微型计算机的组成及基本工作原理资料
第一章微型计算机基础
（2）反码表示法
数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数 同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法 就叫反码表示法。
1．对于正数： 符号位用0表示，数字位同真值 2．对于负数： 符号位用1表示，数字位为真值 按位取反。
例 x＝+91＝+10l1011B [x]反=01011011B 例 y＝-91＝-1011011B [y]反=10100100B “0”的表示：[+0]反=00000000B [-0]反 =11111111B 对于8位机，反码可表示的数的范围：-127～ +127。
0⊕1＝1 读作0“异或”1等于1
1⊕0＝1 读作1“异或”0等于1
1⊕1＝0 读作1“异或”1等于0
例：
10101111
⊕11000010
01101101
1.2.2计算机中带符号数的表示方法
几个概念: 无符号数 机器数
带符号数 真值
机器数的三种表示方法: 原码表示法 反码表示法 补码表示法
（1）原码表示法
将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大 规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微 处理器(CPU),微型计算机是以微处理器为核心，再 配上存储器、接口电路等芯片构成的。
微处理器按照其功能可以分为两大部分：总线接口单元 （BIU）和执行单元（EU）。 按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变: ➢ 第一代（1971年～1973年）：4位和8位低档微处理器 ➢ 第二代（1974年～1978年）：8位中高档微处理器 ➢ 第三代（1978年～1980年）：16位微处理器 ➢ 第四代（1981年～1992年）：32位微处理器 ➢ 第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理
微型计算机原理及应用技术
0000
0
9
0001
1
10
0010
2
11
0011
3
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0100
4
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0101
5
14
0110
6
15
0111
7
16
1000
8
17
二进制
1001 1010 1011
1100 1101 1110 1111 10000 10001
16进制
9 A B
C D E F 10 11
4. 各种数制之间的转换 【例1-1】 十进制数22.625转换为二进制数
②小数部分转换，每次把乘积的整数取走作为转换结果的一位，对 剩下的小数继续进行乘法运算。对某些数可以乘到积的小数为0（如 上述两例），这种转换结果是精确的；对某些数（如0.3）永远不能 乘到积的小数为0，这时要根据精度要求，取适当的结果位数即可， 这种转换结果是不精确的。
例如 ：十六进制数
1
A
E
4
虽然BCD码是用二进制编码方式表示的，但它与二进制之间不 能直接转换，要用十进制作为中间桥梁，即先将BCD码转换为 十进制数，然后再转换为二进制数；反之亦然。
十进制 0 1 2 3 4 5
表1-2 BCD编码表
8421BCD码
十进制
0000
6
0001
7
0010
8
0011Leabharlann 9010010
0101
11
8421BCD码 0110 0111 1000 1001
1.3.1 计算机的硬件系统 1.3.2 计算机的软件系统 1.3.3 计算机的主要技术指标
1.1 引言 1.1.1 计算机发展概况
计算机的基本组成与工作原理
运算器主要完成算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工与处理。
①算术逻辑运算单元〔ALU〕：主要用于完成加、减、乘、除等算术运算和与、或者、非等逻辑运算，以及移位、求补等操作。
②标志存放器：用于存放算术、逻辑运算过程中产生的状态信息。
③累加器〔ACC〕：用于暂存运算结果以及向 ALU 提供运算对象。
发出指令脉冲，控制机器各个部件协调一致地工作。
从内存取指令和执行指令。
从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令存放器，启动指令译码器对指令发展分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。
①程序计数器〔PC〕②指令存放器〔IR〕③指令译码器：对现行指令发展分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。
④时序部件：用于产生时序脉冲和节拍电位以控制计算机各局部有序地工作。
⑤状态/条件存放器：用于保存指令执行完成后产生的条形码。
比方：计算是否溢出、结果为正还是为负等。
此外，该存放器还保存中断和系统工作状态等信息。
⑥微操作信号发生器：根据指令提供的操作信号、时序产生器提供的时序信号，以及各功能部件反响的状态信号等综合特定的操作序列，从而完成对指令的执行控制。
存放器是CPU 内部的暂时存储单元，既可以用来存放数据和地址，也可以用来存放控制信息或者CPU 工作时的状态。
