微型计算机基础概论

1、河南科技大学河南科技大学1张张 伏伏1359206568313592065683（1#2131#213）河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院2课程目标课程目标 微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：编语言程序设计的入门课程：F微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理F汇编语言程序设计汇编语言程序设计F微型计算机应用技术微型计算机应用技术 目的：建立微型计算机系统的整体概念，目的：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形成微机系统软硬件开发的初步能力。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工

2、程学院3教学内容教学内容微型计算机基础、微型计算机基础、微处理器微处理器、 8086/8088 CPU的指令系统、的指令系统、 汇编语言程序设计、汇编语言程序设计、 存存储器系统、储器系统、 中断技术、中断技术、 常用数字接口电路常用数字接口电路、 模拟量的输入输出模拟量的输入输出 、定时器、定时器/计数器、计数器、DMA、人机交互设备接口等。、人机交互设备接口等。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院4第第1章章 微型计算机基础概论微型计算机基础概论主要内容：主要内容：l微型计算机的发展微型计算机的发展l各种常用记数制和编码以及它们各种常用记数制和编码以及它们 相互间的转换；相互间

3、的转换；l二进制数的算术运算和逻辑运算；二进制数的算术运算和逻辑运算；l符号数的表示及补码运算；符号数的表示及补码运算；l二进制数运算中的溢出问题二进制数运算中的溢出问题河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院51.1 概概 述述l电子计算机的发展：电子计算机的发展：l电子管计算机（电子管计算机（1946-1956）l晶体管计算机（晶体管计算机（1957-1964）l中小规模集成电路计算机（中小规模集成电路计算机（1965-1970）l超大规模集成电路计算机（超大规模集成电路计算机（1971-今）今）l电子计算机按其性能分类：电子计算机按其性能分类：l大中型计算机大中型计算机/巨型计算

4、机（巨型计算机（Mainframe Computer）l小型计算机（小型计算机（Minicomputer）l微型计算机（微型计算机（Microcomputer）l单片单片计算机（计算机（Single-Chip Microcomputer）l微型计算机的核心：微处理器微型计算机的核心：微处理器(中央处理器中央处理器CPU)lIntel CPU的发展见下页表的发展见下页表河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院6代代发表发表年份年份字长字长(bits)(bits)型号型号线宽线宽( ( m)m)晶体管数晶体管数( (万个万个) )时钟频率时钟频率(MHz)(MHz)速度速度(MIPS)(M

5、IPS)一一19711971197219724 48 8400440048008800850500.20.20.30.3110.050.05二二197419748 88080808020200.50.52-42-40.50.5三三197819781982198216168086/80888086/808880286802862-32-32.92.913134.77-104.77-108-208-201300300七七20022002？6464ItaniumItanium ？0.080.08CPU:2.5KCPU:2.5KCache:30KCache:30K800(20800(20条指令条指令/

6、 /时钟周期时钟周期) )30003000河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院7（1983-1993年）年）32位微处理器时期位微处理器时期 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院81.1 微处理器发展概述微处理器发展概述 1. 第一代微处理器第一代微处理器 Intel4004、Intel4040 4位微处理器位微处理器 Intel8008 低档低档8位微处理器位微处理器2. 第二代微处理器第二代微处理器 Intel8080、MC6800、6501、6502 8位微处理器位微处理器 Intel8085、Z80、MC6809 高档高档8位位微处理器微处理器 指令比较完善，有

7、了指令比较完善，有了中断中断与与DMA 汇编、汇编、BASIC，FORTRAN 后期配备后期配备CP/M操作系统操作系统 Intel 4004Intel 8008Intel 8085河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院93. 第三代微处理器第三代微处理器 Intel8086 、Z8000、MC68000 16位位 Intel8088 准准16位位 Intel80286、MC68010 高档高档16位位 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院104. 第四代微处理器第四代微处理器 Intel80386 32位微处理器位微处理器Intel80486 32位微处理器位微处理器河

8、南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院115. 第五代微处理器第五代微处理器 Pentium（奔腾）奔腾） 32位微处理器位微处理器 Pentium MMX（多能奔腾）多能奔腾） 32位微处理器位微处理器河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院126. 第六代微处理器第六代微处理器 (P6核心结构核心结构) Pentium Pro（高能奔腾）高能奔腾） 32位微处理器位微处理器 Pentium II（奔腾奔腾2） 32位微处理器位微处理器 Pentium III（奔腾奔腾3） 32位微处理器位微处理器河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院137. 第六代之后的微处理器

