清华大学微机原理-计算机基础共32页

第10章 A/D及D/A转换器
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 习题
D/A转换器工作原理 D/A转换器的主要性能指标 DAC 0832 D/A转换器 A/D转换器主要性能指标 A/D转换器工作原理 ADC 0809 A/D转换器 AD 570 A/D转换器
A/D(模/数)及D/A(数/模)转换技术广泛应用于计算机 控制系统及数字测量仪表中。
1. 分辨率
分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度， 通常用转换器输出数字量的位数来表示。例如， 对8位A/D转换器，其数字输出量的变化范围为0～ 255，当输入电压满刻度为5V时，转换电路对输入 模拟电压的分辨能力为5V/255≈19.6mV。目前常 用的A/D转换集成芯片的转换位数有8位、10位、 12位和14位等。
由于一般线性差分运算放大器的动态响应速度较 低，D/A转换器的内部都带有输出运算放大器或者 外接输出放大器的电路(如图10.3所示)，因此其建 立时间比较长。
图10.3
(5) 温度系数： 在满刻度输出的条件下，温度每升高 1℃，输出变化的百分数定义为温度系数。
(6) 电源抑制比： 对于高质量的D/A转换器，要求开 关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时， 对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百 分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制 比。
对于图10.6的电路，为产生一个锯齿电压，可采用以下程 序：
ROTATE：MOV DX，PORTA；PORTA为D/A转换器端口号 MOV AL，0FFH；初值为0FFH
INC AL OUT DX，AL ；往D/A转换器输出数据
JMP ROTATE
实际上，上面程序在执行时得到的输出电压会有256个小台 阶，不过，宏观看，仍为连续上升的锯齿波。对于锯齿波 的周期，可以利用延迟进行调整。延迟的时间如果比较 短，那么，就可以用几条NOP指令来实现，如果比较长， 则可用延迟子程序。

理
器
寄存器——完成临时保存将被运 算 器处理的数据和处理后的结
构
2、主要性能指标 兼容性 字长 主频
3.2.2内存储器
功能 断电 分类
主存储器（内存）
辅助存储器（外存）
执行程序和数据 数据丢失
暂时不执行而将来要执行的程序和数据 长期保存
数据不丢失
随机存储器 只读存储器 高速缓存
软盘 硬盘 光盘 U盘
第三章 计算机基础知识
中央处理器
计
硬件
存储器
算
机
输入和输出设备
系
统
系统软件
软件
应用软件
3.1计算机的基本组成及工作原理
一、计算机2计算机硬件子系统
3.2.1中央处理器
1、基本组成和功能
运算器——完成算术和逻辑运
算
中
央 处
控制器——完成从存储器图区指令
输入设备
键盘 鼠标 扫描仪 跟踪球 触摸屏
输出设备
显示器 打印机 绘图仪
3.2.6主板
3.2.7总线
内部总线——芯片内部连接各元件的总线 系统总线——连接微处理器，存储器和输
入输出模块等部件的总线
数据总线
地址总线
控制总线
外部总线——微型机和外设之间的总线

12
ALU电路设计
（2）移位器
采用2:1多路选择器构造的8位右移位器
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 S2 S1 S0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0 R7
1
0 R6
1 R5
0
1 R4
0
1 R3
0
1 R2
0
1 R1
0
1 R0
0
MSB的输入如何? 32位移位器需要多少级?
CPU逻辑设计
—— ALU电路设计
1
MIPS对ALU的需求
Add, AddU, Sub, SubU, AddI, AddIU =>带溢出检测和反向器的补码加法器 SltI, SltIU(Set Less than) =>带反向器的补码加法器，检测结果的符号 And, Or, AndI, OrI =>逻辑或、逻辑与
B12 B11 B10 B9
B11 B10 B9 B8
B6 B5 B4 B3
B5 B4 B3 B2
B4
B3 B2
B1
B3
B2 B1
B0 S1 S0
3
2
1 0
3
2
1 0
3
2
1 0
3
2
1 0
3
2
1 0
3
2
1 0
3
2

