学年本科教学和思政工作情况汇报

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故华
7 years ago
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1 微机原理与接口技术第 0 章计算机基础知识浙江大学王晓萍

2 内容提要计算机是计算数学与微电子学相结合的产物微电子学的基本电路及集成电路是计算机的硬件基础, 而计算数学的计算方法与数据结构则是其软件基础本章分为 3 个教学单元补充介绍计算机的基础知识, 包括常用的数制与转换, 微机中数值的表示方法, 以及字母字符的二进制编码 ; 微机的基本组成电路 (6 种逻辑电路触发器寄存器计数器等 ); 计算机主要组成部分存储器的分类内部结构和寻址方法等 1

3 教学单元 1. 数制与编码 2. 微机基本组成电路 3. 存储器概述 2

4 教学单元 1. 数制与编码 2. 微机基本组成电路 3. 存储器概述 3

5 内容提要主要介绍常用的数制与转换, 微机中数值的表示方法, 以及字母字符的二进制编码 0.1 数制与编码 4

6 0.1.1 数制与转换 1. 常用的数制十进制数 (Decimal) 十进制有共 10 个数字符号, 其基是 10, 即逢 10 进 1 十进制数的后缀是 D, 但通常可以省略十进制各位的权是以 10 为底的幂如 :368D 按权的展开式为 : 368D=3x x x10 0 二进制数 (Binary) 二进制只有 0 1 共 2 个数字符号 ; 其基是 2, 即逢 2 进 1 二进制数的后缀是 B 二进制各位的权是以 2 为底的幂如 :1101B 按权的展开式为 : 1101B=1x2 3 +1x2 2 +0x2 1 +1x2 0 = = 数制与编码 5

7 0.1.1 数制与转换 1. 常用的数制十六进制数 (Hexadecimal) 十六进制有 A B C D E F 共 16 个数字符号, 其基是 16, 即逢 16 进 1 其中 A-F 相当于十进制数的 10~15 十六进制数的后缀是 H A3EH=10x x x16 0 = =2622 各数制的作用 : 十进制是人们最熟悉方便使用的数制 ; 二进制是计算机使用和方便硬件实现计算的数制 ; 十六进制与二进制的转换十分方便, 其作用仅仅是用来简化和方便二进制的书写和阅读 0.1 数制与编码 6

8 0.1.1 数制与转换计算机 ( 微型计算机微控制器 ) 都是以二进制进行算术运算和逻辑操作的因为二进制的 0 1 两个状态以及算术和逻辑运算, 方便用电路予以实现如 : 晶体管的导通和截止, 脉冲的低电平和高电平, 继电器的通和断等 Vcc A 开关管 B 实际上定义哪种状态为 0, 哪种状态为 1, 不同的逻辑定义可以是不同的如 RS232 通信接口电平的定义是 : -12V 称为 1 ; +12V 称为 0 当 A= 1 时, 三极管导通,B=0.2~0.7V, 定义为 0; 当 A= 0 时, 三极管截止,B=Vcc, 定义为数制与编码 7

9 0.1.1 数制与转换 2. 数制的转换 0.1 数制与编码十进制十六进制二进制 A B C D E F 位十六进制数, 可扩展为 4 位二进制数 4 位二进制数可用 1 位十六进制数表示 8

10 0.1.1 数制与转换 2. 数制的转换 B 3FH; B A5H; B 151EB3CH; 1234H B; A4B2H B; 请熟记每位十六进制所代表的十进制值, 十六进制的二进制表示由于不同数制的存在, 因此书写数值时, 应给出其数制的标识如 : 数值 11 若为二进制, 其大小是十进制数 3; 若为十六进制, 其大小是十进制数 17; 若为十进制, 其大小是十进制数 11; 应写为 :11B; 应写为 :11H; 标识 D, 可省略 0.1 数制与编码 9

11 0.1.1 数制与转换 2. 数制的转换要熟记 : FFH 255D 3FFH 1023D FFFFH 65535D 微机中为了方便起见, 计算单位常常是以 K M G 等表示 1K=1024D=400H 1M=1KX1K= D= H 1G=1MX1K= D= H LCD 等显示器的分辨率为 640X480,1024X768,1280X1024 等, 均是 16 的倍数, 这是为了便于寻址和运算 0.1 数制与编码 10

12 0.1.2 微机中数的表示 1. 无符号数无符号数不需要符号位, 对于字长是 8 位的微机,8 位二进制 D7~D0 均为数值位其数值范围为 :00H FFH (0-255D) 即 8 位二进制数从全 0 到全 1, 有 256 种状态 2. 带符号数计算机中, 规定数值的最高位为符号位当最高位为 1 时, 表示该数值为负 ; 当最高位为 0 时, 表示该数值为正对于 8 位二进制数 :D7=0 表示正数 ;D7=1 表示负数 0.1 数制与编码 11

