微機原理與接口技術(shù)(田輝)第一章

第一章微型計算機系統(tǒng)概述微機原理與接口技術(shù)第一章微型計算機系統(tǒng)概述概述微處理器微型計算機及微型計算機系統(tǒng)計算機中數(shù)的表示和編碼計算機的發(fā)展第一代電子管時代(1946-1958)

耗電高，體積大，定點計算，機器語言，匯編語言第二代晶體管時代(1958-1965)

變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言第三代中小規(guī)模集成電路時代(1965-1970)

存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時代(1971至今)

向大型機和微型機兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機發(fā)展方向巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化

1-1概述

經(jīng)歷了4位機、8位機、16位機至高性能的32位機，64位機正在廣泛應(yīng)用。

微型計算機的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)和工程計算密碼破譯，天氣預(yù)報，地質(zhì)勘探，衛(wèi)星軌道計算工業(yè)控制機器人以及各種自動化裝備，溫度調(diào)節(jié)，閥門控制輔助設(shè)計/分析/制造/教學(xué)機械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計匯總、辦公自動化智能模擬人工智能、專家系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)

1-2微處理器---

微處理器微處理器中央處理器：運算器和控制器合在一起稱中央處理器。微處理器：利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把運算器和控制器集成在一片硅片上形成微處理器，即CPU。一般由算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數(shù)器、數(shù)據(jù)地址鎖存器／緩沖器、時序和控制邏輯部件及內(nèi)部總線等組成。

微處理器結(jié)構(gòu)CPU的主要功能是取出指令、分析、并執(zhí)行指令，也就是不斷地從存儲器中取出指令和操作數(shù)，完成指令所規(guī)定的操作工作。

1-2微處理器---

微處理器1-2微處理器---

微處理器1）算術(shù)邏輯單元ALU：進行各種算術(shù)運算和邏輯運算。2）累加器和通用寄存器組：保存參加運算的數(shù)據(jù)和運算的中間結(jié)果。累加器是特殊的寄存器，它既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運算結(jié)果。3）CPU中有一些專用寄存器（如程序計數(shù)器PC、堆棧指針

SP和標(biāo)志寄存器FR等）。4）程序計數(shù)器用來存放下一條要執(zhí)行的指令地址。1-2微處理器---

微處理器5）堆棧指針SP：用來存放棧頂?shù)刂?。堆棧是一種特殊的存貯區(qū)域，按照“先進后出”的原則工作。6）標(biāo)志寄存器：存放指令執(zhí)行結(jié)果的特征和處理器的狀態(tài)。7）指令譯碼器：對指令進行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送至?xí)r序和控制邏輯電路，組合成外部電路工作所需要的時序和控制信號。1-2微處理器---

微處理器指令執(zhí)行的基本過程：（1）開始執(zhí)行程序時，程序計數(shù)器中保存第一條指令的地址，指明當(dāng)前將要執(zhí)行的指令存放在存儲器的哪個單元。（2）控制器：

a)將程序計數(shù)器中的地址送至地址寄存器MAR。

b)發(fā)出讀命令。（3）存儲器：根據(jù)地址取出一條指令。

1-2微處理器---

微處理器

（4）指令譯碼器譯碼，控制邏輯陣列發(fā)操作命令，執(zhí)行指令操作碼規(guī)定的操作。（5）修改程序計數(shù)器的內(nèi)容。1-2微處理器---

微處理器微型計算機工作過程。

1.取指令2.執(zhí)行指令3.取指令4.執(zhí)行指令…1-2微處理器---

指令流水線

CPU主要功能：取指令、對指令進行譯碼和執(zhí)行指令傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU執(zhí)行程序時，取指令與執(zhí)行指令交替進行：

為提高CPU的工作效率，采用指令流水線技術(shù)，各個部件并行工作，減少了指令的平均執(zhí)行時間

1-2微處理器---

指令流水線8086／8088CPU二級流水線：Fetch1-2微處理器---

指令流水線PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令A(yù)RM7TDMI核采用了3級流水線

復(fù)雜指令集計算機CISC處理器的主要特點指令集龐大，指令的長度不相同，指令譯碼步驟較復(fù)雜等為何形成CISC處理器？為高級語言編程方便和提高程序的運行速度，用接近高級語言的語句的機器指令來幫助軟件設(shè)計硬件成本的不斷下降，軟件成本的不斷提高。程序兼容性的需求

