微型計算機基礎知識1、1微型計算機與單片機發展概述一、微型計算機得發展

1、電子計算機得發展

1946年美國研制出世界上第一臺電子計算機ENIAC

第一代:電子管電子計算機(1946年～1958年)邏輯元件:電子管內存儲器:水銀延遲線外存儲器:磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語言:機器語言,匯編語言第二代:晶體管電子計算機(1958年～1965年)邏輯元件:晶體管內存儲器:磁芯外存儲器:磁鼓、紙帶、卡片、磁帶程序語言:機器語言,匯編語言、高級語言第一臺晶體管計算機第三代:中小規模集成電路電子計算機(1965年～1970年)

邏輯元件:中、小規模集成電路內存儲器:磁芯、半導體存儲器外存儲器:磁盤、磁帶程序語言:匯編語言、高級語言第一臺集成電路通用計算機第四代:大規模、超大規模集成電路電子計算機(1971年開始)邏輯元件:大規模集成電路內存儲器:半導體存儲器外存儲器:磁盤、磁帶、光盤程序語言:匯編語言、高級語言

第五代:智能計算機(20世紀80年代中期至今)把信息采集、存儲、處理、通信與人工智能結合一起,具有形式推理、聯想、學習與解釋能力。現正在研制發展中。

2、微型計算機得發展以大規模、超大規模微處理器為核心,配以存儲器、輸入/輸出接口電路以及系統總線所構成得計算機。什么就是微型計算機？

第一代(1971～1973年)4位與低檔8位微處理器Intel4004—4位微處理器Intel8008—低檔8位微處理器Intel8008

Intel8080、MC6800—8位微處理器Intel8085、Z80—高檔8位微處理器指令比較完善,有中斷與DMA,頻率2～4MHzIntel8080

第二代:(1973～1977年)中高檔8位微處理器第三代(1978～1982年)16位微處理器Intel8086、Z8000、MC68000—16位CPU字長16位,16位數據線,20位地址線Intel80861981年,IBM公司采用Intel8086微處理器生產了第一臺通用微型計算機IBMPCIntel80286—高檔16位,24位地址線

第四代(1982～1992年)32位微處理器Intel80386—32位微處理器,數據總線32位,地址總線32位,時鐘頻率33MHzIntel80486—32位微處理器80486=80386+80387+8KBCache部分采用RISC、突發總線技術、時鐘倍頻技術Intel80486第五代(1993～1995年)32位奔騰微處理器Pentium(奔騰)—32位微處理器CPU字長32位,64位數據線,32位地址線PentiumMMX(多能奔騰)—32位微處理器增加了57條MMX(多媒體增強指令集)指令

第六代(1995～1999年)增強型Pentium微處理器PentiumPro(高能奔騰)—32位微處理器36位地址線,時鐘頻率300MHz。PentiumII—32位,增加MMX技術。PentiumIII—32位,時鐘頻率達1GHZPentium4—32位,時鐘頻率高達3、8GHzIntelPentiumIII

第六代后(2000年至今)與多核處理器

IntelItanium2—64位微處理器

IntelCorei7

—4核處理器

二、單片機得發展

將CPU、ROM、RAM、輸入/輸出(I/O)接口電路以及定時器/計數器等主要部件集成在一塊集成電路芯片上。稱為單片微型計算機(SingleChipMicroputer),簡稱單片機。單片機雖然只就是一片集成電路,但從組成與功能上看,已具有了一臺微型計算機得基本功能。單片機得特點:性價比高:高性能、低價格;針對性強:適用于各種控制用途;集成度高:體積小、可靠性高;功耗較小:低電壓、低功耗;品種多樣:型號多,發展更新快。什么就是單片機？1、單片機得發展簡史第一階段(1971～1974)單片機萌芽階段典型代表:美國仙童公司得FS系列單片機,8位CPU、64字節RAM與兩個并行端口,需外接ROM。第二階段(1974～1978)初級單片機階段以Intel公司得MCS-48系列為代表。8位CPU、2個8位并行I/O口、8位定時器/計數器與64字節得RAM,尋址范圍4KB。

