1、微型計算機基礎知識演示文稿1/61第一頁，共五十六頁。2/61優選微型計算機基礎知識第二頁，共五十六頁。1.1 微型計算機和單片機發展概述一、微型計算機的發展 1電子計算機的發展 1946年美國研制出世界上第一臺電子計算機ENIAC 第一代：電子管電子計算機（1946年1958年） 邏輯元件：電子管 內存儲器：水銀延遲線 外存儲器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶 程序語言：機器語言，匯編語言第二代：晶體管電子計算機（1958年1965年）邏輯元件：晶體管內存儲器：磁芯外存儲器：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語言：機器語言，匯編語言、 高級語言第一臺晶體管計算機 第三頁，共五十六頁。第三代：中小規模集成電路

2、電子計算機（1965年1970年） 邏輯元件：中、小規模集成電路 內存儲器：磁芯、半導體存儲器 外存儲器：磁盤、磁帶 程序語言：匯編語言、高級語言第一臺集成電路通用計算機 第四代：大規模、超大規模集成電路電子計算機(1971年開始)邏輯元件：大規模集成電路內存儲器：半導體存儲器外存儲器：磁盤、磁帶、光盤程序語言：匯編語言、高級語言 第五代：智能計算機（20世紀80年代中期至今）把信息采集、存儲、處理、通信和人工智能結合一起，具有形式推理、聯想、學習和解釋能力。現正在研制發展中。第四頁，共五十六頁。 2微型計算機的發展以大規模、超大規模微處理器為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路以及系統總線所

3、構成的計算機。什么是微型計算機？ 第一代（19711973年）4位和低檔8位微處理器Intel4004 4位微處理器Intel8008 低檔8位微處理器Intel 8008 Intel8080、MC6800 8位微處理器Intel8085、Z80 高檔8位微處理器指令比較完善，有中斷與DMA，頻率24MHz Intel 8080 第二代： （19731977年）中高檔8位微處理器第五頁，共五十六頁。第三代（19781982年）16位微處理器 Intel8086 、Z8000、MC68000 16位CPU字長16位，16位數據線，20位地址線Intel 80861981年，IBM公司采用Inte

4、l 8086微處理器生產了第一臺通用微型計算機IBM PC Intel80286 高檔16位，24位地址線 第四代（19821992年）32位微處理器Intel 80386 32位微處理器，數據總線32位，地址總線32位，時鐘頻率33MHzIntel 80486 32位微處理器80486 = 80386+80387+8KBCache部分采用RISC、突發總線技術、時鐘倍頻技術Intel 80486第六頁，共五十六頁。第五代（19931995年）32位奔騰微處理器Pentium（奔騰） 32位微處理器CPU字長32位，64位數據線，32位地址線Pentium MMX（多能奔騰） 32位微處理器增

5、加了57條 MMX（多媒體增強指令集）指令 第六代（19951999年）增強型Pentium微處理器Pentium Pro(高能奔騰) 32位微處理器36位地址線，時鐘頻率300MHz。Pentium II 32位，增加MMX技術。Pentium III 32位，時鐘頻率達1GHZPentium 4 32位，時鐘頻率高達3.8GHzIntel Pentium III 第六代后（2000年至今）和多核處理器 Intel Itanium 2 64位微處理器 Intel Core i7 4核處理器第七頁，共五十六頁。 二、單片機的發展 將CPU、ROM、RAM、輸入/輸出(I/O)接口電路以及定時器

6、/計數器等主要部件集成在一塊集成電路芯片上。稱為單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)，簡稱單片機。單片機雖然只是一片集成電路，但從組成和功能上看，已具有了一臺微型計算機的基本功能。單片機的特點：性價比高：高性能、低價格；針對性強：適用于各種控制用途；集成度高：體積小、可靠性高 ；功耗較小：低電壓、低功耗；品種多樣：型號多，發展更新快。什么是單片機？第八頁，共五十六頁。 1單片機的發展簡史第一階段（19711974）單片機萌芽階段典型代表：美國仙童公司的FS系列單片機，8位CPU、64字節RAM和兩個并行端口，需外接ROM。第二階段（19741978）初級單片機階

