微機(jī)原理及應(yīng)用課件chap1-微機(jī)原理概述和數(shù)制

1、1,微機(jī)原理及應(yīng)用,2,課程目標(biāo) 微機(jī)原理是學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識(shí)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的入門課程： 微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 目的：建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力。,3,教學(xué)內(nèi)容 第一章 基礎(chǔ)知識(shí) 第二章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 第三章 8086/8088 CPU的指令系統(tǒng) 第四章 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 第五章 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 第六章 輸入輸出 第七章 中斷技術(shù) 第八章 常用接口電路,4,第1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ),5,主要內(nèi)容：,微型機(jī)的構(gòu)成及工作原理 8088/8086 CPU的結(jié)構(gòu)及工作原理 系統(tǒng)總線 各種常用記數(shù)制和編碼以及它們相互間的轉(zhuǎn)

2、換； 二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算； 符號(hào)數(shù)的表示及補(bǔ)碼運(yùn)算； 二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算中的溢出問題,6,1.1 微型機(jī)的基本結(jié)構(gòu),掌握： 微機(jī)系統(tǒng)的基本組成 微型機(jī)的工作原理 微機(jī)8088的存儲(chǔ)器組織,7,1.1 概 述,電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展： 電子管計(jì)算機(jī)（1946-1956） 晶體管計(jì)算機(jī)（1957-1964） 中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1965-1970） 超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971-今） 電子計(jì)算機(jī)按其性能分類： 大中型計(jì)算機(jī)/巨型計(jì)算機(jī)（Mainframe Computer） 小型計(jì)算機(jī)（Minicomputer） 微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer） 單片計(jì)算機(jī)（Single-Chip

3、Microcomputer） 微型計(jì)算機(jī)的核心：微處理器(中央處理器CPU) Intel CPU的發(fā)展見下頁(yè)表,8,9,一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次 微處理器(Microprocessor) 微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer) 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Microcomputer System),10,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次,11,核心級(jí)微處理器,微處理器簡(jiǎn)稱CPU，是計(jì)算機(jī)的核心，主要包括： 運(yùn)算器ALU 控制器CU 寄存器組Registers CPU實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算功能和控制功能,12,硬件系統(tǒng)級(jí)微型計(jì)算機(jī),以微處理器為核心，配上只讀存儲(chǔ)器(ROM)、讀寫存儲(chǔ)器(RAM)、輸入

4、/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)。 將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、總線等集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。,13,系統(tǒng)級(jí),以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備以及控制微型計(jì)算機(jī)工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 微型計(jì)算機(jī)如果不配有軟件，通常稱為裸機(jī) 軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。,14,二、微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),微處理器（CPU） 存儲(chǔ)器 輸入/輸出接口 總線,1. 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng),15,微型計(jì)算機(jī)的概念結(jié)構(gòu),存 儲(chǔ) 器,I/O 接 口,輸 入 設(shè) 備,I/O 接 口,地址總線 AB,輸 出 設(shè) 備,C P U,

5、數(shù)據(jù)總線 DB,控制總線 CB,I/O 接 口,AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus,16,主機(jī)硬件系統(tǒng)CPU,計(jì)算機(jī)的控制中心，提供運(yùn)算、判斷能力 構(gòu)成：ALU、CU、Registers（p29） 例：Intel 8088/8086、PIII、P4、Celeron AMD K7（Athlon、Duron） CPU的位數(shù)：4位、8位、16位、32位、64位 是指一次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù),17,主機(jī)硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)器,存放程序和數(shù)據(jù)的記憶裝置 用途：存放程序和要操作的各類信息（數(shù)據(jù)、文字、圖像、。） 內(nèi)存：ROM、RAM 特點(diǎn)：隨機(jī)存取，速度快，容量

6、小 外存：磁盤、光盤、半導(dǎo)體盤、 特點(diǎn)：順序存取/塊存取，速度慢，容量大,18,有關(guān)內(nèi)存儲(chǔ)器的幾個(gè)概念,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容 內(nèi)存容量 內(nèi)存的操作 內(nèi)存的分類,19,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容,內(nèi)存包含有很多存儲(chǔ)單元(每個(gè)內(nèi)存單元包含8bit)，為區(qū)分不同的內(nèi)存單元，對(duì)計(jì)算機(jī)中的每個(gè)內(nèi)存單元進(jìn)行編號(hào)，內(nèi)存單元的編號(hào)就稱為內(nèi)存單元的地址。,1 0 1 1 0 1 1 0,38F04H,內(nèi)存單 元地址,內(nèi)存單 元內(nèi)容,. . .,. . .,Bit 7 6 5 4 3 2 1 0,0 1 0 1 1 0 0 0,*內(nèi)存單元有時(shí)又稱為地址單元,20,內(nèi)存容量,即內(nèi)存單元的個(gè)數(shù)，以字節(jié)為單位。 注意：內(nèi)存空

