微型計算機系統(tǒng)概述學(xué)時

微型計算機系統(tǒng)概述學(xué)時第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日教材參考書《微型計算機原理與接口技術(shù)》（第2版）

尹建華主編高等教育出版社2008.1《微機原理與接口技術(shù)》

徐惠民主編高等教育出版社2007.8第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日考核方式：考查成績構(gòu)成：

試卷成績（60%）平時成績（40%）包括考勤、作業(yè)、提問等

課程考核方式第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日微型計算機系統(tǒng)概述微處理器半導(dǎo)體存儲器微型機總線及輸入/輸出接口中斷控制器（8259A）

DMA控制器（8237A）定時計數(shù)控制器（8253-5/8254-2）并行接口（8255A）串行接口（8251A）課程內(nèi)容第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一章

微型計算機系統(tǒng)概述

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解微型計算機的發(fā)展、應(yīng)用及其分類掌握計算機數(shù)據(jù)的表示掌握計算機的組成結(jié)構(gòu)理解微型計算機的工作過程第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1微型計算機的發(fā)展、應(yīng)用及其分類

1、1、1微機計算機的發(fā)展1971年，美國Intel公司研究并制造了4004微處理器芯片。該芯片能同時處理4位二進(jìn)制數(shù)，集成了2300個晶體管，每秒可進(jìn)行6萬次運算，成本約為200美元。它是世界上第一個微處理器芯片，以它為核心組成的MCS-4計算機，標(biāo)志了世界第一臺微型計算機的誕生。微機概念：以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微處理器作為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路及系統(tǒng)總路線所組成的計算機。劃分階段的標(biāo)準(zhǔn)：以字長和微處理器型號。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一代4位和低檔8位機Intel4004第二代中高檔8位機8080/8085、Z80、MC6800第三代16位機Intel8086、Z8000、MC6800第四代32位機80386、80486第五代64位機IntelPentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-1992）（1993后）發(fā)展特點：1、速度越來越快。2、容量越來越大。3、功能越來越強。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1、2微型計算機的應(yīng)用1、科學(xué)計算和科學(xué)研究計算機主要應(yīng)用于解決科學(xué)研究和工程技術(shù)中所提出的數(shù)學(xué)問題（數(shù)值計算）。

2、數(shù)據(jù)處理

（信息處理）主要是利用計算機的速度快和精度高的特點來對數(shù)字信息進(jìn)行加工。3、工業(yè)控制

用單板微型計算機實現(xiàn)DDC級控制，用衛(wèi)星計算機實現(xiàn)監(jiān)督管理控制，用高檔微型計算機實現(xiàn)SCC或底層MIS管理已屢見不鮮。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、計算機輔助系統(tǒng)

計算機輔助系統(tǒng)主要有計算機輔助教學(xué)（CAI）、計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機集成制造（CIMS）等系統(tǒng)。

5、人工智能

人工智能主要就是研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學(xué)科，包括智能機器人，模擬人的思維過程，計算機學(xué)習(xí)等等。其主要任務(wù)是建立智能信息處理理論，進(jìn)而設(shè)計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。其研究領(lǐng)域主要包括：機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1、3微型計算機的分類按應(yīng)用對象分為：1、單片機：又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：它主要是將微處理器、部分存儲器、輸入輸出接口都集成在一塊集成電路芯片上，一塊芯片就成了一臺計算機2、單板機：將計算機的各個部分都組裝在一塊印制電路板上，包括微處理器/存儲器/輸入輸出接口，還有簡單的七段發(fā)光二極管顯示器、小鍵盤、插座等。功能比單片機強，適于進(jìn)行生產(chǎn)過程的控制?？梢灾苯釉趯嶒灠迳喜僮?，適用于教學(xué)。

3、PC機（PersonalComputer）:面向個人單獨使用的一類微機，實現(xiàn)各種計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理等。第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2計算機中數(shù)據(jù)的表示和編碼

計算機中的數(shù)據(jù)都是采用二進(jìn)制形式存儲和處理的，二進(jìn)制數(shù)只有兩個數(shù)字0和1，這與我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫氖M(jìn)制數(shù)是不同的。

1、2、1計算機中常用的進(jìn)制數(shù)

人們最常用的數(shù)是十進(jìn)制數(shù)，計算機中采用的是二進(jìn)制數(shù)，同時有的時候為了簡化二進(jìn)制數(shù)據(jù)的書寫，也采用八進(jìn)制和十六進(jìn)制表示方法。下面將分別介紹這幾種常用的進(jìn)制。

1、十進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)是大家熟悉的，用0，1，2，…，8，9十個不同的符號來表示數(shù)值，它采用的是“逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十”的原則。

