第一章基礎(chǔ)知識

微機(jī)原理與接口技術(shù)成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校2005.91課程目標(biāo)微機(jī)原理是學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程：微型計算機(jī)的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計微型計算機(jī)接口技術(shù)建立微型計算機(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2教學(xué)大綱一基礎(chǔ)知識二微型計算機(jī)基礎(chǔ)三8086/8088

CPU的指令系統(tǒng)四匯編語言程序設(shè)計五存儲器系統(tǒng)六I/O接口與中斷、計數(shù)器七A/D及D/A轉(zhuǎn)換器八常用數(shù)字接口3第1章基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容：計算機(jī)的發(fā)展各種常用記數(shù)制和編碼4§1.1概述世界上第一臺計算機(jī)是1943-1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的”ENIAC”占地上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦

5000次加法/秒5(1)存儲容量太小,只能存20個字長為10位的十進(jìn)制數(shù)

(2)采用線路連接的方法來編排程序,每次解題都要靠人工改接連線,準(zhǔn)備時間大大超過實際運算時間6馮?諾伊曼計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)(馮氏結(jié)構(gòu))1.“存儲程序”概念的產(chǎn)生及其重要意義。ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具備“存儲程序”的功能EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）——采用“存儲程序”的概念，并付諸實現(xiàn)，“開創(chuàng)了整個程序設(shè)計時代的到來”2.馮氏計算機(jī)5個基本部件：輸入器,輸出器,運算器,存儲器和控制器數(shù)據(jù)和程序存放在存儲器中,采用了二進(jìn)制7計算機(jī)的發(fā)展及分類電子計算機(jī)的發(fā)展：電子管計算機(jī)（1946-1956）晶體管計算機(jī)（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機(jī)（1965-1970）超大規(guī)模集成電路計算機(jī)（1971-今）8微處理器的發(fā)展歷程第一代:4位及低檔8位微處理器(1971-1973)第二代:中、低檔8位微處理器(1974-1978)

第三代:高、中檔8位微處理器(1978-1981)第四代:16及低檔32位微處理器(1981-1992)第五代:高檔32位微處理器(1992年以后)9代發(fā)表年份字長(bits)微處理器型號線寬(m)晶體管數(shù)(萬個)時鐘頻率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP40.60.60.35.25-.13.18-.135504507508501000133-200166-233233-450450-12001300-2400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20條指令/時鐘周期)>300010微型計算機(jī)的發(fā)展動向低檔微型計算機(jī)的發(fā)展

應(yīng)用在家用電器,儀器儀表和過程控制等領(lǐng)域功能強(qiáng),價格低,精巧靈活32位和64位微型計算機(jī)的發(fā)展做成微型計算機(jī)系統(tǒng)運算速度快,主存容量大和有豐富的軟件多微處理器系統(tǒng)的發(fā)展

11計算機(jī)的特征運算速度快計算精度高超強(qiáng)的記憶能力具有邏輯判斷功能實現(xiàn)自動控制12計算機(jī)的分類巨型計算機(jī)（MainframeComputer）大、中型計算機(jī)小型計算機(jī)（Minicomputer）微型計算機(jī)（Microcomputer）工作站13§1.2.微處理器、微型計算機(jī)和微型計算機(jī)系統(tǒng)

（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微處理器:集成在同一塊芯片上的具有運算和控制功能的中央處理器2.微型計算機(jī)：由CPU，半導(dǎo)體存儲器，I/O接口和中斷系統(tǒng)集中裝在同一塊或數(shù)塊印刷電路板上所構(gòu)成的計算機(jī)。單片微型計算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）單板微型計算機(jī)（SingleBoardMicrocomputer）多板微型計算機(jī)（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型計算機(jī)系統(tǒng):在多板機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是高層次的微型計算機(jī),有齊全的硬件和豐富的軟件14微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成1微處理器存儲器I/O接口總線硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微型計算機(jī)系統(tǒng)微型計算機(jī)(主機(jī))外設(shè)ALU寄存器控制器鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機(jī)、掃描儀系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件15核心級——微處理器微處理器簡稱CPU，是計算機(jī)的核心，主要包括：

