《微机原理与接口技术》第1章微机基础知识

1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术电子工程学院电子工程学院n工程类课程工程类课程n重视练习重视练习n经验很重要经验很重要n不要钻牛角尖不要钻牛角尖n学习内容有侧重学习内容有侧重n考查方式考查方式n闭卷考试闭卷考试n卷面成绩卷面成绩6060，期中考试占，期中考试占15%15%，平时成绩，平时成绩1010，实验成绩占实验成绩占15%15%。n作业和实验的重要性，平时成绩对最终成绩的影响作业和实验的重要性，平时成绩对最终成绩的影响第一章第一章 计算机基本知识计算机基本知识n 绪论绪论n计算机的发展概况计算机的发展概况n微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n几个重要的数字

2、逻辑电路几个重要的数字逻辑电路n微机基本结构微机基本结构11 绪绪 论论 1946 1946年年2 2月月1515日日 世界第一台电子计世界第一台电子计算机问世算机问世 19461946年世界上第一台电子计算机由美国年世界上第一台电子计算机由美国宾夕法尼亚大学研制成功。尽管它重达宾夕法尼亚大学研制成功。尽管它重达3030吨，占地吨，占地170170平方米，耗电平方米，耗电140140千瓦，用了千瓦，用了1880018800多个电子管，多个电子管，每秒钟仅能做每秒钟仅能做50005000次加法次加法. . 这台计算机有五个基本部件：输入器、输这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储

3、器和控制器，奠定了当代电子出器、运算器、存储器和控制器，奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础。数字计算机体系结构的基础。 运作了九年之久。吃电很凶，运作了九年之久。吃电很凶， 据传据传ENIACENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。之黯然失色。 另外，真空管的损耗率相当高，另外，真空管的损耗率相当高，几乎每几乎每1515分钟就可能烧掉一支真空管，操作人分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花员须花1515分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用上极不方便。曾有人调侃道：使用上极不方便。曾有人调侃道：“只要那部只

4、要那部机器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧机器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧掉，发明人就要额手称庆了掉，发明人就要额手称庆了”。 n。 工作特点是：工作特点是：程序控制、数据存储、数字编码程序控制、数据存储、数字编码 电子计算机工作的基础电子计算机工作的基础几个概念几个概念n控制器、控制器、CPUCPUn计算机主机计算机主机n计算机硬件系统计算机硬件系统n计算机软件系统计算机软件系统n字长：字长：CPUCPU并行处理二进制的数据位数。并行处理二进制的数据位数。8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。12 计算机的发展概况 n微型化微型化 便携式、

5、低功耗便携式、低功耗n巨型化巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度速度n智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力n系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级n网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路n多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控制、独立控制、 故障分散、资源共享故障分散、资源共享) )12 计算机的发展概况计算机的发展概况 n一、计算机的发展概况一、计算机的

6、发展概况 第一代：电子管计算机时代（第一代：电子管计算机时代（1947195719471957）第二代：晶体管计算机时代（第二代：晶体管计算机时代（1958196419581964）第三代：集成电路计算机时代（第三代：集成电路计算机时代（1964196419721972）第四代：超大规模集成电路（第四代：超大规模集成电路（VLSIVLSI）计算机时代）计算机时代（19721972年年 ）。）。第五代：智能计算机（第五代：智能计算机（19811981年年 ）。）。二、微处理器及微型计算机的发展概况二、微处理器及微型计算机的发展概况 第一代微处理器第一代微处理器是以是以IntelIntel公司公司

7、19711971年推出年推出的的40044004，40404040为代表的四位微处理机。为代表的四位微处理机。 第二代微处理机第二代微处理机（19731973年年19771977年），年），典型代表有：典型代表有：Intel Intel 公司的公司的80808080、80858085；MotorolaMotorola公司的公司的M6800M6800以及以及ZlogZlog公司的公司的Z80Z80。 第三代微处理机第三代微处理机 第三代微机是以第三代微机是以1616位机位机为代表，基本上是在第二代微机的基础上发为代表，基本上是在第二代微机的基础上发展起来的。其中展起来的。其中IntelIntel

