《微機(jī)原理及接口技術(shù)》全套電子課件教案- 概述

1、微機(jī)原理及接口技術(shù) Microcomputer Principle and Interfacing Technology 核心課程 64學(xué)時(shí) 4學(xué)分 實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課 周二 1，2節(jié) 四/102 周四 3，4節(jié) 四/212一、本課程的地位、作用和任務(wù)1. 主要介紹16位微處理器原 理及接口技術(shù)2. 是一門微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件相結(jié)合的專業(yè)技術(shù)根底課3. 通過學(xué)習(xí)，掌握微機(jī)原理和接口技術(shù)，培養(yǎng)微機(jī)應(yīng)用開發(fā)能力。二、主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)根底知識(shí) 微型計(jì)算機(jī)根本結(jié)構(gòu) 16位微處理器8086結(jié)構(gòu) 指令系統(tǒng)，匯編語言程序設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)器與CPU接口 輸入輸出技術(shù)、中斷技術(shù) 并行和串行接口 計(jì)數(shù)器和定時(shí)器三、教材微型計(jì)

2、算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用(第四版) 周明德 清華大學(xué)出版社 四、參考書1. 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 何小海等，四川大學(xué)出版社2. 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 吳秀清，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社五、成績1. 期終考試：80% 2. 平時(shí)成績：20% 期中考試、作業(yè)、上課等六、上海市普通高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)和應(yīng)用能力等級(jí)考試三級(jí)(偏硬)1. 涉及課程 微機(jī)原理及接口技術(shù) 計(jì)算機(jī)軟件根底 高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)根底 計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)2. 范圍(1) 計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)(2) 軟件根底知識(shí)(3) 應(yīng)用能力3.目標(biāo)(1) 掌握微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理(2) 具有計(jì)算機(jī)軟件的根底知識(shí)以及匯編語言和高級(jí)語言

3、的編程能力(3) 具有微型計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)能力以及微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的分析和初步設(shè)計(jì)能力第一章 概述第一節(jié) 引言電子計(jì)算機(jī)： 自動(dòng)地、高速地進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和信息處理。 具有記憶、判斷和運(yùn)算功能。一、電子計(jì)算機(jī)開展階段(1)1946-1956，電子管 第一臺(tái)ENIAC，18000管，5千次/秒(2)1956-1962，晶體管 數(shù)十萬次/秒，程序設(shè)計(jì)語言(3)60年代中期，中小規(guī)模集成電路 數(shù)百萬次/秒，軟件功能大大提高(4)70年代初，大規(guī)模集成電路 巨型機(jī)，微型機(jī)，數(shù)千萬次/秒微型計(jì)算機(jī)(微機(jī)) 價(jià)格低，可靠性高，系統(tǒng)靈活 數(shù)值應(yīng)用和非數(shù)值應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域廣二、微型計(jì)算機(jī)的開展 微機(jī)的核心是微處理器(P

4、)，采用LSI和VLSI。 1971 第一個(gè)P Intel I4004 (1) 1971-1973 I4004(4位) 8008(8位)(2) 1973-1976 Intel 8080 8位 MC6800(3)1976-1978 Z80 8085(4) 1978-1981 8086 、 8088 16位 Z8000 、MC68000 1981 IBM公司 IBM-PC(8088)(5) 1981- 80386 、80486 386機(jī)、486機(jī) (6) 1993- Pentium奔騰(80586) Pentium MMX 、P 、 P 、P4從8086/8088到P4，形成了IA(Intel A

5、rchitecture)32結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 計(jì)算機(jī)運(yùn)算根底計(jì)算機(jī)中的數(shù)制進(jìn)位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制編碼定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)帶符號(hào)數(shù)的表示法二進(jìn)制運(yùn)算一、計(jì)算機(jī)中的數(shù)制十進(jìn)制，二進(jìn)制，十六進(jìn)制1. 十進(jìn)制特點(diǎn)：(1)十個(gè)不同數(shù)字符號(hào)09 (2)逢十進(jìn)一如：99.9=9101+9100+910-1A=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m = 基數(shù)：102.二進(jìn)制特點(diǎn)：(1)用二個(gè)不同符號(hào)0，1表示 (2)逢二進(jìn)一如：1001.01=123+120+12-2B=Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m = Bi：0、1 基數(shù)：23.十六進(jìn)制特點(diǎn)

