微机原理讲义（1）概述

1、PAGE 微型计算机原理及其应用课程讲义2005.09.05一 说 明适用专业的名称和层次本课程适用于工学类专业的计算机知识的较深入层次教育。本课程的性质和任务“微型计算机技术及应用”是工科院校各专业一门重要的必修的课程之一，是为普及计算机知识、培养满足实际应用领域对计算机应用能力的需要而设置的。通过本课程的学习，使学生具有一定的微型计算机应用系统的分析能力和初步设计能力。本课程以介绍硬件知识为主，但在构成一个微型计算机应用系统时，还必须具有用汇编语言编制源程序的能力，软硬件结合是本课程的一个特点。通过本课程的学习，使学生具有微型计算机应用系统的分析能力和初步设计能力。本课程与前修课程、后续课

2、程的关系微机原理与应用是计算机考级三级偏硬的重要内容，但本课程不是专为三级考试开设的一门应试辅导课程，而是系统学习微型计算机硬件结构、汇编语言指令系统和微机常用接口的一门高级计算机基础课程。本课程学习难度较大，需要掌握一种特有的思维方式把人作为计算机的一部分，进入机器内部与数据流一起流动的思维方式。初学者很难适应这种学习方式，前面的章节可能要等后续章节学完后才能理解。前后基础交叉。除须事先完成电工学或相关模拟与数字电路课程的学习外，学生应在具有一定的计算机基础知识和操作能力的基础上学习本课程。即学完计算机应用基础和一门计算机高级语言之后学习本课程。学习的整体要求和方法通过本课程的学习，要求学生

3、：1、较深入地了解微型计算机系统的组成及工作原理；2、具有较高的汇编语言源程序的阅读能力和一定的程序编写能力；3、掌握微型计算机的输入输出方法；4、掌握分析和设计典型接口（包括软件和硬件）的方法。主要教学环节的安排和要求名称学 教 学 时 环节名 称听课习题实验上机课程设计小计一微型计算机概述22二16-32位微处理器810三汇编语言指令系统及汇编程序设计12(8)22四存储器及其接口426五与外设的数据传输228六串并通信和接口技术836七中断控制器和定时器计数器1046八模数和数模转换652九人机接口658十三总线及实用接口知识462十四从8086到P4的发展2864配套使用的教材的名称、

4、编者、出版社、版本等教材：微型计算机技术及其应用戴梅萼、清华大学出版社、2003.3.教学参考书：微机原理及应用顾可民、大连理工大学出版社、2002.2.(职教教材)微机原理及应用胡钢、机械工业出版社、2002.5.新编16-32位微型计算机原理及应用李继灿、清华大学出版社、1997.7.二 教学进度表周次日期进度要求作业测验实践性环节学习章节内容授课时数作业题号时 数交纳期限测验内容时数交纳期限实验、课程设计等环节的时间安排和预期准备工作要求11322.1 2.2332.2 2.3342.4353363373383394.1 4.23104.33115312631363147315上机3MA

5、SM5.0编程调试16731773183193203213223233243253263273283三 课程内容和基本要求（*表示重点 表示难点）第一章 微型计算机概述一、教学基本要求、微处理器和微型计算机，要求达到“识记”层次。 微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义。 微处理器的发展特点。 微型计算机的组成和特点。、微型计算机系统的总线结构。 微处理器结构，要求达到“识记”层次。 微型计算机的基本结构，要求达到“领会”层次。 用三类总线构成的微机系统，要求达到“识记”层次。二、教学重点和难点1. 微处理器和微型计算机*微型计算机的特点和发展；*微型机的分类；*微处理器、微型计算机和微型

6、计算机系统2. *微型计算机的总线结构三、学习要点及教材分析本章主要介绍有关微型计算机系统的基本概念，以及微型计算机系统的组成及结构特点。通过学习要求了解微型计算机系统各组成部件的功能及相互关系，理解微型计算机系统的总线结构的特点。 11 微机组成冯诺依曼计算机确立了以存储程序原理为核心的计算机，是完整的现代计算机的雉型，它将计算机的组成分为五大部分，即控制器、运算器、存储器和输入、输出设备。图1.1 微型计算机的总线结构和主要部件微机的结构与通常的计算机结构一致。学生要掌握其各部件的功能。 主机 主机由CPU和内存组成，这是从原理方面回答，从实际构成角度而言，主机由CPU、内存、高速缓冲存储

7、器、总线、输入输出(I0)接口组成。 CPU：由运算器和控制器组成，名为中央处理器，而微机中使用的是微处理器，缩写为MPU。如常说的80486、Pentium、PentiumIV等都是指CPU的型号。其中，运算器是实现算术和逻辑运算的部件；控制器是计算机的指挥和控制中心，控制各部分正确地执行。CPU的主要性能指标是主频和字长。主频是指CPU每秒钟的时钟频率，是衡量运算速度的主要指标。字长是指CPU能直接处理的二进制位数，字长影响着计算机的运算精度和数据处理能力。CPU按字长可以划分为16位、32位、64位等。 内存：又称主存，它可以被CPU直接访问，计算机运行的程序和数据以及运行结果都存储在内