7、段以Intel公司的MCS-48系列為代表。8位CPU、2個8位并行I/O口、8位定時器/計數器和64字節的RAM，尋址范圍4KB。 第三階段（19781983）高性能單片機階段這時期代表產品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC6801系列、Zilog公司的Z80系列等。第四階段(1983)8位單片機鞏固發展及16位單片機推出8位單片機功能越來越強大，集成較多RAM/ROM、I/O接口、還帶A/D轉換器等。16位單片機如MCS-96等也開始推出第九頁，共五十六頁。現階段：32位單片機系列采用RISC，主頻33MHz以上，強大的中斷控制系統、定時/事件控制系統和同步/異

8、步通信系統。代表產品MCS-80960由于8位單片機性價比高，能滿足一般的應用需求，而且增強型8位單片機在性能上也已接近16位單片機。因此在今后相當長的時期內，主流機型仍是8位單片機。 2單片機的發展趨勢CMOS化低功耗化低電壓化低噪聲與高可靠性大容量、高性能化小容量、低價格化外圍電路內裝化串行擴展技術第十頁，共五十六頁。1.2 計算機中的數制及數的轉換 一、計算機中的數制 數是客觀事物的量在人們頭腦中的反映。數制是人們對事物的量進行計量的一種規律。用一組數碼表示數時，如果每個數碼所表示的大小不僅決定于數碼本身而且還決定于這個數碼所處的位置，這種表示法就稱為數的位置表示法。例如：999 1數的

9、位置表示法權：在位置表示法中每一個數位的位值。基數：相鄰兩位中高位的權與低位的權之比。第十一頁，共五十六頁。表示數量N，則用位置表示法可表示為：如用一組數碼其中：X 為基數(X2)。取值不同就可以得到不同進制數ai表示各數位上的數碼,稱為系數。ai=0,1,X-1【例1-1】 123.456 = 1102+2101+3100+410-1+510-2+610-3第十二頁，共五十六頁。2各種不同進制的數十進制（Decimal）計數規律：逢十進一，借一當十；基數10；系數ai = 0, 1, , 9 ;一般表達式：特點：日常生活習慣第十三頁，共五十六頁。 特點：1. 電路實現方便，計算機中使用； 2

10、. 運算規則簡單。運算規則：加(+)：0 +0 = 0 0 +1 = 1 1+0 = 1 1+1 =10 (逢二進一)減(-)：00 = 0 101 =1 (借位) 10 = 1 11 =0乘()：0 0 =0 0 1 =0 1 0 =0 1 1 =1除(/)：0 / 1 =0 1 / 1 =1二進制（Binary）計數規律：逢二進一，借一當二；基數2；系數ai = 0, 1 ;一般表達式：【例1-2】(1011.1)2 = ( 123 + 022 + 121 + 120 +1 2-1)10為什么計算機內部都采用二進制？第十四頁，共五十六頁。十六進制（Hexadecimal）計數規律：逢十六進

11、一，借一當十六；基數16; 系數 ai = 0, 1, , 9, A, B, C, D, E, F ;一般表達式：特點：2416，4位二進制數對應1位十六進制數。【例1-4】(56D.3)H = (5162 + 6161 + 13160 + 316-1)10第十五頁，共五十六頁。 3各種不同進制數的表示Decimal： 后跟D或省略不寫；Binary： 后跟B；Hexadecimal：后跟H，若以 AF開頭，需加前導0第十六頁，共五十六頁。方法：按權展開；二、數制間的轉換1N進制 （N10） 十進制【例1-9】 1011.110B= 123+022+121+120+12-1+12-2=11.7