8、公司的公司的80888088。80868086是是在在80858085的基础发展起来的；的基础发展起来的；M68000M68000是是MotorolaMotorola公司在公司在M6800 M6800 的基础发展起来的；的基础发展起来的； 第四代微处理机第四代微处理机 以以IntelIntel公司公司19841984年年1010月推月推出的出的80386CPU80386CPU和和19891989年年4 4月推出的月推出的80486CPU80486CPU为代表。为代表。 第五代微处理机第五代微处理机的发展更加迅猛，的发展更加迅猛，19931993年年3 3月月被命名为被命名为PENTIUMPEN

9、TIUM的微处理机面世，的微处理机面世，9898年年PENTIUM 2PENTIUM 2又被推向市场。又被推向市场。INTEL CPU 发展历史发展历史nIntelIntel第一块第一块CPU 4004,4CPU 4004,4位主理器位主理器, ,主频主频108kHz,108kHz,运算速度运算速度0.06MIPs(Million 0.06MIPs(Million Instructions Per Second, Instructions Per Second, 每秒百万条每秒百万条指令指令),),集成晶体管集成晶体管2,3002,300个个,10,10微米制造微米制造工艺工艺, ,最大寻址内

10、存最大寻址内存640 bytes,640 bytes,生产曰期生产曰期19711971年年1111月月. .n8085,88085,8位主理器位主理器, ,主频主频5M,5M,运算速度运算速度0.37MIPs,0.37MIPs,集成晶体管集成晶体管6,5006,500个个,3,3微米制微米制造工艺造工艺, ,最大寻址内存最大寻址内存64KB,64KB,生产曰期生产曰期19761976年年 n8086,168086,16位主理器位主理器, ,主频主频4.77/8/10MHZ,4.77/8/10MHZ,运运算速度算速度0.75MIPs,0.75MIPs,集成晶体管集成晶体管29,00029,000

11、个个,3,3微米制造工艺微米制造工艺, ,最大寻址内存最大寻址内存1MB,1MB,生产曰生产曰期期19781978年年6 6月月. . n80486DX,DX2,DX4,3280486DX,DX2,DX4,32位主理器位主理器, ,主频主频25/33/50/66/75/100MHZ,25/33/50/66/75/100MHZ,总线频率总线频率33/50/66MHZ,33/50/66MHZ,运算速度运算速度2060MIPs,2060MIPs,集成集成晶体管晶体管1.2M1.2M个个,1,1微米制造工艺微米制造工艺,168,168针针PGA,PGA,最大寻址内存最大寻址内存4GB,4GB,缓存缓存

12、8/16/32/64KB,8/16/32/64KB,生生产曰期产曰期19891989年年4 4月月 nPentium 4 (478Pentium 4 (478针针),),至今分为三种核至今分为三种核心心 : W i l l a m e t t e: W i l l a m e t t e 核 心核 心 ( ( 主 频主 频 1 . 5 G1 . 5 G起起 , F S B 4 0 0 M H Z , 0 . 1 8, F S B 4 0 0 M H Z , 0 . 1 8 微 米 制 造 工微 米 制 造 工艺艺 ) , N o r t h w o o d) , N o r t h w o o

13、 d 核 心核 心 ( ( 主 频主 频1.6G3.0G,FSB533MHZ,0.131.6G3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工微米制造工艺艺, , 二级缓存二级缓存512K),Prescott512K),Prescott核心核心( (主频主频2.8G2.8G起起,FSB800MHZ,0.09,FSB800MHZ,0.09微米制造工微米制造工艺艺,1M,1M二级缓存二级缓存,13,13条全新指令集条全新指令集SSE3),SSE3),生产曰期生产曰期20012001年年7 7月月. . n更大的缓存、更高的频率、更大的缓存、更高的频率、 n超级流水线、分支预测、乱序执行超级流水线、

14、分支预测、乱序执行n超线程技术超线程技术 微型计算机组成结构微型计算机组成结构微型计算机系统微型计算机系统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器 (CPU)软件软件外围设备外围设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器 (内存)RAMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器辅助存储器(磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘)输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口接口) 总线总线 (AB、D

