微機原理_第1章微型計算機概述

由運算器、控制器,、存儲器,、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成（硬件部分）
微處理器CPU包含運算器和控制器
存儲器包括ROM和RAM
I/O接口及外設(shè)是輸入、輸出設(shè)備的總稱
各組成部分之間通過地址總線AB,、數(shù)據(jù)總線DB,、控制總線CD聯(lián)系在一起，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為三總線結(jié)構(gòu),，簡稱總線結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中,，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制
控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的,，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行
取指令和取存數(shù)據(jù)都使用同一個存儲區(qū)

哈佛結(jié)構(gòu)——單片機,、DSP

將程序和數(shù)據(jù)分開存儲在不同存儲模塊
允許在一個機器周期內(nèi)同時獲得指令字和操作數(shù)

馮·洛伊曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于是否區(qū)分指令和數(shù)據(jù)（即ROM和RAM是否分開，或指令線和數(shù)據(jù)線是否分開）,。

1.1.2 微處理器

微處理器簡介

微處理器也稱作中央處理單元,，簡稱CPU（Central Processing Unit），是微型計算機的核心
本身具有運算和控制功能
控制器：負責(zé)全機的控制工作
運算器：執(zhí)行所有的算術(shù)和邏輯運算

多數(shù)CPU是單片的,，有時也會見多片型的,，即幾個片合起來完成一個CPU的功能

CPU一般都具備下列功能：（6點）

可以進行算術(shù)和邏輯運算
能對指令進行譯碼（譯碼器，EU）并執(zhí)行規(guī)定的動作
可暫存少量數(shù)據(jù)（寄存器）
提供整個系統(tǒng)所需要的定時和控制（時序和控制部件）
能和存儲器,、外設(shè)交換數(shù)據(jù)（I/O）
可以響應(yīng)其他部件發(fā)來的中斷請求（INT）

CPU在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上都包含下面這些部分：

算術(shù)邏輯部件（ALU）：專門用來處理各種數(shù)據(jù)信息的,，它可以進行加、減,、乘,、除算術(shù)和與、或,、非,、異或等邏輯運算（本身是沒有指數(shù)和對數(shù)運算的）
累加器和通用寄存器組（14個）：用來保存參加運算的數(shù)據(jù)以及運算的中間結(jié)果，也用來存放地址
程序計數(shù)器（指令指針I(yè)P）：指向下一條要取出的指令
指令寄存器：存放從存儲器中取出的指令碼
譯碼器：對指令碼進行譯碼和分析,，從而確定指令的操作,，并確定操作數(shù)的地址,，再得到操作數(shù)，以完成指定的操作,。
時序和控制部件：指令譯碼器對指令進行譯碼時,，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送到時序和控制邏輯電路，組合成外部電路所需要的時序和控制信號,。這些信號送到微型計算機的相應(yīng)部件,，以控制這些部件協(xié)調(diào)工作。

CPU的控制信號分為兩類

由CPU內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號：送到存儲器,、輸入/輸出接口電路和其他部件
微型計算機系統(tǒng)的其它部件也會在它們需要的時候向CPU發(fā)出各種請求信號：如中斷請求,、總線請求等。

1.1.3 內(nèi)存儲器

內(nèi)存儲器又叫內(nèi)存或主存,，計算機的記憶部件存放數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù),、中間結(jié)果和最終結(jié)果）和程序。

1.內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容

內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)和程序,，從形式上看都是二進制數(shù)
微機通過給各個內(nèi)存單元規(guī)定不同地址來管理內(nèi)存
位——計算機存儲信息的基本單位每8位組成一個字節(jié)
若字長為16位,，由2個字節(jié)組成
每一個字節(jié)單元有一個存儲器地址，地址用二進制數(shù)表示,，為無符號整數(shù),，書寫格式為16進制（內(nèi)存單元的內(nèi)容是8位二進制，內(nèi)存單元的地址可以超過8位二進制<8088是8根數(shù)據(jù)線,，20根地址線>）

例：（（0004H））=2F1EH,，如用X表示某存儲單元的地址，則X單元的內(nèi)容用（X）表示,，假如X單元中存放著Y,，則（X）=Y，而Y又是一個地址,，則可用（Y）=((X))來表示Y單元的內(nèi)容

一個存儲單元中存放的信息稱為該存儲單元的內(nèi)容
16位時,，低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址
兩個字節(jié)單元構(gòu)成一個字單元,，字單元的地址采用它的低地址表示

