第1章微型计算机系统概述.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第,1,章微型计算机系统概述,1.1,微型计算机发展,1.2,数据表示与数字信息编码,1.3,微型计算机系统的基本组成,1.1,微型计算机发展,1.,微型计算机的发展,自,1946,年第一台电子计算机问世以来，计算机的发展已经历了电子管、晶体管、中小规模 集成电路、大规模和超大规模集成电路等,4,个阶段。进入,21,世纪后，随着生物科学、神经网络 技术、纳米技术的飞速发展，生物芯片、神经网络技术进入了计算机领域,计算机的发展进 入第,5,个发展阶段。,按体积、性能和价格来分，计算机可分为巨型机、大型机、中型机小型机和微型机。微型计算机是指以微处理器为核心，配以存储器、输入,/,输出接口电路及其设备所组成的计算机。微型计算机采用超大规模集成电路技术，将运算器和控制器,微处理器（,Microprocessor,），集成在一片硅片上。,返回,下一页,1.1,微型计算机发展,随着微电子与超大规模集成电路技术的发展，微型计算机技术的发展基本遵循摩尔定律，微处理器集成度每隔,18,个月翻一番，芯片性能随之提高一倍左右。通常，微型计算机的发展是 以微处理器的发展为表征的。,2.,微型计算机的特点,微型计算机运算速度快，计算精度高，高集成度使得微处理器非常稳定，其造价低廉。又 由于微型计算机硬件平台开放，易于扩展，适应性强，因此微处理器的配套应用芯片和软件丰 富，更新也很快。此外，微型计算机还具有体积小，重量轻，耗电省及维护方便等的特点。,上一页,返回,下一页,1.1,微型计算机发展,3.,微型计算机的应用,科学计算是微型计算机应用的主要领域。应用包括卫星发射控制、航天飞机制造、高层建 筑设计、机械产品设计等，以及应用于生物信息学研究、基因测序、医学病理分析与处理等。过程控制是微型计算机在工业应用中的重要领域，应用包括大型工业锅炉控制、铁路调度 控制、数控机床控制，以及由上、下位微型计算机构成的分布式工业生产自动控制系统等。嵌入式系统的发展和应用使工业控制的应用领域更加广泛，市场应用前景更加广阔。,上一页,返回,下一页,1.1,微型计算机发展,低档的微型计算机在仪器仪表和家电的智能控制方面的应用，取代了过去的硬件逻辑电路 对仪器仪表和家电的控制，用程序的重复执行以及循环控制，可以做到电路最省、控制更佳，并可通过修改程序来修改控制方案，因而灵活多变，可靠性高。,计算机辅助设计与制造（,CAD/CAM,）借助微型计算机调整、修改产品设计，,CAM,围绕中 心数控机床及其自动化设备，用以完成部件的加工、运输、组装、测量、检查等功能，,CAD,与,CAM,的集成,CAD/CAM,一体化，是今后工业自动化发展的重要方向。,人工智能的主要目标是利用计算机模拟人的大脑，实现大脑对于知识学习、理解与推理信息处理的思维过程的研究学科。人工智能理论的新突破，特别是人工神经网络和,DNA,芯片 技术的研究，急需大型并行计算机的模拟计算和新型计算机的研究。,上一页,返回,1.2,数据表示与数字信息编码,1.2.1,数据格式及机器数,1,数据格式,计算机进行整数（小数）运算和浮点数运算。计算机中常用的数据格式有以下三种：,（,1,）定点格式,在定点格式中，小数点在数据中的位置固定不变。定点格式可表示成定点小数或定点整数。通常，小数点的位置确定后，在运算中不再考虑小数点的问题，因而，小数点不占用存储空间。定点数表示简单，但数的取值范围小，精度低。,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,（,2,浮点格式,采用浮点格式的机器中的数据的小数点位置可变。浮点数的一般格式为：,机器浮点数应当由阶码和尾数及其符号位组成：,上一页,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,为便于软件移植，按照,IEEE754,标准，,32,位浮点数和,64,位浮点数的标准格式为：,上一页,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,（,3,）带符号数和无符号数,对于整数来说最高有效位为符号位，则该数为带符号数；反之，若数的最高有效位为数值 位，则为无符号数。无符号数不一定是正数，当数据处理时，若不需要考虑数的正负，则可以 使用无符号数。带符号数和无符号数的取值范围不同。对于字长为,8,位的定点整数，无符号数 的取值范围是,0X255,，有符号数的取值范围是,-128X127,。,上一页,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,2.,机器数表示,正数的原码、反码、补码相同，即,x,原,=x,反,=x,补,。,负数的机器数求解方法如下：,反码：将其原码符号位保持不变，数值位按位取反；,补码：将反码末位加,1,。,当计算机采用不同的码制时，运算器和控制器的结构将不同。由于补码具有唯一性，因此小型计算机和微型机大都为补码机。计算机中引入补码可以使：,符号位和数值位成为一体，共同参与运算，运算结果的符号位由运算得出。,上一页,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,减法可以转换成加法运算来完成，乘法和除法可以通过加法和移位运算来完成。这样，二进制数的四则运算只须加减法和移位运算即可完成。,由此可见，计算机中引入补码的目的是简化运算方法，从而简化运算器的结构和设计。,1.2.2,数字信息编码的概念,1.,二进制编码的十进制数,计算机内部采用二进制数，而外部数据的输入输出使用十进制数。为此，采用编码方式来完成二,十进制数的转换。,8421BCD,码就是用,4,位二进制数的编码来表示十进制数，见,表,1-2,。采用,8421BCD,码可以直接使用二进制数部件完成十进制数的存储和运算。,上一页,返回,下一页,1.2,数据表示与数字信息编码,2.,字符编码,ASCII,码（,(American Standard Code for Information Interchange,）是国际通用的字符编码标准。