15、B、CB)系统软件系统软件( (操作系统，编辑、编译程序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断, ,监控程序监控程序) )应用软件应用软件( (科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理) )程序设计语言程序设计语言( (机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言) )电源电路时钟电路单片机简介单片机简介n单片机即单片机微型计算机，单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机是将计算机主机(CPU(CPU、 内存和内存和I/I/O接口接口) )集成在一小块硅片上的微型机集成在一小块硅片上的微型机。n单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单单片机开发系统有单片单板

16、机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。片机应用系统的硬、软件开发。n单片机为工业测控而设计，又称微控制器单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有具有三高优势三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高)。n主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能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。仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于特别适合于嵌入式微型机应用系统。嵌入式微型机应用系统。n三、计算机编程语言的发展概况三、计算机编程语言的发展概况 机器语言机器语言 机器语言就是0，1码语言，是计算机唯一能理解并直接执行的语言。汇编语言

17、汇编语言 用一些助记符号代替用0，1码描述的某种机器的指令系统，汇编语言就是在此基础上完善起来的。高级语言高级语言 BASIC，PASCAL，C语言等等。用高级语言编写的程序称源程序，它们必须通过编译或解释，连接等步骤才能被计算机处理。 面向对象语言面向对象语言 C+，Java等编程语言是面向对象的语言。1.3微型计算机中信息的表示及运算基础微型计算机中信息的表示及运算基础n（一）（一） 十进制十进制N ND Dn有十个数码：有十个数码：0 09 9，逢十进一。，逢十进一。例例 1234.5=11234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100

18、0 +5+51010- -1 1n加权展开式以加权展开式以1010称为基数，各位系数为称为基数，各位系数为0 09 9，1010i i为为权。权。一般表达式：一般表达式：nN ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +一、数的表示一、数的表示n（二）（二） 二进制二进制N NB Bn两个数码：两个数码：0 0、1, 1, 逢二进一逢二进一。例例 1101.101=11101.101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2

19、- -1 1+1+12 2-3-3 n加权展开式以加权展开式以2 2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 0、1 1， 2 2i i为为权。权。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-12 2n-1 n-1 + b+ bn-2n-22 2n-2 n-2 + +b+b0 02 20 0 +b+b-1-12 2-1-1+ +n（三）十六进制（三）十六进制N NH Hn十六个数码十六个数码0 09 9、A AF F，逢十六进一，逢十六进一。例：例：DFC.8=13DFC.8=1316162 2 +15 +1516161 1 +12 +1216160 0 +8 +81616-

20、1-1 n展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为0 09 9，A AF F，1616i i为权。为权。一般表达式：一般表达式：N NH H= h= hn-1n-11616n-1n-1+ h+ hn-2n-21616n-2n-2+ + h+ h0 016160 0+ h+ h-1-11616- -1 1+ +不同进位记数制对照表 十进制 二进制 十六进制 十进制 二进制 十六进制 0 0000 0 8 1000 8 1 0001 1 9 1001 9 2 0010 2 10 1010 A 3 0011 3 11 1011 B 4 0100 4 12 1100 C 5 010

21、1 5 13 1101 D 6 0110 6 14 1110 E 7 0111 7 15 1111 F 二、二、不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换（一）（一）一个一个R进制的数转换成十进制数的方法：进制的数转换成十进制数的方法：按权展开，先乘后加按权展开，先乘后加举例：举例：1011.1010B=11011.1010B=12 23 3+1+12 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1+1+12 2-3-3=11.625D=11.625D0DFC.8H=130DFC.8H=1316162 2+15+1516161 1+12+1216160 0+8+81616-1 -1

22、= 3580.5D= 3580.5Dn（二）二进制与十六进制数之间的转换（二）二进制与十六进制数之间的转换24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数，四位二进制数对应一位十六进制数。n举例举例：n3AF.2H3AF.2H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 1110101111.001B 1110101111.001B n1111101.111111101.11B B = = 0 0111111 11011101. .11110000 = 7D.CH = 7D.CH （三）十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数n整数、小数分别

23、转换整数、小数分别转换 n1.整数转换法整数转换法“除基取余除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例：例：39转换成二进制数转换成二进制数39 =100111B2 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：208转换成十六进制数转换成十六进制数 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 0n2. 小数转换法小数转换法n“

