[工学]微型计算机第1章b.ppt

微型计算机技术及应用,授课教师：张 轲（焊接与激光制造实验室） 联系方式：34202709 办公地址：材料楼F楼409室,学习要求： 课前预习（15min30min） 上课认真听讲、积极参与 独立完成课后作业 独立完成上机试验程序 试验过程团结合作、锲而不舍 独立完成试验报告,本课件的配套教材,微型计算机技术及应用（第3版） 戴梅萼，史嘉权：清华大学出版社 微型计算机技术及应用（第3版） 习题与实验题集 戴梅萼：清华大学出版社 微型计算机技术及应用实验指导与习题 自编,引言,世界上第一台可以由程序控制的计算机诞生在1946年，是由美国宾夕法尼亚大学研制出来的，称为电子数字 积分器与计算机(electronic numerical integrator and calculator, ENIAC), 其基本参数如下： 采用18800个电子管， 1500个继电器, 6000个 开关，70000个电阻， 10000个电容，50万条线 字长：12位 运算速度：5000次加法/秒 重量： 30吨 耗电：140千瓦 占地面积：170平方米,计算机的发展历史,从第一台计算机出现至今，计算机的发展可以分为4个阶段, 每一阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃： 第一代：电子管数字计算机 (19461958) 逻辑元件：电子管 主存储器：磁鼓、磁芯 外存储器：磁带、纸带 软件：机器语言、后期采用汇编语言 用途：科学计算 运算速度：5000次/秒3万次/秒 第二代：晶体管计算机 (19581964) 逻辑元件：晶体管 主存储器：磁鼓、磁芯 外存储器：磁带、开始采用磁盘 软件：各种高级语言及编译程序 用途：科学计算、数据处理、开始用于工业控制 运算速度：几十几百万次/秒,计算机的发展历史,第三代：集成电路计算机 (19641971) 逻辑元件：中小规模集成电路(即SSI, MSI) 主存储器：磁芯、磁鼓、半导体存储器 外存储器：磁带、磁盘 软件：会话式高级语言、分时操作系统 用途：科学计算、系统设计等、科技工程领域 运算速度：百万几百万次/秒 第四代：大规模集成电路计算机 (1971) 逻辑元件：大规模集成电路(LSI) 主存储器：半导体存储器 外存储器：磁带、磁盘、光盘 软件：各种高级语言、操作系统、各种用途的应用程序 用途：工业、商业、家庭等各行各业 特点：体积小、耗电少、可靠性高、功能强 运算速度：几百万千亿次/秒,计算机的分类,计算机的分类,大型通用机 这类计算机具有极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面。在一台大型机中可以使用几十台微机或微机芯片，用以完成特定的操作。可同时支持上万个用户，可支持几十个大型数据库。主要应用在政府部门、银行、大公司、大企业等。 巨型机 巨型机有极高的速度、极大的容量。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。目前这类机器的运算速度可达每秒百亿次。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能。二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由100台以上的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一个课题，来达到高速运算的目的。,计算机的分类,小型机 小型机的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。它们己广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。 近年来，小型机的发展也引人注目。特别是RISC （Reduced Instruction Set Computer缩减指令系统计算机）体系结构，顾名思义是指令系统简化、缩小了的计算机，而过去的计算机则统属于CISC （复杂指令系统计算机）。