微機原理-第一章課件

微型計算機原理及應用問題1：計算機？問題2：微型計算機組成？問題3：工作原理？先修課程

計算機文化基礎 數(shù)字電路與邏輯設計 高級計算機語言（C語言）2023/12/41共56張課程教學基本要求

掌握計算機中不同進制的表示方法及其轉換，尤其掌握計算機中補碼的表示與運算。熟悉微處理器的組成及各部件的功能，掌握CPU中的寄存器陣列，標志寄存器及堆棧操作。對CPU主要時序要熟悉。掌握常用的指令及指令對標志位的影響，熟悉常用的尋址方式。掌握常用的偽指令，及宏匯編語言程序設計。掌握內存儲器的結構，RAM與ROM的特點，性能及接口設計。掌握常用的總線及其接口。2023/12/42共56張掌握中斷的全過程及微機中的中斷系統(tǒng)。掌握并行與串行接口芯片及計數(shù)器/定時器芯片的原理及應用。熟悉D/A與A/D的轉換原理與應用。主要參考書：

《16/32位微機原理、匯編語言及接口技術》 錢曉捷、陳濤編著 機械工業(yè)出版社《微型計算機原理及應用》鄭學堅、周斌編著清華大學出版社《IBMPC匯編語言程序設計》沈美明、溫冬嬋編著清華大學出版社《The80x86IBMPCandCompatibleComputersAssemblyLanguage,DesignandInterfacing》《現(xiàn)代微型計算機與接口教程》楊文顯主編清華大學出版社《微型計算機原理》潘名蓮、馬爭、惠林編電子工業(yè)出版社2023/12/43共56張第一章計算機系統(tǒng)概述1.1計算機的產(chǎn)生公元600年左右，我國出現(xiàn)計算工具——算盤。17世紀歐洲出現(xiàn)計算尺和機械式計算機。19世紀英國數(shù)學家巴貝芝(1791-1871)提出通用計算機的基本設計思想。巴貝芝可能是第一個意識到計算機中條件轉移的重要性的人。(abacus)2023/12/44共56張美國的赫曼·霍勒瑞斯(1860—1929)在美國1890年人口普查的時候采用穿孔卡片記錄人口普查信息。 處理了超過6200萬張的卡片，包含的數(shù)據(jù)是1880年人口普查的2倍，而數(shù)據(jù)處理只花了大約1/3時間。1897年該設備第一次用于俄羅斯的人口普查。 1896年，霍勒瑞斯創(chuàng)立了制表機公司，出租和出售穿孔卡片設備。1911年，經(jīng)過合并，該公司成為計算-制表-記錄(Computing-Tabulating-Recording)公司，即C-T-R公司。1915年，C-T-R的主席是ThomasJ.Watson(1874-1956)，他在1924年把公司的名字改為國際商用機器公司，即IBM。2023/12/45共56張19世紀中葉，英國數(shù)學家布爾(1824-1898)創(chuàng)立了布爾代數(shù)。1937年英國數(shù)學家圖靈(1912-1954)提出了著名的“圖靈機”的模型，探討了計算機的基本概念，證明了通用數(shù)字計算機是能夠制造出來的。美國計算機協(xié)會設有圖靈獎。1946年2月,在美國賓夕法尼亞大學的莫爾學院，由物理學博士J.W.Mauchly和電氣工程師J.P.Eckert領導的小組研制出世界上第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC(E1ectronicNumericalIntegratorAndCalculator)。這臺計算機用電子管實現(xiàn)，采用字長為10位的十進制計數(shù)方式，每秒可進行5000次的加法運算。該機在1943年研制時，其最初的目的是為陸軍編制各種彈道表。2023/12/46共56張2023/12/47共56張ENIAC共使用了18000個電子管，占地135m2，功率150kw，重量達30噸，每秒鐘可進行5000次加法運算。1944年夏，著名數(shù)學家馮·諾依曼（VonNeumann）偶然獲知ENIAC的研制，他參加并研究了新型計算機的系統(tǒng)結構，在他執(zhí)筆的報告里，提出了采用二進制計算、存儲程序和在程序控制下自動執(zhí)行的思想。按照這一思想，新機器將由五個部件構成，即運算、控制、存儲、輸入和輸出，報告還描述了各部件的職能和相互間的聯(lián)系。稱為“馮·諾依曼”機。

