微型计算机原理及接口技术张荣标课件第一章

1、主讲教师：主讲教师：张荣标张荣标微型计算机原理微型计算机原理第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础 1.1 计算机中的数制与码制计算机中的数制与码制1.1.1 计算机中的数制计算机中的数制1、 数的位置表示法数的位置表示法设待表示的数为设待表示的数为N则则式中式中X为基数为基数ai为系数（为系数（0aiXl）m为小数位数为小数位数n为整数位数为整数位数 为什么要采用二进制数？为什么要采用二进制数？例例1-1 （1） 二进制数二进制数 10011.11B=12402302212112012-112-2=19.75（2） 八进制数八进制数 7345.6Q=78338248158068-1=38

2、13.75（3） 十六进制十六进制 4AC6H=416310162121616160=191422、 数制之间的转换数制之间的转换（1）任意进制数转换为十进制数）任意进制数转换为十进制数 对二进制、八进制和十六进制以及任意对二进制、八进制和十六进制以及任意进制数转换为十进制数可采用表达式（进制数转换为十进制数可采用表达式（1.1）展开求和实现。展开求和实现。（2）二进制、八进制和十六进制数之间转换）二进制、八进制和十六进制数之间转换一位八进制数相当于三位二进制教；一位一位八进制数相当于三位二进制教；一位十六进制数相当于四位二进制数。它们之间十六进制数相当于四位二进制数。它们之间的转换十分方便。

3、的转换十分方便。例例1-2 二进制转换成八进制和十六进制数二进制转换成八进制和十六进制数 1101100101100011B=154543Q= D963H（3）十进制数转换为二进制数）十进制数转换为二进制数当十进制数转换为二进制数时，须将整数部分当十进制数转换为二进制数时，须将整数部分和小数部分分开。整数常采用和小数部分分开。整数常采用“除除2取余法取余法”，而，而小数则采用小数则采用“乘乘2取整法取整法”。 十进制整数转换为二进制整数十进制整数转换为二进制整数转换方法是除转换方法是除2 2取余，直到商等于零为止，逆取余，直到商等于零为止，逆序排列余数即可。对数值比较大的十进制数进行转序排列余

4、数即可。对数值比较大的十进制数进行转换时，可采用先将十进制整数转换为十六进制整数，换时，可采用先将十进制整数转换为十六进制整数，然后再将十六进制整数转换为二进制整数。十进制然后再将十六进制整数转换为二进制整数。十进制整数转换为十六进制整数的方法是除整数转换为十六进制整数的方法是除1616取余，直到取余，直到商等于零为止，逆序排列余数。商等于零为止，逆序排列余数。 十进制小数一定能用有限的二进制小数十进制小数一定能用有限的二进制小数来精确地表示吗？来精确地表示吗？十进制小数转换为二进制小数十进制小数转换为二进制小数1、原码、原码1.1.2 计算机中的码制及补码运算计算机中的码制及补码运算例例1-

5、5 设机器字长为设机器字长为n=8时，试求时，试求+0、+6、+127、-0、-6、-127 的原码的原码解：解： +0原原=00000000 -0原原=10000000 +6原原=00000110 -6原原=10000110 +127原原=01111111 -127原原=11111111正数：原码与相应的二进制数完全相同；正数：原码与相应的二进制数完全相同；负数：二进制数的最高位一定是负数：二进制数的最高位一定是“1”，其余各位是该，其余各位是该数的绝对值。数的绝对值。零：有正零和负零之分。零：有正零和负零之分。原码表示法最大优点：简单直观，但不便于加减运算。原码表示法最大优点：简单直观，但

6、不便于加减运算。2、反码、反码3、补码、补码减法运算变成了加法运算：减法运算变成了加法运算：3+10=1 （时针经过（时针经过12点时自动丢失一个数点时自动丢失一个数12）相当于相当于 3-2=3+(-2)=110与与-2有什么关系？有什么关系？自动丢失的一个数自动丢失的一个数12是什么？是什么？数学上把数学上把12这个数叫做这个数叫做“模模”10是（是（2）对模）对模12的补码的补码在模在模12的条件下，负数就可以转化为正数，而正负的条件下，负数就可以转化为正数，而正负数相加也就可以转化为正数间的相加。数相加也就可以转化为正数间的相加。补码的概念：补码的概念：4、偏移码、偏移码 偏移码主要用

