微机原理课件第1章.ppt

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1、微机原理与接口技术,电子计算机是由各种电子器件组成的能够自动、高速、精确地进行逻辑控制和信息处理的现代化设备。,1.1 微型计算机发展概况,自1946年第一台电子计算机出现至今，经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模/超大规模集成电路计算机，并开始了以神经网络功能为基础的第五代计算机的研究。,第1章 绪论,微型计算机MC（Microcomputr,简称微机）是第四代计算机的典型，于70年代随着大规模、超大规模集成电路的诞生而发展起来。性能价格比高，且小巧灵活，深受用户欢迎并发展迅速。,微机的核心部件是微处理器MPU（Microprocessor），也叫中央处理器或中央处理单元

2、CPU（Central Processing Unit）。,一、微机的发展概况 微型计算机的发展是与微处理器的发展同步，微处理器的集成度和性能几乎每2-3年提高一倍，已经推出了四代产品，并进入第五代。各代的划分通常是以其字长、位数和功能，还有速度为主要依据。,1.第一代（19711973）4/8位机 4004、8008,2.第二代（19731978）高档8位机 8080、Z80、MC 6800,3.第三代（19781984）16位机 8086、8088、MC 68000,4.第四代（19841992）32位机 80386、80486、MC68040,5.第五代（1993）64位机 Pentiu

3、m/Pentium Pro/Pentium/Pentium/Pentium 4/Itanium,二、课程概述,1.课程地位,主要专业基础必修课 计算机硬件系列课程中的核心课程,数字逻辑,微机原理与接口技术,单片机原理及应用实时嵌入式系统DSP应用技术,高档微机,2.教学目的,使学生了解和掌握微型计算机硬件系统组成、工作原理及接口电路设计方法，具备微机应用系统开发的初步能力，为今后从事计算机控制和计算机信息处理等相关领域的研究打下基础。,3.教学平台 以16位机（8086）为主,4.主要内容、重点及教学安排 微机体系结构*汇编语言程序设计*接口技术,第1章 绪论 4,第2章 Intel 8086

4、微处理器 10,第3章 宏汇编语言程序设计 14,第4章 Intel 80486微处理器,第5章 半导体存贮器 4,第6章 I/O接口技术 3,第7章 中断系统 7,第8章 常用接口芯片 12,第9章 总线 2,第10章 典型微型计算机系统,5.课程特点 实践性强，理论联系实际6.课程要求（1）认真听课（2）在复习的基础上独立完成作业（3）交作业时间 每周星期二上课前（4）答疑时间、地点,7.参考书 尹建华主编.微型计算机原理与接口技术(第2版).高教出版社，2008 郑初华主编.汇编语言、微机原理及接口技术(第2 版).电子工业出版社，2006,END,计算机中常用数制 十进制（Decima

5、l）例如，25D或25（后缀可略）二进制（Binary）例如，11010001B 十六进制（Hexadecimal）例如，79H,0F6H（字符开头的数前需加“0”）,1.2 计算机中数和字符的表示,n位无符号数可表示的数X的范围是 0X 2n 1n=8时,0 X 255;n=16时，0 X 65535。,在计算机中最常用的无符号整数是表示地址的数。,无符号数表示 机器字长的所有位都参与表示数值。,1机器数与真值 计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也用二进制表示。通常数的最高位为符号位，其余各位为数值位。,有符号数的表示方法,这种符号数码化的数称为机器数。机器数所代表的有符号数称为真值。,

6、2原码表示法 最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，其余各位表示数值，这种表示法称为原码表示法。例1.2 若X=97 则X原=01100001B 若X=97 则X原=11100001B 原码表示数0有两种表示形式：0原=00000000B 0原=10000000B,注意：n位原码可表示的数X的范围是：2n-1+1X2n-1-1,3补码表示法 正数的补码和原码相同；负数的补码可由其原码除符号位保持不变外，其余各位按位取反，再在最末位加1而形成。例1.3 假设机器字长为8位，则 97原=01100001B 则 97补=01100001B 97原=11100001B 则 97补=10011111B

7、 10011110B+1,补码具有以下特点：0补=0补=00000000B n位二进制补码所能表示的数值范围为：2n-1X2n-11 若n=8，则为128127。对于一个用补码表示的负数 X补补=X原,例-97 补补=10011111B补=11100001 B=-97原,二进制数码 无符号数 原 码 反 码 补 码00000000 0+0+0+0 00000001 1+1+1+100000010 2+2+2+2:01111111 126+126+126+12601111111 127+127+127+12710000000 128-0-127-12810000001 129-1-126-127