6、：(1)用16個(gè)不同數(shù)字符號(hào)09， AF表示 (2)逢16進(jìn)一(3AB.11)16=3162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664D=Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =Di：09，AF 基數(shù)：16總結(jié)： (1) 每一種計(jì)數(shù)進(jìn)制都有一個(gè)基數(shù)J， 每一位可取J個(gè)不同的數(shù)值。 (2) 逢“J進(jìn)位 每一位i，對(duì)應(yīng)Ji為該位的“權(quán)。 (3) 小數(shù)點(diǎn)向左移一位，那么減小了J倍 小數(shù)點(diǎn)向右移一位，那么增加了J倍十六進(jìn)制數(shù) H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFH二進(jìn)制數(shù) B Binary 1011B，11110111

7、B十進(jìn)制數(shù) D Decimal 56二、進(jìn)位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1.二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)方法： 把二進(jìn)制數(shù)的每一位按權(quán)展開相加例： (111.101)2=122+121+120 +12-1+12-3 =7.6252.十進(jìn)制整數(shù)二進(jìn)制整數(shù)例：215(11010111)2 215=(Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 =Kn-12n-1+K121+K020 兩邊除以2 107= Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0=1 不斷除以2，直到商為0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0方法： 用2除十進(jìn)制數(shù)，直至商為0，每次余數(shù)為二進(jìn)制數(shù)碼。 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是

8、最高有效位MSB3.十進(jìn)制小數(shù)二進(jìn)制小數(shù) 0.6875=(0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1 =K-12-1+K-22-2+K-m2-m 兩邊乘以2 1.375= K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1) 右邊刮號(hào)內(nèi)數(shù)1，小數(shù)和整數(shù)局部兩邊應(yīng)相等 得到K-1=1 剩下的小數(shù)局部再乘2，繼續(xù)下去可得到 0.6875=(0.1011)2方法： 用2乘十進(jìn)制小數(shù)，將得到的整(0或1)，作為K-1K-2 。 假設(shè)乘積的小數(shù)局部最后為0，那么做后一次整數(shù)局部記為K-m。 假設(shè)乘積的小數(shù)局部不能為0，根據(jù)精度要求取m位。 215.6875=(11010111.1011)2 14.任意進(jìn)位制數(shù)與十

9、進(jìn)制數(shù)方法： 同二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換5.十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)(1)十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)方法： 一位16進(jìn)制數(shù)可表示為四位二進(jìn)制數(shù)例： (3AB)16=(1110101011)2 (0.7A53)162(E.3)16=(1110.0011)2(2)二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)方法： 1)整數(shù)局部從右到左，每四位一組，缺乏補(bǔ)0，每組化為16進(jìn)制數(shù)。 2)小數(shù)局部從左到右，每四位一組，缺乏補(bǔ)0，每組化為16進(jìn)制數(shù)。例：2 =00011000(1BE3.978)16位權(quán)記憶法 1 1 1 1 1 1 1 1 128 64 32 16 8 4 2 11 1 1 1 1 1 1 132768 16384 8192

10、 4096 2048 1024 512 256例：2=2048+512+256+8+2 =2826 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K三、二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算乘法 00=0 01=0 10=0 11=1 1111 1101 1111 0000 1111+ 1111 110000111. 被乘數(shù)左移法 乘數(shù) 被乘數(shù) 局部積 1101 1111 0000(1)乘數(shù)為1 被乘數(shù)加局部積+ 11111111 被乘數(shù)左移 11110(2)乘數(shù)為0，不加 被乘數(shù)左移 111100(3)乘數(shù)為1，加1111+ 111100 1001011 被乘數(shù)左移 1111

11、000(4)乘數(shù)為1，加+1111000110000112.局部積右移法乘數(shù)1101 被乘數(shù)1111 局部積 0000(1)乘數(shù)為1 被乘數(shù)加局部積 局部積右移 0111 1(2)乘數(shù)為0，不加 局部積右移+ 11111111+ 111110010 11 局部積右移0011 111001 011(3)乘數(shù)為1，加(4)乘數(shù)為1，加 + 111111000 011 局部積右移1100 0011四、二進(jìn)制編碼1.BCD碼 Binary-Codad Decimal 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)，用四位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。 十進(jìn)制數(shù) BCD碼 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 10

12、 0001 0000BCD 4 9 7 8 . 1 4 9(1) 壓縮BCD碼 一個(gè)單元八位二進(jìn)制存放兩位十進(jìn)制數(shù)，如十進(jìn)制數(shù)29的壓縮BCD碼表示為 0010 1001 B即29H(2) 非壓縮BCD碼 一個(gè)單元八位二進(jìn)制存放一位十進(jìn)制數(shù)，低4位與壓縮BCD碼相同，高4位無意義。 如十進(jìn)制數(shù)29的非壓縮BCD碼表示為： xxxx0010B xxxx1001B 2.ASCII碼 (American Standard Code for Information Interchange) 美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼 用七位二進(jìn)制數(shù)，表示數(shù)字(09)，大小寫英文字母，符號(hào)等，共128個(gè)字符，見P.416附錄。

