《微型计算机原理与接口技术》第1章 微型计算机基础概论revised

1、1微机原理与微机原理与接口技术接口技术韦韦 耿耿wei_河海大学计算机与信息学院河海大学计算机与信息学院2课程目标l熟悉微型计算机的组成和工作原理熟悉微型计算机的组成和工作原理l了解微处理器的内部结构及外部引脚功能了解微处理器的内部结构及外部引脚功能l掌握计算机指令的寻址方式和指令系统掌握计算机指令的寻址方式和指令系统l熟悉存储器的分类和信息存储原理熟悉存储器的分类和信息存储原理l掌握存储器扩展技术掌握存储器扩展技术l熟悉常用的输入输出技术熟悉常用的输入输出技术l掌握微型计算机接口设计方法掌握微型计算机接口设计方法3教材及实验指导书l教材：教材：l微机原理与接口技术（第微机原理与接口技术（第2

2、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l实验指导书实验指导书l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2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 绪论1.1 概述概述l计算机诞生背景：第二次世界大战计算机诞生背景：第二次世界大战l计算机诞生时间：计算机诞生时间：1946年年2月月15日日l第一台计算机的名字：第一台计算机的名字：ENIAC Electronic Numerical Integrator Computer（电子数字积分计算机）（电子数字积分计算机）5ENIAC描述l180

3、00多个电子管多个电子管l1500个继电器个继电器l10000只电容和只电容和7000个电阻个电阻l重量重量30吨吨l占地面积占地面积170平米平米l耗电耗电150千瓦千瓦l运算速度每秒运算速度每秒5万次万次l当时价值当时价值48万美元万美元6按性能、价格、体积的不同计算机分为六大类：计算机分为六大类：l巨型机巨型机 大型机大型机 中型机中型机l小型机小型机 微型机微型机 单片机单片机7计算机发展年代划分依据计算机发展年代划分依据l第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以以

4、“万马奔腾万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。之势，一日千里，迅猛发展。l计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征。特征。 硬件特征：指电子计算机采用的物理器件。硬件特征：指电子计算机采用的物理器件。 软件特征：指计算机使用的软件环境。软件特征：指计算机使用的软件环境。8计算机已发展了四代l第一代：电子管计算机时代第一代：电子管计算机时代l第二代：晶体管计算机时代第二代：晶体管计算机时代l第三代：集成电路计算机时代第三代：集成电路计算机时代l第四代：大规模集成电路计算机时代第四代：大规模集成电路计算机时代 (程序的存储和顺序执行程序的存储和顺序执行-

5、冯冯.诺伊曼结构诺伊曼结构)9计算机走向新时代计算机的发展方向：计算机的发展方向：l第五代：第五代：“非冯非冯.诺伊曼诺伊曼”计算机时代计算机时代l第六代：神经计算机时代第六代：神经计算机时代 光计算机时代光计算机时代 生物计算机时代生物计算机时代10微型计算机的诞生l微型计算机诞生于微型计算机诞生于20世纪世纪70年代年代l特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方便、软件丰富价格便宜、使用方便、软件丰富l核心：核心：微处理器微处理器（CPU）l每出现一个每出现一个 新的微处理器，就会产生新一代新的微处理器，就会产生新一代的微型计算机的微

6、型计算机11微型计算机发展大致分为五代第一代：第一代：4位机发展和位机发展和8位机萌芽阶段位机萌芽阶段l从从1971年到年到1973年年l代表产品：代表产品：Intel 4004和和MCS-4微型机微型机 Intel 8008和和MCS-8微型机微型机l字长：字长：4位或位或8位位l特点：指令系统比较简单、运算功能较差、价特点：指令系统比较简单、运算功能较差、价格低廉格低廉l应用：面向家电、计算器和二次仪表应用：面向家电、计算器和二次仪表12微型计算机发展大致分为五代第二代：第二代：8位机发展阶段位机发展阶段l从从1973年到年到1977年年l代表产品：代表产品：Intel 8080/8085

7、、MC 6800、 Z 80l字长：字长：8位位l特点：指令系统比较完善，运算速度提高一个特点：指令系统比较完善，运算速度提高一个数量级，寻址能力有所增强数量级，寻址能力有所增强l应用：面向家电、智能仪表、工业控制应用：面向家电、智能仪表、工业控制13微型计算机发展大致分为五代第三代：第三代：16位机发展阶段位机发展阶段l从从1978年到年到1985年年l代表产品：代表产品：Intel 8086/8088、80186、80286、 MC 68000、 Z 8000l字长：字长：16位位l特点：指令系统非常丰富，采用多级中断，多特点：指令系统非常丰富，采用多级中断，多种寻址方式，段式存储结构，配

