微機原理與接口技術章

王天真

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Mobile疑地點：物流樓225(146B)微機原理與接口技術參考書微機原理及接口技術，張登攀等主編，電子工業(yè)出版社微機原理與接口技術，牟琦等主編，清華大學出版社微機原理與接口技術，彭虎等編著，電子工業(yè)出版社《IBM-PC匯編語言程序設計》清華大學出版社《微機技術實驗和輔導教程》清華大學出版社我校編寫《微型計算機原理與接口技術實驗指導書》考核方式平時作業(yè) 10%實驗10%課堂回答問題（練習）10%期末考試 70%cpu第一章微型計算機系統(tǒng)概述概述

計算機中數的表示和編碼

微型計算機系統(tǒng)

1946年,美國賓西法尼亞大學研制成功電子數字計算機ENIAC（

ElectronicNumegricalIntergratorAndCalculator

）。第一代電子管時代(1946-1958)

耗電高，體積大，定點計算，機器語言，匯編語言第二代晶體管時代(1958-1965)

變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言第三代中小規(guī)模集成電路時代(1965-1970)

存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時代(1971至今)

向大型機和微型機兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機發(fā)展方向巨型化，微型化，網絡化，智能化，多媒體化1.1概述

微型計算機經歷了4位機、8位機、16位機至高性能的32位機，64位機正在廣泛應用。

應用領域科學和工程計算密碼破譯，天氣預報，地質勘探，衛(wèi)星軌道計算工業(yè)控制機器人以及各種自動化裝備，溫度調節(jié)，閥門控制輔助設計/分析/制造/教學機械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI數據處理數據庫管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計匯總、辦公自動化智能模擬人工智能、專家系統(tǒng)、自學習1.2

計算機中數的表示和編碼

1.2.1

計算機中常用的數制及其轉換一.進位計數制的表示方法十進制ND十個數碼：0～9，逢十進一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權展開式以10為基數，各位系數為0～9。 一般表達式：n:整數位數，m:小數位數，ai：取值范圍0-9

二進制NB兩個數碼：0、1,逢二進一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權展開式以2為基數，各位系數為0、1。 一般表達式：

1.2.1

計算機中的進位計數制八進制No八個數碼：0、1、2、3、4、5、6、7逢八進一。例1101.101=1×83+1×82+0×81+1×80+1×8-1+1×8-3

加權展開式以8為基數，各位系數為0～7。一般表達式：1.2.1

計算機中的進位計數制

十六進制NH十六個數碼0～9、A～F，逢十六進一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數，各位系數為0～9，A～F。 一般表達式：

1.2.1

計算機中的進位計數制問題？2，8，10，16進制的英語？1.2.1

計算機中的進位計數制小節(jié)每一計數制有一確定的基數R，系數ai有R種可能的取值“逢R進一”小數點右移一位相當于乘R；反之相當于除以R二.進位計數制之間的轉換R進制數轉換為十進制數：按權展開，求和

例：1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5十進制數轉換為R進制數：整數和小數部分分別進行轉換

1、整數部分

“除R取余”：十進制整數不斷除以轉換進制基數，直至商為0。每除一次取一個余數，從低位排向高位。二.進位計數制之間的轉換例：39轉換成二進制數

39=100111B 2 392191（b0）

291（b1） 241（b2）

220（b3）

210（b4）

01（b5

）二.進位計數制之間的轉換2、小數部分

“乘R取整”：用轉換進制的基數乘以小數部分，直至小數為0或達到轉換精度要求的位數。每乘一次取一次整數，從最高位排到最低位。例：1、0.625轉換成二進制數

0.625 ×2 1.2501(b-1) × 2 0.500(b-2) × 2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B二.進位計數制之間的轉換二進制與八進制、十六進制之間的轉換

八進制二進制：一位八進制數用三位二進制數表示。十六進制二進制：一位十六進制數用四位二進制數表示。二進制八進制：從小數點開始，分別向左右兩邊把三位二進制數碼劃為一組，最左和最右一組不足三位用0補充，然后每組用一個八進制數碼代替。二進制十六進制：與八進制類似，但是四位分為一組。1.2.2帶符號數的表示無符號數和帶符號數

