西北工業(yè)大學(xué)微機原理第一張

前言:《微機原理與接口技術(shù)》

課程簡介1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的《微機原理與接口技術(shù)》是學(xué)習(xí)微機基本知識和應(yīng)用技能的重要課程，其目的是幫助學(xué)生掌握微機的硬件結(jié)構(gòu)和基本原理；學(xué)會運用指令系統(tǒng)和匯編語言進行程序設(shè)計；熟悉各種典型的接口芯片，掌握接口技術(shù)及其具體應(yīng)用，為后繼計算機課程的學(xué)習(xí)及工程實際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。前言:《微機原理與接口技術(shù)》

課程簡介2.課程教學(xué)安排總學(xué)時：68學(xué)時；其中實驗：20學(xué)時考試形式：機試3.教材特點按照高等教育的新要求，以必須、夠用為原則，著重闡述微機原理與接口技術(shù)中必須掌握的基本知識和技能，由淺入深、重點突出、應(yīng)用性強微機原理與接口技術(shù)》

課程簡介相關(guān)概念及應(yīng)用均以課程基本要求為主，表達(dá)上以實例引出概念、提出問題，通過闡述與分析進行歸納總結(jié)；內(nèi)容編排上以典型微機為對象，內(nèi)容精煉，通俗易懂。強調(diào)理解概念、弄懂原理、掌握方法、培養(yǎng)技能、突出實用。強化學(xué)習(xí)過程中的習(xí)題練習(xí)和實踐訓(xùn)練，每章給出學(xué)習(xí)指導(dǎo)和小結(jié)以及習(xí)題和思考題，便于讀者學(xué)習(xí)和練習(xí)。《微機原理與接口技術(shù)》

課程簡介3.教材的主要模塊微型計算機基礎(chǔ)知識微處理器內(nèi)外部特性指令系統(tǒng)與匯編語言存儲器及其接口總線技術(shù)4.學(xué)習(xí)方法:預(yù)習(xí)。尋找一點線索聽課。理解知識點復(fù)習(xí)。消化知識未來人才的培養(yǎng)重點：重實踐、能自學(xué)、勤研究、勇創(chuàng)新。鍥而不舍的復(fù)合型人才。《微機原理與接口技術(shù)》

