微機(jī)原理課件PPT

第一章微型計算機(jī)沈陽工業(yè)大學(xué)微型計算機(jī)原理課題組本章內(nèi)容微型計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用發(fā)展、應(yīng)用微型計算機(jī)系統(tǒng)微處理器、微型計算機(jī)、微型計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)中數(shù)的表示帶符號數(shù)、原碼、反碼、補(bǔ)碼本章重點微處理器、微型計算機(jī)、微型計算機(jī)系統(tǒng)之間的區(qū)別帶符號數(shù)的表示、真值、機(jī)器碼、原碼、反碼、補(bǔ)碼數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換帶符號數(shù)的運(yùn)算、BCD碼、ASCII碼12341.1微型計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1946年，世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)字式

電子計算機(jī)ENIAC（電子數(shù)據(jù)和計算器）發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第四代，產(chǎn)生了微型計算機(jī)。1971年，Intel公司設(shè)計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，開創(chuàng)了一個全新的計算機(jī)時代。1.1微型計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1946年，世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)字式

電子計算機(jī)ENIAC（電子數(shù)據(jù)和計算器）發(fā)展到以大規(guī)模集成電路為主要部件的第四代，產(chǎn)生了微型計算機(jī)。1971年，Intel公司設(shè)計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，開創(chuàng)了一個全新的計算機(jī)時代。1.1.1電子計算機(jī)的發(fā)展自1946年電子計算機(jī)ENIAC誕生，電子計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了四個時代：電子管晶體管集成電路超大規(guī)模集成電路：集成度增加、運(yùn)算速度增加、體積縮小特點1.1.2微型計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用第1代：4位和低檔8位微機(jī)4004→4040→8008第2代：中高檔8位微機(jī)Z80、I8085、M6800，Apple-II微機(jī)第3代：16位微機(jī)8086→8088→80286，IBMPC系列機(jī)第4代：32位微機(jī)和64位微機(jī)80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium432位PC機(jī)、Macintosh機(jī)、PS/2機(jī)Itanium、64位RISC微處理器芯片微機(jī)服務(wù)器、工程工作站、圖形工作站1.1.3微型計算機(jī)的應(yīng)用由于微型計算機(jī)具有如下特點體積小、價格低工作可靠、使用方便、通用性強(qiáng)……計算機(jī)應(yīng)用通常分成如下各個領(lǐng)域科學(xué)計算，數(shù)據(jù)處理，實時控制計算機(jī)輔助設(shè)計，人工智能，……歸納為兩個主要應(yīng)用方向：1.1.3微型計算機(jī)的應(yīng)用（續(xù)）用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向通用微機(jī)，例如：PC微機(jī)功能越強(qiáng)越好、使用越方便越好用于過程控制及智能化儀器儀表方向?qū)Ｓ梦C(jī)，例如：單片機(jī)、工控機(jī)可靠性高、實時性強(qiáng)程序相對簡單、處理數(shù)據(jù)量小注：單片機(jī)：將CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一個微處理器芯片中

常用的MCS-51、MCS-961.2微型計算機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)部總線運(yùn)算器控制單元寄存器地址加法器緩沖器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設(shè)備電源軟件系統(tǒng)微處理器微型計算機(jī)微型計算機(jī)系統(tǒng)區(qū)別1.2.1微型計算機(jī)系統(tǒng)——軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)MS-DOS匯編程序MASM和LINK文本編輯程序EDIT.COM調(diào)試程序DEBUG.EXE為什么采用匯編語言？1.2.2微型計算機(jī)——系統(tǒng)組成

微型計算機(jī)由CPU、存儲器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成。

圖1.1微型計算機(jī)的系統(tǒng)組成1.2.2微型計算機(jī)——系統(tǒng)總線微機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)

功能部件CPU總線包含三種不同功能的總線： 1.數(shù)據(jù)總線DB(databus)：傳輸數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)總線上傳送的一定是數(shù)據(jù)嗎？ 2.地址總線AB(addressbus)：傳送地址信息3.控制總線CB(controlbus)：傳輸控制信號思考思考題答案數(shù)據(jù)總線上傳送的一定是數(shù)據(jù)嗎？答：在微型機(jī)中，數(shù)據(jù)的含義也是廣義的。數(shù)據(jù)總線上傳送的不一定是真正的數(shù)據(jù)，還有可能是指令代碼、狀態(tài)量或控制量1.2.2微型計算機(jī)——系統(tǒng)總線（續(xù)）地址總線AB輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址地址線的多少決定了系統(tǒng)直接尋址存儲器的范圍數(shù)據(jù)總線DBCPU讀操作時，外部數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPUCPU寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往外部數(shù)據(jù)線的多少決定了一次能夠傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)控制總線CB協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等信號控制總線決定了系統(tǒng)總線的特點，例如功能、適應(yīng)性等1.2.3微處理器——概念微處理器(Microprocessor)是微型機(jī)算計的運(yùn)算及控制部件，也稱為中央處理單元（CPU）。它本身不構(gòu)成獨立的工作系統(tǒng)，因而它也不能獨立地執(zhí)行程序。1.2.3微處理器——功能CPU功能：