8、10000010 130-2-125-126:11111110 254-126-1-211111111 255-127-0-1,4.补码的加减运算(1)补码的加法运算规则 XY补=X 补Y补,例 用补码进行下列运算：（33）（15）。,(2)补码的减法运算规则 XY补=X补Y补,已知 Y补求 Y补的过程叫变补或求负。,变补规则：全部位（含符号位）按位取反后再加1。,解:若X=33，Y=15 X补=00100001B,Y补=00001111B Y补=11110001B 00100001B X 补+11110001B Y补 自然丢失 1 00010010B 18 补,例1.6 用补码进行XY运算,

9、补码的作用:引入补码后，将减法运算转化为易于实现的加法运算，且符号位也当作数据相加，从而可简化运算器的结构，提高运算速度。,当字长由8位扩展到16位时，对于用补码表示的数，正数的符号扩展应该在前面补0，而负数的符号扩展应该在前面补1。,例：46补=00101110B，46补=11010010B，从8位扩展到16位。46补=0000 0000 0010 1110B=002EH 46补=1111 1111 1101 0010B=FFD2H,在微型计算机中，有符号数通常都用补码表示，得到的是补码表示的结果。,5有符号数运算时的溢出问题（1）溢出 溢出当两个有符号数进行加减运算时，运算结果超出机器可表

10、示的有符号数的范围，使计算结果出错。只有两个同符号数相加或两个异号数相减时，才有可能产生溢出。,（2）溢出判断双高位判断法及溢出标志(OF)OF=C7 C6（MOD 28）或 OF=C15 C14（MOD 216）,65补=01000001 B 15补=11110001 B 50补=1 00110010 B OF=C7 C6=11=0（无溢出，结果正确）,（3）无符号数的进/借位 进/借位当两个无符号数进行加/减运算时，运算结果超出机器可表示的无符号数的范围。CF(进/借位)标志 CF=C7（MOD 28）或 CF=C15（MOD 216）例 65=01000001 B+241=1111000

11、1 B 50=1 00110010 B（CF=C7=1,有进位）,纯整数定点表示符号位 数值位,纯小数定点表示符号位 数值位,1.2.4 定点数和浮点数,1定点数 定点数是指小数点在数中的位置是固定不变的。常用的定点数有纯小数和纯整数两种。,2浮点数 小数点在数中的位置不固定,是浮动的.浮点数由阶码和尾数两部分组成。对任意一个有符号的二进制数N的普遍形式可表示为 N=2EM,式中E称为N的阶码，是一个有符号的可变整数。设 Eejek1e0其中：ej为阶符：若ej=0，则E是正数；若ej=1，则E为负数。ek-1e0是阶值。,式中M称为N的尾数，是一个有符号的纯小数。设 M=mjm1 mn其中：

12、mj为尾符：若mj=0，则M为正数；若mj=1，则M为负数。尾数M的符号就是浮点数N的符号。而m1mn是尾值。,浮点数N在计算机内的表示形式如下所示。,ek-1ek-2e0,浮点表示法比定点表示法所表示的数的范围大，精度高，但运算规则比较复杂，成本较高。早期的微型计算机采用定点表示，机器中数均为整数，没有处理浮点数的指令。为了弥补这方面的不足，专门设计了相应的数值协处理器（8087、80287、80387等）来实现对浮点数的运算。80486、80586的数值协处理器已集成在CPU芯片内部。在本教材中，若无特别说明，数据均采用纯整数定点表示。,18421BCD码（8421 Binary Code

13、d Decimal）以4位二进制编码表示十进制数的10个数码，二进制编码从高到低的权值分别为23、22、21、20即 8421。,计算机中的二进制编码,表1.2 8421BCD码,例1.8 十进制数和BCD码相互转换。86.5=（1000 0110.0101）BCD（1001 0111.0100）BCD=97.4,在IBM PC机中，BCD码又分为:压缩型BCD码：1个字节(Byet,8位)中存放2个十进 制数码;非压缩型BCD码：每个字节只存放1个十进制数码。,例：将十进制数8762用压缩型BCD码表示，则为：1000 0111 0110 0010 在存储器中的存放格式为：,高,低,非压缩型

14、BCD码：0000 1000 0000 0111 0000 0110 0000 0010在存储器中的存放格式为：,高,低,2ASCII码（American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准码）,7位二进制编码，总共有128个字符:10个阿拉伯数字09，52个英文大、小写字母，32个通用控制字符,34个专用符号。,(1)标准ASCII码,ASCII码表(P353)数字0930H39H。英文大写字母 AF 41H46H。,奇偶校验位 奇校验时，每个代码的二进制位应有奇数个1；偶校验时，每个代码的二进制位应有偶数个1。,(2)扩充的