13 0.1.2 微机中数的表示 2. 带符号数计算机中的带符号数有三种表示方法 : 原码反码补码对于带符号数中的正数, 其原码反码补码的表示值是相同的原码反码补码对于带符号数中的负数, 其原码反码补码的表示值是不同的原码反码补码反码是原码取反 ; 补码是反码 +1, 或原码取反数制与编码 12

14 0.1.2 微机中数的表示 2. 带符号数 :8 位二进制数的不同表示方式之间的换算关系列于下表 8 位二进制数无符号数原码反码补码数制与编码对于 8 位带符号数 : 原码的表示范围 D; 反码的表示范围 D; 补码的表示范围 D 对于 0 的表示 : 原码有 +0,-0; 分别为 B, B 反码有 +0,-0; 分别为 B, B 补码的 0, 只有一种表示 B 13

15 0.1.3 二进制编码由于计算机只能处理二进制数, 所以计算机中的数字字母字符汉字等都要用特定的二进制数进行编码 1. 二十进制数的表示 (BCD 码 ) 用二进制表示的十进制数 (Binary Coded Decimal), 简称 BCD 码是用 4 位二进制数给 0-9 这 10 个数字编码 BCD 在微控制器中的两种存放方式 : 1 个字节存放 1 位 BCD 码, 此时高半字节为 0; 如 :6 的 BCD 码为 ; 9 的 BCD 码为 ; 1 个字节存放 2 位 BCD 码, 称为压缩 BCD 码数 ; 此时高半字节和低半字节分别存放 1 位 BCD 码 ; 如 :78 是一个压缩 BCD 码, 则表示为 ; 59 是一个压缩 BCD 码, 则表示为 ; 0.1 数制与编码 14

16 0.1.3 二进制编码 2. BCD 码与十进制数的转换 1 位十进制数用 4 位二进制的 BCD 码表示 ;4 位二进制用 1 位十进制数表示如 :BCD 码的十进制数为 586 十进制数 865 的 BCD 表示各数制对照表十十六二 BCD 码十十六二 BCD 码 A B C D E F 数制与编码 15

17 0.1.3 二进制编码 3. 字母与字符的编码计算机中字母字符等的最常用编码是美国标准信息交换码, 简称 ASCII 码对 128 个字符进行了编码 D6D5D4 D3D2D1D NUL DLE SP P ` p 0001 SOH DC1! 1 A Q a q 0010 STX DC2 " 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 0111 BEL ETB ' 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z j z 1011 VT ESC + ; K [ k { 1100 FF FS, < L \ l 1101 CR GS - = M ] m } 1110 SO RS. > N ^ n ~ 0.1 数制与编码 1111 SI US /? O _ o DEL 16

18 教学单元 1. 数制与编码 2. 微机基本组成电路 3. 存储器概述 17

19 内容提要主要介绍微机的基本组成电路, 包括常用逻辑电路, 触发器, 以及缓冲寄存器移位寄存器计数器和三态门的原理和功能 0.2 微机基本组成电路 18

20 0.2.1 常用逻辑电路逻辑电路是计算机实现运算控制功能的电路, 是微型计算机微控制器的基本单元电路 1. 与门 : 是能够实现逻辑乘法运算的多端输入单端输出的逻辑电路 2. 或门 : 是能够实现逻辑加法运算的多端输入单端输出的逻辑电路二输入与门二输入或门 Y=A B 或 Y=A B; A B 只要有一个 0, 其结果就为 0 Y=A+B 或 Y=A B A B 只要有一个 1, 其结果就为微机基本组成电路 19

21 0.2.1 常用逻辑电路 3. 非门 ( 反相器 ): 是能够实现逻辑非 ( 求反 ) 运算的单端输入单端输出的逻辑电路 4. 异或门 : 是能够实现逻辑异或运算的多端输入单端输出的逻辑电路非门电路二输入异或门 Y= A Y=A B A B 相异, 结果为 1; A B 相同, 结果为 0; 0.2 微机基本组成电路 20

22 0.2.1 常用逻辑电路 5. 与非门 : 是能够实现逻辑与非运算的多端输入单端输出的逻辑电路 6. 或非门 : 是一个能够完成逻辑或非运算的多端输入单端输出的逻辑电路二输入与非门二输入或非门 Y=A B A B 相与后, 再求反 ( 只要有 0, 结果就为 1) Y=A+B A B 相或后, 再求反 ( 只要有 1, 结果就为 0) 0.2 微机基本组成电路 21

