计算机硬件技术第01章gla.ppt

《计算机硬件技术第01章gla.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机硬件技术第01章gla.ppt（75页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、教学的基本安排,总 学 时：80学时 课堂讲授：64学时（116周）实 验：16学时（一个学分，请班长到微机接口技术实验室联系）。期末总评：考试占 80%平时占20%,本课程内容 微机的冯氏组成CPU M I/O8086的系统组成 各组成之间工作的逻辑关系 系统的工作原理 8086的寻址方式软件部分 指令系统 汇编语言编程 存储器及其扩展（接口）硬件部分 I/0口及中断技术 接口技术（8253、8255、A/D、D/A）,课程地位,专业基础课电类专业的重点课程广泛的应用价值,实验重视：软件、接口、课设,一、微处理器发展史1946电子计算机20世纪70年代当今P4400480088086/808

2、880X86Pentium字长、主频 速度地址线位数 寻址空间Pentium：程序、数据Cache,绪论,第一章计算机基础,1.1 数据、信息、媒体、多媒体（自己看）1.2 计算机中数值信息的表示1.3 计算机中非数值信息的表示1.4 计算机基本工作原理,二进制 NB 由“0”、“1”组成,逢二进一。二进制数构成的代码是计算机唯一能识别的机器语言。八进制No 由“07”组成，逢八进一。十六进制NH 由“09”和“AF”组成,逢十六进一。十进制ND 由“09”组成,逢十进一。,1.2 计算机中数值数据信息的表示,(110)2;(110)8;(110)16;(110)10(110)B;(110)Q

3、;(110)H;(110)D,1.将二进制数11011.011转换成十进制数，八进制数和十六进制数2.将十进制数13.75转换成二进制数、八进制数和十六进制数3.十六进制的运算与十进制类似，但注意：逢16进1，借1当16 05C3H 3D25H+）3D25H-）05C3H 42E8H 3762H,1.2.1 机器数和真值真值：实际数本身值叫真值。机器数：一个数在机器中的表示形式称为机器数。最高位作符号位：“0”表示正“+”，“1”表示负“-”。,图1-1机器数真值,机器数的特点:1.符号数值化2.表示范围受字长限制3.约定小数点的位置,常用术语：1.位(Bit)能表示的最小数据单位，状态“0”

4、和“1”。2.字节(Byte)一个8位二进制数称为一个字节。字节是计算机处理数据的基本单位，即以字节为单位存储和解释信息。存储器中每个存储单元的大小就是一个字节。3.字(Word)一次可以处理或运算的一组二进制数,是计算中信息的基本单元。4.字长(Word Length)指字的二进制数的位数。,一个字节8位最高位 最低位微处理器 一个字 高位字节 低位字节 16位微处理器 最高位 最低位 一个字 以8位字长为例：D7为符号位，D6D0为数字位。若字长为16位：D15为符号位，D14D0为数字位。,1.2.2 符号数的表示方法原码、反码和补码,机器数的三种不同编码形式，即原码、反码和补码。分别用

5、X原、X反和X补表示。X原表示机器数，X表示真值。,真值,X180010010,X180010010,X00000000,X00000000,符号,n位原码表示数值的范围是：0的原码有两种形式。,一、原码,0 x1x2xn-1 x 0X原=1x1x2xn-1 x 0,真值,X180010010,X180010010,X00000000,X00000000,符号,二、反码,n位反码表示数值的范围是：0的反码有两种形式。,0 x1x2xn-1 x 0X原=1x1x2xn-1 x 0,1.同余的概念和补码模：一个计量系统所表示的最大量程。8位、16位系统的模同余：两个数被同一个模除时，若余数相等，则

6、这两个数在该模下同余或相等。例如时钟：8=20（mod 12)计算机中，当运算结果超过其字长所表示的范围时，数据被截取。如字长为8位（对无符号数）128（=10000000）+128（=10000000）=256（00000000）即256与0相同，也就是256和0在以256为模时相等/同余。,三.补码,数的补码与“模”有关,当X0，X补=模-X。举例：钟表对时。设时钟系统“模”为12，标准时间为7点整。,8位二进制数的模为：28=256当X0，X补=28-X=256-X=255-X+1=X反码+1,9+-2补=9+10=7+12=7(舍弃模),同余的性质：a+M=a(mod M)-4+12=