第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、二進(jìn)制表示法

基數(shù)為10的記數(shù)制叫十進(jìn)制；基數(shù)為2的記數(shù)制叫做二進(jìn)制。二進(jìn)制數(shù)的計算規(guī)則是“逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二”。

二進(jìn)制表示數(shù)值方法如下：

NB=±Ki*2i其中：Ki=0或1ni=-m例：二進(jìn)制數(shù)1011.1表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20

+1*2-1第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日運算規(guī)則：加法運算：0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二進(jìn)一）減法運算：0-0=010-1=1（借位）1-0=11-1=0乘法運算：0*0=00*1=01*0=01*1=1除法運算0/1=01/1=1第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、八進(jìn)制表示法

八進(jìn)制數(shù)是基數(shù)為八的計數(shù)制。八進(jìn)制數(shù)主要采用0，1，2，…，7這八個阿拉伯?dāng)?shù)字。八進(jìn)制數(shù)的運算規(guī)則為“逢八進(jìn)一，借一當(dāng)八”。八進(jìn)制表示數(shù)值方法如下：

NO=±Ki*8i其中：Ki=0、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（467.6)O=4*82

+6*81

+7*80+6*8-1第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、十六進(jìn)制表示法

基數(shù)為16，用0-9、A-F十五個字符來數(shù)值，逢十六進(jìn)一。各位的權(quán)值為16i。二進(jìn)制表示數(shù)值方法如下：

NH=±Ki*16i其中：Ki=0-9、A-Fni=-m例：（56D.3)H=5*162

+6*161+13*160+3*16-1第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、2進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換1、二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換（1）、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)方法：按二進(jìn)制數(shù)的位權(quán)進(jìn)行展開相加即可。例:11101.101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875

第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)方法：A、將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再把轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行相加。B、整數(shù)轉(zhuǎn)換采用除2取余法：用2不斷地去除要轉(zhuǎn)換的數(shù)，直到商為0。再將每一步所得的余數(shù)，按逆序排列，便可得轉(zhuǎn)換結(jié)果。C、小數(shù)轉(zhuǎn)換采用乘2取整法：每次用2與小數(shù)部分相乘，取乘積的整數(shù)部分，再取其小數(shù)部分乘2直到小部分為0。將所取整數(shù)順序放在小數(shù)點后即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（136）D轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

2136余數(shù)（結(jié)果）低位

268----------0234----------0217----------028----------124----------022----------021----------00----------1高位轉(zhuǎn)換結(jié)果：（136）D=（10001000）B第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（0.625)D轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。0.625*2

1.25*2

0.5*2

1.0

取整：高位低位轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0.625)D=(0.101)B第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、二進(jìn)制數(shù)和八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換（1）、二進(jìn)制數(shù)到八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換A、二進(jìn)制數(shù)到八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換采用“三位化一位”的方法。從小數(shù)點開始向兩邊分別進(jìn)行每三位分一組，向左不足三位的，從左邊補0；向右不足三位的，從右邊補0。B、二進(jìn)制數(shù)到十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換采用“四位化一位”的方法。從小數(shù)點開始向兩邊分別進(jìn)行每四位分一組，向左不足四位的，從左邊補0；向右不足四位的，從右邊補0。例：將(1000110.01)B轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)。

1

000110.01001

000110.010

(106.2)O第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日二進(jìn)制數(shù)到十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換：（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100(46.4)H（2）、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)到二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按順序?qū)懗雒课话诉M(jìn)制（十六進(jìn)制）數(shù)對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，所得結(jié)果即為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。例：將(352.6)o轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

352.6011101010110=(11101010.11)B第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、3數(shù)的定點與浮點表示對R進(jìn)制數(shù)NR=±S*R±E，可以有很多表示方法。如：十進(jìn)制數(shù)：256.78可以有：256.78、2567.8*10-1、0.25678*103

、2.5678*102等。1、定點數(shù)表示法一般采用兩種簡單的約定：定點整數(shù)和定點小數(shù)。

（1）、定點整數(shù)A、帶符號整數(shù)：某個N位二進(jìn)制數(shù)，其最高位為符號位，其它N-1位為數(shù)值部分：

NfNn-2Nn-3……N2N1N0符號位

數(shù)值部分

小數(shù)點第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日B、無符號整數(shù)：所有的數(shù)位都用來表示數(shù)值。

Nn-1Nn-2Nn-3……N3N2N1N0

數(shù)值部分小數(shù)點（2）、定點小數(shù)用最高位表示符號，其它N-1位表示數(shù)值部分，將小數(shù)點定在數(shù)值部分的最高位左邊。

NfNn-2Nn-1……N2N1N0符號位

數(shù)值部分

小數(shù)點

第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、浮點數(shù)表示浮點數(shù)：小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置可以左右移動。

N=±S*R±E在計算機內(nèi)，存儲的格式：

EfE(m位)

SfS(n位)

