第一章微機原理

微型計算機原理與接口技術(shù)西安理工大學高科學院湯曉方QQ：4549688521、本課程教學目的和任務

本課程為電子信息學院各專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。它的任務是使學生掌握微型計算機的基本原理和結(jié)構(gòu)，匯編語言程序設(shè)計方法，內(nèi)存擴展方法，I/O口與CPU數(shù)據(jù)交換方式及中斷技術(shù)。為專業(yè)技術(shù)課所需的微機知識打下良好的基礎(chǔ)。2、本課程的教學環(huán)節(jié)組成本課程由理論教學、實驗教學兩部分組成：理論教學4學分50學時基礎(chǔ)理論課堂教學，配以習題的方式。實驗教學14學時驗證的方式。

3、本課程的學習方法軟件與硬件的結(jié)合和交叉前、后內(nèi)容的結(jié)合和交叉本章內(nèi)容提要:微型計算機系統(tǒng)的基本術(shù)語微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展與分類微型計算機的系統(tǒng)組成

第一章微型計算機概論運算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲器總線輸入輸出輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)區(qū)別3個概念1.1微型計算機系統(tǒng)的基本術(shù)語明確3個概念的區(qū)別（Microprocessor）一個大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等微機中的核心芯片（Microcomputer）通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)還有一般的說法：微機、微型機（Microcomputersystem）指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)1.1微型計算機系統(tǒng)的基本術(shù)語接口接口（interface）是微處理器與I/O的連接電路，是CPU與外界進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。1.2微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展與分類1.2.1微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.2.2微型計算機的分類1.2.1微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展

年代

CPU(中央處理器)1971~1972 Intel4004/80081973~1977 Intel80801978~1980 Intel8086/80881981~1989 Intel80286/803861990~至今 Intel80386/80486 Pentium586 PentiumⅡ PentiumⅢ PentiumⅣ1971年第1臺微型計算機誕生微型計算機的發(fā)展老式電腦IBM-PC586電腦Pentium多媒體電腦筆記本電腦掌上電腦等離子交互電腦顯示微處理器的發(fā)展1971.11，Intel公司第一枚微處理器芯片4004，4位機，它總共集成了2200個晶體管。1972年4月，Intel公司宣布另一種型號的微處理器8008研制成功。8位機。1975年1月，Motorola公司宣布推出它的8位微處理器6800。1979年，Intel公司推出了Intel8086/8088微處理器。1983年，Intel公司推出了Intel80286微處理器，它是完全16位微處理器。1985年，Intel公司推出了Intel80386微處理器。1989年，Intel公司推出了Intel80486微處理器。1993年3月，Intel公司推出了名為Pentium（經(jīng)典奔騰）的微處理。1995年11月Intel公司又推出了PentiumPro（高能奔騰）。1997年1月，Intel公司又推出了PentiumMMX（多能奔騰）。1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ（奔騰二代）1999年2月，Intel公司推出了PentiumⅢ（奔騰三代）2000年11月，Intel公司推出了Pentium4（奔騰四代）。2001年5月，Intel公司推出了64位微處理器Itanium。

Intel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentiumIIIntelPentiumIIIIntelPentiumIV1.2.2微機計算機的分類

按微型計算機組成分類

（1）多板機：微型計算機各組成部分裝配在多個印刷電路板上的微型計算機應用：如PC機（臺式、便攜式、手持式）（2）個人微機(PC機)：微型計算機各組成部分裝配在一個印刷電路板上的微型計算機應用：用于教學、實驗等（3）單片機：微型計算機的各組成部分集成在一個超大規(guī)模芯片上，稱之為單片微型計算機，簡稱單片機。應用：廣泛用于測控系統(tǒng)、儀器儀表、工業(yè)控制、通信設(shè)備、家用電器等。因單片機廣泛用于嵌入式系統(tǒng)，亦被稱為微控制器（microcontroller）。1.2.2微機計算機的分類

按微型計算機組成分類

（4）位片機：微型計算機的各組成部分以MC=MPU（ALU+R+CU）+M+I/O接口的形式，配套積木式組裝，字長、指令系統(tǒng)靈活、可變、易擴展。應用：廣泛用于高速實時專用系統(tǒng)，如自控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、高速外設(shè)等。位片機用多個位片組成任意字長的處理器。1.2.2微機計算機的分類