15、ASCII码 8位，可表示256个字符。扩充的ASCII码只能在不用最高位做校验位或其他用途时使用。,END,例1.5 用补码进行下列运算：（33）（15）；（33）（15）,解:,已知 Y补求 Y补的过程叫变补或求负。,变补规则：全部位（含符号位）按位取反后再加1。,1微处理器 微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组以及内部系统总线等组成的大规模集成电路芯片，它具有CPU的全部功能。因此，微处理器通常又简称为CPU。,1.3 微型计算机系统概论,微处理器、微型机、微机系统之间的关系(自学),3微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上输入设备、输出设备、外存储器

16、设备、电源、机箱以及基本系统软件组成的系统，它又简称为微机系统。,2.微型计算机 微型计算机是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片、IO接口电路以及相应的辅助电路构成的装置，它又简称为微型机。,1.微机硬件系统基本结构,微机硬件系统组成,(1)中央处理器（CPU、微处理器MPU）用于实现算术、逻辑运算，并对全机进行控制。包括运算器、控制器和寄存器组三个主要单元。运算器 进行算术运算和逻辑运算操作。控制器 从存储器中取出的指令进行译码,发出相应的控制信号，完成整个微机系统的控制。寄存器组 存放CPU频繁使用的数据和地址信息，加快CPU访问速度。,（2）存储器 是微机存放程序和数据的装置。内存储器(

17、内存)用于暂时存放程序和数据，也称主存。由只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两部分组成。CPU内存 主机 外存储器(外存)位于主机外部，用于存放大量信息,存取速度比内存慢得多。如磁盘、磁带、光盘等。,(3)外部设备(外设)输入/输出设备（I/O）设备是指负责计算机与外界通信用的设备。如键盘、鼠标器、扫描仪、条码读入器；显示器、打印机等。外存储器,(4)接口电路(IO接口)设置在主机与外设之间的专门电路，用于协调主机与外设之间的信息传输。,(5)系统总线 总线（BUS）计算机中用于传输信息的一组公用信号线。系统总线用于连接微机各部件（CPU、内部存储器、接口电路）的总线。数据总线(DB)

18、双向三态总线,传送数据和指令代码；地址总线(AB)单向总线,传送地址；控制总线(CB)单向总线,传送CPU对内部存储器或 IO设备的控制命令和外部向CPU输入的状态信息或请求信号。,2、微机硬件系统的典型配置(了解)微机硬件系统由主机和外设组成。主机包括主板、IO接口卡（又称适配器）以及电源、机箱等部件，微机的外设很丰富，典型的外设有键盘、鼠标器、显示器、打印机、软盘驱动器、硬磁盘驱动器以及光盘驱动器等设备。,（1）主板 又称系统板或母板，是微机硬件系统的主要部件，微机的大部分功能芯片都安装在这块印制电路板上。在主板中，基本上有如下几个主要部件：,微型计算机系统,微型计算机系统内主板,微处理器

19、芯片,内存条,硬盘,微处理器 微处理器是主板的核心芯片。不同类型的微处理器可构成不同性能的主板。如 80486芯片构成的主板为486主板，Pentium芯片构成的主板为Pentium主板。同一档次的芯片构成的主板也有一些差异，如 486DX2 66MHZ（双倍速度微处理器）芯片构成的主板与 486DX4100MHZ（四倍速度微处理器）芯片构成的主板，其性能不同。一般来讲，采用越先进的微处理器芯片，其主板的性能就越高。,外部高速缓存 大容量的动态随机存取存储器（DRAM）相对微处理器而言，其速度较慢。为了加快微处理器访问DRAM所存信息的速度，通常在微处理器和DRAM之间加入了一层速度接近CPU

20、、容量较小的静态随机存取存储器（SRAM），作为主存信息访问的高速缓冲存储器（Cache）。Cache的容量一般不大，典型配置为64KB256KB，可实现CPU访问主存零等待。当Cache位于微处理器芯片外部时，称为外部高速缓冲存储器，位于微处理器芯片内部时，则称为内部高速缓冲存储器。,主存 微机系统的主存要求容量大、成本低、访问存取速度较高，目前主要采用DRAM作为主存。在高、中档微机系统中，DRAM芯片并不是直接安装在主板上，而是插入主板上的内存插槽使用。主板上的内存条插槽数一般为 48个。ROMBIOS 主板上配置了一片称为固件的ROM芯片，它固化有上电自检程序、基本外设输入输出控制程序