運算器ALU

控制器CU寄存器組Registers實現(xiàn)運算功能和控制功能16硬件系統(tǒng)級——微型計算機(jī)以微處理器為核心，配上只讀存儲器(ROM)、讀寫存儲器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構(gòu)成了微型計算機(jī)。將CPU、存儲器、I/O接口、總線等集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)。17系統(tǒng)級以微型計算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備以及控制微型計算機(jī)工作的軟件，就構(gòu)成了完整的微型計算機(jī)系統(tǒng)。微型計算機(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。18系統(tǒng)軟件:為使用和管理計算機(jī)有機(jī)器的設(shè)計者提供的軟件.(1)各種語言和它們的匯編后解釋,編譯程序(2)機(jī)器的監(jiān)控管理程序(Montitor),調(diào)試程序(Debug),故障檢查和診斷程序(3)程序庫:為了擴(kuò)大計算機(jī)的功能,機(jī)器中設(shè)置了各種標(biāo)準(zhǔn)子程序,子程序的總和就形成了程序庫.(4)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件:用戶利用計算機(jī)以及計算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件,編制解決用戶各種實際問題的程序.19微型計算機(jī)(主機(jī))的基本結(jié)構(gòu)“CPU+存儲器+I/O接口+系統(tǒng)總線”。微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存儲器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20主機(jī)硬件系統(tǒng)——CPU計算機(jī)的控制中心，提供運算、判斷能力構(gòu)成：ALU、CU、Registers例：Intel8088、PIII、P4

CPU的位數(shù)：4位、8位、16位、32位是指一次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)21主機(jī)硬件系統(tǒng)——存儲器存放程序和數(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：隨機(jī)存取，速度快，容量小外存：磁盤、光盤、半導(dǎo)體盤、…特點：順序存取/塊存取，速度慢，容量大22有關(guān)內(nèi)存儲器的幾個概念內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量23

內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存包含有很多存儲單元(每個內(nèi)存單元包含8bit)，為區(qū)分不同的內(nèi)存單元，計算機(jī)對每個內(nèi)存單元進(jìn)行編號，內(nèi)存單元的編號就稱為內(nèi)存單元的地址1011011038F04H內(nèi)存單元地址內(nèi)存單元內(nèi)容......7654321024內(nèi)存容量和內(nèi)存空間內(nèi)存單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位。注意：內(nèi)存空間與內(nèi)存容量的區(qū)別

內(nèi)存容量：某微機(jī)配置2條128MB的SDRAM內(nèi)存條，內(nèi)存容量為256MB

內(nèi)存空間：又稱為存儲空間、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)

25主機(jī)硬件系統(tǒng)——輸入/輸出接口簡寫為I/O接口，是CPU與外部設(shè)備間的橋梁CPUI/O接口外設(shè)26微機(jī)的總線結(jié)構(gòu)BUS微機(jī)的各個部件之間的信息傳送和處理器內(nèi)部信息的傳送，通過三組不同的總線進(jìn)行的?？偩€：是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。內(nèi)部總線是CPU內(nèi)部各功能部件和寄存器之間的連線；外部總線是連接系統(tǒng)的總線，即連接CPU、存儲器和I/O接口的總線，又稱為系統(tǒng)總線?？偩€包括與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的控制邏輯。在計算機(jī)系統(tǒng)中，總線應(yīng)被看成一個獨立的部件。27三總線結(jié)構(gòu)