階碼部分

尾數(shù)部分其中：Ef：階碼，表示階碼的符號

E：階碼，指出小數(shù)點的位置

Sf：數(shù)碼，數(shù)值的符號位

S：尾數(shù)，決定數(shù)值的精度第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（-320)D表示成浮點數(shù)。N=-320=2^6*(-5)，浮點描述為：N=2^(110)*(-101);若浮點數(shù)的階碼和位數(shù)都規(guī)定用4位定點整數(shù)原碼表示，則-320的浮點數(shù)為：01101101EfESfS第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、4機器數(shù)的表示機器數(shù)：數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的編碼。機器數(shù)的真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。常用的編碼方案：原碼、反碼、補碼。1、原碼表示碼原碼：用最高位表示符號，其中：0----正、1----負(fù)，其它位表示數(shù)值的絕對值。2、反碼表示法反碼：最高一位表示符號，數(shù)值位是對負(fù)數(shù)取反。[+1100111]反=01100111[-1100111]反=10011000第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、補碼表示法正數(shù)的補碼和原碼相同。負(fù)數(shù)的補碼=反碼+1。補碼的重要性質(zhì)：一個數(shù)的補碼，經(jīng)過兩次求補運算可以還原，即：[X]補，取反加1后得到[-X]補，再取反加1后得到[X]補。

補碼的這個性質(zhì)在加減運算中很有用，可以將補碼減法變成加法，使加減運算進(jìn)一步簡化為僅僅只有加法運算。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日一個例子：X=34-68=-34[X]補=[34]補+[-68]補

=00100010B+10111100B=11011110B=[-34]補第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、5計算機中常用的編碼1、ASCII碼

美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換（AmericanStandardCardforInformationInterchange，ASCII碼）。它是計算機中使用最普遍的7位字符編碼，可以表示128個字符，包括數(shù)字、運算符、大/小寫英文字母等可打印字符，以及回車、換行、響鈴等控制字符。

2、BCD碼

BCD碼是一種用4位二進(jìn)制數(shù)字來表示一位十進(jìn)制數(shù)字的編碼，也成為二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)（BinaryCodeDecimal），簡稱BCD碼。第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

BCD碼有兩種格式：（1）壓縮BCD碼格式（PackedBCDFormat）

用4個二進(jìn)制位表示一個十進(jìn)制位，就是用0000B-1001B來表示十進(jìn)制數(shù)0-9。例如：十進(jìn)制數(shù)4256的壓縮BCD碼表示為：0100001001010110B（2）非壓縮BCD碼格式（UnpackedBCDFormat）

用8個二進(jìn)制位表示一個十進(jìn)制位，其中，高四位無意義，我們一般用xxxx表示，低四位和壓縮BCD碼相同。例如：十進(jìn)制數(shù)4256的非壓縮BCD碼表示為：

xxxx0100xxxx0010xxxx0101xxxx0110B

1、3微型計算機的一般概念

第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、1中央處理器的組成中央處理器（CPU）由運算器、控制器、寄存器組、片內(nèi)總線等組成。1、運算器：計算機中加工和處理數(shù)據(jù)的功能部件。功能：（1）、對數(shù)據(jù)進(jìn)行加算術(shù)和邏輯運算，如加、減、乘、除、與、或、非、異或運算等。 （2）、暫時存放參與運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、控制器：控制和指揮計算機內(nèi)各功能部件協(xié)同動作，完成計算機程序功能。由程序計數(shù)器（IP）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）和時序信號發(fā)生器組成。（1）、程序計數(shù)器（IP）：程序指令所在單元地址。（2）、指令寄存器（IR）：保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。（3）、指令譯碼器（ID）：將指令的操作碼翻譯成機器能識別的命令信號。（4）、時序信號發(fā)生器：根據(jù)指令譯碼器（ID）產(chǎn)生的命令信號產(chǎn)生具體的控制信號。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.寄存器陣列

包括一組通用寄存器組（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI）和專用寄存器(CS、SS、DS、ES、IP、FR)。通用寄存器用于暫存參加運算的一個操作數(shù)，例如數(shù)據(jù)寄存器可以用來存放8位或16位的二進(jìn)制操作數(shù)。這些操作數(shù)可以是參加操作的數(shù)據(jù)，操作的中間結(jié)果，也可以是操作數(shù)的地址，大部分算術(shù)和邏輯運算指令都可以使用這些數(shù)據(jù)寄存器。專用寄存器通常有指令指針I(yè)P或程序計數(shù)器PC和堆棧指針SP等