1-2微處理器---CISC與RISC

精簡指令集計算機

提出背景：使用指令的80％，只占處理器指令集的20％RISC的基本思想簡化指令功能，指令集中只包含使用頻度高、功能簡單、能夠在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令將較復(fù)雜的功能用一段子程序來實現(xiàn)大量使用寄存器，優(yōu)化CPU的控制邏輯，提高程序執(zhí)行的速度

問題：軟件開發(fā)變得復(fù)雜；性能依賴于編譯器的有效性等

1-2微處理器---CISC與RISC

1-3微型計算機及微型計算機系統(tǒng)1-3-1微型計算機微型計算機

微型計算機由CPU、存儲器、輸入／輸出接口及系統(tǒng)總線組成。微機與外部交換信息通過總線控制。外部——采用三總線結(jié)構(gòu)AB、DB、CB。內(nèi)部——采用單總線,即內(nèi)部所有單元電路都掛在內(nèi)部總線上，分時使用總線。1-3-1微型計算機1、總線及存儲器

系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。地址總線：傳送地址信息，單向。其位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存空間、I/O口數(shù)目。A15~A0，可尋址216=64KB內(nèi)存單元。A7~A0，可尋址28=256外設(shè)接口。數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)，雙向。其位數(shù)和微處理器的位數(shù)相對應(yīng)?？刂瓶偩€：傳輸控制信號。

1-3-1微型計算機

存儲器1）存儲器是用來存儲數(shù)據(jù)、程序的部件。按照存儲器與CPU的關(guān)系，分為內(nèi)存儲器（主存儲器）和外存儲器。按其工作方式，又可分為隨機存儲器和只讀存儲器。2）三級存儲體系結(jié)構(gòu)：高速緩沖存儲器、內(nèi)存儲器和外存儲器

1-3-1微型計算機輸入／輸出設(shè)備和接口：外設(shè)：計算機中除主機以外的其它機電或電子設(shè)備統(tǒng)稱外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。

I/O接口：CPU和外設(shè)之間的I／O適配器，是微型計算機的重要組成部件。1-3-1微型計算機2、微型計算機分類從微型計算機的結(jié)構(gòu)形式來分，為單片機、單板機和多板機。

單片微型計算機（即單片機）。把微型計算機的主要部件CPU、一定容量的存儲器、I／O接口及時鐘發(fā)生器集成在一塊芯片上的單芯片式微型計算機。具有體積小、指令系統(tǒng)簡單、性價比高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域。

單板微型計算機，即單板機。是將微處理器、一定容量的存儲器、輸入／輸出接口、簡單的外部設(shè)備、輔助設(shè)備通過總線裝配在一塊印刷電路板上的微型計算機。主要用于實驗室以及簡單的控制場合。

1-3-1微型計算機

多板微型計算機也叫系統(tǒng)機。是將單板機模塊、存貯器模塊和I／O接口等模塊組裝在一塊主機板上，通過主機板上的系統(tǒng)總線和各種外設(shè)適配器連接鍵盤、顯示器、打印機、光驅(qū)、軟、硬盤驅(qū)動器，配上電源。將主機板、軟、硬盤驅(qū)動器等安裝同一機箱內(nèi)，適配器、適配卡插在總線擴展槽上，通過總線相互連接，就構(gòu)成多板微型計算機，配上系統(tǒng)軟件即構(gòu)成微型計算機系統(tǒng)。個人計算機就是多板微型計算機系統(tǒng)。1-3-1微型計算機

按照微型計算機數(shù)據(jù)總線的寬度，也就是按照在一次操作中所能傳送的二進制位數(shù)的最大值來進行劃分，可分為4位、8位、32位、64位機。按照微型計算機的應(yīng)用，又可將微型機分為通用機和專用機。1-3-1微型計算機1-3-2微型計算機系統(tǒng)

微型計算機系統(tǒng)

以微型計算機為主體，配上系統(tǒng)軟件和外部設(shè)備以后，就構(gòu)成完整的微型計算機系統(tǒng)。

1-3-2微型計算機系統(tǒng)1-3-2微型計算機系統(tǒng)

性能指標(biāo):1）字長：微型計算機能夠直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，反映一臺機器的計算精度。

