微机原理第一章课件

1、微机原理与接口技术,主讲：张菲菲 联系电话青岛恒星职业技术学院,彭虎 周佩玲 傅忠谦 主编（第三版）,课程地位： 1、微机，特别是单片机的应用技术，是机电一体化专业、数控专业学习课程的关键课程之一； 2、微机原理与接口技术课程，是全国高校工科，特别是电类与机电类专业的必修课程。 3、实践中，本课程教学的教学安排重点为：微型计算机系统的工作原理，主要讲授8088/8086微型计算机系统原理及其接口技术。,计划学时： 76学时 (其中讲课46学时，实验10学时) 前导课程： 数学、电工电子学、计算机语言类等课程 后续教学环节： 1、微机原理与接口技术实验实践课 2、单片机

2、原理与应用课程的学习,考核标准,平时成绩占40%：其中到课率占平时成绩的50%，作业占平时成绩的50%， 考试考核占60%：其中实验课的考核是重要的部分。 由于课程本身有相当的难度，所以结合同学们的表现，会适当地调整考试的考核标准，也希望同学们能够认真配合从而学好这门课，预祝大家在期末考试都能够取得理想成绩！,第一章计算机基本知识,1.1微型计算机组成 1.1.1按构成计算机的逻辑元件的类型来分类： 第一代电子计算机 1946年，电子管计算机ENIAC问世，主要用于科学计算，包含18800个电子管，功耗150KW，30吨重，占地150M2 第二代电子计算机 1958年，晶体管计算机问世，开始用

3、于工业控制 第三代电子计算机 1960s年代中期，集成电路计算机问世 第四代电子计算机 1970s年代初期，大规模集成电路计算机问世 50年来，计算机的性价比提高：速度提高千万倍、存储容量提高千万倍、体积缩小千万倍、软件性能提高百万倍、价格降低为万分之几,1.1.2按计算机的规模、性能、用途和价格分类： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 1.1.3计算机技术的二个重要发展方向： 巨功能： 功能不断强大，以增强运算能力(位宽、运算次数)、主频、存储容量及数据通讯能力、显示能力、接口能力等为主。 微型化： 体积不断缩小，以增强控制能力、嵌入式应用、超低功耗、低成本、高可靠等为主。,1.1.4

4、微型机家族： 微处理器(CPU) Centre Porcess Unit，是小型或微型计算机的核心，负责数据的运算与控制。 微型计算机 除微处理器外，还需有存储器、输入输出接口(如键盘、显示器、打印机)等外围电路与之协同工作的一个完整的系统。 微型计算机系统 统称系统机，以功能的通用性与完整性，及应用的开放性为突出特征。 PC机：典型的系统机。(Personal Computer) 单片微型计算机 简称单片机，以满足一定要求的基本功能或少量的特殊功能部件，包括CPU、RAM、ROM、定时/计数器、及各种I/O接口电路集成于一片芯片上为突出特征。 片上系统(SOC) 正在发展之中的片上完整系统。

5、,1.1.5微型机的发展历程 1971年，Intel公司推出4004微处理器。(4位机) 1974年，Intel公司推出8080微处理器。(8位机) 同时期产品：Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80、Intel公司的8080A、8085A 1978年，Intel公司推出8086微处理器。(16位机) 同时期产品：Motorola的M68000、Zilog的Z8000、Intel的8088(8位版的8086) 1979年，IBM公司进入微型计算机市场。 1983年，Intel公司的80286 1985年以来，Intel公司的80386、80486、Pentium、Pentiu

6、m II、Pentium III、Pentium IV,计算机发展趋势 微型化 便携式、低功耗 高性能 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度 智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力 系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级 网络化 网络计算机和信息高速公路 多机系统 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、 故障分散、资源共享),硬件系统,软件系统,1.1.6微型计算机系统组成,返 回,硬件系统,软件系统,硬件和软件:,硬件(hardware)是指构成电脑系统的物理实体和物理装置，即那些我们看得见也摸得着得东西，一台完整的电脑一般包括输入输出设备、存储器、运算器、控制

7、器(CPU)等。 软件(software)是那些为了运行、管理和维修电脑而人工编制的各种程序的集合。,裸机,裸机:即是电脑硬件的组合,返 回,硬件系统,软件系统,主板,CPU,光驱,软驱,电源,硬盘,声卡显卡,内存,主机,外部设备,主板：输入输出的接口电路,内存(主存)：存放正在运行的程序、数据,外存(辅存)：存放暂时不处理的信息,输入设备(向电脑输入)：如鼠标,键盘,扫描仪,输出设备(由电脑输出) ：如显示器,打印机,存储器,冯.诺依曼结构,返 回,硬件系统,软件系统,硬件系统,声卡？,网卡？,性能,性能,主机,外部设备,主板：输入输出的接口电路,内存(主存)：存放正在运行的程序、数据,外存

