第1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》

開設(shè)的基本目的：

從理論和實(shí)踐上掌握微型計(jì)算機(jī)基本組成、工作原理及常用外設(shè)接口技術(shù)；初步掌握匯編語言程序設(shè)計(jì)方法與上機(jī)調(diào)試過程；建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，具備利用微機(jī)進(jìn)行硬件和軟件開發(fā)的初步能力。課時安排：共16學(xué)時，要求：認(rèn)真聽課、做好筆記。主講：殷習(xí)電話：157280464351第一章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識1-1概述

1、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)概念

目前通常所說的計(jì)算機(jī)是指電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。電子技術(shù)工藝、數(shù)字化信息處理方式、高度復(fù)雜的可編程邏輯電子電路。信息以二進(jìn)制形式（邏輯電平形式）表示；自動地進(jìn)行信息處理。2、計(jì)算機(jī)分類按信息處理方式：數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)由于受元器件質(zhì)量影響，其計(jì)算精度較低，目前已很少生產(chǎn)。

2

按用途：通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。

專用計(jì)算機(jī)針對某用途專門設(shè)計(jì)。按制造材料：機(jī)械計(jì)算機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、光學(xué)計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)。按規(guī)模、速度（沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，1989年IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會)提出一種分類）巨型計(jì)算機(jī)或超級計(jì)算機(jī)(Supercomputer)

小巨型計(jì)算機(jī)(Minisupercomputer)

企業(yè)級服務(wù)器(Mainframe)

小型計(jì)算機(jī)(Minicomputer）

工作站(WorkStation)

個人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)3

3、計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史1）機(jī)械計(jì)算機(jī)的誕生

1614年:蘇格蘭人JohnNapier發(fā)明了一種可以進(jìn)行四則運(yùn)算和方根運(yùn)算的精巧裝置。

……1890年:HermanHollerith設(shè)計(jì)了用于美國人口普查的機(jī)器。結(jié)果僅用6周就得出了準(zhǔn)確的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(如果用人工方法，大概要花10年時間)。

2）電子計(jì)算機(jī)時代

1906年:美國人LeeDeForest發(fā)明電子管，為電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

……1946年:第一臺真正意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)：ENIAC誕生。

4根據(jù)使用電子器件的不同，電子計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了四個階段：電子管計(jì)算機(jī)(1946—1956)晶體管計(jì)算機(jī)(1957—1964) 集成電路計(jì)算機(jī)(1965—1970)

超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1971—至今)

用機(jī)器語言、匯編語言編寫程序用于軍事和國防尖端技術(shù) 開始使用高級語言開始用于工程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和其它科學(xué)領(lǐng)域采用微程序、流水線等技術(shù)，提高運(yùn)行速度出現(xiàn)操作系統(tǒng)、診斷程序等軟件采用半導(dǎo)體存儲器采用圖形界面操作系統(tǒng)器件速度更快,軟件、外設(shè)更加豐富5

5、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

數(shù)值計(jì)算信息處理：數(shù)據(jù)庫，管理信息系統(tǒng)，辦公自動化系統(tǒng)控制、自動化：過程控制，生產(chǎn)自動化輔助分析、設(shè)計(jì)：CAD，CAM，CAI

仿真計(jì)算網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用人工智能：模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、機(jī)器人等66、計(jì)算機(jī)發(fā)展方向

當(dāng)前模式的電子計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢是朝微型化和巨型化兩方面發(fā)展。功能發(fā)展

多媒體計(jì)算機(jī)：更好地支持多媒體技術(shù)，音頻、視頻數(shù)據(jù)壓縮、解壓縮技術(shù)，多媒體數(shù)據(jù)的通信。

計(jì)算機(jī)智能化：具有推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)等思維功能和模式識別功能。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：全面支持網(wǎng)絡(luò)功能。7

新型計(jì)算機(jī)的研究：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：從內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)。

生物計(jì)算機(jī)：使用蛋白分子為材料的生物芯片。

光子計(jì)算機(jī)：用光子代替電子，用光連接代替金屬導(dǎo)線連接，運(yùn)算速度快千倍。81-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