1930年開始，匈牙利人馮·諾依曼就一直住在美國。他能在腦子里構思復雜的算法而享有很高的聲譽，是普林斯頓高級研究學院的一名數(shù)學教授，研究范圍很廣，從量子理論到游戲理論的應用再到經(jīng)濟學。2023/12/48共56張幾十年來，計算機一直是按馮·諾依曼提出的設計思想發(fā)展的，其基本思想主要是：（1）采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令；（2）將編制好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存儲器，然后啟動計算機工作；（3）計算機應包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件，并規(guī)定了各個基本部件的功能。馮·諾依曼思想被看作是計算機發(fā)展史上的里程碑，直到現(xiàn)在，各類計算機的基本組成均屬于馮·諾依曼型。2023/12/49共56張1.2計算機的發(fā)展 以計算機物理器件的變革作為標志，把計算機的發(fā)展劃分為四代：第一代(1946年～1957年)：電子管計算機第二代(1957年～1965年)：晶體管計算機第三代(1965年～1971年)：集成電路計算機第四代(1971年以后)：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路

2023/12/410共56張

邏輯元件程序設計語言運算速度內存容量第一代計算機1946~1957年電子管機器語言或匯編語言幾千次每秒幾KB第二代計算機1957~1965年晶體管FORTRAN、ALGOL、COBOL幾十萬次每秒幾十KB第三代計算機1965~1971年中、小規(guī)模集成電路操作系統(tǒng)和會話式語言百萬次每秒

MB級第四代計算機1971~大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路

更豐富幾百萬甚至上億次每秒越來越大第五代智能化計算機，使計算機具有人工智能，可像人一樣能看、能聽、能說、能思考，具有學習功能，能自動進行邏輯判斷等2023/12/411共56張1.3微型計算機的發(fā)展 微型計算機(Microcomputer)的中央處理器(CPU，Contra1ProcessingUnit)采用了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術。稱為微處理器MPU(MicroProcessingUnit或Microprocessor)。微型計算機的發(fā)展是與微處理器的發(fā)展同步的。微處理器集成度幾乎每18個月增加一倍，產(chǎn)品每2～4年更新?lián)Q代一次。各代的劃分以MPU的字長和速度為主要依據(jù)。2023/12/412共56張第一代（1971-1972）----主要產(chǎn)品為4位和低檔8位微機。第二代（1973-1977）----主要產(chǎn)品為中高檔8位微機。有Inte1公司的8080、Motorola公司的M6800。8位單片機MCS-48系列和MCS-51系列。第三代（1978-1984）----各公司相繼推出一批16位的微處理器芯片，如Intel8086/8088/80286，MC68000/68010，Z8000等。第四代（1985-1999）----1985年，Intel公司推出32位微處理器芯片80386

80486

Pentium(奔騰)

PentiumPro(高能奔騰)

MMXPentium(多能奔騰，MMX:多媒體增強指令集)

PentiumII

PentiumIII

PentiumIV

PentiumV；第五代（2000-至今）----當前，Intel和HP公司已聯(lián)合定義了被稱作“顯式并行指令計算”（ExplicitlyParallelInstructionComputing,EPIC）的IA-64位指令架構。64位的微處理器芯片2000年8月已經(jīng)誕生，Intel展示的代號為“Merced”的Itanium(安騰)CPU，其應用目標是高端服務器和工作站。2023/12/413共56張2023/12/414共56張1．微處理器(Microprocessor) 微處理器也叫微處理機，是微型計算機的核心部件。包括：算術邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）、控制單元CU（ControlUnit）和寄存器陣列RA(RegisterArray/Stuff)三個基本部分，簡稱μP或MP，在微型計算機中直接用CPU(CentralProcessingUnit)表示微處理器。2.微型計算機(MicroComputer)