7、-4(mod 12)A+nM=a(mod M)4+24=-4(mod 12)故-4+10=-4（mod 10），即6=-4（mod 10）也就是-4与+6在以10为模时相等，-4的补码为+6。7-4=7+6（mod 10）减法 加法所以，补码将减法运算转化成加法运算说明：a)计算机字长n为时，其模为2 n，即1000(n+1位，n个0）b)计算机的序数从0开始，2 n在n位系统中无法表示，它与0的表示形式相同。,补码,真值,X180010010,X180010010,X00000000,X00000000,n位补码表示数值的范围是。0的补码只有一种形式。将补码还原为真值时X原=X补补若使用双字

8、节数据，则其最高位D15为符号位，D14D0为数值位。,0 x1x2xn-1 x 0X补=2n+x x 0,0 x1x2xn-1 x 0X补=1x1x2xn-1+1 x 0,1后不变，1前全变（符号位及1本身不变）,表1-1 数的表示方法,由数的补码，求对应的真值X补补=X原 例：设X补=00101110 符号为“0”X原=00101110 X=+0101110=+46 X补=10010111 符号为“1”11101000+1 11101001 X原=11101001，X=-1101001=-105.,四.机器数与真值之间的转换,1)X1=+127，X2=-127，求X原、X补 X1原=X1补

9、=01111111=7FH X2原=11111111=FFH X2补=10000001=81H 2)X1=+255，X2=-255，求X原、X补 X1原=X1补=0000000011111111=00FFH X2原 X2补,1.真值机器数,1)X1原=59H，X2原=D9H，求真值？X1原=X2原=,2.机器数真值注意机器数一般指原码、补码注意机器数符号位,01011001,11011001,X1=+1011001B=+89 X2=-1011001B=-89 2)X1补=59H，X2补=D9H，求真值 X1=+1011001B=+89 X2=-0100111B=-39,小结1.三种编码的最高位

10、都是表示符号位。,2.对正数，三种编码都是一样的，即X原=X反=X补 对负数，三种编码是不同的。,3.八位二进制数，不同码的数值范围不同：,补码的运算（计算机内部所有运算均为补码运算）,设X和Y是两个整数，可以证明两个数和的补码等于两个数补码的和：X+Y补=2n+(X+Y)(模2n)=(2n+X)+(2n+Y)=X补+Y补两数X、Y相加不论其正、负，此结论都成立。,同样，也可以证明两数的差的补码等于被减数与减数负值的补码之和。X-Y补=2n+(X-Y)=2n+X+2n+(-Y)=X补+-Y补两数差的运算，简化为单纯的加法运算。,补码加减运算,1.补码加法运算：X+Y补=X补+Y补,符号作为数值

11、直接参与运算,变减法为加法运算。,例：X1=+13，Y1=+6，X2=-13，Y2=-6，求X1+Y1、X2+Y2解求：X1补、Y1补、X2补、Y2补00001101+13补 11110011-13补+00000110+6补+11111010-6补00010011+19补 1 11101101-19补 进位舍弃,例：X1=+6，Y1=+8，X2=-6，Y2=-8，求X1-Y1、X2-Y2解求：X1补、Y1补、-Y1补、X2补、Y2补、-Y2补00000110+6补 11111010-6补+11111000-(+8)补+00001000-(-8)补11111110-2补 1 00000010+2

12、补 进位舍弃,2.补码减法运算：X-Y补=X补-Y补=X补+-Y补,Y补-Y补,3.溢出,计算机设置溢出标志位 OV 判断补码溢出。逻辑关系：OV=Cy6Cy7 当补码加/减产生溢出 OV=1，否则OV=0。,例 X1=-5,Y1=-2，X2=-105,Y2=-91,求X1+Y1、X2+Y211111011-5补10010111-105补+11111110-2补+10100101-91补 1 11111001-7补 1 00111100+60补正确，无溢出正数，有溢出。负数相加，同时有进位：Cp=1、Cs=1，则无溢出；不同时有进位，则有溢出，结果出错。,溢出判断符号位和最高数值位进位是否相同

13、。,运算过程中数据超出允许表示范围,例 X1=+45，Y1=+46，X2=+90，Y2=+107，求X1+Y1、X2+Y2,计算机设置溢出标志位 OV 判断补码溢出。逻辑关系：OV=Cy6Cy7 当补码加/减产生溢出 OV=1，否则OV=0。,解：X1补=2DH，Y1补=2EH，X2补=5AH，Y2补=6BH00101101+45补01011010+90补+00101110+46补+01101011+107补 0 01011011+91补 0 11000101-59补 Cs Cp 正确，无溢出负数，有溢出,例2:计算X-Y，X，Y均为正数，且XY。设定X=122，Y=37，字长n=8。解:十进