增加存放器的数量，就可以使CPU 把执行程序时所需的数据尽可能地放在存放器中，从而减少访问内存的次数，进步其运行速度。
但是存放器的本钱很高，因此必须在性能和本钱之间取个平衡点。
①累加器：是一个数据存放器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，是CPU 中使用最频繁的存放器，但累加器不能用于长期地保存一个数据。
②指令存放器：用于存放正在执行的指令。
③标志存放器：用于记录运算中产生的标志信息，普通存放指令执行结果的状态信息。
典型的标志如下：*进位标志位〔C〕：当运算结果最高位产生进位时置“1”。
微型计算机基础
2.1
微型计算机基础
微型计算机基本结构
微型计算机又称为PC机，由硬件系统和软件系统两大部分组 成。
2.1.1微型计算机的概念结构 如图所示，是微型计算机的典型 组成结构示意图，从图中我们 可以看出，微型计算机由微处理 器CPU①、一定容量的内部存储 器（包括②ROM、RAM）、 ③输入/输出接口电路组成。 各功能部件之间通过④总线有机地 连接在一起，其中微处理器是整个微型计算机的核心部件。
②数据总线(Data Bus) 数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双向、三 态）。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到 其它部件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数 和处理器的位数相对应。 ③控制总线(Control Bus) 控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较 复杂，由它来实现CPU对外部功能部件（包括存储器和I/O 接口）的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微 处理器采用不同的控制信号。 控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的 为非三态，取决于具体的信号线，但作为整体是双向的，以 双向线表示。
4 ）总线 微型计算机大多采用总线结构，因为在微型计算机系统中， 无论是各部件之间的信息传送，还是处理器内部信息的传 送，都是通过总线进行的，系统中各功能部件之间的相互 关系变为各个部件面向总线的单一关系。 问题：什么是总线 所谓总线，是连接多个功能部件或多个装置的一组公 共信号线，用作微机各部分传递信息所共同使用的“高速 信息公路”。 按在系统中的不同位置，总线可以分为内部总线和外 部总线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间 的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存 储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。
1-2计算机的工作原理和组成
1-2计算机的工作原理和组成A理论部分前面，已经涉及了微型计算机系统的组成框图的内容，为了更好的理解计算机的组成，我们先来简要的明确计算机的工作原理：一、计算机工作原理计算机之所以能脱离人的干预，自动进行数据处理、解决问题，是因为人预先将指令输入到计算机存储器（外存），存储器让指令都带有相应的地址；计算机工作后，中央处理器（CPU）中的控制器根据地址通过数据总线将指令送入内存储器，并不断的从内存储器中取指令、在运算器中分析指令（消化理解指令）、把产生的临时信息放在寄存器…此时包括：取指令、分析指令、执行指令，循环往复，直至程序运行结束。
在计算机处理信息中，主要有三种信号在总线上流动：数据流（依赖数据总线，英文是Data Bus）、地址信号（依赖地址总线，英文是Address Bus）、控制信号（依赖控制总线，英文是Control Bus）。
由于CPU的速度越来越快，访问内存速率也越来越快，按目前的技术无法达到理想的数据传输状况。
如用高速、静态RAM，成本太高。
为此在CPU和主存间加上了高速缓冲存储器（Cache），Cache提高了“命中率”和保证Cache的内容与对应的内存的内容一致。
总线（Bus）是信息传送的公共通道。
许多部件间数据传送不是通过分别的不同的线路来传送的，而是输出数据的部件把数据送入总线上（准确的讲是数据总线）,接收数据的部件从Data Bus上取数据。
节省了数据传送的线路，但每一个瞬间，只能有唯一的数据（Data）在Bus上传输，使数据传送速度减慢。
计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存贮器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。
接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。
依此进行下去，直至遇到停止指令。
程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。
第2章微型计算机系统的组成及工作原理
