第一章 微型计算机系统概述

第一章微型计算机系统概述第一节计算机的发展历史计算机是一种能高速、精确地完成各种信息存储、数据处理、数据计算、过程控制和数据传输的电子设备,又称为电子数字计算机计算机的发展经历了四代，目前正在研制第五代计算机第一代（1945年20世纪50年代末）电子管计算机〜年世界上第一台电子计算机是由美国的和设计，在1945ENIAC,J.W.Mauchely J.P.Ecket美国宾夕法尼亚大学建造成功，它用个电子管组成，耗电占地面积（比机18000150KW,17W,电式计算机的速度快倍,用它来计算一个点的弹道轨迹曲线只需秒钟，如用人工计算，1000403则需个工作人员工作一个星期才能完成90第二代（1958年1964年）晶体管计算机〜半导体晶体管的发明为计算机的发展准备了新的物质条件晶体管计算机其他积和耗电量大大缩小，而运算速度则大大提高，达到每秒几十万次、上百万次第三代（1964年1972年）集成电路计算机〜集成电路计算机的体积和耗电量又进一步大大下降，而运算速度又大大提高，达到每秒几百万次、几千万次甚至上亿次第四代（1972年至今）:LSI和VLSI计算机.两个方向发展巨型计算机（速度超过每秒千亿次的）微型计算机微处理器的发展作为微型机算机的核心，微处理器的等级更是随着集成电路集成度的提高而提高的1971年位和位（低档），、集成度晶体管/片.48Intel4004Intel8008,20001973年位，、等集成度为晶体8Intel8080MC6800Intel8085Z80Intel80805400管/片，为晶体管/片Intel808590001978年位，集成度晶体管/片还有（16Intel8086,29000Z8000MC6800068000晶体管/片）1981年以后位，其集成度为晶体管/片还有等32Intel80386,275000Z80000MC68020以后的发展，、（）、、、、以及近期推出的80486Pentium80586Pentium ProPH PHIPIV“迅驰”微处理器，发展的速度是十分惊人的，大约每隔年就要更新换代一次2〜4从第一代电子计算机到第四代电子计算机，体系结构相同冯.诺依曼体系结构运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备第五代VVLSI计算机目前正在研究试制阶段采用非冯・诺依曼体系结构不仅能计算，而且还会思考和学推习、理材料光子、超导材料和生物元件第二节计算机中使用的数制与码制

一、数的进制对于基数为的进制数的值可以表示为:r rarn+a-irn l+---+aor°+a-ir1+a-2r+一,+a-r mnn m其中可以是中的任意一个数码，召则为各位数相应的权如二进制数50,1,2,…rT1101011=1X26+1X25+0X24+1X23+0X22+1X241X2°=lO7io2进制数的后缀及采用的数字二进制数B,如101101B；采用数字

0、1,逢2进1八进制数Q,如23675Q；采用数字0〜7,逢8进1十进制数D,或可省略，如12981）；采用数字0〜9,逢10进1十六进制数如等当数字以字母开头时，其前面要加数字以避免和字符串H,3A4cH0,混淆，如0CA28H；采用数字0〜9和字母A〜F,逢16进1

二、各种进制数之间的转换

1.其他进制数转换为十进制数方法按权展开如二进制数110101B=l X25+l X24+0X23+l X22+0X21+l X2°=53D如十六进制数10AH=l X162+0X16+AX16°=266D

2.十进制数转换为其他进制数将整数部分和小数部分分别转换

（1）整数部分转换规则为:用短除法，除以要转换进制数的基数，取每一步得到的余数，直到商为0将每一步得到的余数倒序排列，即为要转换的进制数1例将转换为对应的二进制数和十六进制数35D2351163532\TT116T2-22F8-02tp02^-2—0L-L10所以35D=100011B=23H

（2）小数部分转换规则为:用乘法，即将被转换的十进制数乘要转换进制数的基数，取每一步得到的进位，直到乘积为或达到规定的位数，将每一步得到的进位正序排列，即为要转换的进制数02例将转换为对应的二进制数

0.8125D

0.8125X

210.6250X

210.2500X

200.5000X

210.0000所以

0.8125D=

0.1101B

3.其他进制数之间的转换十六进制数一二进制数:以小数点为起点，向小数点的两端以一转四八进制数一二进制数:以小数点为起点，向小数点的两端以一转三3例0A79C.6B7H=

1010011110011100.011011010111B

3542.77432Q=

011101100010.Ill111100011010B二进制数一十六进制数:以小数点为起点，向小数点的两端以四转一,不足位补二进制0数一八进制数:以小数点为起点，向小数点的两端以三转一，不足位补点例将二进制数4转换为十六进制数和八进制数

110110101.1001101B0001,1011,

0101.1001,1O1OB=1B

5.9AH110,110,

101.100,110,100B=

665.464Q

三、计算机中数和字符的表示

1.无符号整数的表示如处理的数都是正数，二进制数的全部位都用来表示数值，称为无符号整数如位无16符号整数的表示范围是无符号整数在计算机中一般用来表示地址要注意，无符号0-65535数的运算结果也必须是无符号数