12、5 3BEF.E6H= 3163 +11162 +14161 +15160 +1416-1 +616-2 = 15039.8984375第十七頁，共五十六頁。（1）整數部分 除N取余 2十進制 N進制（N10）整數部分、小數部分必須分開，分別求出系數ai余數2125-1最低位2 62-02 31-12 15-12 7-12 3-12 1-1最高位 0【例1-10】 將125轉換為二進制數余數1615536- 0最低位16 971-1116 60-12 3- 3最高位【例1-11】 將15536轉換為16進制數轉換結果：125 = 1111101B轉換結果：15536 = 3CB0H第十八頁，共

13、五十六頁。 （2）小數部分轉換 乘N取整【例1-12】將0.6875轉換為二進制數整數20.6875=1.375-1最高位20.375=0.75-020.75=1.5-120.5=1.0-1最低位轉換結果：0.6875 = 0.1011B整數160.78125=12.5-12（C）最高位160.5=8.0-8最低位轉換結果：0.78125 = 0.C8H 【例1-13】將0.78125轉換為十六進制數第十九頁，共五十六頁。（1）二進制數到十六進制數的轉換 四位化一位從小數點處向兩邊分節，整數部分不夠前面補0，小數部分不夠后面補0。1000110. 0101000110.0100(46.4)16

14、 3. 二進制數和十六進制數間的轉換【例1-14】將(1000110.01)B轉換為十六進制數。 第二十頁，共五十六頁。不同進制數之間的對照關系第二十一頁，共五十六頁。 （2）十六進制數到二進制數的轉換 方法：一位化四位。按順序寫出每位十六進制數對應的二進制數，所得結果即為相應的二進制數。【例1-15】 將(352.6)H轉換為二進制數。 3 5 2 . 6 H0011 0101 0010 . 0110 = (11 0101 0010 . 011)BCPU能否識別十六進制數？使用十六進制數的目的是什么？第二十二頁，共五十六頁。三種數制間的轉換小結N進制十進制：按權展開相加N進制十進制整數：除N

15、取余N進制十進制小數：乘N取整第二十三頁，共五十六頁。1.3 計算機中二進制數的運算一、二進制數的算術運算二進制數的計數規律：加法“逢二進一”，減法“借一當二”被加數10110101B加數00001011B進位+01111110B 和11000000B被減數10110101B減數00001011B借位-00010100B 差10101010B【例1-18】 減法運算 10110101B - 1011B結果：10110101B + 1011B = 11000000B【例1-17】 加法運算 10110101B + 1011B結果：10110101B - 1011B = 10101010B第二十四

16、頁，共五十六頁。【例1-19】二進制乘法運算，10110101B 1011B被乘數10110101B乘數1011B10110101部分積1011010100000000+10110101積11111000111B結果：第二十五頁，共五十六頁。【例1-20】二進制除法運算，10111111B1001B10101B商除數100110111111B被除數-10011011-10011011-100110B余數結果：10111111B1001B 商=10101B，余數=10B第二十六頁，共五十六頁。 二、二進制數的邏輯運算二進制數的邏輯運算常用的有“與”、“或”、“異或”和“非”四種。分別用符號“AN

17、D”、“OR”、“XOR”和“NOT”作為運算符，在數字上面加橫線“”表示該數的非運算。二進制數的邏輯運算按位進行運算，沒有進位問題。取值邏輯運算結果與運算(AND)或運算(OR)異或運算(XOR)非運算(NOT)000000101011100111011110表1-1 1位二進制數邏輯運算規則第二十七頁，共五十六頁。【例1-21】求二進制數10010111B和00111000B的“與”、“或”、“異或”運算10010111BAND00111000B00010000B結果：10010111B AND 00111000B = 00010000B10010111BOR00111000B101111

