第1章 微型計算機原理與接口技術

微型黑機

原理與口技術

詠寧

本課程的內(nèi)容與要求、

1、地位'

計算機相關專業(yè)的必修基礎課，內(nèi)容，/

相近的課程：《微機原理》、《計算機組成原\

理》、《計算機接口技術》、《匯編語言》、?

《微機原理與應用》等課程關系緊密，是一門\

重要的專業(yè)基礎課。\

先修知識：數(shù)字電路，計算機文化基礎、C'

語言或其它高級語言、二進制及十六進制的運

算、

-2

■

二?一

2、內(nèi)容：

第1章：基礎知識

第2章：計算機（CPU）的基本工作原理

第3、4章：匯編語言

第5章：計算機（存儲器）的基本工作原理

第6?9章：接口技術

3、要求：

?不缺課、不遲到，認真聽課、勤于思考、溫故知新。

?獨立完成作業(yè)、實驗。

?培養(yǎng)興趣：了解最新發(fā)展動態(tài)及應用、閱讀參考書

（非習題書）

4、考核：作業(yè)，考勤、考試

二-3

■

主要參考書

1、計算機等級考試（三級）PC技術

2、Intel微處理器全系列：

結構、編程與接口（第五版）

電子工業(yè)出版社（中文版）

3、匯編語言王爽清華大學出版社

第1章基礎知識

'?概述

/?計算機中的數(shù)制

\?無符號二進制數(shù)的算術運算和邏輯

運算

\-帶符號二進制數(shù)的表示及運算

、?二進制編碼

.?常用術語解釋

一

1.1.1計算機的發(fā)展概況

?電子計算機的發(fā)展：

“我認為全世界大概有5臺計算機的市場?！?/p>

——IBM董事長Thomas,1943

中小規(guī)模集成電路計算機時代(1965-1970).

超大規(guī)模集成電路計算機時代(1971-今)\

?電子計算機的功能：

數(shù)據(jù)、文字、字符、圖形圖像、聲音、視頻…、

微型計算機是第四代

計算機的典型代表

-7

三、

微型計算機的發(fā)展

微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的

微處理器的集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的

性能也隨之提高一倍

微處理器的發(fā)展

第一代1971年?1973年

是微處理器發(fā)展的早期階段：

字長為4位或低檔8位，集成度約為2000晶體管/片，微?

理器的主頻為1MHz。

?1971年：Intel4004,是世界上第一片單片微處理器

?4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié),指令系統(tǒng)包書

45條指令

h彳一.

J三一、

S微處通器的發(fā)展

第二代1973—1978（成熟的8位微處理器時代）

■1972年：Intel8008,是世界上第一片8位微處理

若冒O

?8008采用了10國11生產(chǎn)工藝，集成度為3500個晶

體管，工作頻率為200KHz。

采用機器語言編程，價格

低，主要應用于各種袖珍

、計算器、家電、交通燈控

制等簡單控制領域。

-0

微處理器的發(fā)展

?1974年：Intel8080采用了6)Lim生產(chǎn)工藝，集成度為6000個\

晶體管，主頻為2MHz。*

?1976年：Intel8085-----Intel公司生產(chǎn)的最后一種8位通＜

微處理器，8085的工作頻率提高至05MHz,指令系統(tǒng)的指零、

數(shù)上升到246條。/

可使用匯編語言及高級語

言編程，廣泛應用于數(shù)據(jù)

