四、微处理器的发展、分类、特点及应用
• 1、微处理器的发展： • 4位CPU-->8位CPU-->16位CPU-->32位CPU->64位CPU; • 应用发展： 商业、科学计算等领域---- 32位、64位CPU 工业控制主要为8位、16位CPU，较流行的有 MCS51、PIC、ARM、DSP等--->单片机（或处 理器）。 • 嵌入式控制器 由于单片机应用领域多为电子产品，通常需 嵌入在设备内，所以又称为“嵌入式控制器”
• 计算机中带符号的数都是用补码表示的 • 为什么引入补码？ • 校表：现在为6点，表为10点，则 正拨8小时：10+8=18=6； 倒拨4小时：10-4=6； • 这有何含义呢？
补码的含义
• “表”为1位12进制的计数器，有0、1…11共 12个数，其权位为12， • 最大计数值即模值M=12=121。 • 对计数器：X±M=X • 10-4=10-4+12(M)=10+(12-4)=10+8=18 =18-12=6; • 即：对M=12，则有10-4=10+8=6成立； • 则，8=12-4=M-4，称8为(-4)对M=12的补。
机器语言
0111 0011 0010 0011 0010 0010 0010 0000 0100 1111 0100 1000 0100 0100 0100 1110
ADD
ADD ADD
A，#56
A，#36 A，#14
• 高级语言：BASIC，FORTRAN，PASCAL，C
（4）汇编、编译与解释程序
时序控制信号（控制命令） 输出指 置初值 令地址
①
②
⑩
③ +1
输 出 锁 存
时序逻辑电路 ALU
寄存器
⑧
指令译码
指令译码器ID
程序计数器PC
累加器A
reg
指令寄存器IR
⑦
锁存指令
② 锁存地址
输出地址④
内部总线 地址 0 1 2 3
存储器
地址寄存器AR
地址总线
地 址 译 码 器
4
0111 0100 0011 1111 0010 0100 0011 1000 0010 0100
补码含义的延伸1
• • • • • 同理，对2位10进制计数器：85-23=？ 计数范围：00～99，则：M=100=102 85-23=85+100-23=85+77=162=162-100=62； 所以，对2位10进制，有85-23=85+77成立； 则77为(-23)对M=100的补，即补码。
4、微型计算机应用
• • • • • • • • （1）科学计算 （2）数据处理和与信息管理 （3）CAD、CAM、CAA和CAI的应用 （4）过程控制和仪器仪表智能化 （5）军事领域的应用 （6）多媒体系统和信息高速公路 （7）家用电器和家庭自动化 （8）人工智能的应用
四、微处理器的发展趋势
• 多级流水线结构1T单片机（1个时钟周
• 如：34-37=? • 34-37=34+100-37=34+63=97 • 即：34-37=97 • 97为(-3)对M=100的补。
补码含义的延伸2
• 对8位2进制，计数范围：0～255，M=256=28 • 则：21-4=21+(256-4）=21+252=273 =273-256=17 • 用2进制表示：21 00010101 +252 11111100 1 00010001 丢失 • (-4)原=10000100，(-4)反=11111011 • 所以，定义：(-4)补=(-4)反+1 • 即：负数的补码为其反码+1！
• • • • •
判断溢出的方法
• 利用最高位和次高位的进位/借位状态 进行“异或”来判断的。 • 即双进位法： 补码运算中，若最高位与次高位同时产 生或均无进/借位，则结果正确；若最 高位或次高位只产生一次进/借位，则 结果溢出。
(四)计算机中常用的编码
• 目前计算机中最常用的两中编码： • 美国信息交换标准代码（ASCII码） • 二--十进制编码（BCD码）。
• （1）是能够进行各种运算的设备。 • （2）用数字代码（即二进制数）来表 示各种信息，因此称为数字计算机。 • （3）采用的是一种存储程序的工作方 式，即先编写程序，再由微处理器将这 些程序存储起来，然后自动连续地、快 速地执行程序，从而实现各种运算处理。
• 为了存储程序与数据，需要存储器； • 为了进行运算，需要运算器； • 为了输入程序和数据及输出运算结果， 需要有输入设备和输出设备； • 此外还需要控制器对计算机各个部件的 工作进行控制和管理。
（2）程序
• 一系列指令的有序集合称为程序； • 编制程序的过程称为程序设计。 • 例如，计算63+56+36+14=？ • 编制的程序如下： • MOV A，#63 • ADD A，#56 • ADD A，#36 • ADD A，#14
（3）机器语言、汇编语言和高级语言
• 汇编语言