18、11B結果：10010111B OR 00111000B = 10111111B10010111BXOR00111000B10101111B結果：10010111B XOR 00111000B = 10101111B第二十八頁，共五十六頁。1.4 計算機中有符號數的表示方法無符號數：不涉及符號問題的數，統稱為無符號數；有符號數：最高位表示數的符號，0正數，1負數；例如字長8位：D7 符號位，D6D0 數值位；兩個概念：機器數和機器數的真值(簡稱真值)。機器數：數值數據在計算機中的編碼。機器數的真值：機器數所代表的實際數值。在計算機中，有符號數常用原碼、反碼、補碼等形式表示第二十九頁，共五十六頁

19、。 一、原碼、反碼和補碼1原碼原碼：最高位表示符號，其中：0 正數、1 負數 其他位表示數值的絕對大小。【例1-24】求X1= +1010B，X2= -1010B的原碼（8位） 解：X1原 = 00001010B X2原 = 10001010Bn位原碼能夠表示的數值的范圍：(2n-11)(2n-11);0的原碼不唯一，有+0原 和-0原之分,處理運算不方便。原碼與真值的對應關系簡單，真值=符號+絕對值。真值： 用“+”和“-”表示的有符號數第三十頁，共五十六頁。 2反碼若X0，則X反X原;若X0，則X反符號位為1，原碼數值部分按位取反；n位反碼能夠表示的數值的范圍：(2n-11)(2n-11)

20、;0的反碼不唯一，有+0反和-0反之分,處理運算不方便；反碼與真值不直接對應。【例1-25】設X=+105，Y=-105，求字長為8位的反碼X反和Y反 解：X=+105=+1101001B， X反=X原=01101001B。 Y=-105=-1101001B， Y原=11101001B，Y反=10010110B第三十一頁，共五十六頁。3. 補碼模：計量容器或一個計量單位稱為模或模數,記作M或Mode， n位寄存器（計數器）以2n為模。如n=8，則M=28=256標準時間5:00待校時鐘時間2:00慢3小時校準方法1順時針撥3小時加3小時校準方法2逆時針撥9小時減9小時2+3=5 Mod 122

21、-9=5 Mod 12結論： 2-9 = 2+3 = 5（Mod 12） 補碼可以變減法運算為加法運算指針式時鐘小時計時Mode=12補的概念：以校時鐘為例：第三十二頁，共五十六頁。【例1-26】求 X52 和 Y52 的補碼。 解：X520110100B，X0，X補X原00110100B Y520110100B，Y0，Y原10110100B Y反11001011B Y補Y反1 = 11001011B111001100B若X0，則X補X原; 若X0，則X補符號位為1，原碼數值部分取反加1；n位補碼能夠表示的數值的范圍：(2n-1)(2n-11);0的補碼是唯一的，處理運算方便；負數的補碼與原碼

22、的關系：X補補=X原；(由補碼求真值)第三十三頁，共五十六頁。4. 關于原碼、反碼、補碼的幾點說明8位n位無符號數02550（2n-1）有符號數原碼-127 +127-(2n-1-1) +(2n-1-1)反碼-127 +127-(2n-1-1) +(2n-1-1)補碼-128 +127-2n-1 +(2n-1-1)1)對有符號數才有原碼、反碼和補碼；2)正數的原碼、反碼和補碼都相同；3)在計算機中未加特別說明，有符號數均采用補碼表示。在計算機中，8位二進制數可表示的范圍是多少？第三十四頁，共五十六頁。下次課前請預習1.41.6節，并思考下列問題1. 為什么在計算機中有符號數多用補碼表示？2.