3
搭建电路
学生将在仿真软件中搭建逻辑电路，提高学生动手实践的能力，并考验学生对逻 辑门电路的设计和搭建技能。
组合逻辑电路
全加器
学习全加器的基本原理，确定 输入输出的关系，并掌握组成 全加器的基本电路。
译码器
介绍了译码器的应用及工作原 理，教学生如何根据需要选择 不同的译码器。
多路选择器
学习了多路选择器电路的基本 概念和应用，测试了学生对多 路选择器的掌握能力。
存储器与存储电路
1
组成原理
组成存储器的基本元件是触发器，讲述了静态触发器和动态触发器，它们各自的工作 原理。
2
RAM和ROM
介绍了RAM和ROM的基本原理和应用，以及学习访问这两种存储器的原理与方式。
3
内存单元布局及地址控制
通过存储器系统的组成、存储器容量的理解，让学生掌握如何地址定位和数据存储等 问题。
转 入 内 核 态 处 理 流 程
pe
cp
pc
cu
=s
ut
ta
vt
eu
cs
u.
cU
aI
uE
s=
eu
=s
ct
aa
ut
su
es
s
s.
.s
u.
i
Mt
Ss
U
多级中断系统
介绍了多级中断系统的实现原 理和构架，以及多级中断系统 如何解决中断优先级问题。
存储器系统性能分析
1
存储器性能参数
包括各种存储器的读取时间、写入时间，存储器的带宽等，还包括这些存储器的特 点和使用方法。
转 入 M 态 处 理 流 程
pc
cp
sc

（b） ► B、字节:指相临的8个二进制数位。 ► 换算关系是1024进一位。单位是 B,KB,MB,GB,TB ► C、字和字长：字是计算机内部进行数据传 递处理的基本单位。
► 一个字所包含的二进制位数称为字长。常见
微机字长为8位、16位、32位和64位。 ► 目前的PC中，把字定义为2字节（16位）， 双字（32位），四字（64位）。
►
► 什么是CACHE缓存？ ► 它们是如何被应用的？
4、硬盘
► 它是最主要的外存储器，它
由驱动器、控制器、盘片组 成。硬盘是把上述三个部件 密封组合在一起的，防尘好， 可靠性强。 ► 硬盘参数：容量（GB） 转 速 平均寻道时间
► 硬盘的两种接口方式：IDE、SCSI ► 以及各自特点。 ► 如何设定两个硬盘的启动顺序或者说是设定
► （2）内部码（汉字内码或汉字机内码）
► 1、定义：内部码通常是用其在汉字字
库中的物理地址的表示，可以用汉字在 汉字字库中的序号或者用汉字在汉字字 库中的存储位置的表示。 ► 2、特点：用不同的输入法，同一汉字 的外部码不同，但是同一汉字的内部码 是唯一的。 ► 3、汉字的实际表示：只要要用两个汉 字 ► 汉字内码2个字节的首位都是1，ASCII
► 6、指令的分类：操作码、操作数。 ► 7、计算机编程：机器语言、汇编语言、高级
10、网卡
► 1、定义：是一种网络
连接设备。 ► 2、网卡按速度分： 10M、100M、1000M和 10M/100M自适应网卡。 ► 3、按传输介质分：粗 缆接口、细缆接口和光 纤接口等。 ► 4、按通信协议分：以 太网卡、令牌环网卡等。
► 网卡工作过程：计算机通过网卡和电缆接入
到网络中，这样计算机内的信息就可以通过 网卡的转换再通过网线传输出去，同样，外 部的信息也可以通过网络电缆传输到网卡上， 网卡的芯片经过转换处理发到计算机上。 ► 注意：安装完网卡还要安装网络协议，以后 还有一些设定的问题。

39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
清华大学微机原理32位微处理器
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。