8、有功能强大的种寻址方式，段式存储结构，配有功能强大的系统软件系统软件l应用：工业控制应用：工业控制14微型计算机发展大致分为五代第四代：第四代：32位机发展阶段位机发展阶段l从从1985年到年到1992年年l代表产品：代表产品：Intel 80386、80486、 l字长：字长：32位位l特点：内存容量已达到特点：内存容量已达到1MB以上，硬盘技术不以上，硬盘技术不断提高，发展了断提高，发展了32位的总线结构，这些微型机位的总线结构，这些微型机在性能上已赶上传统的超小型机，可执行多任在性能上已赶上传统的超小型机，可执行多任务、多用户操作。务、多用户操作。l应用：办公自动化、网络环境应用：办公自

9、动化、网络环境15微型计算机发展大致分为五代第五代：第五代：64位机发展阶段位机发展阶段l从从1992年到年到2002l代表产品：代表产品：Intel Pentium、Itaniuml字长：字长：64位位l特点：外部数据线特点：外部数据线64位字长，位字长，32位以上地址总位以上地址总线，增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的线，增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的应用。应用。l应用：办公自动化、网络服务器应用：办公自动化、网络服务器16Intel主要CPU芯片171.2 计算机中的数制l计数制：一种计数的方法，用不同的代码来表计数制：一种计数的方法，用不同的代码来表示任意数示任意数l计算机使用

10、二进制数（计算机使用二进制数（B）l为方便二进制数的记忆，使用十六进制数（为方便二进制数的记忆，使用十六进制数（H）l为与人们良好的沟通，采用十进制数（为与人们良好的沟通，采用十进制数（D）18十进制数的特点l代码个数：具有代码个数：具有10个不同的代码，分别是个不同的代码，分别是0，1，2，3，4，5，6，7，8，9l进位规则：逢进位规则：逢10进进1l权：以权：以10为底的幂（为底的幂（“权权”是一种位置系是一种位置系数）数）l权值表达式：权值表达式： 111002211101010101010nmiiimmnnnnDDDDDDD19举例例：十进制数例：十进制数6543.82可以写成：可以

11、写成：20二进制数的特点l代码个数：具有代码个数：具有2个不同的代码，分别是个不同的代码，分别是0，1l进位规则：逢进位规则：逢2进进1l权：以权：以2为底的幂为底的幂l权值表达式：权值表达式： 111002211n2222222)(nmiiimmnnnBBBBBBB21举例例：例：22十六进制数的特点l代码个数：具有代码个数：具有16个不同的代码，分别是个不同的代码，分别是0，1，9，A，B，C，D，E，Fl进位规则：逢进位规则：逢16进进1l权：以权：以16为底的幂为底的幂l权值表达式：权值表达式： 1110022n1116161616161616)(nmiiimmnnnHHHHHHH23

12、十进制、二进制、十六进制的对应关系24举例例：十六进制数例：十六进制数2AE.4H可表示为：可表示为：其他：其他：25书写方法l234.98D或（或（234.98）D或（或（234.98）10l1101.11B或（或（1101.11）B或（或（1101.11）2lABCD . BFH或（或（ABCD . BF） H或（或（ABCD . BF） 1626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 27非十进制数到十进制数的转换l按相应的权按相应的权值表达式展开值表达

13、式展开l例：例：l1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75l5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.528十进制到非十进制数的转换l十进制到二进制的转换：十进制到二进制的转换： 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。29举例例：将例：将112.25转换成二进制数。转换成二进制数。整数部分（除整数部分（除2取余）：取余）：l112/2=56余数余数0B0（低位）（低位）l56/2=28余数余数0B1l28/2=14余数余数0B2l14/2=7余数余数0B

14、3l7/2=3余数余数1B4l3/2=1余数余数1B5l1/2=0余数余数1B6（高位）（高位）30小数部分（乘小数部分（乘2取整）：取整）：l0.252=0.5整数整数=0（高位高位）l0.52=1整数整数=1所以所以：（：（112.25）10=（01110000.01）231l十进制到十六进制的转换：十进制到十六进制的转换： 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。注：也可以将十进制数先转换成二进制，然后再注：也可以将十进制数先转换成二进制，然后再将二进制数转换成十六进制数。将二进制数转换成十六进制数。32举例33二进制与十六进制间的转换l用用4位二进制数

