第一章 微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)概述

微型計(jì)算機(jī)原理(第一章）主講教師魏祖雪Email:starwxy94@163.com重慶三峽學(xué)院——電子信息工程學(xué)院課程性質(zhì)及教學(xué)目的

《微型計(jì)算機(jī)原理》是學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)基本知識(shí)和應(yīng)用技能的重要課程。本課程幫助學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用；學(xué)會(huì)運(yùn)用指令系統(tǒng)和匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；熟悉各種類型的接口及其應(yīng)用，樹立起微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，為后繼計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)及應(yīng)用打好基礎(chǔ)。教材熊江主編，微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)，武漢大學(xué)出版社，2007.8微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，自編課程情況教學(xué)：42學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)考試：作業(yè)20%，實(shí)驗(yàn)20%，期末考試60%答疑輔導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)：/kcp/07/wxjsjyl/參考書:1.沈美明，IBM-PC匯編語言程序設(shè)計(jì)，北京，清華大學(xué)出版社，1991年6月，第一版2.劉樂善，微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用，武漢，華中科技大學(xué)出版社，2004年1月3.戴梅萼等編《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》-從16位到32位第二版4.鄒逢興主編《微型計(jì)算機(jī)原理及其應(yīng)用》典型題解與實(shí)戰(zhàn)模擬國防科技大學(xué)出版社教學(xué)內(nèi)容第一章微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)概述第二章微處理器結(jié)構(gòu)第三章尋址方式和指令系統(tǒng)第四章匯編語言程序設(shè)計(jì)第五章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器第六章中斷技術(shù)第七章定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254*第八章DMA技術(shù)（自學(xué)）第九章可編程并行接口8255A第十章串行接口第十一章USB接口(其它常用接口）(自學(xué))第一章微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)概述1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和特點(diǎn)1.2微型計(jì)算機(jī)的指標(biāo)和分類1.3微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示和編碼1.5微機(jī)系統(tǒng)中的接口問題1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和特點(diǎn)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史

1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。盡管它重達(dá)30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，用了18800多個(gè)電子管，每秒鐘僅能做5000次加法.

這臺(tái)計(jì)算機(jī)有五個(gè)基本部件：輸入器、輸出器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器，奠定了當(dāng)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷五代第一代計(jì)算機(jī)：電子管計(jì)算機(jī)1946年以電子管為邏輯元件第二代計(jì)算機(jī)：晶體管計(jì)算機(jī)1954年以晶體管為邏輯元件第三代計(jì)算機(jī)：集成電路計(jì)算機(jī)1964年以中、小規(guī)模集成電路為邏輯元件第四代計(jì)算機(jī)：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1970年以超大規(guī)模集成電路為邏輯元件第五代計(jì)算機(jī)：智能計(jì)算機(jī)（非馮.羅依曼機(jī)）在50多年的發(fā)展歷程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，特別是進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用開拓了更加廣闊的前景。

20世紀(jì)70年代初在美國硅谷誕生了第一片微處理器。這種將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器等部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器（Microprocessor）。微型計(jì)算機(jī)就是以微處理器為核心，再配上存儲(chǔ)器、接口電路等芯片構(gòu)成的。二、微處理器及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況第一代微處理器是以Intel公司1971年推出的4004，4040為代表的四位微處理機(jī)。第二代微處理機(jī)（1973年~1977年），典型代表有：Intel公司的8080、8085；Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80。第三代微處理機(jī)第三代微機(jī)是以16位機(jī)為代表，基本上是在第二代微機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其中Intel公司的8088。8086是在8085的基礎(chǔ)發(fā)展起來的；M68000是Motorola公司在M6800的基礎(chǔ)發(fā)展起來的；第四代微處理機(jī)以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU為代表，