無符號數：機器的全部有效位均用來表示數的大小，如

N＝01001表示無符號數9

帶符號數：機器中，最高位作符號位(數的符號用“0”、“1”

表示)，其余位為數值位。機器數與真值機器數：機器中數的表示形式，如原碼、反碼、補碼。真值：機器數所代表的實際數值例:一個8位機器數與它的真值對應關系：

真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=-1010100B

機器數：[X1]機=01010100[X2]機=110101001.2.2帶符號數的表示原碼

最高位為符號位，0表示正數，1表示負數。 數值位與真值數值位相同。 例：真值：x1=+1010100B x2=－1010100B

機器數：[x1]原=01010100 [x2]原=11010100

特點：

1、表示簡單、直觀。

2、0的表示不唯一，即真值0有兩種不同的表示形式，＋0或

-0。[＋0]原=0.00…0[-0]原=1.00…03、加減運算復雜。

正數的反碼與其原碼相同。 負數反碼符號位為1，數值位為原碼數值各位取反。 例：8位反碼機器數 x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100 x=-4：[x]原=10000100[x]反=11111011x=+0：[x]原=00000000[x]反=00000000 x=-0：[x]原=10000000[x]反=11111111x=+127：[x]原=01111111 [x]反=01111111 x=-127：[x]原=11111111[x]反=100000001.2.2帶符號數的表示反碼1.2.2帶符號數的表示補碼數的補碼與“模”有關

“模”:計數系統(tǒng)的量程

[X]補=M＋X（modM）當X≥0，M丟掉,[X]補=X

當X<0，[X]補=M+X=M-｜X｜。

正數的補碼與原碼相同；負數的補碼為其反碼加1。

例：8位二進制數的模為：28=256

當X<0，[X]補=28-｜X｜

=256-｜X｜=255-｜X｜+1 =[X]反碼

+1

1.2.2帶符號數的表示1.2.2帶符號數的表示

例：8位補碼機器數

x=+4 [x]原=[x]反=[x]補=00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011，[x]補=11111100

優(yōu)點：1、0的表示唯一。

2、加減運算方便。即負數用補碼表示時，可以把減法轉化為加法。

3、8位二進制補碼表示的整數范圍為+127---－128；16位二進制補碼表示的整數范圍為－32768～＋32767；若機器字長為n，則補碼表示的整數范圍為－2n-1～＋（2n-1－1）。

4、由補碼求真值：當為負數時，即最高位為1，其絕對值所對應的二進制數應為各數值位“按位求反加1”的和。

1.2.2帶符號數的表示補碼運算：

補碼加法：[A+B]補=

[A]補+[B]補（mod2）

即兩數和的補碼等于兩數補碼的和。也就是，在進行補碼加法時，可以不必考慮加數的正負，直接進行加法即可。從而簡化了計算機內部的操作。

注：在模2的意義下相加，即超過2的進位要丟掉。1.2.2帶符號數的表示例:

1、計算（-70+55）

解：[-70]原=11000110[-70]補=10111010[55]原=00110111[55]補=00110111[-70]補+[55]補=10111010+00110111=11110001

因符號位為“1”，所以對補碼相加結果11110001的數值部分“求反加1”得：-15

所以：-70+55＝－151.2.2帶符號數的表示2、計算[-70+（-55）]解：[-70]原=11000110[-70]補=10111010[-55]原=10110111[-55]補=11001001[-70]補+[-55]補

=10111010+11001001=1（10000011）

因符號位為“1”，所以對補碼相加結果10000011的數值部分“求反加1”得：-125

所以：-70+（-55）＝-1251.2.2帶符號數的表示

注：

1、補碼運算步驟

1）將參加運算的操作數用補碼表示。

2）進行加法得到兩數和的補碼（符號位作為數的一部分參加運算）

3）判斷是否溢出

若沒有溢出，則可進一步求和的真值：和為正數可直接求出，和為負數，則再次“求反加1”，得到真值。1.2.2帶符號數的表示2、溢出的判斷：溢出：帶符號數運算的結果超出計算機可以表示的范圍，就是溢出。