9、第六代之后的微处理器 Pentium 4 32位微处理器位微处理器(非非P6核心结构核心结构) Itanium 64位微处理器位微处理器 AMD64 64位微处理器位微处理器河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院14 Intel IA-32e 64位微处理器位微处理器河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院15 1.2 微型计算机的组成微型计算机的组成 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院161.3 微型计算机的特点和应用微型计算机的特点和应用 1. 3.1 微型计算机的特点微型计算机的特点 微型计算机除了具有一般计算机的运算速度微型计算机除了具有一般计算机的运算

10、速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自动工作等常规特点外，还有它自己的独特自动工作等常规特点外，还有它自己的独特优点。优点。 (1) 体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低 (2) 可靠性高、使用环境要求低可靠性高、使用环境要求低 (3) 结构简单灵活、系统设计方便、适应性强结构简单灵活、系统设计方便、适应性强 (4) 性能价格比高性能价格比高河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院171.3.2 应用应用河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院181.4 发展趋势发展趋势微型计算机沿着两个方向发展：微型计算机沿着两个方向发

11、展： 一是生产性能更好的如一是生产性能更好的如8位、位、16位的单片微型计位的单片微型计算机，主要是面向要求低成本的家电、传统工业算机，主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育等，其特点是专用化、多功能、改造及普及教育等，其特点是专用化、多功能、可靠性好；可靠性好； 二是发展二是发展32位、位、64位微型计算机，面向更加复杂位微型计算机，面向更加复杂的数据处理，的数据处理，OA和和DA科学计算等，其特点是大科学计算等，其特点是大量采用最新技术成果，在量采用最新技术成果，在IC技术、体系结构等方技术、体系结构等方面，向高性能、多功能的方向发展。面，向高性能、多功能的方向发展。河南科技大

12、学农业工程学院河南科技大学农业工程学院191.5 计算机中的数制计算机中的数制l了解了解l 特点；l 表示方法；l 相互间的转换。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院20一、常用记数制一、常用记数制 l十进制十进制符合人们的习惯符合人们的习惯l二进制二进制便于物理实现便于物理实现l十六进制十六进制便于识别、书写便于识别、书写l八进制八进制河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院211. 十进制十进制特点：以十为底，逢十进一；特点：以十为底，逢十进一； 共共有有0 0- -9 9十个数字符号十个数字符号。表示：表示：120120111101010101010 nnnnmmni

13、iimDDDDDDD河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院222. 二进制二进制特点：以特点：以2为底，逢为底，逢2进位；进位； 只有只有0和和1两个符号。两个符号。表示：表示：1202n 120111( )222222nnnmmniiimBBBBBBB 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院233. 十六进制十六进制特点：以特点：以16为底，逢为底，逢16进位；进位； 有0-9及A-F共16个数字符号。表示：表示：1201n 20111( )16161616161616nnnmmniiimHHHHHHH 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院24进位计数制的一般

14、表示进位计数制的一般表示一般地，对任意一个一般地，对任意一个K进制数进制数S都可表示为都可表示为120n 120111( ) nnknmmniiimSSKSKSKSKSKSK其中：其中： Si - S的的第第i位数码，可以是位数码，可以是K个符号中任何一个；个符号中任何一个； n,m 整数和小数的位数；整数和小数的位数； K - 基数；基数； Ki - K进制数的权进制数的权河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院25如何区分不同进位记数制的数字如何区分不同进位记数制的数字在数字后面加一个字母进行区分：在数字后面加一个字母进行区分：l二进制：数字后面加B, 如1001B（Binary）

15、l八进制：数字后面加O, 如1001Ol十进制：一般不加, 如1001 D（Decimal）l十六进制：数字后面加H , 如1001H（Hexadecimal）l在明显可以区分其记数制的情况下，可以省略数字在明显可以区分其记数制的情况下，可以省略数字后面的字母后面的字母河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院26二、各种数制间的转换二、各种数制间的转换1. 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 按相应按相应进位计数制的权表达式展开，进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。再按十进制求和。 例：例：10110010B10110010B = (?)= (?)1010 13