1、組成部分運(yùn)算器ALU寄存器控制器系統(tǒng)軟件：DOS、Windows應(yīng)用軟件：

Word、Excel、VisualC++中央處理器CPU存儲器I/O接口總線硬件軟件微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)(主機(jī))外設(shè)鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機(jī)、掃描儀9微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從小到大可分為微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三個層次結(jié)構(gòu)，如圖所示。運(yùn)算器控制器寄存器RAMROMI/O端口I/O端口微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)微處理器電源系統(tǒng)軟件系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O設(shè)備10微處理器簡稱μP或MP(Microprocessor)是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運(yùn)算器和控制器功能的中央處理器部件，又稱為微處理機(jī)。它本身并不等于微型計(jì)算機(jī)，而只是其中央處理器。有時為區(qū)別大、中、小型中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)與微處理器，而稱后者為MPU(MicroprocessingUnit)。通常在微型計(jì)算機(jī)中直接用CPU表示微處理器。(1)微處理器11微型計(jì)算機(jī)簡稱μC或MC，是指以微處理器為核心，配上存儲器、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計(jì)算機(jī)(又稱主機(jī)或微電腦)。當(dāng)把微處理器、存儲器和輸入／輸出接口電路統(tǒng)一組裝在一塊或多塊電路板上或集成在單片芯片上，則分別稱之為單板機(jī)、多板機(jī)或單片微型計(jì)算機(jī)。(2)微型計(jì)算機(jī)12

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Microcomputersystem)簡稱μCS或MCS，是指以微型計(jì)算機(jī)為中心,以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源和輔助電路(統(tǒng)稱硬件)以及指揮微型計(jì)算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件所構(gòu)成的系統(tǒng)。(3)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)132、中央處理器

中央處理器CPU（CentralProcessingUnit）具有運(yùn)算和控制功能，是整個微型計(jì)算機(jī)的核心，也稱微處理器。微處理器的主要功能部件有（1）運(yùn)算器，也稱算術(shù)邏輯部件（ALU）：用來進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。（2）控制器：整個系統(tǒng)的指揮控制部件從內(nèi)存中取出指令、翻譯指令并調(diào)動運(yùn)算器及其它部件完成相應(yīng)操作。（3）寄存器：包括程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、累加器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、通用寄存器等。143、存儲器（Memory）

記憶部件：存儲程序和數(shù)據(jù)。主存(內(nèi)存)：用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和正待處理數(shù)據(jù)。(CPU內(nèi)部cache，主板上的內(nèi)存,造價(jià)高，速度快，存儲容量小)輔存(外存)：存放暫不運(yùn)行的程序和輸入處理的數(shù)據(jù)，(主機(jī)箱內(nèi)或主機(jī)箱外，造價(jià)低，容量大，可長期保存，但速度慢)154、I/O設(shè)備完成信息轉(zhuǎn)換、發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用；文字、聲音等自然信息以及其它物理信息與計(jì)算機(jī)能識別的二進(jìn)制信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。微型計(jì)算機(jī)常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、圖像掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等。微型計(jì)算機(jī)常用的輸出設(shè)備有CRT顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等。165、總線（Bus）計(jì)算機(jī)各部分之間傳送信息的公共通道。各部件分時復(fù)用總線。在某一時刻，只能有一個部件向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，否則形成總線沖突。可有多個部件從總線接收數(shù)據(jù)?？偩€結(jié)構(gòu)降低了部件之間連線數(shù)量，提高可靠性；但數(shù)據(jù)交換速度降低。總線按傳遞信息的內(nèi)容分為：數(shù)據(jù)總線（DataBus--DB）--雙向地址總線（AddressBus--AB）--單向控制總線（ControlBus—CB）--雙向176、微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU18系統(tǒng)總線總線是指傳遞信息的一組公用導(dǎo)線總線是傳送信息的公共通道微機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)功能部件總線信號可分成三組地址總線AB：傳送地址信息數(shù)據(jù)總線DB：傳送數(shù)據(jù)信息控制總線CB

：傳送控制信息19總線信號地址總線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(diǎn)，例如功能、適應(yīng)性等舉例舉例特點(diǎn)20微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(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？21IBMPC系列機(jī)系統(tǒng)16位IBMPC系列機(jī)是32位微機(jī)的基礎(chǔ)8088CPUIBMPC機(jī)IBMPC/AT機(jī)IBMPC/XT機(jī)22硬件基本組成16位和32位PC機(jī)的基本部件相同231、位與字節(jié)1）位(Bit)

指計(jì)算機(jī)能表示的最小信息單位。在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令，故：位就是一個二進(jìn)制位，有兩種狀態(tài)，“0”和“1”1-3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理2）字節(jié)(Byte)

相鄰的8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個字節(jié)1Byte=8bit

如：11000011；01010111243）字（Word）字是CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。字長與CPU內(nèi)部的寄存器、運(yùn)算器、總線寬度是一致的。通常也將2個字節(jié)（16位）定義為一個字；。4）位編號

10100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0數(shù)據(jù)Data地址Address25指令是CPU能執(zhí)行的一項(xiàng)基本操作。如：取數(shù)、加、減、乘、除、存數(shù)等

2、指令與指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)（或指令集）是某CPU所能執(zhí)行的全部操作。不同的CPU，其指令系統(tǒng)不同。