存儲器地址與內(nèi)容有關(guān)說明：

存儲器以字節(jié)（8bit）為單位存儲信息
每個字節(jié)單元有一個地址,，從0編號,，順序加1
地址也用二進制數(shù)表示（無符號整數(shù),，寫成十六進制）
16位二進制數(shù)可表示2^16=65536=64K個地址，即0000H—FFFFH,；20位二進制數(shù)可表示2^20=1048576=1M個地址,，即0000H—FFFFFH
字長16位，一個字要占用相繼的兩個字節(jié)
低位字節(jié)存入低地址,，高位字節(jié)存入高地址
機器以偶地址訪問（讀/寫）存儲器
字單元地址用它的低地址來表示

2.內(nèi)存操作

CPU對內(nèi)存的操作有讀,、寫兩種
讀操作<輸入>是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU內(nèi)部
寫操作<輸出>是CPU將其內(nèi)部信息傳送到內(nèi)存單元保存起來

3.內(nèi)存分類

按工作方式不同，內(nèi)存可分為兩大類：
隨機存取存儲器RAM(Random Access Memory)
RAM可以被CPU隨機地讀和寫，所以又稱為讀寫存儲器
用于存放用戶裝入的程序,、數(shù)據(jù)及部分系統(tǒng)信息
機器斷電后,，所存信息消失

只讀存儲器ROM(Read Only Memory)
ROM中的信息只能被CPU隨機讀取，而不能由CPU任意寫入
主要存放各種程序以及各種常用輸和表格
機器斷電,，信息不會丟失

1.1.4 輸入輸出設(shè)備和輸入輸出接口

輸入輸出設(shè)備是指微型計算機上配備的I/O設(shè)備,，也稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備（簡稱外設(shè)），其功能是為微型計算機提供具體的輸入/輸出手段,。
微型計算機上配置的標準輸入設(shè)備和標準輸出設(shè)備一般是指鍵盤和顯示器,，二者又合稱為控制臺。
為了解決微型計算機與種類繁多的外設(shè)之間的信息交換,，各種外設(shè)都通過相應(yīng)的接口(Interface)電路與主機系統(tǒng)相連,。

1.1.5 總線

總線實際上由一組導(dǎo)線和相關(guān)電路組成，是各種公共信號線的集合,，用作微機各部分之間傳遞信息所共同使用的“高速信息公路”,。總線包括片內(nèi)總線（CPU）、片總線（主板）,、系統(tǒng)總線（如下）和外總線（USB）,。
在CPU，存儲器,，I/O接口之間傳輸信息的總線稱為“系統(tǒng)總線”,。系統(tǒng)總線包括：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線,。
數(shù)據(jù)總線（data bus, DB）：數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)信息,，是雙向總線
地址總線（address bus, AB）：地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向總線
控制總線（control bus, CB）
控制總線用來傳送控制信號,、時序信號和狀態(tài)信息等
其中有的是CPU向內(nèi)存和外設(shè)發(fā)出的信息,，有的則是內(nèi)存或外設(shè)向CPU發(fā)出的信息
可見，CB中每一根線的方向是一定的,、單向的,，但CB作為一個整體是雙向的

注意區(qū)分總線與系統(tǒng)總線

總線包括片內(nèi)總線（CPU）、片總線（主板）,、系統(tǒng)總線（如下）和外總線（USB）,。

系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線,。

1.2 微型計算機系統(tǒng)

1.2.1 微型計算機系統(tǒng)的組成

一臺完整的計算機必須由硬件和軟件這兩大部分組成,，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂,，二者缺一不可,。

微型計算機硬件系統(tǒng)是機器的實體部分,，主要包括主機和外圍設(shè)備。
主機由微處理器和內(nèi)存儲器組成,。
微型計算機軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等,。
系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和各種支持軟件,。
應(yīng)用軟件包括各種應(yīng)用軟件包,、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及用戶根據(jù)需要而設(shè)計的各種程序。

不能說“一臺完整的計算機由運算器,、控制器,、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成”,，原因是：

一臺完整的計算機必須由硬件和軟件這兩大部分組成,；

計算機硬件部分由運算器、控制器,、存儲器,、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。

1.2.2 微型計算機的主要性能指標

基本字長：基本字長是指參與運算數(shù)的基本位數(shù),，它是由加法器,、寄存器、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定的
主存容量：一個主存儲器所能存儲的最大信息容量稱為主存容量,，一般用字節(jié)數(shù)來表示
運算速度
運算速度指標
具體指明運算所需時間
給出每秒能執(zhí)行的機器指令條數(shù),，一般是指加減運算這類短指令
一般用計算機的運算速度（平均運算速度）用每秒處理的百萬級的機器語言指令數(shù)（Million Instruction Per Second, MIPS）表示
人們用計算機的主頻——時鐘頻率來表示運算速度，以MHz或GHz為單位
系統(tǒng)配置：外部設(shè)備,、軟件
性能價格比

