微机原理与接口技术 一

概述

世界上第一台具有现代意义的电子计算机ENIAC是1946年在美国的宾夕法尼亚大学被制造出来的
哈,这可以称得上确实有时代意义了,search pic:


ENIAC

看起来还真是大呢~
这个时候的计算机还是电子管计算机,然后是晶体管,现在的计算机就都是集成电路计算机了呢,也就是在一块cpu上集成了很多很多微小的晶体管,时代在进步嘛
还有计算机也分好多类呢:巨大中小微 型计算机都有,其他的计算机我暂时不关注
作为一个coder来说,我编程使用的计算机就是微型计算机,那么学习这门课程也是理所当然呢

一些概念

位、字节、字是计算机数据存储的单位。位是最小的存储单位,每一个位存储一个1位的二进制码,一个字节由8位组成。而字通常为16、32或64个位组成。
当然是摘自百度百科呢

位的英文是bit,也就是计算机存储数据的单位,它只有0或者1这两种状态
字节的英文是byte,由8位组成
字是比字节大的单位,通常是2/4/6个字节构成都有可能,也就是16/32/64个位

微处理器

也就是说我们的cpu了
1971-1973年,4-8位字长,1mhz,3年
1973-1977年,8位字长,2-4mhz,5年
1978-1979年,8-16位字长,4-8mhz,1年
1980-1983年,16位字长,10mhz,3年
1983-1995年,32位字长,16-20mhz,12年
1955年后至今,64位字长,ghz,24年
虽然看起来年越来越多了,但是我感觉cpu的发展越来越快了呢
这里的字长是说cpu的每次运算可以处理多少位的bit
比如现在的64位cpu每次运算可以处理64个bit,也就是8个字节呢

微型计算机系统的组成

微型计算机系统由 微处理器(cpu) 存储器 I/O接口电路 总线(主板总线) 软件 组成

微处理器(cpu)

微处理器(cpu)是核心部件,具有运算和控制的能力
主要包含由如下三个部分组成:
-运算器
-控制器
-寄存器
计算机中的所有数据运算都是交给cpu去处理的,哈,离了cpu就没法开心的玩耍了哦

存储器

按照用途可以分为主存储器辅助存储器

主存储器又称内存,是CPU能直接寻址的存储空间,它的特点是存取速率快。内存一般采用半导
体存储单元,包括如下几类:
-随机存储器(RAM)可以随机读写数据,但是电源关闭时存储的数据就会丢失
-只读存储器(ROM)只能读取,不能更改,即使机器断电,数据也不会丢失
-高级缓存(Cache)它是介于CPU与内存之间,常用有一二三级缓存(L1-L3)(一般存在于Intel系列)。它的读写速度比内存还快,当CPU在内存中读取或写入数据时,数据会被保存在高级缓冲存储器中,当下次访问该数据时,CPU直接读取高级缓冲存储器,而不是更慢的内存。

辅助存储器又称外存储器(简称外存),就是那些磁盘、硬盘、光盘啦,也就是你在电脑上看到的C、D、E、F盘。

I/O接口电路

I/O接口电路用于外部设备与微型计算机的连接,emmmm,笔记本上插usb的那个口就是I/O接口电路

总线(主板总线)

主板总线嘛,顾明思意就是拆开电脑以后cpu旁边宽宽的一条条的实体了,是在主板上的
总线是cpu与计算机系统中其余各部分组件沟通的媒介
实际上就是连接CPU、内存、缓存和外部控制芯片之间的数据通道。
其余组件只需要通过I/O接口电路去面向总线就好了,hhhh,也就是面向总线编程(胡说的)
cpu面向总线去与其余部件做数据交换
这样整个计算机系统就能运作了
主线分为以下 地址总线 数据总线 控制总线 三条总线

地址总线AB(单向)
地址总线的位数决定了cpu可以直接寻址的内存范围,地址总线是单向的
比如:16位微机的地址总线为20位,决定了它的最大内存容量为2的20幂=1m字节
ps:并不是64位微处理器的地址总线就是64位的

数据总线DB(双向)
数据总线的位数与微处理器的位数是对应的,也就是说,主板上的数据总线宽度决定了可以装多少位的cpu
微信计算机系统中各个组件之间通过数据总线去与cpu交换数据
如果数据总线宽度小于CPU一次处理的数据宽度,则以CPU的数据宽度定义单片机的位数,但称为准多少位。比如著名的Intel 8088,CPU是16位(内部数据总线)但外部数据总线是8位,所以它是准16位。(之所以这样设计是为了兼容以前的8位微型机)

控制总线CB(双向)
控制总线是用来传输信号的,比如打印机的开关机状态,就是通过控制总线去传输的

软件

软件呐,就是说运行在计算机硬件上的代码了,操作系统和咱用的qq微信啥的都属于软件
分为系统软件和应用软件两大类
没有软件的计算机,成为 裸机

来一张图:


微机组成

可以看到RAM和ROM两个主存储器并没有通过I/O接口去与总线连接,而是通过主板上的内存条槽与总线连接的。
emmmmm,哈哈哈哈哈其实我不知道内存条槽算不算接口,如果你知道的话,麻烦还请告诉我嘛~

冯诺依曼

冯诺依曼体系将现代计算机分为:运算器 控制器 存储器输入输出设备 5个部分,其中 运算器 与 控制器又共同组成为中央处理器(Central Processing Unit),即所简称的CPU
emmmm反正挺厉害一哥们