14、制计算二进制补码计算 122 01111010-37+11011011=-37补 85 1 01010101求真值：正数(01010101)2=85,例3:计算X-Y，X，Y均为正数，且XY。设定 X=64，Y=65，字长n=8。解:十进制计算 二进制补码计算64 01000000-65+10111111=-65补-1 11111111求真值:(11111111)补=10000001=-1,例4:计算X+Y,X，Y均为正数。设定X=64,Y=65，字长n=8。解:十进制计算 二进制补码计算6401000000+65+01000001 12910000001此时两个正数相加，得出负数，显然是错误

15、的。这种情况称为溢出(overflow)。,1.2.4 定点数与浮点数,定点表示法就是小数点在数中的位置固定不变。浮点表示法就是小数点在数中的位置是浮动的。一.定点表示法一个二进制数可以表示为：N=2PS S尾数（补码），P阶码,1.定点纯整数,当P=0，且尾数S为纯整数，定点数只能表示整数。小数点隐含在最低数值位后。2.定点纯小数 当P=0，且尾数S为纯小数，定点数只能表示纯小数。小数点隐含在最高数值位前。,例1：有如下二个8位二进制数,例2：有例1中同样两个数，小数点位置不同,N1:,N2:,N1=+84,N2=-84,N1:,N2:,N1=+0.65625,N2=0.65625,二.浮点

16、表示法,N=2PS 阶码P可变整数，用补码表示（数据范围）尾数S可为正、负数，用原码表示（数据精度）浮点数在机器中表示形式：,阶符 阶码 尾符 尾数,规格化表示 0.5 S 1,例1：(-18.75)10=(-10010.11)2=(-0.1001011)x2+101,例2：(0.078125)10=?(0.078125)10=(0.000101)2=0.101x2-11,或表示成(1.1001011)x(10)0101,或表示成(0.1010000)x(10)1101,1.2.5 BCD码及其十进制调态,用四位二进制码表示一位十进制数，简称BCD。通常采用与09各数字所对应的二进制数作为代码

17、，称8421BCD(简称NBCD),例1：将十进制数83.6转换成BCD码(83.6)10=(10000011.0110)BCD,说明：（1）BCD码4位一组（2）组间十进制,例2：将BCD码10010111.01000010转换成十进制数。(10010111.01000010)BCD=(97.42)10,例1：求BCD码的4+3？0100+0011 0111 结果正确 例2：求BCD码的76？0111+0110 非法BCD 1101 7+6=(00010011)BCD,十进制调整-对二进制运算结果进行调态,符合十进制运算和进位的规律。调态规则:1.若两个BCD数相加结果大于9(1001)时，

18、则应作加6(0110)修正。2.若两个BCD数相加结果在本位上并不大于9，但却产生了进位，相当于十进制运算大于等于16，则也应加6修正。,例3:求BCD码的54+48=?,01010100+0100100010011100 加6修正+011010100010 高4位加6修正+0110 0001 0000 0010 1 0 2,补例4:求BCD码的19+18=?,00011001+0001100000110001 产生进位,加6修正+011000110111 3 7,BCD码以字节形式储存，有两种表示方法:压缩BCD 用一个字节表示2位十进制数。数的范围：0099。非压缩BCD用一个字节表示1位

19、十进制数，高4位总是0000。数的范围：0009。,1.3 计算机中非数值数据信息表示,1.3.1 西文信息的表示ASCII字符编码采用美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。共8位：奇偶校验位 7位编码,1.偶校验“1”的个数为偶数。奇校验“1”的个数为奇数。（均包含校验位在内）几类重要的ASCII码：A-Z:41H-5AH a-z:61H-7AH 0-9:30h-39h,1.4 微型机基本工作原理,在物理结构上，计算机装置由：运算器、控制器、存储器以及输入和输出设备五个部分组成,输入设备,存储器,运算器,输出设备,控制器,1.4.1 微型计算机的硬件组