2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成 信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、 状态、I/O命令 信息链：信息流在系统中流动的路径； 包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各 部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口 内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映 射到另一条总线上 北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥 南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路 保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应 不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念
【微机原理】微型计算机的基本工作原理
2. 存储器的分类
存储器分为内部存储器和外部存储器两大类，分 别简称为内存和外存，外存也叫辅存，内存也叫主存。 程序和数据以文件的形式保存在外存中，要执行的程序 和要使用的数据必须事先调入内存。为了加快CPU访问 内存的速度，从而提高程序的运行速度，在内存和CPU 之间或者CPU内部增加了存取速度较高的高速缓冲存储 器，即cache。为了扩充内存容量，还将外存作为内存 的辅助，给用户提供比内存大得多的逻辑存储容量，这 就是所谓的“虚拟存储器”。
微型计算机的基本工作原理
1 微型计算机的常用术语 2 微型计算机的基本结构 3 微型计算机的工作原理
1 微型计算机常用的术语
位(bit)——计算机所能表示的最基本、最小的数 据单元。1个二进制位有两种状态“0”和“1”
字(word) ——计算机内部进行数据处理的基本单 位，与寄存器、ALU宽度一致每一个字所包含的 二进制位数称为字长
2.4 总线插座和接口
外部设备通过总线插座和接口与计算机连接。设置接 口的主要原因
外设的工作速度远低于CPU的速度 外设表示信息的格式与计算机不同 接口向计算机报告设备的状态,传达计算机命令等
2.5 I/O设备
输入设备：键盘、模数转换器、扫描仪等 输出设备：显示器、打印机、绘图机等 输入/输出设备：磁盘和光盘等
字节(byte) ——8个Bit组成一个字节,存放相邻的 8位二制数.字节的长度固定
指令(instruction) 程序(program) 指令系统(instruction set)
2 微型计算机的基本结构 微型计算机的基本组成如图所示：
2.1 CPU
CPU是微机的核心部件,具有运算和控制功能 组成： 算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit) 寄存器(register)组 控制器(control unit)
微型计算机原理及接口技术
微型计算机原理及接口技术
微型计算机原理及接口技术是指在微型计算机和外部设备之间进行数据交换和通信的技术。
微型计算机原理是指微型计算机的基本工作原理，包括微处理器、存储器、输入输出设备等组成部分的工作原理。
接口技术是指微型计算机与外部设备之间进行数据交换和通信所需要的硬件和软件技术。
在微型计算机中，微处理器是控制微型计算机工作的核心部件。
它负责执行指令、进行数据处理和控制操作。
微处理器通过总线与其他部件进行连接，包括存储器、输入输出设备等。
其中，存储器用于存储程序和数据，输入输出设备用于与外界进行数据交换。
为了实现微型计算机与外部设备之间的数据交换和通信，需要使用接口技术。
接口技术可以分为硬件接口和软件接口两种。
硬件接口是指通过物理接口的方式连接微型计算机和外部设备，例如串口、并口、USB等。
软件接口是指通过编程的方式实
现微型计算机与外部设备之间的数据交换和通信。
接口技术的选择取决于具体的应用场景和外部设备的要求。
不同的外部设备可能需要不同类型的接口进行连接。
例如，打印机通常通过并口或USB接口连接到微型计算机，而鼠标则通
常通过PS/2或USB接口连接。
此外，还可以通过网络接口实
现微型计算机之间的数据通信。
总的来说，微型计算机原理及接口技术是实现微型计算机与外
部设备之间数据交换和通信的关键技术。
了解和掌握这些技术对于有效地使用微型计算机和外部设备具有重要意义。
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RAM 正常工作时既可读又可写的存储器
DRAM 动态RAM，集成度高，外加刷新电路 SRAM 静态RAM，成本高、速度快 iRAM 全集成化RAM，DRAM+刷新电路 NVRAM SRAM+EEPROM，不挥发即不易失
易 失
ROM和RAM的主要区别： 1、断电后ROM内的信息不丢失 RAM 中的信息立即丢失 2、读/写方式不同
2、微处理器MPU
结构图
内部总线
累加器A
寄存器组PS 指令译码器ID 程序计数器PC 控制逻辑 控制信号 PSW 地址 寄存 器 算术逻辑单元ALU TMP
数据 寄存 器
外部数 据总线
指令寄存器IR
外部地 址总线
运算器
控制器
MPU的组成部分
1）运算器（主要由五部分组成）
2）控制器（主要由三部分组成）
用来传送MPU发出的地址码，是单向总线。 其条数由MPU型号决定, 同时决定可直接寻址的内存地址范围.