·可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算·可保存較少量數(shù)據(jù)·能對指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動作；·能和存儲器、外設(shè)交換數(shù)據(jù)·提供整個系統(tǒng)所需要的定時和控制·可以響應(yīng)其他部件發(fā)來的中斷請求1.2.3微處理器——結(jié)構(gòu)CPU在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上包含下面這些部分：

·算術(shù)邏輯部件；·累加器和通用寄存器組；·控制部件；·

內(nèi)部總線。

1.2.3微處理器——主要性能指標(biāo)字長主頻存儲容量運(yùn)算速度1.3計算機(jī)中的數(shù)的表示存儲容量的表達(dá)比特b（二進(jìn)制1位）字節(jié)B（二進(jìn)制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B進(jìn)制的表示二進(jìn)制數(shù)：結(jié)尾用字母B或(01011101)2十進(jìn)制數(shù)：可不用結(jié)尾字母,也可用D或(26)10十六進(jìn)制數(shù)：結(jié)尾用字母H或(1A19)161.3.1數(shù)制及轉(zhuǎn)換1、數(shù)制2、各種數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換1、數(shù)制（1）十進(jìn)制數(shù)（2）二進(jìn)制數(shù)（3）十六進(jìn)制數(shù)（1）十進(jìn)制數(shù)（Decimal)①具有10個數(shù)字符號0，1，2，···，9；②由低位向高位進(jìn)位是按“逢10進(jìn)1”的規(guī)則進(jìn)行的③基數(shù)為10，第i位的權(quán)為10i。

其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0。例：

(6543.21)10=6543.21D=6×103

+5×102

+4×101

+3×100

+2×10-1

+1×10-2（2）二進(jìn)制數(shù)(Binary)①具有2個數(shù)字符號0，1；②由低位向高位進(jìn)位是按“逢2進(jìn)1”的規(guī)則進(jìn)行的；③基數(shù)為2，第i位的權(quán)為2i。

其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0例：(1010.101)2

=1010.101B=1×23+0

×22

+1×21

+0×20

+1×2-1

+0×2-2

+1×2-3

（3）十六進(jìn)制數(shù)(Hexadecimal)1、具有16個數(shù)字符號0

，

1

，2

，···，

9

，A，B，C，D，E，F(xiàn)；2、由低位向高位進(jìn)位是按“逢16進(jìn)1”的規(guī)則進(jìn)行的；3、基數(shù)為16，第i位的權(quán)為16i。其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0例：(19BF.ABE)16=19BF.ABEH=1×163+9×162+11×161+15×160+10×16-1+11×16-2+14×16-32、各種數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制（2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制（3）二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制（1）二進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制按權(quán)展開求和。如：①10101.101B=1×24+1×22+1×20+1×2-1+1×2-3

=16+4+1+0.5+0.125=21.625D②19B.ABH=1×162+9×161+11×160+10×16-1+11×16-2=256+144+11+0.625+0.04296875=411.66796875D（2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制①

整數(shù)部分②小數(shù)部分（3）二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換四位二進(jìn)制數(shù)正好等于一位十六進(jìn)制數(shù)

0001

1111B1

(1×20=1)2(1×21=2)4(1×22=4)8(1×23=8)16(1×24=16)四位二進(jìn)制與一位十六進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系四位二進(jìn)制數(shù)一位十六進(jìn)制數(shù)0000B1001B1000B5H4H3H2H6H0H0010B0011B0100B0101B0110B7H0111B1111B1110B1101B1100B1011B1010BCHBHAH9H8H1HDHEHFH0001B四位二進(jìn)制數(shù)一位十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)例：1110110101100.10101B=?H1110110101100.10101

0001110110101100.101010001

DAC.A8

↓

↓

↓

↓

↓

↓

1110110101100.10101B=1DAC.A8H十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)例：39F.E1AH=？B

3

9

F.E

1

A001110011111.111000011010↓↓↓↓↓↓

=1110011111.11100001101B39F.E1AH

=0011

1001

1111.11100001

1010B①整數(shù)部分——除2取余法例：19D=？B

高

低

余數(shù)

19D=

所以，我們可以得到：10011B19÷2=9…19÷2=4…14÷2=2…02÷2=1…01÷2=0…1 ②小數(shù)部分——乘2取整法例：0.625D=？B0.625×2=1.25…

10.25×2=0.5…00.5×2=1.0…1

低

高

整數(shù)

