西北工業(yè)大學(xué)微機(jī)原理第一張

前言:《微機(jī)原理與接口技術(shù)》

課程簡(jiǎn)介1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是學(xué)習(xí)微機(jī)基本知識(shí)和應(yīng)用技能的重要課程，其目的是幫助學(xué)生掌握微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和基本原理；學(xué)會(huì)運(yùn)用指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；熟悉各種典型的接口芯片，掌握接口技術(shù)及其具體應(yīng)用，為后繼計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)及工程實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。前言:《微機(jī)原理與接口技術(shù)》

課程簡(jiǎn)介2.課程教學(xué)安排總學(xué)時(shí)：68學(xué)時(shí)；其中實(shí)驗(yàn)：20學(xué)時(shí)考試形式：機(jī)試3.教材特點(diǎn)按照高等教育的新要求，以必須、夠用為原則，著重闡述微機(jī)原理與接口技術(shù)中必須掌握的基本知識(shí)和技能，由淺入深、重點(diǎn)突出、應(yīng)用性強(qiáng)微機(jī)原理與接口技術(shù)》

課程簡(jiǎn)介相關(guān)概念及應(yīng)用均以課程基本要求為主，表達(dá)上以實(shí)例引出概念、提出問(wèn)題，通過(guò)闡述與分析進(jìn)行歸納總結(jié)；內(nèi)容編排上以典型微機(jī)為對(duì)象，內(nèi)容精煉，通俗易懂。強(qiáng)調(diào)理解概念、弄懂原理、掌握方法、培養(yǎng)技能、突出實(shí)用。強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程中的習(xí)題練習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，每章給出學(xué)習(xí)指導(dǎo)和小結(jié)以及習(xí)題和思考題，便于讀者學(xué)習(xí)和練習(xí)?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》

課程簡(jiǎn)介3.教材的主要模塊微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)微處理器內(nèi)外部特性指令系統(tǒng)與匯編語(yǔ)言存儲(chǔ)器及其接口總線技術(shù)4.學(xué)習(xí)方法:預(yù)習(xí)。尋找一點(diǎn)線索聽課。理解知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)。消化知識(shí)未來(lái)人才的培養(yǎng)重點(diǎn)：重實(shí)踐、能自學(xué)、勤研究、勇創(chuàng)新。鍥而不舍的復(fù)合型人才?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》