1.2.3 典型微型計算機的組成結(jié)構(gòu)

典型微型計算機（以Pentium為CPU,、符合ATX標準的）組成結(jié)構(gòu)圖

1.3 微型計算機的運算基礎(chǔ)

1.3.1 數(shù)和數(shù)制

1．?dāng)?shù)制與進位計數(shù)法

數(shù)制是以表示數(shù)值所用的數(shù)字符號個數(shù)來命名的。進位計數(shù)法是一種計數(shù)的方法,。如二進制B,、八進制O、十進制D,、十六進制H等,。

2. 數(shù)制轉(zhuǎn)換

3. 數(shù)制運算

數(shù)制運算主要有加減乘除等算術(shù)運算和與或非等邏輯運算。其他進制加減乘除等算術(shù)運算方法與十進制的運算方法類似,，規(guī)則是逢r進1,，借1當(dāng)r。與或非等邏輯運算一般指二進制的邏輯運算,，將1當(dāng)成真,，將0當(dāng)成假,。

1.3.2 數(shù)的表示

1. 機器數(shù)

計算機中的數(shù)是用二進制來表示的,，數(shù)的符號也是用二進制表示的,。在機器中，把一個數(shù)連同其符號在內(nèi)數(shù)值化表示的數(shù)稱為機器數(shù),。
計算機要處理的數(shù)有無符號數(shù)和有符號數(shù),。無符號數(shù)，通常表示一個數(shù)的絕對值或存儲單元的地址,。對無符號數(shù)而言,，數(shù)的各個位都用來表示數(shù)的大小，所有的位均為數(shù)值位,。有符號數(shù),，即有正負意義的機器數(shù)。對有符號數(shù)而言,，數(shù)的最高有效位為符號位,，表示數(shù)的符號，正數(shù)用0表示,，負數(shù)用1表示,，其余位為數(shù)值位。

2. 原碼,、反碼和補碼

機器數(shù)可以用不同的碼制來表示,，常用的有原碼、反碼和補碼表示法,。
對于二進制數(shù),，正數(shù)的原碼就是它本身，負數(shù)的原碼符號位為1,，數(shù)值位為其絕對值,；正數(shù)的反碼就是它本身，負數(shù)的反碼符號位為1,，數(shù)值位為其絕對值按位求反,。
在機器里，為了擴大表數(shù)范圍,，可用兩個機器字來表示一個機器數(shù),，稱雙字長數(shù)或雙精度數(shù)

1.3.3 數(shù)的編碼

編碼就是用少量簡單的基本符號，選用一定的組合規(guī)則,，以表示出大量復(fù)雜多樣的信息,。

1．BCD碼（及其（加減）運算）

雖然二進制數(shù)實現(xiàn)容易,但不符合人們的使用習(xí)慣,且書寫閱讀不方便，所以在計算機輸入輸出時通常還是采用十進制來表示數(shù),，這就需要實現(xiàn)十進制與二進制間的轉(zhuǎn)換,。為了轉(zhuǎn)換方便,常采用二進制編碼的十進制，簡稱為BCD碼,。
BCD碼就是用4位二進制數(shù)表示1位十進制整數(shù),。表示的方法有多種,，常用的是8421BCD碼。
在計算機中,，BCD碼有兩種格式,，即組合BCD碼和非組合BCD碼，亦稱壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼,。<考>
組合BCD碼的每一位十進制數(shù)用4位二進制數(shù)表示,，一個字節(jié)可以表示兩位十進制數(shù)。
非組合BCD碼用一個字節(jié)（8位二進制數(shù)）表示一位十進制數(shù),，其中低4位表示相應(yīng)的十進制數(shù),，高四位沒有意義。

2．ASCII碼

標準ASCII碼用7位二進制數(shù)編碼,，共有128個,。
計算機存儲器基本單位為8位，ASCII碼的最高位通常為0,，通信時,，最高位用作奇偶校驗位。
ASCII碼表中的前32個和最后1個編碼是不能顯示的控制字符,，用于表示某種操作,。
ASCII碼表中20H后的94個編碼是可顯示和打印的字符，其中包括數(shù)碼0～9,，英文字母,，標點符號等。

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微機原理_第1章 微型計算機概述

1.1 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)

1.1.1 微型計算機的結(jié)構(gòu)特點

馮·洛伊曼結(jié)構(gòu)——微機