處理，工業(yè)控制智能儀器

儀表及家電等各個領域。

\微處理器的發(fā)展

第三代：（1978年-1983年）16位微處理器時代

?1978年—8086

采用了3RH工藝,集成了29,000個晶體管,工作頻率，、

為4.77MHz。它的寄存器和數(shù)據(jù)總線均為16位,地

址總線為20位,從而使尋址空間達1MB。同時,】

CPU的內(nèi)部結構也有很大的改進,采用了流水線結

構,并設置了6字節(jié)的指令預取隊列

?197科一8088（準16位機）

除了它的數(shù)據(jù)總線為8位以外，其余均與

8086相同。8088采用8位數(shù)據(jù)總線是為了利

用當時現(xiàn)有的8位設備控制芯片。由于8088

內(nèi)部支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位

,故8088稱為準16位微處理器。

?1981年8月，IBM公司推出以8088為CPU的世

界上第一臺16位微型計算機IBM5150Personal

Computer,即著名的IBMPC

微處理器的發(fā)展

80286（1982年4984年）

?采用L5|Lim工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻

率為6MHz。80286的數(shù)據(jù)總線仍然為16位，但是土

址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。

?1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機

IBMPC/AT

?80年代中期到90年代初，

80286一直是微型計算機的主

流CPU。

.

微處理器的發(fā)展

第四代：（1983年?1993年）32位微處理器時代

80386

?第一個實用的32位微處理器，

采用了l.5|uim工藝，集成了

275,000個晶體管，工作頻率達.

到16MHz。80386的內(nèi)部寄存

器、數(shù)據(jù)總線和地址總線都是

32位的。通過32位的地址總線

,80386的可尋址空間達到4GB,

o這時由32位微處理器組成的‘

微型計算機已經(jīng)達到超級小型＜

機的水平。

-5

微處理器的發(fā)展

80486（1989年-1992年）

?采用gm工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為

25MHzo80486微處理器由三個部件組成：一個80386體系結

構的主處理器，一個與80387相兼容的數(shù)學協(xié)處理器和一個

8KB容量的高速緩沖存儲器。80486把80386的內(nèi)部結構做了

修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內(nèi)完成，而不是原

來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。

、\三

微處理器的發(fā)展

第五代：Pentium（1993年——）

?第1代Pentium處理器（以P5代稱，1993年）采用

0.8國11工藝技術，集成了310萬個晶體管，工作頻率為

60MHz/66MHz。

:第2代Pentium處理器（以P54c代稱，1994年）采用

5.6|uim工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。

-7

■

?第3代PentiumMMX（以P55c代稱1997年）增力口

了57條多媒體指令

?在體系結構上，Pentium在內(nèi)核中采用了RISC技

術，可以說它是CISC和RISC技術相結合的產(chǎn)物

表各代微處理需的特點

特點\第一代第二代第三代第四代第五代

1971?1973年1973?1978年1978?1983年1983?1993年1993年至今

比

IntelIntel80386

Intel8080Pentium586

Intel40048086/8088?80286Intel80486

典型芯片MC6800PentiumPR。

Intel8008MC68000MC68020

Z-80PentiumB等

Z-8000Z-80000

字長4/8位8位16位32位32位

1?2千5~9千2?7萬15萬以上310萬以上

芯片集成度

晶體管/片晶體管/片晶體管/片晶體管/片晶體管/片

__.——

時鐘頻率0.5,?0.8MHz2?4MHz5~1OMHz16MHz以上60?300MHz

數(shù)據(jù)總線4/8位8位16位32位64位

地址總線4/8位16位20?24位32位32/36位

4CJB實存4GB實存

存儲懿容量W16KBW64KB1~16MB

64TB虛存64TB虛存

指令平均

10?15/xs1-~2pLS0.5/xs<0.1psV0.02

執(zhí)行時間

除常規(guī)軟

匯編語言匯編語言匯編語言件外.操作系

匯編語音

軟件水平高級語言高級語育高級語言統(tǒng)功能更強.

機器語言.