15、表示位二进制数表示1位十六进制数，从小数点位十六进制数，从小数点开始向左每四位一组，开始向左每四位一组，最后不足四位的前面补最后不足四位的前面补0，向右每四位一组，向右每四位一组，最后不足四位的后边补最后不足四位的后边补0。l例：例：l25.5 = 11001.1B= 19.8H l11001010.0110101B =CA.6AH34十六进制到二进制的转换l只要将十六进制数用二进制方法表示即可只要将十六进制数用二进制方法表示即可例：（例：（DE.B）16=（1101 1110.1011）2（A3.9）16=（1010 0011.1001）235算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算无符号数无符号数

16、有符号数有符号数二进制数的运算二进制数的运算1.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算361.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算无符号二进制数值范围：无符号二进制数值范围：l一个一个n位的无符号二进制数位的无符号二进制数X，其数值范围为：，其数值范围为：0X2n1例如：例如：n=8，则，则X=2n1=255l溢出：运算结果超出这个范围，则产生溢出溢出：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。371.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算算术运算：算术运算：l加法：

17、加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（有进位有进位）l减法：减法： 0-0=0 0-1=1（有借位有借位） 1-0=1 1-1=0l乘法：乘法： 00=0 01=0 10=0 11=1l除法：乘法的逆运算，可用减法和右移运算实现除法：乘法的逆运算，可用减法和右移运算实现38例： 最高位向前有进位，产生溢出最高位向前有进位，产生溢出00000000 100000001 11111111 391.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算逻辑运算：逻辑运算：l“与与”： 000 0 10 1 00 1 11（有有0则则0）l“或或”： 000 0 11 1 01 1 11（有有1则则1

18、）l“非非”：l“异或异或”： （相同为相同为0，不同为，不同为1）10,01000,110,01 1,101 401.4 有符号二进制数的表示及运算“0” 表示正表示正“1” 表示负表示负D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符号位符号位 数值位数值位 计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也是用计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也是用二进制表示的。通常一个数的最高位为符号位，为二进制表示的。通常一个数的最高位为符号位，为0表示正数，为表示正数，为1表示负数。若字长为表示负数。若字长为8位的计算机，位的计算机，则则D7为为符号位符号位，D6D0为为数值位数值位。41 【例例】 X

19、= X=6565在机器中表示为：在机器中表示为： X=01000001BX=01000001B 这种符号数码化的数称为这种符号数码化的数称为机器数机器数。机器数所代表。机器数所代表的实际数值称为的实际数值称为真值真值，如，如+1000001。 机器数可以用不同的码制来表示，常用的有机器数可以用不同的码制来表示，常用的有原码原码、反码反码、补码补码表示法，计算机中通常用补码表示。表示法，计算机中通常用补码表示。65+42原码l正数的符号位用正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用表示，负数的符号位用“1”表示。表示。例：例： X1010011 X原原01010011 X1010011 X原原11

20、01001143原码对于对于8位二进制原码：位二进制原码：l0有两种表示形式有两种表示形式 0原原=00000000 正零正零 0原原=10000000 负零负零当当n=8时，原码表示的范围：时，原码表示的范围：127127 l原码表示简单易懂，易于形成。但是，两个异号数原码表示简单易懂，易于形成。但是，两个异号数相加或两个同号数相减，就要做减法操作相加或两个同号数相减，就要做减法操作n位原码可表示的数位原码可表示的数X的范围是：的范围是：2n-1+1X2n-1-144反码l正数的反码表示正数的反码表示与原码相同与原码相同，最高位为符号，最高位为符号位，用位，用“0”表示，其余位为数值位表示，

21、其余位为数值位 例：例：4反反00000100l负数的反码，表示为该正数的反码按位取反负数的反码，表示为该正数的反码按位取反（包括符号位包括符号位），或原码符号位不变，数值），或原码符号位不变，数值位取反。位取反。 例：例： 4反反00000100 4反反1111101145反码对于对于8位二进制反码：位二进制反码：l0有两种表示形式有两种表示形式 0反反=00000000 正零正零 0反反=11111111 负零负零l所能表示的数值范围是所能表示的数值范围是127127 127反反=01111111 127反反=1000000046补码l正数的补码表示正数的补码表示与原码相同与原码相同，最高