按內(nèi)部存儲器的組成分類

（1）普林斯頓機：程序和數(shù)據(jù)存于同一內(nèi)存系統(tǒng)中，如通用微型計算機。

（2）哈佛機：程序和數(shù)據(jù)分存于嚴格區(qū)分的兩個內(nèi)存系統(tǒng)中，如單片機，DSP等。

1.2.2微機計算機的分類

按用途分類

（1）個人計算機（PC）：通用微型機，體積小、價格低廉，主要為每次一人使用，用戶界面“友好”。又可分為臺式、便攜式、手持式。

（2）工作站（workstation）：這里的工作站是指，具有完整的人機交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內(nèi)存和硬盤，I/O和網(wǎng)絡(luò)功能完善，使用多任務、多用戶操作系統(tǒng)的小型通用個人化的計算機系統(tǒng)。

微型計算機應用的兩個方向用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向通用微機，例如：PC微機功能越強越好、使用越方便越好用于過程控制及智能化儀器儀表方向?qū)Ｓ梦C，例如：工控機、單片機可靠性高、實時性強程序相對簡單、處理數(shù)據(jù)量小1.3微型計算機的系統(tǒng)組成1.3.1微型計算機系統(tǒng)構(gòu)成1.3.2IBMPC/XT微機系統(tǒng)1.3.1微型計算機的系統(tǒng)組成微型計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成1.3.1微機計算機系統(tǒng)構(gòu)成

微型計算機硬件(1)主機

微處理器（CPU）。微處理器包括運算器、控制器和寄存器幾個部分。運算器可以完成算術(shù)運算和邏輯運算。控制器由指令寄存器、指令譯碼器和一些時序控制電路組成?？刂破鞲鶕?jù)指令的要求，對CPU內(nèi)部和外部發(fā)出相應的控制信息，使微型機各部件協(xié)調(diào)地工作，完成指令要求的操作。CPU內(nèi)部的寄存器用于存放運算過程中的數(shù)據(jù)。