2.有符号数数的表示最高位表示符号，正数用表示，负数用表示011原码表示法规定在数值位前增加一个符号位，用表示正，用表示负01如四位原码真值的原码为的原码为能表示整数的范围为十进制+50101,-51101-7D〜+7D位原码能表示整数的范围为8T27D~+127D位原码能表示整数的范围为16-32767D〜+32767D在原码中，零的表示不是唯一的以位原码为例，和都表示零800000000B10000000B2反码表示法规定对正数，在数值位前增加一个符号位，用表示正；对负数，在数值位前增加一个o符号位，用表示负，数值位按位求反1如四位反码，真值的反码为的反码为能表示整数的范围为十进制+50101,-51010-7D〜+7D位反码能表示整数的范围为8T27D〜+127D位反码能表示整数的范围为16-32767D〜+32767D在反码中，零的表示也不是唯一的以位反码为例，和都表示8mniiiBOOOOOOOOB零正数的反码与原码相同3补码表示法规定对正数，在数值位前增加一个符号位，用表示正；对负数，在数值位前增加一个0符号位，用表示负，数值位按位求反后末尾加11如四位补码，真值的补码为的补码为能表示整数的范围为十进制+50101,-51011-8D~+7D位反码能表示整数的范围为8T28D〜+127D位反码能表示整数的范围为16-32768D〜+32767D在补码中，零的表示是唯一的以位补码为例，只有能表示零8OOOOOOOOB正数的补码与原码相同

3.计算机中字符的表示表示字符，常用的是ASCH码（AmericanStandard Codefor InformationInterchange）表示码规定用位二进制数（一个字节）表示一个字符，低位为字符的码值，最高ASCH87ASCH位为一般可用来作校验位如字符的码值为字符的码值为详0,A ASCII41H,a ASCH61H细内容请参阅附录中的码表ASCH第三节微型计算机的结构

一、冯.诺依曼体系结构五大部分运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备（先出图）1-1微型计算机的一般结构组成如图所示1-1微型计算机中各个部件及外设是通过总线连接在一起的，各个部件及外设之间的信息传送是通过总线进行的总线分成地址总线（）传送的是地址信号，用来选择内存单元或外部设备；Address Bus——数据总线（Data Bus）——用来在计算机各部件及外设之间传送数据；控制总线（）用来在计算机各部件及外设之间传送各种控制信号Control Bus——

二、CPU的作用在微型计算机中，把运算器和控制器集成在一个大规模集成电路上，称为中央处理器CPU（）也称微处理器或微处理机完成对数据的运算（算术运算、逻Central ProcessingUnit,CPU辑运算）和负责对计算机中各个部件的协调工作进行控制计算机所做的各种工作是由计算机的程序（指令）所决定的，而程序的执行是由来完成的，将程序中的各条指令按照CPU CPU一定的顺序从内部存储器中取到中进行译码（翻译）并执行CPU

三、存储器的作用存储器由内部存储器和外部存储器（辅助存储器）两部分组成内部存储器采用半导体存储器，容量相对外存小一些，但速度要远远高于外存，计算机要执行的程序及要处理的数据必须先从外部存储器调入内部存储器，才能由执行和处理;外存的容量大，但速度要慢一些，CPU主要用来长期保存信息（非易失性设备）一般也把和内存这两部分称为主机CPU

四、输入和输出设备输入和输出设备用来完成信息的输入和输出，外部存储器和输入设备及输出设备一般统称为外围设备或外部设备外部设备的速度一般都比较慢，而且不同设备的控制方式有很大的差异，因此，每个外设都必须配有一套独立的逻辑电路与主机相连，用来实现设备与主机交换信息，我们把它称I/O为接口电路或接口I/O控制器运算器寄存微处理器器组微型计算机

五、微型计算机系统内部存储器输入/输出接口微型计算机系统第四节Intel8088的基本结构准位微处理器——内部体系结构是位，与外部通信采用位数据总线；16168采用条引脚的（双列直插式）封装；40DIP时钟频率为

4.77MHz；两个独立的功能部件总线接口部件和执行部件,两个部件之间实现流水作业（见图）1-2

一、总线接口部件BIU（Bus InterfaceUnit）（图文随时切换）总线接口部件同外部总线连接，为执行部件完成全部的总线操作，并且计算、形BIU,EU成位的内部存储器的物理地址

201.BIU的任务（）负责从内部存储器的指定区域中取出指令送到指令队列中去排队；1（）从相应的内存区域或端口中取出执行指令时所需要的操作数（内部存储器操作数2I/O和I/O端口操作数），传送给执行部件EU；

（3）将指令执行的结果写入内存储器

2.BIU组成1）段寄存器CS16位的代码段寄存器，存放代码段的段地址；DS16位的数据段寄存器，存放数据段的段地址；ES16位的附加数据段寄存器，存放附加数据段的段地址；SS16位的堆栈段寄存器，存放堆栈段的段地址2）指令指针寄存器IP16位的指令指针寄存器，存放下一条要取出的指令的偏移地址3）20位的地址加法器用来形成位的内存单元的物理地址204）总线控制逻辑用来和内存单元或接口之间交换数据I/5）指令队列字节指令队列，用来实现部件和部件之间的流水作业4BIU EU