MOV A，#63
数据寄存器DR
锁存数据
0111 0100
⑥
⑤
读写命令
读写控制电路
MOV A,#63 ADD A,#56
2、微型计算机
• 由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口 及系统总线组成。
（1）CPU
• CPU是微型计算机的核心
• （2）存储器
• 存储器是微型计算机的重要组成部分， 是用来存放程序和数据的，计算机有了 存储器才具备记忆的能力。 • 存储器是由存储器单元组成的，对存储 单元的编号称为存储器地址。 • 从应用的角度讲，计算机工作时，CPU 对存储器的操作只有“读”和“写”操 作
三、微处理器、微型计算机、微 型计算机系统
• 1、微处理器---->CPU • 微处理器是利用微电子技术将计算 机的核心部件（运算器和控制器）集中 做在一块集成电路上的一个独立芯片。 它具有解释指令、执行指令和与外界交 换数据的能力。 • 无论那种CPU，其内部基本组成总 是大同小异，其内部包括三部分：运算 器、控制器、内部寄存器阵列（工作寄 存器组）
以MCS51单片机为例：
• • • • • 地址总线： 三态单向，表示为：A15～A0 数据总线： 三态双向，表示为：D7～D0 控制总线： 读信号：R D 写信号：WR
3、微型计算机系统(MC系统）
• 以MC为主体，配上外部输入/输出设备、外围 设备、电源、系统软件一起构成计算机应用 系统，称为MC系统.
期执行一条指令）
• • • • •
芯片上存储器管理技术高速缓存等 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构多处理器、多总线 RISC结构精简指令集 整片集成技术片内集成更多功能部件
五、计算机中的数制和编码
• 计算机在工作过程中就是对数据的 处理。 • 计算机是一个典型的数字化设备， 它只能识别0和1，所有的计算机都 是以二进制数的形式进行算术运算 和逻辑操作的。
（3）输入/输出接口电路
• 输入/输出接口作桥梁，起到信息转换 与协调的作用。 • 从应用的角度讲，计算机工作时，CPU 对I/O口的操作也只有“读”和“写” 。 • 对I/O口的编号称为I/O外设端口地址。 • CPU访问I/O操作时,只是对端口号的操 作。
（4）总线
• 总线就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部 各部件之间传输信息的一组公共通信线 。 • 微处理器总线的种类非常多，可分为内部总线、 元件级总线、系统总线、外部总线四大类。 • 在微处理器中使用比较多的是元件级总线。 • 元件级总线包括： 地址总线AB（Address Bus） 数据总线DB（Data Bus） 控制总线CB（Control Bus）三种。
2、微型计算机的分类：
• 按微处理器的位数（字长）分：4位机、 8位机、16位机、32位机、64位机 • 按MC的用途分：通用机和专用机两类 • 按MC的档次分：低档机、中档机和高档 机 • 按MC的组装形式和系统规模分：单片机、 单板机、个人计算机
3、微型计算机特点
• （1）体积小、重量轻、功耗低 • （2）可靠性高、使用环境条件要求低 • （3）结构简单灵活、系统设计方便、 适应性强 • （4）性能价格比高
• • • • 取出指令--->取指 分析指令--->译码 执行指令--->执行 实际上，计算机可以看成是一台能自动从存 储器中取出指令进行译码、执行的设备。
二、微型计算机的基本结构基本结构
• 1、基本结构：由运算器、控制器、存储器、输入
设备及输出设备五大部分组成。
• 运算器+控制器+存储器=主机； • 输入+输出设备则称为计算机的外 围设备（简称“外设”）； • 运算器+控制器=中央处理单元CPU （Central Process Unit）。
（1）运算器：
• 算术逻辑运算单元ALU、累加器、标志 寄存器、二十进制调整等电路组成。
• （2）控制器：
• 控制器包括指令寄存器IR、指令译码器 ID和定时与控制(时序逻辑)电路三部分。
• （3）内部寄存器阵列 • （4）程序计数器
微处理器的基本结构 指令执行过程：取指----译码----执行
一、微型计算机基础及I/O接口基础 主要介绍微型计算机的基本问题 目的：建立起微型计算机的概念 1.1 1.2 1.3 1.4 微型计算机的工作原理 存储器 输入/输出接口 中断的概念
1.1 概述：微型计算机的工作原理
一、微型计算机的基本概念 • 简单地讲，计算机是一种能够存储程序， 并能自动连续地执行程序，对各 种数 字化信息进行处理的电子设备，即：数 字电子式计算机。 • 从3个方面进行理解：
（二）带符号数的表示