7、間與內(nèi)存容量的區(qū)別 內(nèi)存容量：實(shí)際配置的內(nèi)存大小。例：某微機(jī)配置2條 128MB的SDRAM內(nèi)存條，其內(nèi)存容量為256MB 內(nèi)存空間：又稱為存儲(chǔ)空間、尋址范圍，是指微機(jī)的 尋址能力，與CPU的地址總線寬度有關(guān)。,21,內(nèi)存操作,讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變； 寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原內(nèi)容被覆蓋； 刷新：對(duì)CPU透明，僅動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器有此操作 內(nèi)存的讀寫的步驟為： CPU把要讀寫的內(nèi)存單元的地址放到AB上 若是寫操作， CPU緊接著把要寫入的數(shù)據(jù)放到DB上 CPU發(fā)出讀寫命令 數(shù)據(jù)被寫入指定的單元或從指定的單元讀出到DB 若是讀操作， CPU緊接著從DB上取回?cái)?shù)據(jù),

8、22,內(nèi)存儲(chǔ)器的分類,讀寫存儲(chǔ)器（RAM） 可讀可寫 易失性，臨時(shí)存放程序和數(shù)據(jù) 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 工作時(shí)只能讀 非易失性，永久或半永久性存放信息,23,主機(jī)硬件系統(tǒng)輸入/輸出接口,簡(jiǎn)寫為I/O接口，是CPU與外部設(shè)備間的橋梁,CPU,I/O 接口,外設(shè),24,接口的功能,提供驅(qū)動(dòng)外設(shè)的電壓或電流； 匹配計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的信號(hào)電平、速度、信號(hào)類型、數(shù)據(jù)格式等； 緩存發(fā)給外設(shè)的數(shù)據(jù)、控制命令和外設(shè)提供的運(yùn)行狀態(tài)信息； DMA控制和中斷控制。,25,主機(jī)硬件系統(tǒng)總線BUS,連接多個(gè)功能部件的一組公共信號(hào)線 地址總線AB：用來(lái)傳送CPU輸出的地址信號(hào)，確定被訪問的存儲(chǔ)單元、I/O端口。地址線的根

9、數(shù)決定了CPU的尋址范圍。 CPU的尋址范圍 = 2n， n-地址線根數(shù) 數(shù)據(jù)總線DB：在CPU與存儲(chǔ)器、I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送的公共通路。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定CPU一次最多可以傳送的數(shù)據(jù)寬度。 控制總線CB：用來(lái)傳送各種控制信號(hào),26,2. 微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng),軟件：為運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。,系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,操作系統(tǒng) 編譯系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 工具軟件,軟件,27,3.微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu),CPU,北橋,南橋,RAM,Cache,AGP,CRT,BIOS,KBD，Mouse 串行/并行接口 HDD/CDROM(IDE) FDD USB,P

10、CI,ISA,前端總線/CPU總線,接口卡,外設(shè),總線擴(kuò)展槽,28,微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu),29,INTEL 845GE,30,主板的主要硬件構(gòu)成,CPU插座 芯片組（南北橋/HUB） 內(nèi)存插槽 高速緩存（現(xiàn)已集成到CPU內(nèi)部） 系統(tǒng)BIOS，硬件控制 CMOS，存放硬件配置參數(shù) 總線擴(kuò)展槽，PCI、ISA 串行、并行接口 軟/硬盤、光驅(qū)插座,31,芯片組,CPU的外圍控制芯片，通常為2片 兩種架構(gòu)：南北橋、HUB（加速中心） 南北橋 北橋提供CPU/主存/高速緩存的連接、AGP接口、PCI橋接 南橋提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA橋接等 例如：Intel 440BX、VI

11、A694(KT133)+686B、SiS 645等 HUB GMCHAGP接口、存儲(chǔ)器通道 ICHPCI橋接、IDE控制器、USB、串/并口 FWH系統(tǒng)BIOS、顯示BIOS、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等,32,三、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程,存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)又稱為馮諾依曼型計(jì)算機(jī) 以運(yùn)算器為核心、以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ) 將計(jì)算過(guò)程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，即程序是由多條有邏輯關(guān)系的指令組成，指令的長(zhǎng)度不等（一般為14字節(jié)） 數(shù)據(jù)和程序均以二進(jìn)制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲(chǔ)器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進(jìn)制形式 由控制器控制整個(gè)程序和

12、數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行,指令驅(qū)動(dòng),33,存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的工作原理,控制器按預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的程序的流程自動(dòng)地連續(xù)取出指令并執(zhí)行之。,運(yùn)算器,輸出設(shè)備,控制器,輸入設(shè)備,存儲(chǔ)器,指令流,控制命令,數(shù)據(jù)流,34,程序的執(zhí)行過(guò)程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n, ,取指令,指令譯碼,取操作數(shù),執(zhí)行指令,存結(jié)果,指令周期,操作碼,操作數(shù),執(zhí)行,1。CPU如何知道從哪里取出程序的第一條指令？操作系統(tǒng) 2。CPU如何按程序控制流執(zhí)行指令？程序計(jì)數(shù)器 3。CPU如何知道從哪里取操作數(shù)？地址、尋址方式,35,例：計(jì)算5+8（p35）,匯編語(yǔ)言程序?qū)?yīng)的機(jī)器指令 對(duì)應(yīng)的操作 - - -

