微型计算机系统概论

1. 微型计算机系统概论 • 计算机的发展和应用 • 基于计算机的信息表示 • 计算机系统的组成与工作原理 • 微型计算机的硬件系统

2. 计算机的发展和应用 • 计算机的产生 • 计算机的发展 • 计算机的特点 • 计算机的应用

3. 计算机的产生 世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数值积分机和计算机），于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学。它每秒可进行5000次加减运算。至今人们公认，ENIAC的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。

4. 计算机的发展 • 第一代：电子管计算机（1946 ～ 1958） • 其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。第一代电子计算机体积庞大，造价高，主要用于军事和科学研究。

5. 计算机的发展 • 第二代：晶体管计算机（1958 ～ 1964） • 其基本特征是晶体管电路电子计算机，内存所使用的器件大多使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。晶体管计算机体积小，成本低，可靠性大大提高。除了科学计算，还用于数据处理和事务处理。

6. 计算机的发展 • 第三代：集成电路计算机（1965 ～ 1970） • 其基本特征是逻辑元件采用小规模集成电路SSI（small scale integration）和中规模集成电路MSI（middle scale integration）。运算速度每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件也逐步完善。计算机开始广泛应用在各个领域。

7. 计算机的发展 • 第四代：大规模集成电路计算机（1971年至今）。 • 其基本特征是逻辑元件采用大规模集成电路LSI（large scale integration）和超大规模集成电路VLSI（very large scale integration）技术。计算机的速度最高可达每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。

8. 计算机的特点 1.运算速度快 2.计算精度高 3.存储能力强 4.具有逻辑判断能力 5.具有自动运行能力

9. 计算机的应用 1.科学计算 2.数据处理 3.人工智能 4.电子商务 5.过程控制 6.计算机辅助系统 7. 多媒体技术 8.虚拟现实

10. 基于计算机的信息表示 • 数制与数制间的转换 • 数值信息的二进制表示 • 非数值信息的二进制表示

11. 数制与数制间的转换 • 进位计数制 • 在采用进位计数制的数字系统中，如果只用r个基本符号表示数值，则称其为基r数制，r称为该数制的基数，而数值中每一固定位置对应的单位值称为权。表1.2.1 常用的各种进位计数制的表示

12. 数制与数制间的转换 将二进制数按位权展开后相加 (1) 二-十转换： • 不同进位计数制的转换 余数 (2) 十-二转换： 26 2 0 13 2 除基数 得余数 作系数 从低位 到高位 整数的转换--连除法 1 6 2 3 2 0 1 1 2 0 1

13. 数制与数制间的转换 0. 8125 取整 小数的转换--连乘法 2 1. 6250 1 0. 6250 2 乘基数 取整数 作系数 从高位 到低位 若小数在连乘多次后不为 0，一般按照精确度要求(如小数点后保留 n位)得到 n 个对应位的系数即可。 1. 2500 1 0. 2500 2 0. 5000 0 2 1. 0000 1 快速转换法：拆分法 16 8421 ( 26 )10 = 16 + 8 + 2 = 24 +23 + 21 = ( 1 1 0 1 0 )2

14. 1 . 数制与数制间的转换 (3) 二-八转换: 每 3 位二进制数相当一位 8 进制数 0 2 5 7 0 0 2 3 4 0 6 (4) 八-二转换: 每位 8 进制数转换为相应 3位二进制数 011 001 100 111 . 011 111 101 . 110 100

15. 数制与数制间的转换 （5）二-十六转换： 每 4位二进制数相当一位 16 进制数 1 A （6）十六-二转换： 每位 16 进制数换为相应的 4 位二进制数

16. 数值信息的二进制表示 • 1.符号数计机器数表示 • 数在计算机中的表示统称为机器数。机器数有三个特点： • （1）数的符号数值化 在计算机中，因为只有0和1两种形式，为了表示数的正（+）、负（-）号，也必须以0和1表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负。称为数符；其余位仍表示数值。 • 通常，把在机器内存放的正、负符号数值化的数称为机器数，机器数对应的数值称为机器数的真值数。

