1、第1章 計算機基礎知識第1節 計算機概述 一、計算機的基本組成和工作原理二、有關術語三、微型計算機概述 第2節 計算機中數的表示和編碼(自學)一、N進制數二、二進制數和十六進制數運算三、計算機內數的表示四、二進制編碼第1節 計算機概述一、計算機的基本組成和工作原理二、有關術語三、微型計算機概述第1節 計算機概述一、計算機的基本組成和工作原理二、有關術語 位 、字節、字和字長 指令、指令系統、 程序、寄存器、譯碼器三、微型計算機概述1. 微型計算機的基本結構 1) 總線 2) 中央處理器CPU 3) 內存 4) 外設和輸入/輸出接口（I/O接口）2. 微機的工作過程3. 微處理器、微型計算機、微

2、型計算機系統4. 微型計算機的特點5. 微型計算機的分類 按 構成/ CPU的字長/ 主機裝置/ 應用 分類 6. PC機的發展簡史 現代計算機的結構基礎：存儲程序控制結構1945年，美籍匈牙利裔數學家John Von Neumann提出, 諾依曼計算機按性能可分為：巨型機、大型機、 小型機、工作站、微型計算機一、計算機的基本組成和工作原理1946 年 ENIAC2012年平板電腦智能手機筆記本電腦臺式電腦輸入設備控制器輸出設備 CPU 存儲器運算器ALU諾依曼計算機結構示意圖工作原理可概述為：“存儲程序” + “程序控制”要點：1以二進制表示數據和指令(程序) 2. 先將程序存入存儲器中，再

3、由控制器自動讀取并執行二、有關術語1. 位 ( bit )2. 字節 ( Byte )字和字長 (Word)指令、指令系統和程序 (Instruction, Instruction Set, Program)5. 寄存器 (Register)6. 譯碼器(Decoder)1. 位 ( bit) 指計算機能表示的最基本最小的單位 在計算機中采用二進制表示數據和指令，故：位就是一個二進制位，有兩種狀態，“0” 和 “1”2. 字節 ( Byte ) 相鄰的8位二進制數稱為一個字節 1 Byte = 8 bit 如： 1100 0011 0101 0111 +5V0VVoutSWR 產生1位二進制數

4、字的簡單電路開關斷開時，Vout輸出 0V開關閉合時，Vout輸出 +5V01010tVout+5V0 開 合 開 合 開信號Vout的取值只有0V和+5V這兩個數值，可分別用二進制的0和1表示電子管晶體管集成電路超大規模集成電路在實際電路中，用于完成圖中開關作用的基本器件很多，從早期的電子管，到后來的晶體管(半導體二極管、三極管)等。電路規模由分立元件電路、集成電路、大規模集成電路、以及超大規模集成電路等。計算機的發展按照所使用的基本器件和電路規模的不同劃分為不同的四個階段+5V0VVoutSWR3字和字長 字長是每一個字所包含的二進制位數。 常與CPU內部的寄存器、 運算裝置、總線寬度一致

5、 字是CPU內部進行數據處理的基本單位。 1 0 1 1 0 1 0 1 被加數8位 + 1 0 0 0 1 1 1 1 加數8位進位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 和8位例 某CPU的字長為8位, 意味著內含 8位運算器，則：參加運算的數及結果均以 8位 表示,最高位產生的進位或借位在8位運算器中不保存，而將其保存到標志寄存器中標志寄存器運算器被加數加數和進位字長是衡量CPU工作性能的一個重要參數。 不同類型的CPU有不同的字長。 如: Intel 4004 是 4 位 8080 是 8 位 8088/ 8086/80286 是 16 位 80386/80486

6、、Pentium/II/III/4 是 32 位 Pentium D、Core Duo是64位 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加數 + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加數進位 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次位 1 或 0 1位字節 1100 0011 8位字 1100 0011 0011 1100 16位雙字 1100 0011 0011 1100 1100

7、 0011 0011 1100 32位高字節低字節 高 字 低 字把一個字定為16 位 1 Word = 2 Byte 一個雙字定為32位 1 Double Word = 2 Word= 4 Byte 為便于描述，對字節、字和雙字中的各位進行編號。 從低位開始，從右到左依次為 0、1、2 編號7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字節數據Data地址AddressD0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的編號為15 0雙字的編號依此類推，為31 04. 指令、指令系統和程序(Instruction