13、MOV AL, 5 10110000 將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中 00000101 ADD AL, 8 00000100 計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中 00001000 HLT 11110100 停機(jī),指令執(zhí)行過(guò)程見下頁(yè)圖,36,指令執(zhí)行過(guò)程(取指/譯碼/執(zhí)行),累加器A,加法器,數(shù)據(jù)寄存器DR,指令寄存器IR,指令譯碼器ID,時(shí)序邏輯電路,時(shí)序控制信號(hào)（控制命令）,1011 0000,0000 0101,0000 0100,0000 1000,1111 0100,內(nèi)部總線,存儲(chǔ)器,0 1 2 3 4,程序計(jì)數(shù)器PC,地址,MOV A, 5 ADD A, 8 HLT,地址總線,地 址

14、 譯 碼 器,讀寫控制電路,1011 0000,鎖存,輸出,地址寄存器AR,37,1.2 計(jì)算機(jī)中的數(shù)制,了解 特點(diǎn)； 表示方法； 相互間的轉(zhuǎn)換。,38,一、常用記數(shù)制,十進(jìn)制符合人們的習(xí)慣 二進(jìn)制便于物理實(shí)現(xiàn) 十六進(jìn)制便于識(shí)別、書寫 八進(jìn)制,39,1. 十進(jìn)制,特點(diǎn)：以十為底，逢十進(jìn)一； 共有0-9十個(gè)數(shù)字符號(hào)。 表示：,40,2. 二進(jìn)制,特點(diǎn)：以2為底，逢2進(jìn)位； 只有0和1兩個(gè)符號(hào)。 表示：,41,3. 十六進(jìn)制,特點(diǎn)：以16為底，逢16進(jìn)位； 有0-9及A-F共16個(gè)數(shù)字符號(hào)。 表示：,42,進(jìn)位計(jì)數(shù)制的一般表示,一般地，對(duì)任意一個(gè)K進(jìn)制數(shù)S都可表示為,其中： Si - S的第i位數(shù)

15、碼，可以是K個(gè)符號(hào)中任何一個(gè)； n,m 整數(shù)和小數(shù)的位數(shù)； K - 基數(shù)； Ki - K進(jìn)制數(shù)的權(quán),43,如何區(qū)分不同進(jìn)位記數(shù)制的數(shù)字,在數(shù)字后面加一個(gè)字母進(jìn)行區(qū)分： 二進(jìn)制：數(shù)字后面加B, 如1001B 八進(jìn)制：數(shù)字后面加O, 如1001O 十進(jìn)制：一般不加, 如1001 十六進(jìn)制：數(shù)字后面加H , 如1001H 在明顯可以區(qū)分其記數(shù)制的情況下，可以省略數(shù)字后面的字母,44,二、各種數(shù)制間的轉(zhuǎn)換,1. 非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換 按相應(yīng)進(jìn)位計(jì)數(shù)制的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和。 例：10110010B = (?)10 13FAH = (?)10,45,2. 十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換,十進(jìn)制

16、二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換： 整數(shù)部分：除2取余； 小數(shù)部分：乘2取整。 十進(jìn)制 十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換： 整數(shù)部分：除16取余； 小數(shù)部分：乘16取整。 以小數(shù)點(diǎn)為起點(diǎn)求得整數(shù)和小數(shù)的各個(gè)位。,46,3. 二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換,用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù) 例： 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C 注意：位數(shù)不夠時(shí)要補(bǔ)0,47,1.3 無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算,無(wú)符號(hào)數(shù) 算術(shù)運(yùn)算 有符號(hào)數(shù) 邏輯運(yùn)算,48,一、無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算,算術(shù)運(yùn)算 包括： 加法運(yùn)算 減法運(yùn)算 乘法運(yùn)算 除法運(yùn)算,49,1. 規(guī)則,加法：1+1=0（有進(jìn)位）, 減法：0-

17、1=1（有借位）, 乘除法： 一個(gè)數(shù)乘以2相當(dāng)于該數(shù)左移一位；除以2則相當(dāng)于該數(shù)右移1位。,50,例：,000010110100=00101100B 000010110100=00000010B11B 即： 商=00000010B 余數(shù)=00000011B,51,2. 無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍,一個(gè)n位的無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)X，其表示范圍為 0 X 2n-1 若運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則產(chǎn)生溢出。 （或者說(shuō)運(yùn)算結(jié)果超出n位，則產(chǎn)生溢出） 判別方法： 運(yùn)算時(shí)，當(dāng)最高位向更高位有進(jìn)位（或 借位）時(shí)則產(chǎn)生溢出。,52,例：,11111111 + 00000001 1 00000000 結(jié)果超出位（最高位有進(jìn)位），

18、發(fā)生溢出。（結(jié)果為256，超出位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍255）,53,3. 邏輯運(yùn)算,與()、或()、非() 、異或() 特點(diǎn)：按位運(yùn)算，無(wú)進(jìn)借位 運(yùn)算規(guī)則 . 例：A=10110110, B=01101011 求：AB, AB, AB,54,4. 邏輯門,邏輯門：完成邏輯運(yùn)算的電路 掌握： 與、或、非門邏輯符號(hào)和邏輯關(guān)系（真值表）； 與非門、或非門的應(yīng)用。,55,與門（AND Gate）,Y = AB,注：基本門電路僅完成1位二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算,56,或門（OR Gate）,Y = AB,Y,A B,57,非門（NOT Gate）,1,A,Y,58,異或門（eXclusive OR Gate）,