8、(辅存)：存放暂时不处理的信息,输入设备(向电脑输入)：如鼠标,键盘,扫描仪,输出设备(由电脑输出) ：如显示器,打印机,存储器,冯.诺依曼结构,返 回,硬件系统,软件系统,硬件系统,性能,性能, 1971年Intel公司推出世界上第一个4位 微处理器4004, 1982年， Intel公司发布了具有重要影响的处理器80286，主频为8MHz, 1996年，Intel推出Pentium MMX，开创了PC的多媒体时代, 2000.11，Intel推出Pentium 4(32位)，起始频率为1000MHz,中央处理器（简称CPU）是计算机进行信息加工处理的装置，对于个人计算机来说，CPU就像心脏

9、对于人体一样重要。评价PC机性能的好坏、区分PC机档次的高低，关键是看它使用了什么类型的CPU。, 1981年，以8088(8位)为处理器的IBM-PC的诞生，宣告微机时代的到来,返 回,硬件系统,软件系统,单击继续,左图为Intel公司的赛扬处理器，右图为AMD公司的毒龙处理器,返 回,硬件系统,软件系统,Intel i5 750,中央处理器CPU(Central Processing Unit),地位：计算机核心，各项数据、指令都由CPU进行判断、运算、执行和控制。 指标：核心数量、主频、数据位宽 常见CPU型号：Intel、赛扬、毒龙 测试软件：CPU-Z、Super_pi,返 回,硬件

10、系统,软件系统,主板从外观上看就像一块板子 可以看到，主板上有许多插槽，用来插一些即插即用设备，比如说网卡、声卡、显卡，还有内存，提供各种部件的接口，一些数据线也是插在主板上。计算机的绝大部分部件都是集成在主板上的！,P4T-全球首片支持奔腾4的主板,返 回,硬件系统,软件系统,主板,地位：大部分部件的依托，各部件数据在主板上完成交换和传递。 构成：集成电路 指标：芯片组-几乎决定着主板的全部功能.,技嘉GA-MA785GT-UD3H,返 回,硬件系统,软件系统,外设接口,返 回,硬件系统,软件系统,PS2,并口,USB,网络接口,音频接口,存储器,内存,外存,软磁盘：常用的容量是1.44M,

11、硬盘：现在的主流容量是160G,移动硬盘、FLASH存储器,性能,返 回,硬件系统,软件系统,内存,外存,软磁盘：常用的容量是1.44M,硬盘：现在的主流容量是80G,存储容量：,位,字节,位：每一个二进制数0和1所占的数位，是信息存储的最小单位，英文名bit（比特）。,字节：8个二进制位，是计量存储容量的基本单位，英文名Byte，简称B。,1B=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB,移动硬盘、FLASH存储器,存储器,性能,返 回,硬件系统,软件系统,内存条-随机存储器(RAM-random access memory),存储器是计算机存储信息地方，中央处

12、理器把将要进行处理的信息或已处理完的信息均存放在存储器中。它就像一个工厂的仓库，待处理的原料、半成品以及出产后的成品均放在仓库中。存储容量的大小在某种程度上决定着计算机整体处理数据的能力。 内存是仅次于CPU的决定计算机性能的一个重要标志，现在2G内存已成为个人计算机的基本配置。,返 回,硬件系统,软件系统,性能,只读存储器(ROM-random only memory),装机前事先写入的 工作中只能读出，而不能改写 数据稳定 ，断电后数据不会丢失,返 回,硬件系统,软件系统,众所周知，断电后内存中的信息会丢失，IBM为了解决计算机重启后必须重新加载控制程序到内存中的毛病，于1971年开发了这

13、种为大型机处理器和控制单元保存和传送微代码的廉价设备软磁盘。目前常用的软盘容量是1.44M，对现在的计算机而言，这一容量似乎太小了。,返 回,硬件系统,软件系统,硬盘(Hard Disk Drive)存储量大；长久保存数据；读取速度较慢；价格便宜。1999年5月，凝结着长城人的智慧与汗水的第一块由中国人自主生产的硬盘(8.6G高容量高速硬盘)诞生了!首次上京亮相，就在整个中国IT界引起了不小的震动。长城硬盘的诞生成为中国的计算机制造史上的一个里程碑。,金钻DiamondMax Plus9 SATA版,返 回,硬件系统,软件系统,FLASH存储器ET-128M 80G移动硬盘,返 回,硬件系统,