7、于模数转换过程中，若被转换数偏移码主要用于模数转换过程中，若被转换数需参加运算，则仍要转换为补码。需参加运算，则仍要转换为补码。 设机器字长为设机器字长为n，数，数x的移码为的移码为x移移，则移码的定，则移码的定义如下：义如下： （15）例例1-8 设机器字长为设机器字长为n=8时，试求时，试求-128、0、+127的移的移 码。码。解：解： -128移移=00000000 0移移=10000000 +127移移=11111111 5、补码运算、补码运算 在计算机中带符号二进制数通常采用补在计算机中带符号二进制数通常采用补码形式表示。补码有两个主要特点：一是可码形式表示。补码有两个主要特点：一

8、是可以使符号位与数一起参加运算；二是将两数以使符号位与数一起参加运算；二是将两数相减变为减数变补后再与被减数相加来实现。相减变为减数变补后再与被减数相加来实现。 加法规则：加法规则： X+Y补补=X补补Y补补减法规则：减法规则： X-Y补补=X补补-Y补补其中，其中，-Y补补称作变补运算，可以用称作变补运算，可以用Y补补再再作一次求补运算即可得到。作一次求补运算即可得到。 例例1-9 X=64-12=52 （字长为（字长为8位）位） X补补=64补补十十-12补补 64补补=01000000B -12补补=11110100B 01000000 11110100 1 00110100 自然丢失自

9、然丢失 由于字长为由于字长为8位，最高有效位的进位自然丢失。位，最高有效位的进位自然丢失。其结果为（其结果为（52）10的补码的补码计算机中为什么采用补码进行加、减运算？计算机中为什么采用补码进行加、减运算？6、溢出判别、溢出判别 X=-34-98=-132 （字长为（字长为8位）位） X补补=-34补补+-98补补 -34补补=11011110B -98补补=10011100B 11011110 10011100 1 01111010 丢失丢失微型机中常用的溢出判别法：双高位判别法微型机中常用的溢出判别法：双高位判别法Cs：如最高位（符号位）有进位，：如最高位（符号位）有进位，CS=1，否则

10、，否则，CS=0。CP：如次高位有进位，：如次高位有进位，CP=1，否则，否则，CP=0。判别法则：判别法则：无溢出：若最高位进位无溢出：若最高位进位Cs 和次高位进位和次高位进位Cp相同相同同为同为0或同为或同为1有溢出：有溢出： Cs 和和Cp相异。当相异。当CSCp=1时，表示有溢出产生，时，表示有溢出产生，否则无溢出产生否则无溢出产生正溢出：正溢出： CS=0，CP=1负溢出：负溢出： CS=1， CP=01.1.3 计算机中的小数点问题计算机中的小数点问题1、定点表示法、定点表示法小数点在数中的位置是固定不变的，通常有两种，即定小数点在数中的位置是固定不变的，通常有两种，即定点整数和

11、定点小数。点整数和定点小数。2 2、 浮点表示法浮点表示法将二进制数将二进制数N N表示成如下形式：表示成如下形式：N=N=S S2 2J J （1.61.6）该表达式在计算机中表示为：该表达式在计算机中表示为：S S： 称作尾数，表示全部的有效数字，一般以纯小数表示；称作尾数，表示全部的有效数字，一般以纯小数表示； S Sf f： 尾符，即浮点数的符号；尾符，即浮点数的符号； J J： 阶数，它与阶符一起来决定小数点的实际位置；阶数，它与阶符一起来决定小数点的实际位置； J Jf f 阶符，即阶数符号；阶符，即阶数符号； 例例1-12 若用一个若用一个16位二进制表示浮点数，其中阶符尾符各占

12、位二进制表示浮点数，其中阶符尾符各占一一 位，阶数占位，阶数占5位，尾数占位，尾数占9位，试写出位，试写出10110.101B的的具体格式。具体格式。解：设尾数以纯小数表示，则解：设尾数以纯小数表示，则 10110.101B = 0.10110101可得可得 S = 101101010 Sf=0 J=00101 Jf=0在计算机中的表示形式为：在计算机中的表示形式为：浮点数应用中必须注意两个问题：浮点数应用中必须注意两个问题： 浮点数的规格化浮点数的规格化 规格化的浮点数可以保留最多的有效数字。浮点数规格表示规格化的浮点数可以保留最多的有效数字。浮点数规格表示结果如下：结果如下：对浮点二进制正