它們是：

數(shù)據(jù)總線（DataBus--DB）--雙向地址總線（AddressBus---AB）--單向控制總線（ControlBus—CB）--雙向

總線是計算機(jī)的部件與部件之間傳輸信息的公共通路，它能分時地發(fā)送和接收各部件的信息。28數(shù)據(jù)總線CPU與存儲器、I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送的公共通路.是雙向,三態(tài)的信號線數(shù)據(jù)總線的位數(shù)和處理器的位數(shù)相對應(yīng).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。29地址總線用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址線的根數(shù)決定了CPU的尋址范圍。CPU的尋址范圍=2n，

n-地址線根數(shù)是單向的,三態(tài)信號線

30控制總線用來傳送各種控制信號是雙向,三態(tài)的信號線,但有的為單向,有的為非三態(tài),取決于具體的信號線.實現(xiàn)CPU對存儲器,I/O接口的控制及接收外部傳送給CPU的狀態(tài)信號31微型計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)(1)字長:參與運算的數(shù)的位數(shù).它決定著計算機(jī)的內(nèi)部寄存器、加法器及數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)通路）的位數(shù)。有4位，8位，16位，32位，64位等。(2)主存容量:主存儲器所能存儲信息的總量。通常以字節(jié)數(shù)(Byte)來表示。例：內(nèi)存128MB。(3)運算速度:有不同的計量方法和測試標(biāo)準(zhǔn)。MIPS(MillionInstructionPerSecond)(4)平均無故障運行時間(可靠性)

MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均無故障間隔時間(5)性能/價格比32微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本功能

包括以下幾個重要部分：累加器算術(shù)邏輯運算單元(ALU)狀態(tài)標(biāo)志寄存器寄存器陣列指令寄存器指令譯碼器定時及各種控制信號的產(chǎn)生電路。3334習(xí)題與思考：1．微型計算機(jī)系統(tǒng)有哪些功能部件組成？它們各自具有什么結(jié)構(gòu)？采用什么樣的結(jié)構(gòu)？2．什么是微處理器？什么是微型計算機(jī)？什么是微機(jī)系統(tǒng)？它們之間的關(guān)系如何？3.什么是總線,總線的分類及它們之間的作用和關(guān)系?35§1.3常用計數(shù)制了解特點；表示方法；相互間的轉(zhuǎn)換。36一、常用計數(shù)法

十進(jìn)制——符合人們的習(xí)慣二進(jìn)制——便于物理實現(xiàn)十六進(jìn)制——便于識別、書寫八進(jìn)制37進(jìn)位計數(shù)制的一般表示一般地，對任意一個K進(jìn)制數(shù)S都可表示為

Si

--

S的第i位數(shù)碼，可以是K個符號中任何一個；K

--

基數(shù)；Ki

--K進(jìn)制數(shù)的權(quán)381.十進(jìn)制特點：以十為底，逢十進(jìn)一；

共有0-9十個數(shù)字符號。表示：392.二進(jìn)制特點：以2為底，逢2進(jìn)位；只有0和1兩個符號。表示：403.十六進(jìn)制特點：以16為底，逢16進(jìn)位； 有0--9及A--F共16個數(shù)字符號。表示：41二、各進(jìn)制數(shù)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)位計數(shù)制的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和。

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)10422.十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制→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)點為起點求得整數(shù)和小數(shù)的各個位。433.二進(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

589.C44§1.3二進(jìn)制數(shù)的運算無符號數(shù)算術(shù)運算

有符號數(shù)邏輯運算45一、無符號數(shù)的運算算術(shù)運算

包括：加法運算減法運算乘法運算除法運算461.規(guī)則加法：1+1=0（有進(jìn)位）,…減法：0-1=1（有借位）,…乘法：…,乘以2相當(dāng)于左移一位；除法：…,除以2則相當(dāng)于右移1位。

例：00101110×0000010=?

00101110/00000010=?

47[練習(xí)]：00001011×0100=?

00001011÷0100=?

即：商=?