第五代微處理機(jī)的發(fā)展更加迅猛，1993年3月被命名為PENTIUM的微處理機(jī)面世，98年P(guān)ENTIUM2又被推向市場。二、微處理器及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況按照微型計(jì)算機(jī)的CPU字長和功能劃分，它經(jīng)歷了5代的演變:三、微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1、體積小、重量輕、功耗低2、價(jià)格便宜3、可靠性高4、功能強(qiáng)、使用方便5、維護(hù)方便1.2微型計(jì)算機(jī)的指標(biāo)和分類1.2.1微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)(1)運(yùn)算速度(2)字長⑶存儲(chǔ)容量⑷存取速度⑸系統(tǒng)總線⑹外部設(shè)備配置⑺可靠性、可用性、兼容性和可維護(hù)性⑻輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸速率⑼系統(tǒng)軟件配置1.2.2微型計(jì)算機(jī)的分類⑴按微機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分類(臺(tái)、便)⑵按微處理器的位數(shù)分類⑶按應(yīng)用對(duì)象分類(單片、單板、個(gè)人)⑷微型機(jī)按其應(yīng)用領(lǐng)域分類(民、工、軍)⑸按微型計(jì)算機(jī)的檔次分類(低、中、高)⑹按使用形式分為獨(dú)立使用式和嵌入式1.3微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成運(yùn)算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲(chǔ)器總線輸入輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一.微處理器(Microprocessor)

只是一個(gè)中央處理器(CPU)，由以下幾部分組成：運(yùn)算器，寄存器，控制器，內(nèi)部總線。運(yùn)算器：即算術(shù)邏輯部件(ALU)。寄存器組：用來存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。控制器：控制邏輯部件。負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)的控制，使CPU內(nèi)部、外部協(xié)調(diào)工作。內(nèi)部總線：總線用來傳送CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)及控制信號(hào)。1.3微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成二、微型計(jì)算機(jī)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CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus1、總線概念、分類、系統(tǒng)總線總線是指傳遞信息的一組公用導(dǎo)線，或者說是傳送信息的公共通道?？偩€標(biāo)準(zhǔn)的特性(位寬、工作頻率，二者決定系統(tǒng)吞吐量)物理特性：物理連接方式；功能特性：每根線都具有一定的功能；電器特性：每根線的信號(hào)傳遞方向、有效電平范圍；時(shí)間特性：每根線上的信號(hào)在什么時(shí)間有效總線分類內(nèi)部總線(片內(nèi)總線)：微處理器內(nèi)各個(gè)部件的連接；系統(tǒng)總線（板級(jí)總線）：連接微機(jī)系統(tǒng)的各模塊、板之間的總線；外部總線：微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與外設(shè)之間?？偩€信號(hào)按性質(zhì)可分成三組地址總線AB：傳送地址信息（單向，20根,反過來，16M內(nèi)存空間需要多少地址線？）數(shù)據(jù)總線DB

：傳送數(shù)據(jù)信息（雙向，常與字長一樣）控制總線CB

：傳送控制信息（雙向，控制與請(qǐng)求等）2、存儲(chǔ)器（內(nèi)存與外存）內(nèi)存(主存儲(chǔ)器)是微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等各種信息的部件。按其功能和性能，可以分為：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnlyMemory）

外部存儲(chǔ)器IDE(IntegratedDriveElectronics)接口普通計(jì)算機(jī):IDE存儲(chǔ)設(shè)備SCSI(SmallComputerSystemInterface)標(biāo)準(zhǔn)接口高檔計(jì)算機(jī)、工作站、服務(wù)器：SCSI存儲(chǔ)設(shè)備光驅(qū)、掃描儀、打印機(jī)、刻錄機(jī)軟盤硬盤光盤（CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD）存儲(chǔ)器性能指標(biāo)存儲(chǔ)容量(位（Bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）常用單位：KB、MB、GB、TB1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB

存取速度：讀取時(shí)間、寫入時(shí)間3．輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input/Output）電路，即通常所說的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計(jì)算機(jī)外部設(shè)備交換信息的橋梁。三、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示和編碼1.4.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