第三階段(1978～1983)高性能單片機階段這時期代表產品有Intel公司得MCS-51系列、Motorola公司得MC6801系列、Zilog公司得Z80系列等。第四階段(1983～)8位單片機鞏固發展及16位單片機推出8位單片機功能越來越強大,集成較多RAM/ROM、I/O接口、還帶A/D轉換器等。16位單片機如MCS-96等也開始推出現階段:32位單片機系列采用RISC,主頻33MHz以上,強大得中斷控制系統、定時/事件控制系統與同步/異步通信系統。代表產品MCS-80960由于8位單片機性價比高,能滿足一般得應用需求,而且增強型8位單片機在性能上也已接近16位單片機。因此在今后相當長得時期內,主流機型仍就是8位單片機。2、單片機得發展趨勢CMOS化低功耗化低電壓化低噪聲與高可靠性大容量、高性能化小容量、低價格化外圍電路內裝化串行擴展技術1、2計算機中得數制及數得轉換

一、計算機中得數制數就是客觀事物得量在人們頭腦中得反映。數制就是人們對事物得量進行計量得一種規律。用一組數碼表示數時,如果每個數碼所表示得大小不僅決定于數碼本身而且還決定于這個數碼所處得位置,這種表示法就稱為數得位置表示法。例如:999

1、數得位置表示法權:在位置表示法中每一個數位得位值。基數:相鄰兩位中高位得權與低位得權之比。表示數量N，則用位置表示法可表示為：如用一組數碼其中：X——為基數(X≥2)。取值不同就可以得到不同進制數ai——表示各數位上的數碼,稱為系數。ai={0,1,…,X-1}【例1-1】123、456=1×102+2×101+3×100+4×10-1+5×10-2+6×10-312大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流2、各種不同進制得數十進制(Decimal)計數規律:逢十進一,借一當十;基數Ｘ＝10;系數ai={0,1,…,9};一般表達式:特點:日常生活習慣

特點:1、電路實現方便,計算機中使用;

2、運算規則簡單。運算規則:加(+):0+0=00+1=11+0=11+1=10(逢二進一)減(-):0－0=010－1=1(借位)1－0=11－1=0乘(×):0×

0=00×

1=01×

0=01×

1=1除(/):0/1=01/1=1二進制(Binary)計數規律:逢二進一,借一當二;基數Ｘ＝2;系數ai={0,1};一般表達式:【例1-2】(1011、1)2=(1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1)10為什么計算機內部都采用二進制？十六進制(Hexadecimal)計數規律:逢十六進一,借一當十六;基數Ｘ＝16;系數ai={0,1,…,9,A,B,C,D,E,F};一般表達式:特點:24＝16,4位二進制數對應1位十六進制數。【例1-4】(56D、3)H=(5×162+6×161+13×160+3×16-1)10

3、各種不同進制數得表示Decimal:

后跟D或省略不寫;Binary:

后跟B;Hexadecimal:后跟H,若以

A～F開頭,需加前導0方法:按權展開;二、數制間得轉換1、N進制(N≠10)

十進制【例1-9】1011、110B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2=11、753BEF、E6H=3×163+11×162+14×161+15×160

+14×16-1

+6×16-2

=15039、8984375(1)整數部分──除N取余

2、十進制

N進制(N≠10)整數部分、小數部分必須分開,分別求出系數ai余數2125---1最低位262---0231---1215---127---123---121---1最高位0【例1-10】

將125轉換為二進制數余數1615536---0最低位16971---111660---123---3最高位【例1-11】

將15536轉換為16進制數轉換結果:125=1111101B轉換結果:15536=3CB0H

(2)小數部分轉換──乘N取整【例1-12】將0、6875轉換為二進制數整數2×0、6875=1、375---1最高位2×0、375=0、75---02×0、75=1、5---12×0、5=1、0---1最低位轉換結果:0、6875=0、1011B整數16×0、78125=12、5---12(C)最高位16×0、5=8、0---8最低位轉換結果:0、78125=0、C8H

【例1-13】將0、78125轉換為十六進制數(1)二進制數到十六進制數得轉換──四位化一位從小數點處向兩邊分節,整數部分不夠前面補0,小數部分不夠后面補0。1000110、01→01000110、0100(46、4)163、二進制數與十六進制數間得轉換【例1-14】將(1000110、01)B轉換為十六進制數。不同進制數之間得對照關系