19、Y = AB,Y,A B,59,5. 譯碼器,74LS138譯碼器：,譯碼輸出,譯碼輸入,譯碼使能,60,74LS138真值表,61,1.4 帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算,計(jì)算機(jī)中的帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù) 把二進(jìn)制數(shù)的最高位定義為符號(hào)位 符號(hào)位為 0 表示正數(shù)，符號(hào)位為 1 表示負(fù)數(shù) 連同符號(hào)位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。 機(jī)器數(shù)所表示的真實(shí)的數(shù)值，稱為真值。 （在以下講述中，均以位二進(jìn)制數(shù)為例）,62,例：,+52 = +0110100 = 0 0110100 符號(hào)位數(shù)值位 -52 = -0110100 = 1 0110100,真值,機(jī)器數(shù),63,1. 符號(hào)數(shù)的表示,對(duì)于符號(hào)數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼

20、、反碼和補(bǔ)碼三種。數(shù)X的原碼記作X原，反碼記作X反，補(bǔ)碼記作X補(bǔ)。 注意：對(duì)正數(shù)，三種表示法均相同。 它們的差別在于對(duì)負(fù)數(shù)的表示。,64,原碼X原,定義 符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù)； 數(shù)值位：真值的絕對(duì)值。,65,原碼的例子,真值,X=+18=+0010010,X=-18=-0010010,原碼,X原,=0 0010010,X原,=1 0010010,符號(hào),符號(hào)位,n位原碼表示數(shù)值的范圍是 對(duì)應(yīng)的原碼是1111 0111。,66,數(shù)0的原碼,8位數(shù)0的原碼：+0 = 0 0000000 - 0 = 1 0000000 即：數(shù)0的原碼不唯一。,67,反碼X反,定義 若X0 ，則 X反=X原 若X

21、0， 則 X反= 對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)位 不變，數(shù)值部分按位求反,68,例：,X= - 52 = -0110100 X原 = 10110100 X反 = 11001011,69,反碼的例子,真值,X=+18=+0010010,X=-18=-0010010,反碼,X反,=0 0010010,X反,=1 1101101,符號(hào),符號(hào)位,n位反碼表示數(shù)值的范圍是 對(duì)應(yīng)的反碼是1000 0111。,70,0的反碼：,+0反 = 00000000 -0反 = 11111111 即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。,71,補(bǔ)碼,定義： 若X0， 則X補(bǔ)= X反= X原 若X0， 則X補(bǔ)= X反+1,72,例：,X= 52

22、= 0110100 X原 = 10110100 X反 = 11001011 X補(bǔ) = X反+1=11001100,n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是 對(duì)應(yīng)的補(bǔ)碼是1000 0111。,73,0的補(bǔ)碼：,+0補(bǔ)= +0原=00000000 -0補(bǔ)= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 對(duì)8位字長(zhǎng)，進(jìn)位被舍掉 +0補(bǔ)= -0補(bǔ)= 00000000,74,特殊數(shù)10000000,該數(shù)在原碼中定義為： -0 在反碼中定義為： -127 在補(bǔ)碼中定義為： -128 對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)：(10000000) = 128,75,8位有符號(hào)數(shù)的表示范圍：,對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)： 原碼： -127 +127 反碼

23、： -127 +127 補(bǔ)碼： -128 +127 想一想：16位有符號(hào)數(shù)的表示范圍是多少？,76,2. 有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,對(duì)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)： 1）求出真值 2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換,77,例：,將一個(gè)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。 1) X補(bǔ) = 0 0101110B 真值為：+0101110B 正數(shù) 所以：X=+46 2) X補(bǔ) = 1 1010010B 負(fù)數(shù) X = X補(bǔ)補(bǔ) = 11010010補(bǔ) = - 0101110B 所以：X = - 46,78,3. 補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則,通過(guò)引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。規(guī)則如下： X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ) X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)- Y

24、補(bǔ) 其中X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號(hào)位參與運(yùn)算。,79,*補(bǔ)碼的運(yùn)算原理,模(module)就是一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的最大容量。例如，鐘表的模為12，8位二進(jìn)制數(shù)的模為28。 凡是用器件進(jìn)行的運(yùn)算都是有模運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果超過(guò)模的部分會(huì)被運(yùn)算器自動(dòng)丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時(shí)，有 X=2n+X (mod 2n) 不難驗(yàn)證， X補(bǔ)=2n+X (mod 2n) 因此， XY補(bǔ)= 2n + (XY) (mod 2n) = (2n+X) + (2n Y) (mod 2n) = X補(bǔ)+ Y補(bǔ),80,例：,X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y補(bǔ) X原=10110100 X補(bǔ)= X反+1=11001100 Y

