第一章 计算机基础知识 第一节 计算机概述 一、计算机的基本组成和工作原理 二、有关术语 三、计算机发展简史 四、微型计算机概述 第一章 计算机基础知识 第一节 计算机概述 一、计算机的基本组成和工作原理 二、有关术语 三、计算机发展简史 四、微型计算机概述 第二节 计算机中数的表示和编码 一、N进制数 二、二进制数和十六进制数运算 三、计算机内数的表示 四、二进制编码

第一节 计算机概述 一、计算机的基本组成和工作原理 二、有关术语 三、计算机发展简史 四、微型计算机概述

按性能可分为：巨型机，大型机， 中型机，小型机，微机 一、计算机的基本组成和工作原理 ENIAC (1946) 掌上电脑(2000) 按性能可分为：巨型机，大型机， 中型机，小型机，微机 第一台电子计算机ENIAC: 重达30吨，启动电力150千瓦，18000个电子管，保存80个字节，占地170平方米 联想天玑810硬件配置： 尺寸：130mm×84mm×16mm CPU：16MHz,16位中央处理器 内存：16M ROM，512K FLASH ROM（可存放26万汉字），512K RAM LCD显示：320×240 ，1/4VGA液晶触摸屏, .23超细点距,4级灰度,横屏显示 电源：两节AAA型7号碱性电池，支持3.3V外接电源 附件：触笔，软盘（数据交换软件），耳机, RS232串口线 现代计算机的结构基础：存储程序控制结构 1945年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出, 诺依曼计算机

输 入 设 备 输 出 设 备 运算器ALU 控制器 诺依曼计算机的工作原理可概述为： “存储程序” + “程序控制” 存储器 输 出 设 备 运算器ALU 控制器 CPU 诺依曼计算机的工作原理可概述为： “存储程序” + “程序控制” 要点： 1．以二进制表示数据和指令(程序) 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行

二、有关术语 1. 位 ( bit ) 2. 字节 ( Byte ) 3. 字和字长 (word) 4. 位编号 5. 指令、指令系统和程序 4. 位编号 5. 指令、指令系统和程序 6. 寄存器 7. 译码器

1. 位 ( bit) 指计算机能表示的最基本最小的单位 在计算机中采用二进制表示数据和指令，故： 位就是一个二进制位，有两种状态，“0” 和 “1” 2. 字节 ( Byte ) 相邻的8位二进制数称为一个字节 1 Byte = 8 bit 如： 1100 0011 0101 0111

3．字和字长 字是CPU内部进行数据处理的基本单位。 字长是每一个字所包含的二进制位数。 常与CPU内部的寄存器、 运算装置、总线宽度一致

最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中 例 某CPU内含 8位运算器，则： 参加运算的数及结果均以 8位 表示, 最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存，而将其保存到标志寄存器中 被加数 1 0 1 1 0 1 0 1 被加数8位 + 1 0 0 0 1 1 1 1 加数8位 进位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和8位 运 算 器 运 算 器 加数 和 进位 标志 寄存器 PSW 标志寄存器

字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。 如: Intel 4004 是 4 位 8080 是 8 位 8088/ 8086/80286 是 16 位 80386/80486、Pentium 是 32 位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数 + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数 进位 1 1 1111 1 111 1 1 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和 4位 8次 8位 4次 16位 2次 32位 1次

把一个字定为16 位， 1 Word = 2 Byte 一个双字定为32位 1 DWord = 2 Word= 4 Byte 位 1 或 0 1位 字节 1100 0011 8位 字 1100 0011 0011 1100 16位 双字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位 高字节 低字节 高 字 低 字

4. 位编号 为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。 从低位开始，从右到左依次为 0、1、2．．． 7 6 5 4 3 2 1 ← 编号 字节 1 1 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 数据Data A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 地址Address

字的编号为15 ~ 0 15 8 7 1 1 1 1 1 1 1 1 D15 D8 D7 D0 A15 A8 A7 A0 双字的编号依此类推，为31 ~ 0

5. 指令、指令系统和程序 一个CPU能执行什么操作，是工程人员设计和制造好的， 是固定的，用户不能改变。 指令是CPU能执行的一个基本操作。 如：取数、加、减、乘、除、存数 等 指令系统是CPU所能执行的全部操作。 不同的CPU，其指令系统不同。 程序是用户在使用计算机时，为要解决的问题， 用一条条指令编写的指令集合。

寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。 6．寄存器 寄存器是用来存放数据和指令的一种基本逻辑部件。 根据存放信息的不同， 有指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器等。 标 志 寄存器 地址总线 AB 数据总线 DB 控制总线 CB 指令寄存器 数据寄存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄存 器 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP CPU 结构 示意图

7．译码器 译码器是将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。 指令是CPU能执行的一个基本操作; CPU的设计者对CPU的所有指令进行编码; 用户用编码形式的指令进行编程，程序存放在内存中; CPU从内存取来编码形式的指令, 对指令进行译码，发出执行该指令功能所需的信号

指令译码器: 将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。 地址译码器: 将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。 根据译码内容的不同，可分为： 指令译码器: 将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。 地址译码器: 将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。 CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP

二、计算机发展简史 1. 根据使用的基本电子器件，计算机经历了四个阶段： 电子管计算机 (1946—1956) 晶体管计算机 (1957—1964) 集成电路计算机 (1965—1970) 超大规模集成 电路计算机 (1971—至今) 用机器语言、汇编语言编写程 用于军事和国防尖端技术 开始使用高级语言 开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域 采用微程序、流水线等技术， 提高运行速度 出现操作系统、诊断程序等软件 采用半导体存储器 采用图形界面操作系统 器件速度更快, 软件、外设更加丰富 主 要 特 点

2．计算机的两个方向发展： 研制高速度、强功能的巨型机和大型机 适应军事和尖端科学的需要。 研制价格低廉的超小型机和微型机 开拓应用领域和占领更广大的市场。 参考: 沈绪榜 ,“计算机的回顾与发展”,《国际技术经济研究》, 2001 微型计算机是第四代计算机的典型代表。

四、微型计算机概述 1. 微型计算机的基本结构 2. 微处理器、微型计算机、微型计算机系统(自学) 3. 微型计算机的特点(自学) 4. 微型计算机的分类 5. IBM PC机的发展简史(自学)

1. 微型计算机的基本结构 中央处理器 光驱 主板 电源箱 软驱 内存条 硬盘 调制解调器 简介 1) 构成部件 ; 2) 工作过程

CPU 地址总线 AB 存 I/O 储 接 器 口 数据总线 DB 控制总线 CB 微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成； 输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连； ( 输入/输出接口简称I/O接口 ) 各部件通过总线连接。 构成部件

CPU (1)总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输 存 储 器 I/O 接 口 I/O 接 出 设 备 输 入 设 备 总线 BUS

ISA插 PCI插槽 槽 AGP插 北桥 芯片组 南桥 内存插槽 CPU插槽 IDE接口 软驱接口 并口连接器 串口连接器 ROM BIOS 鼠标键盘 USB 接口 主板 电源 插座

北桥 440BX 南桥 PIIX4E 超级I/O 显 示 器 显卡 550MHz IDE2 Pentium III 北桥 440BX AGP 南桥 PIIX4E CMOS & RTC USB 超级I/O IDE1 COM1 COM2 LPT1 L1 Cache L2 处理机总线 100MHz 100MHz PCI 总线 33MHz PCI 插槽 ISA ISA总线 8MHz 内存条 ROM BIOS 显 示 器 硬盘 光驱 软驱 键盘鼠标 打印机 MODEM 66MHz 显卡

CPU 按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线 地址总线 AB 存 I/O 输 出 入 储 接 器 口 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 出 CPU

CPU 地址总线 AB ( Address Bus) ：单向 用来传送CPU输出的地址信号， 确定被访问的存储单元、I/O端口。 器 I/O 接 口 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 出 CPU

地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。 10根 → 210 1024 1K 20根 → 220 1024K 1M 32根 → 232 22 × 230 4G 36根 → 236 26 × 230 64G

CPU 数据总线 DB ( Data Bus )：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。 地址总线 AB 存 I/O 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 出 CPU

数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。 8 根 → 一次传送 8位 16 根 → 一次传送 16位 32 根 → 一次传送 32位 64 根 → 一次传送 64位

CPU 控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。 地址总线 AB 输 I/O 输 存 I/O 出 接 入 储 器 I/O 接 口 I/O 接 口 输 出 设 备 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。

CPU (2) 中央处理器CPU 计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。 地址总线 AB 输 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 出 CPU

CPU结构示意图 地址信号 标 志 寄存器 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄存 器 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP 数据信号 控制信号 ALU