RISC的思想是把那些很少使用的复杂指令用子程序来取代，将整个指令系统限制在数量甚少的基本指令范围内，并且绝大多数指令的执行都只占一个时钟周期，甚至更少，优化编译器，从而提高机器的整体性能。,计算机的分类,微型机 (microcomputer) 随着大规模集成电路技术的发展，在单个硅片上能够集成的晶体管越来越多，集成度越来越大，从最初的1000个发展到现在的125144百万(P4 CPU，90nm技术), 使计算机向微型化方向发展，体积越来越小，功能越来越强。 微型机的异军突起，开辟了计算机的新纪元，在近10年内发展速度迅猛，平均每23个月就有新产品出现，12年产品就更新换代一次。平均每两年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格降低一半，目前还有加快的趋势。 微型机的一个重要特点是将中央处理器(CPU)制做在一块集成电路芯片上，这种芯片习惯上又称为微处理器 (MPU, micro-processing unit)。 MPU与主存储器和输入输出接口以及外围设备如显示器、键盘和打印机等就组成微型计算机硬件系统。 随着液晶显示技术的发展，目前把计算机和显示、键盘等集成在一起的便携机乃至掌上机也得到了迅速的发展。,微型计算机系统,微型计算机是计算机中应用最普及、最广泛的一类。一个完整的微机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。一般微型系统的组成如图所示。,第1章 微型计算机概述,本章重点：,微处理器、微型计算机和微型机系统的差别 CPU的功能和组成部件 微型计算机的基本结构,1.1 微型计算机的特点和发展,微型机特点： 体积小、重量轻 价格低廉 可靠性高、结构灵活 应用面广,微型机的发展：,根据微处理器的集成规模，微型机大致可分为四个发展阶段。它以2-3年的速率迅速更新换代。,1.2 微型机的分类,1. 4位微处理器 2. 8位微处理器 3. 16位微处理器 4. 32位微处理器 5. 位片式处理器,一般以微处理器的 字长 作为微型机的分类标准：,1.3 微处理器、微型计算机和微型计算机系统,微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者的关系,1.3.1 微处理器,CPU功能： 可以进行算术和逻辑运算 可保存较少量数据 能对指令进行译码并执行规定的动作； 能和存储器、外设交换数据 提供整个系统所需要的定时和控制 可以响应其他部件发来的中断请求,CPU在内部结构上包含下面这些部分： 算术逻辑部件； 累加器和通用寄存器组； 程序计数器(指令指针)、指令寄存器和译码器； 时序和控制部件。,1.3.2 微型计算机,微型计算机由CPU、存储器、输入输出接口电路和系统总线构成。,CPU总线包含三种不同功能的总线： 1. 数据总线DB(data bus)：传输数据 2. 地址总线AB(address bus)：传送地址信息 3. 控制总线CB(control bus) ：传输控制信号,1.3.3 微型计算机系统,以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就成了微型计算机系统。,1.4 微型计算机的应用,科学计算 信息处理 过程控制 仪器、仪表控制 家用电器和民用产品控制,1.5 计算机基础知识,1.5.1 数制 数制的基与权 几种进制及其特点 计算机为什么采用二进制 不同进制的表示方法 不同进制数的转换 1.5.2 二进制数的运算 二进制数的算术运算 二进制的逻辑运算(布尔代数),1.5.3 逻辑电路 1.5.4 加法器电路 真值表与布尔代数的关系 半加器电路及其符号 全加器电路及其符号 二进制数的加法电路 二进制数的减法运算 可控反相器及加法/减法电路,1.5.1 数制,数制是用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法。按照进位方式计数的数制叫做进位计数制。例如：逢十进一即十进制，这是人类最为习惯的计数方法；十二进制作为商业包装计量单位“一打”的计数方法；六十进制则常用在时间计数中。 人们习惯于采用十进制。