第一章基礎知識

微機原理與接口技術成都電子機械高等?？茖W校2005.91課程目標微機原理是學習和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設計的入門課程：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設計微型計算機接口技術建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力2教學大綱一基礎知識二微型計算機基礎三8086/8088

CPU的指令系統(tǒng)四匯編語言程序設計五存儲器系統(tǒng)六I/O接口與中斷、計數器七A/D及D/A轉換器八常用數字接口3第1章基礎知識主要內容：計算機的發(fā)展各種常用記數制和編碼4§1.1概述世界上第一臺計算機是1943-1946年美國賓夕法尼亞大學設計制造的”ENIAC”占地上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦

5000次加法/秒5(1)存儲容量太小,只能存20個字長為10位的十進制數

(2)采用線路連接的方法來編排程序,每次解題都要靠人工改接連線,準備時間大大超過實際運算時間6馮?諾伊曼計算機基本結構(馮氏結構)1.“存儲程序”概念的產生及其重要意義。ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具備“存儲程序”的功能EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）——采用“存儲程序”的概念，并付諸實現，“開創(chuàng)了整個程序設計時代的到來”2.馮氏計算機5個基本部件：輸入器,輸出器,運算器,存儲器和控制器數據和程序存放在存儲器中,采用了二進制7計算機的發(fā)展及分類電子計算機的發(fā)展：電子管計算機（1946-1956）晶體管計算機（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）8微處理器的發(fā)展歷程第一代:4位及低檔8位微處理器(1971-1973)第二代:中、低檔8位微處理器(1974-1978)

第三代:高、中檔8位微處理器(1978-1981)第四代:16及低檔32位微處理器(1981-1992)第五代:高檔32位微處理器(1992年以后)9代發(fā)表年份字長(bits)微處理器型號線寬(m)晶體管數(萬個)時鐘頻率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP40.60.60.35.25-.13.18-.135504507508501000133-200166-233233-450450-12001300-2400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20條指令/時鐘周期)>300010微型計算機的發(fā)展動向低檔微型計算機的發(fā)展

應用在家用電器,儀器儀表和過程控制等領域功能強,價格低,精巧靈活32位和64位微型計算機的發(fā)展做成微型計算機系統(tǒng)運算速度快,主存容量大和有豐富的軟件多微處理器系統(tǒng)的發(fā)展

11計算機的特征運算速度快計算精度高超強的記憶能力具有邏輯判斷功能實現自動控制12計算機的分類巨型計算機（MainframeComputer）大、中型計算機小型計算機（Minicomputer）微型計算機（Microcomputer）工作站13§1.2.微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微處理器:集成在同一塊芯片上的具有運算和控制功能的中央處理器2.微型計算機：由CPU，半導體存儲器，I/O接口和中斷系統(tǒng)集中裝在同一塊或數塊印刷電路板上所構成的計算機。單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）單板微型計算機（SingleBoardMicrocomputer）多板微型計算機（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型計算機系統(tǒng):在多板機基礎上發(fā)展起來的,是高層次的微型計算機,有齊全的硬件和豐富的軟件14微型計算機系統(tǒng)的組成1微處理器存儲器I/O接口總線硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)微型計算機(主機)外設ALU寄存器控制器鍵盤、鼠標顯示器軟驅、硬盤、光驅打印機、掃描儀系統(tǒng)軟件應用軟件15核心級——微處理器微處理器簡稱CPU，是計算機的核心，主要包括：

運算器ALU

控制器CU寄存器組Registers實現運算功能和控制功能16硬件系統(tǒng)級——微型計算機以微處理器為核心，配上只讀存儲器(ROM)、讀寫存儲器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及系統(tǒng)總線等部件，就構成了微型計算機。將CPU、存儲器、I/O接口、總線等集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。17系統(tǒng)級以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。18系統(tǒng)軟件:為使用和管理計算機有機器的設計者提供的軟件.(1)各種語言和它們的匯編后解釋,編譯程序(2)機器的監(jiān)控管理程序(Montitor),調試程序(Debug),故障檢查和診斷程序(3)程序庫:為了擴大計算機的功能,機器中設置了各種標準子程序,子程序的總和就形成了程序庫.(4)操作系統(tǒng)應用軟件:用戶利用計算機以及計算機所提供的各種系統(tǒng)軟件,編制解決用戶各種實際問題的程序.19微型計算機(主機)的基本結構“CPU+存儲器+I/O接口+系統(tǒng)總線”。微機系統(tǒng)結構存儲器I/O接口輸入設備I/O接口地址總線AB輸出設備CPU數據總線DB控制總線CBI/O接口20主機硬件系統(tǒng)——CPU計算機的控制中心，提供運算、判斷能力構成：ALU、CU、Registers例：Intel8088、PIII、P4