14、软件系统,当电脑进入多媒体时代之后，CDROM就成为了使用范围最为广泛而且价格便宜、兼容性好、存贮容量大的存储媒介。CD-R、DVD-R(read)：采用一次性写入技术，不可擦除。CD-RW、DVD-RW(read,write)：可重复写入。,返 回,硬件系统,软件系统,金士顿 4GB DDR3 2000骇客神条(KHX2000C9D3T1K2) 适用类型:台式机 主频:2000MHz 售价：1199 元,内存条-随机存储器(RAM-random access memory),作用：Cpu运算临时存放数据 指标：数据传输率、内存容量 特点：断电信息丢失,返 回,硬件系统,软件系统,数码相机,键

15、盘、鼠标,摄像头,扫描仪,输入设备(input device),Modem,返 回,硬件系统,软件系统,Acer-3D-H5360投影仪,打印机,音响,三星P2770FH 售价： 2499元,输出设备(input device) ,HP Designjet 510绘图仪售价： 28025元,创新CREATIVE-X-Fi-钛金专业声卡售价： 1850元,返 回,硬件系统,软件系统,声效卡:创新CREATIVE X-Fi 钛金专业版声霸卡,采样精度24-bit 录音采样率96kHz 3D音频定位 音箱支持:7.1音箱 售价：1850 元,返 回,硬件系统,软件系统,显卡:,图形处理芯片GPU(G

16、raphic Processing Unit )-显卡“大脑”，决定档次和性能。 显存：显卡的存储器,返 回,硬件系统,软件系统,显卡:NVIDIA GeForce GTX 580,显卡核心：Geforce GTX 580 显存容量1536MB 售价：3999 元,返 回,硬件系统,软件系统,计算机性能,一台计算机的性能究竟取决于什么呢？ Cpu的性能-皇帝 内存的容量和速度-军机内阁 显卡的性能-外交大臣 主板的性能-紫禁城,返 回,硬件系统,软件系统,冯.诺依曼结构:,返 回,硬件系统,软件系统,冯.诺依曼计算机的逻辑构成,返 回,硬件系统,软件系统,输入设备,输出设备,运算器,控制器,冯

17、诺伊曼,实施算数运算和逻辑运算的部件,向计算机各部分发出控制信息,存储器,冯.诺依曼,计算机的工作原理,输入信息存储信息处理信息输出信息,输入设备,存储器,输出设备,控制器,运算器,数据流 控制流 冯.诺依曼计算机的逻辑构成,返 回,硬件系统,软件系统,windows系统-基本操作平台 设备驱动程序 Office等软件,返 回,硬件系统,软件系统,裸机,管理计算机的全部硬件、软件资源和数 据，控制程序运行改善人机界面,DOS操作系统,单用户单程序命令式,最大的优势是它支持众多的通用软件,返 回,硬件系统,软件系统,完整的电脑系统示意框图,windows系统,图形用户界面(GUI：Graphic

18、 User Interface)时代 窗口多任务操作系统,返 回,硬件系统,软件系统,系统软件,应用软件,操作系统,数据库管理程序,功能：处理器管理、存储器管理、文件管理、 设备管理,：办公软件、多媒体制作和播放应用软件、网络应用软件、管理信息系统、实时控制系统等,微型计算机软件系统,概念：管理计算机的全部硬件、软件资源和数 据，控制程序运行改善人机界面，为其 他应用软件提供支持，为用户提供方便、 有效、友善服务的 统软件。,常用有：DOS操作系统字符界面 Windows操作系统-图形界面 UNIX/Xenix操作系统银行用 Linux操作系统源代码开放,返 回,硬件系统,软件系统,软件的版权

19、,开源软件 公开源代码 Linux 自由软件 允许自由使用 暴风影霸 迅雷 共享软件 正版适当限制 WinRAR 盗版软件 非法使用、复制、修改 正版软件 正确地使用版权。而版权是属于版权所有人的，版权所有人提出使用条件，使用者只要符合条件，就算是正确地使用，就不违反版权法。 例：瑞星,返 回,硬件系统,软件系统,安装顺序,操作系统 设备驱动程序 使一个特定的硬件或软件可以与一个特定的操作系统建立联系 应用软件,返 回,硬件系统,软件系统,运算器 控制器 寄存器组,内存储器 总线 输入输出 接口电路,外部设备 软件,微处理器,微型计算机,微型计算机系统,微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间