23、BCD碼和ASCII碼分別用于表示什么？3. 計算機的硬件結構是由哪幾個基本部分組成的？4. 微型計算機與傳統計算機的主要區別是什么？ 5. 單片機與微型計算機的主要區別在哪里？第三十五頁，共五十六頁。練 習 題 一1將下列二進制數轉換為十進制數和十六進制數。 （1） 0011 0100 B （2） 1010 1011 B2將下列十進制數轉換成十六進制數。 （1）29 （2）53 （3）35.75 （4）47.53已知原碼如下，寫出其反碼和補碼。 （1） X原0101 1001 （2） X原1101 1011 （3） X原0011 1110 （4） X原1111 1100第三十六頁，共五十六頁

24、。 二、補碼的加減運算1補碼加法運算補碼加法運算的通式為：X+Y補X補 + Y補（mod 2n）【例1-26】已知 X52 和 Y7，試用8位二進制補碼運算求 X+Y的二進制值。解:X補+52補+52原= 00110100B； Y原-7原=10000111B，Y反11111000B，Y補11111001BX補00110100BY補11111001BX+Y補100101101B 故有：X + Y補X補 + Y補00101101B = X + Y原真值為：+0101101B = +45 在計算機中有符號數為什么多采用補碼表示法？第三十七頁，共五十六頁。 2補碼減法運算補碼減法運算的通式為：X-Y補

25、X補 + -Y補（mod 2n）【例1-27】已知 X6 和 Y25，試用8位二進制補碼運算求XY的二進制值。解：X補+6補+6原=00000110B； -Y原-25原=10011001B， -Y反11100110B，-Y補11100111B 故有：X-Y補X補 + Y補11101101B X-Y原= XY補補 = 10010011B真值為：0010011B = 19 X補00000110B-Y補 +11100111BX-Y補011101101B第三十八頁，共五十六頁。 3加減法運算溢出的判別計算機在運算時，若運算結果超出數的表示范圍，則稱為計算溢出，發生溢出時結果不正確，若不處理是不能直接使

26、用。有符號數運算溢出的判別“雙進位位”判別法：1 溢出0 無溢出OV=Cn-2Cn-1=最高數值位Dn-2向符號位Dn-1的進位為Cn-2 若有進位或借位 Cn-2=1，否則Cn-2=0；符號位Dn-1向進位標志位Cy的進位為Cn-1， 若有進位或借位 Cn-1=1，否則Cn-1=0。第三十九頁，共五十六頁。 二進制補碼運算溢出判別舉例55補=00110111B+66補=01000010B55+66補001111001B=+121補【例1-27】用二進制補碼運算，計算55 + 66，并判別是否溢出因為C7 = 0，C6 = 0，OV = C7C6 = 0，所以無溢出，結果正確【例1-30】用二

27、進制補碼運算，計算 （-93）+（-59），并判別是否溢出。因為C7 = 1，C6 = 0，OV = C7C6 = 1，所以有溢出，結果不正確-93補=10100011B+-59補=11000101B-93-59補101101000B=+104補 第四十頁，共五十六頁。 無符號數運算溢出的判別無符號數沒有符號位，全部二進制代碼都用于表示數值無符號數運算溢出的判別是看最高數值位有無進位（借位）如果加法運算有進位（或減法運算有借位）則運算溢出【例1-31】 8位無符號數198和145相加，并判別是否溢出。 因為C7 = 1，所以溢出，即本單元的結果超出8位無符號數的表示范圍0255，結果不正確！

28、如果將進位考慮進去，則結果正確！198=11000110B+145=10010001B198+145101010111B= 87 第四十一頁，共五十六頁。1.5 計算機中的字符編碼一、BCD碼BCD碼是用4位二進制數來表示一位十進制數的編碼BCD碼的編碼方案約有 種編碼方法每一種BCD碼編碼方案僅使用10個編碼，剩下6個未使用未使用的編碼稱為非法碼或冗余碼18421 BCD碼8421 BCD碼是用四位二進制數來表示一位十進制數09。從高位到低位各位的權分別是8、4、2、1，故稱為8421碼。22421 BCD碼2421 BCD碼，從高位到低位各位的權分別是2、4、2、1。2421 BCD碼又分