8位整數范圍:（＋127，-128）兩個同符號數相加有可能產生溢出；兩個負數補碼相加后得到正數的補碼，或兩個正數的補碼相加后到負數的補碼，都是產生了溢出。1.2.2帶符號數的表示例：計算[＋65]補+

[＋96]補解：[＋65]補+

[＋96]補=01000001＋01100000

＝0

10100001

而10100001＝

[－95]補

可以看出，兩個正數的補碼相加后得到負數的補碼，顯然出錯了。因為161〉127，所以稱為正向溢出1.2.2帶符號數的表示例：計算（-70）補+（-60）補解：（-70）補+（-60）補

=10111010+11000100=101111110

兩個負數之和卻產生了正的結果，同樣是因為產生了溢出。因是超出了負的最大范圍，所以是負向溢出1.2.2帶符號數的表示3、溢出的解決：擴大數的表示范圍可以防止溢出。數的擴展不能改變數的大小，只能改變數的位數。

正數擴展：高位全部加0；負數擴展：高位全部加1。如：-70(10111010)補

(1111111110111010)補

1.2.2帶符號數的表示純小數時的情況

1、8位二進制數補碼范圍：+127/128－-1

小數形式:0.1111111－1.00000002、轉換方法：與整數相同1.2.2帶符號數的表示移碼

定義：[x]

移＝2n-1+x[x]

移機器數，x為真值表示：符號位與補碼相反，其它位與補碼相同。

1.2.4計算機中常用的編碼BCD碼(BinaryCodedDecimal)

二進制代碼表示的十進制數。

8421BCD碼例：求十進制數876的BCD碼

[876]BCD=100001110110 876=36CH=1101101100B

1.2.4計算機中常用的編碼符號信息的編碼：P15表1-4-2

美國標準信息交換碼ASCII碼，用于計算機與計算機、計算機與外設之間傳遞信息。漢字的編碼全拼和中文名？？？CISCRISC

第3節(jié)微型計算機系統(tǒng)

1.3.1微處理器微處理器

中央處理器：運算器和控制器合在一起稱中央處理器。

微處理器：利用超大規(guī)模集成電路技術把運算器和控制器集成在一片硅片上形成微處理器，即CPU。一般由算術邏輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數器、數據地址鎖存器／緩沖器、時序和控制邏輯部件及內部總線等組成。

1.3.1微處理器微處理器結構CPU的主要功能是取出指令、分析、并執(zhí)行指令，也就是不斷地從存儲器中取出指令和操作數，完成指令所規(guī)定的操作工作。

1.3.1微處理器1）算術邏輯單元ALU：進行各種算術運算和邏輯運算。2）累加器和通用寄存器組：保存參加運算的數據和運算的中間結果。累加器是特殊的寄存器，它既向ALU提供操作數，又接收ALU的運算結果。3）CPU中有一些專用寄存器（如程序計數器PC、堆棧指針

SP和標志寄存器FR等）。4）程序計數器用來存放下一條要執(zhí)行的指令地址。1.3.1微處理器5）堆棧指針SP：用來存放棧頂地址。堆棧是一種特殊的存貯區(qū)域，按照“先進后出”的原則工作。6）標志寄存器：存放指令執(zhí)行結果的特征和處理器的狀態(tài)。7）指令譯碼器：對指令進行譯碼，產生相應的控制信號送至時序和控制邏輯電路，組合成外部電路工作所需要的時序和控制信號。1.3.1微處理器

指令執(zhí)行的基本過程：（1）假設程序已存儲在內存單元中。開始執(zhí)行程序時，程序計數器中保存第一條指令的地址，指明當前將要執(zhí)行的指令存放在存儲器的哪個單元。（2）控制器將程序計數器中的地址送至地址寄存器MAR，并發(fā)出讀命令。存儲器根據此地址取出一條指令，經過數據總線送入指令寄存器IR。（3）指令譯碼器對IR中的指令進行譯碼，并由控制邏輯陣列向存儲器、運算器等部件發(fā)出操作命令，執(zhí)行指令操作碼規(guī)定的操作。操作可以是讀／寫內存、算術／邏輯運算或輸入/輸出操作等。（4）修改程序計數器的內容，為取下一條指令做準備。