13、数，其尾数数字部分的最高位必须是对浮点二进制正数，其尾数数字部分的最高位必须是1 1。对浮点二进制负数，其尾数数字部分的最高位必须是对浮点二进制负数，其尾数数字部分的最高位必须是0 0。 浮点数的对价原则浮点数的对价原则在运用浮点数进行加减时，两数的阶码必须取得一致，否则不在运用浮点数进行加减时，两数的阶码必须取得一致，否则不能进行加减运算，对阶原则如下：能进行加减运算，对阶原则如下：a.以大的阶码为准对阶。以大的阶码为准对阶。b.对阶后数的大小不变（在精度允许范围内），对阶规则对阶后数的大小不变（在精度允许范围内），对阶规则是：阶码每减少是：阶码每减少1，尾数向左移一位，阶码每增加，尾数向左

14、移一位，阶码每增加1，尾数向，尾数向右移一位。右移一位。定点与浮点表示法各有哪些优缺点？定点与浮点表示法各有哪些优缺点？1.1.4 计算机中信息的编码计算机中信息的编码信息编码：十进制数的二进制编码、字符信息的编码和信息编码：十进制数的二进制编码、字符信息的编码和汉字编码。汉字编码。1、十进制数的二进制编码、十进制数的二进制编码由四位二进制数来表示一位十进制数。称作由四位二进制数来表示一位十进制数。称作BCDBCD码码 （1 1） 84218421码：码：四位二进制数的权分别为四位二进制数的权分别为8 8、4 4、2 2、1 1的的BCDBCD码码324.6 324.6 对应的对应的8421B

15、CD8421BCD码是码是 0011 0010 0100. 01100011 0010 0100. 0110 （2 2） 24212421码：码：四位二进制数的权分别为四位二进制数的权分别为2 2、4 4、2 2、1 1的的BCDBCD码，码， 724.6 724.6 对应的对应的2421BCD2421BCD码是码是 1101 0010 0100. 11001101 0010 0100. 1100 （3 3）余）余 3 3码：码：将将 84218421码加上码加上 00110011。余余3 3码也是一种自补码，码也是一种自补码，对各位取反就得到它的对各位取反就得到它的9 9补码。补码。 825

16、.7 825.7 对应的余对应的余 3 3码是码是 1011 0101 1000. 10101011 0101 1000. 10102、字符信息的编码、字符信息的编码字母、数字和符号等各种字符按特定的规则用二进制编码字母、数字和符号等各种字符按特定的规则用二进制编码在计算机中的表示。在计算机中的表示。在微型机中表示字符的常用码制是在微型机中表示字符的常用码制是ASCII码，它是美国信码，它是美国信息交换标准码（息交换标准码（American Standard Code for Information Interchange）它能用它能用6位、位、7位或位或8位二进制数对字符编码。位二进制数对字

17、符编码。7位位ASCII码可表示码可表示128种字符，它包括种字符，它包括52个大、小写字个大、小写字母、母、09十个数字和控制符号十个数字和控制符号8位位ASCII码是在码是在7位位ASCII码基础上加一个奇偶校验位而码基础上加一个奇偶校验位而构成。构成。奇偶校验码，是对每一组二进制编码配置一个二进制位奇偶校验码，是对每一组二进制编码配置一个二进制位（称为奇偶校验位），通过将该位置（称为奇偶校验位），通过将该位置“0”或置或置“1”而使每组二而使每组二进进制编码中制编码中“1”的个数为奇数（即形成奇校验码）或偶数（即的个数为奇数（即形成奇校验码）或偶数（即形成偶校验码）。形成偶校验码）。奇偶

18、校验码中，校验位只用来使每组二进制编码奇偶校验码中，校验位只用来使每组二进制编码“1”的个的个数具有奇偶性数具有奇偶性3、汉字编码、汉字编码 汉字编码的类型有四种：汉字编码的类型有四种：外部码、内部码、交换码和输出码。外部码、内部码、交换码和输出码。 （1） 外部码外部码每个汉字对应一个外部码。对同一个汉字不同的输入方每个汉字对应一个外部码。对同一个汉字不同的输入方法其外部码也不相同。目前外部码大致可分为四种类型：数法其外部码也不相同。目前外部码大致可分为四种类型：数字码、音码、形码和音形码。字码、音码、形码和音形码。 （2）内部码）内部码每个汉字对应一个内部码。同一汉字的内部码是唯一的。每个

19、汉字对应一个内部码。同一汉字的内部码是唯一的。内部码通常反映了汉字在字库中的位置。内部码通常反映了汉字在字库中的位置。（3）交换码）交换码 用于计算机之间或计算机与终端之间交换信息。该标准编用于计算机之间或计算机与终端之间交换信息。该标准编码字符集共收录汉字和图形符号码字符集共收录汉字和图形符号7445个。个。（4）输出码）输出码 同一汉字的输出码因选择点阵的不同而异。目前常用的同一汉字的输出码因选择点阵的不同而异。目前常用的汉字点阵有：汉字点阵有：1616、2424、3232、4040、4848、6464、7272、9696、108108等。等。1.2 微型计算机的组成微型计算机的组成 1.