25、補(bǔ)= Y原=01110100 所以： X+Y補(bǔ)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ) =11001100+01110100 =01000000,81,4. 符號(hào)數(shù)運(yùn)算中的溢出問題,進(jìn)(借)位 在加法過(guò)程中，符號(hào)位向更高位產(chǎn)生進(jìn)位； 在減法過(guò)程中，符號(hào)位向更高位產(chǎn)生借位。 溢出 運(yùn)算結(jié)果超出運(yùn)算器所能表示的范圍。,82,溢出的判斷方法,方法： 同號(hào)相減或異號(hào)相加不會(huì)溢出。 同號(hào)相加或異號(hào)相減可能溢出： 兩種情況： 同號(hào)相加時(shí)，結(jié)果符號(hào)與加數(shù)符號(hào)相反溢出； 異號(hào)相減時(shí)，結(jié)果符號(hào)與減數(shù)符號(hào)相同溢出。 方法： 兩個(gè)8位帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)相加或相減時(shí)，若 C7C61， 則結(jié)果產(chǎn)生溢出。 C7為最高位的進(jìn)(借)位；C為次高位的進(jìn)(

26、借)位。,83,例：,有符號(hào)數(shù)運(yùn)算，有溢出表示結(jié)果是錯(cuò)誤的 無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算，有進(jìn)位表示結(jié)果是錯(cuò)誤的,1 0 1 1 0 1 0 1 + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0,0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1,0 1 0 0 0 0 1 0 + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1,CASE1:,CASE2:,CASE3:,84,1.5 二進(jìn)制編碼,一、十進(jìn)制數(shù)的表示BCD碼 用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。 壓縮BCD碼的每一位

27、用4位二進(jìn)制表示，00001001表示09，一個(gè)字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)。 非壓縮BCD碼用一個(gè)字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù)，高4位總是0000，低4位的00001001表示09。,85,計(jì)算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以處理文字、語(yǔ)音、圖像等各種信息，這些信息統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。 非數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過(guò)程。 最常用的數(shù)據(jù)編碼：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼(American Standard Code for Information Interchange, ASCII碼) （見下頁(yè)ASCII編碼表，教材中的附錄A）,二、非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示,86,ASCII

28、碼美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼,87,ASCII碼,采用7位二進(jìn)制代碼對(duì)字符進(jìn)行編碼 數(shù)字09的編碼是01100000111001，它們的高3位均是011，后4位正好與其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼（BCD碼）相符。 英文字母AZ的ASCII碼從1000001（41H）開始順序遞增，字母az的ASCII碼從1100001（61H）開始順序遞增，這樣的排列對(duì)信息檢索十分有利。 最高位通?？倿?，有時(shí)也用作奇偶校驗(yàn)位。,88,1.6 計(jì)算機(jī)中常用數(shù)據(jù)單位,bit 1Mb=10241024bit=220bit 1Gb=230bit=1024Mb 1Tb=240bit=1024Gb Byte 1 Byte=8bit，1K

29、B=1024 Byte， Word 表示字長(zhǎng)，有1bit, 4bit, 8bit, 16bit等， 一般情況下為2Byte(16bit)。,89,第1章難點(diǎn),補(bǔ)碼的概念及其運(yùn)算 有符號(hào)數(shù)運(yùn)算的溢出問題,90,作業(yè),習(xí)題一4(1)(3),5(2),6(4),8(1)(3),第一章完，謝謝,92,93,2.2 8088微處理器,主要內(nèi)容： 8088CPU外部引線及功能； 8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； 各內(nèi)部寄存器的功能； 8088的工作時(shí)序。,94,一、概述,8088、8086基本類似 16位CPU、AB寬度20位 差別： 指令預(yù)取隊(duì)列：8088為4字節(jié)，8086為6字節(jié) 數(shù)據(jù)總線引腳：808

30、8有8根，8086有16根 8088為準(zhǔn)16位CPU，內(nèi)部DB為16位，但外部?jī)H為8位，16位數(shù)據(jù)要分兩次傳送 本課程主要介紹8088（IBM PC采用）,95,指令預(yù)取隊(duì)列(IPQ),指令的一般執(zhí)行過(guò)程： 取指令 指令譯碼 讀取操作數(shù) 執(zhí)行指令 存放結(jié)果,96,串行工作方式：,8088以前的CPU采用串行工作方式： 1） CPU訪問存儲(chǔ)器(存取數(shù)據(jù)或指令)時(shí)要等待總線操作的完成 2） CPU執(zhí)行指令時(shí)總線處于空閑狀態(tài) 缺點(diǎn)：CPU無(wú)法全速運(yùn)行 解決：總線空閑時(shí)預(yù)取指令，使CPU需要指令時(shí)能立刻得到,取指令 1,執(zhí)行 1,取操 作數(shù)2,執(zhí)行 2,CPU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,存結(jié)果

31、1,取指令 2,97,并行工作方式：,8088CPU采用并行工作方式,取指令2,取操作數(shù),BIU,存結(jié)果,取指令3,取操作數(shù),取指令4,執(zhí)行1,執(zhí)行2,執(zhí)行3,EU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,98,8088的流水線操作,8088 CPU包括兩大部分：EU和BIU BIU不斷地從存儲(chǔ)器取指令送入IPQ，EU不斷地從IPQ取出指令執(zhí)行 EU和BIU構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的2工位流水線 指令預(yù)取隊(duì)列IPQ是實(shí)現(xiàn)流水線操作的關(guān)鍵（類似于工廠流水線的傳送帶） 新型CPU將一條指令劃分成更多的階段，以便可以同時(shí)執(zhí)行更多的指令 例如，PIII為14個(gè)階段，P4為20個(gè)階段(超級(jí)流水線),99,結(jié)論