13、例：數(shù)字09：30H39H 字母AZ：41H5AH 字母az： 61H7AH 空格：20H 回車CR：0DH 換行LF：0AH 五、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)1. 浮點(diǎn)數(shù) (110011.101)2=2110(0.110011101)2基數(shù)階碼尾數(shù) N=2j S 規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)，0.5S1 數(shù)的表示范圍大，如：階符1位，階碼2位，數(shù)符1位，尾數(shù)4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4)例：三字節(jié)規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)，階符1位，階碼6位，數(shù)符1位，尾數(shù)16位。- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16) 參加運(yùn)算的操作數(shù)，要乘上一固定的階化成所要求的格式。 表示的數(shù)值不如浮點(diǎn)數(shù)大。例：三字節(jié)

14、定點(diǎn)數(shù)，1位符號(hào)，23位數(shù)據(jù)。 - 223 +223 22.定點(diǎn)數(shù)六、帶符號(hào)數(shù)的表示法1. 無符號(hào)數(shù) N位二進(jìn)制數(shù)可以表示的無符號(hào)數(shù)范圍為：02N -1 例： 8位二進(jìn)制數(shù)表示 0255 16位二進(jìn)制數(shù)表示 0655352. 機(jī)器數(shù)與真值 通常一個(gè)數(shù)的最高位為符號(hào)位，用0表示正，1表示負(fù) 如：x=(01011011)2=+91 x=(11011011)2=-91 D7：符號(hào)位 D6D0：數(shù)字位機(jī)器數(shù)：連同符號(hào)在一起作為一個(gè)數(shù)真值：機(jī)器數(shù)的數(shù)值為該機(jī)器數(shù)的真值3. 原碼 上面的表示法稱為原碼。 X=+105 X原=01101001 X=-105 X原=11101001特點(diǎn)： (1) 表示簡單易懂

15、，與真值轉(zhuǎn)換方便。 (2) 減法或兩個(gè)數(shù)異號(hào)相加，要做減法。4. 反碼 正數(shù)的反碼與原碼相同。 負(fù)數(shù)的反碼為它的正數(shù)的按位取反(連符號(hào)位)。 +4反=00000100 -4反=11111011 +127反=01111111 -127反=10000000特點(diǎn)：(1) 0有兩種表示法。 +0反=00000000 -0反=11111111(2) 8位二進(jìn)制反碼所能表示的數(shù)值 范圍：+127-127。(3) 最高位為符號(hào)位 0為正數(shù)，后七位為數(shù)值局部； 1為負(fù)數(shù)，后七位按位取反為數(shù)值局部。 例：10010100符號(hào)取反為 1101011，數(shù)值為1075. 帶符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼表示 正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。 負(fù)

16、數(shù)的補(bǔ)碼為它的反碼，且在最低位加1。 +4補(bǔ)=00000100 -4反=11111011 -4補(bǔ)=11111100 +127補(bǔ)=01111111 -127反=10000000 -127補(bǔ)=10000001特點(diǎn)：(1) +0補(bǔ)= -0補(bǔ)= 00000000 (2) 8位二進(jìn)制補(bǔ)碼所能表示的數(shù)值 范圍： +127 -128 (3) 最高位為符號(hào)位 0為正數(shù)，后七位為數(shù)值局部； 1為負(fù)數(shù)，后七位按位取反，且在最低 位加1，才是數(shù)值局部。 例：10010100符號(hào)取反加1: 1101100，數(shù)值為1086. 補(bǔ)碼的特性 求補(bǔ) (1) x補(bǔ) -x補(bǔ) 例1：10補(bǔ)=00001010B求補(bǔ)后 -10補(bǔ)=11

17、110110B (2) x + y補(bǔ)= x補(bǔ)+ y補(bǔ)(3) x - y補(bǔ)= x補(bǔ)+ -y補(bǔ) 說明：在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，補(bǔ)碼減法是通過對(duì)減數(shù)求補(bǔ)后將減法轉(zhuǎn)換為加法進(jìn)行的。 例2：X=64-10=64+(-10)=54 X補(bǔ)=64補(bǔ)+-10補(bǔ) =01000000+11110110=00110110 01000000 + 11110110 1 00110110進(jìn)位，自然喪失3例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X補(bǔ)=34補(bǔ)+-68補(bǔ) =00100010+10111100= 11011110 00100010 +10111100 11011110負(fù)7.溢出 計(jì)算機(jī)字長有一定限制，所以一個(gè)帶符號(hào)數(shù)

