本章主要教學內容微處理器的產生和發展微型計算機系統的組成與工作過程計算機中數的表示與編碼第一章微型計算機基礎知識

11.1微處理器的產生和發展

1.1.1計算機發展簡介

1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學研制成功了世界上第一臺電子數字計算機ENIAC，此后計算機的發展隨著其主要電子部件的演變已經歷了4代：

1.第一代（1946~1958）電子管計算機

2.第二代（1959~1964）晶體管計算機

3.第三代（1965~1970）中小規模集成電路計算機

4.第四代（1971年以后）大規模和超大規模集成電路計算機21.1.2微處理器的產生及發展（1）微處理器誕生于20世紀70年代初，將傳統計算機的運算器和控制器等集成在一塊大規模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器。按照微處理器的字長和功能劃分經歷了5代演變：

1.第一代（1971開始）4位和8位低檔微處理器

Intel4004(71)，Intel8008(72)2.第二代（1974開始）8位中高檔微處理器

Intel8080(74)，MC6800(74)，Z80(75)，Intel8085(76)3.第三代（1978開始）16位微處理器

Intel8086(78)，Z8000(79)，MC68000(79)Intel80286、MC68010(82)31.1.2微處理器的產生及發展（2）

4.第四代（1983開始）32位微處理器

Z80000(83)，MC68020(84)，Intel80386(85)89年Intel80486、MC680405.第五代（1993年以后）是64位全新高性能奔騰（Pentium）系列微處理器。

93年Pentium95年PentiumⅡ97年PentiumPro99年PentiumⅢ2000年Pentium42006年Core4英特爾微處理器芯片80386PentiumPentium451.1.3計算機的發展趨勢隨著科學技術的發展，未來計算機的發展趨勢有如下幾個方面：

1.朝著微型計算機和巨型計算機兩級方向發展。

2.開發和研究的熱點是多媒體計算機。

3.未來計算機發展的總趨勢是智能化計算機。1.1.4微型計算機的分類

1.按字長分類按照微處理器能夠處理的字長可分為8、16、32和64位微機。

2.按結構方式分類可分為位片機、單片機、單板機、微型計算機系統（PC機）。

3.按所處地位和作用分類單片機、個人計算機、工作站/服務器、網絡計算機。61.1.5微型計算機的主要性能指標

1.字長：計算機CPU一次可同時處理的二進制數的位數。

2.主頻：也稱時鐘頻率，單位為MHz（兆赫），決定微機的處理速度。

3.主存容量：主存儲器中RAM和ROM的總和。

4.運算速度：是微處理器執行指令的速度。

5.外設擴展能力。

6.軟件配置。

7.可靠性：計算機在規定的時間和工作條件下正常工作不發生故障的概率。

8.兼容性：計算機的硬件和軟件可用于其他多種系統的性能。

9.性能價格比：衡量計算機產品優劣的綜合性指標，包括計算機的硬軟件性能與售價的關系7

1.1.6微型計算機的應用微型計算機的應用已經深入到各行各業，成為當今信息社會不可缺少的重要工具，其應用領域可以歸納為以下幾個方面：1.科學計算2.信息處理（1）辦公自動化（2）數據庫應用（3）多媒體技術3.過程控制4.計算機輔助設計與仿真5.網絡與信息化

81.2.1微型計算機系統組成完整的微型計算機系統組成框架如圖所示。硬件系統是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體；軟件是為運行、管理和維護計算機系統或為實現某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關資料。軟件由系統軟件和應用軟件組成。系統軟件簡化了計算機操作，支持應用軟件的運行并提供服務，包括操作系統、實用程序和語言處理程序等；應用軟件是為用戶解決某種應用問題的程序及有關的文件和資料。

1.2微型計算機系統的組成與工作過程9模擬量I/O開關量I/OI/O設備微型計算機系統硬件軟件系統軟件程序設計語言應用軟件（如軟件包、數據庫等）機器語言匯編語言高級語言監控程序操作系統編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序主機外圍設備運算器控制器寄存器陣列微處理器內存儲器I/O接口電路系統總線數據總線地址總線控制總線并行I/O串行I/OROMRAM外部設備過程I/O通道外存儲器微型計算機101.2.2微型計算機硬件結構微型計算機的硬件系統由微處理器、內存儲器、外存儲器、系統總線、接口電路、輸入/輸出設備等部件組成，如圖所示。1.微處理器也稱為CPU，是微機的核心部件，包含有運算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件，負責對計算機系統的各個部件進行統一的協調和控制。2.內存儲器也稱為主存儲器，用來存放各類操作的數據和程序。按功能和性能可分為隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。3.系統總線是CPU與其它部件之間傳送數據、地址和控制信息的公共通道，根據傳送內容的不同，可以將總線分成數據總線DB、地址總線AB、控制總線CB。11微型計算機的硬件典型系統結構圖124.I/O接口電路是微型計算機與外部設備交換信息的橋梁。5.主機板由CPU插座、芯片組、內存插槽、系統BIOS、CMOS、總線擴展槽、串并行接口、各種跳線和一些輔助電路等構成。6.外存儲器使用最多的是磁盤存儲器和光盤存儲器。7.輸入/輸入設備是微機系統與外界通信聯系的渠道，最常用的有鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。1314存儲程序計算機—又稱為馮?諾依曼型計算機1.以運算器為核心、以存儲程序原理為基礎2.計算過程描述為：由許多條指令按一定順序組成的程序，即程序是由多條有邏輯關系的指令組成，指令的長度不等（一般為1～4字節）3.數據和程序均以二進制代碼的形式不加區別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進制形式4.由控制器控制整個程序和數據的存取以及程序的執行1.2.3計算機工作過程155.控制器按預先存放在計算機存儲器中的程序的流程自動地連續取出指令并執行之。運算器輸出設備控制器輸入設備存儲器指令流控制命令數據流16程序的執行過程程序指令1指令2指令3指令4指令n……取指令指令譯碼取操作數執行指令存結果指令周期操作碼操作數執行1、CPU如何知道從哪里取出程序的第一條指令？2、CPU如何按程序控制流執行指令？3、CPU如何知道從哪里取操作數？17匯編語言程序