21、、系统配置程序等，因此又称为ROMBIOS。这种芯片一般为EPROM，FLASH等，容量为64KB128KB。,CMOS RAM CMOSRAM是一种低功耗的半导体存储器。它由微机电池供电，可长时间储存信息。CMOSRAM容量一般很小，只有几十个字节，主要用来存储微机系统的各种配置信息，如时钟与日期、系统口令、主存储器容量、软硬盘类型与容量等各种硬件参数配置信息。外围接口集成芯片组 在高、中档微机系统中，很少再采用大量的小规模接口芯片来构成微处理器的外围接口电路，而是采用少量几片超大规模的集成IO芯片来实现接口电路功能。这样，微机主板电路更加简洁，系统可靠性与性能也得到增强。,总线插槽 总线插

22、槽是指主板上用于插接IO接口卡的插槽，这些插槽相同序号的的插脚串接在一起，亦称为IO通道。通过这些插槽，可将外设IO接口卡连接到系统总线上，即把外设连接到主机。ISA、EISA、VESA总线PCI总线LOCAL-BUSAGP总线,键盘、鼠标器、扬声器接口 键盘、鼠标器、扬声器的接口电路一般直接集成在系统主板上，由单片机（如 8742）来控制。它负责将键盘按键产生的扫描码（键的位置信息）转换成能表示字符的ASCll码，将鼠标器送来的电脉冲转换成光标的移动数据，并产生相应中断把输入数据传送到CPU。它也能将CPU给出的声音频率数据转换成脉冲频率信号驱动扬声器发出声音。,（2）I/O接口卡 一个微机

23、系统可配置多种输入与输出设备，与主板一般是以接口卡形式连接，即外设通过IO接口卡插入系统主板的总线插槽实现与主机相连，如声卡、显示卡等。外部设备与主机的接口除了以接口卡形式连接外，也有把外设IO接口电路（如磁盘驱动器接口电路、串口并口接口电路、键盘鼠标接口电路等）直接集成到系统主板上，外设则通过电缆信号线直接与主板上的IO插座相连。现在的微机系统基本如此。,1.3.3 微机软件系统 计算机使用的各种程序的集合,1程序设计语言（1）机器语言（2）汇编语言（3）高级语言,汇编语言是一种用助记符和符号地址等来表示的面向机器的程序设计语言。用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序（源程序）。汇编语言源程序

24、必须先翻译成机器语言程序（目标程序），计算机才能识别和执行。这一翻译过程称为汇编。,汇编语言程序产生的目标程序较之高级语言程序的目标程序，占用内存空间小,执行速度快;特别是有些用高级语言难以实现的操作，却能简单地使用汇编语言实现。几乎每一个计算机系统都把汇编语言作为系统的基本配置，汇编程序成为系统软件的核心成份之一。,2系统软件和应用软件 系统软件是由计算机厂家提供的用于使用、管理计算机的软件。应用软件则是用户为解决各种实际问题，自行编制的各种程序。,系统软件的核心称为操作系统，它的主要作用是对系统的硬、软件资源进行合理的管理，为用户创造方便、有效和可靠的计算机工作环境。,翻译程序（语言处理程

25、序）将汇编语言/高级语言源程序“翻译”成计算机能“懂”的机器语言目标程序的软件。包括汇编程序、BASIC解释程序、各种高级语言的编译程序。,汇编语言源程序,汇编程序,机器语言目标程序,汇编,高级语言源程序,编译程序,机器语言目标程序,编译,微型计算机软、硬件和人的关系,微型计算机的工作过程,1.指令的表示方法 指令 让计算机执行某一操作的命令。（1）指令的机器码表示法 机器码 用二进制表示的指令。,操作性质 操作对象,（不可缺少）,不同指令的长度（二进制代码位数）不一定相同，但都是字节的整数倍。第一个字节一定是指令操作码。,（2）指令的符号表示法,助记符通常是表示指令功能的英文单词或单词/词组

26、的缩写，不可缺少。MOV AL,05H；AL 05H,MOVE,2模型机的存储器结构,读操作 写操作,3模型机的微处理器结构,（1）控制器：由指令寄存器 IR、指令译码器 ID和可编程逻辑阵列 PLA组成，由 PLA产生控制信号。,（2）运算器：算术逻辑部件ALU（输入端I1、I2，输出端O）。,（3）寄存器组：数据寄存器DR、地址寄存器 AR、指令指针寄存器IP、累加器AL、标志寄存器F、寄存器 BL。,指令指针寄存器（IP）用于存放将要执行的指令的地址。IP是可预置的加1计数器。,4模型机工作过程 两个数8和11相加为例。（1）编写汇编语言源程序 MOV AL，08H;AL 08H ADD