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)部分軟件固化應用軟件工

具豐富

■「計贏的分類

按照微處理器可以處理的字長分類:

?4位、8位、16位、32位和64位機

?4位機

多做成單片機形式：

1—4KBROM64—256BRAM

I/O接口時鐘發(fā)生器

特點:運算能力弱，存儲能力小，無軟件開發(fā)能

力

臺，價格低，使用方便，廣泛用于各類袖珍或

建式計算器、家用電器、娛樂產(chǎn)品或簡單過程

制。

「0

z--

、按照微處理器處理的字長分類：

，?8位機

,具有較強的通用性，有典型的計算、

機體系結構以及中斷，DMA等控制功能，、

\接口標準化，有較齊備的外圍配套電路。，

廣泛應用于：工業(yè)自動化控制、事物管理、

、通信、教育、儀器儀表、家用電器等領

域；8位單片機還被應用于汽車、電子、

、一金能終端等產(chǎn)品中。

\按照微處理器處理的字長分類：/

?16位機(Intel8088/808680286)\

<廣泛應用于科學計算機、實時數(shù)據(jù)處理,/

分布式計算機控制、企業(yè)管理、網(wǎng)絡和、

、多處理機系統(tǒng)中。，

?32位機(Intel80386、80486)

、廣泛應用于科研、生產(chǎn)、辦公自動化、

教育管理、網(wǎng)絡等社會各領域。

C2

1.2計算機中的數(shù)制

、?進位計數(shù)制

?不同進制數(shù)之間的相互轉換

■

一22

一、X

一計數(shù)制

一個數(shù)值，可以用不同進制的數(shù)表示。

通常用數(shù)字后面跟一個英文字母來表示該數(shù)

的數(shù)制。

十進制數(shù)：DD可以省略不用.

二進制數(shù)：B

八進制數(shù)：Q

十六進制數(shù)：H

例：10HB=0BH=H

、1、十進制數(shù)

主要特點:

1.有十個不同的數(shù)字符號：0,1,2,…9。

、2.逢十進位。

1234.56=1234.56。=(1234.56)

10

IxlO3+2xl02+3X101+4x10°+5xl0-1+6xl0-2

、基數(shù)：數(shù)制所使用的數(shù)碼的個數(shù)

.權：數(shù)制中每一位所具有的值.

-一h進制數(shù)的基數(shù)為10,第1位的權為io，.

、2、二進制數(shù)

主要特點：

1.有兩個不同的數(shù)碼：0,1。

2.逢二進位。

二進制數(shù)的基數(shù)為2,第i位的權為2，.

1101.001B=(1101.001)2

=1X23+1X22+OX21+1X2°+0X2/+0X2-2+1X2-3

=(13?125)io=13.125

、“三'

計算機采用二進制數(shù)的原因：

I.物理上容易實現(xiàn)

2.運算規(guī)則簡單

3.可以用邏輯代數(shù)作為設計工具

在計算機中使用二進制數(shù)，而書寫時

用十六進制數(shù)表示。

-、■

二一x.,三

\3、十六進制數(shù)

主要特點：

L有十六個不同的數(shù)字符號：0,1,2,…9,

A,B,C,D,E,Fo

2.逢十六進位。

十六進制數(shù)的基數(shù)為16,第，位的權為16，.

A2.3H=10xl61+2xl6°+3xl6-1=162.1875

327H=3xl62+2xl6l+7x16°=807

、4、數(shù)制的通用表達式

在任一數(shù)制中，某一數(shù)的值等于每位數(shù)字(D)

乘以其權(Ri)所得到的乘積之和。

數(shù)值=Z數(shù)碼X權

\

1X

數(shù)值=Dn“Rnl+DgR2+……+D0R°+DjR+....+

、其中〃：基數(shù)

Di：第i位數(shù)值

、?百一°I

、十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)之間的

關系如下表所示

十進制十六進制二進制十進制十六進制二進制

000000991001

11000110A1010

22001011B1011

33001112C1100

44010013D1101

55010114E1110

66011015F1111

770111

881000

返回

三

二、

\二、數(shù)制轉換

1二進制數(shù)f十進制數(shù)

方法：按權展開相加法。

1011.1015=lx23+1X21+1x2O+lx2-1+lx2-3

=11.625D

101101=lx25+lx23+1X22+1x2°

=45D

三

、2、十進制數(shù)f二進制數(shù)

