微型计算机原理与接口原理第1章

1、1微机原理与接口技术微机原理与接口技术大家好大家好！2课程目标n掌握：掌握：n微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理n汇编语言程序设计方法汇编语言程序设计方法n微型计算机接口技术微型计算机接口技术n建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力硬件开发的初步能力3教材及实验指导书n教材：教材：n微机原理与接口技术（第微机原理与接口技术（第3版）版）. 冯博琴，吴宁冯博琴，吴宁主编主编. 清华大学出版社清华大学出版社n实验指导书实验指导书n微机原理与接口技术实验指导书微机原理与接口技术实验指导书（讲义）（讲义） 陈文革，吴宁，

2、夏秦编陈文革，吴宁，夏秦编. 西安交通大学西安交通大学n微机原理与接口技术题解及实验指导（第微机原理与接口技术题解及实验指导（第3版）版）. 吴宁，陈文革编吴宁，陈文革编. 清华大学出版社清华大学出版社4第1章 微型计算机基础概论n主要内容主要内容：n微机系统的组成微机系统的组成n计算机中的编码、数制及其转换计算机中的编码、数制及其转换n无符号二进制数的运算无符号二进制数的运算n算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算n运算中的溢出运算中的溢出n机器数的表示及运算机器数的表示及运算n基本逻辑门及译码器基本逻辑门及译码器5微型计算机系统微型计算机系统n微型机的工作原理微型机的工作原理n微机系统的基本

3、组成微机系统的基本组成6一、计算机的工作原理n计算机中的指令执行过程计算机中的指令执行过程n冯冯 诺依曼计算机工作原理诺依曼计算机工作原理n非冯非冯 诺依曼计算机特点诺依曼计算机特点71. 计算机中的指令执行过程n计算机的工作是逐条执行由指令构成的程序计算机的工作是逐条执行由指令构成的程序n指令：指令：n由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。8指令执行的一般过程取指令取指令取指部件，分析部件，执行部件取指部件，分析部件，执行部件指令译码指令译码读取操作数读取操作数执行指令执行指令存放结果存放结果9指令的顺序执行和并行执行n顺序执行方式：顺序

4、执行方式：n各功能部件交替工作，按顺序完成指令的执行过各功能部件交替工作，按顺序完成指令的执行过程。程。n并行流水线方式：并行流水线方式：n各功能部件并行工作。各功能部件并行工作。10顺序工作方式取指令取指令1执行执行指令指令1分析分析指令指令1CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌取指令取指令2执行执行指令指令2分析分析指令指令211并行流水线工作方式 EU取指令取指令1执行执行指令指令1分析分析指令指令1CPU取指令取指令2执行执行指令指令2分析分析指令指令2取指令取指令3执行执行指令指令3分析分析指令指令3BIU忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌2. 冯 诺依曼计算机n冯冯 诺依曼计算机的工

5、作原理诺依曼计算机的工作原理n存储程序工作原理存储程序工作原理n结构特点结构特点n运算器为核心运算器为核心1213冯 诺依曼计算机体系结构运算器运算器存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备14冯 诺依曼机的工作过程内存中的程序内存中的程序指令指令1指令指令2指令指令n分析分析获取操作数获取操作数执行执行存放结果存放结果程序计程序计数器数器PC地址地址CPU取出取出操作数操作数15冯 诺依曼机的工作过程n取一条指令的工作过程：取一条指令的工作过程：n将指令所在地址赋给程序计数器将指令所在地址赋给程序计数器PC；nPC内容送到地址寄存器内容送到地址寄存器AR，PC自动加自动加1；

6、n把把AR的内容通过地址总线送至内存储器，经地址译码器译码，的内容通过地址总线送至内存储器，经地址译码器译码，选中相应单元。选中相应单元。nCPU的控制器发出读命令。的控制器发出读命令。n在读命令控制下，把所选中单元的内容（即指令操作码）读到数在读命令控制下，把所选中单元的内容（即指令操作码）读到数据总线据总线DB。n把读出的内容经数据总线送到数据寄存器把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR。n指令译码指令译码n因为取出的是指令的操作码，故数据寄存器因为取出的是指令的操作码，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器，然后再送到指令译码器ID 内存单元地址

7、内存单元地址PC1000FH地址地址寄存器寄存器1000FH+1“读存储器读存储器”命令命令指令译码指令译码数数据据总总线线B1H内存储器内存储器地址总线地址总线B1H1000FH微机读取一条指令的工作过程：冯 诺依曼机的特点和不足n特点：特点：n程序存储，共享数据，顺序执行程序存储，共享数据，顺序执行n属于顺序处理机，适合于确定的算法和数值数据的属于顺序处理机，适合于确定的算法和数值数据的处理。处理。n不足：不足：n与存储器间有大量数据交互，对总线要求很高；与存储器间有大量数据交互，对总线要求很高；n执行顺序由程序决定，对大型复杂任务较困难；执行顺序由程序决定，对大型复杂任务较困难；n以运算