23 0.2.1 常用逻辑电路常用逻辑电路真值表输入输出 A B 与门或门非门异或门与非门或非门微机基本组成电路 22

24 0.2.2 触发器触发器是具有将之前的输入记忆下来的逻辑电路, 是使计算机具有记忆功能的基本单元一个触发器能存储一位二进制信息 1. R-S 触发器 R-S 触发器有两个输入端和两个输出端其中,S 为置位信号输入端,R Q 为复位信号输入端 ; 和为输出端 Q 真值表输入输出 S R Q Q 置位 : 能指使输出为 1; 复位 : 能指使输出为 0; 0 0 不确定保持不变 0.2 微机基本组成电路 23

25 0.2.2 触发器 2. D 触发器 D 触发器又称数据触发器 R S 分别为置 0 端和置 1 端 ; 常用的 D 触发器无 S 端, 其输出 Q 的状态由时钟脉冲 CLK 上升沿 ( 或下降沿 ) 时刻的 D 端状态决定当 D=1 时, 触发器为 1 状态 ; 反之, 为 0 状态典型 D 触发器常用 D 触发器真值表时钟脉冲 CLK 输入 D 输出 Q R S 均置 0, 非法省略了 S 端微机基本组成电路 24

26 0.2.3 寄存器寄存器通常由 D 触发器组成 1 个 D 触发器构成 1 位寄存器, 一个 8 位的寄存器就有 8 个 D 触发器组成计算机中有很多不同功能的寄存器, 如缓冲寄存器移位寄存器计数器等 1. 缓冲寄存器 (Buffer): 常用来暂存数据由 4 个 D 触发器组成的 4 位并行缓冲寄存器 : CLR 端施加 0 可将 D3-D0 清 0; 把需要保存的数据加到输入端 (D 3 IN-D 0 IN), 在 CLK 上升沿作用下, 输入端的信息就锁存到输出端 (D 3 ~D 0 ) 中 0.2 微机基本组成电路 25

27 0.2.3 寄存器 2. 移位寄存器 (Shifting Register) 具有锁存和移位功能移位寄存器能将所存储的数据逐位向左或向右移动, 可以将串行输入变为并行输出, 或将并行输入变为串行输出串行输入并行输出的 4 位移位寄存器 : 由 4 个 D 触发器串接而成要输出 4 位数据 : Q0 Q1 Q2 Q3 触发器 1 的 D 端为串行输入端,4 个 D 触发器的 Q 端为并行输出端 ;1 个 CLK 串行输入 1 位数据,4 个 CLK 即可实现 4 位数据的输出 ( 高位数据先发送 ) 0.2 微机基本组成电路 26

28 0.2.3 寄存器如 : 串行发送 4 位数据 :D0 D1 D2 D3 为即使输出 Q0 Q1 Q2 Q3 变为发送过程为 : (1) 在清 0 端加一个负脉冲, 使所有触发器输出全为 0, 即 Q0 Q1 Q2 Q3 为 ; (2) 将 D3( 最高位 )=1 加到输入端, 施加一个 CLK 信号, 移位寄存器内容整个左移一位, 输出 Q0 Q1 Q2 Q3 变为 ; (3) 将 D2=0 加到输入端, 施加一个 CLK 信号, 移位寄存器内容整个左移一位, 输出 Q0 Q1 Q2 Q3 变为 ; (4) 将 D1=1 加到输入端, 施加一个 CLK 信号, 移位寄存器内容整个左移一位, 输出 Q0 Q1 Q2 Q3 为 ; (5) 将 D0=1 加到输入端, 施加一个 CLK 信号, 移位寄存器内容整个左移一位, 输出 Q0 Q1 Q2 Q3 为 ; 最终移位寄存器的 4 位输出 Q0~Q3 为 : 微机基本组成电路 27

29 3. 计数器 (Counter) 由若干个触发器组成, 具有累计时钟脉冲的功能, 即能够对输入的 CLK 信号进行加 1 或减 1 操作 3 位计数器, 累加 8 个脉冲后, 输出变为全 0, 称为溢出 CLK CLR 3 位计数器 CLR 为清 0 端 Q0 Q1 Q 寄存器 CLK Q2 Q1 Q 位计数器可计数 0~7 个脉冲, 最大计数值 2 3 =8; 4 位计数器可计数 0~15 个脉冲, 最大计数值 2 4 =16; 8 位计数器可计数 0~255 个脉冲 ; 最大计数值 2 8 =256; 16 位计数器可计数 0~65535 个脉冲, 最大计数值 2 16 = 微机基本组成电路 28