22、位为符号位，最高位为符号位，用用“0”表示，其余位为数值位表示，其余位为数值位例：例：4补补00000100 4原原 4反反l负数的补码等于其对应的反码加负数的补码等于其对应的反码加1（在最低位加在最低位加1），即：符号位不变，数值位取反后加），即：符号位不变，数值位取反后加1。 例：例： 4补补 4反反1 111110111 1111110047补码对于对于8位二进制补码：位二进制补码：l0的表示是唯一的的表示是唯一的 0补补= 0补补00000000l所能表示的数值范围是：所能表示的数值范围是：2n-1X2n-11 若若n=8，则则8位二进制补码所能表示的数值范围为位二进制补码所能表示的数

23、值范围为128127。 48补码与真值的转换l对于一个用补码表示的对于一个用补码表示的负数负数，如果将，如果将X补补再求再求一次补，即将一次补，即将X补补除符号位外取反并在最末位除符号位外取反并在最末位加加1就可得到就可得到 X原原，即为该数的真值。用下式，即为该数的真值。用下式表示为：表示为：X补补补补=X原原例：例： -15 补补补补= 10001111补补补补= 11110001补补 = 10001111 = -15原原 49二进制数码二进制数码 无符号数无符号数 原原 码码 反反 码码 补补 码码00000000 0 +0 +0 +0 00000001 1 +1 +1 +1000000

24、10 2 +2 +2 +2 :01111111 126 +126 +126 +12601111111 127 +127 +127 +12710000000 128 -0 -127 -12810000001 129 -1 -126 -12710000010 130 -2 -125 -126 :11111110 254 -126 -1 -211111111 255 -127 -0 -150补码的加减运算(1)(1)补码的加法运算规则是：补码的加法运算规则是： X XYY补补= = X X 补补 YY补补 该式表明，当有符号的两个数采用补码形式表示该式表明，当有符号的两个数采用补码形式表示时，进行加

25、法运算可以把符号位和数值位一起进行运时，进行加法运算可以把符号位和数值位一起进行运算（若符号位有进位，则丢掉），结果为两数之和的算（若符号位有进位，则丢掉），结果为两数之和的补码形式补码形式。51例例： 用补码进行下列运算：（用补码进行下列运算：（3333）（）（1515）；）；（3333）（）（1515） 解解:52(2)补码的减法运算规则是：补码的减法运算规则是： X XYY补补=XX补补 YY补补 该式表明，求该式表明，求 X XYY补补可以用可以用X X补补与与 YY补补相相加来实现。加来实现。 YY补补是对减数进行求负操作。是对减数进行求负操作。 一般称已知一般称已知 YY补补求得求

26、得 YY补补的过程叫的过程叫变补变补或或求负求负。53变补运算（变补运算（NEG）已知已知+X补，补，求求-X补补规则规则：全部位（含符号位）按位取反后再加：全部位（含符号位）按位取反后再加1，例如：例如：已知已知+15补补=00001111B则则 -15补补=11110000B+1=11110001B或：或：0- +15补补=0-10001111B=11110001B54解解: 若若X=X=3333，Y=Y=1515 XX补补=00100001=00100001B YB Y补补=00001111=00001111B B YY补补=11110001=11110001B B 00100001B

27、X 00100001B X 补补 + 11110001 + 11110001B B YY补补 自然丢失自然丢失 1 00010010 1 00010010B B 1818 补补 例例： 用补码进行用补码进行X XY Y运算运算55补充：补码的定义l补码是根据同余的概念得出来的：补码是根据同余的概念得出来的： Z=nk+Y（mod K） K为模，为模，n为任意整数，即在模的意义下，数为任意整数，即在模的意义下，数Z与与Y互补。互补。l若若n=1,K=2n，则有：，则有： Z=2n+Y（mod K）56练习例：已知例：已知X=+011 0100，Y=-011 0100，根据定，根据定义求义求X补补

28、和和Y补补解：解： Y补补=28+(-011 0100) =1 0000 0000 +(-011 0100) =1100 110057补码的作用补码的作用1、引入补码后，将减法运算转化为易于实现的加法运算，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，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。因此，在微型计算机中，有符号数通提高运算速度。因此，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。常都用补码表示，得到的是补码表示的结果。2、当字长由、当字长由8位扩展到位扩展到16位时，对于用补码表示的数，正位时，