第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、2微型計算機的硬件組成ABDBCBCPU

存儲器I/O接口外設(shè)（微型計算機硬件組成框圖）第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、微處理器微處理器（CPU）是大規(guī)模集成電路技術(shù)做成的芯片，芯片內(nèi)集成有控制器、運算器和寄存器等相關(guān)部件，完成對計算機系統(tǒng)內(nèi)各部件進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。2、存儲器功能：存放程序和數(shù)據(jù)。存儲器內(nèi)存（主存）外存（輔存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM軟盤、硬盤、光盤第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、I/O設(shè)備和I/O接口（1）、I/O設(shè)備：微機配備的輸入/輸出設(shè)備（外設(shè)）。標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出設(shè)備（控制臺）：鍵盤和顯示器（CRT）。I/O設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)掃描儀、數(shù)碼相機顯示器打印機繪圖儀第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）、I/O接口：連接外設(shè)備和系統(tǒng)總線，完成信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖、與CPU進(jìn)行信號聯(lián)絡(luò)等工作。顯示器卡：完成顯示器與總線的連接。聲卡：完成聲音的輸入/輸出。網(wǎng)卡：完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。掃描卡：連接掃描儀到計算機。調(diào)制解調(diào)器卡：模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換。鍵盤接口、打印機接口等。232接口：串行數(shù)據(jù)接口。USB接口：通用串行接口。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、系統(tǒng)總線（1）、總線：傳遞信息的一組公用導(dǎo)線。（2）、系統(tǒng)總線：從處理器引出的若干信號線，CPU通過它們與存儲器或I/O設(shè)備進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)總線分為：（A）、地址總線：傳遞地址信息的總線，即AB。CPU在地址總線上輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址，該總線為單向總線。內(nèi)存容量的計算：16條地址線可訪問216=64KB。

20條地址線可訪問220=1MB。

1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB

第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日（B）、數(shù)據(jù)總線：傳遞數(shù)據(jù)信息的總線，即DB。在CPU進(jìn)行讀操作時，內(nèi)存或外設(shè)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPU；在CPU進(jìn)行寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往內(nèi)存或外設(shè)，數(shù)據(jù)總線是雙向總線。（C）、控制總線：傳遞控制信息的總線，即CB?？刂瓶偩€的方向：一部分是從CPU輸出：通過對指令的譯碼，由CPU內(nèi)部產(chǎn)生，由CPU送到存儲器、輸入/輸出接口電路和其它部件。如時鐘信號、控制信號等。另一部分是由系統(tǒng)中的部件產(chǎn)生，送往CPU，如：中斷請求信號、總線請求信號、狀態(tài)信號。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日控制總線的部件（總線主控設(shè)備）：

CPU和DMA控制器。被總線控制的部件（總線控制設(shè)備）：

存儲器和I/O設(shè)備?？偩€的使用特點：1、在某一時刻，只能由一個總線主控設(shè)備來控制總線，其它總線主控設(shè)備此時必須放棄對總線的控制。2、在連接系統(tǒng)的各個設(shè)備中，在某一時刻只能有一發(fā)送者發(fā)送信號，但可以有多個設(shè)備從總線上同時獲得信號。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、3微型計算機系統(tǒng)的組成一個微型計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件和軟件的結(jié)合，才能使計算機正常工作運行。

計算機硬件系統(tǒng)是一個為執(zhí)行程序建立物質(zhì)基礎(chǔ)的物理裝置，稱為硬件或裸機。

計算機軟件系統(tǒng)指為運行、管理、應(yīng)用、維護計算機所編制的所有程序及文檔的總和。依據(jù)功能的不同，軟件分為系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、程序設(shè)計語言、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理程序、系統(tǒng)輔助處理程序等）和應(yīng)用軟件（Office、Photoshop、QQ、Matlab等）兩大類。

第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、4微型計算機的工作過程在進(jìn)行計算前，應(yīng)做如下工作：（1）、用助記符號指令（匯編語言）編寫程序（源程序）；（2）、用匯編軟件（匯編程序）將源程序匯編成計算機能識別的機器語言程序；（3）、將數(shù)據(jù)和程序通過輸入設(shè)備送入存儲器中存放。完成5+6=？的程序：MOVAX，05H/B0H05H

；把05送入累加器AXADDAX，06H/04H06H

；06與AX中內(nèi)容相加，結(jié)果存入累加器AHLT/F4H

；停止所有操作。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、取指令階段的執(zhí)行過程：（設(shè)程序從00H開始存放）（1）、將程序計數(shù)器（PC或IP）的內(nèi)容送地址寄存器AR。（2）、程序計數(shù)器PC的內(nèi)容自動加1變?yōu)?1H，為取下一條指令作好準(zhǔn)備。（3）、地址寄存器AR將00H通過地址總線送至存儲器地址譯碼器譯碼，選中00H單元。（4）、CPU發(fā)出“讀”命令。（5）、所選中的00單元的內(nèi)容B0H讀至數(shù)據(jù)總線DB上。（6）、經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB，讀出的B0H送至數(shù)據(jù)