0.625D=

所以我們可以得到：0.101B二、計算機(jī)中的數(shù)及編碼1、機(jī)器數(shù)與真值2、帶符號數(shù)、無符號數(shù)3、原碼、補(bǔ)碼及反碼4、真值與補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換5、補(bǔ)碼的運(yùn)算6、二進(jìn)制編碼1、機(jī)器數(shù)與真值（1）在計算機(jī)中數(shù)是用二進(jìn)制數(shù)來表示的。（高電平代表“1”，低電平代表“0”)（2）數(shù)的符號在計算機(jī)中也是用二進(jìn)制數(shù)表示的?！埃庇谩?”表示，“－”用“1”表示。例：有兩個數(shù)：

真值機(jī)器數(shù)N1=＋1101001N2=－1101001在計算機(jī)中的表示形式：N1：01101001N2：111010012、帶符號數(shù)、無符號數(shù)（1）帶符號數(shù)用0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)，這種表示數(shù)的方法，稱為帶符號數(shù)的表示方法，所表示的數(shù)稱為帶符號數(shù)。帶符號數(shù)的表示形式：①＋22②－221001011000010110符號位數(shù)值部分符號位數(shù)值部分2、帶符號數(shù)、無符號數(shù)（2）無符號數(shù)如果把全部有效位都用來表示數(shù)的大小，即沒有符號位，這種方法表示的數(shù)，叫無符號數(shù)。無符號數(shù)表示形式：①22②15010010110000101108位全部用來表示數(shù)值大小8位全部用來表示數(shù)值大小3、原碼、反碼及補(bǔ)碼思考：在計算機(jī)中一個數(shù)的大小和符號都用二進(jìn)制來表示，那么在計算機(jī)中是如何進(jìn)行運(yùn)算的？（1）原碼（2）反碼（3）補(bǔ)碼思考？

在計算機(jī)中一個數(shù)的大小和符號都用二進(jìn)制來表示，那么在計算機(jī)中是如何進(jìn)行運(yùn)算的？例：有一個鐘顯示時間是6點鐘，而正確時間是1點鐘，請問如何校正這個鐘？方法1：順時針撥7個鐘；6＋7→1方法2：逆時針撥5個鐘；6－5→1引進(jìn)概念——模概念—模模

一個計量器的容量，記為M，或modM

。模的特性——當(dāng)一個計量器的模為M時，它在計量器里的表示形式與0一樣，也就是說，M=0

。所以，對時鐘來說，M=12：方法1：6＋7=13=12+1=0+1=1方法2：6＋7=6－5=1概念—模同樣，對一個n位二進(jìn)制計數(shù)器，它的容量為2n，它的模為M=2n。假設(shè)，n=8，則M=28=256。也就是說對8位二進(jìn)制計數(shù)器來說，256=000000000000000000→→8位計數(shù)器1256（1）原碼定義：一個數(shù)的原碼就是該數(shù)的機(jī)器數(shù)。①對正數(shù)

X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）則：[X]原碼=0X6X5X4X3X2X1X0②對負(fù)數(shù)

X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）

則：[X]原=1X6X5X4X3X2X1X0（2）反碼定義：正數(shù)的反碼就等于它的原碼；

負(fù)數(shù)的反碼就是它的原碼除符號位外，

各位取反。①對正數(shù)X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）反碼[X]反碼=0X6X5X4X3X2X1X0②對負(fù)數(shù)X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）反碼[X]反碼=（2）反碼例：X1=＋1001001X2=－1001001則：[X1]原=

01001001[X2]原=

11001001[X1]反=

01001001[X2]反=

10110110（3）補(bǔ)碼定義：正數(shù)的補(bǔ)碼就等于它的原碼；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼就是它的反碼加1。①對正數(shù)X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）補(bǔ)碼[X]補(bǔ)=

0X6X5X4X3X2X1X0②對負(fù)數(shù)X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）補(bǔ)碼[X]補(bǔ)=[X]反+1=＋1（3）補(bǔ)碼例：X1=＋1001001X2=－1001001則：[X1]原=

01001001[X1]反=

01001001[X1]補(bǔ)=

01001001[X2]原=

11001001[X2]反=

10110110[X2]補(bǔ)=

[X]反+1

=

101101114、真值與補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換例1已知X=+0101010，Y=－0101010求它們的原碼、反碼和補(bǔ)碼。解：[X]原=[X]反=[X]補(bǔ)=00101010[Y]原=10101010[Y]反=11010101[Y]補(bǔ)=[Y]反+1=

11010101+1

=110101104、真值與補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換例2[X]補(bǔ)=10101101，求真值X。解：因為補(bǔ)碼的首位是1，則其真值X即為負(fù)數(shù)[X]反=[X]補(bǔ)－1=10101101－1