課程簡介輸入/輸出接口技術(shù)中斷控制接口通用可編程接口人機交互設(shè)備及接口模擬量輸入/輸出接口技術(shù)第一章緒論本章主要教學(xué)內(nèi)容微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展、微型計算機的特點、分類、性能指標(biāo)微型計算機系統(tǒng)的組成情況計算機中數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換、無符號數(shù)和帶符號數(shù)的表示方法ASCII碼、BCD碼的相關(guān)概念和應(yīng)用微型計算機的應(yīng)用領(lǐng)域微型計算機基礎(chǔ)知識本章教學(xué)目的及要求熟悉微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展，掌握微型計算機的分類、性能指標(biāo)；掌握計算機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；掌握計算機中常用的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換、帶符號數(shù)的表示、字符編碼等基本知識。微型計算機基礎(chǔ)知識1.1微型計算機概述1.1.1微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展1．計算機發(fā)展簡介1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC，此后計算機的發(fā)展隨著其主要電子部件的演變已經(jīng)歷了4代：（1）第一代（1946~1958）電子管計算機（2）第二代（1959~1964）晶體管計算機（3）第三代（1965~1970）中小規(guī)模集成電路計算機（4）第四代（1971年以后）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機微型計算機基礎(chǔ)知識2．微處理器的產(chǎn)生及發(fā)展微處理器誕生于20世紀(jì)70年代初，將傳統(tǒng)計算機的運算器和控制器等集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器。按照微處理器的字長和功能劃分經(jīng)歷了5代演變：（1）第一代（1971~1973）4位和8位低檔微處理器（2）第二代（1974~1978）8位中高檔微處理器（3）第三代（1978~1980）16位微處理器（4）第四代（1981~1992）32位微處理器（5）第五代（1993年以后）是32位全新高性能奔騰（Pentium）系列微處理器。微型計算機基礎(chǔ)知識3．計算機的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來計算機的發(fā)展趨勢有如下幾個方面：（1）朝著微型計算機和巨型計算機兩級方向發(fā)展。（2）開發(fā)和研究的熱點是多媒體計算機。（3）未來計算機發(fā)展的總趨勢是智能化計算機。微型計算機基礎(chǔ)知識1.1.2微型計算機的特點與性能指標(biāo)1．微型計算機的特點（1）功能強（2）可靠性高（3）價格低（4）適應(yīng)性強（5）維護方便微型計算機基礎(chǔ)知識2．微型計算機的性能指標(biāo)（1）位（Bit）：一個二進制位，由0和1兩種狀態(tài)構(gòu)成。（2）字長：計算機CPU一次可同時處理的二進制數(shù)的位數(shù)。（3）字節(jié)（Byte）：由8個二進制位組成。（4）字：是計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的常用單位。16位微機由兩個字節(jié)組成一個字，32位微機由4個字節(jié)組成一個雙字。微型計算機基礎(chǔ)知識5）主頻：也稱時鐘頻率，單位為MHz（兆赫），決定微機的處理速度。（6）主存容量：主存儲器中RAM和ROM的總和。（7）可靠性：計算機在規(guī)定的時間和工作條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。（8）兼容性：計算機的硬件和軟件可用于其他多種系統(tǒng)的性能。（9）性能價格比：衡量計算機產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)，包括計算機的硬軟件性能與售價的關(guān)系。微型計算機基礎(chǔ)知識1.1.3微型計算機的分類1．按照字長來分類按照微處理器能夠處理的字長可分為8、16、32和64位微機。2．按照制造工藝來分類按照微處理器器件的制造工藝可分成MOS型和雙極型TTL兩類。3．按照利用形態(tài)來分類按照利用形態(tài)可分為位片機、單片機、單板機和PC機等。微型計算機基礎(chǔ)知識1.2微型計算機系統(tǒng)簡介1.2.1微型計算機硬件結(jié)構(gòu)通用微型計算機的硬件系統(tǒng)由微處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、系統(tǒng)總線、接口電路、輸入/輸出設(shè)備等部件組成，如圖1-1所示。微型計算機基礎(chǔ)知識圖1-1通用微型計算機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計算機基礎(chǔ)知識1.微處理器也稱為CPU，是微機的核心部件，包含有運算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件，負(fù)責(zé)對計算機系統(tǒng)的各個部件進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和控制。2.內(nèi)存儲器也稱為主存儲器，用來存放各類操作的數(shù)據(jù)和程序。按功能和性能可分為隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。3.系統(tǒng)總線是CPU與其它部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道，根據(jù)傳送內(nèi)容的不同，可以將總線分成數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB。微型計算機基礎(chǔ)知識4.I/O接口電路是微型計算機與外部設(shè)備交換信息的橋梁。5.主機板由CPU插座、芯片組、內(nèi)存插槽、系統(tǒng)BIOS、CMOS、總線擴展槽、串并行接口、各種跳線和一些輔助電路等構(gòu)成。6.外存儲器使用最多的是磁盤存儲器和光盤存儲器。7.輸入/輸入設(shè)備是微機系統(tǒng)與外界通信聯(lián)系的渠道，最常用的有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機等。微型計算機基礎(chǔ)知識1.2.2微型計算機系統(tǒng)組成及其功能完整的微型計算機系統(tǒng)組成框架如圖1-2所示。硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體；軟件是為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或為實現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)軟件簡化了計算機操作，支持應(yīng)用軟件的運行并提供服務(wù)，包括操作系統(tǒng)、實用程序和語言處理程序等；應(yīng)用軟件是為用戶解決某種應(yīng)用問題的程序及有關(guān)的文件和資料。微型計算機系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件（如軟件包、數(shù)據(jù)庫等）機器語言匯編語言高級語言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序主機外圍設(shè)備運算器控制器寄存器微處理器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線并行I/O串行I/OROMRAM外部設(shè)備過程I/O通道I/O設(shè)備外存儲器模擬量I/O開關(guān)量I/O圖1-2微型計算機系統(tǒng)的組成框架第1章微型計算機基礎(chǔ)知識微型計算機基礎(chǔ)知識1.3計算機中的數(shù)據(jù)表示1.3.1常用計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1．?dāng)?shù)的表示十進制數(shù)采用0~9共10個數(shù)字符號及其進位來表示數(shù)的大小。0~9這些數(shù)字符號稱為“數(shù)碼”；全部數(shù)碼的個數(shù)稱為“基數(shù)”，用“逢基數(shù)進位”進行計數(shù)稱為進位計數(shù)制。進位以后的數(shù)字按其所在位置的前后，將代表不同的數(shù)值，表示各位有不同的“位權(quán)”，位權(quán)與基數(shù)的關(guān)系是：位權(quán)的值等于基數(shù)的若干次冪。微型計算機基礎(chǔ)知識2．計算機中常用的進位計數(shù)制表1-1給出了計算機中常用計數(shù)制的基數(shù)和數(shù)碼以及進位關(guān)系。表1-1計算機中常用計數(shù)制的基數(shù)和數(shù)碼以及進位關(guān)系計數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進位關(guān)系二進制20、1逢二進一十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進一十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進一微型計算機基礎(chǔ)知識3．計數(shù)制的書寫規(guī)則（1）在數(shù)字后面加寫英文字母作為標(biāo)識：B(Binary)表示二進制數(shù)；D(Decimal)表示十進制數(shù)（通?？梢允÷裕?；H(Hexadecimal)表示十六進制數(shù)。（2）在括號外面加數(shù)字下標(biāo)作為標(biāo)識：(1101)2表示二進制數(shù)；(287)10表示十進制數(shù)；(5AB9)16表示十六進制數(shù)。1.2