2).小數(shù)轉換方法：乘2取整法

N=0.625。

0.625

整數(shù)部分

x2

a_

1.2501x

0.25

x20J

0.50

0.5

x2

L0~1a.3

???N=0.625D=0.101B

，25.625-11。。15+。.101八110。1」。15

二、

推廣:

新.焰**割斷79A轉坳為+六濟割粉一

例：將八進制數(shù)312Q轉換為十進制數(shù)。

312Q=3X82+1X81+2X8°

=3X64+8+2

=202

725D=2D5H

-4

、3、二進制與八進制的轉換

)每3位二進制數(shù)轉1位八進制數(shù)。

例：1100011010110B=14326Q

7105Q=111001000101B

'4、二進制與十六進制的轉換

〔得4位二進制數(shù)轉1位十六進制數(shù)

例：10111001.01101B=B9.68H

、5F.7A5H=1011111.011110100101B

、，三尸

1.3無符號二進制數(shù)的算術和邏輯運算

?二進制的算術運算

?天符號二進制數(shù)的表示范

?二進制數(shù)的邏輯運算

?基本的邏輯門及常用邏輯部件

、一、二進制的算術運算

J?加法運算

0+0=00+1=11+1=0（有進位）

）-減法運算

\0-0=01-0=11-1=00-1=1（有借位）

?乘法運算

1左移一位相當于乘2,左移N位=乘2N

、?除法運算

、右移一位相當于除2,左移N位=除2N

、、三f

X二、無符號數(shù)的表示范圍

/1、無符號數(shù)的表示范圍0—2N-1

例：8位二進制數(shù)（0—255）

、?溢出：當數(shù)值超出所能表示的范圍時稱為?

2、無符號二進制數(shù)的溢出判斷

、兩數(shù)相加（減），最高位有進位（借位）

X三、二進制數(shù)的邏輯運算

1、“與"（邏輯乘）

、特點：任何數(shù)和o相與結果為o,任何數(shù)和1相與.

結果不變?！?/p>

2、“或”（邏輯加）

、特點：任何數(shù)利0相或結果不變，任何數(shù)和1相或

結果為1。

）3、“非”（取反）

、4、“異或”

一特點：相異為L相同為0

-9

X四、基本邏輯門及常用邏輯部件

、與門（）

1AND邏輯符號

Ao

&oF

Bo

2、或門（OR）

邏輯符號

Ao

>1oF

Bo

、、至“迎

三

2-、’

X3、非門(NOT)

邏輯符號

1

組合邏輯門

與非邏輯運算或非邏輯運算與或非邏輯運算

F=A+B

2F3=AB+CD、

?=7r

X6、譯碼器

。地址譯碼器74LS138

A一116一VCC

B一215—Y0

c-314一Y1

G2A-413—72

G2B-512—YT

G1-611—YT

Y7-710—X5

GND-89—后

T2

三*、一

衰，1.1374LS138譯碼器功能表

輸人輸出

52+$3A2】工

S1AAoYoRV2丫3%丫7

0XXXX11111111

X1XXX11111111

1000001111111

1000110111111

1001011011111

1001111101111

1010011110111

10,10111111011

1011011111101

1011111111110

片選譯碼共25=32線

■

1-4、帶符號二進制數(shù)的表示及運算

帶符號數(shù)的最高位表示符號，0為正數(shù),

1為負數(shù)。

1、機器數(shù)和真值

機器數(shù)：連同其符號在一起在機器內(nèi)部

的表示形式。

.真值：機器數(shù)的數(shù)值。

、、三"阿

8位微機中的帶符號數(shù):

D7D6D5D4D3D2DIDo

符號位||數(shù)值位

0正數(shù)

D7=

1負數(shù)

機器數(shù)真值

00011001B=+25

10011001B=-25

2、帶符號數(shù)的三種表示方法

L原碼

[0正數(shù)