总线接口部件通过数据总线、地址总线和控制总线负责与外 部取得联系，包括访问存储器预取指令，读／写数据和访问I／O 端口读／写数据等全部操作及其他控制功能。
7
1.2 80386的寄存器
80386微处理器中有通用寄存器、段寄存器、指令指针和标 志寄存器、系统地址寄存器、控制寄存器、调试寄存器以及测试 寄存器等，如下图所示。
8
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 80386的寄存器
1. 通用寄存器 80386中设置8个32位通用寄存器，如下图所示。它们的用法
与8086相同，也可当作8位、16位寄存器用。若作32位寄存器使 用，前面必须加字符E。
9
1.2 80386的寄存器
2. 段寄存器 80386中设置6个16位段寄存器和6个64位描述符寄存器。其
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2.3 总线传送机制
32位微处理器的所有数据传送都是由一个或多个总线周期来 完成。1字节、2字节或4字节的逻辑数据操作数可以在物理地址不 对界的情况下传送。在对界时的操作数只需要1个总线周期，而对 于不对界时的操作数就需要2个或3个总线周期。
80X86地址信号的设计可以简化外部系统的硬件。高位地址 由A2~A31提供。低位地址则以BE0~BE3形式提供了32位数据总 线4个字节的选择信号。
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1.2 80386的寄存器
CR1保留给将来开发的Intel微处理器使用；CR2包含一个32 位的线性地址，指向发生最后一次页故障的地址；CR3包含页目 录表的物理基地址，因为80386中的页目录表总是在页的整数边 界上，每4KB为一页，所以CR3的低端12位保持为“0”。 5. 系统地址寄存器
80386中设置4个专用的系统地址寄存器，它们是GDTR、 IDTR、LDTR和TR。GDTR和IDTR长48位，LDTR和TR长16位。 GDTR用来存放全局描述符表的基地址(32位)和限值(16位)； IDTR用来存放中断描述符表的基地址(32位)和限值(16位)；LDTR 用来存放局部描述符表的段选择字；TR用来存放任务状态段表的 段选择字。

二进制数、十进制数和十六进制数间的相互转换
二进制数转换为十六进制数 十六进制数转换为二进制数
只需用4位二进制数代替1位十六进制数即可。 如：
3AB9H=0011 1010 1011 1001B
二进制数、十进制数和十六进制数间的相互转换
二进制数转换为十六进制数 十六进制数转换为二进制数
十六进制数转换为十进制数 将十六进制数按权展开相加，如： 1F3DH=163×1＋162×15＋161×3＋160×13 =4096×1＋256×15＋16×3＋1×13 =4096＋3840＋48＋13=7997
二进制数、十进制数和十六进制数间的相互转换
二进制数转换为十六进制数 十六进制数转换为二进制数 十六进制数转换为十进制数 十进制整数转换为十六进制数 十进制数转换为二进制数
十进制转换为二进制时，常采用 “倒除2取余 法”。
125 =01111101B
二进制数、十进制数和十六进制数间的相互转换
二进制数、十进制数和十六进制数间的相互转换
二进制数转换为十六进制数 十六进制数转换为二进制数 十六进制数转换为十进制数 十进制整数转换为十六进制数
可用出16取余法，即用16不断地去除待转换的十 进制数，直至商等于0为止。将所得的各次余数， 依倒序排列，即可得到所转换的十六进制数。
即38947=9823H
[X1]反=00000100B=04H X2=-4 [X2]原=10000100B=84H
[X2]反=11111011B= FBH
取反
➢ 原码 ➢ 反码 ➢ 补码
✓ 常规求补码法
正数的补码与原码相同；负数补码为其反码加1。 例：X1=+4： [X1]原=[X1]反=[X1]补= 00000100B=04H

X86系列微型计算机的发展
第二代：80286（1982年-1984年） •采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频 率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是地 址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。
•1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机 IBM PC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构， 这就是的工业标准结构（ISA）。该结构提供了一 个16位、高性能的I/O扩展总线。
X86系列微型计算机的发展
代 1 2 3 4 5 6 字长 16 16 32 32 32 32 型号 8086 80286 80386 80486 P5 P6 工艺 3 1.5 1.5 1 0.8-0.6 集成度 (万个) 3 13.4 27.5 120 320 主频 4.77-10 6-16 16-33 25-66 60-133 133-1G 速度 (MIPS) <1 1-2 6-12 20-40 100-200 >300
微型计算机的常用术语
3．主频 •主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度， 主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。 •早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从 80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数
•外部总线频率频率通常简称为外频，它的单位也是MHz， 外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快， 因而微型计算机的运行速度也越快。
5．iCOMP指数
•iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种 指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性 来确定的，iCOMP指数包含的指标有整数数学计算、浮点数学计算、 图形处理以及视频处理等，这些指标的重要性与它们在应用软件中 出现的频度有关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中 应用的综合性能。

‚非‛运算

按位求反

‚异或‛运算

相同则为0，相异则为1
46
4.

