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1、微机原理与应用,教材：80X86/Pentium微型计算机原理及应用吴宁主编电子工业出版社课时安排：1-16周,课程简介,本课程主要涉及Intel系列微处理器的程序设计以及接口技术，是进一步学习和掌握基于Intel系列微处理器的电子、通信和控制系统的程序设计和接口技术以及芯片开发的入门课程。主要内容：汇编语言：80X86宏汇编语言的程序设计方法及应用微机原理：微处理器结构，存储器原理，中断系统在微机系统中的实现等等。接口技术：基本的I/O接口芯片（8253，8255A，8251A，8237A等），常用总线及接口（ISA，EISA，VESA，PCI，USB，AGP)。,内容纲要,1 计算机基础2
2、 80X86/Pentium微处理器3 80X86/Pentium指令系统4 汇编语言程序设计5 半导体存储器6 输入/输出和中断技术7 微型机接口技术*8 微型计算机系统与计算机网络,第一章 计算机基础,1.1 概述1.2 计算机中数值数据信息的表示无符号数带符号数：原码、反码、补码定点数与浮点数BCD码1.3 计算机中非数值数据的表示ASCII码（英文）交换码、内码（汉字）1.4 微型计算机基本工作原理硬件、软件、指令执行1.5 计算机的主要性能指标,1.1 概述,第一台电子计算机ENIAC，于1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功，美籍数学家冯诺依曼（Von Neumann）所确立的存储
3、程序体系沿用至今冯 诺依曼结构计算机的 3 点重要设计思想：由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5 个基本部分组成。采用二进制。指令和数据都放在存储器中，机器能自动执行程序（存储程序思想）,1.1 概述,计算机发展简史,1946第一台电子计算机ENIAC。第一代计算机 1946 1955，电子管。第二代计算机 1956 1963，晶体管。第三代计算机 1964 1971，中小规模集成电路。第四代计算机 1972 1986，大规模集成电路。第五代计算机 1986 今，超大规模集成电路。,1.1 概述,微处理器的发展史,第一代微型机（1971-1973）4位和低档8位微处理器第二代微型机（
4、1974-1977）中高档8位微处理器第三代微型机（1978-1984）16位微处理器第四代微型机（1985-1992）32位微处理器第五代微型机（1993-今）64位微处理器19931996 Pentium（64位外部数据总线）19972001 加强型Pentium2001今 64位CPU、双核CPU等,1.1 概述,第一代微型机（1971-1973）4位和低档8位微处理器,1.1 概述,典型产品有Intel 4004(1971年、4位)和Intel 8008（1972年、8位）。特点字长：4位或8位时钟频率：1MHz平均执行指令时间：20s集成度：2000管/片,第二代微型机（1974-1
5、977）中高档8位微处理器,Intel 8080,Motorola公司的M6800，Zilog公司的Z80，Intel公司的8085，Rockwell与MOS Technology的6502等。特点字长：8位时钟频率：24MHz平均执行指令时间：12 s集成度：5000 10000管/片,1.1 概述,第三代微型机（1978-1984）16位微处理器,Intel公司的8086/8088、Motorola公司的M68000和Zilog 公司的Z8000特点字长：16位时钟频率：440MHz平均执行指令时间：0.5 s集成度：20000 60000管/片,1.1 概述,第四代微型机（1985-19
6、92）32位微处理器,Intel公司推出80186、802861985年，Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386，同时有Motorola公司的M680201989年，Intel公司推出80486，同期有Motorola公司的M68040特点字长：32位时钟频率：10120MHz平均执行指令时间：0.2s集成度：几十万上百万管/片,1.1 概述,Pentium,1993年3月，Intel公司的奔腾（Pentium）时钟频率：60/66MHz 运行速度：112MIPS 集成度：310万管/片1995年2月，Intel公司的Pentium Pro 时钟频率：166MHz以上 集
7、成度：550万管/片1996年 Intel公司的Pentium MMX,1.1 概述,加强型Pentium,1997年到1999年，Intel公司的Pentium、Pentium、AMD公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达750万管/片，时钟频率达到750MHz。2001年底，Pentium 主频高达2GHz，具有4200万只晶体管，主流高端32位CPU市场的佼佼者。AMD公司的Athlon CPU，1.33GHz主频及2GHz主频。,1.1 概述,64位CPU,2001年5月，Intel公司正式推出了第一种64位微处理器Itanium（安腾）。Itanium由英特尔和惠普联合开发，主要用