但是由于技术上的原因，计算机内部一律采用二进制表示数据和信息，而在编程中又经常使用十进制，有时为了方便还使用八进制或十六进制。因此，弄清不同进制及其相互转换是重要的。 人们使用计算机，基本手段是通过键盘与计算机交互，从键盘上敲入的各种操作命令以及原始数据都是以字符形式体现的。然而计算机只能存储二进制数，这就需要对符号数据进行编码，人机交互时敲入的各种字符由机器自动转换，以二进制编码形式存入计算机。,1.5.1 数制,数制的基与权 进位计数制的两个要素： 基数：它是指各种进位计数制中允许选用基本数码的个数。例如，十进制的数码有：0、1、2、3、4、5、6、7、8和9，因此，十进制的基数为10。 权值：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值。其大小是以基数为底、数码所在位置的序号为指数的整数次幂。例如：,从上面的公式可以得到提取十进制数各位数数值的算法。,1.5.1 数制,几种进制及其特点 十进制(Decimal notation) 十进制基本特点 a)十个数码：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 b)逢十进一，借一当十 十进制数按权展开式 任意一个n位整数和m位小数的十进制数D可表示为： DDn-110n-1Dn-210n-2D0100D-110-1D-m10-m 例如：,1.5.1 数制,几种进制及其特点 二进制(Binary notation) 二进制基本特点 a)两个数码：0,1 b)逢二进一，借一当二 二进制数按权展开式 任意一个n位整数和m位小数的二进制数B可表示为： BBn-12n-1Bn-22n-2B020B-12-1B-m2-m 例如：,1.5.1 数制,几种进制及其特点 十六进制(Hexdecimal notation) 十六进制基本特点 a)十六个数码：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F, 在十六个数码 中的A、B、C、D、E和F六个数码，分别代表十进制数中 的10、11、12、13、14和15，这是国际上通用的表示法。 b)逢十六进一，借一当十六 十六进制数按权展开式 任意一个n位整数和m位小数的十六进制数Q可表示为： HHn-116n-1Hn-216n-2H0160H-116-1H-m16-m 例如：,1.5.1 数制, 几种进制的对应关系,1.5.1 数制,3. 计算机为什么采用二进制 二进制并不符合人们的习惯，但是计算机内部仍采用二进制表示信息，其主要原因有以下几点： 电路简单 计算机是由逻辑电路组成的，逻辑电路通常只有两个状态，例如晶体管的饱和与截止、开关的接通与断开、电压电平的高与低等。这两种状态正好用来表示二进制数的两个数码0和1。 可靠性高 两种状态表示二进制两个数码，数字传输和处理不容易出错，因此电路工作更加可靠。 运算简单 二进制运算法则简单，例如加法法则只有3个，乘法法则也只有3个。 逻辑性强 计算机工作原理是建立在逻辑运算基础上的，逻辑代数是逻辑运算的理论依据。二进制只有两个数码，正好代表逻辑代数中的“真”和“假”。,1.5.1 数制,不同进制的表示方法 虽然计算机内部由于技术的原因一律采用二进制，但在编程过程中，二进制书写烦琐，又很难记忆。为了书写和记忆的方便，经常采用十六进制、八进制或十进制来表示数字。它们的表示方法有多种，如： 1111 1001(2) = F9(16) = 371(8) = 249(10) (1111 1001)2 = (F9)16 = (371)8 = (249)10 1111 1001B = 0F9H = 371O = 249D 上式中，B：二进制，H：十六进制，O或Q：八进制， D：十进制 通常，如果通过上下文可以理解所写的数是用什么数制表示时，就不必附加数制符号。,1.5.1 数制,不同进制数的转换 二进制数与十进制数的互换 二进制数转换成十进制数 二进制数转换成十进制数只需按权展开 然后相加即可。 