译码器
各引脚功能
输入端与输出端关系（真值表）
掌握74LS138译码器

47
74LS138译码器

主要引脚及功能 G1 G2A G2B C B Y0
• • • •
A
Y7
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三、机器数（有符号数）的运算
49
计算机中符号数的表示

写：

CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。
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内存储器的分类
随机存取存储器（RAM）
按工作方 式可分为
只读存储器（ROM）
20
输入/输出接口

接口是CPU与外部设备间的桥梁
CPU
I/O
接口
外 设
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接口的分类
串行接口 并行接口 数字接口 输入接口
输出接口
模拟接口
22
接口的功能
原码： -127 ~ +127
反码： -127 ~ +127 补码： -128 ~ +127
62
2. 符号二进制数与十进制的转换
对用补码表示的二进制数：
1）求出真值
2）进行转换
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[例]：补码数转换为十进制数

[X]补=0 0101110B
正数
所以：真值=0101110B X=+46

[X]补=1 1010010B
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2. 程序和指令

程序：

具有一定功能的指令的有序集合

指令：

Intel的CPU的发展史
8086
第1章 微型计算机基础
1.1 概述
Intel的CPU的发展史
80286，intel最后一块16位cpu
第1章 微型计算机基础
1.1 概述
Intel的CPU的发展史
80386，intel第一代32位cpu
第1章 微型计算机基础
486，这是intel最后一代以数字编号的 cpu
线的宽度。
第1章 微型计算机基础
1.2 计算机中数值数据信息的表示
位、字、字节、双字和字长
• 字长：字所包含的二进制位数，即微处理器一次可以 直接处理的二进制数码的位数。微处理器的字长有4位、 8位、16位和32位等等。例如：8088称为准16位微处理 器，而80386SX称为准32位微处理器。
• IBM PC/XT机规定：
冯· 诺依曼结构计算机的 3 点重要设计思想：
① 由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备 5 个基本部分组成。
② 采用二进制。
③ 指令和数据都放在存储器中，机器能自动执行程序 （存储程序思想）
第1章 微型计算机基础
1.1 概述
计算机发展简史
1946第一台电子计算机ENIAC。 第一代计算机 — 1946 ~ 1955，电子管。 第二代计算机 — 1956 ~ 1963，晶体管。 第三代计算机 — 1964 ~ 1971，中小规模集成电路。 第四代计算机 — 1972 ~1986，大规模集成电路。 第五代计算机 — 1986 ~ 今，超大规模集成电路。
反码在运算中存在的问题
( 1 ) 10 - ( 1 ) 10= ( 1 ) 10+ ( -1 ) 10= ( 0 ) 10 (00000001) 反+ (11111110)反 = (11111111)反 = ( -0 ) （有问题） ( 1 ) 10 - ( 2) 10 = (1 ) 10 + ( -2 ) 10 = ( -1 ) 10 (00000001)反+ (11111101)反 = (11111110)反 = ( -1 ) （正确）

代表字母：D
二进制(binary system):
进位基数为为“2”，即其使用的数码为0，1，共
两个。 二进制各位的权是以2为底的幂，
代表字母：B
八进制(octave system): 进位基数为“8”，即其数码共有8个：0，1，2，3，
4，5，6，7。 代表字母：O 十六进制(hexadecimal system): 进位基数为“16”，即其数码共有16个：0，1，2，3，
作用：利用摩根定理，可以解决与门、或门互换的 问题。
二变量的摩根定理为：
A+B=A·B A·B=A+B 推广到多变量：
A+B+C+…=A·B·C…
A·B·C…=A+B+C+… 至于多变量的摩根定理，用相同的方法同样可以得
到证明。 这个定理可以用一句话来记忆：头上切一刀，下面
变个号。 【例1.10】
1.1.3 为什么要用十六进制？
用十六进制既可简化书写，又便于记忆。如下列 一些等值的数：1000(2)=8(16)(即8(10))
1111(2)=F(16)(即15(10)) 11 0000(2)=30(16)(即48(10))
1.1.4 数制的转换方法
1. 十进制数转换成二进制数的方法 整数部分：采用基数连除的方法； 小数部分：采用基数连乘的方法；
在计算机的设计与使用上常用的数制则为十进制、 二进制、八进制和十六进制。
1.1.1 数制的基与权 概念：
1、数制的基（进位基数）：每一数位所能使用的数
码的个 数称为数制的基；
2、数制的权：数制每一数位取值为1时所具有的值 的大小，称为权。
十进制(decimal system)：进位基数为“10”，即它所 使用的数码为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，共 有10个。