進(jìn)位計(jì)數(shù)制基數(shù)位權(quán)如：10011101B1234/1234D572Q2F0AH123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-21.4.2二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部,采用二進(jìn)制,因?yàn)?.容易實(shí)現(xiàn)

.算術(shù)四則運(yùn)算規(guī)則簡單

.可進(jìn)行二值邏輯運(yùn)算為了區(qū)分各種計(jì)數(shù)制的數(shù)據(jù)，經(jīng)常采用以下兩種方法進(jìn)行書寫表達(dá)。(1)在數(shù)字后面加寫相應(yīng)的英文字母作為標(biāo)識(shí)。如：

B（Binary）表示二進(jìn)制數(shù)；

O（Octal）或Q表示八進(jìn)制數(shù)；

D（Decimal）表示十進(jìn)制數(shù)，通常其后綴可以省略；

H（Hexadecimal）表示十六進(jìn)制數(shù)。（2）在括號(hào)外面加數(shù)字下標(biāo)，此種方法比較直觀。如：二進(jìn)制的11010011可以寫成（11010011）2

下表給出了計(jì)算機(jī)中不同計(jì)數(shù)制的基數(shù)、數(shù)碼、進(jìn)位關(guān)系和表示方法。計(jì)數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進(jìn)位關(guān)系表示方法二進(jìn)制20、1逢二進(jìn)一1010B或（1010）2八進(jìn)制80、1、2、3、4、5、6、7逢八進(jìn)一247Q或（247）8十進(jìn)制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進(jìn)一598D或（598）10十六進(jìn)制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F逢十六進(jìn)一7C2FH或（7C2F）161.4.3各進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換舉例1、任意進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-22、十進(jìn)制數(shù)→任意進(jìn)制數(shù)例：將十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

225余數(shù)整數(shù)

212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=01.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11001.101B3、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B1.4.4計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示方法幾個(gè)概念:

無符號(hào)數(shù)帶符號(hào)數(shù)機(jī)器數(shù)真值機(jī)器數(shù)的三種表示方法:

原碼表示法

反碼表示法

補(bǔ)碼表示法一、原碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號(hào)，數(shù)值部分是數(shù)的絕對(duì)值，也稱真值，這種表示法稱為原碼表示法。

1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。

2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位同真值。

例x＝+91＝+10l1011B

[x]原=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]原=11011011B

“0”的表示：[+0]原=00000000B[-0]原=10000000B

對(duì)于8位機(jī)，原碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127二、反碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號(hào)，數(shù)值部分對(duì)于正數(shù)同真值，對(duì)于負(fù)數(shù)是真值各位取反，這種表示法就叫反碼表示法。

1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。

2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位為真值按位取反。例x＝+91＝+10l1011B

[x]反=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]反=10100100B

“0”的表示：[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B

對(duì)于8位機(jī)，反碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127三、補(bǔ)碼表示法

1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。

2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位為它的反碼末位加1。例x＝+91＝+10l1011B

[x]補(bǔ)=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]補(bǔ)=10100100B+1=10100101B

例x＝+8＝+0001000B

[x]補(bǔ)=00001000B

例y＝-8＝-0001000B

[y]補(bǔ)=11110111B+1=11111000B

從這兩個(gè)例子中得到如下規(guī)律：對(duì)一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼連同符號(hào)位在內(nèi)求反加1，即為其相反數(shù)的補(bǔ)碼。例已知[+X]補(bǔ)=01000110B，則[-X]補(bǔ)=?