存儲器（memory）。存儲器是微機的存儲和記憶部件，用以存放程序代碼和運算需要的數(shù)據(jù)。內(nèi)存通常使用半導體存儲器。各種存儲設(shè)備輸入/輸出接口（I/Ointerface）。CPU要與很多外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，必須通過輸入/輸出接口，所以輸入/輸出接口是CPU與外設(shè)之間的橋梁，這個接口也叫I/O適配器。各種接口卡主板主板是機箱中最大的一塊集成電路板，在它上面集成有CPU插座、內(nèi)存插座、擴展卡插座、輸入輸出系統(tǒng)、總線系統(tǒng)、電源接口等。主板是一個母體，其他的部件或直接插接在主板上，或通過電纜電線連接在主機板上。主板1.3.1微機計算機系統(tǒng)構(gòu)成微型計算機硬件（2）外部設(shè)備外部設(shè)備主要指輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換器；常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀、數(shù)模轉(zhuǎn)換器。磁盤、磁帶既是輸入設(shè)備，又是輸出設(shè)備，而多數(shù)光盤是只讀的，只能做輸入設(shè)備。（3）總線微型計算機主要是由微處理器、存儲器、I/O接口和I/O設(shè)備所組成的，這些部件使用系統(tǒng)總線連接起來。系統(tǒng)總線就是一組傳送信息的公共導線，分為3組，即地址總線AB（addressbus）、數(shù)據(jù)總線DB（databus）、控制總線CB（controlbus）。AB傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向總線。DB在CPU與內(nèi)存（I/O接口）之間傳送數(shù)據(jù)，是雙向總線。而控制總線CB是每一根起一種固定的作用。1.3.1微機計算機系統(tǒng)構(gòu)成微型計算機的結(jié)構(gòu)1.3.1微機計算機系統(tǒng)構(gòu)成微型計算機軟件微型計算機的軟件是為完成運行、管理和測試維護等功能而編制的各種程序的總和。計算機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)（如DOS及Windows、UNIX、Linux等）和系統(tǒng)應用。系統(tǒng)應用包括各種語言的匯編、編譯程序、自診斷程序、文字處理程序、各種工具軟件、數(shù)據(jù)庫管理程序等。應用軟件包括用戶為解決各種工程實際應用而編寫的程序，例如數(shù)控機床的插補程序、控制系統(tǒng)的控制程序等。1.3.2IBMPC/XT微機系統(tǒng)1.IBMPC/XT的配置以8088為CPU的PC/XT機由主機和外部設(shè)備組成，主機采用大底板結(jié)構(gòu)，放置在機箱底部。(1）系統(tǒng)板系統(tǒng)板也叫主板，分為5大部分。CPU及其外圍配套芯片、ROM、RAM、I/O接口、I/O擴展槽。(2)ROMPC/XT機只讀存儲器ROM的容量為64KB，其中有32KB固化了BASIC解釋程序，8KB的基本輸入/輸出系統(tǒng)BIOS。BIOS是一組管理程序，它包括加電自檢程序、DOS引導程序、日歷鐘管理程序、基本外設(shè)如鍵盤、CRT顯示器、打印機等驅(qū)動程序等。1.3.2IBMPC/XT微機系統(tǒng)(3)RAM原裝PC機的隨機存儲器芯片共4列，每列9片，共36片，組成帶奇偶校驗的64KB內(nèi)存。而后期的兼容機，由于存儲器集成度的大大提高，系統(tǒng)板上內(nèi)存容量為640KB。586機型，內(nèi)存的配置高達32～128MB，采用內(nèi)存條。(4)I/O接口電路及總線部分系統(tǒng)板上還有音頻盒式磁帶機、鍵盤接口、揚聲器接口電路，磁帶機接口已經(jīng)很少使用。IBMPC/XT的主機板上有8個擴展槽，用于插入不同功能的插件板，以連接各種外設(shè)，如外設(shè)適配器。IBMPC/XT為62芯總線。它與I/O槽的62線相連，62芯總線包括8位數(shù)據(jù)線（雙向），20位地址線，IRQ2～IRQ7中斷請求線，3位DMA控制線，4位電源線，3位地線以及存儲器和外設(shè)讀寫線，時鐘信號線等。1.3.2IBMPC/XT微機系統(tǒng)2.IBM-PC/XT和外設(shè)的連接配置一個基本系統(tǒng)，一般還需要一個I/O插槽放置多功能卡，它有軟盤驅(qū)動適配器和硬盤驅(qū)動適配器、打印機適配器、串口等，還有一個擴展槽插入彩色顯示適配器，還可用擴展槽插入其他外設(shè)接口。IBMPC/XT和外設(shè)的連接如圖所示。1.3.2IBMPC/XT微機系統(tǒng)補充1：數(shù)制及數(shù)的轉(zhuǎn)換進位計數(shù)制是指采用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則，并按進位的原則進行計數(shù)的數(shù)值表示方法。進位計數(shù)制