17. 数值信息的二进制表示 • （2）计算机中通常只表示整数和纯小数。 因此，小数点约定在一个固定的位置上，不再占用1个数位。 • （3）机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。 例如，若表示一个整数，字长为8位，最大值01111111，最高位是符号位，因此此数的最大值为127。若数值超出127，就要溢出。为了表示较大或较小的数，用浮点数来表示。 • 2.定点数与浮点数 • 定点数约定小数点隐含在某一固定的位置上，称为定点数表示法；浮点数是指小数点位置可以任意浮动，称为浮点数表示法。

18. 数值信息的二进制表示 • 定点数表示法 • 定点数表示法有两种约定，定点整数和定点小数。 • 定点整数约定小数点位置在机器数的最右边，如图1-2所示，定点整数是纯整数。 • 定点整数分为带符号数和不带符号数两类。对带符号数的整数，符号位被放在最高位。整数表示的数是精确的，但数的范围是有限的。根据存放的数的字长，它们可以用8、16、32位等表示，当以补码形式表示时，各自表示的数的范围见表1.2.3。

19. 数值信息的二进制表示 • （2）浮点数表示法 • 定点数表示的数值范围在许多应用中是不够的，尤其在科学计算中，为了能表示特大或特小的数，采用“浮点数”或“科学表示法”表示。“浮点数”由两部分组成，即尾数和阶码，底数是事先约定的，在机器数中不出现。 • 在浮点表示方法中，小数点的位置是浮动的，阶码可以取不同的数值。 • 为了便于计算机中小数点的表示，规定将浮点数写成规格化的形式，即尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。

20. 数值信息的二进制表示 • 3.带符号数的表示 • 从上述的机器数可知，数在存放时由数符位用0表示正数，1表示负数。若将符号位同时和数值参加运算，则会产生错误的结果；否则要考虑计算机结果的符号问题，将增加计算机实现的难度。 • 若考虑符号位的处理，则运算变得复杂。为了解决此类问题，在机器数中，负数有三种表示法：原码、反码和补码。 • （1）原码 • 整数X的原码指：其数符位0表示正，1表示负；其数值部分就是X绝对值的二进制表示。通常用[X]原 表示X的原码。

21. 数值信息的二进制表示 • 由此可知，8位原码表示的最大值为127，最小值为-127，表示数的范围为-127 ~ 127。 • 原码表示法简单易懂，与其真值得转换方便，但当两个数做加法运算时，如果两数码符号相同，则数值相加，符号不变，如果两数码符号不同，数值部分实际上是相减，这是必须比较哪个数的绝对值大，才能决定运算结果的符号位及值。 • （2）反码 • 整数X的反码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反。通常用[X]反 表示X的反码。

22. 数值信息的二进制表示 • 由此可知，8位反码表示的最大值、最小值和表示数的范围与原码相同。 • （3）补码 • 整数X的补码指：对于正数与原码相同，对于负数，数符位为1，其数值位X的绝对值取反最右加1，即反码加1。通常用[X]补 表示X的补码。 • 因而可以多出来的一个编码10000000来扩展补码所能表示数的范围，即将负数最小-127扩大到-128。这里的最高位既可以看成是符号位负数，又可以表示为数值位，其值为-128。这就是补码与原码、反码最小值不同的原因。 • 补码运算方便，二进制的减法运算可用补码实现，使用较为广泛。

23. 非数值信息的二进制表示 • 1.字符编码 • 字符是计算机中使用最多的信息形式之一，它是人与计算机进行通信、交互的重要媒介。它包括了西文字符和中文字符，由于计算机是以二进制的形式存储和处理的。因此字符也必须按特定的规则进行二进制编码才能进入计算机。 • （1）西文字符 • 对西文字符编码最常用的是ASCII（American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码）。ASCII是用7位二进制编码，它可以表示27即128个字符，见表1.2.4。每个字符用7位基2 码表示，其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0，d6为最高位，d0为最低位。