[-X]補(bǔ)=10111010B

“0”的表示：[+0]補(bǔ)=00000000B[-0]補(bǔ)=00000000B

對(duì)于8位機(jī)，補(bǔ)碼可表示的數(shù)的范圍：-128～+127使用機(jī)器數(shù)要注意:

機(jī)器數(shù)是二進(jìn)制數(shù)，由于符號(hào)位占據(jù)一位，因此有符號(hào)的數(shù)的形式值不等于真正的數(shù)值。特別對(duì)于負(fù)數(shù)的表示形式，原碼形式最高位的1表示負(fù)號(hào)，不是數(shù)，數(shù)值部分是數(shù)的真正值；而反碼和補(bǔ)碼就連數(shù)值部分也不是數(shù)本身了。所以，若要計(jì)算一個(gè)負(fù)數(shù)的機(jī)器數(shù)為十進(jìn)制的多少時(shí)，只有負(fù)數(shù)的原碼的數(shù)值部分才可展開按權(quán)相加。

四、計(jì)算機(jī)引入補(bǔ)碼的好處

引入補(bǔ)碼,可以使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，簡化了運(yùn)算器的線路設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)中，減法可以通過加補(bǔ)碼來實(shí)現(xiàn)；乘法可以通過一系列移位相加來實(shí)現(xiàn)；除法則可以通過一系列移位加補(bǔ)碼來實(shí)現(xiàn)。

因此，計(jì)算機(jī)中只需要一個(gè)加法器就可完成運(yùn)算。五、補(bǔ)碼運(yùn)算

補(bǔ)碼加法規(guī)則：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

補(bǔ)碼減法規(guī)則：[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)例：已知[X]補(bǔ)=11101011B，[Y]補(bǔ)=11001010B，求[X+Y]補(bǔ)和

[X-Y]補(bǔ)真值←→補(bǔ)碼解：[-Y]補(bǔ)=00110110B

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=11101011B+11001010B=10110101B

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)=11101011B+00110110B=00100001B

[X+Y]補(bǔ)和[X-Y]補(bǔ)均無溢出.

判斷是否溢出的方法:正負(fù)判斷法與雙高法1.4.5計(jì)算機(jī)中數(shù)的小數(shù)點(diǎn)表示方法(定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù))1.4.6常用的二進(jìn)制編碼一、BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）0000~1001（0~9）

每一位十進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制編碼來表示。如：(12)BCD=00010010B壓縮BCD碼、非壓縮BCD碼*BCD碼不是二進(jìn)制數(shù)，比如

12=00001100B12對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)二、ASCII碼（二進(jìn)制編碼的符號(hào)）

采用7位二進(jìn)制碼對(duì)一個(gè)字符進(jìn)行編碼，可表示128個(gè)字符，每個(gè)ASCII碼在機(jī)器中占1個(gè)字節(jié)，最高位常為0。當(dāng)作符號(hào)的數(shù)字0～9的ASCII碼：30H～39H

字母A～Z的ASCII碼：41H～5AH

字母a～z的ASCII碼：61H～7AH

三、國標(biāo)碼（二進(jìn)制編碼的漢字）1.4.7基本邏輯電路邏輯函數(shù)：Y=F（A，B）（一）基本邏輯門電路（高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏輯“0”）

（二）多位邏輯運(yùn)算例：與或異或

1101011010

11010∧10110∨10110∨10110100101111001100*按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算，不存在進(jìn)位或借位問題。

1.5微機(jī)系統(tǒng)中的接口問題1、I/O接口的概念：負(fù)責(zé)將外設(shè)連接到總線上的一組邏輯電路的總稱。實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)之間的信息交換。

信號(hào)不兼容（功能定義、邏輯定義、時(shí)序關(guān)系）速度不兼容為了提高CPU的效率為了利于外設(shè)自身的發(fā)展2、為什么要在CPU與外設(shè)之間設(shè)置接口3、接口的功能1）執(zhí)行CPU命令的功能

CPU對(duì)外設(shè)的控制通過接口電路完成——命令口2）返回外設(shè)狀態(tài)的功能 正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)——狀態(tài)口3）數(shù)據(jù)緩沖功能 輸入/輸出緩沖；三態(tài)特性——數(shù)據(jù)口4）設(shè)備選擇功能

地址代碼 I/O設(shè)備選擇信