最高位為符號位

11負數(shù)

后面比/位是數(shù)值。

[+4]原=00000100B

[―4]原=10000100B

?8位二進制原碼表示的數(shù)的范圍為-127?+127,

二一^+0與-0表示法不相同。

、、三i

\2.反碼

正數(shù)的反碼與其原碼相同。

負數(shù)的反碼除符號位外將原碼求反。

[+4]原=[+4]反=000001008

[―4]原=10000100B

[-4]反=11111011B

T8

3.補碼

正數(shù)的補碼與其原碼相同。

負數(shù)的補碼是其反碼+1,即相應正數(shù)按位求

反后在末位加1。

[―4]原=10000100B

[―4]反=11111011B

[―4]補=11111100B

-9

例：機器字長為8位，求N=-l的補碼表示。

[-1]原=10000001B

按位求反11111110B

末位+111111111B

.??[—1]補=HH1111B=FFH

+0[+0]原=[+0]補=00000000B

-0[-01^=10000000B卜0]補=00000000B=[+0]補、

工

L二.=~56r

'補碼的特點:

(1)8位二進制補碼表示的數(shù)的范圍：-128?+127

.(2)[+0]補=[-0]補=00000000B

(3)對負數(shù)補碼求反加1,恢復為該數(shù)的絕對值。

(4)采用補碼后，可將減法運算轉換成加法運算。、

、,三

4、補碼的加法和減法：

(1)求補運算：對一個二進制數(shù)按位求反后在

末位加1的運算。

「1求補「1求補「1

［x］補--^>［—x］補---->［x］補

［4］補=0000010(m

［―4］補=11111100B

U-4］補］補=00000100B

???［4］補IST補M［4］補

52

⑵補碼的加法規(guī)則:

[X+y]補=X補+[y]補

(3)補碼的減法規(guī)則:

[x—丫]補=[x]補+[―y]補

■

5：C3

例1.計算y=99-58（用8位二進制表示）

99—58=99+（—58尸41

卜］補=［99-58］補=［99］補+［-58］補

［99］補=01100011B

［—58］補=H000110B

［99］補01100011

［—58］補+11000110

［41］補00101001

自動丟失

???y=［y］補=ooioIOOIB=41

例2.機器字長為8位。

十進制二進制

25[25]補=00011001B00011001

-32[―32]補=in00000B+11100000

-7[-7]補=11111001B11111001

[―25]補=11100001B

-2511100111

-32[―32]補=ni00000B+11100000

補:1i11000111

[—57]=11000111B/

自動丟失

■、，矣

4.溢出判斷

8位二進制補碼表示數(shù)的范圍：-128?+127

〃位二進制補碼表示數(shù)的范圍：-2〃-1?+(2〃T-1)

若運算結果超過了計算機所能表示數(shù)的范

圍，稱為溢出。此時運算結果出錯。

例3.01111111+127

+00000101+5

10000100-124

結果出錯。

結果溢出!

一

例4.10000100-124

+11111011—5

01111111+127

結果出錯。結果溢出!

溢出的判斷方法：

由參與運算的兩數(shù)及結果的符號位進行判斷，如果

?符號相同的兩數(shù)相加，所得結果的符號與之相反，結果溢出,。

?其他情況，不會產(chǎn)生溢出。)

―只有當兩個同符號數(shù)相加時才會有溢出！、

三

二進制編碼

1、數(shù)字編碼

BCD碼是一種常用的數(shù)字編碼。

\

BCD碼：Binary-CodedDecimal,即一進制

)編碼的十進制數(shù)。用[...]BCD表示。

、、至

標準BCD碼表示法

十進制數(shù)標準BCD碼二進制數(shù)

000000000

100010001

200100010

300110011

401000100

501010101

601100110

701110111

810001000

910011001

1010（非法）

1011（非法）

1100（非法）

1101（非法）

1110（非法）

1111俳法）

10000100001010

11000100011011

12000100101100

94100101001011110