課程簡(jiǎn)介輸入/輸出接口技術(shù)中斷控制接口通用可編程接口人機(jī)交互設(shè)備及接口模擬量輸入/輸出接口技術(shù)第一章緒論本章主要教學(xué)內(nèi)容微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展、微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、分類、性能指標(biāo)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成情況計(jì)算機(jī)中數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換、無(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)數(shù)的表示方法ASCII碼、BCD碼的相關(guān)概念和應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)本章教學(xué)目的及要求熟悉微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展，掌握微型計(jì)算機(jī)的分類、性能指標(biāo)；掌握計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；掌握計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換、帶符號(hào)數(shù)的表示、字符編碼等基本知識(shí)。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1微型計(jì)算機(jī)概述1.1.1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展1．計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介1946年2月，在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC，此后計(jì)算機(jī)的發(fā)展隨著其主要電子部件的演變已經(jīng)歷了4代：（1）第一代（1946~1958）電子管計(jì)算機(jī)（2）第二代（1959~1964）晶體管計(jì)算機(jī)（3）第三代（1965~1970）中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（4）第四代（1971年以后）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2．微處理器的產(chǎn)生及發(fā)展微處理器誕生于20世紀(jì)70年代初，將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器等集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡(jiǎn)稱為微處理器。按照微處理器的字長(zhǎng)和功能劃分經(jīng)歷了5代演變：（1）第一代（1971~1973）4位和8位低檔微處理器（2）第二代（1974~1978）8位中高檔微處理器（3）第三代（1978~1980）16位微處理器（4）第四代（1981~1992）32位微處理器（5）第五代（1993年以后）是32位全新高性能奔騰（Pentium）系列微處理器。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)3．計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面：（1）朝著微型計(jì)算機(jī)和巨型計(jì)算機(jī)兩級(jí)方向發(fā)展。（2）開發(fā)和研究的熱點(diǎn)是多媒體計(jì)算機(jī)。（3）未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的總趨勢(shì)是智能化計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1.2微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與性能指標(biāo)1．微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（1）功能強(qiáng)（2）可靠性高（3）價(jià)格低（4）適應(yīng)性強(qiáng)（5）維護(hù)方便微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2．微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1）位（Bit）：一個(gè)二進(jìn)制位，由0和1兩種狀態(tài)構(gòu)成。（2）字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)CPU一次可同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。（3）字節(jié)（Byte）：由8個(gè)二進(jìn)制位組成。（4）字：是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的常用單位。16位微機(jī)由兩個(gè)字節(jié)組成一個(gè)字，32位微機(jī)由4個(gè)字節(jié)組成一個(gè)雙字。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)5）主頻：也稱時(shí)鐘頻率，單位為MHz（兆赫），決定微機(jī)的處理速度。（6）主存容量：主存儲(chǔ)器中RAM和ROM的總和。（7）可靠性：計(jì)算機(jī)在規(guī)定的時(shí)間和工作條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。（8）兼容性：計(jì)算機(jī)的硬件和軟件可用于其他多種系統(tǒng)的性能。（9）性能價(jià)格比：衡量計(jì)算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)，包括計(jì)算機(jī)的硬軟件性能與售價(jià)的關(guān)系。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1.3微型計(jì)算機(jī)的分類1．按照字長(zhǎng)來(lái)分類按照微處理器能夠處理的字長(zhǎng)可分為8、16、32和64位微機(jī)。2．按照制造工藝來(lái)分類按照微處理器器件的制造工藝可分成MOS型和雙極型TTL兩類。3．按照利用形態(tài)來(lái)分類按照利用形態(tài)可分為位片機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī)和PC機(jī)等。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2.1微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)通用微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)由微處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器、系統(tǒng)總線、接口電路、輸入/輸出設(shè)備等部件組成，如圖1-1所示。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)圖1-1通用微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.微處理器也稱為CPU，是微機(jī)的核心部件，包含有運(yùn)算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件，負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和控制。2.內(nèi)存儲(chǔ)器也稱為主存儲(chǔ)器，用來(lái)存放各類操作的數(shù)據(jù)和程序。按功能和性能可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。3.系統(tǒng)總線是CPU與其它部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道，根據(jù)傳送內(nèi)容的不同，可以將總線分成數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)4.I/O接口電路是微型計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁。5.主機(jī)板由CPU插座、芯片組、內(nèi)存插槽、系統(tǒng)BIOS、CMOS、總線擴(kuò)展槽、串并行接口、各種跳線和一些輔助電路等構(gòu)成。6.外存儲(chǔ)器使用最多的是磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器。7.輸入/輸入設(shè)備是微機(jī)系統(tǒng)與外界通信聯(lián)系的渠道，最常用的有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.2.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成及其功能完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成框架如圖1-2所示。硬件系統(tǒng)是由電子部件和機(jī)電裝置所組成的計(jì)算機(jī)實(shí)體；軟件是為運(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。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)操作，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供服務(wù)，包括操作系統(tǒng)、實(shí)用程序和語(yǔ)言處理程序等；應(yīng)用軟件是為用戶解決某種應(yīng)用問(wèn)題的程序及有關(guān)的文件和資料。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用軟件（如軟件包、數(shù)據(jù)庫(kù)等）機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序主機(jī)外圍設(shè)備運(yùn)算器控制器寄存器微處理器內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線并行I/O串行I/OROMRAM外部設(shè)備過(guò)程I/O通道I/O設(shè)備外存儲(chǔ)器模擬量I/O開關(guān)量I/O圖1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成框架第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示1.3.1常用計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1．?dāng)?shù)的表示十進(jìn)制數(shù)采用0~9共10個(gè)數(shù)字符號(hào)及其進(jìn)位來(lái)表示數(shù)的大小。0~9這些數(shù)字符號(hào)稱為“數(shù)碼”；全部數(shù)碼的個(gè)數(shù)稱為“基數(shù)”，用“逢基數(shù)進(jìn)位”進(jìn)行計(jì)數(shù)稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。進(jìn)位以后的數(shù)字按其所在位置的前后，將代表不同的數(shù)值，表示各位有不同的“位權(quán)”，位權(quán)與基數(shù)的關(guān)系是：位權(quán)的值等于基數(shù)的若干次冪。微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2．計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制表1-1給出了計(jì)算機(jī)中常用計(jì)數(shù)制的基數(shù)和數(shù)碼以及進(jìn)位關(guān)系。表1-1計(jì)算機(jī)中常用計(jì)數(shù)制的基數(shù)和數(shù)碼以及進(jìn)位關(guān)系計(jì)數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進(jìn)位關(guān)系二進(jìn)制20、1逢二進(jìn)一十進(jìn)制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進(jìn)一十六進(jìn)制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進(jìn)一微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)3．計(jì)數(shù)制的書寫規(guī)則（1）在數(shù)字后面加寫英文字母作為標(biāo)識(shí)：B(Binary)表示二進(jìn)制數(shù)；D(Decimal)表示十進(jìn)制數(shù)（通常可以省略）；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)作為標(biāo)識(shí)：(1101)2表示二進(jìn)制數(shù)；(287)10表示十進(jìn)制數(shù)；(5AB9)16表示十六進(jìn)制數(shù)。1.2