運算基礎(chǔ)1.2.1進位計數(shù)制

進位計數(shù)制基數(shù)位權(quán)如：10011101B1234/1234D572Q2F0AH123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-21.2.2二進制計算機內(nèi)部,采用二進制,因為:.容易實現(xiàn).算術(shù)四則運算規(guī)則簡單.可進行二值邏輯運算1.2.3各進制之間的轉(zhuǎn)換舉例1、任意進制數(shù)→十進制數(shù)例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-22、十進制數(shù)→任意進制數(shù)例：將十進制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。

225余數(shù)整數(shù)212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=01.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625對應(yīng)的二進制數(shù)為11001.101B3、二進制、八進制、十六進制之間的轉(zhuǎn)換例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B1.2.4計算機中帶符號數(shù)的表示方法幾個概念:無符號數(shù)帶符號數(shù)機器數(shù)真值機器數(shù)的三種表示方法:原碼表示法

反碼表示法

補碼表示法一、原碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號，數(shù)值部分是數(shù)的絕對值，也稱真值，這種表示法稱為原碼表示法。

1．對于正數(shù)：符號位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對于負(fù)數(shù)：符號位用1表示，數(shù)字位同真值。

例x＝+91＝+10l1011B[x]原=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]原=11011011B

“0”的表示：[+0]原=00000000B[-0]原=10000000B對于8位機，原碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127二、反碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號，數(shù)值部分對于正數(shù)同真值，對于負(fù)數(shù)是真值各位取反，這種表示法就叫反碼表示法。1．對于正數(shù)：符號位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對于負(fù)數(shù)：符號位用1表示，數(shù)字位為真值按位取反。例x＝+91＝+10l1011B[x]反=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]反=10100100B

“0”的表示：[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B對于8位機，反碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127三、補碼表示法

1．對于正數(shù)：符號位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對于負(fù)數(shù)：符號位用1表示，數(shù)字位為它的反碼末位加1。例x＝+91＝+10l1011B[x]補=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]補=10100100B+1=10100101B例x＝+8＝+0001000B[x]補=00001000B

例y＝-8＝-0001000B[y]補=11110111B+1=11111000B

從這兩個例子中得到如下規(guī)律：對一個數(shù)的補碼連同符號位在內(nèi)求反加1，即為其相反數(shù)的補碼。例已知[+X]補=01000110B，則[-X]補=?