8、于工作站和服务器机型，内置24MB的3级缓存、工作频率为800MHz及722MHz的产品，价格为1177美元至4427美元。AMD公司的AMD-K8,1.1 概述,微处理器发展过程,Intel的CPU的发展史,intel 4004，intel 的发展史就是从这块cpu起步的,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,8008,8085,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,8086,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,80286，intel最后一块16位cpu,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,486，这是intel最后一代以数字编号的cpu,80386，intel第一代32
9、位cpu,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,pentium，传说中的586,pentium pro,pentium mmx,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,pentiumII,Celeron（赛扬）,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,pentiumIII katmai,Intel pentiumIII tualatin/coppermine,pentiumIII,1.1 概述,Intel的CPU的发展史,intel pentiumIV_423,intel pentiumIV_478,1.1 概述,微型计算机的发展现状,工作频率：CPU工作频率、系统总线工作频率并行计算
10、：双核、超级流水线多媒体处理：数据流单指令多数据扩展2(SSE2)指令集扩展、MMX和SSE技术,更好的支持DVD播放，音频和3D图形数据处理，网络流数据处理等其他：高速缓存技术、双通道RDRAM等,数据、信息、媒体和多媒体,数据数值型数据、非数值型数据信息：对人有用的数据，这些数据可能影响到人们的行为和决策媒体：承载信息的载体感觉媒体、表示媒体、存储媒体、表现媒体、传输媒体多媒体：多种感觉媒体,1.1 概述,1.2 计算机中数值数据信息的表示,用一个8位二进制数表示一个有符号数：,连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。,机器数与真值,1.2 计算机中数值
11、数据信息的表示,计算机中数值数据信息的表示,常用的数制二进制数（以B结尾）八进制数（以O结尾）十六进制数（以H结尾）十进制数（以D结尾）注：数在机器中是用二进制表示的，但为了书写方便我们用十六进制表示，一个字节（8位二进制数）用两位十六进制数来表示。例：10110011B179DB3H,1.2 计算机中数值数据信息的表示,位、字、字节、双字和字长,位（bit）：计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（byte）：由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B。例如8086/8088有20位地址线，它的存储
12、器寻址范围（容量）是220字节，记做1MB。1K=1024=210；1M=1024K=220；1G=1024M=230；1T=1024G=240；1KB1K8b字（word)：是计算机内部进行数据传递的基本单位,它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,位、字、字节、双字和字长,字长：字所包含的二进制位数，即微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。例如：8088称为准16位微处理器，而80386SX称为准32位微处理器。IBM PC/XT机规定：字（W）2字节16位 双字（DW）4字节32
13、位 四字（QW）8字节64位,1.2 计算机中数值数据信息的表示,无符号数和带符号数,无符号数：无符号数的最高位不是符号位而是数值的一部分。带符号数:把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数。符号位：如果是8位二进制数，则符号位是D7，如果是16位二进制数，则符号位是D15。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,原码,原码：数值部分不变，用最高位表示数的正、负号，0表示正，1表示负【例1】X=+1001001 X原=01001001【例2】X=-1001001 X原=11001001 零的表示+0原=00000000-0原=10000000原码在运算中存在的问题
14、(1)10-(1)10=(1)10+(-1)10=(0)10(00000001)原+(10000001)原=(10000010)原=(-2)（不正确）,1.2 计算机中数值数据信息的表示,反码,反码：正数的反码与原码相同；负数的反码是将它的原码除符号位外逐位取反【例3】X=+1001001 X反=01001001【例4】X=-1001001 X反=10110110反码的零+0反=00000000-0反=11111111反码在运算中存在的问题(1)10-(1)10=(1)10+(-1)10=(0)10(00000001)反+(11111110)反=(11111111)反=(-0)（有问题）(1)
15、10-(2)10=(1)10+(-2)10=(-1)10(00000001)反+(11111101)反=(11111110)反=(-1)（正确）(-1)10-(2)10=(-1)10+(-2)10=(-3)10(11111110)反+(11111101)反=(11111011)反=(-4)（不正确）,1.2 计算机中数值数据信息的表示,补码,补码定义同余 a+kM=a(mod M)例：6=-2+8=-2(mod 8)，即以8为模时，6称为-2的补码，此时减法可以转换为加法进行（加补码）7-2=5=7+6(mod 8)补码定义,1.2 计算机中数值数据信息的表示,或,补码的求法方法一：正数的补码