24. 非数值信息的二进制表示 • 在ASCII码表中看出，十进制码值0 ~ 32 和127（即NUL ~US和DEL）共34 个字符称为非图形字符（控制符）；其余94个字符称为图形字符。 • 计算机的内部存储与操作以字节为单位，即8个二进制位为单位。因此一个字符在机算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高为d7为0。在需要奇偶校验时，这一位可用于存放奇偶校验位的值，此时称该位为校验位。 • 西文字符除了常用的ASCII编码外，还有一种EBCDIC码（Extended Binary Coded Decimal Interchange Code，扩展的二—十进制交换码），这种字符编码主要用在大型机器中。 • EBCDIC码采用8位基2 码表示，有256个编码状态，但往往只选用其中一部分。

25. 非数值信息的二进制表示 • 2.中文字符 • 用计算机处理汉字时，必须先将汉字代码化，汉字是象形文字，种类繁多，编码比较困难，而且在一个汉字处理系统中，输入、内部处理、输出对汉字编码的要求不尽相同，因此进行一系列的汉字编码及转换，汉字信息处理中各编码及流程如图1-4所示。其中虚框中的编码对国标码而言。 • （1）汉字输入码 • 在机算机系统中使用汉字，首先遇到的问题是如何把汉字输入到计算机内。为了能直接使用西文标准键盘进行输入，必须为汉字设计相应的编码方法。汉字编码方法主要分为三类：数字编码、拼音码和字形编码。

26. 非数值信息的二进制表示 • （2）内部码 • 　内部码是字符在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输字符用的代码。一个国标码占两个字节，每个字节最高位仍为０；英文字符的机内码是７位ASCII码，最高位也为０，为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，将国标码的每个字节的最高位有０变为１，变换后的国标码成为汉字机内码，由此可知汉字机内码的每个字节都大于128，而每个西文字符的ASCII码值均小于128。以汉字“大”为例，国标码为3473Ｈ，机内码为B4F3H。

27. 非数值信息的二进制表示 • （3）字形码 • 汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点陈表示字形时，汉字字形码指的是就是这个汉字字形点阵的代码。根据输出的汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为16 x 16点阵，提高型汉字为24 x 24点阵、32 x 32点阵、48 x 48点阵等。 • 点阵规模愈大，字形愈清晰美观，所占用的存储的空间也愈大。以16 x 16点阵为例，每个汉字要占用32B存储空间，两级汉字大约占用256KB。因此，字模点阵用来构成“字库”，字库中存储了每个汉字的点阵代码，当显示输出时检索字库，输出字模点阵得到字形。

28. 计算机系统的工作原理与组成 • 计算机的基本工作原理 • 计算机系统的组成 • 微型计算机系统的分类

29. 计算机的基本工作原理 • 1.计算机的指令系统。 • 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令的数量和类型由CPU决定。 • 一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。

30. 计算机的基本工作原理 • 计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。当计算机在工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。 • 数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令。指挥各部件协调地工作。

31. 计算机的基本工作原理 • 下面以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令执行的过程分为以下四个步骤： • （1）取指令 • （2）分析指令 • （3）执行指令 • （4）一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到（1） 。

32. 计算机系统的组成 • 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统得物质基础，如CPU、存储器、输入设备、输出设备等。硬件系统又称为裸机，裸机只能识别有0和1组成的机器代码。没有软件的计算机是不能有效地工作的，有了软件的计算机才能存储、处理和检索信息。软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。

33. 计算机系统的组成 • 在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化，例如，微机的ROM芯片就是固化了系统的引导程序；同样硬件实现的功能也可以用软件来实现，成为硬件软化，例如，在多媒体计算机中，视频卡是用于对视频信息的处理，现在的计算机一般通过软件来实现。

34. 微型计算机系统的分类 • （1）按组成结构分类 • 单片机 • 单板机 • （2）按用途分类 • 微型计算机按用途可分为台式机、便携式计算机、手持式计算机等。

35. 微型计算机的硬件系统 • 主机系统 • 常用外部设备

36. 计算机主机系统的组成 主板 CPU 内存条 软驱 硬盘驱动软驱 DVD可刻录光驱

37. 计算机主机系统的组成 电源 显卡 声卡 无线网卡 调制解调器

38. 计算机常用外部设备的组成 LCD显示器 CRT显示器 键盘 激光打印机 移动硬盘 光电鼠标