32、,指令預(yù)取隊(duì)列的存在使EU和BIU兩個(gè)部分可同時(shí)進(jìn)行工作，從而帶來(lái)了以下兩個(gè)好處： 提高了CPU的效率 降低了對(duì)存儲(chǔ)器存取速度的要求,100,8088/8086 CPU的特點(diǎn),采用并行流水線工作方式 對(duì)內(nèi)存空間實(shí)行分段管理： 每段大小為16B64KB 用段地址和段內(nèi)偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)1MB空間的尋址 設(shè)置地址段寄存器指示段的首地址 支持多處理器系統(tǒng)； 片內(nèi)無(wú)浮點(diǎn)運(yùn)算部件，浮點(diǎn)運(yùn)算由數(shù)學(xué)協(xié)處理器8087支持（或用軟件模擬） 注：80486DX以后的CPU已將數(shù)學(xué)協(xié)處理器作為標(biāo)準(zhǔn)部件集成到CPU內(nèi)部,101,8088CPU的兩種工作模式,8088可工作于兩種模式： 最小模式和最大模式 最小模式為單處理機(jī)模

33、式，控制信號(hào)較少，一般可不必外接總線控制器。 最大模式為多處理機(jī)模式，控制信號(hào)較多，CPU必須通過(guò)總線控制器與總線相連。,102,二、8088 CPU的引線及功能,引腳定義的方法可大致分為： 每個(gè)引腳只傳送一種信息（RD等）； 引腳電平的高低不同的信號(hào)（IO/M等）； CPU工作于不同方式有不同的名稱和定義（WR/LOCK 等）； 分時(shí)復(fù)用引腳（AD7 AD0 等） ； 引腳的輸入和輸出分別傳送不同的信息（RQ/GT等）。,103,主要引線（最小模式下）,8088是工作在最小還是最大模式由MN/MX端狀態(tài)決定：MN/MX=0時(shí)工作于最大模式，反之工作于最小模式。 數(shù)據(jù)信號(hào)線(DB)與地址信號(hào)線

34、(AB)： AD7AD0：三態(tài)，地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線。ALE有效時(shí)為地 址的低8位。地址信號(hào)有效時(shí)為輸出，傳送 數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)為雙向。 A19A16：三態(tài)，輸出。高4位地址信號(hào)，與狀態(tài)信號(hào) S6-S3分時(shí)復(fù)用。 A15A8 ：三態(tài)，輸出。輸出8位地址信號(hào)。,104,主要的控制和狀態(tài)信號(hào),WR： 三態(tài)，輸出。寫命令信號(hào)； RD： 三態(tài)，輸出。讀命令信號(hào)； IO/M：三態(tài)，輸出。指出當(dāng)前訪問的是存儲(chǔ)器還是I/O接 口。高：I/O接口，低：內(nèi)存 DEN：三態(tài)，輸出。低電平時(shí)，表示DB上的數(shù)據(jù)有效； RESET：輸入，為高時(shí)，CPU執(zhí)行復(fù)位； ALE： 三態(tài)，輸出。高：AB地址有效； DT/ R：三態(tài)，輸出。

35、數(shù)據(jù)傳送方向，高：CPU輸出， 低：CPU輸入,105,例：,當(dāng)WR=1，RD=0，IO/M=0時(shí)，表示CPU當(dāng)前正在進(jìn)行讀存儲(chǔ)器操作。,106,READY信號(hào)(輸入)：,用于協(xié)調(diào)CPU與存儲(chǔ)器、I/O接口之間的速度差異 READY信號(hào)由存儲(chǔ)器或I/O接口發(fā)出。,READY=0時(shí)，CPU就在T3后插入TW周期，插入的TW個(gè)數(shù)取決于READY何時(shí)變?yōu)楦唠娖健?107,中斷請(qǐng)求和響應(yīng)信號(hào),INTR：輸入，可屏蔽中斷請(qǐng)求輸入端。 高：有INTR中斷請(qǐng)求 NMI：輸入，非屏蔽中斷請(qǐng)求輸入端。 低高，有NMI中斷請(qǐng)求 INTA：輸出，對(duì)INTR信號(hào)的響應(yīng)。,108,總線保持信號(hào),HOLD：總線保持請(qǐng)求信