8088 编程结构 BIU EU DS ES SS CS IP 数据暂存器 执 行 部 件 控 制 电 路 指令译码器 总线 接口 控制 电路 AX BX CX DX AH BH CH DH SI DI BP SP AL BL CL DL 寄存器组 BIU AB DB CB 地 址 加 法 器 指 令 队 列 PSW 标志寄存器 EU 运 算 8088 编程结构

Pentium内部结构 指令指针 控制 ROM 控制部件 地址生成 (U流水线) (V流水线) ALU 整数寄存器组 桶形移位器 8K字节数据 高速缓存 TLB 浮点部件 寄存器组 加法 除法 乘法 总 线 部 件 页 面 预取缓冲器 指令译码器 8K字节代码 分支目标 缓冲器 分支检验 与目标地址 预取 地址 64位 数据总线 32位 地址总线 32位地址总线 64位数据总线 256 32 Pentium内部结构

(3) 内存 内存是存储程序和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。 数据线DB C 11001100 地 P 址 00110011 (3) 内存 内存是存储程序和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。 n根 C P U 地址线AB 数据线DB 控制线CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址00...0000 地址00...0001 地址00...0010 地址00...0011 地址11…1111 内存结构示意图

内存单元 内存单元的地址 内存单元的内容 对内存的读/写操作

内存单元 存储信息的基本单元。 每片内存芯片有若干个内存单元。 每个单元可存储1位或多位等二进制数。 数据线DB C 11001100 地 n根 C P U 地址线AB 数据线DB 控制线CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址00...0000 地址00...0001 地址00...0010 地址00...0011 地址11…1111

为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。 地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中。 内存单元的地址 为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。 地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中。 n根 C P U 地址线AB 数据线DB 控制线CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址00...0000 地址00...0001 地址00...0010 地址00...0011 地址11…1111

内存单元的内容 每个内存单元所存储的二进制数据。 n根 C P U 地址线AB 数据线DB 控制线CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址00...0000 地址00...0001 地址00...0010 地址00...0011 地址11…1111

对内存的读/写操作 数据线DB 11001100 C 地 址 00110011 P 地址线AB 译 码 10101010 U 器 CPU发出地址信号，选中相应的内存单元。 若是读操作，CPU发出内存读控制信号， 被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU。 若是写操作，CPU发出内存写控制信号， CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。 n根 C P U 地址线AB 控制线CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址00...0000 地址00...0001 地址00...0010 地址00...0011 地址11…1111 数据线DB

CPU (4) 外设和输入/输出接口（I/O接口） 外设的电信号、运行速度与CPU不匹配， 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 出 CPU

键 盘 → 键盘接口 显示器 → 显示卡 鼠 标 → 串行接口 网 络 → 网卡 打印机 → 并行接口 音箱、麦可风 → 声卡 键 盘 → 键盘接口 显示器 → 显示卡 鼠 标 → 串行接口 网 络 → 网卡 打印机 → 并行接口 音箱、麦可风 → 声卡 Pentium III L2 Cache L1Cache 显 示 器 内存条 北桥 440BX 显卡 PCI 插槽 USB IDE1 硬盘 南桥 PIIX4E IDE2 CMOS & RTC 光驱 ISA 插槽 COM1 软驱 超级I/O COM2 MODEM 键盘鼠标 LPT1 ROM BIOS 打印机

C 外 P U 设 I/O接口结构示意图 AB 地址 译码 I/O端口1 DB 数据 I/O端口2 缓冲 CB 控制 I/O端口3 电路

I/O端口 I/O端口的地址 I/O端口的内容 对I/O端口的读/写操作

C 外 P U 设 I/O端口 I/O接口内部通常有一个或多个寄存器， 用以存放各种信息，称I/O寄存器或I/O端口。 AB 地址 译码 DB 数据 缓冲 I/O端口2 CB 控制 电路 I/O端口3

C 外 P U 设 I/O端口的地址 为区分各I/O端口，每个端口对应有一个端口地址。 AB 地址 译码 I/O端口1 (23H端口) DB 数据 缓冲 控制 电路 外 设 AB DB CB C P U

C 外 P U 设 I/O端口的内容 指I/O端口存放的二进制数据。 AB 地址 译码 1001 0101 (状态端口) DB 数据 0110 1010 (数据端口) 1100 0110 (控制端口) 地址 译码 数据 缓冲 控制 电路 外 设 AB DB CB C P U 根据存放内容的不同可分为：状态端口，数据端口，控制端口

C 外 P U 设 对I/O端口的读/写操作： （与内存的读/写操作相类似） CPU发出地址信号，选中相应的I/O端口。 AB 地址 译码 C P U 外 设 I/O端口1 (23H端口) DB 数据 缓冲 I/O端口2 (24H端口) CB 控制 电路 I/O端口3 (25H端口