程序是用戶為使用計(jì)算機(jī)完成特定任務(wù)而編寫的指令的序列。26為使指令能被計(jì)算機(jī)識別，必須以二進(jìn)制編碼形式表示，稱為機(jī)器碼。用機(jī)器碼形式表示的指令不便于人來記憶和理解，于是用一些助記符表示指令代碼。如:MOVAX,3561H;ADDBL,21H

用助記符表示指令代碼的語言稱為匯編語言。匯編源程序經(jīng)編譯，形成機(jī)器碼程序——目標(biāo)程序。27微處理器由運(yùn)算器、控制器和內(nèi)部寄存器陣列3部分組成。

1-4微處理器組成28運(yùn)算器又稱為算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit),用來進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算以及位移循環(huán)等操作。一、運(yùn)算器參加運(yùn)算的兩個操作數(shù)，累加器A(Accumulator)和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,可以是數(shù)據(jù)寄存器DR(DataRegister)中的內(nèi)容，也可以是寄存器陣列RA中某個寄存器的內(nèi)容。運(yùn)算結(jié)果送回累加器A暫存。29(一)指令寄存器IR(InstructionRegister)

存放從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令。二、控制器(二)指令譯碼器ID(InstructionDecoder)

對指令寄存器IR中的指令進(jìn)行譯碼，確定該指令應(yīng)執(zhí)行什么操作。(三)可編程邏輯陣列PLA(ProgrammableLogicArray)

產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需的各種微操作控制信號。30通常，內(nèi)部寄存器包括若干個功能不同的寄存器或寄存器組。三、內(nèi)部寄存器

(一)累加器A

累加器是用得最頻繁的一個寄存器。在進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時，它具有雙重功能：運(yùn)算前，用來保存一個操作數(shù)；運(yùn)算后，用來保存結(jié)果。31(二)數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)寄存器DR用來暫存數(shù)據(jù)或指令。從存儲器讀出時，若讀出的是指令，經(jīng)DR暫存的指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到指令寄存器IR;若讀出的是數(shù)據(jù),則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到有關(guān)的寄存器或運(yùn)算器。

向存儲器寫入數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR，再經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB寫入存儲器的。32(三)程序計(jì)數(shù)器PC(ProgramCounter)

程序計(jì)數(shù)器PC中存放著正待取出的指令的地址。根據(jù)PC中的指令地址，準(zhǔn)備從存儲器中取出將要執(zhí)行的指令。通常,程序按順序逐條執(zhí)行。任何時刻,PC都指示微處理器要取的下一個字節(jié)或下一條指令(對單字節(jié)指令而言)所在的地址。因此,PC具有自動加1的功能。33(四)地址寄存器AR(AddressRegister)

地址寄存器AR用來存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址。在取指令時，將PC中存放的指令地址送到AR，根據(jù)此地址從存儲器中取出指令。

在取操作數(shù)時，將操作數(shù)地址通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到AR，再根據(jù)此地址從存儲器中取出操作數(shù)；在向存儲器存入數(shù)據(jù)時，也要先將待寫入數(shù)據(jù)的地址送到AR，再根據(jù)此地址向存儲器寫入數(shù)據(jù)。34(五)標(biāo)志寄存器F(FlagRegister)

標(biāo)志寄存器F用來寄存執(zhí)行指令時所產(chǎn)生的結(jié)果或狀態(tài)的標(biāo)志信號。關(guān)于標(biāo)志位的具體設(shè)置與功能將視微處理器的型號而異。根據(jù)檢測有關(guān)的標(biāo)志位是0或1,可以按不同條件決定程序的流向。35

存儲器是微機(jī)的存儲和記憶部件，用來存放程序和數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果與最終結(jié)果）。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，程序和數(shù)據(jù)都是用0、1二進(jìn)制代碼的形式來表示的。每一個0或1就叫做1位信息。

1-5存儲器概述一、基本概念36

在計(jì)算機(jī)中，一般將８位二進(jìn)制代碼作為一個字節(jié)（Byte）,再用2個字節(jié)組成一個字（Word）來標(biāo)識16位數(shù)據(jù)的長度。

字長:

表示計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線上一次能處理的信息的位數(shù)即位長，并由此而定義是多少位的計(jì)算機(jī),如1位機(jī)，4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)等。37二、存儲器組成隨機(jī)存取存儲器由存儲體、地址譯碼器和控制電路組成。地址譯碼器接收從地址總線AB送來的地址碼，經(jīng)譯碼器譯碼選中相應(yīng)的某個存儲單元，以便從中讀出（取出）信息或?qū)懭耄ù嫒耄┬畔??？刂齐娐酚脕砜刂拼鎯ζ鞯淖x／寫操作過程。38微機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成,因此,執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程,即逐條地執(zhí)行指令;由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指令與執(zhí)行指令兩個基本階段,所以,微機(jī)的工作過程，也就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程。