20、2.1 微型计算机的结构微型计算机的结构微处理器、微型计算机、微型计算机系统的含义和它们之间的关系。微处理器、微型计算机、微型计算机系统的含义和它们之间的关系。 算逻运算器算逻运算器累加器寄存器累加器寄存器控制器控制器内部总线内部总线内外存储器内外存储器系系统统总总线线I/O接接口口微型计算机系统微型计算机系统微处理器微处理器外外围围备备设设系系统统软软件件微型计算机微型计算机图图1.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系1 1、微处理器、微处理器CPUCPU：算术与逻辑运算部件、控制器部件、累加器与寄存器：算术与逻辑运算部件、控制器部件、

21、累加器与寄存器 和内部总线和内部总线4 4部分组成部分组成图图1.2 微处理器内部结构框图微处理器内部结构框图ALU通用通用寄存器堆寄存器堆累加器累加器指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器定时与控制电路定时与控制电路I/O信号信号存储器写存储器写存储器读存储器读等待等待中断请求中断请求时钟时钟复位复位I/O写写I/O读读堆栈指示器堆栈指示器程序计数器程序计数器地址寄存器地址寄存器地址缓冲器地址缓冲器地址总线地址总线内部内部总线总线数据总线数据总线标志标志寄存器寄存器数数据据锁锁存存器器缓缓冲冲器器2 2、微型计算机、微型计算机 微型计算机：微型计算机：CPUCPU、存储器、输入和输出接口电

22、路和系统总线、存储器、输入和输出接口电路和系统总线AB地址总线地址总线DB数据总线数据总线CB控制总线控制总线3 3、微型计算机系统、微型计算机系统 微型计算机、系统软件和外设微型计算机、系统软件和外设 存储器存储器I/O接口接口CPU图图1.3 微型计算机微型计算机 微型计算机的总线可分为两级：微型计算机的总线可分为两级：内总线内总线微处理器芯片内部的总线，由它实现微处理器内部各功能单微处理器芯片内部的总线，由它实现微处理器内部各功能单元电路之间的相互联接。元电路之间的相互联接。外总线外总线三总线结构：数据总线、地址总线和控制总线三总线结构：数据总线、地址总线和控制总线数据总线数据总线DBD

23、B用来在用来在CPUCPU和其它部件间传送信息。三态、双向。和其它部件间传送信息。三态、双向。地址总线地址总线ABAB用于传送用于传送CPUCPU要访问的存储单元或要访问的存储单元或I/OI/O接口的地址信号。单接口的地址信号。单向、三态。向、三态。 控制总线控制总线CBCBCPUCPU向其它部件传送控制信号，以及其它部件向向其它部件传送控制信号，以及其它部件向CPUCPU传送状传送状态信号及请求信号的一组通信线。态信号及请求信号的一组通信线。 1.2.2 1.2.2 个人台式计算机的硬件构成实例个人台式计算机的硬件构成实例图图1.4 1.4 个人台式计算机的外观组成个人台式计算机的外观组成

24、图图1.5 主机的内部组成主机的内部组成图图1.6 主板的组成主板的组成1 1、主板、主板图图1.7 CPU 3 3、内存储器、内存储器图图1.8 1.8 内存条内存条 4 4、外存储器、外存储器外存储器包括硬盘、软盘、光驱等设备。外存储器包括硬盘、软盘、光驱等设备。（1 1） 硬盘硬盘图图1.9 硬盘硬盘（2 2） 软盘软盘图图1.10 软盘驱动器软盘驱动器 （3 3）光盘存储器）光盘存储器 图图1.11 1.11 光盘驱动器光盘驱动器 5 5、显示卡、声卡、网卡、显示卡、声卡、网卡图1.12 显示卡图图1.12 显示卡显示卡 6、显示器、鼠标、键盘、机箱 1.3 1.3 计算机的基本工作原