20、的联系与区别：,单片机简介： 单片机即单片微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。 单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。 单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。,附加知识：,4、计算机主要技术指标 字长：CPU并行处理二进制的数据位数 如：8位机、16位机、32位机和64位机。 内存容量：内存中能够存储的二进制信息的数量，位/字节/字。 容量单位：1K=210=10

21、24，1M=220=1KK, 1G=230=1KM ，1T=240=1KG。 运算速度：CPU处理速度 相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数 如：100MHz、3.2GHz。 内存存取周期：内存读写速度 如：50nS 、70nS 、200nS 。,5、计算机主要应用领域 计算机应用通常分成如下各个领域 科学计算，数据处理，实时控制，计算机辅助设计，人工智能， 由于微型计算机具有如下特点 体积小、价格低，工作可靠、使用方便、通用性强 所以，微型计算机可以分为两个主要应用方向： 用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：PC微机 功能越强越好、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器

22、仪表方向 专用微机，例如：单片机、工控机 可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小,1十进制 日常生活中最常见的是十进制数，用十个不同的符号来表示：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 基为：10 运算规则：逢十进一，借一当十 在十进制数的后面加大写字母D以示区别。,2二进制 二进制数只有两个代码“0”和“1”，所有的数据都由它们的组合来实现。 基为：2 运算规则：“逢二进一，借一当二”的原则。,1.2 计算机中的数制,3八进制 使用的符号：0、1、2、3、4、5、6、7； 运算规则：逢八进一； 基为：8 在八进制数据后加英文字母“O”，,4.十六进制 使用的符号：采用09和A、B、

23、C、D、E、F六个英文字母一起共十六个代码。 运算规则：逢十六进一 基为：16 在十六进制数据后加英文字母“H”以示分别。,各数制的权,各数制中整数部分不同位的权为“基的n-1次方（n为数值所在的位数，n的最小值取1）”,小数部分不同位的权值为“基的-n次方”。 一个十进制数（135.7）可表示为： 135=1102+3101+5100+710-1 如：十进制中，各位的权为10n-1 二进制中，各位的权为2n-1 十六进制中，各位的权为16n-1,十进制数据表达式 例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1 加权展开式以10为基数，各位系数为09。 一般表达式

24、： ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+ 二进制数据表达式 例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+,计算机中的数制的表达方式,十六进制数据表达式 例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以16为基数，各位系数为09，AF。 一般表达式： NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+,1.2 计算机中的数制,1.

25、 数制之间的转换 （1）二、十六进制数转换成十进制数 方法:各位的系数乘以各位的权，然后全部加起来。举例： 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5 （2）二进制与十六进制数之间的转换 方法:24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。举例： 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C,1.3几种进制之间的相互转换,（3）十

26、进制数转换成二、十六进制数 整数、小数分别转换 整数转换法 “除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。,例题1：39转换成二进制数 39 =100111B 2 39 1 （ b0）2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2）2 4 0 （ b3）2 2 0 （ b4）2 1 1 （ b5） 0,例题2：208转换成十六进制数 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0,1.2 计算机中的数制, 小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数

27、，从最高位排到最低位。 例1：0.625转换成二进制数 0.625 2 1.25 1 (b-1) 0.25 2 0.50 0 (b-2) 0.50 2 1.00 1 (b-3) 所以0.625 = 0.101B,1.2 计算机中的数制,例2：0.625转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH 例3：208.625 转换成十六进制数 208.625 = D0.AH,1.2 计算机中的数制,总结,十进制,十六进制,二进制,八进制,R进制,权展开式,除r取余 乘r取整,除2取余 乘2取整,权展开式,4位对应1位,1位对应4位,3位对应1位,1位对应3位,进位制之间的

28、相互转换,1.3 计算机中的编码,1.二进制数值数据的编码方法 (1)基本概念：无符号数、有符号数、机器数、真值。 机器中，数的符号用“0”、“1” 表示，最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。 机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数。 真值： 机器数所代表的实际数值。 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：X1机= 01010100 X2机= 11010100 有符号数通常使用三种表示方法:原码、反码和补码。 (2)原码(True Form)： 最高位为符号位，0表示 “+”，

29、1表示“”，数值位与真值数值位相同。 例 8位原码机器数： 真值： x1 = +1010100B x2 =1010100B 机器数：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。,1.3 计算机中的编码,(3)反码（Ones Complement）: 正数的反码与原码表示相同。负数反码符号位为1，数值位为原码数值各位取反。 例 8位反码机器数： x= +4 ： x原= 00000100 x反= 00000100 x= -4 ： x原= 10000100 x反= 11111011 (4)补码（Twos Complement）: 正数