二、执行部件EU（Execution Unit）（图文随时切换）从的指令队列中获得指令，然后执行该指令，完成指令所规定的操作BIU

1.EU的任务（）对寄存器内容和指令操作数进行算术和逻辑运算；1（）进行内存有效地址的计算；2（）向提供数据和所需访问的内存或端口的地址；3BIU I/O

（4）对通用寄存器、标志寄存器和指令操作数进行管理

2.流水作业和这两个功能部件能相互独立地工作，采用了取指令的操作和执行指令的操作的EU B1U重叠技术执行部件执行的是总线接口部件在前一时刻取出的指令，与此同时，EU BIUBIU取出在下一时刻要执行的指令，使大部分的取指操作和执行指令的操作同时进行，大大减EU少了等待取指令所需的时间提高了微处理器的利用率和整个系统的执行速度，也降低了对存储器的要求

3.EU组成1）通用寄存器下述寄存器都是位的，除可作为通用寄存器使用外，它们还可以使用在在一些特殊场16合AX累加器，可分成两个8位的寄存器AH（高8位）、AL（低8位）BX基址寄存器，可分成两个8位的寄存器BH、BL；CX计数器，可分成两个8位的寄存器CH、CL；DX数据寄存器，可分成两个8位的寄存器DH、DL；BP基数指针寄存器，用于堆栈段；SP堆栈指针寄存器，始终指向栈顶；SI源变址寄存器；DI目的变址寄存器2）标志寄存器（PSW）,也称程序状态字共位，只用到了位169各位的含义1-3）（见图CF进位标志位,当做加法最高位有进位，或做减法最高位有借位时，则CF为1,否则CF为0oPF奇偶标志位,8088中采用奇校验，当运算结果中所含的1的个数为偶数，PF为1,否则为PF0oAF辅助进位标志位,当做字节加法时低4位向高4位有进位，或做减法时低4位向高4位有借位，为否则为AF1,AF0ZF零标志位,当运算结果为0时，ZF为1,否则ZF为0oSF符号标志位,当运算结果为负时，SF为1,否则SF为0TF单步标志位,当TF为1时，CPU单步执行指令IF中断允许标志位,IF为1时，CPU可以接受可屏蔽中断的中断请求，否则CPU不接受可屏蔽中断的中断请求DF方向标志位,在串操作时，DF为0时，按地址递增方向操作内存单元，DF为1时,按地址递减方向操作内存单元，0F溢出标志位,当运算结果超出数的表示范围时，OF为1,表示结果溢出否则0F为0表示不溢出以上各个标志位中，、、、、和称为条件标志位,其状态由有关指令执行CF PFAF ZFSF OF结果决定；、和称为控制位,其中和位可由指令设定为或DF IFTF DFIF103算术逻辑单元ALU完成算术运算和逻辑运算操作4EU控制系统负责从指令队列中取出指令并进行译码，然后产生相应的微操作控制信号，控制指令的执行过程

三、存储器组织

1.20根地址线直接寻址范围为二所以在以组成的微机系统中，可以有的内部存储器21MB80881MB

2.存储空间的分段位的寄存器只能给出来位的地址，寻址空间只能在的范围内因此，在系161664KB8088统中，将的内存分成若干个段，一个段最大最小个字节定义成一个小节，1MB64KB,16B16最多可有个段，最少个段段与段之间可以部分重叠，也可以完全重叠64K

163.20位的物理地址的形成见图

1.4当访问内存单元时，需要给出位的段地址存放在段寄存器中和位的段内偏移地址1616有效地址在形成位的物理地址时，将位的段地址左移位，然后加上位的段内EA2016416偏移地址一般，也可用下式表示物理地址二段寄存器的内容有效地址X10H+EA如，则物理地址为DS=3000H,EA=260H,3000HX10H+260H=30260H第一章习题将下列十进制数转换为二进制数、八进制数、十六进制数L

11125.

6252548.

753376.

1254254.

251.2将下列二进制数、十六进制数转换成十进制数

1100110.110130FFA9H414AF.5DH

1.38写出下列十进制数的原码、反码和补码用位二进制1+652-653+1154-

1151.4写出下列用补码表示的二进制数的真值即十进制数

1011011102010110013100011014111110011.5当前计算机的体系结构由哪五部分组成？L6试述微型计算机的一般结构

1.7在功能上可以分为哪两大部分？各有什么功能？Intel

80881.8试述所采用的取指令与执行指令重叠技术的原理及好处Intel

80881.9为什么说是准位的微处理器芯片？Intel

8088161.10的通用寄存器有哪些？那些寄存器可拆分为高低字节两部分使用？Intel

80881.11对存储器的寻址范围是多少？为什么？Intel

80881.12为什么的存储器地址空间要分段？请说明其物理地址的形成过程Intel8088。