24、乘基取整乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。取一次整数，从最高位排到最低位。举例：1. 0.625转换成二进制数转换成二进制数0.625 2 = 1.250 1 (b-1)0.25 2 = 0.5 0 0 (b-2)0.5 2= 1.01 (b-3)n0.625 = 0.101B2. 0.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3. 208.625 转换成十六进制转换成十六进制数数2

25、08.625 = D0.AH三、带符号数的表示方法三、带符号数的表示方法 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0 0”、“1 1” 表示。表示。 最高位作符号位，最高位作符号位，“0 0”表示表示“+”+”，“1 1”表示表示“- -”。n机器数：机器中数的表示形式。机器数：机器中数的表示形式。n真值：真值： 机器数所代表的实际数值。机器数所代表的实际数值。n举例举例: :一个一个8 8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值： X1=+84=+1010100X1=+84=+1010100B B X2=-84=X2=-84= -1010100-101010

26、0B B 机器数：机器数： X1X1机机= 01010100 X2= 01010100 X2机机= 11010100= 11010100（一）机器数与真值（一）机器数与真值n最高位为符号位，最高位为符号位，0 0表示表示 “ “+”+”，1 1表示表示“”。数值位与真值数值位相同。数值位与真值数值位相同。例例 8位原码机器数：位原码机器数： 真值：真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 机器数：机器数： x1原原 = 01010100 x2原原 = 11010100n原码表示简单直观原码表示简单直观, ,但但0 0的表示不唯一，加减运算复杂。的表示不唯一，加减运算复杂

27、。1、原码、原码(True Form)(二二)原码、反码、补码原码、反码、补码n正数的反码与原码表示相同。正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为负数反码符号位为 1 1，数值位为原码数值各位取反。，数值位为原码数值各位取反。例例 8位反码机器数位反码机器数： x= +4x= +4： xx原原= 00000100= 00000100 xx反反= 00000100= 00000100 x= -4x= -4： xx原原= 10000100 x= 10000100 x反反= 11111011= 111110112、反码（、反码（Ones Complement）3、补码（、补码（Twos Comp

28、lement）n正数的补码表示与原码相同。正数的补码表示与原码相同。 负数补码等于负数补码等于2 2n nabsabs（x x）例：例：求求 8位位补码补码机器数：机器数：x=+4x=+4 x x原原=x=x反反=x=x补补= = 0000010000000100 x=-4x=-4 x x原原 = 10000100= 10000100 x x反反 = 11111011 = 11111011 x x补补 = 100000000= 1000000000000010000000100 = 11111100 = 11111100n补码反码加补码反码加1 1。n补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表

29、示唯一，加减运算方便。的表示唯一，加减运算方便。四、 二进制编码例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码876= 1000 0111 0110 BCD 876= 1000 0111 0110 BCD 876= 36CH876= 36CH = 1101101100B= 1101101100B1 1、BCDBCD码码( (Binary Coded Binary Coded Decimal) Decimal) 二进制代码表示的十二进制代码表示的十进制数。进制数。2 2、字符编码字符编码 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码，用于计算码，用于计算 机与计算机、

30、计算机与外设之间传递信息。机与计算机、计算机与外设之间传递信息。 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DLE SP 0 P 、 p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 ” 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 0111 BEL ETB 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9

31、 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z j z 1011 VT ESC + ； K k 1100 FF FS ， L l 1101 CR GS = M m 1110 SO RS N n 1111 SI US / ？ O _ o DEL 3、汉字编码、汉字编码 n“国家标准信息交换用汉字编码国家标准信息交换用汉字编码”（GB2312-80GB2312-80标准），简称国标码。标准），简称国标码。用两个用两个七位七位二进制二进制数编码表示一个汉字数编码表示一个汉字例如例如“巧巧”字的代码是字的代码是39H39H、41H41Hn汉字内码汉字内码例如例如“巧巧”字的代码是字的代码是0B9H0B9H、0C1H0C1H14 运算基础 n一、二进制数的运算一、二进制数的运算n加法规则：加法规则：“逢逢2 2进进1”1” 减法规则：减法规则：“借借1 1当当2”2” 乘法规则：乘法规则：“逢逢0 0出出0 0，全，全1 1出出1”1” 1010 x 1011 1