,ASCII,码采用,7,位二进制数编码表示,128,个字符，其中,34,个起控制作用的称为功能码，其余的,94,个符号称为信息码，供书写程序和描述命令之用。,3.,汉字编码,当计算机用于汉字处理或汉字的输入、输出时，可用若干位二进制编码来表示一个汉字。通常，一个汉字的编码可用内码、字模码和外码来描述。内码是用于汉字的存储、交换等操作 的计算机内部代码。一个汉字内码通常用两个字节表示，且这两个字节的最高位均为,1,，以区 别英文字符的,7,位,ASCII,码。字模码是汉字的输出编码，字库中存放的就是字模码。外码是汉 字的输入码，用来输入汉字的编码。,上一页,返回,1.3,微型计算机系统的基本组成,1.3.1,微型计算机的硬件结构,微型计算机系统由硬件和软件组成。冯,诺依曼在,1946,年首次提出计算机的组成和工作 方式：计算机分为运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分并通过总线（,BUS,）连 接起来，计算机内部采用二进制，采用程序存储的工作方式。微型计算机的一般结构如,图,1-1,所示。微处理器，即中央处理单元,CPU,（,Central Processing Unit,）由运算器和控制器构成，将 控制器、运算器、存储器合称微型计算机的主机，主机和输入和输出设备再附加软件就构成了 微型计算机系统。,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,1.,运算器、控制器,运算器实现算术、逻辑运算和其它操作。运算器的硬件结构决定了它所能实现的功能。控 制器是指挥机器工作的控制中心，它通过执行指令来控制全机工作。指令是规定计算机执行特 定操作的命令，通常一条指令对应着一种基本操作，一台计算机能执行什么样的操作由其指令 系统决定。在使用计算机时，必须把要解决的问题编成一条条指令，这些指令的有序集合就是 程序。指令通常以机器码（,Machine Code,）的形式存放在存储器中。为完成一条指令所规定的 操作，计算机的各个部件需要完成一系列的基本动作，这些基本动作按照特定的时序。控制器 的作用就是根据指令的规定，在不同的节拍电位信号将相应的控制信号送至计算机的相关部件。,上一页,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,2.,存储器,存储器用以存储数据和指令。在计算机内部，通常使用半导体存储器，称为内存储器（简 称内存）。内存储器的工作速度较高，和,CPU,的速度基本匹配，但内存容量是有限的；另外，断电后，内存信息将全部丢失，这就引入了外部存储器（外存）。外存属于外部接口设备，一般不能直接与,CPU,交换信息。通常，用内存存放常用的程序或正在运行的指令或数据，而其它大量的信息则存放在外存，如磁盘、磁带、光盘等存储介质中。,上一页,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,3.,输入,/,输出设备及其接口电路,输入,/,输出设备,(Input/Output Peripheral),用以计算机与外界进行信息交换的接口设备，简称,I/O,设备。,输入设备能够将各种形式的信息转换为计算机所能接受的数据形式。常用的输入设备有键 盘、模数,/,数模转换器、扫描仪等。输出设备能够将计算机处理的结果转换为人或其它设备所能 识别的形式，如显示器，各种打印机、绘图仪、投影仪等。,上一页,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,4.,总线,总线是计算机各个部件进行信息传输的公共通道。为保证信息能正确传递，在任意时刻，总线上只允许传递一组信息。,若按总线上传输信息的性质划分，总线可分为：,地址总线（,Address Bus,）：用来传输,CPU,输出的地址信号，确定被访问存储单元、输入,/,输端口地址。,数据总线（,Data Bus,）：用来传输数据，即数据总线是在,CPU,与存储器或,I/O,接口之 间、内存储器与,I/O,设备之间，以及外存储器之间进行数据传输的双向公共通道。,控制总线（,Control Bus,）：配合数据的传输需用控制总线来传送各种控制信号、时序信号和状态信息。,上一页,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,1.3.2,微型计算机的软件系统,1.,操作系统,操作系统是能够管理和协调计算机软硬件资源的合理分配与使用，方便用户使用计算机的系统程序的集合。常用的单用户操作系统有,MS-DOS,，分时,/,多用户操作系统有,UNIX,和,Windows2000,等。,2.,语言处理程序,计算机语言是人机通信的工具。计算机仅能读懂机器语言，但机器语言的编制烦琐。为此，产生了汇编语言，即将指令的操作码和地址码用易于记忆的助记符来表示。用汇编语言写的源 程序须经汇编程序（,Assembler,）翻译成用机器码表示的目标程序（,Object Program,）后，机器 才能识别和执行。,上一页,返回,下一页,1.3,微型计算机系统的基本组成,3.,应用软件,用户利用计算机及各种系统软件，编制解决各种实际问题的程序，这些程序集合通称应用 软件。应用软件在逐步标准化、模块化，以形成解决各种典型问题的应用程序的组合，即软件 包。常用的应用软件有文字处理软件,Word,、电子表格,Excel,、图形图像处理软件,Photoshop,等。,4.,软件开发环境,这类软件的目的是为应用程序的编写、解释、编译等提供便捷的调试工具和良好集成环境。,上一页,返回,表,1-2,常用编码形式十进制数的对应关系,十进制数,十六进制数,8421BCD,十进制数,十六进制数,8421BCD,0,0,0000,0000,8,8,0000 1000,1,1,0000 0001,9,9,0000 1001,2,2,0000 0010,10,A,0001 0000,3,3,0000 0011,11,B,0001,0001,4,4,0000 0100,12,C,0001 0010,5,5,0000 0101,13,D,0001 0011,6,6,0000 0110,14,E,0001 0100,7,7,0000 0111,15,F,0001 0101,返回,图,1-1,微型计算机的基本结构,返回,