20、成,通用微型计算机的硬件由五个部分组成：中央处理器(CPU)内存储器(RAM,ROM)外存储器(磁盘系统)输入/输出设备 总线(BUS),区别3个概念,一.微处理器 CPU,算术逻辑单元ALU运算器累加器ACC程序计数器PCCPU控制器 指令寄存器IR 指令译码器ID 控制信号发生电路 状态寄存器FR寄存器组寄存器组RS,图18 通用微处理器组成示意图,1.算术逻辑单元ALU：运算部分核心功能：算术和逻辑运算。2.累加器ACC：AX功能：传输、临时存储ALU运算结果和其它数据，左移、右移、乘法、除法。3.寄存器组RS：功能：在数据运算和传输中临时存储数据，以加快运算和处理速度。,4.状态（标志

21、）寄存器FR：功能：指示运算结果状态和控制工作条件。“状态”：溢出、结果为0、进位等“工作条件”：设置中断屏蔽标志、字符串传送方向等 5.堆栈和堆栈指针SP：功能：作为信息的一种存取方式，SP是一个寄存器。堆栈指针SP：指向栈顶 6.程序计数器PC：功能：记住当前要执行的指令地址码。,7.指令寄存器IR、指令译码器ID和控制信号发生器：功能：IR保存当前正在执行的一条指令 ID译码后向控制器发出具体操作 的特定信号 控制信号发生器向具体的部分发 出控制信号,二.存储器,内(部)存储器又称主存储器，简称内存或主存外(部)存储器又称辅助存储器，简称外存或辅存,1.功能：主要用来存储数据和程序。,2

22、.工作过程:,3.要求:存储数据的速度快 存储容量大 成本低4.内存地址每个单元都有一个编号与之对应，称为地址(地址码)。,5.结构,辅助电路包括：地址寄存器(MAR)地址译码器 数据寄存器(MDR)控制电路注意：存储单元的地址与单元的内容是不相同的。1000H与1000H,6.类型,微机内存储器通常有两类:读/写存储器RAM(Read Access Memory)-可擦写 只读存储器ROM(Read Only Memory)-不能改写,三.输入/输出设备,输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、卡片输入 机、条形码识别装置等输出设备：LED显示器、CRT、打印机、绘 图仪等特点：速度慢 工作电平不标准

23、 信息处理多样,四.总线,“总线”(BUS)是一组公共信号传输线,数据总线DB用来在各功能部件之间相互传送数据信息的一组双向传输线。同一时刻只能有一个设备的输出被允许送往DB。总线的条数（总线宽度）字长决定。地址总线AB用来传递地址信息的一组信号线。地址信息由CPU发出，单向并行传送。控制总线CB用于传送各种控制信号，如存储器读写信号，I/O读写信号等以及状态信号（双向）。,微机系统总线概念,1.内总线(或局部总线)-板内总线内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连2.系统总线-板间总线系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连3.外部总线外部总

24、线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。,1.4.2 微型计算机软件系统（自己看）,系统软件应用软件,1.4.3 指令执行的基本过程,一.指令与程序简介 指令规定计算机执行特定操作的命令 指令系统计算机全部指令的集合 指令包括：操作码要完成操作的性质 操作数操作对象,图1-11 指令的基本格式,机器语言 用二进制代码形式的指令编写程序。汇编语言用助记符来代替机器语言指令。汇编汇编程序,二.指令类别,指令系统包括几类指令：1.算术及逻辑运算类 2.数据传送及交换类 3.程序控制类 4.输入/输出类 5.CPU控制类,三.指令

25、的执行,指令周期执行一条指令所需的时间。分成：取指令阶段 执行指令阶段取指令阶段根据PC中的值从存储器读出指令，送到指令寄存器IR，PC自动加1。执行指令阶段将IR中的指令译码，执行指令所规定的操作。,微型计算机的工作过程,计算1+2=?,汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作MOV AL,1 10110000 将立即数1传送到累加寄存 00000001 器AL中 ADD AL,2 00000100 计算两个数的和，结果存 00000010 放到AL中MOV 0008,AL 10100010将AL中的数传送到地址单 00001000 元0008 00000000 HLT 11110100停机,微型计算机的工作过程,1.5评估计算机主要技术指标,一.主频主频时钟频率，表示微处理器的运行速度主频的单位是MHz。二.MIPSMIPS百万条指令/秒，表示微处理器的性能,三.CPU字长字长决定一次可以并行处理的二进制代码的位数。字长由下列条件决定：1.ALU一次能处理的二进制码位数 2.数据总线的宽度 3.内存储器的字长,四.内存储器容量,内存储器容量是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个重要指标。一个字节记为1B1KB=1024B210B1MB=1024KB 220B1GB=1024MB 230B1TB=1024GB 240B,