1-6微機(jī)工作過程39在取指階段,CPU從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令,于是,數(shù)據(jù)寄存器DR便把它送至指令寄存器IR;然后由指令譯碼器譯碼，控制器就發(fā)出相應(yīng)的控制信號,CPU便知道該條指令要執(zhí)行什么操作。

在取指階段結(jié)束后，機(jī)器就進(jìn)入執(zhí)指階段,這時,CPU執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢以后,就轉(zhuǎn)入了下一條指令的取指階段。這樣周而復(fù)始地循環(huán)一直進(jìn)行到程序中遇到暫停指令時方才結(jié)束。40取指階段都是由一系列相同的操作組成的,所以,取指階段的時間總是相同的，它稱為公操作。而執(zhí)指階段將由不同的事件順序組成,它取決于被執(zhí)行指令的類型，因此,執(zhí)指階段的時間從一條指令到下一條指令變化相當(dāng)大。應(yīng)當(dāng)指出的是，指令通常包括操作碼(OperationCode)和操作數(shù)(Operand)兩大部分。操作碼表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么具體操作,而操作數(shù)表示參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址,也稱之為地址碼。41二進(jìn)制（Binary)表示；計(jì)算機(jī)表示信息的方式。十進(jìn)制(Decimal)表示；人的自然表示。16進(jìn)制(Hexadecimal)表示；二進(jìn)制的等價(jià)表示，每4位二進(jìn)制數(shù)字等價(jià)于一位16進(jìn)制數(shù)字。用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F表示16個數(shù)碼。表示：二進(jìn)制—B；十進(jìn)制—D（可省略）；十六進(jìn)制—H1-7計(jì)算機(jī)運(yùn)算基礎(chǔ)1、常用的計(jì)數(shù)制422、數(shù)制間的數(shù)值轉(zhuǎn)換1）非十進(jìn)制數(shù)化十進(jìn)制數(shù)的方法：各位數(shù)碼乘以與其對應(yīng)的權(quán)，然后相加即可。如：1011B=1*23+0*22+1*21+1*20=1102E3H=0*163+2*162+E*16+3=2*256+14*16+3=7392）十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為N進(jìn)制數(shù)的方法整數(shù)部分除以N，并記下余數(shù)，直到商為0;將余數(shù)按從后往前的順序排列起來，構(gòu)成整數(shù)部分。小數(shù)部分乘以N，并記下結(jié)果的整數(shù)部分，直到結(jié)果的小數(shù)部分為0;然后將結(jié)果的整數(shù)部分從前向后排列起來，構(gòu)成小數(shù)部分。433）十六進(jìn)制與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制數(shù)每一位用4位二進(jìn)制數(shù)表示4）舉例求100D的二進(jìn)制和十六進(jìn)制表示

100/2=50余050/2=25余025/2=12余112/2=6余06/2=3余03/2=1余11/2=0余1所以100D=1100100B=1100100B=64H443、計(jì)算機(jī)中常用的編碼1)所謂編碼是指信息在計(jì)算機(jī)中的表示方法。信息既包括數(shù)字也包括字母、符號和一些不可見的控制符號。2)BCD碼（Binary-CodedDecimal)用四位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。3)ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange)用7位二進(jìn)制進(jìn)行編碼（00-7FH），可表示128種字符，見附錄1。在機(jī)器內(nèi)用一個字節(jié)表示，D7=0。454)漢字編碼：常用國標(biāo)碼，用兩個7位編碼表示漢字和一些圖形符號；在機(jī)器內(nèi)用兩個8位字節(jié)表示，稱為內(nèi)碼；每個字節(jié)的D7=1，以與ASCII碼相區(qū)別。如漢字‘啊’的國標(biāo)碼為01100000100001；對應(yīng)內(nèi)碼為101100001010000146在計(jì)算機(jī)中，符號只能用數(shù)字來表示。用二進(jìn)制數(shù)字的最高位表示該數(shù)的符號。正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1。其余位為數(shù)值位。機(jī)器數(shù)的表示方法有：原碼、反碼、補(bǔ)碼。4、計(jì)算機(jī)中有符號數(shù)的表示5、原碼、反碼和補(bǔ)碼1）原碼：正數(shù)的原碼為該數(shù)的二進(jìn)制數(shù)； 負(fù)數(shù)的原碼僅符號位為1。例：若用8位二進(jìn)制數(shù)表示機(jī)器數(shù)，則13的原碼為00001101；而-13的原碼為10001101。

原碼表示便于乘除運(yùn)算，不便于加減運(yùn)算。472）反碼：正數(shù)的反碼等于原碼； 負(fù)數(shù)的反碼等于其相反數(shù)按位取反。 例：若用8位二進(jìn)制數(shù)表示機(jī)器