal）二进制编码的十进制数n性质：1.每位十进制数用四位二进制数编码表示2.用00001001表示十进制数09,10101111无效n分类：1.压
23、缩型BCD码：1字节存储2位10进制数；2.非压缩BCD码：1字节存储1位10进制数。例：25=（0010 0101)BCD 2 55=（0000 0101)BCD 564二进制数十六进制数BCD码十进制数00000000000001100011001020010200113001130100401004010150101501106011060111701117几种常用数制的对应关系65二进制数十六进制数BCD码十进制数100081000810019100191010A非法101011B非法111100C非法121101D非法131110E非法141111F非法15几种常用数制的对应关系66
24、信息的数字化表示n00111001B十进制数57的二进制表示；十六进制数39H；压缩型BCD码39；9的ASCII码；内存单元地址39H；I/O端口地址；指令；开关等。67指令执行过程n取指令IP：提供指令的内存地址AR：接收IP的地址，送内存地址译码器IR：接收内存读出的指令n指令译码(ID)分析IR中的指令，据指令功能产生控制信号序列n执行指令按照控制信号序列完成相应操作，实现指令功能68简单程序举例n题目：7+10n程序：指令助记符 机器码MOV AL,7 1011000000000111ADD AL,10 0000010000001010HLT 1111010000H01H02H03H
25、04H1011000000000111000001000000101011110100地址 M69IP简单程序举例取第一条指令程序运行起点70IP简单程序举例取第一条指令操作数71IP简单程序举例取第二条指令72IP简单程序举例取第二条指令操作数73系统运行过程n1.存储程序 系统运行的准备阶段任务：将程序输入存储器 编辑加工 n利用编辑程序将源程序输入计算机存为磁盘文件 翻译转换n利用汇编程序将源程序转换为目标程序 连接配装n利用连接程序将目标程序转换为可执行文件74系统运行过程n2.程序控制(1)系统程序n 开机，系统测试系统复位IP指向ROM区，执行系统测试程序n 读取引导程序ROM中的
26、初始引导程序将操作系统中的引导程序读入内存n 装配操作系统将操作系统的基本模块读入内存n 等待用户命令显示用户界面，等待用户命令75系统运行过程n2.程序控制(2)应用程序n 装配应用程序接到用户命令，操作系统将应用程序装入内存n 执行应用程序 操作系统将CPU控制权交给应用程序IP指导执行应用程序n 返回操作系统 执行完应用程序，控制返回操作系统的用户命令处理程n 退出，关机76指令指针寄存器(IP，EIP)n功能：存放下一条指令的内存地址n操作：程序运行时，程序入口的内存地址送IP；并经IP送地址寄存器；IP内容自增，形成后续指令地址；n说明：转移指令，循环指令，子程序调用/返回指令，中断
27、/中断返回指令能改变IP的内容。IP77程序和指令系统n指令(Instruction)：规定计算机执行某种操作所发出的命令n程序(Program)：指令的有序集合 n指令系统(Instruction Set)：计算机能识别的全部指令的集合n源程序：用户为解决实际问题编写的程序n目标程序：用语言处理程序将源程序翻译成的二进制程序n指令组成：操作码 操作数（地址码）操作码：操作内容操作数：操作对象地址码：寻找操作数的地址78计算机语言n机器语言：直接用二进制代码指令表达的编程语言n特点：1.能被计算机直接识别和运行；执行速度快，执行效率高2.难认、难记、难修改n汇编语言：机器语言符号化后得到的编程
28、语言n特点：1.面向机器的语言，执行速度快，效率高；较直观易学2.不能被直接识别，必须事先用汇编程序翻译成目标程序 n高级语言：接近人类思维方式的编程语言n特点：1.面向用户的语言；较直观易学，通用性强2.必须事先用编译程序或解释程序进行翻译 79上次课程小结n计算机系统=计算机硬件系统+计算机软件系统n硬件系统=运算器+控制器+存储器+外部设备CPU=运算器+控制器外部设备=输入设备+输出设备+外存储器n微处理器=CPU+协处理器+Cachen总线=地址总线+数据总线+控制总线n冯诺依曼计算机模型二进制存储程序计算机组成 n软件系统=系统软件+应用软件80上次课程小结n信息存储单位位字节B、
29、KB、MB、GB和TB的换算n各种进制数的符号表示2进制：B 10进制：D16进制：H81上次课程小结n数制转换2进制数10进制数16进制数82n1十进制数92对应的十六进制数是A.8FH B.92H C.0FEH D.5CHn2二进制数11001011对应的十六进制数是A.0CBH B.0C9H C.0A2H D.0CAHn3十六进制数0A06EH对应的十进制数是A4206 B41070 C5772 D42630n4十六进制数6EH对应的二进制数是A1101100B B1101110B C01101010B D01111110B上次课程小结数制转换练习83上次课程小结算术运算n1110010
30、11B+01100110B的结果是A11010100B B00110001B C100110001B D00101010Bn29789H+7988H的结果是A.17777H B.17776H C.11111H D.12111H84上次课程小结逻辑运算n1已知x=10101010B，对x求逻辑非，结果是A.01010101B B.01101101B C.10101010B D.11011011Bn2x=0AAH，y=55H，它们的逻辑与结果是A.0 B.0FFH C.0FH D.0F0Hn3x=0AAH，y=55H，它们的逻辑或结果是A.0 B.0FFH C.0FH D.0F0Hn4x=5AH，y=6CH，它们的逻辑异或结果是A.0FFH B.7EH C.48H D.36H85提问与解答环节Questions and answers86添加标题添加标题添加标题添加标题此处结束语点击此处添加段落文本 .您的内容打在这里，或通过复制您的文本后在此框中选择粘贴并选择只保留文字87感谢聆听The user can demonstrate on a projector or computer,or print the presentation and make it into a film讲师：XXXX日期：20XX.X月