=10101100[X]原=11010011

（除了符號位，按位取反）所以，X=－10100115、補(bǔ)碼的運(yùn)算補(bǔ)碼的運(yùn)算就是計算機(jī)中數(shù)的運(yùn)算。（1）補(bǔ)碼的加法規(guī)則（2）補(bǔ)碼的減法規(guī)則（1）補(bǔ)碼的加法規(guī)則規(guī)則[X＋Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)例X=+0110110，Y=－1111001，求X+Y=？解：首先按常規(guī)加法計算：

X=＋0110110=54DY=－1111001=

－121D所以，X+

Y=

－67D（1）補(bǔ)碼的加法規(guī)則例X=+0110110，Y=－1111001，求X+Y=？解：用補(bǔ)碼的加法規(guī)則來求：[X]原=[X]反=[X]補(bǔ)=00110110[Y]原=11111001[Y]反=10000110[Y]補(bǔ)=[Y]反＋1

=10000110＋1

=10000111

[X]補(bǔ)=00110110

+）

[Y]補(bǔ)=10000111

[X]補(bǔ)+

[Y]補(bǔ)

=

10111101（1）補(bǔ)碼的加法規(guī)則例：根據(jù)規(guī)則：[X＋Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)所以，[

X+Y]補(bǔ)=10111101[

X+Y]反=10111101－1=10111100[

X+Y]原=11000011

則：X+Y=－1000011=

－67D顯然，補(bǔ)碼的加法規(guī)則是正確的。（2）補(bǔ)碼的減法規(guī)則規(guī)則[X－Y]補(bǔ)=[X+（－Y）]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)例X=+1010101，Y=+1100001，求X－Y=？解：首先按常規(guī)減法計算：

X=＋1010101=

85DY=＋1100001=

97D所以，X－Y=

－12D

（2）補(bǔ)碼的減法規(guī)則例X=+1010101，Y=+1100001，求X－Y=？解：按補(bǔ)碼的減法規(guī)則來求：[X]原=[X]反=[X]補(bǔ)=01010101

－Y=－1100001[－

Y]原=11100001[－

Y]反=10011110[－

Y]補(bǔ)=10011111

[X]補(bǔ)=01010101

+）

[－

Y]補(bǔ)=10011111

[X]補(bǔ)+

[－Y]補(bǔ)

=

11110100（2）補(bǔ)碼的減法規(guī)則例：根據(jù)補(bǔ)碼的減法規(guī)則：[X－Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)由[

X－Y]補(bǔ)=11110100

[

X－Y]反=11110100–1=11110011

[

X－Y]原=10001100所以X－Y=－0001100B

=

－12D補(bǔ)碼的減法規(guī)則也是正確的，事實上就是加法規(guī)則6、二進(jìn)制編碼

二進(jìn)制編碼是指用二進(jìn)制代碼來表示計算機(jī)中所要處理的數(shù)值、數(shù)字、字母和符號等，一般為若干位二進(jìn)制數(shù)碼的組合。（1）二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（2）字母和字符的編碼（1）二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)

就是BCD碼（BinaryCodedDecimal）。①壓縮BCD碼是用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。一個字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)。如：10010110B表示96D②非壓縮BCD碼是用一個字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù)。高4位總是0。如：00001001B表示9D

兩種BCD碼的編碼對照表兩種BCD碼的編碼對照表（2）字母和字符的編碼計算機(jī)不僅要處理數(shù)值問題，還要處理大量的非數(shù)值問題，這就必須引入文字、字母，某些專用的符號，這就是目前應(yīng)用最廣泛的字符編碼系統(tǒng)ASCII碼。（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼）例：大寫字母“A”的ASCII碼就是41H;小寫字母“n”的ASCII碼就是6EH;數(shù)字“8”的ASCII碼就是38H;AmericanStandardCodeforInformationInterchange

美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼

高3位低4位0000010100111001011101110000nuLL0@P、p00011Aq00102B00113C0100401015……1110>n1111？o三、計算機(jī)中數(shù)的運(yùn)算方法1、補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算2、溢出判斷3、邏輯運(yùn)算1、補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算規(guī)則[X＋Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)[X－Y]補(bǔ)=[X+（－Y）]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)因此，加法或減法都是用補(bǔ)碼的加法來進(jìn)行運(yùn)算的。2、溢出判斷例：X=+1000101，Y=+1100111，求X+Y=？解：[X]原=[X]反=[X]補(bǔ)=01000101[Y]原=[Y]反=[Y]補(bǔ)=01100111

[X]補(bǔ)=01000101（69D）

+）[Y]補(bǔ)=01100111（103D）

[X]補(bǔ)+

[Y]補(bǔ)=10101100

（172D）因此，得[

X+Y]補(bǔ)=10101100由于其符號位是1，表明X+Y的真值是負(fù)數(shù)，這顯然與實際情況不符合，出錯？

2、