8、器为核心，处理效率较低；以运算器为核心，处理效率较低；n由由PC控制执行顺序，难以进行真正的并行处理。控制执行顺序，难以进行真正的并行处理。173. 非冯 诺依曼机结构n主要特征主要特征n并行性并行性n典型类型典型类型n数据流计算机结构数据流计算机结构 （Dataflow Image Processing System）n哈佛结构哈佛结构 （Harvard Architecture）18数据流计算机结构n采用数据驱动方式采用数据驱动方式n程序的执行顺序不是由程序计数器控制，而是由指令程序的执行顺序不是由程序计数器控制，而是由指令间的数据流控制间的数据流控制n当指令具有所需数据、且输出端没有数据

9、时就可执行。当指令具有所需数据、且输出端没有数据时就可执行。19数据流处理机存储器主处理机数据通道控制通道高速数据总线磁盘存储器采用数采用数据驱动据驱动数据流计算机结构n数据流处理机工作原理数据流处理机工作原理20EUEUEUEU环形接口运算模块访问模块WR接口控制器主处理机存储器EUEUEU：执行部件W：写操作部件R：读操作部件哈佛结构n指令和数据分别存放在两个独立的存储器模块中；指令和数据分别存放在两个独立的存储器模块中；nCPU与存储器间指令和数据的传送分别采用两组独立的与存储器间指令和数据的传送分别采用两组独立的总线；总线；n可以在一个机器周期内同时获得指令操作码和操作数。可以在一个机

10、器周期内同时获得指令操作码和操作数。21CPU程序存储器数据存储器地址信号地址信号数据信号数据信号22二、微机系统组成 主机主机 硬件系统硬件系统 外设外设 微机系统微机系统 系统软件系统软件 软件系统软件系统 应用软件应用软件CPU存储器存储器输入输入/输出接口输出接口总线总线231. 微处理器n微处理器简称微处理器简称CPU，是计算机的核心。是计算机的核心。n主要包括：主要包括： 运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组242. 存储器n定义：定义：n用于存放计算机工作过程中需要操作的数据用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。和程序。25有关内存储器的几个概念n内存单元的地址和

11、内容内存单元的地址和内容n内存容量内存容量n内存的操作内存的操作n内存的分类内存的分类26内存单元的地址和内容n内存按单元组织内存按单元组织n每单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址每单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容27内存容量n内存容量：内存容量：n所含存储单元的个数，以字节为单位所含存储单元的个数，以字节为单位n内存容量的大小依内存容量的大小依CPUCPU的寻址能力而定的寻址能力而定n实地址模式下为实地址模式下为CPUCPU地址信号线的位数地址信号线的位数28内存操作n读：读：n将内存单元的内容取入将内存单元的内容取入CPU

12、CPU，原单元内容不改变；原单元内容不改变；n写：写：nCPUCPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。29内存储器的分类随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）只读存储器（只读存储器（ROMROM）按工作方按工作方式可分为式可分为303. 输入/输出接口n接口是接口是CPUCPU与外部设备间的桥梁与外部设备间的桥梁CPUI/OI/O接口接口外外设设31接口的分类串行接口串行接口并行接口并行接口数字接口数字接口模拟接口模拟接口输入接口输入接口输出接口输出接口32接口的功能n数据缓冲寄存；数据缓冲寄存；n信号电平或类型的转换；信号电平或类

13、型的转换；n实现主机与外设间的运行匹配。实现主机与外设间的运行匹配。334. 总线n基本概念基本概念n分类分类n工作原理工作原理n常用系统总线标准及其主要技术指标常用系统总线标准及其主要技术指标 （具体内容见后续课程）（具体内容见后续课程）345. 软件系统n软件：软件：n为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件35计算机中的数制和编码n数制和编码的表示数制和编码的表示n各

14、种计数制之间的相互转换各种计数制之间的相互转换36一、数制n计算机中的常用计数制计算机中的常用计数制n十进制（十进制（D D）n二进制（二进制（B B）n十六进制（十六进制（H H）37例：n234.98D或（或（234.98）Dn1101.11B或（或（1101.11）BnABCD . BFH或（或（ABCD . BF） H382. 各种进制数间的转换非十进制数到十进制数的转换非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二二进制与十六进制数之间的转换进制与十六进制数之间的转换 39非十进制数到十进制数的转换n按相应的权按相应的权值表达式展开值表达式展开n例：例：

15、n1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75n5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.540十进制到非十进制数的转换n到二进制的转换：到二进制的转换： 对整数：除对整数：除2取余；取余； 对小数：乘对小数：乘2取整。取整。n到十六进制的转换：到十六进制的转换： 对整数：除对整数：除16取余；取余； 对小数：乘对小数：乘16取整。取整。41二进制与十六进制间的转换n用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十六进制数位十六进制数n例：例：n25.5 = 11001.1B = 19.8H n1

16、1001010.0110101B =CA.6AH42二、计算机中的编码nBCD码码n用二进制编码表示的十进制数用二进制编码表示的十进制数nASCII码码n西文字符编码西文字符编码431. BCD码码n压缩压缩BCD码码n用用4位二进制码表示一位十进制数位二进制码表示一位十进制数n每每4位之间有一个空格位之间有一个空格n扩展扩展BCD码码n用用8位二进制码表示一位十进制数，每位二进制码表示一位十进制数，每4位之间有一位之间有一个空格。个空格。44BCD码与二进制数之间的转换n先转换为十进先转换为十进 制数，再转换二进制数，再转换二进 制数；反之同制数；反之同样。样。n例例：n（0001 0001