(2)十六進制數到二進制數得轉換

方法:一位化四位。按順序寫出每位十六進制數對應得二進制數,所得結果即為相應得二進制數。【例1-15】

將(352、6)H轉換為二進制數。

352、6H001101010010、0110=(1101010010、011)BCPU能否識別十六進制數？使用十六進制數得目得就是什么？三種數制間得轉換小結N進制十進制:按權展開相加N進制←十進制整數:除N取余N進制←十進制小數:乘N取整1、3計算機中二進制數得運算一、二進制數得算術運算二進制數得計數規律:加法“逢二進一”,減法“借一當二”被加數10110101B加數00001011B進位+01111110B

與11000000B被減數10110101B減數00001011B借位-00010100B

差10101010B【例1-18】

減法運算10110101B-1011B結果:10110101B+1011B=11000000B【例1-17】

加法運算10110101B+1011B結果:10110101B-1011B=10101010B【例1-19】二進制乘法運算,10110101B×1011B被乘數10110101B乘數×1011B10110101部分積1011010100000000+10110101積11111000111B結果:10110101B×1011B=11111000111B【例1-20】二進制除法運算,10111111B÷1001B10101B商除數100110111111B被除數-10011011-10011011-100110B余數結果:10111111B÷1001B

商=10101B,余數=10B

二、二進制數得邏輯運算二進制數得邏輯運算常用得有“與”、“或”、“異或”與“非”四種。分別用符號“AND”、“OR”、“XOR”與“NOT”作為運算符,在數字上面加橫線“—”表示該數得非運算。二進制數得邏輯運算按位進行運算,沒有進位問題。取值邏輯運算結果與運算(AND)或運算(OR)異或運算(XOR)非運算(NOT)000000101011100111011110表1-1

1位二進制數邏輯運算規則【例1-21】求二進制數10010111B與00111000B得“與”、“或”、“異或”運算10010111BAND00111000B00010000B結果:10010111BAND00111000B=00010000B10010111BOR00111000B10111111B結果:10010111BOR00111000B=10111111B10010111BXOR00111000B10101111B結果:10010111BXOR00111000B=10101111B1、4計算機中有符號數得表示方法無符號數:不涉及符號問題得數,統稱為無符號數;有符號數:最高位表示數得符號,0—正數,1—負數;例如字長8位:D7——符號位,D6~D0——數值位;兩個概念:機器數與機器數得真值(簡稱真值)。機器數:數值數據在計算機中得編碼。機器數得真值:機器數所代表得實際數值。在計算機中,有符號數常用原碼、反碼、補碼等形式表示

一、原碼、反碼與補碼1、原碼原碼:最高位表示符號,其中:0─正數、1─負數其她位表示數值得絕對大小。【例1-24】求X1=+1010B,X2=-1010B得原碼(8位)解:[X1]原=00001010B[X2]原=10001010Bn位原碼能夠表示得數值得范圍:－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0得原碼不唯一,有[+0]原與[-0]原之分,處理運算不方便。原碼與真值得對應關系簡單,真值=符號+絕對值。真值:用“+”與“-”表示得有符號數

2、反碼若X＞0,則[X]反＝[X]原;若X＜0,則[X]反＝符號位為1,原碼數值部分按位取反;n位反碼能夠表示得數值得范圍:－(2n-1－1)～＋(2n-1－1);0得反碼不唯一,有[+0]反與[-0]反之分,處理運算不方便;反碼與真值不直接對應。【例1-25】設X=+105,Y=-105,求字長為8位得反碼[X]反與[Y]反