16、和原码相同，负数的补码等于反码加1（-2n-1代替了-0）方法二：正数的补码和原码相同，负数的补码符号位为1，将原数值中最右边一个1及其后面的0保持不变，而最右一个1以左的各位按位取反例：x=-0011000B x补11101000B二进制补码表示的带符号数的真值的求法：x 补补=x 原例：x补10010111B x 原11101001B+0补=-0补=00000000-10000000补=10000000=-128补,补码,1.2 计算机中数值数据信息的表示,补码,8位有符号数的表示范围原码：-127+127反码：-127+127补码：-128+127特殊数10000000原码：-0反码：-
17、127补码：-128无符号数：(10000000)=128,1.2 计算机中数值数据信息的表示,补码的运算,补码的运算规则 X+Y 补=X 补+Y 补 X Y 补=X 补+Y 补 x 补补=x 原补码运算需注意：符号位与数值位一起参加运算符号位产生的进位舍掉不管要保证运算结果不超过补码所能表示的最大范围（-2n-1 2n-1-1）,1.2 计算机中数值数据信息的表示,补码的运算,例【1-4】X=+00001111(15D)，Y=+01000000(64D)，求X+Y解：X补=00001111 Y补=01000000 00001111+01000000 01001111(79D)=X+Y补=X+
18、Y，结果正确。例【1-5】X=-00001111(-15D)，Y=01000000(64D)，求X+Y解：X补=11110001 y补=01000000 11110001+01000000 1 00110001(49D)=X+Y补=X+Y，结果正确。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,溢出,进(借)位在加法过程中，符号位向更高位产生进位；在减法过程中，符号位向更高位产生借位溢出 若参与操作的两数在定义域内，但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值，所计算出的结果产生了错误，称之为溢出,1.2 计算机中数值数据信息的表示,溢出,方法：同号相减或异号相加不会溢出。同号相加或异号相减可能溢出
19、：两种情况：同号相加时，结果符号与加数符号相反溢出；异号相减时，结果符号与减数符号相同溢出。方法：两个带符号二进制数相加或相减时，若 C7C61，则结果产生溢出。C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位,溢出,例【1-7】C7C6 0 1 0 0 0 0 0 0+64+0 1 0 0 0 0 0 1+65 1 0 0 0 0 0 0 1+129+127 结果错误，产生了溢出 两个正数相加，结果为负数形式，这是由于+129+127的原因，从上式可看出C6=1，C7=0，OF=C6C7=10=1，溢出标志OF=1，表示有溢出。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,带符号数的表示方法,例【1
20、-8】计算-128-1 C7C6-128补=1 0 0 0 0 0 0 0+-1补=1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 两个负数相加，结果为正数形式，这是由于-128-1=-129-128的原因，从上式可看出C6=0，C7=1，OF=C6C7=01=1，表示有溢出,1.2 计算机中数值数据信息的表示,带符号数的表示方法,例【1-9】计算64-1 C7C6+64补=0 1 0 0 0 0 0 0+-1补=1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 运算结果正确。C7=1，C6=1，则OF=C6C7=11=0，无溢出,1.2 计算机中数值数据
21、信息的表示,带符号数和无符号数的关系,对于一个二进制数，到底是带符号数还是不带符号数，计算机是不知道的，完全由运算的人来确定，就是说，二进制数的含义是人为赋予的。由于采用了补码表示法，计算机在处理带符号数和不带符号数的运算时，处理方法完全一致，运算结果在其可以表示的范围内的总是正确。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,定点数与浮点数,数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的,定点整数,格式,定点小数,格式,范围：-2n-1(2n-1)和 1(1 2-(n-1),1.2 计算机中数值数据信息的表示,定点数与浮点数,数的浮点表示,格式,阶码是指数部分的值，表示幂次，其基数通常取2。
22、,N=S 2p,例如 256.5 的浮点格式(32位)为：,00001001,所以（256.5)10=,(0.1000000001)229,阶码：7位,数符,尾数:23位,阶符,1.2 计算机中数值数据信息的表示,定点数与浮点数,IEEE标准浮点数格式,不同浮点数格式：表1-3（P14）,例：将178.125表示为单精度浮点数 178.125=10110010.001 B=1.0110010001 27 B 7+127=134=10000110B,数符|指数（带偏移的无符号数）|尾数（隐含最高位为1）,例：单精度浮点数 指数=126-127=-1，尾数=+1.1011+1.1011 27-1=