例1.1.1 将二进制数101.1(2) 转换成十进制数 101.1(2)12202112012-15.5(10),1.5.1 数制,十进制数转换成二进制数 十进制数有整数和小数两部分，转换时整数部分采用除2取余法，小数部分采用乘2取整法，然后通过小数点将转换后的二进制数连接起来即可。 例1.1.2 将105.625(10)转换成二进制数 105.625(10) = 1101001.101(2) (见右图） 弄清二进制数与十进制数的互换方法，可将其推广到其它进制与十进制数的互换，不同之处是应该考虑具体进制的基数，而转换算法完全是一样的。,整数部分用除2取余法,小数部分用乘2取整法,1.5.1 数制,(2) 二进制数与十六进制数的互换 二进制数与十六进制数之间也存在二进制数与八进制数之间相似的关系。由于2416，16116，即二进制四位数对应于十六进制一位数。 二进制数转换成十六进制数 二进制数转换为十六进制数可概括为“四位并一位”。即以小数点为基准，整数部分从右至左，小数部分从左至右，每四位一组，不足四位添0补足。然后将每组的四位二进制数按权展开后相加，得到一位十六进制数码，再按权的顺序连接起来即得到相应的十六进制数。 例1.1.5 将1011100.00111(2)转换为十六进制数 0101,1100.0011,1000(2)5C.38(16) 5 C . 3 8,1.5.1 数制,十六进制数转换成二进制数 十六进制数转换成二进制数可概括为“一位拆四位”，即把一位十六进制数写成对应的四位二进制数，然后按权连接即可。 例1.1.6 将16E.5F(16)转换成二进制数 1 6 E . 5 F (16)101101110.01011111(2) 0001,0110,1110.0101,1111,1.5.2 二进制数的运算,二进制数的算术运算 算术的基本运算有加、减、乘、除4种，二进制算术运算与十进制算术运算类似，但更为简单。 加法运算 二进制加法运算法则(3条)： 000 01101 1110 (逢二进一) 例1.2.1 求1011011(2)1010.11(2)? 1011011 ) 1010.11 1100101.11 则1011011(2)1010.11(2)1100101.11(2),1.5.2 二进制数的运算,减法运算 二进制减法运算法则(3条)： 00110 011 (借一当二) 101 例1.2.2 求1010110(2)1101.11(2)? 1010110 ) 1101.11 1001000.01 则1010110(2)1101.11(2)1001000.01(2),而二进制乘法运算可归为“加法与移位“，除法运算可归结为“减法与移位”。,1.5.2 二进制数的运算,二进制的逻辑运算 1). 什么是逻辑运算 逻辑是指条件与结论之间的关系。因此，逻辑运算是指对因果关系进行分析的一种运算，运算结果并不表示数值大小，而是表示逻辑概念，即成立还是不成立。 计算机的逻辑关系是一种二值逻辑，二值逻辑可以用二进制的1或0来表示，例如： 1表示 “成立”、“是”或“真”， 0表示 “不成立”、“否”或“假”等。 若干位二进制数组成逻辑数据，位与位之间无“权”的内在联系。对两个逻辑数据进行运算时，每位之间相互独立，运算是按位进行的，不存在算术运算中的进位和借位，运算结果仍是逻辑数据。,1.5.2 二进制数的运算,2).三种基本逻辑运算 逻辑运算又叫逻辑代数、开关代数和布尔代数。在逻辑代数中有三种基本的逻辑运算：即与、或、非(反)。其它复杂的逻辑关系均可由这三种基本逻辑运算组合而成。 和一般代数一样，逻辑代数可以写成下面的一般表达式： Y = f (A, B, C, D) 但它有两个特点： 其中的变量A, B, C, D等均只有两种可能的值：0 或 1，其值并无大小之分，只代表事物的两个不同性质。如“开关”、“高低”、“真假”等。 函数 f 只有3种基本的逻辑运算方式：与、或、非(反)，其它复杂的逻辑关系均可由这三种基本逻辑运算组合而成。 下面将分别介绍这三种运算的规律：,1.5.2 二进制数的运算, 与运算(逻辑乘法) 做一件事情取决于多种因素时，当且仅当所有因素都满足时才去做，否则就不做，这种因果关系称为与逻辑。用来表达和推演与逻辑关系的运算称为与运算，与运算符常用、或AND表示。 