计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制” 2）微机的工作过程 计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制” CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP

微机的工作过程分两阶段： 取指令 执行指令

取指令阶段（ CPU读内存操作）： 由IP给出指令在内存的地址 地址经地址寄存器 → 地址总线 → 地址译码器, 选中指令所在的内存单元 指令从内存 → 数据总线 → 数据暂存器 → 指令寄存器 指令译码器对指令进行译码 程序 数据 寄存器组 IP 地 址 寄存 器 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指 令 指 针 寄存器 R1 地址总线 AB R2 R3 R4 数据总线 DB 数据暂存器 运 算 器 指令寄存器 指令译码器 控制总线 CB 标 志 寄存器 控制电路

经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。 执行指令阶段： 经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。 CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP

不同的指令，CPU的具体执行过程不同。 CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。 当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时， CPU在执行阶段， 需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。

例 指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。 CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP 指令1在CPU 内部即可完成

例 指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP 指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。

例 指令3：将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中 CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP 指令3的执行阶段包括一个向内存存数(即写内存)的过程。

指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址， 这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段， 如此不断的重复。 当一条指令取走后， 指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址， 这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段， 如此不断的重复。 CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 指 令 指 针 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 IP

微机的工作过程： 取指令 → 执行指令 → 取指令 → 执行指令 、、、

2．微处理器、微型计算机、微型计算机系统 系统软件：DOS、Windows 95/98/2000 应用软件：WPS 、 Word、Photoshop 微 处 理 器 CPU 存储器(RAM,ROM) I/O接口 总线 硬 件 软 件 微 型 计算机 系 统 微 型 (主机) 外 设 ALU 寄存器 控制部件 键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪

3．微型计算机的特点 体积小，重量轻，耗电小 可靠性高，结构灵活 ，价格低 研制周期短，产品系列化，便于选 购 应用面广： 科学计算，数据处理，事务管理，教学培训 计算辅助设计和制造，家庭娱乐，网络通信 与相应时期的大型机相比: 速度相对低 功能相对低 在字长位数，内存容量，寻址方式，指令条数， 中断级别，及内部寄存器数量等方面都不如。

4. 微型计算机的分类 1) 按构成分类 2) 按CPU的字长分类 3) 按主机装置分类 4) 按应用分类

1) 按构成分类 单片机、单板机、多板机 单片机 将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上， 构成具备基本功能的计算机，称单片机。 特点：超小型、高可靠性、价廉 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等 产品：Intel 的8051、8096系列 (有选修课) Motorola 的6801、6805系列 Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列 (有选修课) 参考： 邝小磊 , “单片机应用技术综述” ,《计算机应用》, 2001.3

单板机 将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。 特点：结构简单、价廉 应用：过程控制、数据处理 产品：TP-801 以Z80CPU为核心的单板机 80年代各院校“微机原理”的实验机

多板机 把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上， 各印刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统总线连接起来，构成多板机。 特点：结构灵活，便于扩展 产品：IBM PC/XT、486机、Pentium机等 90年代以来各院校“微机原理”和计算机硬件的实验机

2) 按CPU的字长分类 CPU的性能可以用两个主要参数来描述： 速度：用CPU的工作频率表示，单位MHz CPU内部寄存器宽度：寄存器的位数 宽度： 外部数据总线宽度：数据线的根数 地址总线宽度：地址线的根数 按CPU 的字长，微机可分为： 4位机、8位机、16位机、32位机、64位机 CPU内部的寄存器宽度可用字长描述

以Intel公司生产的80x86为例： 2000.11 Pentium 4 32 64 2G 微机主要是以CPU 的发展而升级换代。 是由多方面技术的发展所决定的， 包括存储技术、总线技术、接口技术等。

3) 按主机装置分类 桌上型：台式电脑 便携型：笔记本、掌上电脑等

4) 按应用分类 通用计算机： “非嵌入式应用” 独立使用的计算机系统。 如：个人计算机，工作站等 嵌入式计算机： “嵌入式应用” 作为其它系统组成部分的计算机， 以嵌入的形式“隐藏”在各种装置，产品和系统中。 如： 家电产品, 通信产品, 汽车, 航空航天设备, 过程控制，智能仪器仪表等 参考:吕京建 , “面向21世纪的嵌入式系统” ,《半导体技术》,2001.1

5. IBM PC机的发展简史