29、為(A)和(B)兩種代碼。第四十二頁，共五十六頁。 3余3碼這種代碼所組成的四位二進制數，正好比它所代表的十進制數多3，故稱為余3碼。十進數8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3十進數8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3000000000000001110001110111010110001000100010100910011111111111000010001000100101非法編碼禁用1010100001010000001100110011011010111001011000010100010001000111110010100111001001

30、0101011011100011011011100011010110011011001001111011001001111001110111110110101111110110101111表1-2 幾種常用的BCD碼第四十三頁，共五十六頁。二、ASCII碼美國標準信息交換代碼（American Standard Code for Information Interchange）要求記住09、AF的ASCII碼高3位 MSDb6b5b4低4位01234567LSDb3b2b1b000000101001110010111011100000NULDLESP0Pp10001SOHDC1!1AQaq20

31、010STXDC22BRbr30011ETXDC3#3CScs40100EOTDC4$4DTdt50101ENQNAK%5EUeu60110ACKSYN&6FVfv70111BELETB7GWgw81000BSCAN(8HXhx91001HTEM)9IYiyA1010LFSUB*:JZjzB1011VTESC+;KkC1100FFFS,N nF1111SIUS/?O oDEL第四十四頁，共五十六頁。 1.6 微型計算機組成原理一、微型計算機的基本組成1計算機的基本結構運算器：進行算術運算和邏輯運算；存儲器：存放程序、數據和中間結果；控制器：協調計算機各部件之間的工作， 實現程序控制；輸入設備：

32、把數據和相應的程序通過輸入 設備輸入到計算機中；輸出設備：輸出結果。馮諾依曼計算機的基本結構計算機的硬件結構是由哪幾個基本部分組成的？第四十五頁，共五十六頁。 2微型計算機的硬件組成微處理器 (即中央處理器CPU)：基本功能是按指令的要求運行程序和指揮其他部件協調工作。 存儲器：用來存放程序、數據及中間結果。 RAM：信息可以讀出和寫入，斷電后，儲存的信息自動消失 ROM：信息在工作情況下只能讀出，斷電后信息不會丟失。微型計算機與傳統計算機的主要區別是什么？ 第四十六頁，共五十六頁。 輸入/輸出（I/O）接口電路 介于計算機CPU和外部設備之間的電路稱為I/O接口電路，具有對數據緩存作用，以及

33、信號的變換作用等。 外部設備必須通過I/O接口才能與CPU相連接并交換信息。系統總線 所謂總線，是計算機中傳送信息的一組公用導線。按所傳送信息的不同類型，系統總線可以分為:數據總線DB：傳送數據信息，雙向總線；地址總線AB：傳送地址信息，是單向總線，由CPU發出；控制總線CB：傳送各種控制信號和狀態信號。第四十七頁，共五十六頁。 3微型計算機系統的組成 微型計算機系統 = 硬件系統 + 軟件系統硬件系統(Hardware System)硬件是指構成微型計算機系統的物理實體或稱物理裝置。軟件系統(Software System)軟件是運行、管理和維護計算機的各種程序及數據的總和，分為系統軟件和應用軟件兩大類。系統軟件：是為方便用戶使用和管理計算機，以及為生成和執行其他程序所需要的一系列程序和文件的總稱。應用軟件：也稱應用程序或用戶程序，它是用戶在各自的應用領域中開發和使用的程序。第四十八頁，共五十六頁。硬件和軟件的關系硬件和軟件是微型計算機系統的兩個不可缺少的組成部分，它們互相配合，協調一致地工作。對整個系統來說，硬件是基礎，是軟件賴以運作的平臺，決定了系統的能力，即系統能做什么；軟件是關鍵，決定了在系統的能力范圍內，系統具體做什么以及怎么做。第四十九頁，共五十六頁。微型計算機系統的組成微機系統硬件軟件主機系統軟件：操作系統CPU存儲器I/O接