36、號(hào)輸入端。當(dāng)CPU 以外的其他設(shè)備要求占用總線時(shí)， 通過(guò)該引腳向CPU發(fā)出請(qǐng)求。 HLDA：輸出，對(duì)HOLD信號(hào)的響應(yīng)。為高 電平時(shí)，表示CPU已放棄總線控制 權(quán)，所有三態(tài)信號(hào)線均變?yōu)楦咦锠?態(tài)。,109,三、8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8088內(nèi)部由兩部分組成： 執(zhí)行單元（EU） 總線接口單元（BIU）,110,執(zhí)行單元EU,功能: 執(zhí)行指令 從指令隊(duì)列中取指令代碼 譯碼 在ALU中完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算 運(yùn)算結(jié)果 的特征保存在標(biāo)志寄存器FLAGS中。,111,執(zhí)行單元包括,算術(shù)邏輯單元（運(yùn)算器） 8個(gè)通用寄存器 1個(gè)標(biāo)志寄存器 EU部分控制電路,112,總線接口單元BIU,功能： 從內(nèi)存中取指令送入

37、指令預(yù)取隊(duì)列 負(fù)責(zé)與內(nèi)存或輸入/輸出接口之間的數(shù)據(jù)傳送 在執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序時(shí)，BIU使指令預(yù)取隊(duì)列復(fù)位，從指定的新地址取指令，并立即傳給執(zhí)行單元執(zhí)行。,113,8088的內(nèi)部寄存器,含14個(gè)16位寄存器，按功能可分為三類 8個(gè)通用寄存器 4個(gè)段寄存器 2個(gè)控制寄存器,114,通用寄存器,數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指針寄存器（SP，BP） 變址寄存器（SI，DI）,115,數(shù)據(jù)寄存器,8088含4個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器，它們又可分為8個(gè)8位寄存器，即： AX AH，AL BX BH，BL CX CH，CL DX DH，DL 常用來(lái)存放參與運(yùn)算的操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果,116,數(shù)據(jù)寄存器特有的習(xí)

38、慣用法,AX：累加器。多用于存放中間運(yùn)算結(jié)果。所有 I/O指令必須都通過(guò)AX與接口傳送信息； BX：基址寄存器。在間接尋址中用于存放基地址； CX：計(jì)數(shù)寄存器。用于在循環(huán)或串操作指令中存 放循環(huán)次數(shù)或重復(fù)次數(shù)； DX：數(shù)據(jù)寄存器。在32位乘除法運(yùn)算時(shí)，存放 高16位數(shù)；在間接尋址的I/O指令中存放 I/O端口地址。,117,地址指針寄存器,SP：堆棧指針寄存器，其內(nèi)容為棧頂?shù)?偏移地址； BP：基址指針寄存器，常用于在訪問內(nèi) 存時(shí)存放內(nèi)存單元的偏移地址。,118,BX與BP在應(yīng)用上的區(qū)別,作為通用寄存器，二者均可用于存放數(shù)據(jù)； 作為基址寄存器，BX通常用于尋址數(shù)據(jù)段；BP則通常用于尋址堆棧段。

39、 BX一般與DS或ES搭配使用,119,變址寄存器,SI：源變址寄存器 DI：目標(biāo)變址寄存器 變址寄存器常用于指令的間接尋址或變址尋址。特別是在串操作指令中，用SI存放源操作數(shù)的偏移地址，而用DI存放目標(biāo)操作數(shù)的偏移地址。,120,段寄存器,用于存放邏輯段的段基地址(邏輯段的概念后面將要介紹) CS：代碼段寄存器 代碼段用于存放指令代碼 DS：數(shù)據(jù)段寄存器 ES：附加段寄存器 數(shù)據(jù)段和附加段用來(lái)存放操作數(shù) SS：堆棧段寄存器 堆棧段用于存放返回地址，保存寄存器內(nèi)容， 傳遞參數(shù),121,控制寄存器,IP：指令指針寄存器，其內(nèi)容為下一條 要執(zhí)行的指令的偏移地址 FLAGS：標(biāo)志寄存器 狀態(tài)標(biāo)志：存

40、放運(yùn)算結(jié)果的特征 控制標(biāo)志：控制某些特殊操作 6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位(CF，SF，AF，PF，OF，ZF) 3個(gè)控制標(biāo)志位(IF，TF，DF),122,四、存儲(chǔ)器尋址,物理地址 8088：20根地址線，可尋址220(1MB)個(gè)存儲(chǔ)單元 CPU送到AB上的20位的地址稱為物理地址,123,物理地址,物理地址,. . 60000H 60001H 60002H 60003H 60004H . . .,12H,F0H,1BH,08H,存儲(chǔ)器的操作完全基于物理地址。 問題： 8088的內(nèi)部總線和內(nèi)部寄存器均為16位，如何生成20位地址？ 解決：存儲(chǔ)器分段,124,存儲(chǔ)器分段,高地址,低地址,段基址,段基址,段基

41、址,段基址,最大64KB，最小16B,段i-1,段i,段i+1,125,邏輯地址,段基地址和段內(nèi)偏移組成了邏輯地址 段地址 偏移地址(偏移量) 格式為：段地址:偏移地址 物理地址=段基地址16+偏移地址,60002H,00H,12H,60000H,0 0 0 0,段基地址（16位）,段首地址, , ,偏移地址=0002H,126,BIU中的地址加法器用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的變換 8088 可同時(shí)訪問4個(gè)段，4個(gè)段寄存器中的內(nèi)容指示了每個(gè)段的基地址,段基址,段內(nèi)偏移,物理地址,+,16位,20位,0000,127,例：,已知CS=1055H，DS=250AH，ES=2EF0H，SS=8FF0