25、理计算机的基本工作原理 1.3.1 1.3.1 模型计算机模型计算机1 1、 模型计算机模型计算机CPUCPU的结构的结构图图1.13 1.13 模型计算机的模型计算机的CPUCPU结构结构 J J2 2I I2 2ALUALUF F内内部部数数据据总总线线A AB BPCPCARARPLAPLAIDIDDRDRCPUCPU3E3E48485F5F87876A6AC5C51212 3E 3E0000ABAB5E5EE6E6ABABDBDB存储器存储器IRIR2 2、 模型计算机的存储器结构及其操作模型计算机的存储器结构及其操作 地址寄存器地址寄存器ARAR定为定为8 8位，可寻址位，可寻址25

26、6256个单元，模型计算机存个单元，模型计算机存储器由储器由256256个单元组成。个单元组成。 图图1.14 模型计算机的存储器结构模型计算机的存储器结构 地地址址译译码码器器0000单元单元0101单元单元0202单元单元FFFF单元单元000001010202FFFF地址地址单元内容单元内容ABABCBCBDBDBI/OI/O缓冲缓冲器器控控 制制 逻逻 辑辑 存储器中的两种操作：读操作和写操作。存储器中的两种操作：读操作和写操作。 （1 1）读操作）读操作 图图1.15 1.15 存储器读操作示意图存储器读操作示意图 地地址址译译码码器器0 0单元内容单元内容3EH3EHFFFF单元内

27、容单元内容0202控控 制制 逻逻 辑辑地址地址单元内容单元内容ABAB读信号读信号DBDB02023EH3EHI/OI/O缓冲缓冲器器（2 2）写操作）写操作 图图1.16 存储器写操作示意图存储器写操作示意图 写信号写信号地地址址译译码码器器0 0单元内容单元内容FFFF单元内容单元内容I/OI/O缓冲缓冲器器0303地址地址单元内容单元内容ABABDBDB03030FH0FH0FH0FH控控 制制 逻逻 辑辑3 3、总线、总线4 4、模型计算机的指令与指令系统、模型计算机的指令与指令系统指令：计算机能实现的各种基本操作，我们把每一种基本操作指令：计算机能实现的各种基本操作，我们把每一种基

28、本操作 用命令的形式来表示。用命令的形式来表示。指令系统：计算机所能执行的全部指令。指令系统：计算机所能执行的全部指令。程序：把人的操作意图经分解后，用对应于所规定的指令系统程序：把人的操作意图经分解后，用对应于所规定的指令系统 的一串指令序列来描述。的一串指令序列来描述。指令通常分成操作码（指令通常分成操作码（OpcodeOpcode，即，即Operation codeOperation code）和）和操作数（操作数（OperandOperand）两大部分。）两大部分。操作码：表示计算机执行什么操作；操作码：表示计算机执行什么操作；操作数：指明参加操作的数本身或操作数所在的地址。操作数：指

29、明参加操作的数本身或操作数所在的地址。 1.3.2 1.3.2 程序运行过程程序运行过程1 1、 程序的编写与存放程序的编写与存放用模型计算机来完成一个简单的计算，假设要把用模型计算机来完成一个简单的计算，假设要把15H15H与与25H25H相相加，运算结果送到加，运算结果送到16H16H存储单元，然后停机。存储单元，然后停机。首先用助记符进行编程首先用助记符进行编程MOV BMOV B，15H15HMOV AMOV A，25H25HADD AADD A，B BMOV 16HMOV 16H，A AHLTHLT2 2、程序的运行过程、程序的运行过程CPUCPU的执行过程的执行过程取出指令取出指令

30、执行指令执行指令两个阶段的循环两个阶段的循环在开始执行程序时，在开始执行程序时，PCPC自动设置为自动设置为00H00H，这样就自然地进，这样就自然地进入程序第一条指令的取指阶段，具体过程如下：入程序第一条指令的取指阶段，具体过程如下：1 1）第一条指令的取指阶段）第一条指令的取指阶段J J2 2I I2 2ALUALUF F内内部部数数据据总总线线A AB B0000PLAPLAIDID01H01H01H01HCPUCPU 01H 01H 15H 15H 00H 00H 25H 25H 03H 03H 02H 02H 16H 16H 3E 3E 04H 04H DBDB存储器存储器PCPC0000+1+1ARARDRDRIRIR AB AB 读读图图1.18 1.18 取第一条指令的操作示意图取第一条指令的操作示意图 2 2）第一条指令