[-X]補=10111010B

“0”的表示：[+0]補=00000000B[-0]補=00000000B對于8位機，原碼可表示的數(shù)的范圍：-128～+127使用機器數(shù)要注意:

機器數(shù)是二進制數(shù)，由于符號位占據(jù)一位，因此有符號的數(shù)的形式值不等于真正的數(shù)值。特別對于負(fù)數(shù)的表示形式，原碼形式最高位的1表示負(fù)號，不是數(shù)，數(shù)值部分是數(shù)的真正值；而反碼和補碼就連數(shù)值部分也不是數(shù)本身了。所以，若要計算一個負(fù)數(shù)的機器數(shù)為十進制的多少時，只有負(fù)數(shù)的原碼的數(shù)值部分才可展開按權(quán)相加。

四、計算機引入補碼的好處

引入補碼,可以使減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算，簡化了運算器的線路設(shè)計。在計算機中，減法可以通過加補碼來實現(xiàn)；乘法可以通過一系列移位相加來實現(xiàn)；除法則可以通過一系列移位加補碼來實現(xiàn)。

因此，計算機中只需要一個加法器就可完成運算。五、補碼運算

補碼加法規(guī)則：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

補碼減法規(guī)則：[X-Y]補=[X]補+[-Y]補例：已知[X]補=11101011B，[Y]補=11001010B，求[X+Y]補和[X-Y]補解：[-Y]補=00110110B[X+Y]補=[X]補+[Y]補=11101011B+11001010B=10110101B[X-Y]補=[X]補+[-Y]補=11101011B+00110110B=00100001B

[X+Y]補和[X-Y]補均無溢出.1.2.5計算機中數(shù)的小數(shù)點表示方法

一個二進制數(shù)1010.01B可表示為:1010.01B=24×0.101001B

那么,任意一個二進制數(shù)N,可表示為:N=2j×S

j----階碼,指明小數(shù)點的位置。

s----尾數(shù),表示數(shù)N的全部有效數(shù)字。（1/2≤S＜1）對任何一個數(shù)，若階碼j總是固定不變的，則把這種表示法稱為數(shù)的定點表示。如果階碼j可以取不同的值，則把這種表示稱為數(shù)的浮點表示。

1.定點表示若定點計算機的階碼j＝0，則該定點數(shù)只能是小數(shù)，其表示的格式為:數(shù)符.數(shù)值小數(shù)點的位置在符號位與尾數(shù)部分最高位之間。若為8位機,其能表示的數(shù)的范圍:－0.1111111B～＋0.1111111B即－(1-2－7)≤X≤1-2－7還以8位機為例,若定點計算機的階碼j＝7，則該定點數(shù)只能是整數(shù)，其表示的格式為:數(shù)符

數(shù)值.小數(shù)點的位置在符號位與數(shù)值位之后。8位機能表示的數(shù)的范圍:－1111111B～＋1111111B即－(27－1)≤X≤27－12.浮點表示階符階碼數(shù)符.數(shù)碼若浮點計算機的字長為13位，階符為1位，階碼為3位，數(shù)符為1位，數(shù)碼為8位，則所能表示數(shù)的范圍是：

01111．11111111～01110．1111llll即－27×（1-2－8）～＋27×（1-2－8）若階符1位、階碼m位、數(shù)符1位、數(shù)碼n位，則表示范圍：211…1×(－0.111…1)～211…1×(＋0.111…1)m個1n個1m個1n個1應(yīng)當(dāng)注意，浮點數(shù)的正負(fù)號是由尾數(shù)的正負(fù)號決定的，而階碼的正負(fù)號只決定小數(shù)點的位置，即決定浮點數(shù)的絕對值大小。1.2.6常用的二進制編碼一、BCD碼（二進制編碼的十進制數(shù)）

每一位