30、的补码表示与原码相同。负数补码的符号位为1，数值位等于反码加1。 例：求 8位补码机器数：x=+4 x原=x反=x补= 00000100 x=-4 x原 = 10000100 x反 = 11111011 x补 = 11111100 补码表示的优点： 0的表示唯一，加减运算方便。,1.3 计算机中的编码,(5)8位机器数表示的真值:,(6)各种编码方法的表数范围: n+1位二进制编码x表示的整数范围： 原码、反码：-2nx2n 补码：-2nx2n 例如： 8位原码、反码的表数范围是-127+127，补码的表数范围是-128+127； 16位原码、反码的表数范围是-32767+32767，补码的表

31、数范围是 -32768+32767 (7)各种编码之间的相互转换： x原 x补： x0, x补= x原 ;x0,符号位不变，数值位取反+1。 例1：X1原=01111111=7FH，X1补=01111111=7FH X2原=11111111=FFH，X2补=10000001=81H 例2：X1原=59H，X2原=D9H，求真值？ X1=+1011001B=+89 X2=-1011001B=-89 例3：X1补=59H，X2补=D9H，求真值？ X1=+1011001B=+89 X2=-0100111B=-39,1.3 计算机中的编码,原码、反码、补码表示小结： 正数的原码、反码、补码表示均相同

32、， 符号位为0，数值位同数的真值。 零的原码和反码均有2个编码，补码只有1个编码。 负数的原码、反码、补码表示均不同， 符号位为1，数值位：原码为数的绝对值 反码为每一位均取反码 补码为反码再在最低位+1 由X补求-X补：每一位取反后,再在最低位+1,1.3 计算机中的编码,2.补码加法器/减法器电路 (1)补码加减法的运算规律: X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补 -Y补=对Y补逐位取反(包括符号位),再在最低位加1。 例：设x=1010，y=-0101,则x补=01010，y补=11011, x补+y补=00101 x+y补= 1010-0101补= 0101补=00101, 由

33、此可见x+y补= x补+y补 例：设x=0101，则-x=-0101,x补=00101,-x补=11011, 所以-x补=对x补逐位取反,再在最低位加1。,1.3 计算机中的编码,3 加减法运算的溢出问题： 当运算结果超出机器数所能表示的范围时，称为溢出。显然，两个异号数相加或两个同号数相减，其结果是不会溢出的。仅当两个同号数相加或者两个异号数相减时，才有可能发生溢出的现象，一旦溢出，运算结果就不正确了，因此必须将溢出的情况检查出来。 判别溢出的方法： 无符号数溢出判断最高位是否产生进位或借位。 计算机设置进位标志位 Cy 判断无符号数溢出： 当数据加/减最高位产生进位/借位，Cy=1；否则,

34、Cy=0。 补码溢出判断符号位和最高数值位进位是否相同。 计算机设置溢出标志位 OV 判断补码溢出。逻辑关系： OV=Cy6Cy7 当补码加/减产生溢出 OV=1，否则OV=0。,1.3 计算机中的编码,4.其它编码 (1)西文字符编码：美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。用一个字节表示一个字符，其中低7位为字符的编码值，最高位一般用作校验位。,1.3 计算机中的编码,(2)汉字编码： GB2312-80国标码，用两个字节表示一个汉字的编码。 汉字的区号+A0H=汉字机内码的高字节 汉字的位号+A0H=汉字机内码的低字节 例如：啊的区号为十进制的16区

35、，位号为1。 相应的机内码为B0A1H (3)BCD码(Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数： 用4位二进制数表示一位十进制数。 8421 BCD码： 例：求十进制数876的BCD码 876BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 1101101100B BCD码运算： 十进制调整：计算机实际按二进制法则计算，加入十进制调整操作，可计算BCD码。 十进制调整方法：当计算结果有非BCD码或产生进位或借位，进行加6或减6调整。,1.6 计算机中的编码,例：计算BCD码 78+69=？ 0111 1000 78BCD +0110 1001 + 69BCD 1110 0001 产生非BCD码和半进位 + 0110 0110 +66H调整 1 0100 0111 带进位结果：147,1.6 计算机中的编码,1、将16进制的0-F用4位2进制表达出来，并熟记。 2、(111)X=273，基数X=？ 3、有一个二进制小数X=0.X1X2X3X4X5X6 (1)若使X1/2，则X1X6应满足什么条件? (2)若使X1/8，则X1X6应满足什么条件