(2)微型计算机
多板微型计算机 单板微型计算机
MPU 为核心 半导体存储器（ROM/RAM) 单片微型计算机 I/O(Input/Output)接口和中断系统 系统总线（CB DB AB)
组装在一 块或数块 印刷电路 板上
(3)微型计算机系统
微处理器 (MPU) 内存储器
运算器 控制器 ROM RAM 串行接口 并行接口 中断接口 DMA接口 …… 数据总线 地址总线 控制总线
3、I/O接口和外设
微处理器
I/O接口
I/O外设
I/O接口是大规模集成电路芯片，是架设在微处理器和外设间的桥梁，
实现两者之间的速度、电平和信号性质的匹配。
4．地址总线、数据总线和控制总线
总线是在微型计算机各部分之间传送信息的公共通道，也是沟通微型 计算机各种器件的桥梁。
（1）地址总线AB（Adress Bus）
3）内部总线
1）运算器（主要由五部分组成）以8位微机为例
在控制器的控制下，对二进制数进行算术运算或逻辑运算。 1 算术逻辑运算单元 ALU （8位) 运算器的核心，以全加器为基础，辅以移位和控制逻辑组合而成 在控制器的控制下，可进行加减乘除算术运算和各种逻辑运算 2 累加器 A 由8位触发器组成的移设备
I/O接口
微型 计算机 系统
系统软件 软件 应用软件
系统总线 输入设备 输出设备 …… 监控程序和操作系统 语言处理程序 数据库和数据库管理系统 诊断程序 ……
微型计算机的两大分支
核心 器件
微处理器 MPU MicroProcessor Unit 微控制器 MCU MicroController Unit
运算前存放一个操作数，
运算后存放运算结果，可进行累加 3 暂存器 TMP 8位寄存器，暂存另一个操作数
4 状态寄存器 PSW 8位触发器组成，
存放ALU操作中形成的状态 例 CY OV AC 标志位 5 通用寄存器组 PS 用于存放操作数或运算结果
2）控制器（主要由三部分组成）
发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，控制计算机的各部 分协调工作，用以自动执行程序。 1 指令部件 用来读取指令、分析指令和为完成指令产生控制信号 的逻辑部件，也是控制器的核心。指令部件由以下三部分组成： 程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器ID（Instruction Decoder） 2 时序部件 由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制 部件所需的定时脉冲信号。 3 微操作控制部件 为指令译码器ID的输出信号配上节拍电位和节 拍脉冲，也可和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控 制序列，以完成规定的操作。
ROM采用特殊方式写入信息，
正常工作是只读方式
RAM正常工作既能读又能写
结构
A0 A1 A2 A3 RD WR
图l-2 16×8bitRAM的内部结构框图
地 址 寄 存 器
地 0000B 址 存储阵列 译 16×8 码 1111B 1111B 器 …
输 出 数 据 寄 存 器
D0
…
ROM和RAM芯片均有分四组引脚线： （ROM另有特殊的引脚线） 1、地址线 传送存储器的地址码，其根数决定存储单元个数即字数 2、数据线 传送对某一单元进行读/写的数据，双向
1.2 微型计算机的组成及其工作原理 1.2.1 微型计算机的组成
1.存储器
2.微处理器MPU 3. I/O接口和外设 4.地址、数据、控制总线 1.2.2 微型计算机的基本原理
1.2.1 微型计算机的组成
微 型 计 算 机 AB
DB MPU
CB
ROM
RAM
I/O接口
外设
微机组成结构的两大类型
第一章 微型计算机基础
第一部分
微型计算机基础
1. “三微” 概念 2. 微机的组成及基本工作原理 3. 嵌入式计算机系统 4. 单片机的发展及应用
1.1 “三微”的概念
(1)微处理器 (MPU)
就是将CPU－运算器和控制器集成在一片半导体芯片上， 是微型计算机的核心部件，主要包含算术逻辑单元、控 制部件和寄存器组三个部分。
冯.诺依曼型
DB CB AB
哈佛型
C P U
I/O 接口
系统总线
I/O接口
系统总线
CPU
存储器
程序 存储器
数据 存储器
例：PC机
例：MCS-51单片机
1、存储器（类型、结构、重要指标） 类型： ROM 正常工作时只能读不能写的存储器
PROM 可编程ROM,厂家一次写入 不 易 EPROM 用户可编程可擦写ROM，紫外线擦除器 失 EEPROM 电可擦写可编程ROM，在线，读快/写慢 Flash EPROM 闪速可编程可擦写ROM
决定一个单元内存储二进制数的位数，即字长
3、控制线 传送读/写控制信号，以控制读/写操作 4、电源线 +5V 和GND线
…
D7
存储器的两个重要指标
存贮容量 存储容量＝2地址线条数×数据线的条数bit ＝ 字数（存储单元个数）×字长 例： 芯片2732 4KB 即 4 K× 8bit=32Kb 地址线 12根，数据线 8根 芯片 2114 1K ×4bit 地址线 10根，数据线 4根 问？ 2764 8KB 地址线 ？根，数据线 ？根 存取周期 存储器从接到存储单元地址开始， 到读出或写入数据为止所用的时间。