CPU的位數：4位、8位、16位、32位是指一次能處理的數據的位數21主機硬件系統(tǒng)——存儲器存放程序和數據的記憶裝置用途：存放程序和要操作的各類信息（數據、文字、圖像、。。。）內存：ROM、RAM特點：隨機存取，速度快，容量小外存：磁盤、光盤、半導體盤、…特點：順序存取/塊存取，速度慢，容量大22有關內存儲器的幾個概念內存單元的地址和內容內存容量23

內存單元的地址和內容內存包含有很多存儲單元(每個內存單元包含8bit)，為區(qū)分不同的內存單元，計算機對每個內存單元進行編號，內存單元的編號就稱為內存單元的地址1011011038F04H內存單元地址內存單元內容......7654321024內存容量和內存空間內存單元的個數，以字節(jié)為單位。注意：內存空間與內存容量的區(qū)別

內存容量：某微機配置2條128MB的SDRAM內存條，內存容量為256MB

內存空間：又稱為存儲空間、尋址范圍，是指微機的尋址能力，與CPU的地址總線寬度有關

25主機硬件系統(tǒng)——輸入/輸出接口簡寫為I/O接口，是CPU與外部設備間的橋梁CPUI/O接口外設26微機的總線結構BUS微機的各個部件之間的信息傳送和處理器內部信息的傳送，通過三組不同的總線進行的?？偩€：是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。內部總線是CPU內部各功能部件和寄存器之間的連線；外部總線是連接系統(tǒng)的總線，即連接CPU、存儲器和I/O接口的總線，又稱為系統(tǒng)總線?？偩€包括與數據傳輸有關的控制邏輯。在計算機系統(tǒng)中，總線應被看成一個獨立的部件。27三總線結構

它們是：

數據總線（DataBus--DB）--雙向地址總線（AddressBus---AB）--單向控制總線（ControlBus—CB）--雙向

總線是計算機的部件與部件之間傳輸信息的公共通路，它能分時地發(fā)送和接收各部件的信息。28數據總線CPU與存儲器、I/O接口之間數據傳送的公共通路.是雙向,三態(tài)的信號線數據總線的位數和處理器的位數相對應.數據總線的條數決定CPU一次最多可以傳送的數據寬度。29地址總線用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址線的根數決定了CPU的尋址范圍。CPU的尋址范圍=2n，

n-地址線根數是單向的,三態(tài)信號線

30控制總線用來傳送各種控制信號是雙向,三態(tài)的信號線,但有的為單向,有的為非三態(tài),取決于具體的信號線.實現CPU對存儲器,I/O接口的控制及接收外部傳送給CPU的狀態(tài)信號31微型計算機的主要技術指標(1)字長:參與運算的數的位數.它決定著計算機的內部寄存器、加法器及數據總線（數據通路）的位數。有4位，8位，16位，32位，64位等。(2)主存容量:主存儲器所能存儲信息的總量。通常以字節(jié)數(Byte)來表示。例：內存128MB。(3)運算速度:有不同的計量方法和測試標準。MIPS(MillionInstructionPerSecond)(4)平均無故障運行時間(可靠性)

MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均無故障間隔時間(5)性能/價格比32微處理器的內部結構與基本功能

包括以下幾個重要部分：累加器算術邏輯運算單元(ALU)狀態(tài)標志寄存器寄存器陣列指令寄存器指令譯碼器定時及各種控制信號的產生電路。3334習題與思考：1．微型計算機系統(tǒng)有哪些功能部件組成？它們各自具有什么結構？采用什么樣的結構？2．什么是微處理器？什么是微型計算機？什么是微機系統(tǒng)？它們之間的關系如何？3.什么是總線,總線的分類及它們之間的作用和關系?35§1.3常用計數制了解特點；表示方法；相互間的轉換。36一、常用計數法

十進制——符合人們的習慣二進制——便于物理實現十六進制——便于識別、書寫八進制37進位計數制的一般表示一般地，對任意一個K進制數S都可表示為

Si

--

S的第i位數碼，可以是K個符號中任何一個；K

--

基數；Ki

--K進制數的權381.十進制特點：以十為底，逢十進一；

共有0-9十個數字符號。表示：392.二進制特點：以2為底，逢2進位；只有0和1兩個符號。表示：403.十六進制特點：以16為底，逢16進位； 有0--9及A--F共16個數字符號。表示：41二、各進制數間的轉換1.非十進制數到十進制數的轉換

按相應進位計數制的權表達式展開，再按十進制求和。

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)10422.十進制到非十進制數的轉換十進制→二進制的轉換： 整數部分：除2取余；小數部分：乘2取整。十進制→十六進制的轉換：整數部分：除16取余；小數部分：乘16取整。以小數點為起點求得整數和小數的各個位。433.二進制與十六進制間的轉換用4位二進制數表示1位十六進制數

例：10110001001.110=(?)H

0101

1000

1001.1100

589.C44§1.3二進制數的運算無符號數算術運算

有符號數邏輯運算45一、無符號數的運算算術運算

包括：加法運算減法運算乘法運算除法運算461.規(guī)則加法：1+1=0（有進位）,…減法：0-1=1（有借位）,…乘法：…,乘以2相當于左移一位；除法：…,除以2則相當于右移1位。

例：00101110×0000010=?