1.3.2微型計算機微型計算機

微型計算機由CPU、存儲器、輸入／輸出接口及系統(tǒng)總線組成。微機與外部交換信息通過總線控制。外部——采用三總線結構AB、DB、CB。內部——采用單總線,

即內部所有單元電路都掛在內部總線上，分時使用總線。1.3.2

微型計算機1.3.2微型計算機1、總線及存儲器

系統(tǒng)總線包括數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。地址總線：傳送地址信息，單向。其位數決定了CPU可以直接尋址的內存空間、I/O口數目。A15~A0，可尋址216=64KB內存單元。A7~A0，可尋址28=256外設接口。數據總線：傳送數據，雙向。其位數和微處理器的位數相對應?？刂瓶偩€：傳輸控制信號。

1.3.2微型計算機

存儲器1）存儲器是用來存儲數據、程序的部件。按照存儲器與CPU的關系，分為內存儲器（主存儲器）和外存儲器。按其工作方式，又可分為隨機存儲器和只讀存儲器。2）三級存儲體系結構：高速緩沖存儲器、內存儲器和外存儲器

1.3.2微型計算機輸入／輸出設備和接口：外設：計算機中除主機以外的其它機電或電子設備統(tǒng)稱外部設備，簡稱外設。

I/O接口：CPU和外設之間的I／O適配器，是微型計算機的重要組成部件。1.3.2微型計算機2、微型計算機分類

從微型計算機的結構形式來分，為單片機、單板機和多板機。

單片微型計算機（即單片機）。把微型計算機的主要部件CPU、一定容量的存儲器、I／O接口及時鐘發(fā)生器集成在一塊芯片上的單芯片式微型計算機。具有體積小、指令系統(tǒng)簡單、性價比高等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)控制、智能儀器儀表等領域。

單板微型計算機，即單板機。是將微處理器、一定容量的存儲器、輸入／輸出接口、簡單的外部設備、輔助設備通過總線裝配在一塊印刷電路板上的微型計算機。主要用于實驗室以及簡單的控制場合。

1.3.2微型計算機

多板微型計算機也叫系統(tǒng)機。是將單板機模塊、存貯器模塊和I／O接口等模塊組裝在一塊主機板上，通過主機板上的系統(tǒng)總線和各種外設適配器連接鍵盤、顯示器、打印機、光驅、軟、硬盤驅動器，配上電源。將主機板、軟、硬盤驅動器等安裝同一機箱內，適配器、適配卡插在總線擴展槽上，通過總線相互連接，就構成多板微型計算機，配上系統(tǒng)軟件即構成微型計算機系統(tǒng)。個人計算機就是多板微型計算機系統(tǒng)。1.3.2微型計算機

按照微型計算機數據總線的寬度，也就是按照在一次操作中所能傳送的二進制位數的最大值來進行劃分，可分為4位、8位、32位、64位機。

按照微型計算機的應用，又可將微型機分為通用機和專用機。1.3.3微型計算機系統(tǒng)

微型計算機系統(tǒng)

以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部設備以后，就構成完整的微型計算機系統(tǒng)。

微型計算機系統(tǒng)1.3.3微型計算機系統(tǒng)

性能指標:1）字長：字是CPU與存貯器或輸入／輸出設備之間傳送數據的基本單位。字的二進制代碼位數稱為計算機字長，反映一臺機器的計算精度。

2）主存容量：主存貯器所能存貯的信息總量為主存容量。是衡量計算機處理能力大小的一個重要指標。表示主存容量有兩種方法：用字節(jié)數表示；用單元數×字長表示。1.3.3微型計算機系統(tǒng)3）主頻：主時鐘信號的頻率稱為計算機主頻，用于協(xié)調計算機操作。決定計算機的處理速度，頻率越高，處理速度越快。4）運算速度：計算機每秒鐘運算的次數。5）系統(tǒng)可靠性：指計算機系統(tǒng)在規(guī)定的時間和工作