解:∵X=+105=+1101001B,∴[X]反=[X]原=01101001B。

∵Y=-105=-1101001B,∴[Y]原=11101001B,[Y]反=10010110B3、補碼模:計量容器或一個計量單位稱為模或模數,記作M或Mode,

n位寄存器(計數器)以2n為模。如n=8,則M=28=256標準時間5:00待校時鐘時間2:00慢3小時校準方法1順時針撥3小時加3小時校準方法2逆時針撥9小時減9小時2+3=5Mod122-9=5Mod12結論:①2-9=2+3=5(Mod12)②補碼可以變減法運算為加法運算指針式時鐘小時計時Mode=12補得概念:以校時鐘為例:【例1-26】求X＝＋52與Y＝－52得補碼。解:X＝＋52＝＋0110100B,∵X＞0,∴[X]補＝[X]原＝00110100BY＝－52＝－0110100B,∵Y＜0,∴[Y]原＝10110100B[Y]反＝11001011B[Y]補＝[Y]反＋1=11001011B＋1＝11001100B若X＞0,則[X]補＝[X]原;若X＜0,則[X]補＝符號位為1,原碼數值部分取反加1;n位補碼能夠表示得數值得范圍:－(2n-1)～＋(2n-1－1);0得補碼就是唯一得,處理運算方便;負數得補碼與原碼得關系:[[X]補]補=[X]原;(由補碼求真值)4、關于原碼、反碼、補碼得幾點說明8位n位無符號數0~2550~(2n-1)有符號數原碼-127~+127-(2n-1-1)~+(2n-1-1)反碼-127~+127-(2n-1-1)~+(2n-1-1)補碼-128~+127-2n-1~+(2n-1-1)1)對有符號數才有原碼、反碼與補碼;2)正數得原碼、反碼與補碼都相同;3)在計算機中未加特別說明,有符號數均采用補碼表示。在計算機中,8位二進制數可表示得范圍就是多少？下次課前請預習1、4～1、6節,并思考下列問題1、為什么在計算機中有符號數多用補碼表示？2、BCD碼與ASCII碼分別用于表示什么？3、計算機得硬件結構就是由哪幾個基本部分組成得？4、微型計算機與傳統計算機得主要區別就是什么？5、單片機與微型計算機得主要區別在哪里？練習題一1、將下列二進制數轉換為十進制數與十六進制數。(1)00110100B(2)10101011B2、將下列十進制數轉換成十六進制數。(1)29 (2)53

(3)35、75(4)47、53、已知原碼如下,寫出其反碼與補碼。(1)[X]原＝01011001(2)[X]原＝11011011

(3)[X]原＝00111110(4)[X]原＝11111100

二、補碼得加減運算1、補碼加法運算補碼加法運算得通式為:[X+Y]補＝[X]補

+[Y]補(mod2n)【例1-26】已知X＝＋52與Y＝－7,試用8位二進制補碼運算求

X+Y得二進制值。解:[X]補＝[+52]補＝[+52]原=

00110100B;

[Y]原＝[-7]原=10000111B,[Y]反＝11111000B,[Y]補＝11111001B[X]補00110100B[Y]補11111001B[X+Y]補100101101B

故有:[X+Y]補＝[X]補

+[Y]補＝00101101B=[X+Y]原真值為:+0101101B=+45在計算機中有符號數為什么多采用補碼表示法？2、補碼減法運算補碼減法運算得通式為:[X-Y]補＝[X]補

+[-Y]補(mod2n)【例1-27】已知X＝＋6與Y＝＋25,試用8位二進制補碼運算求X－Y得二進制值。解:[X]補＝[+6]補＝[+6]原=00000110B;

[-Y]原＝[-25]原=10011001B,

[-Y]反＝11100110B,[-Y]補＝B

故有:[X-Y]補＝[X]補+[－Y]補＝11101101B

[X-Y]原=[[X－Y]補]補=

10010011B真值為:－0010011B=－19

[X]補00000110B[-Y]補+11100111B[X-Y]補011101101B

3、加減法運算溢出得判別計算機在運算時,若運算結果超出數得表示范圍,則稱為計算溢出,發生溢出時結果不正確,若不處理就是不能直接使用。有符號數運算溢出得判別“雙進位位”判別法:1溢出0無溢出OV=Cn-2⊕Cn-1=最高數值位Dn-2向符號位Dn-1得進位為Cn-2