以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器(ROM和RAM)、輸入/輸出(I/O)接口和系統(tǒng)總線組成的。簡稱μC或MC。當將這些組成部分集成在一個超大規(guī)模芯片上，則稱之為單片微型計算機，簡稱單片機（SingleClipMicroComputer）；組裝在一塊或多塊印刷電路板上稱之為單板、多板微型計算機（Single/MultiBoardMicroComputer）。1.4微型計算機系統(tǒng)的三個層次2023/12/415共56張

微型計算機系統(tǒng)(MicroComputerSystem)是以微型計算機為核心，再配以相應的外圍設備、電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件而構成的完整的計算機系統(tǒng)。簡稱μCS或MCS。

軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是用來支持應用軟件的開發(fā)與運行的，它包括操作系統(tǒng)、標準實用程序和各種語言處理程序等。應用軟件是用來為用戶解決具體應用問題的程序及有關的文檔和資料。3.微型計算機系統(tǒng)2023/12/416共56張微型計算機系統(tǒng)的組成2023/12/417共56張2023/12/418共56張2023/12/419共56張裸機操作系統(tǒng)其他系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件用戶計算機系統(tǒng)的層次結構2023/12/420共56張1.5微型計算機的分類、特點、性能指標和應用1．分類： 微型計算機的分類方法有多種。按微處理器的字長，可分為：4位機、8位機、16位機、32位機和64位機等；按結構，可分為單片機和多片機；按組裝方式，可分為單板機和多板機；按外形和使用特點，可分為臺式微機和筆記本式微機等等。2023/12/421共56張1.巨型機運算速度快，可達億次每秒以上，存儲容量大2.大型機運算速度一般在幾千萬次/秒，主存容量較高。有比較完善的指令系統(tǒng)，豐富的外部設備和功能齊全的軟件系統(tǒng)。3.中型機中型機規(guī)模介于大型機和小型機之間。4.小型機規(guī)模較小、結構簡單、成本較低、操作簡便、維護容易，從而得以廣泛推廣應用。5.微型機采用微處理器、半導體存儲器和輸入輸出接口等芯片組裝，具有體積更小、價格更低、通用性更強、靈活性更好、可靠性更高、使用更加方便等優(yōu)點。6.工作站工作站實際上就是一臺高檔微機，運算速度快，主存儲器容量大，易于聯(lián)網(wǎng)，特別適合于CAD/CAM和辦公室自動化。按計算機規(guī)模分類

2023/12/422共56張微型計算機的特點：

①形小、體輕、功耗低 ②價格便宜 ③結構簡單、性能可靠 ④使用方便、通用性強2023/12/423共56張3．微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標字長 字長是計算機內部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)。取決于通用寄存器、內存儲器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線寬度。內存儲器容量 存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。內存的容量大小決定計算機的速度。運算速度計算機的運算速度一般用CPU每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)表示。常用百萬條指令/秒(MIPS,MillionsofInstructionPerSecond)作單位。主頻稱為微處理器的工作頻率，或微處理器內頻；主板的工作頻率：內存、控制芯片組和CPU之間總線的工作頻率，也稱為微處理器外頻

2023/12/424共56張主板的性能指標a.微處理器的支持能力，包括CPU插槽類型、CPU種類、外頻范圍、電壓范圍b.系統(tǒng)芯片組的類型c.是否集成顯卡、聲卡、調制解調器（Modem）、網(wǎng)卡d.支持內存和高速緩存（Cache）的類型與容量e.系統(tǒng)BIOS的版本、功能f.擴充插槽及I/O接口的數(shù)量、類型g.主板的電壓輸出范圍2023/12/425共56張硬盤的性能指標

容量、速度和安全性是硬盤的3項主要指標系統(tǒng)總線的性能指標a.

總線的帶寬（數(shù)據(jù)傳輸率）

總線的帶寬指的是單位時間內總線上可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以MB/s為單位；b.

總線的位寬

總線的位寬是指總線能同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)；c.