30 0.2.3 寄存器 4. 三态门计算机中的信息传输采用总线形式计算机中一般有三类总线 : 数据总线地址总线控制总线为防止信息相互干扰, 凡要挂到总线上的寄存器存储器等, 都应具有三态功能当 E=1 时, 输出 B= 输入 A, 三态门打开当 E=0 时, 输出端呈高阻抗状态单向三态门 A: 输入端 B: 输出端 E: 使能端双向三态门 0.2 微机基本组成电路 29

31 0.2.3 寄存器具有三态功能的器件, 当其为高阻态时 ( 相当于该器件没有与总线连接 ), 对总线状态不起作用所有挂在总线的器件都是分时使用总线进行信息传送, 即任一时刻只能一个器件占用总线, 而其它器件都应为高阻态 4 位三态缓冲寄存器 : 寄存器的输出通过三态门与数据总线相连接 ( 寄存器 + 三态门 ) 构成三态缓冲寄存器, 通常作为微控制器的输入接口 0.2 微机基本组成电路 30

32 CS4 输出设备 ( 如 LED 等 ) 寄存器输出接口必须具有锁存功能 CLK Q0 Q D D0 CS5 CS6 锁存器 1 锁存器 2 锁存器 3 Q7 Q D D7 DB CS1 CS2 CS3 三态缓冲器 1 三态缓冲器 2 三态缓冲器 3 CS1-CS6 为接口的片选信号 0.2 微机基本组成电路输入设备 ( 如按键等 ) E B0 A0 B7 A7 输入接口必须具有三态功能 31

33 教学单元 1. 数制与编码 2. 微机基本组成电路 3. 存储器概述 32

34 内容提要主要介绍计算机的主要组成部分存储器, 包括半导体存储器分类, 存储器的组成结构存储单元与地址寻址方法, 以及存储器的主要指标 0.3 存储器概述 33

35 常用术语解析位 (bit):binary digit 的缩写, 一位二进制数字节 (Byte): 一个字节就是相邻的 8 位二进制数, 即 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 如是一个字节数, 其 D4 是 1,D6 是 0 字 (word): 16 位二进制数 2 个字节, 在 16 位微处理器或微型计算机中使用而 8 位微控制器只能直接处理和传送字节数据双字 : 32 位二进制数称为双字字长 : 数据线位数, 也即 CPU 能够直接处理的数据位数 8 位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 16 位 D D0 32 位 D D0 0.3 存储器概述 34

36 0.3.1 存储器的分类存储器是计算机的主要组成部分, 其用途是存放程序和数据, 使计算机具有记忆功能 1. 程序存储器 ROM 也称为只读存储器 (Read Only Memory), 掉电后信息不会丢失, 用于固化微控制器的应用程序代码字库及表格常数种类 : PROM (Programmable ROM): 可编程 ROM ; OTPROM (One Time Programmable Read Only Memory): 一次可编程 ROM; EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory) ; 可擦除可编程 ROM; EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): 可电擦除 ROM 0.3 存储器概述 35

37 0.3.1 存储器的分类 1. 程序存储器 ROM FLASH memory: 快擦写存储器或 Flash 存储器或闪存, 也是一种 EEPROM, 但其读 / 写速度要快得多从原理上看,Flash 存储器是 ROM 型存储器 ; 但从功能上看, 由于可以随时改写信息, 又相当于 RAM 但由于其写的速度要低于 RAM, 所以在微控制器中主要用作程序存储器但由于其可读写功能, 可方便实现芯片擦除和程序写入, 因此实现了微控制器的在系统编程和调试等功能特点 : 集成度高容量大成本低寿命长 ( 使用次数有几十万次百万次等 ) 0.3 存储器概述 36

38 0.3.1 存储器的分类 2. 数据存储器 RAM 也称为随机存取存储器 (Read Access Memory), 断电后存储的信息将全部丢失, 一般用来存放采集的数据和中间结果种类 : DRAM(Dynamic RAM): 动态随机存取存储器 DRAM 是用电容保存信息, 所以只能保持很短的时间, 为此需要刷新电路每间隔一段时间对保存的数据进行一次刷新, 否则存储的信息就会丢失 DRAM 有较高的集成度和相对低廉的成本, 但刷新电路会增加复杂度, 用于通用计算机系统中 SRAM(Static RAM): 静态随机存取存储器只要不掉电 SRAM 的数据就不会丢失, 访问速度快存取简单的优点, 但生产成本高相对 DRAM 容量较小 SRAM 是微控制器最常用的内存 0.3 存储器概述 37