00101110/00000010=?

47[練習]：00001011×0100=?

00001011÷0100=?

即：商=?

余數=?482.無符號數的表示范圍一個n位的無符號二進制數X，其表示范圍為

0≤

X≤2n-1若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。判別方法：運算時，當最高位向更高位有進位（或借位）時則產生溢出。49[例]：

11111111

+00000001

100000000結果超出８位（最高位有進位），發(fā)生溢出。（結果為256，超出８位二進制數所能表示的范圍255）503.邏輯運算與(∧)、或(∨)、非(▔)、異或(⊕)特點：按位運算，無進借位運算規(guī)則

…..514.邏輯門掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關系（真值表）；與非門、或非門的應用。52與門（ANDGate）Y=A∧BABY000010100111&ABY53或門（ORGate）Y=A∨BABY000011101111YAB≥154非門（NOTGate）1AYY=AAY011055異或門（eXclusiveORGate）Y=A⊕BYAB⊕ABY00001110111056二、有符號數計算機中有符號數的表示把二進制數的最高位定義為符號位符號位為0

表示正數，符號位為1

表示負數連同符號位一起數值化了的數，稱為機器數。機器數所表示的真實的數值，稱為真值。57[例]：

+52=+0110100=0

0110100

符號位數值位

-52=-0110100=1

0110100

真值機器數581.符號數的表示對于符號數，機器數常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補碼記作[X]補。

注意：對正數，三種表示法均相同。它們的差別在于對負數的表示。59原碼[X]原定義 符號位：0表示正，1表示負；數值位：真值的絕對值。60原碼的例子

=00010010=10010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼[X]原[X]原符號符號位n位原碼表示數值的范圍是對應的原碼是1111～0111。61數0的原碼8位數0的原碼：+0=00000000-0=10000000即：數0的原碼不唯一。62反碼[X]反定義

若X>0，則[X]反=[X]原

若X<0，則[X]反=對應原碼的符號位不變，數值部分按位求反63[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101164反碼的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反碼[X]反=00010010[X]反=11101101符號符號位n位反碼表示數值的范圍是對應的反碼是1000～0111。650的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數0的反碼也不是唯一的。66補碼定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+167[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100n位補碼表示數值的范圍是對應的補碼是1000～0111。680的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進位被舍掉∴[+0]補=[-0]補=0000000069特殊數10000000該數在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數：(10000000)２=128708位有符號數的表示范圍：對8位二進制數：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127想一想：16位有符號數的表示范圍是多少？712.有符號二進制數與十進制的轉換對用補碼表示的二進制數：

1）求出真值2）進行轉換72[例]：將一個用補碼表示的二進制數轉換為十進制數。

1)

[X]補=00101110B真值為：+0101110B

正數

所以：X=+462)[X]補=11010010B

負數

X=[[X]補]補=[11010010]補=-

0101110B所以：X=

-

46733.補碼加減法的運算規(guī)則通過引進補碼，可將減法運算轉換為加法運算。規(guī)則如下：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補-[Y]補其中X，Y為正負數均可，符號位參與運算。74[例]：X=-0110100，Y=+1110100，求[X+Y]補[X]原=10110100[X]補=[X]反+1=11001100[Y]補=[Y]原=01110100所以：[X+Y]補=[X]補+[Y]補=11001100+01110100=01000000754.符號數運算中的溢出問題進(借)位——在加法過程中，符號位向更高位產生進位；在減法過程中，符號位向更高位產生借位。溢出——運算結果超出運算器所能表示的范圍。76溢出的判斷方法方法１：同號相減或異號相加——不會溢出。同號相加或異號相減——可能溢出：兩種情況： 同號相加時，結果符號與加數符號相反——溢出；異號相減時，結果符號與減數符號相同——溢出。77溢出的判斷方法方法２：兩個帶符號二進制數相加或相減時，若

C7C6＝1，則結果產生溢出。C7為最高位的進(借)位；C６為次高位的進(借)位。78不帶符號數的運算加法：和的絕對值不超過整個字長，不溢出。減法：減數變補，再與被減數相加來求得。兩個不帶符號數進行加法運算，最高位有進位C,則有溢出，但并不表示錯，只是表明給定字長無法表示，向更高位有進位而已。