例如：十進制記數(shù)（逢十進一），十二進制（十二月為一年）、二十四進制（一天24小時）及六十進制（每分鐘60秒、每小時60分鐘）、二進制（兩只鞋為一雙）等?，F(xiàn)實世界中的信息在計算機內(nèi)部必須采用二進制編碼。由于二進制的基數(shù)比較小，表示較大數(shù)據(jù)時位數(shù)比較多，在計算機科學和程序設(shè)計中表述比較繁瑣，所以引入了與二進制相互轉(zhuǎn)換更便捷的八進制和十六進制進位計數(shù)制的基本信息（1）記數(shù)符號。也稱為數(shù)碼，例如十進制采用10個記數(shù)符號，分別是0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。（2）基數(shù)。是記數(shù)符號的個數(shù)，例如十進制共有10個記數(shù)符號，所以其基數(shù)為10。（3）進位規(guī)則。例如十進制數(shù)相鄰兩位之間采用“逢十進一”的進位規(guī)則。（4）權(quán)值。權(quán)值的大小是以基數(shù)為底、數(shù)碼所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪，如十進制的個位數(shù)位置的權(quán)值是100，十位數(shù)位置上的權(quán)值為101，百位數(shù)位置上的權(quán)值為102，小數(shù)點后1位的權(quán)值為10-1等。（5）表示方法。B代表二進制，用O代表八進制，用H代表十六進制，用D代表十進制，D可以省略。具體表示時，數(shù)值放在小括號內(nèi)，后面加上一個表示數(shù)制的大寫字母作下標，例如：(11001.11)B，(257.31)O，(34AD.31)H，(549.65)D或者549.65計算機中常用的各種進制數(shù)的表示進位制二進制八進制十進制十六進制進位規(guī)則逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一基數(shù)r=2r=8r＝10r=16基本符號0，10，1，2，…，70，1，2，…，90，1，…，9，A，B，C，…，F(xiàn)權(quán)值2i8i10i16i表示形式BODHN=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-mr進制數(shù)N可表示為：R進制數(shù)用r個基本符號（例如0，1，2，…，r-1）表示數(shù)值基數(shù)權(quán)數(shù)碼678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-2不同進位計數(shù)制間的轉(zhuǎn)換r進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法是將該數(shù)值的各個數(shù)碼與該數(shù)碼所在位置的權(quán)值的乘積進行累加，1．r進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)例如：將二進制數(shù)11001.11轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)：（11001.11）B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2=（25.75）D例如：將十六進制數(shù)A12轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)：（A12）H=10×162＋1×161＋2×160=（2578）D將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制數(shù)時，對整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換。2．十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制數(shù)整數(shù)部分：除基數(shù)取余數(shù)，逆序排列用這個十進制數(shù)的整數(shù)部分除以基數(shù)r，保留本次運算得到的余數(shù)，繼續(xù)用本次運算得到的商除以基數(shù)r，保留余數(shù)……直到商為零，把每次運算得到的余數(shù)按逆序排列就是這個數(shù)的r進制整數(shù)。例如，將（78.625）D轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)必須將78和0.625分別轉(zhuǎn)換78=（1001110）B小數(shù)部分：乘基數(shù)取整數(shù)，順序排列用這個十進制數(shù)的小數(shù)部分乘以基數(shù)r，把得到的積的整數(shù)部分保留，而把積的小數(shù)部分繼續(xù)乘以基數(shù)r，直到積為零，把每次乘法運算得到的整數(shù)部分按順序排列，就得到這個數(shù)的r進制小數(shù)。0.625=（0.101）B（78.625）D=（1001110.101）B

例如，將（193.12）D轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)

由于小數(shù)部分0.12不能精確地轉(zhuǎn)換成一個八進制小數(shù)，在這里取小數(shù)點后三位。最后一次乘積的整數(shù)部分是5，小數(shù)部分是0.44，按照“三舍四入”的原則，第三位小數(shù)取6。所以轉(zhuǎn)換結(jié)果為：（193.12）D≈（301.076）O計算機中常用數(shù)制基本數(shù)值轉(zhuǎn)換對照表3．二進制數(shù)、八進制數(shù)和十六進制數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換

十進制二進制八進制十六進制十進制二進制八進制十六進制000000810001081001119100111920102210101012A30113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117715111117F二進制轉(zhuǎn)換為八進制八進制與二進制的基數(shù)存在特殊關(guān)系：8=23，即1位八進制數(shù)相當于3位二進制數(shù)，根據(jù)這種對應關(guān)系，二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)時，以小數(shù)點為中心向左右兩邊分組，每3位為一組，兩頭不足3位補0，然后將每組二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成一個八進制數(shù)。例如：將二進制數(shù)（10101110.0010101）B換轉(zhuǎn)為八進制數(shù)（010

101

110.001

010

100）B=（256.124）O256124八進制轉(zhuǎn)換為二進制八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)時，只要依次將每一位八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成三位二進制數(shù)表示，然后取消整數(shù)前的高位0和小數(shù)后的低位0即可。例如：將八進制數(shù)（654.731）8換轉(zhuǎn)為二進制數(shù)（654.731）O=（110

101

100.111

011

001）B654731二進制轉(zhuǎn)換為十六進制十六進制與二進制的基數(shù)存在特殊關(guān)系：16=24，即1位十六進制數(shù)相當于4位二進制數(shù)，根據(jù)這種對應關(guān)系，二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)時，以小數(shù)點為中心向左右兩邊分組，每4位為一組，兩頭不足4位補0，然后將每組二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成一個十六進制數(shù)。例如：將二進制數(shù)（10101110.0010101）B換轉(zhuǎn)為十六進制數(shù)的過程（1010