16、FAH13FAH = (?)= (?)1010河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院272. 十进制到非十进制数的转换十进制到非十进制数的转换l十进制十进制 二进制的转换：二进制的转换： 整数部分：除整数部分：除2取余；取余； 小数部分：乘小数部分：乘2取整。取整。l十进制十进制 十六进制的转换：十六进制的转换： 整数部分：除整数部分：除16取余；取余； 小数部分：乘小数部分：乘16取整。取整。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院283. 二进制与十六进制间的转换二进制与十六进制间的转换l用用4位

17、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 例：例： 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C 注意：位数不够时要补注意：位数不够时要补0河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院291.6 无符号二进制数的运算无符号二进制数的运算 无符号数无符号数 算术运算算术运算 有符号数有符号数 逻辑运算逻辑运算河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院30一、无符号数的运算一、无符号数的运算l算术运算算术运算 包括：包括： 加法运算加法运算 减法运算减法运算 乘法运算乘法运算 除法运算除法运算河南科技大学农业工程学院

18、河南科技大学农业工程学院311. 规则规则l加法：加法：1+1=0（有进位）（有进位）, l减法：减法：0-1=1（有借位）（有借位）, l乘除法：乘除法： 一个数乘以一个数乘以2相当于该数左移一位；除以相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移则相当于该数右移1位。位。 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院32例例：l000010110100=00101100B l000010110100=00000010B11B 即：即： 商商=00000010B 余数余数=00000011B河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院332. 无符号数的表示范围无符号数的表示范围 一个一

19、个n位的无符号二进制数位的无符号二进制数X，其表示范围，其表示范围为为 0 X 2n-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。（或者说（或者说运算结果运算结果超出超出n n位位，则产生溢出，则产生溢出）判别方法：判别方法： 运算时，运算时，当最高位向更高位有进位（或当最高位向更高位有进位（或 借位）时则产生溢出借位）时则产生溢出。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院34例例： 1111111111111111 + 00000001+ 00000001 1 1 00000000 00000000结果超出位（最高位有进位），发生溢结果超出位（最高位有进

20、位），发生溢出。（结果为出。（结果为256256，超出位二进制数所能，超出位二进制数所能表示的范围表示的范围255255） 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院353. 逻辑运算逻辑运算l与与()、或、或()、非、非() 、异或、异或()l特点：按位运算，无进借位特点：按位运算，无进借位l运算规则运算规则.例：例：A=10110110, B=01101011求：求：AB, B, AB, B, ABB 河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院364. 逻辑门逻辑门逻辑门：完成逻辑运算的电路逻辑门：完成逻辑运算的电路掌握：掌握：l与、或、非门逻辑符号和逻辑关系与、或、非门逻辑符

21、号和逻辑关系（真值表）；（真值表）；l与非门、或非门的应用。与非门、或非门的应用。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院37与门（与门（AND Gate）Y = ABABY000010100111&ABY注：基本门电路仅完成注：基本门电路仅完成1位二进制数的运算位二进制数的运算河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院38或门（或门（OR Gate）Y = ABABY000011101111YAB1 1河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院39非门（非门（NOT Gate）1AYY = AAY0110河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院40异或门（

22、异或门（eXclusive OR Gate）Y = ABYABABY000011101110河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院411.7 带符号二进制数的运算带符号二进制数的运算l计算机中的带符号二进制数计算机中的带符号二进制数l把二进制数的把二进制数的最高位最高位定义为符号位定义为符号位l符号位为符号位为 0 表示表示正数正数，符号位为，符号位为 1 表示表示负数负数l连同符号位一起数值化了的数，称为连同符号位一起数值化了的数，称为机器数机器数。l机器数所表示的真实的数值，称为机器数所表示的真实的数值，称为真值真值。（在以下讲述中，均以位二进制数为例）河南科技大学农业工程学院河

23、南科技大学农业工程学院42例例： +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位符号位数值位数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100 真值真值机器数机器数河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院431. 符号数的表示符号数的表示l对于符号数，机器数常用的表示对于符号数，机器数常用的表示方法有方法有原码原码、反码反码和和补码补码三种。三种。数数X的原码记作的原码记作 X 原原，反码记作，反码记作 X 反反，补码记作，补码记作 X 补补。注意：对正数，三种表示法均相同。注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。它们的差别在于对负数的表示