与运算法则(4条)： 0 00 0 10 1 00 1 11 两个二进制数进行与运算是按位进行的。,例1.2.5 求10111001 11110011? 1 0 1 1 1 0 0 1 ) 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 则 10111001 1111001110110001 举例说明“与”运算的物理意义：如某车间用电，只有当厂里电源总闸和车间分闸同时接通，才能有电使用。显然，总闸和分闸是串联的。,1.5.2 二进制数的运算,或运算(逻辑加法) 做一件事情取决于多种因素时，只要其中有一个因素得到满足就去做，这种因果关系称为或逻辑。用来表达和推演或逻辑关系的运算称为或运算，或运算符常用、或OR表示。 或运算法则(4条)： 0+00 0+11 1+01 1+11 两个二进制数进行或运算是按位进行的。,例1.2.6 求10100001+10011011? 10100001 +) 10011011 10111011 则 10100001+1001101110111011 举例说明“或”运算的物理意义：如房间里有一盏电灯，为了使用方便，装了两个开关。这两个开关并联，显然，任何一个开关接通或两个开关同时接通，电灯都亮。,1.5.2 二进制数的运算,非运算(逻辑否定) 非运算实现逻辑否定，即进行求反运算。非运算符常在逻辑变量上面加一横线表示。 非运算法则(2条)： 01 10 对某个二进制数进行非运算，就是对它的各位按位求反。,例1.2.7 求10111001? 1011100101000110 举例说明非运算的物理意义：如室内的电灯，不是亮，就是灭。,1.5.2 二进制数的运算,3).布尔代数的基本运算规律 (1) 恒等式 A0=0 A1=A AA=A A+0=A A+1=1 A+A=A A+A=1 AA=0 A=A (2)运算规律 交换律： AB=BA A+B=B+A 结合律： (AB)C=A(BC)ABC (A+B)+C=A+(B+C)=A+B+C 分配律： A(B+C)=AB+AC (A+B)(C+D)=AC+AD+BC+BD, 多余项律： AB+AC+BC=AB+AC (A+B)(A+C)(B+C)=(A+B)(A+C) 利用这些恒等式和运算规律可以简化很多逻辑关系式。 例1.2.8 1) A+AB = A(1+B) = A 2) A+AB = A+AB+AB = A+(A+A)B =A+B,1.5.2 二进制数的运算,例1.2.9 如右图a所示为采用继电器控制某一个灯开关的原设计线路，用逻辑关系化简该电路。 图中A、B为继电器常触点 A、B为继电器常闭触点。 根据图a继电器触点和灯的关系用布尔代数可表示为： Y = (A+AB) B 化简过程如下： Y= (A+AB) B =AB + AB B =AB+0 = AB 右图b即为化简后的电路，它具有与图a相同的功能。,1.5.2 二进制数的运算,4) 摩根定理(反演律) 二变量的摩根定理： A + B = A B A B = A + B 推广到多变量为： A + B + C + = A B C A B C = A + B + C + 这个定理可以用一句来记忆： 头上一刀切 下面变个号,利用摩根定理，可以解决逻辑电路中“与”门与“或”门互换的问题。 例1.2.10 A B = A + B = A + B A + B + C = A B C,1.5.3 逻辑电路,逻辑电路由三个基本门电路组成：“与”门、“或”门和“非”门，分别对应与布尔代数中的三种基本逻辑运算，即“与”、“或”、“非”运算。 下图为三种基本门电路的名称、符号及表达式：,1.5.3 逻辑电路,在三个基本门电路的基础上，还可以组成更为复杂的逻辑电路，如下图。,1.5.4 加法器电路,真值表与布尔代数式的关系 当考虑一个因果问题时，把所有的因素都考虑进去，然后再研究其结果。真值表就是这种方法的表格形式。 例如，我们考虑两个一位的二进制数A与B相加，其本位的和S与进位C的结果全部列于右表之中。由于二进制数相加的取值只能为1或0，故可转化为逻辑问题。这个表即为这个逻辑问题的真值表。 