18、是有一定范圍的。如：8位二進(jìn)制補(bǔ)碼所能表示的數(shù)值范圍： +127 -128 運(yùn)算結(jié)果超出這范圍稱為溢出。 例4：120+105=01111000+01101001 01111000 + 01101001 11100001負(fù)例5：-80+(-64)=10110000+11000000 進(jìn)位喪失 10110000 + 11000000 1 01110000表示正 (1) D6向D7的進(jìn)位 (2) D7向進(jìn)位位的進(jìn)位。 當(dāng)兩個(gè)進(jìn)位只有一個(gè)時(shí)，溢出 當(dāng)兩個(gè)進(jìn)位都有或都沒有時(shí)，無溢出8. 符號(hào)擴(kuò)展與零擴(kuò)展 符號(hào)擴(kuò)展 將原符號(hào)位填入擴(kuò)展的每一位，使得在帶符號(hào)數(shù)意義下取值不變。零擴(kuò)展 將0填入擴(kuò)展的每一位，

19、使得在無符號(hào)數(shù)意義下取值不變。 例6： X補(bǔ)=7FEDH， Y補(bǔ)=D6H X+Y補(bǔ)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ) = 7FEDH+FFD6H=7FC3H 例7: 符號(hào)擴(kuò)展 8位 16位 32位 80H 0FF80H 0FFFFFF80H 26H 0026H 00000026H 例8: 零擴(kuò)展，針對(duì)無符號(hào)數(shù) 8位 16位 32位 80H 0080H 00000080H 26H 0026H 00000026H 七、注解 (1) 同一個(gè)二進(jìn)制數(shù)可以表示多種含義，其具體含義由使用者解釋。 例如：二進(jìn)制數(shù)00110000B，即30H，可以當(dāng)作 十進(jìn)制數(shù)48的二進(jìn)制表示 字符0的ASCII碼 30的壓縮BCD碼等等。

20、(2) 帶符號(hào)數(shù)的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示與位數(shù)密切相關(guān)。 例：0FFH，假設(shè)作為8位帶符號(hào)數(shù)，那么表示-1； 假設(shè)作為16位帶符號(hào)數(shù)，那么表示255。 0FFFFH，假設(shè)作為16位帶符號(hào)數(shù)，那么表示-1； 假設(shè)作為32位帶符號(hào)數(shù)，那么表示65535。 第三節(jié) 微型計(jì)算機(jī)的根本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的功能部件微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)微處理器的簡單工作過程一、微型計(jì)算機(jī)的功能部件馮諾依曼結(jié)構(gòu)：(1) 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大局部組成。(2) 數(shù)據(jù)程序以二進(jìn)制形式存于存儲(chǔ)器，位置由地址指示，數(shù)制為二進(jìn)制。(3) 由一個(gè)指令計(jì)數(shù)器控制指令的執(zhí)行?？?制 器 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU存 儲(chǔ) 器輸入設(shè)備

21、輸出設(shè)備CPU(Central Processing Unit)ALU和控制器CPU輸出設(shè)備存儲(chǔ)器輸入設(shè)備面向總線1.中央處理器CPU(1) 組成 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU 存放器陣列 定時(shí)與控制局部 三組總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)(2)根本功能 1)算術(shù)邏輯運(yùn)算：+，-，與，或 2)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器和外設(shè) 3)暫存少量數(shù)據(jù) 4)對(duì)指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行 5)定時(shí)和控制信號(hào)提供 6)可響應(yīng)其它部件提出的中斷請(qǐng)求 返回2.存儲(chǔ)器記憶裝置，存放數(shù)據(jù)程序。(1)存儲(chǔ)地址 存儲(chǔ)器的每一個(gè)單元有一個(gè)地址，CPU根據(jù)這地址將所需數(shù)據(jù)存入或取出。(2)存儲(chǔ)內(nèi)容 存儲(chǔ)單元存放的內(nèi)容，長度由CPU字長決定。 存儲(chǔ)地址由CPU的地址總線決定，地址線的根數(shù)決定了存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量。 存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)位數(shù)由存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)總線決定。例如：有一存儲(chǔ)芯片的容量是2K8位 那么 地址線11根，211=2048 數(shù)據(jù)線8根 返回 43.輸入設(shè)備功能 溝通計(jì)算機(jī)與外界之間的信息聯(lián)系。 輸入原始數(shù)據(jù)，程序，采集資料信息。 如： 鍵盤，紙帶讀入機(jī)，A/D4.輸出設(shè)備功能 溝通計(jì)算機(jī)與外界之間的信息聯(lián)系。 如： 顯示器，打印機(jī)，D/A 返回二、微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)CPU