42、H， DS段有一操作數(shù)，其偏移地址=0204H， 1)畫出各段在內(nèi)存中的分布 2)指出各段首地址 3)該操作數(shù)的物理地址=？,解： 各段分布及段首址見右圖所示。 操作數(shù)的物理地址為： 250AH10H+0204H = 252A4H,128,堆棧及堆棧段的使用,內(nèi)存中一個(gè)按FILO方式操作的特殊區(qū)域 每次壓棧和退棧均以WORD為單位 SS存放堆棧段地址，SP存放段內(nèi)偏移，SS:SP構(gòu)成了堆棧指針 堆棧用于存放返回地址、過(guò)程參數(shù)或需要保護(hù)的數(shù)據(jù) 常用于響應(yīng)中斷或子程序調(diào)用,129,堆棧操作,SP,SS,SS,壓棧前,退棧后,高,低,低,高,高,12H,SS,F0H,SP,壓棧后,低,高,SP,SP

43、,SP,F0H,12H,SP,130,例：,若已知（SS）=1000H （SP）=2000H 則堆棧段的段首地址=？ 棧頂?shù)刂?？ 若現(xiàn)在把1234H送入堆 棧，則它所在的存儲(chǔ)單元 地址=？ 若該段最后一個(gè)單元 地址為2FFFH，則棧底 地址=？,段首,棧底,棧頂,堆 棧 段,131,五、時(shí)序,時(shí)序的概念：CPU各引腳信號(hào)在時(shí)間上的關(guān)系。 總線周期：CPU完成一次訪問內(nèi)存(或接口)操作 所需要的時(shí)間。 一個(gè)總線周期至少包括4個(gè)時(shí)鐘周期。 時(shí)鐘周期：由時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生。是計(jì)算機(jī)內(nèi)部最 小的時(shí)間單位，用Ti表示。 (總線周期的時(shí)序參見教材p51),132,2.3 系統(tǒng)總線,主要內(nèi)容： 總線的基本概念

44、和分類； 總線的工作方式； 常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。,133,一、概述,總線： 是一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路的集合。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的公共通道。,地址總線（AB） 數(shù)據(jù)總線（DB） 控制總線（CB）,134,總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（模塊化） 提高兼容性 便于擴(kuò)充升級(jí) 便于維修 減低生產(chǎn)成本,135,總線分類,CPU總線：CPU 其他部件 系統(tǒng)總線：主機(jī)I/O接口 外部總線：微機(jī)外設(shè),片內(nèi)總線 片外總線,按相對(duì) CPU的位置,按層次 結(jié)構(gòu),136,總線結(jié)構(gòu),單總線結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，但總線競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重,137,多總線結(jié)構(gòu),面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu) 面向主存的雙總線結(jié)構(gòu),雙總線

45、結(jié)構(gòu) 多總線結(jié)構(gòu),138,多總線結(jié)構(gòu)(續(xù)),教材p55 圖2-23：面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu) 把需要很高帶寬的主存儲(chǔ)器用存儲(chǔ)總線單獨(dú)與CPU相連 問題：外設(shè)到主存的數(shù)據(jù)傳輸必須通過(guò)CPU， 傳輸效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)DMA傳輸 圖2-24：面向主存的雙總線結(jié)構(gòu) 主存儲(chǔ)器即與CPU直接連接，又與系統(tǒng)總線連接，較好地解決了上述問題,139,二、總線技術(shù)*,總線傳輸需要解決的問題： 傳輸同步協(xié)調(diào)通信雙方的傳輸操作 同步、異步、半同步 總線仲裁消除多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用總線造成的沖突現(xiàn)象 Master查詢，Slave獨(dú)立請(qǐng)求 出錯(cuò)處理 信號(hào)驅(qū)動(dòng),140,同步方式,同步傳輸用公共的時(shí)鐘統(tǒng)一 各部件數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)機(jī)

46、 異步傳輸用控制和狀態(tài)信號(hào)協(xié)調(diào) 各部件數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)機(jī) 半同步用公共的時(shí)鐘統(tǒng)一 控制和狀態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)機(jī)（即控制和狀態(tài)信號(hào)與時(shí)鐘是同步的），但數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)機(jī)仍不固定,141,總線仲裁,用來(lái)決定某一時(shí)刻哪一個(gè)部件可以使用總線 集中控制統(tǒng)一由總線控制器進(jìn)行控制 分散控制總線控制由各部件共同實(shí)現(xiàn)，所有部件均按統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)訪問總線,142,總線仲裁集中控制,1）鏈?zhǔn)讲樵儯╬59圖2-28）基本原理是： 部件提出申請(qǐng)（BR） 總線控制器發(fā)出批準(zhǔn)信號(hào)（BG） 提出申請(qǐng)的部件截獲BG，并禁止BG信號(hào)進(jìn)一步向后傳播 提出申請(qǐng)的部件發(fā)出總線忙信號(hào)（BS），開始使用總線?？偩€忙信號(hào)將阻止其他部件使用總線，直到使用總線的設(shè)備釋放總線 電路最簡(jiǎn)單，但