23、+0.84375 D,1.2 计算机中数值数据信息的表示,BCD码及其十进制调整,BCD有十个不同的数字符号，且是逢十进位的，但它的每一位是用四位二进制编码来表示的，因此称为二进制编码的十进制码。注：BCD码和二进制码不能直接转换，而是要通过十进制码例：(0111 0011)BCD=73D=0100 1001B 0111 0011B=115D=(0001 0001 0101)BCDBCD码运算的十进制调整：1、两个BCD码相加结果大于9（1001），则加6（0110）修正2、两个BCD码相加结果在本位上不大与9，但进了位，相当于十进制运算大于16，也要加6修正,1.2 计算机中数值数据信息的表
24、示,BCD码及其十进制调整,BCD编码表,压缩BCD码的每一位用4位二进制表示，00001001表示09，一个字节表示两位十进制数。例如：0111 0011非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的00001001表示09。例如：0000 0011,1.2 计算机中数值数据信息的表示,1.3 计算机中非数值数据信息表示,ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)字母、数字、符号等各种字符都必须按照特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。ASCII码是一种全世界普遍采用的字符编码。ASCII码
25、用7位二进制编码表示128种字符。数字09的编码是011 0000011 1001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码相符。英文字母AZ的ASCII码从100 0001（41H）开始顺序递增，字母az的ASCII码从110 0001（61H）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。,1.3 计算机中非数值数据信息表示,ASCII码,表1-5 ASCII（美国标准交换标准码）字符表（7位表）,功能码(32)，信息码(96),1.3 计算机中非数值数据信息表示,中文信息的表示,交换码（又称国标码，GB2312-80）,O X X X X X X X|O X X X X X
26、X X,最高位用于表示是汉字还是ASCII码汉字机内码,1 X X X X X X X|1 X X X X X X X,输入码：输入法采用的编码字型码：用点阵表示汉字字型的编码,1.4 微型计算机基本工作原理,冯 诺依曼结构的基本组成,1.4 微型计算机基本工作原理,微型计算机系统组成,微型计算机的组成结构,1.4 微型计算机基本工作原理,微型计算机硬件之一：CPU,运算器（ALU）：完成数据的算术和逻辑运算控制器：一般由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成。寄存器：存放经常使用的数据，速度快。,1.4 微型计算机基本工作原理,微型计算机硬件之二：存储器,用于存放数据和程序内存单元的地址和内容
27、：内存的操作：读和写内存的分类：RAM和ROM外存：硬盘、光盘、软盘等,1.4 微型计算机基本工作原理,微型计算机硬件之三和四：I/O接口及设备,输入设备：键盘、鼠标、扫描仪和A/D转换器等输出设备：显示器、打印机和绘图仪等 磁盘、U盘等既是输入设备也是输出设备输入设备和输出设备统称为外设接口电路：I/O适配器,1.4 微型计算机基本工作原理,总线,总线：连接微型计算机各个部件地址总线 AB（Address Bus):地址总线的位数决定了直接寻址的地址空间的大小。单向总线。数据总线DB（Data Bus）：使得数据可以在CPU与I/O接口和CPU与存储器之间双向传输，双向总线控制总线CB（Co
28、ntrol Bus）：用来传送各种控制信号，作为一个整体是双向的，每一根的方向是一定的单向的。内总线：板内总线，微机系统的一级总线系统总线：微机插板的一级总线（ISA、VESA、PCI）外部总线：设备之间的连接（RS-232）,1.4 微型计算机基本工作原理,总线,图1.7 总线结构的微型计算机系统,1.4 微型计算机基本工作原理,微型计算机软件系统,用户,语言处理程序,数据库管理,工具软件,应用软件,开发软件,硬件维护,工具软件,装配程序,调试程序,汇编语言,操作系统,裸机,1.4 微型计算机基本工作原理,指令执行的基本过程,计算机指令及工作原理机器指令：计算机能够识别并执行的操作命令指令系
29、统：计算机所能识别的所有指令的集合。程序：人们为解决问题，预先安排一连串指令让计算机自动进行数据的计算和加工处理。计算机的工作过程就是不断 地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。,1.4 微型计算机基本工作原理,指令执行的基本过程,程序的自动执行将程序装入内存并启动它，计算机便自动执行。将程序第一条指令的存放地址置入指令计数器。CPU 从内存中取出该指令，分析识别后执行，完成一条指令的执行周期。指令计数器自动加 1 或被置入指定的地址，进入下一条指令执行周期。直至程序完成。,1.4 微型计算机基本工作原理,指令执行的基本过程,1.5 计算机主要性能指标,1、CPU字长 2、CPU指令执行时间：MPIS（Millions of Instruction Per Second）时钟频率计算机的主频。3、内存容量与速度4、系统总线传输速率5、外部设备的配置和扩展能力,1.5 计算机主要性能指标,作业,1-4(2)(3)1-5(2)(4)1-7(1)(2)1-91-16(1),