余數(shù)=?482.無符號數(shù)的表示范圍一個n位的無符號二進(jìn)制數(shù)X，其表示范圍為

0≤

X≤2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。判別方法：運算時，當(dāng)最高位向更高位有進(jìn)位（或借位）時則產(chǎn)生溢出。49[例]：

11111111

+00000001

100000000結(jié)果超出８位（最高位有進(jìn)位），發(fā)生溢出。（結(jié)果為256，超出８位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍255）503.邏輯運算與(∧)、或(∨)、非(▔)、異或(⊕)特點：按位運算，無進(jìn)借位運算規(guī)則

…..514.邏輯門掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門、或非門的應(yīng)用。52與門（ANDGate）Y=A∧BABY000010100111&ABY53或門（ORGate）Y=A∨BABY000011101111YAB≥154非門（NOTGate）1AYY=AAY011055異或門（eXclusiveORGate）Y=A⊕BYAB⊕ABY00001110111056二、有符號數(shù)計算機(jī)中有符號數(shù)的表示把二進(jìn)制數(shù)的最高位定義為符號位符號位為0

表示正數(shù)，符號位為1

表示負(fù)數(shù)連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值。57[例]：

+52=+0110100=0

0110100

符號位數(shù)值位

-52=-0110100=1

0110100

真值機(jī)器數(shù)581.符號數(shù)的表示對于符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、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：對正數(shù)，三種表示法均相同。它們的差別在于對負(fù)數(shù)的表示。59原碼[X]原定義 符號位：0表示正，1表示負(fù)；數(shù)值位：真值的絕對值。60原碼的例子

=00010010=10010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼[X]原[X]原符號符號位n位原碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的原碼是1111～0111。61數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=00000000-0=10000000即：數(shù)0的原碼不唯一。62反碼[X]反定義

若X>0，則[X]反=[X]原

若X<0，則[X]反=對應(yīng)原碼的符號位不變，數(shù)值部分按位求反63[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101164反碼的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反碼[X]反=00010010[X]反=11101101符號符號位n位反碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的反碼是1000～0111。650的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。66補(bǔ)碼定義：若X>0，則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補(bǔ)=[X]反+167[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的補(bǔ)碼是1000～0111。680的補(bǔ)碼：[+0]補(bǔ)=[+0]原=00000000[-0]補(bǔ)=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進(jìn)位被舍掉∴[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=0000000069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對無符號數(shù)：(10000000)２=128708位有符號數(shù)的表示范圍：對8位二進(jìn)制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補(bǔ)碼：-128~+127想一想：16位有符號數(shù)的表示范圍是多少？712.有符號二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換對用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：

1）求出真值2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換72[例]：將一個用補(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)=00101110B真值為：+0101110B

正數(shù)

所以：X=+462)[X]補(bǔ)=11010010B

負(fù)數(shù)

X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[11010010]補(bǔ)=-

0101110B所以：X=

-

46733.補(bǔ)碼加減法的運算規(guī)則通過引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。規(guī)則如下：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)-[Y]補(bǔ)其中X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運算。74[例]：X=-0110100，Y=+1110100，求[X+Y]補(bǔ)[X]原=10110100[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100[Y]補(bǔ)=[Y]原=01110100所以：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=11001100+01110100=01000000754.符號數(shù)運算中的溢出問題進(jìn)(借)位——在加法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生進(jìn)位；在減法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生借位。溢出——運算結(jié)果超出運算器所能表示的范圍。76溢出的判斷方法方法１：同號相減或異號相加——不會溢出。同號相加或異號相減——可能溢出：兩種情況： 同號相加時，結(jié)果符號與加數(shù)符號相反——溢出；異號相減時，結(jié)果符號與減數(shù)符號相同——溢出。77溢出的判斷方法方法２：兩個帶符號二進(jìn)制數(shù)相加或相減時，若

C7C6＝1，則結(jié)果產(chǎn)生溢出。C7為最高位的進(jìn)(借)位；C６為次高位的進(jìn)(借)位。78不帶符號數(shù)的運算加法：和的絕對值不超過整個字長，不溢出。減法：減數(shù)變補(bǔ)，再與被減數(shù)相加來求得。兩個不帶符號數(shù)進(jìn)行加法運算，最高位有進(jìn)位C,則有溢出，但并不表示錯，只是表明給定字長無法表示，向更高位有進(jìn)位而已。