29、对于用补码表示的数，正数的符号扩展应该在前面补数的符号扩展应该在前面补0，而负数的符号扩展应该，而负数的符号扩展应该在前面补在前面补1。 例如，机器字长为例如，机器字长为8位，位， 46补补=00101110B，46=11010010B，从从8位扩展位扩展到到16位位 46补补=0000 0000 0010 1110B=002EH 46补补=1111 1111 1101 0010B=FFD2H58有符号数运算时的溢出问题有符号数运算时的溢出问题当两个有符号数进行加减运算时，如果运算结果当两个有符号数进行加减运算时，如果运算结果超出可表示的有符号数的范围时，就会发生超出可表示的有符号数的范围时，

30、就会发生溢溢出出，使计算结果出错。显然，只有两个，使计算结果出错。显然，只有两个同符号同符号数相加数相加或两个或两个异号数相减异号数相减时，才会产生溢出。时，才会产生溢出。例：例： 设机器字长为设机器字长为8位，以下运算都会发生溢出位，以下运算都会发生溢出 (88) (65) = 153 127 (88) (65) =153 127 (83) (80) =163 12859（1）无符号数的溢出）无符号数的溢出最高位的进位位最高位的进位位CFCF= CYD7 （MOD 28）或或 CF=CYD15 （MOD 216）；）；例如，例如，250= 11111010B + 50= 00110010B

31、44=1 00101100B （进位进位CF=CYD7=1丢失）丢失）（2）带符号数的溢出）带符号数的溢出OF=1（溢出）（溢出）OF= CYD7 CYD6 （MOD 28）或或OF= CYD15 CYD14 （MOD 216）60例如：例如： 65补补= 01000001 15补补= 11110001 50补补=1 00110010 OF= CYD7 CYD6=1 1=0（无溢出，结果正确）无溢出，结果正确） 96补补= 01100000 +65补补= 01000001 95补补=0 10100001OF= CYD7 CYD6=0 1=1（有溢出，结果错误）有溢出，结果错误）CYD6=1CY

32、D7=1611.5 二进制编码二进制编码的十进制数（二进制编码的十进制数（BCD编码）编码）l用二进制编码表示的十进制数称为二用二进制编码表示的十进制数称为二-十进制码，十进制码，简称简称BCD码（码（Binary Coded Decimal）lBCD码是十进制数，但用二进制数来表示码是十进制数，但用二进制数来表示lBCD有多种表示方法，最常用的有多种表示方法，最常用的8421码码l8421 BCD码每一位用四位二进制数表示码每一位用四位二进制数表示628421 BCD码的编码方案63例：例： 十进制数和十进制数和BCD码相互转换。码相互转换。 将十进制数将十进制数86.5转换为转换为BCD码

33、：码： 86.5=（1000 0110.0101）BCD 将将BCD码码1001 0111.0100转换为十进制数：转换为十进制数： （1001 0111.0100）BCD=97.4在在IBM PC机中，根据在存储器中的不同存放格式，机中，根据在存储器中的不同存放格式，BCD码又分为码又分为压缩型压缩型BCD码：码：一个字节中存放两个十进制数码一个字节中存放两个十进制数码非压缩型非压缩型BCD码码：每个字节只存放一个十进制数：每个字节只存放一个十进制数64例：将十进制数例：将十进制数8762用压缩型用压缩型BCD码表示，则为：码表示，则为： 1000 0111 0110 0010在存储器中的存

34、放格式为：在存储器中的存放格式为： 01100010 10000111高高低低65非压缩型非压缩型BCD码：码： 0000 1000 ，0000 0111， 0000 0110 ，0000 0010在存储器中的存放格式为：在存储器中的存放格式为： 00000010 00000110 00000111 00001000高高低低66ASCII字符编字符编码l计算机既要处理数值数据，还要处理字母、计算机既要处理数值数据，还要处理字母、数字和符号（简称字符），而计算机内部只数字和符号（简称字符），而计算机内部只能识别二进制代码，所以必须将字符进行编能识别二进制代码，所以必须将字符进行编码码l目前微型计算机普遍采用的是美国国家信息目前微型计算机普遍采用的是美国国家信息交换标准字符码交换标准字符码ASCII码（码（American Standard Code for Information Interchange）67lASCII码采用码采用7位位二进制代码对字符编码，故可二进制代码对字符编码，故