8、, Instruction set, Program） 一個CPU能執行什么操作，是工程人員設計和制造好的， 是固定的，用戶不能改變。 指令是CPU能執行的一個基本操作。 如：取數、加、減、乘、除、存數 等 指令系統是CPU所能執行的全部操作。 不同的CPU，其指令系統不同。 程序是用戶在使用計算機時，為要解決的問題， 用一條條指令編寫的指令集合。5寄存器 (Register) 寄存器是用來存放數據和指令的一種基本邏輯部件。 根據存放信息的不同， 有指令寄存器、數據寄存器、地址寄存器等。6譯碼器(Decoder) 譯碼器是將輸入代碼轉換成相應輸出信號的邏輯電路。 例如： 指令是CPU能執行的一

9、個基本操作; CPU的設計者對CPU的所有指令進行編碼;用戶用編碼形式的指令進行編程，程序存放在內存中;CPU從內存取來編碼形式的指令,在內部對指令進行譯碼，發出執行該指令功能所需的信號 根據譯碼內容的不同, 可分為: 指令譯碼器: 將指令代碼轉換成該執行指令所需的各種控制信號。 地址譯碼器: 將地址信號轉換成各地址單元相應的選通信號。三、微型計算機概述 1. 微型計算機的基本結構 2. 微型計算機的工作過程 3. 微處理器、微型計算機、微型計算機系統(自學) 4. 微型計算機的特點(自學) 5. 微型計算機的分類 6. PC機的發展簡史(自學)根據使用的基本電子器件，計算機經歷了四個階段：電

10、子管計算機(19461956) 晶體管計算機(19571964)集成電路計算機(19651970)超大規模集成電路計算機(1971至今) 用機器語言、匯編語言編寫程 用于軍事和國防尖端技術 開始使用高級語言 開始用于工程技術、數據處理和 其它科學領域 采用微程序、流水線等技術， 提高運行速度 出現操作系統、診斷程序等軟件 采用半導體存儲器 采用圖形界面操作系統 器件速度更快, 軟件、外設更加豐富 主要特點 微型計算機是第四代計算機的典型代表。1. 微機的基本結構內存條電源 中央處理器主板光驅硬盤顯卡聲卡網卡主機箱微機的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設備構成；輸入/輸出設備通過輸入/輸出接口與

11、系統相連； ( 輸入/輸出接口簡稱I/O接口 )各部件通過總線連接。構成部件存儲器I/O接口輸入設備I/O接口總線輸出設備CPU微機結構示意圖8088802868038680486PentiumPentium ProPentium IIPentium IIIPentium 4雙核 CPU四核 CPUROMDRAMSRAMCacheEEPROMFLASH鍵盤鼠標掃描儀話筒打印機顯示器音箱網絡設備硬盤,光盤,U盤AGPPCIISAUSBRS-232LPT1并口串口聲卡并口顯卡聲卡網卡與實物的對應1) 總線 總線是連接多個功能部件的一組公共信號線 微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸總線 BUS

12、存儲器I/O接口輸入設備I/O接口輸出設備CPU控制總線 CB地址總線 AB存儲器I/O接口輸入設備I/O接口輸出設備CPU數據總線 DB 按信號的作用， 總線分為三類: 地址總線 數據總線 控制總線數據總線 DB ( Data Bus )：雙向 用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數據傳送。控制總線CB ( Control Bus ) ： 用于傳送各種控制信號， 有的是CPU發出，如讀控制信號、寫控制信號； 有的是發向CPU，如外設向CPU發出的中斷申請信號。地址總線 AB ( Address Bus) ：單向 用來傳送CPU輸出的地址信號, 確定被訪問的存儲單元、I/O端口CPU地址總

13、線的條數 決定CPU的尋址能力 即CPU能夠使用多大容量的內存或I/O端口。10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M30根 230 1024M 1G32根 232 22 230 4G36根 236 26 230 64GCPU數據總線的條數決定一次可最多傳送數據的寬度 8 根 一次傳送 8位16 根 一次傳送 16位 32 根 一次傳送 32位 64 根 一次傳送 64位PC機的主板實例各種插槽中包含傳遞信息的總線內存插槽SATA接口電源插座PCI插槽PCI-E x1插槽PCI-Ex16插槽IDE接口CPU插槽北橋芯片南橋芯片時鐘芯片I/O芯片BIOS音效芯片網卡芯片CM

14、OS外設接口PCB基板CPU北橋南橋I/O內置顯卡硬盤內存條內存條主板才用多總線結構CPU高速總線和設備中速總線和設備低速總線和設備內置網卡內置聲卡主板結構圖例顯示器打印機鍵盤鼠標音箱麥克風網絡設備Modem電源其他擴展設備U盤其他USB設備: MP3, 數碼相機等串口并口網口聲卡輸入聲卡輸出2) 中央處理器CPU 計算機的核心部件 早期主要由算術邏輯運算單元(ALU)、寄存器組和控制單元構成， 用來實現指令的自動裝入和自動執行， 實現計算機本身的自動化。Pentium內部結構 指令指針控制ROM控制部件地址生成(U流水線)地址生成(V流水線)ALU(U流水線)ALU(V流水線)整數寄存器組桶