17、 .0010 01010001 0001 .0010 0101）BCDBCD =11 .25 =11 .25 = =（1011 .011011 .01） B B452. ASCII码n西文西文 字符的编码，一般用字符的编码，一般用7位二进位二进 制码表示。制码表示。nD D7 7位为校验位，默认情况下为位为校验位，默认情况下为0。n要求：要求：n理解校验位的作用理解校验位的作用n熟悉熟悉0-F的的ASCII码码46ASCII码的奇偶校验n奇校验奇校验n加上校验位后编码中加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。的个数为奇数。n例：例：A的的ASCII码是码是41H（1000001B）n以奇校验传送

18、则为以奇校验传送则为 C1H（11000001B）n偶校验偶校验n加上校验位后加上校验位后 编码中编码中“1”的个数为偶数。的个数为偶数。n上例若以偶校验传送，则为上例若以偶校验传送，则为 41H。47二进制数的运算二进制数的运算算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算无符号数无符号数有符号数有符号数二进二进 制数的运算制数的运算48一、无符号数的运算n主要内容：主要内容：n无符号二进无符号二进 制数的算术运算制数的算术运算n无符号数的表达范围无符号数的表达范围n运算中的溢出问题运算中的溢出问题n无符号数的逻辑运算无符号数的逻辑运算n基本逻辑门和译码器基本逻辑门和译码器491. 无符号数的算术运算n加

19、法运算加法运算n1+1=0（有进位）（有进位）n减法运算减法运算n0-1=1（有借位）（有借位）n乘法运算乘法运算n除法运算除法运算50乘除运算例n000010110100 =00101100B n000010110100=00000010B 即：商即：商=00000010B 余数余数=11B512. 无符号数的表示范围： 0 0 X 2X 2n n-1-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生有进位（或借位）时则产生 溢出。溢出。52例： 最高位向前有进位，产生

20、溢出最高位向前有进位，产生溢出00000000 100000001 11111111 533. 逻辑运算n与、或、非、异或与、或、非、异或n掌握：掌握：n与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；n与非门、或非门的应用。与非门、或非门的应用。54“与”、“或”运算n“与与”运算：运算：n任何数和任何数和“0”相相“与与”，结果为，结果为0。n“或或”运算：运算：n任何数和任何数和“1”相相“或或”，结果为，结果为1。&155“非”、“异或”运算n“非非”运算运算n按位求反按位求反n“异或异或”运算运算n相同则为相同则为0，相异则为，相异则为11&1逻辑

21、关系例n例例1n例例2：5611110？00000？574. 译码器n掌握掌握74LS138译码器译码器n各引脚功能各引脚功能n输入端与输出端关系（真值表）输入端与输出端关系（真值表）5874LS138译码器G1G2AG2BCBAY0Y7 n主要引脚及功能主要引脚及功能使使 能能 端端输输 入入 端端输输 出出 端端G1 #G2A #G2BC B A#Y0 #Y1 #Y2 #Y3 #Y4 #Y5 #Y6 #Y7 1 10 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1

22、1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0二、有符号数的表示和运算n机器数及其表示机器数及其表示n符号数的表示符号数的表示n有符号数与十进制数的转换有符号数与十进制数的转换n补码的运算和溢出补码的运算和溢出59601. 机器数n机器数机器数n计算机中的数据计算机中的数据n构成：构成：n符号位符号位 + 真值真值 “0” 表示正表示正“1” 表示负表示负

23、61例 +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位符号位 真值真值-52 = -0110100 = 1 0110100 符号位符号位 真值真值622. 符号数的表示n机器数的表示方法：机器数的表示方法：n原码原码n反码反码n补码补码63原码n最高位为符号位（用最高位为符号位（用“0”表示正，用表示正，用“1”表表示负），其余为真值部分。示负），其余为真值部分。n优点：优点： n真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；n缺点：缺点：n计算机中用原码进行加减运算比较困难计算机中用原码进行加减运算比较困难n0的表示不唯一。的表示不

24、唯一。64数0的原码n8位数位数0的原码：的原码：+0=0 0000000 - -0=1 0000000 即：数即：数0的原码不唯一。的原码不唯一。65反码对一个机器数对一个机器数X：n若若X0 ，则则 X反反=X原原n若若X0， 则则X补补= X反反= X原原n若若X0， 则则X补补= X反反+169例nX= 52= 0110100 X原原=10110100 X反反=11001011 X补补= X反反+1=11001100700的补码：n+0补补= +0原原=00000000n-0补补= -0反反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉71特殊数10000000n对无符号数对无符号数:（10000000）B=128n在原码中定义为：在原码中定义为： -0n在反码中定义为：在反码中定义为： -127n在补码中定义为：在补码中定义为： -12872符号数的表示范围对对8位二进制数：位二进制数：n原码：原码： -127 +127n反码：反码： -127 +127n补码：补码： -128 +