總線的工作頻率

又稱為外頻，它是指用于協(xié)調總線上各種操作的時鐘頻率。三者關系：總線帶寬=(總線位寬/8)×總線工作頻率(MB/s)2023/12/426共56張外設擴展能力

主要指計算機系統(tǒng)配接各種外部設備的可能性、靈活性和適應性。軟件配置情況

軟件是計算機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它配置是否齊全，直接關系到計算機性能的好壞和效率的高低。2023/12/427共56張4．微型計算機的應用：

⑴用于科學計算(數(shù)值計算)、數(shù)據(jù)處理及信息管理方向；⑵用于過程控制及自動化（智能化）儀器、儀表方向；2023/12/428共56張1.6微型計算機中數(shù)和字符的表示以及運算基礎 數(shù)字系統(tǒng)是僅僅用數(shù)字來“處理”信息以實現(xiàn)計算和操作的電子網(wǎng)絡。該數(shù)制系統(tǒng)只有兩個可能的值：該值要么是0，要么是1。此特征定義了二進制或基-2的數(shù)制系統(tǒng)，數(shù)字的本身(0和1)稱為(bits)比特，簡稱為“二進制數(shù)字”。數(shù)字系統(tǒng)必須完成如下任務：1.將現(xiàn)實世界的信息轉換成數(shù)字網(wǎng)絡可以理解的二進制“語言”。2.僅用數(shù)字0和1完成所要求的計算和操作。3.將處理的結果以我們可以理解的方式返回給現(xiàn)實世界。2023/12/429共56張

計算機的處理對象是各種各樣的數(shù)據(jù)，在使用上，計算機的數(shù)據(jù)可以分為兩類：1、

數(shù)----用來直接表征量的多少。他們有大小之分，并能進行加減等運算。2、

碼----代碼或編碼（Code）,在計算機中用來代表某個事物或描述某種信息。 數(shù)和碼在使用場合上有區(qū)別，在使用形態(tài)上并沒有區(qū)別。數(shù)和碼有時又是相通的，比如，BCD碼雖然是碼，但卻用來表示十進制數(shù)，它可以象二進制一樣進行運算，只是運算后必須進行相應的調整；又比如表示數(shù)時，對正、負號的處理需用到碼的概念。2023/12/430共56張編碼（Code)是采用少量的基本符號，選用一定的組合原則，以表示大量復雜多樣信息的技術。解碼(Decode)是編碼的逆過程，用于提取二進制數(shù)字的含義。編碼和解碼可以看成是有一本字典在人類語言和二進制數(shù)字之間進行翻譯。位（bit）是計算機所能表示的最小數(shù)據(jù)單位。字節(jié)(Byte)是微型計算機的最基本的數(shù)據(jù)單位，每個字節(jié)是八位二進制數(shù)的組合。字長是計算機內部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)。2023/12/431共56張數(shù)制----數(shù)制是人們利用符號來計數(shù)的科學方法，一般采用的是進位計數(shù)制，又稱進位制。十進制（decimalsystem）其一般形式為：

N進制數(shù)的一般形式： 其中，Ni為第i位的權，Ki為第i位的系數(shù)，N為計數(shù)基數(shù)。二進制（binarysystem）使用的數(shù)碼為0，1；每位的權為2的冪。例如： 2023/12/432共56張為什么要使用八進制和十六進制？----簡化書寫，便于記憶。為方便起見，對不同進制的數(shù)常采用后綴字母以示區(qū)別： 十進制 D或d或沒有后綴

二進制 B或b 八進制 Q或q十六進制 H或h八進制（octalsystem）使用的數(shù)碼為0,1,2,3,4,5,6,7；每位的權為8的冪。十六進制（hexadecimalsystem）使用的數(shù)碼為0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F；每位的權為16的冪2023/12/433共56張不同數(shù)制間的轉換

非十進制轉換為十進制，展開相加即可。例如：(463)8=4*82+6*81+3*80=4*64+6*8+3 =256+48+3 =(307)10十進制換成其它進制：整數(shù)部分采用除以基數(shù)取余，小數(shù)部分采用乘以基數(shù)取整的法則。2023/12/434共56張例1：(54.39)10=(36.63D7)162023/12/435共56張例2：(175.625)10=(10101111.101)2