對應的機器指令

對應的操作------------------------------------------------------------------------MOVAL,5 10110000

將立即數1傳送到累加寄存器AL中

00000101 ADDAL,800000100

計算兩個數的和，結果存放到AL中

00001000 HLT

11110100

停機

例：計算5+8的程序是如執行？18②輸出指令地址鎖存地址②累加器A加法器數據寄存器DR指令寄存器IR指令譯碼器ID時序邏輯電路時序控制信號（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100內部總線存儲器01234程序計數器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址總線+1③地址譯碼器讀寫控制電路④輸出地址10110000⑦鎖存指令鎖存數據⑥置初值①讀寫命令⑤⑧指令譯碼鎖存輸出地址寄存器AR指令執行過程(取指/譯碼/執行)19取指令，PC加本指令的字節數分析指令執行指令停機指令？結束YN程序執行過程1.取指令階段的任務根據程序計數器PC從存儲器中取出指令，送到指令寄存器IR，PC自動指向下一條指令。2.分析指令階段的任務一條指令由兩部分組成：操作碼和操作數。將IR中的指令操作碼譯碼，分析指令。3.執行指令階段的任務根據分析的結果，取出操作數，執行指令規定的操作，完成指令的功能。4.如果不是停機指令又執行地1條的動作；如果是停機指令，則結束。201.3計算機中的數據表示與編碼1.3.1常用計數制及其轉換

1．數的表示十進制數采用0~9共10個數字符號及其進位來表示數的大小。0~9這些數字符號稱為“數碼”；全部數碼的個數稱為“基數”，用“逢基數進位”進行計數稱為進位計數制。進位以后的數字按其所在位置的前后，將代表不同的數值，表示各位有不同的“位權”，位權與基數的關系是：位權的值等于基數的若干次冪。

2．計算機中常用的進位計數制下表給出了計算機中常用計數制的基數和數碼以及進位關系。計數制基數數碼進位關系二進制20、1逢二進一十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進一十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進一213．計數制的書寫規則（1）在數字后面加寫英文字母作為標識：B(Binary)表示二進制數；D(Decimal)表示十進制數（通常可以省略）；H(Hexadecimal)表示十六進制數。（2）在括號外面加數字下標作為標識：(1101)2表示二進制數；(287)10表示十進制數；(5AB9)16表示十六進制數。22

4．數制之間的轉換（1）十進制數轉換為二進制數：整數轉換時，用基數2連續去除該整數直至商等于0，逆序排列余數即可。【例1.1】將十進制整數(35)10轉換為二進制整數，采用“除2倒取余”的方法。

2︳35

余數為12︳17

余數為12︳8

余數為02︳4

余數為02︳2

余數為02︳1

余數為10轉換后的結果為：(35)10＝(100011)223小數轉換時，用基數2去乘以該小數，取出乘積整數部分，連續乘到小數部分等于“0”，然后順序排列乘積的整數。【例1.2】將十進制小數(0.8125)10轉換為二進制小數，采用“乘2順取整”的方法。0.8125×2＝1.625 取整數位10.625×2＝1.25 取整數位10.25×2＝0.5 取整數位00.5×2＝1.0 取整數位1

轉換后的結果為：(0.8125)10＝(0.1101)2

同理，十進制轉換為十六進制可采用“除16倒取余”或“乘16順取整”的方法。24（2）二進制、十六進制數轉換為十進制數：按照“將位權展開求和”的方法就可以得到。【例1.3】將二進制數(100101.101)2

轉換為十進制數，過程如下：(100101.101)2＝1×25＋1×22＋1×20＋1×2－1＋1×2－3

＝32＋4＋1＋0.5＋0.125

＝(37.625)1025十六進制數轉換為十進制數時，用其各位所對應的系數來乘以基數為16的相應位權，就可以得到相應的十進制數。【例1.4】將十六進制數(F5.B)16

轉換為十進制數，過程如下：(F5.B)16＝15×161＋5×160＋11×16－1

＝240＋5＋0.6875

＝(245.6875)10261.3.2無符號數與帶符號數的表示把一個數及其符號在機器中的表示加以數值化，這樣的數稱為機器數。機器數的表示要考慮以下3個因素：（1）機器數的范圍（2）機器數的符號（3）機器數中小數點的位置271．數的原碼、反碼、補碼表示（1）原碼：正數的原碼將其符號位置“0”，負數的原碼將其符號位置“1”，其余各位按照通常的方法來表示。（2）反碼：正數的反碼與其原碼相同，負數的反碼為其原碼除符號位以外的各位按位取反。（3）補碼：正數的補碼與其原碼相同，負數的補碼為其反碼在最低位加1。引入補碼可以將減法運算化成加法運算，從而簡化機器的控制線路，提高運算速度。

28

【例1.7】已知[X]補碼＝11011011B，求其值X。由于[X]補碼的符號位為“1”，表示該數為負數，則其值為：X＝－([1011011]反碼＋1)2＝－(0100100＋1)2＝－(0100101)2＝－(1×25＋1×22＋1×20)＝－