39 1. 存贮器组成结构存储器结构与寻址由存贮矩阵 ( 大量缓冲寄存器 ) 地址译码器三态双向缓冲器读写控制等组成引脚包括数据线地址线控制线和电源线等 00H 01H 02H 位地址总线地址译码器 03H 存储矩阵三态双向缓冲器数据总线 CPU FEH FFH WR RD 256 存储单元的存储芯片每个存储单元存放 1 字节数据 0.3 存储器概述 38

40 1. 存贮器组成结构存储器结构与寻址存贮矩阵 : 由大量缓冲寄存器组成的, 缓冲寄存器的位数有 8 位 16 位等 ; 其数量是 2 n 个, 如 1024(1K),65536(64K) (1M) 等地址译码器 : 用于寻址存储矩阵中的各个单元其输入是微控制器发出的地址线, 输出译码信号连接到存储矩阵, 用于寻址各存储单元三态双向缓冲器 : 双向缓冲器一边连接到存储矩阵, 另一边作为存储器的输出, 应连接到外部数据总线通过该双向缓冲器实现数据的写入和读出读 / 写控制 : 由微控制器发出, 用于控制三态双向缓冲器的方向, 实现对存储器的读写操作存储器芯片的引脚包含数据线地址线控制线电源和地地址线应与微控制器的地址线连接, 内部连接到译码器的输入端 ; 数据线与微控制器的数据连接, 内部连接到三态双向缓冲器 0.3 存储器概述 39

41 2. 存储单元和地址存储器结构与寻址存储器中一个缓冲寄存器为一个存储单元对于 8 位微控制器, 其 CPU 是 8 位, 即字长是 8 位, 因此通常选用 8 位存储器, 一个存储单元存放 8 位二进制信息, 即一个字节信息存储单元的个数为该存储器的容量为了能够区分存储器中几 K 几十 K 几 M 个存储单元, 保证微控制器能够正确地对各单元进行写入和读出操作, 必须给每个存储单元一个唯一的固定编号这个编号称为存储单元的地址 0.3 存储器概述 40

42 0.3.2 存储器结构与寻址 2. 存储单元和地址存储器中的译码电路用于产生各存储单元的选通信号译码器的输入是存储器的地址引脚, 应连接到微控制器的地址线当地址线 =3 条时, 译码后可输出 2 3 =8 个选通信号 ; 当地址线 =8 根时, 译码后可输出 2 8 =256 个选通信号 ; 当地址线 =16 根, 译码后可输出 216=65536 个选通信号, 则 16 根地址线的微控制器, 其最大寻址范围为 64K 对于具有 n 根地址线的存储芯片, 有 2 n 个存储单元 ; 具 A2 A1 A0 3-8 译码器 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H 有 n 根地址线的微控制器, 其寻址空间为 2 n 个存储单元存储器芯片的地址线位数目决定其容量 ; 微控制器的地址线数量决定其寻址能力 0.3 存储器概述 41

43 2. 存储单元和地址存储器结构与寻址对于存储容量为 256 字节的存储器, 其地址范围为 00H-FFH( 需要 8 条地址线 ); 对于存储容量为字节的存储器, 其地址范围为 0000H-FFFFH( 需要 16 条地址线 ) 存储单元地址与该存储单元的内容含义是不同的存储单元如同一栋楼中每个房间 ; 存储单元地址相当于每个房间的编号 ; 存储单元内容 ( 二进制代码 ) 则为每个房间中的内容存储器地址和内容程序存储器数据存储器地址内容地址内容 0000H 02 20H 3A 0001H 00 21H H 30 22H C0 对于字长 8 位的存储器, 其存储地址可以是 8 位或 16 位的, 但存储单元中的内容总是 8 位的, 即一个字节数据 0.3 存储器概述 42

44 存储器的性能指标主要包括速度容量功耗和可靠性等 1. 存储器速度存储器速度是指读或写一条信息所需的时间, 它是影响计算机速度的因素之一一般存取时间为 ns 级 2. 存储器容量存储器主要指标是指一片存储器包含的存储单元数量在微机中 :1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB 存储器芯片的容量由其地址线位数决定, 每个存储单元的位数由数据线决定容量的表示 : 存储单元数数据线位数 ( 每个单元的位数 ) 如 6264 芯片容量为 : 8K 8b/ 片 =64Kb/ 片 =8KB/ 片 (B:Byte; b:bit) 0.3 存储器概述 43

45 THE END THANK YOU 44

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