2）主存容量：主存貯器所能存貯的信息總量為主存容量。是衡量計算機處理能力大小的一個重要指標(biāo)。表示主存容量有兩種方法：用字節(jié)數(shù)表示；用單元數(shù)×字長表示。1-3-2微型計算機系統(tǒng)3）主頻：主時鐘信號的頻率稱為計算機主頻，用于協(xié)調(diào)計算機操作。決定計算機的處理速度，頻率越高，處理速度越快。4）運算速度：計算機每秒鐘運算的次數(shù)。5）系統(tǒng)可靠性：指計算機系統(tǒng)在規(guī)定的時間和工作條下正常工作而不發(fā)生故障的概率。計算機系統(tǒng)的可靠性含系統(tǒng)的可維護性和可用性，三者構(gòu)成計算機系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

1-3-2微型計算機系統(tǒng)6）系統(tǒng)的兼容性：兼容性指一種計算機中的設(shè)備和程序可以用于其他多種系統(tǒng)中的性能，分硬件兼容和軟件兼容。7）性能價格比：是計算機產(chǎn)品性能優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。包括計算機硬件和軟件的各種性能。1-4計算機中數(shù)的表示和編碼

1-4-1計算機中常用的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換一.進位計數(shù)制的表示方法十進制ND十個數(shù)碼：0～9，逢十進一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權(quán)展開式以10為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9。 一般表達式：n:整數(shù)位數(shù)，m:小數(shù)位數(shù)，ai

：取值范圍0-9

二進制NB兩個數(shù)碼：0、1,逢二進一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。 一般表達式：

1-4-1計算機中的進位計數(shù)制八進制No八個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7逢八進一。例1101.101=1×83+1×82+0×81+1×80+1×8-1+1×8-3

加權(quán)展開式以8為基數(shù)，各位系數(shù)為0～7。一般表達式：1-4-1

計算機中的進位計數(shù)制十六進制NH十六個數(shù)碼0～9、A～F，逢十六進一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F。

一般表達式：

1-4-1計算機中的進位計數(shù)制1-4-1計算機中的進位計數(shù)制小節(jié)每一計數(shù)制有一確定的基數(shù)R，系數(shù)ai有R種可能的取值“逢R進一”小數(shù)點右移一位相當(dāng)于乘R；反之相當(dāng)于除以R二.進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換R進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)：按權(quán)展開，求和

例：1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進制數(shù)：整數(shù)和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換

1、整數(shù)部分

“除R取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。二.進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換例：39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

39=100111B 2 392191（b0）

291（b1） 241（b2）

220（b3）

210（b4）

01（b5

）二.進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換2、小數(shù)部分“乘R取整”：用轉(zhuǎn)換進制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。例：

1、0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

0.625 ×2 1.2501(b-1) × 2 0.500(b-2) × 2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B二.進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換二進制與八進制、十六進制之間的轉(zhuǎn)換

八進制二進制：一位八進制數(shù)用三位二進制數(shù)表示。十六進制二進制：一位十六進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示。二進制八進制：從小數(shù)點開始，分別向左右兩邊把三位二進制數(shù)碼劃為一組，最左和最右一組不足三位用0補充，然后每組用一個八進制數(shù)碼代替。二進制十六進制：與八進制類似，但是四位分為一組。1-4-2

帶符號數(shù)的表示無符號數(shù)和帶符號數(shù)

無符號數(shù)：機器的全部有效位均用來表示數(shù)的大小，如

N＝01001表示無符號數(shù)9

帶符號數(shù)：機器中，最高位作符號位(數(shù)的符號用“0”、“1”表示)，其余位為數(shù)值位。機器數(shù)與真值機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式，如原碼、反碼、補碼。真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應(yīng)關(guān)系：

真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=-1010100B

機器數(shù)：[X1]機=01010100[X2]機=110101001-4-2帶符號數(shù)的表示原碼

最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。 例：真值：x1=+1010100B x2=－1010100B

機器數(shù)：[x1]原=01010100 [x2]原=11010100

特點：

1、表示簡單、直觀。

2、0的表示不唯一，即真值0有兩種不同的表示形式，＋0或

-0。[＋0]原=0.00…0[-0]原=1.00…03、加減運算復(fù)雜。

正數(shù)的反碼與其原碼相同。 負數(shù)反碼符號位為1，數(shù)值位為原碼數(shù)值各位取反。 例：8位反碼機器數(shù) x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100 x=-4：

[x]原=10000100[x]反=11111011x=+0：[x]原=00000000[x]反=00000000 x=-0：[x]原=10000000[x]反=11111111x=+127：[x]原=01111111 [x]反=01111111 x=-127：[x]原=11111111[x]反=100000001-4-2