15、形移位器8K字節數據 高速緩存TLB浮點部件控制寄存器組加法除法乘法總線部件 頁面部件預取緩沖器指令譯碼器8K字節代碼 高速緩存TLB 分支目標緩沖器 分支檢驗與目標地址 預取地址控制64位數據總線32位地址總線32位地址總線64位數據總線256323232323232某4核CPU的顯微照相圖3) 內存實現存儲程序和數據的主要部件.n根地址線AB數據線DB控制線CBCPU地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000內存條微機中的內存條由若干片半導體存儲器芯片組成，每片半導體存儲器芯片內部由地址譯碼器、內存單元等構成。n根ABDBCB地址譯碼器110

16、011000011001110101010111100001000100000h01h02h03hFFhCPU 內存單元的內容 指內存單元所存儲的 二進制數據。 內存單元存儲信息的基本單元,每片內存芯片中有若干個內存單元. 不同內存芯片中的單元個數不同。 內存單元的地址為區分各內存單元, 每個內存單元都有唯一的地址, 該地址經地址譯碼后得到相應內存單元的選通信號.內存結構示意圖 對比 內 存 樓房 內存單元 房間內存單元地址 房間號內存單元內容 房間里的東西 CPU對內存的讀操作1. CPU發出地址信號(如02H)，選中相應的內存單元。2. CPU發出內存讀控制信號3. 被選中的內存單元將其內

17、容(如AAh)經數據總線送入CPUABDBCB地址譯碼器110011000011001110101010111100001000100000h01h02h03hFFhCPU00000001010101010內存讀控制信號 CPU對內存的寫操作1. CPU發出地址信號(如FFH)，選中相應的內存單元。2. CPU發出內存寫控制信號3. CPU將欲寫的內容(如54h)經數據總線， 寫入被選中的內存單元中ABDBCB地址譯碼器110011000011001110101010111100000101010000h01h02h03hFFhCPU1111111101010100內存寫控制信號存儲器I/O接

18、口輸入設備I/O接口數據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU4) 外設和輸入/輸出接口（I/O接口） 外設的電信號類型、運行速度與CPU不匹配， 不能與CPU直接相連，必須通過I/O接口與CPU相連。 Pentium III北橋440BXAGPCMOS & RTCUSBIDECOM1COM2LPT1550MHzCPU總線 100MHz100MHzPCI 總線 33MHzPCI 插槽ISA 插槽ISA總線 8MHz內存條ROM BIOS顯示器硬盤光驅軟驅鍵盤鼠標打印機MODEM66MHz顯卡南橋PIIX4E超級I/OUSB設備內存條內存條主板外引電纜實驗箱COM1IDE2IDE1

19、L2Cache外設通過接口與計算機連接對I/O端口也可進行讀/寫操作，CPU通過對I/O端口進行讀/寫操作，實現對外設的控制。20h I/O端口1001 010121h I/O端口0110 101022h I/O端口1100 0110地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPUI/O接口結構示意圖I/O接口結構I/O接口內部通常有一個或多個寄存器，用以存放各種信息，稱I/O寄存器或I/O端口。與內存單元類似，每個I/O端口有其地址和內容。 對I/O端口的讀/寫操作： （與內存的讀/寫操作相類似）1. CPU發出地址信號，選中相應的I/O端口。2. 若是讀操作，CPU發出I/O端口讀控制信號，

20、被選中的I/O端口將其內容經數據總線送入CPU。 若是寫操作，CPU發出I/O端口寫控制信號， CPU將欲寫的內容經數據總線，寫入被選中的I/O端口中。20h I/O端口1001 010121h I/O端口0110 101022h I/O端口1100 0110地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU21h0110 1010在Windows 7下查看計算機硬件資源的分配情況 方法: 開始/計算機/屬性/計算機管理器/依類型排序資源/123內存資源輸入/輸出資源中斷申請資源直接內存訪問在Windows 7下查看某設備占用系統資源情況方法：開始/計算機/ 屬性 / 硬件 / 設備管理器 雙擊某

21、設備(如鍵盤) / 屬性/ 資源PS/2 鍵盤占用資源：60H端口64H端口01中斷請求2. 微機的工作過程計算機的工作原理是：“存儲程序” + “程序控制”CPU 總線 內存標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、數據1數據2數據3、指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC程序數據內存假設內存中存放了由4條指令構成的程序段,指令1: 內存30h的數據 R1 將30h內存單元的數據傳送到寄存器R1中指令2: 內存31h的數據 R2 將31h內存單元的數據傳送到寄存器R2中指令3: (R