微型计算机的执行流程

微型计算机的工作过程就是执行程序(指令序列)的过程,即逐条从存储器中读出指令序列去执行
emmmm,也就是不断的取出汇编指令,转成机器码,执行,然后再取,再转,再执行
直到碰到 终止指令 为止~什么是终止指令?就是笔记本右上角那个小按钮~

进位计数制

微机使用的进位计数制

计算机底层使用的是二进制,程序中使用的是十进制

常用进位计数制表示法

十进制数 0-9 在数字后加D
二进制数 0-1 在数字后加B
八进制数 0-7 在数字后加O或Q
十六进制数 0-15 (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F)在数字后加X

进位计数制之间的转换

十进制整数转化为其他进制数
除法取余法:除基数取余数,结果由下向上排列

非十进制数转化为十进制数
将各非十进制数按系数展开求和
系数是指进制数的各个数值位
权是指数值位对应的单位值,就是以基数R为底的对应位次幂
比如二进制数11
计算法如下:
1(系数)× 2的1次幂(基数为2,幂为1)+ 1(系数)× 2的0次幂(基数为2,幂为0)= 2+2 = 4

八进制十六进制与二进制之间的转换
因为2的3次幂为8,所以一位八进制数可用3位二进制数去表示
因为2的4次幂为16,所以一位十六进制数可用4位二进制数去表示

原码,反码,补码

这部分内用在简书上已经有个哥们总结过了,很棒的
深入理解机器码(原码,反码,补码)和算术溢出
呐,我看了这篇文章之后总结了如下几点:

无符号数在存储的数字序列中是没有符号位的,所以无符号数只能表示正数,也就不存在原码反码补码三个码,但是无符号数也会溢出,因为在一定的存储空间内可以存储的数据大小肯定是有限的嘛,超过这个限度就会出现溢出了呢

有符号数分为正数和负数
正数的原码反码补码三个码都相等
负数的反码是原码符号位不变,其余位数取反
负数的补码是原码符号位不变,其余位数取反,末位再加一

原码出现之后有两个问题:
1.正负相加不等于零,0001(1)+1001(-1)=1010(-2)
2.在原码中有两个0,0000(+0)和1000(0)

反码解决了第一个问题:

  • 将有符号负数-1的反码为1110
  • 有符号正数1的反码不变0001
  • 有符号负数-0的反码为1111
    那么运算为:
    0001(1)+1110(-1)=1111(-0)
    但是这个时候还是有两个0,一个正0一个负0

补码的出现在反码解决了第一个问题的基础上解决了第二个问题
-1的原码为1001,反码为1110,补码为1111,替代-0的反码
-2的原码为1010,反码为1101,补码为1110,替代-1的反码
以此类推,可以表示的有符号负数多了一个,替代了没有-0的空缺~

辣,你看,最先进的就是补码了,所以现在有符号数在计算机内部都是以补码的形式存在的呢,反码只是中间的一个过度,属于不成熟产品,早就被抛弃了~

BCD码(以8421码为例)

BCD码用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码。
它解决了如下两个问题:

  • 相对于一般的浮点记数法,采用BCD码,既可保存数值的精确度,又可免去使电脑作浮点运算时所耗费的时间。
  • 在程序设计的过程中,针对一些小的固定的数据,可以采用BCD编码去进一步节省内存,虽然计算机干的活变多了(编码解码过程),但是计算机能存储的东西也变多了呢

比如c语言中有一个999的int类型的常量,它在内存中开辟了16位的大小,也就是2个字节
但是如果用BCD码进行编码,即是1001,1001,1001,就是12个位
通过指针写入计算机中的话,一下就节省了4个位

如下是BCD码表:


常用BCD码表

ASCII码(英文字符编码)

ASCII(American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码)是基于拉丁字母的一套电脑编码系统,主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统。

标准ASCII 码也叫基础ASCII码
可以表示128种字符
使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母,数字0 到9、标点符号以及在美式英语中使用的特殊控制字符
第八位,也就是最高位用于奇偶校验
所谓就校验是指在代码传送过程中用来检验是否出现错误的一种方法
奇校验规定:正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数,若非奇数,则在最高位b7添1。
偶校验规定:正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数,若非偶数,则在最高位b7添1。

拓展ASCII 码
扩展ASCII 码允许将每个字符的第8 位用于确定附加的128 个特殊符号字符、外来语字母和图形符号。
也就是舍弃了校验位用来表示了更多的字符

emmmm,这个表有些长就不贴了,大家自行bing哦~

汉字编码

刨根究底字符编码之六——简体汉字编码中区位码、国标码、内码、外码、字形码的区别及关系

本文参考:
浅谈CPU、内存、硬盘之间的关系
为什么51单片机的地址总线是16位的,但是它却是8位机?
深入理解机器码(原码,反码,补码)和算术溢出
刨根究底字符编码之六——简体汉字编码中区位码、国标码、内码、外码、字形码的区别及关系

emmmm这是2019-02-19的学习总结,今天已经21了,也就是说我用2天的时间去总结了一天学习的知识,在这个过程中真的有感觉到自己所学习的知识被不断的加强诶,每个编码被研发出来都有它存在的意义,都可以去解决一些问题。学而时习之嘛。
Let's get it !
from 一名帅帅的程序员~

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