運(yùn)算基礎(chǔ)1.2.1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＋5×10-21.2.2二進(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(jiǎn)單.可進(jìn)行二值邏輯運(yùn)算1.2.3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=010011110101.11000010B1.2.4計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示方法幾個(gè)概念:無(wú)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)，原碼可表示的數(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(jiǎn)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(guò)加補(bǔ)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)；乘法可以通過(guò)一系列移位相加來(lái)實(shí)現(xiàn)；除法則可以通過(guò)一系列移位加補(bǔ)碼來(lái)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)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(wú)溢出.1.2.5計(jì)算機(jī)中數(shù)的小數(shù)點(diǎn)表示方法

一個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010.01B可表示為:1010.01B=24×0.101001B

那么,任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N,可表示為:N=2j×S

j----階碼,指明小數(shù)點(diǎn)的位置。

s----尾數(shù),表示數(shù)N的全部有效數(shù)字。（1/2≤S＜1）對(duì)任何一個(gè)數(shù)，若階碼j總是固定不變的，則把這種表示法稱為數(shù)的定點(diǎn)表示。如果階碼j可以取不同的值，則把這種表示稱為數(shù)的浮點(diǎn)表示。

1.定點(diǎn)表示若定點(diǎn)計(jì)算機(jī)的階碼j＝0，則該定點(diǎn)數(shù)只能是小數(shù)，其表示的格式為:數(shù)符.數(shù)值小數(shù)點(diǎn)的位置在符號(hào)位與尾數(shù)部分最高位之間。若為8位機(jī),其能表示的數(shù)的范圍:－0.1111111B～＋0.1111111B即－(1-2－7)≤X≤1-2－7還以8位機(jī)為例,若定點(diǎn)計(jì)算機(jī)的階碼j＝7，則該定點(diǎn)數(shù)只能是整數(shù)，其表示的格式為:數(shù)符

數(shù)值.小數(shù)點(diǎn)的位置在符號(hào)位與數(shù)值位之后。8位機(jī)能表示的數(shù)的范圍:－1111111B～＋1111111B即－(27－1)≤X≤27－12.浮點(diǎn)表示階符階碼數(shù)符.數(shù)碼若浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為13位，階符為1位，階碼為3位，數(shù)符為1位，數(shù)碼為8位，則所能表示數(shù)的范圍是：

01111．11111111～01110．1111llll即－27×（1-2－8）～＋27×（1-2－8）若階符1位、階碼m位、數(shù)符1位、數(shù)碼n位，則表示范圍：211…1×(－0.111…1)～211…1×(＋0.111…1)m個(gè)1n個(gè)1m個(gè)1n個(gè)1應(yīng)當(dāng)注意，浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)號(hào)是由尾數(shù)的正負(fù)號(hào)決定的，而階碼的正負(fù)號(hào)只決定小數(shù)點(diǎn)的位置，即決定浮點(diǎn)數(shù)的絕對(duì)值大小。1.2.6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)）

每一位