27、 AL，0BH;AL 08H 0BH HLT;停机,（2）源程序汇编成机器语言目标程序，存放在内存 MOV AL，08H 10110000B 操作码 00001000B 操作数 ADD AL，0BH 00000100B 操作码 00001011B 操作数 HLT 11110100B 操作码 三条指令共5个字节，存放在内存储器00H04H 5个存储单元中。(3)执行程序 给IP赋初值00H，启动模型机，开始执行。每条指令分为取指令（操作码），执行指令两个阶段。,机器代码,将第一条指令第一字节的地址00H赋予IP，进入第一条指令的取指操作。,IP的内容00H送入地址寄存器AR；,IP的内容自动加

28、1变为 01H；,地址寄存器AR将地址码00H通过地址总线送到存储器，经译码后选中00H单元；,CPU给出读命令MEMR；,所选中的00H单元内容B0H送到数据总线；,因取出的是指令操作码B0H，故由DR送到指令寄存器IR；,IR中的操作码经指令译码器ID译码后，通过PLA发出执行该指令的有关控制命令。,执行第一条指令(从内存中取出指令第二字节08H送入AL)。,将IP的内容 0lH送入 AR；,IP的内容自动加1，变为 02H；,AR通过地址总线AB把地址码0lH送到存储器，经地址译码后选中相应的存储单元；,CPU给出读命令MEMR；,选中的存储单元内容08H送上数据总线DB；,通过数据总线

29、,把读出的内容送至DR；,DR上的数据08H通过内部总线送到AL。,取第二条指令操作码的操作过程与第一条完全相似。,执行第二条指令。取第二条指令的操作数的过程与第一条相似，区别是在ALU运算时，操作数的加载和回送。,第三条指令的取操作码阶段。按上述类似的过程取出机器码F4H，经译码后就停机。,1字长()字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；在完成同样精度的运算时，则数据处理速度越快。计算机的字长决定于它内部的ALU、通用寄存器的位数和数据总线的宽度。,1.3.5 微型计算机系统的主要性能指标,2存储器容量 存储器容量是衡量计算机存储二进制信息

30、量大小的一个重要指标。微型计算机中一般以字节为单位表示存储容量，并且将1024(210)B简称为1KB，1024KB简称为1MB（兆字节），1024MB简称为1GB（吉字节），1024GB简称为1TB（太字节）。,3运算速度 计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数表示。常用计算方法有：（1）根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度。这时常用百万条指令秒（MIPS，Millions of Instruction Per Second）作单位。（2）以执行时间最短的指令（如加法指令）为标准来估算速度。（3）直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟

31、周期。主频一般以MHz为单位。,4系统总线 系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道，其性能直接关系到微机系统的整体性能。性能主要表现为它所支持的数据传送位数和总线工作时钟频率。数据传送位数越宽，总线工作时钟频率越高，则系统总线的信息吞吐率就越高，微机系统的性能就越强。,5外设扩展能力 主要指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。6软件配置情况 软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。例如是否有功能很强、能满足应用要求的操作系统和高级语言、汇编语言，是否有丰富的、可供选用的应用软件等，都是在购置计算机系统时需要考虑的。,

32、1.掌握计算机中有符号数、无符号数的表示方法及常用编码（8421BCD码、ASC码），熟悉补码运算规则及溢出判断；2.了解微机系统的组成和主要性能指标；3.熟悉微机各部件的功能；4.了解指令与程序的执行过程及计算机的基本工作原理。,END,学习汇编语言程序应注意的问题：（1）要学好汇编语言的数据或地址的寻址方式、指令格式与功能和语句的语法。要特别注意汇编语言程序中数据的定义和分配情况。（2）汇编语言源程序形式上是语言，但本质上是算法，因此，要特别注意在汇编语言环境下，有关结构化程序设计的编程方法。（3）汇编程序有一个最大的特点就是与计算机的硬件联系很紧密。因此，要注意结合硬件情况去编写或理解程序。（4）对于硬件系统，要注意从系统的、总体的角度或方法来理解。（5）要多上机实验，培养编程、调试等能力，务必对编程工具要十分的熟悉，在实践中不断加深对基本知识的理解。,