22、1+ R2) R3 將寄存器R1和寄存器R2中的數相加, 結果存放在寄存器R3中 指令4: R3 內存32h的數據 將寄存器R3中的數據傳送到32h內存單元被加數加數和程序從地址為00h的內存開始存放,每條指令占3個字節內存數據在地址為30h開始的內存地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132程序功能：將內存中的兩個數據相加，并把結果存放到內存微機的工作過程分兩階段：取指令 將指令從內存取到CPU中，并對指令進行譯碼 執行指令 由控制電路發出執行指令所需信號， 控制CPU執行相應操作取指令階段（ CPU讀內存操作）：2. 地址經地址寄存器 地址總線

23、 地址譯碼器, 選中指令所在的內存單元3. CPU發出內存讀控制信號4. 指令從內存 數據總線 數據暫存器 指令寄存器5. 指令譯碼器對指令進行譯碼1. 由PC給出指令在內存的地址標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC程序數據內存讀控制信號地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132執行指令階段： 經譯碼后的指令，由控制電路發出控制信號去執行。不同的指令，CPU的具體執行過程不同。CPU 可執行的操作通常有數據傳送、算術邏輯運算等等。程

24、序數據地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC指令1：內存30h的數據 R1 將30h內存單元的數據傳送到寄存器R1中指令1的執行階段包括一個到內存取數(即讀內存)的過程，執行之后, R1的內容變為12H地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132程序數據標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄

25、存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC內存讀控制信號0011000000010010與指令1類似，指令2的執行階段包括一個到內存取數(即讀內存)的過程。執行之后, R2的內容變為34H指令2：內存31h的數據 R2 將31h內存單元的數據傳送到寄存器R2中地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC讀內存控制信號程序數據0011000100110100 指令3的執行無需通過CPU外

26、部總線，在CPU 內部即可完成 執行之后，R3的內容變為46h地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34h89h、000306090C303132標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC程序數據指令3: (R1+ R2) R3 將寄存器R1和寄存器R2中的數相加, 結果存放在寄存器R3中指令4的執行階段包括一個寫內存的過程,執行之后，32h內存的內容變為46h指令4: R3 內存32h的數據 將寄存器R3中的數據傳送到32h內存單元地址譯碼器指令1指令2指令3指令4、12h34

27、h46h、000306090C303132程序數據標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC內存寫控制信號0011001001000110每取1個字節指令，PC指令指針寄存器會自動加1，當一條指令取走后，便指向下一條要執行指令的地址，這樣，當一條指令執行后，又進入下一條指令的取指令階段如此不斷的重復。標 志寄存器地址總線 AB數據總線 DB控制總線 CB指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指 令指 針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC程序數據地址譯碼器指令1指令2指

28、令3指令4、12h34h89h、000306090C303132微機的工作過程： 取指令 執行指令 取指令 執行指令 、 3微處理器、微型計算機、微型計算機系統系統軟件：DOS、Windows 95/98/2000/7應用軟件：Photoshop、Word、Excel微 處 理 器 CPU 存儲器(RAM,ROM) I/O接口總線 硬 件軟 件微 型計算機系 統微 型計算機(主機)外 設ALU寄存器控制部件鍵盤、鼠標顯示器軟驅、硬盤、光驅 打印機、掃描儀4微型計算機的特點與相應時期的大型機相比: 速度相對低 功能相對低 在字長位數，內存容量，尋址方式，指令條數， 中斷級別，及內部寄存器數量等方

29、面都不如 體積小，重量輕，耗電小 可靠性高，結構靈活 ，價格低 研制周期短，產品系列化，便于選 購 應用面廣： 科學計算，數據處理，事務管理，教學培訓 計算輔助設計和制造，家庭娛樂，網絡通信5. 微型計算機的分類1) 按CPU的字長分類2) 按主機裝置分類3) 按構成分類4) 按應用分類(第2章介紹):通用計算機系統 : 非嵌入式應用嵌入式計算機系統 : 嵌入式應用1) 按CPU的字長分類CPU的性能可以用兩個主要參數來描述：速度：用CPU的工作頻率表示，單位MHzCPU內部寄存器寬度：寄存器的位數寬度： 外部數據總線寬度：數據線的根數地址總線寬度：地址線的根數 按CPU 的字長，微機可分為： 4位機、8位機、16位機、32位機、64位機CPU內部的寄存器寬度可用字長描述2) 按主機裝置分類桌上型：臺式電腦便攜型：筆記本、掌上電腦、平板電腦等平板電腦筆記本電腦臺式電腦3) 按