从这个真值表可以把A与B的相加结果S与C归结为布尔代数式，其方法可分两步走： 先看真值表中结果为1的项，有几个项就有几个“或”项。 每一项各因素之间是“与”的关系，然后看该因素在这项里是否为“0”，如果是“0”状态则加“反”，否则不加。,1.5.4 加法器电路,对于两个(一位以上的)二进制数相加，可以从右边第一位(即0权位)开始，逐位相加，从第二位开始还应考虑加入由前一位相加的进位结果，例如： 两个二进制数表示为： A = A3 A2 A1 A0 B = B3 B2 B1 B0 每位相加的结果表示为： S = S3 S2 S1 S0 每位的进位结果分别放入C4C3C2C1,则： S0=A0+B0 进位C1 S1=A1+B1+C1 进位C2 S2=A2+B2+C2 进位C3 S3=A3+B3+C3 进位C4 最后说得结果为： A+B = C4 S3 S2 S1 S0,1.5.4 加法器电路,半加器电路及其符号 要求有两个输入端，用以代表数字A0和B0的电位输入；两个输出端，用以输出总和S0及进位C1, 该电路的真值表如下图：,1.5.4 加法器电路,全加器电路及其符号 三个输入端：Ai、Bi和Ci； 两个输出端：Si和Ci+1 电路的真值表如下图：,由上表可知Si、Ci+1与Ai、Bi、Ci的逻辑关系： Si = Ai Bi Ci Ci+1 = Ai Bi+ Bi Ci+ Ai Ci,1.5.4 加法器电路,二进制的加法电路 如果两个4位二进制数分别为： A = 1010 = 10(10) B = 1011 = 11(10) 其加法电路的组成如下图, 它由一个半加器和三个全加器组成：,列成竖式： A： 1 0 1 0 B： 1 0 1 1 （ S： 1 0 1 0 1 S = C4 S3 S2 S1 S0 = 10101,1.5.4 加法器电路,二进制的减法运算 在微型计算机中，没有专用的减法器，而是将减法运算改变为加法运算。其原理为：将减数B变成补码后，再与被减数A相加，其和（如有进位则舍去进位)就是两数之差。 在十进制中，原码与补码的关系通常如： 6+4=10, 64+36=100 等等。 对二进制数，补码的计算可用下式表示： 补码 = 反码 + 1 例如： 原码： 10100 反码： 01011 原码+反码11111， 则 原码(反码+1)10100(01011+1)10100 + 01100 = 100000 即原码与补码互相补充而得到一个进位数： 1位数的原码加补码得到的是2位数 10 2位数的原码加补码得到的是3位数 100 3位数的原码加补码得到的是4位数 1000 在计算机中，因为二进制电路由原码求反码是很容易的，所以就可以把减法运算变成加法运算。,1.5.4 加法器电路,例1.4.1 求 Y=8(10)4(10) = ? 解: A=8(10)=1000(2) B=4(10)=0100(2) B=1011+1=1100(2) YAB AB 1000+1100 1 0100 0100(2) 4(10),例1.4.2 求 Y=F(H)A(H) = ? 解:A=F(H)=1111(B) =15(D) B=A(H)=1010(B) =10(D) B=0101+1=0110(B) YAB AB 1111+0110 1 0101 0101(B) 5(D),进位，应舍去,进位，应舍去,1.5.4 加法器电路,可控反相器及加法减法电路 利用补码可将减法变为加法运算，因此需要有一个电路，能把原码变成反码，并使其最小位加1。右图的可控反相器就是为实现这一功能而设计的，实际是一个异或门, 由其真值表可知，当SUB=0, Y与B0相同，当SUB=1, Y与B0相反。 根据这一特点，可把前面的4位二进制加法电路上增加4个可控反相器，并将最低位的半加器也改用全加器，就可得到4位二进制加法/减法器电路。,1.5.4 加法器电路,可控反相器及加法减法电路 由二进制加法/减法器电路可知: 当SUB=0, 各位的可控反相器的输出与B的各位相同，电路与前述的加法器原理完全相同，电路各位按位相加，作加法运算，结果 SS3S2S1S0，其和为： Y= A+BC4S=C4S3S2S1S0 当SUB=1, 各位的反相器的输出与B的各位相反，电路作减法运算，并且有： C0SUB1