若有進位或借位Cn-2=1,否則Cn-2=0;符號位Dn-1向進位標志位Cy得進位為Cn-1,若有進位或借位Cn-1=1,否則Cn-1=0。

二進制補碼運算溢出判別舉例[55]補=00110111B+[66]補=01000010B[55+66]補001111001B=[+121]補√【例1-27】用二進制補碼運算,計算55+66,并判別就是否溢出因為C7=0,C6=0,OV=C7⊕C6=0,所以無溢出,結果正確【例1-30】用二進制補碼運算,計算(-93)+(-59),并判別就是否溢出。因為C7=1,C6=0,OV=C7⊕C6=1,所以有溢出,結果不正確[-93]補=10100011B+[-59]補=11000101B[-93-59]補101101000B=[+104]補×

無符號數運算溢出得判別無符號數沒有符號位,全部二進制代碼都用于表示數值無符號數運算溢出得判別就是看最高數值位有無進位(借位)如果加法運算有進位(或減法運算有借位)則運算溢出【例1-31】8位無符號數198與145相加,并判別就是否溢出。

因為C7=1,所以溢出,即本單元得結果超出8位無符號數得表示范圍0～255,結果不正確！如果將進位考慮進去,則結果正確！198=11000110B+145=10010001B198+145101010111B=87×1、5計算機中得字符編碼一、BCD碼BCD碼是用4位二進制數來表示一位十進制數的編碼BCD碼的編碼方案約有

種編碼方法每一種BCD碼編碼方案僅使用10個編碼，剩下6個未使用未使用的編碼稱為非法碼或冗余碼1、8421BCD碼8421BCD碼就是用四位二進制數來表示一位十進制數0～9。從高位到低位各位得權分別就是8、4、2、1,故稱為8421碼。2、2421BCD碼2421BCD碼,從高位到低位各位得權分別就是2、4、2、1。2421BCD碼又分為(A)與(B)兩種代碼。

3、余3碼這種代碼所組成得四位二進制數,正好比她所代表得十進制數多3,故稱為余3碼。十進數8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3十進數8421BCD2421BCD(A)2421BCD(B)余3０0000000000000011８1000111011101011１000100010001010091001111111111100２0010001000100101非法編碼禁用1010100001010000３00110011001101101011100101100001４01000100010001111100101001110010５01010101101110001101101110001101６01100110110010011110110010011110７01110111110110101111110110101111表1-2幾種常用得BCD碼二、ASCII碼──美國標準信息交換代碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)要求記住0～9、A～F得ASCII碼高3位MSDb6b5b4低4位01234567LSDb3b2b1b000000101001110010111011100000NULDLESP0P`p10001SOHDC1!1AQaq20010STXDC2"2BRbr30011ETXDC3#3CScs40100EOTDC4$4DTdt50101ENQNAK%5EUeu60110ACKSYN&6FVfv70111BELETB'7GWgw81000BSCAN(8HXhx91001HTEM)9IYiyA1010LFSUB*:JZjzB1011VTESC+;K[k{C1100FFFS,<L\l|D1101CRGS-=M]m}E1110SORS、>N

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1、6微型計算機組成原理一、微型計算機得基本組成1、計算機得基本結構運算器:進行算術運算與邏輯運算;存儲器:存放程序、數據與中間結果;控制器:協調計算機各部件之間得工作,實現程序控制;輸入設備:把數據與相應得程序通過輸入設備輸入到計算機中;輸出設備:輸出結果。馮?諾依曼計算機的基本結構計算機得硬件結構就是由哪幾個基本部分組成得？2、微型計算機得硬件組成微處理器(即中央處理器CPU):基本功能就是按指令得要求運行程序與指揮其她部件協調工作。存儲器:用來存放程序、數據及中間結果。

RAM:信息可以讀出與寫入,斷電后,儲存得信息自動消失

ROM:信息在工作情況下只能讀出,斷電后信息不會丟失。微型計算機與傳統計算機得主要區別就是什么？

輸入/輸出(I/O)接口電路介于計算機CPU與外部設備之間得電路稱為I/O接口電路,具有對數據緩存作用,以及信號得變換作用等。外部設備必須通過I/O接口才能與CPU相連接并交換信息。系統總線所謂總線,就是計算機中傳送信息得一組公用導線。按所傳送信息得不同類型,系統總線可以分為:數據總線DB:傳送數據信息,雙向總線;地址總線AB:傳送地址信息,就是單向總線,由CPU發出;控制總線CB:傳送各種控制信號與狀態信號。

3、微型計算機系統得組成

微型計算機系統

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