整數(shù)部分轉換結果：(175)10=

K7K6K5K4K3K2K1K0=(10101111)2計算步驟簡化為如下形式：2023/12/436共56張對于小數(shù)部分：最后將小數(shù)部分和整數(shù)部分合并。小數(shù)部分轉換結果：(0.625)10=0.K-1K-2K-3=(0.101)2計算步驟簡化為如下形式：2023/12/437共56張2023/12/438共56張計算機數(shù)的定點和浮點表示真值----指符合人們習慣的數(shù)的原始表示形式。機器數(shù)----數(shù)據(jù)在計算機中的實際表示形式。定點數(shù)----指小數(shù)點的默認位置已被固定的數(shù)。若小數(shù)點的位置被固定在機器數(shù)的最右側，該數(shù)據(jù)為“定點整數(shù)”，若小數(shù)點的位置被固定在機器數(shù)的最左側（最高數(shù)值位之前和符號位之間），該數(shù)據(jù)為“定點小數(shù)”。

對于任意一個二進制數(shù)總可以表示為純小數(shù)或純整數(shù)與一個2的整數(shù)次冪的乘積，例如二進制數(shù)N可寫成

N=2P×S

其中，S稱為數(shù)N的尾數(shù)；P稱為數(shù)N的階碼；2稱為階碼的底。S表示了數(shù)N的全部有效數(shù)字，P決定了小數(shù)點的位置。2023/12/439共56張小數(shù)點位置小數(shù)點位置2023/12/440共56張計算機中定點整數(shù)的表示定點整數(shù)的表示分為兩類：（1）無符號的定點整數(shù)（簡稱無符號數(shù)）----機器數(shù)只表達0和正整數(shù)，其中每一位都表示數(shù)值。例如，8位無符號數(shù)的范圍為0～255。（2）有符號的定點整數(shù)（簡稱有符號數(shù)）----機器數(shù)表達0、正整數(shù)、負整數(shù)。一般最高有效位作為“符號位”來表示數(shù)的正負，0為正整數(shù)，1為負整數(shù)。注意：符號位沒有數(shù)值的含義。在機器中表示有符號數(shù)有三種表示方法：原碼、反碼和補碼。為了有符號數(shù)運算的方便，目前實際上采用的（計算機內部默認）是補碼運算，研究反碼和原碼是為了研究補碼。2023/12/441共56張原碼----符號位為0，表示正數(shù)；為1，表示負數(shù)；其余各位等同于真值的絕對值。例如： （10000010）原碼=—（2）100的原碼有兩種表示：00000000（+0）或10000000（-0）反碼----符號位的用法和正數(shù)的表示同“原碼”一樣；負數(shù)的表示是在“原碼”表示的基礎上通過將符號位以外的的各位取反來獲得的（其實就是將負數(shù)的絕對值的原碼按位取反）。這時 （10000010）反碼=—（125）100的反碼有兩種表示：00000000（+0）或11111111（-0）8位二進制原碼和反碼所能表示的數(shù)值范圍為-127d～+127d2023/12/442共56張補碼----符號位的用法和正數(shù)的表示同“原碼”一樣；負數(shù)的表示是在“反碼”的基礎上通過加1來獲得的。

這時（10000010）補碼=—（126）10為了理解補碼的意義，舉一個鐘表對時的例子。若標準時間是7點整，而有一只鐘停在11點整。要把鐘校準到7點整，可以倒撥4格，即11-4＝7;也可以順撥8格，這是因為時鐘順撥時，到12點就從0重新開始計時，相當于自動丟失一個數(shù)12，即11+8＝12(自動丟失)+7＝7。2023/12/443共56張 這個自動丟失的數(shù)(12)是一個循環(huán)計數(shù)系統(tǒng)中所表示的最大數(shù)，稱之為“?！?。