24、。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院44原码原码X原l定义定义符号位：符号位：0表示正，表示正，1表示负；表示负； 数值位：真值的绝对值。数值位：真值的绝对值。nnnXXXXX 11122200-河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院45数数0的原码的原码l8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。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院46反码反码X反定义定义l 若若X0 ，则则 X反反=X原原l 若若X0， 则则X补补= X反反= X原原l若若X0， 则则X补补= X反

25、反+1-nnnXXXXX 11222 00 -河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院50例例：lX= 52= 0110100 X原原 = 10110100 X反反 = 11001011 X补补 = X反反+1=11001100n位补码表示数值的范围是位补码表示数值的范围是对应的补码是对应的补码是1000 0111。()11221nn河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院510的补码：的补码：l+0补补= +0原原=00000000l-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l+0补补= -0补补=

26、00000000河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院52特殊数特殊数10000000l该数在原码中定义为：该数在原码中定义为： -0l在反码中定义为：在反码中定义为： -127l在补码中定义为：在补码中定义为： -128l对无符号数：对无符号数：(10000000) = 128河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院538位有符号数的表示范围：位有符号数的表示范围：l对对8位二进制数：位二进制数：l原码： -127 +127l反码： -127 +127l补码： -128 +127l想一想：想一想：16位有符号数的表示范围是多少？位有符号数的表示范围是多少？河南科技大学农业工

27、程学院河南科技大学农业工程学院542. 有符号二进制数与十进制的转换有符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数：对用补码表示的二进制数： 1）求出真值）求出真值 2）进行转换）进行转换河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院55例例：l将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) X补补 = 0 0101110B 真值为：真值为：+0101110B 正数正数 所以：所以：X=+46 2) X补补 = 1 1010010B 负数负数 X = X补补补补 = 11010010补补 = - 0101110B 所以：所以：X = - 46河

28、南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院563. 补码加减法的运算规则补码加减法的运算规则l通过引进补码，可将减法运算转换通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：为加法运算。规则如下：X+Y补补=X补补+Y补补 X-Y补补=X补补- Y补补 其中其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。为正负数均可，符号位参与运算。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院57*补码的运算原理补码的运算原理 模模(module)就是一个计数系统的最大容量就是一个计数系统的最大容量。例如，钟例如，钟表的模为表的模为12，8位二进制数的模为位二进制数的模为28。 凡是用器件进行的运算都是有模

29、运算，凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过运算结果超过模的部分模的部分会被运算器会被运算器自动丢弃自动丢弃。因此，当。因此，当器件为器件为n位时，位时，有有X=2n+X (mod 2n)不难验证，不难验证， X补补=2n+X (mod 2n)因此，因此， X Y补补= 2n + (X Y) (mod 2n) = (2n+X) + (2n Y) (mod 2n) = X补补+ Y补补河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院58例例：lX=-0110100，Y=+1110100，求求X+Y补补lX原原=10110100 lX补补= X反反+1=11001100lY补补= Y原原=

30、01110100l所以：所以： X+Y补补= X补补+ Y补补 =11001100+01110100 =01000000河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院594. 符号数运算中的溢出问题符号数运算中的溢出问题l进(借)位l在加法过程中，符号位向更高位产生进位；l在减法过程中，符号位向更高位产生借位。l溢出l运算结果超出运算器所能表示的范围。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院60溢出的判断方法溢出的判断方法l方法：方法：l同号相减或异号相加不会溢出。l同号相加或异号相减可能溢出：l两种情况：两种情况：同号相加时，结果符号与加数符号相反溢出；异号相减时，结果符号与减数符

31、号相同溢出。l方法：方法：l两个8位带符号二进制数相加或相减时，若 C7C61， 则结果产生溢出。 C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位。河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院61例例：有符号数运算，有溢出表示结果是错误的有符号数运算，有溢出表示结果是错误的无符号数运算，有进位表示结果无符号数运算，有进位表示结果是是错误的错误的 1 0 1 1 0 1 0 1 + + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1CASE1:CASE2:CASE3:河南科技大学农业工程学院河南科技大学农业工程学院621.8 二进制编码二进制编码一、十进制数的表示一、十进制数的表示BCD码l用用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：示法：压缩压缩BCD码码和和非压缩非压缩BCD码码。l压缩压缩BCD码的每一位