1110.0010

1010）B=（AE.2A）HAE2A十六進制轉(zhuǎn)換為二進制十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)時，只要依次將每一位十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成4位二進制數(shù)表示，然后取消整數(shù)前的高位0和小數(shù)后的低位0即可。例如：將十六進制數(shù)（CBA.98）H換轉(zhuǎn)為二進制數(shù)的過程（CBA.98）H=（1100

1011

1010.1001

1000）B=（11011011.10011）BCBA98符號（正、負數(shù)）：在計算機中，總是用數(shù)的最高位來 表示數(shù)的符號，0代表正數(shù)，1代表負數(shù)；計算機中的數(shù)據(jù)可以分為數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)兩大類。數(shù)值型數(shù)據(jù)指的是能參加算術(shù)運算的數(shù)據(jù)。在計算機內(nèi)部采用二進制表示數(shù)值型數(shù)據(jù)。首先要確定：數(shù)值型數(shù)據(jù)在計算機中的表示補充2：計算機信息編碼有符號數(shù)可有三種表示方法，分別叫做原碼、反碼和補碼。原碼、反碼、補碼（1）原碼：符號位的0表示正，1表示負；其數(shù)值部分就是X絕對值的二進制表示例：二進制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110二進制數(shù)－1000110的原碼表示為：11000110一個字節(jié)數(shù)據(jù)原碼表示范圍： -127≤X≤+127（2）反碼：對于正數(shù)，與原碼相同；對于負數(shù)，符號位為1，其數(shù)值部分就是X絕對值的二進制取反。二進制數(shù)－1000110的反碼表示為：10111001例：二進制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110一個字節(jié)數(shù)據(jù)反碼表示范圍： -127≤X≤+127（3）補碼：對于正數(shù)，與原碼相同；對于負數(shù)，符號位為1，其數(shù)值部分就是X絕對值的二進制取反最右加1，即反碼加1。補碼表示范圍：-128≤X≤+127（-128=10000000）例：二進制數(shù)+1000110的補碼表示為：01000110二進制數(shù)－1000110的補碼表示為：10111010可以證明：兩個補碼形式的數(shù)（無論正負）相加，只要按二進制運算規(guī)則運算，得到的結(jié)果就是其和的補碼。即有：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

數(shù)的長度：指一個數(shù)據(jù)在計算機中所占用的實際位數(shù)。同樣類型的數(shù)據(jù)，無論大小，其數(shù)據(jù)長度都一樣。當長度不一致時，高位補0。位（bit）：是計算機表示信息的最小單位，由1位二進制數(shù)表示，或者為0，或者為1。如（11011001）B由8個二進制位組成，因此我們稱它占用8個二進制位，或稱8bits。字節(jié)（Byte）：簡稱B，是計算機處理信息的最基本單位，一個字節(jié)由8個二進制位組成，通常作為存儲容量的計量單位。字(Word):指計算機進行數(shù)據(jù)處理，包括運算，傳輸?shù)?，所使用的基本信息單位，由若干個二進制位組成字長WordLength):指一個字所包含的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)。數(shù)值型數(shù)據(jù)的兩種表示方法純二進制數(shù)，前面介紹的就是這種形式。壓縮十進制數(shù)形式(BinaryCodeDicemal)每位十進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示。1111842123222120十進制數(shù)BCD碼十進制數(shù)BCD碼00000501011000160110200107011130011810004010091001例:126D的純二進制方式和BCD方式表示純二進制方式：126D=1111110BBCD方式：126D=000100100110B126字符在計算機中的表示

ASCII碼ASCII-AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國標準信息交換碼

；7位編碼，存儲時占一個字節(jié)(Byte)，第８位一般為0；共128個編碼，27＝128包括大小寫英文字母（各26個）阿拉伯數(shù)字（10個）標點符號和運算符（32個）控制碼（34個）例如：“a”字符的編碼為1100001，對應的十六進制數(shù)是62H低位LSB高位MSB00001001201030114100510161107111012345000000010010001101000101NULSOHSTXETXEOTENQDLEDC1DC2DC3DC4NAKSP！″#$%012345@ABCDEPQRSTU、abcdepqrstu6789A01100111100010011010A