11-4≡11+8 (mod12) -4≡+8 (mod12)

mod12表示以12為模數(shù)。當?shù)仁絻蛇呁阅?2，它們的余數(shù)相同，故上式在數(shù)學上稱為同余式。和(-4)與(+8)的同余相仿，(-5)與(+7)、(-6)與(+6)、(-7)與(+5)等等也都同余，或互為補數(shù)。不難看出，一個負數(shù)的補數(shù)必等于模加上該負數(shù)(或模減去該負數(shù)的絕對值)。由此可以推論：對于某一確定的模，某數(shù)減去絕對值小于模的另一數(shù)，總可以用某數(shù)加上“另一數(shù)的負數(shù)與其模之和”(即補數(shù))來代替。所以，引進了補碼以后，減法就可以轉換為加法了。 例如，在字長為8位的二進制數(shù)制中，其模為28=256d，若有64-10＝64+(-10)＝64+[256-10]=64+246＝256+54=542023/12/444共56張一般地說，對于n位二進制數(shù)，某數(shù)X的補碼總可以定義為：[X]補＝2n+X?；蛘撸?/p>

[X]補+[Y]補＝[X+Y]補

8位二進制補碼所能表示的數(shù)值范圍為-128d～+127d（+0）和（-0）的補碼表示一樣：000000002023/12/445共56張如何解決定點補碼的加法運算？規(guī)則：[X]補+[Y]補＝[X+Y]補（mod2n）如何解決定點補碼的減法運算？[X-Y]補＝[X+(-Y)]補=[X]補+[-Y]補[Y]補[-Y]補將[Y]補取反加1將[-Y]補取反加1求補運算2023/12/446共56張使用補碼的意義：（1）一個整數(shù)的補碼和它的真值是一一對應的關系；（2）既可以使用一位二進制數(shù)表示整數(shù)的符號，又使得加法運算的結果仍為結果的補碼：

[X]補+[Y]補＝[X+Y]補（3）減法運算轉化為加法運算：[X-Y]補＝[X+(-Y)]補=[X]補+[-Y]補（4）大大簡化了電路的設計。2023/12/447共56張如何求一個數(shù)的補碼？ 1、0和正數(shù)的補碼是其本身； 2、負數(shù)的補碼(對于負數(shù)X)：（1）將|X|轉化為特定字長的二進制數(shù)

將其按位取反加1； （2）“帶借位0減”，即?！獆X|例如-37H的補碼為：1（借位）00H-37H=C9H練習：求-5的補碼，設字長為8位。2023/12/448共56張對于負數(shù)X的補碼，將其二進制的值按位取反加1，得到的是|X|。練習：11111101B=—（）D?數(shù)的范圍：

符號：無 有

8位字長：0～255-128～12716位字長：0～65535-32768～32767字長的擴展：8位16位 低八位不變，高八位以符號填充。練習： 86H（****）H? 68H（****）H?2023/12/449共56張問題：機器碼11111101B到底真值是什么？C語言中使用signed（省略）和unsigned來區(qū)分。int，unsignedint匯編程序設計中，在于編程者自己把握。2023/12/450共56張溢出的判斷無符號數(shù)相加的溢出判斷：相加結果最高位有進位就是溢出。對于有符號數(shù)： 運算結果的最高位向符號位的進位用Cp表示，符號位向進位位的進位用Cs表示若表示無溢出，溢出標志為0；若表示溢出，溢出標志為1。2023/12/451共56張（1）正數(shù)加負數(shù)----永不溢出；（2）兩正數(shù)相加，結果的符號位為1，溢出；（3）兩負數(shù)相加，結果的符號位為0，溢出。2023/12/452共56張計算機中的碼十進制8421BCD碼2421碼余3碼余3格雷碼00000000000110010100010001010001102001000100101011130011001101100101401000100011101005010110111000110060110110010011101701111101101011118100011101011111091001111111001010*常見的十進制代碼（用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)）2023/12/453共56張*標準ASCII碼及其字符ASCII碼是“美國標準信息交換碼”（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）的縮寫。標準ASCII碼碼長7位，可表示128個字符；擴展ASCII碼（8位）增加了128個圖形符號碼，并且替換了