内存中存放的是当前正在运行的程序和数据 硬盘中存放的是大量的没有使用的程序和数据 硬盘容量大，速度慢、可长期保存数据、价格低 内存容量小，速度快、数据易失、价格高 与CPU直接打交道的是内存
外部设备
输入设备 把数据和程序转换成计算机中用以表示二进制
的电信号，输入到计算机的内存中 键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等
数据 10000000
内存与外存
内存（主存） 随机存储器（RAM）：可读出或写入数据，掉电 后数据无法保存
内存中存放的是正在执行的程序和正在使用的数据
程序运行时，若从内存中取出的是数据，则送运算 器计算，若取出的是指令，则送控制器翻译，并执 行该指令
内存与外存
外存:存放的是大量的没有使用的程序和数据 内存与硬盘的区别
1KB＝210Ｂ＝1024Ｂ 1MB＝210KB＝1024KB＝220Ｂ 1GB＝210MB＝1024MB＝230B 1TB＝1024GB＝240Ｂ
字(Word)：字由若干字节构成(一般为字节的整数倍)， 如16位、32位、64位等。
内存储器的访问过程
存储器的访问过程：向[0001]单元写数据
地址0001 控制:写
通常把软件系统分为系统软件和应用软件。
系统软件
系统软件 管理、控制和维护计算机软、硬件系统的软件 为计算机系统与用户之间提供良好界面 支持应用软件的开发和运行 主要包括：操作系统、语言处理系统、数据库
管理系统、各类服务程序
系统软件的分类
操作系统 统管计算机的所有资源，如处理器、存储器、输入 /输出设备等硬件设施 管理其他系统软件和应用软件 确保整个计算机系统有效地运转，并为用户提供良 好的使用环境 DOS、WINDOWS、UNIX
输出设备 把运算处理结果按照人们所要求的形式输出 显示器、打印机、绘图仪等

45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
清华大学微机原理-计算机基 础讲义.
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒

MIPS 通用寄存器的使用
为了使用$ gp, 编译器在编译时刻必须知道 一个数据是否在$ gp的64K范围之内。
通常这是不可能的，一般的做法是把small global data (小的全局数据)放在gp覆盖的范围内(比如一 个变量是8字节或更小)，并且让linker报警如果 小的全局数据仍然太大从而超过gp作为一个基 指针所能存取的范围。
MIPS 通用寄存器的使用
$ gp: 如果存在一个全局指针，它将指向运行时决定 的静态数据(static data)区域的一个位置。这意味 着，利用gp作基指针，在gp指针32K左右的数 据存取，系统只需要一条指令就可完成。 如果没有全局指针，存取一个静态数据区域的 值需要两条指令： 一条是获取有编译器和loader决定好的32位的 地址常量。 另外一条是对数据的真正存取。
r格式registerformatj格式jumpformat二mips体系结构4存储器和寄存器中的数据类型mipscpu的一次操作可读出或写入18个字节的数据c名称mips名称size字节汇编助记符longlongdwordlongwordshorthalfwordcharbytemips编译器提供了64位指针它把long解释成64位数据总之long不应该小于int三mips指令与汇编指令系统对于一条汇编语言指令来说有两个问题要解决要指出进行什么操作?要指出大多数指令涉及的操作数和操作结果放在何处mips
助记符 zero 永远为0 at v0, v1 a0-a3 t0-t7 t8-t9 s0-s7 k0,k1 gp sp s8/fp ra 子函数调用返回结果 子函数调用的参数
用法
用做汇编器的暂时变量
暂时变量，子函数使用时不需要保存与恢复
子函数寄存器变量。在返回之前子函数必须保存和恢复使 用过的变量，从而调用函数知道这些寄存器的值没有变化 通常被中断或异常处理程序使用作为保存一些系统参数