帶符號數(shù)的表示反碼1-4-2

帶符號數(shù)的表示補碼數(shù)的補碼與“模”有關(guān)“?！?計數(shù)系統(tǒng)的量程

[X]補=M＋X（modM）當(dāng)X≥0，M丟掉,[X]補=X

當(dāng)X<0，[X]補=M+X=M-｜X｜。

正數(shù)的補碼與原碼相同；負數(shù)的補碼為其反碼加1。

例：8位二進制數(shù)的模為：28=256

當(dāng)X<0，[X]補=28-｜X｜

=256-｜X｜=255-｜X｜+1 =[X]反碼

+1

1-4-2帶符號數(shù)的表示1-4-2

帶符號數(shù)的表示例：8位補碼機器數(shù)

x=+4 [x]原=[x]反=[x]補=00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011，[x]補=11111100

優(yōu)點：1、0的表示唯一。

2、加減運算方便。即負數(shù)用補碼表示時，可以把減法轉(zhuǎn)化為加法。

3、8位二進制補碼表示的整數(shù)范圍為+127---－128；16位二進制補碼表示的整數(shù)范圍為－32768～＋32767；若機器字長為n，則補碼表示的整數(shù)范圍為－2n-1～＋（2n-1－1）。

4、由補碼求真值：當(dāng)為負數(shù)時，即最高位為1，其絕對值所對應(yīng)的二進制數(shù)應(yīng)為各數(shù)值位“按位求反加1”的和。

1-4-2

帶符號數(shù)的表示補碼運算：

補碼加法：[A+B]補=

[A]補+[B]補（mod2）

即兩數(shù)和的補碼等于兩數(shù)補碼的和。也就是，在進行補碼加法時，可以不必考慮加數(shù)的正負，直接進行加法即可。從而簡化了計算機內(nèi)部的操作。

注：在模2的意義下相加，即超過2的進位要丟掉。1-4-2

帶符號數(shù)的表示例:

1、計算（-70+55）

解：[-70]原=11000110[-70]補=10111010[55]原=00110111[55]補=00110111[-70]補+[55]補=10111010+00110111=11110001

因符號位為“1”，所以對補碼相加結(jié)果11110001的數(shù)值部分“求反加1”得：-15

所以：-70+55＝－151-4-2帶符號數(shù)的表示2、計算[-70+（-55）]解：[-70]原=11000110[-70]補=10111010[-55]原=10110111[-55]補=11001001[-70]補+[-55]補

=10111010+11001001=1（10000011）

因符號位為“1”，所以對補碼相加結(jié)果10000011的數(shù)值部分“求反加1”得：-125

所以：-70+（-55）＝-1251-4-2

帶符號數(shù)的表示注：

1、補碼運算步驟

1）將參加運算的操作數(shù)用補碼表示。

2）進行加法得到兩數(shù)和的補碼（符號位作為數(shù)的一部分參加運算）

3）判斷是否溢出

若沒有溢出，則可進一步求和的真值：和為正數(shù)可直接求出，和為負數(shù)，則再次“求反加1”，得到真值。1-4-2

帶符號數(shù)的表示2、溢出的判斷：溢出：帶符號數(shù)運算的結(jié)果超出計算機可以表示的范圍，就是溢出。

8位整數(shù)范圍:（＋127，-128）兩個同符號數(shù)相加有可能產(chǎn)生溢出；兩個負數(shù)補碼相加后得到正數(shù)的補碼，或兩個正數(shù)的補碼相加后到負數(shù)的補碼，都是產(chǎn)生了溢出。1-4-2

帶符號數(shù)的表示例：計算[＋65]補+

[＋96]補解：[＋65]補+

[＋96]補=01000001＋01100000

＝0

10100001

而10100001＝

[－95]補

可以看出，兩個正數(shù)的補碼相加后得到負數(shù)的補碼，顯然出錯了。因為161〉127，所以稱為正向溢出1-4-2帶符號數(shù)的表示例：計算（-70）補+（-60）補解：（-70）補+（-60）補

=10111010+11000100=101111110

兩個負數(shù)之和卻產(chǎn)生了正的結(jié)果，同樣是因為產(chǎn)生了溢出。因是超出了負的最大范圍，所以是負向溢出1-4-2

帶符號數(shù)的表示3、溢出的解決：擴大數(shù)的表示范圍可以防止溢出。數(shù)的擴展不能改變數(shù)的大小，只能改變數(shù)的位數(shù)。

正數(shù)擴展：高位全部加0；負數(shù)擴展：高位全部加1。如：-70

(10111010)補