8、存中。内存最主要的性能指标是存储容量。如果由于内存容量不足而影响程序的运行，可以通过添加内存条来解决问题。虚拟内存 内存分为随机存储器RAM和只读存储器ROM两大类。RAM是用户使用的存储区域，它既可以读取又可以写入，其存储的内容断电后会随即消失。ROM是用来存储系统程序的，它的内容由专用的仪器写入，断电后不会消失，而用户只能读不能写。通常内存容量是指RAM的容量。 高速缓冲存储器：负责完成CPU和主存之间的速度匹配，以减少CPU的等待时间，它是CPU和内存之间的适配器。 总线：将计算机各部分之间相连，是各部分之间的信息通道。 其中数据总线是双向线，用于CPU、内存、I/O设备之间的数据传送。

9、地址总线是单向传送线。控制总线用于传送CPU向内存和IO设备发出的信号。 输入输出(I/O)接口：利用它将主机板和外部设备连接在一起。PC机上除了总线接口外，主要是串行接口、并行接口。 外部存储器 外部存储器的特点是可长期保存数据，存储量大，外存存储的信息不能被CPU直接访问，而必须先从外存中将信息调入内存后，才能为CPU所利用。 12 微型计算机的发展与应用 1计算机的发展计算机的发展阶段经历了三个阶段：大型机、小型机发展阶段，微机发展阶段和计算机网络发展阶段。其中在大型机、小型机发展阶段中，按照计算机所采用的电子器件不同，将计算机划分为四代。第一代是1946年1957年的电子管时代；第二代

10、是1958年1964年的晶体管时代；第三代是1965年1970年的集成电路时代；第四代是1971年后的大规模集成电路时代。微机的发展分为五代，它们是IBM PCXT及其兼容机、286AT机及其兼容机、386微机、486微机和Pentium奔腾机。90年代以后是计算机网络的发展时代。表1.1 微机发展史代主频年代典型产品字长集成度一1MHz1971-72Intel4004/80084-8位2000-3500/片二2MHz1973-778080 MC6800 Z808位9000片三101-2 MHz1978-848086MC6809Z800016位几-几十万/片四-3.0 GHz 1985-386

11、-Pentium IV32位-数百万/片 2应用领域 应用领域分为科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助设计(CADCAI等)和人工智能五类。学生要对每种应用区别归类。 科学计算是指利用计算机进行科学领域的数值计算，如工程设计、大气预报、火箭发射及地震预测等。 数据处理是指利用计算机对大量的数据进行采集、转换、分组、组织、简单计算、存储、检索及排序等操作。例如：数据处理的应用为办公自动化创造了条件。 过程控制又称实时控制，它是计算机和自动化仪器的结合，从而实现某一生产过程的自动检测和监控。 计算机辅助设计是利用计算机的大存储、高速和图形功能进行的各种设计。 人工智能是指利用计算机来模拟和扩展

12、人脑的某些智力活动。如看病、下棋、翻译和机器人等。表1.2 各进制之间的转换二进制数转为十进制数以2为底，计算各位数与其权值的乘积然后的累加和十进制数转为二进制数整数部分除以2、取余数、倒序排列；小数部分乘2取整二进制数转为八进制数从小数点位起分，每三位转换成一位八进制数即可八进制数转为二进制数每位数分为3个二进制数表示即可二进制数转为十六进制数从小数点位起分，每四位转换成一位十六进制数即可 1001 1011B9BH十六进制数转为二进制数每位数分为4个二进制数后表示即可八进制数转为十进制数以8为底，计算各位数与其权值的乘积然后的累加和十六进制数转为十进制数以16为底，计算各位数与其权值的乘积

13、然后的累加和四、微型机概述考核点及例题解析 11 微机概述考核点计算机系统组成 计算机的基本配置 计算机的主要性能指标 二进制和十进制的转换 微型计算机的总线结构 1.2 微型机概述例题解析1. CPU与外设间的接口信息有哪几种？答：有三种： （1）数据信息（数字量、模拟量、开关量）； （2）状态信息；（3）控制信息。2. PeutiumIII微机的位数是 A8 D16 C32 D64答：C 解析；所谓微机的位数是指CPU能同时处理的二进制位数，微机的位数是32，相应地，寄存器能存储32位数据信号，微处理器与计算机总线的接口也是32位的。不同的微处理器数据处理能力不同，主要源于它的位数的不同。

14、3下列数中最小的数是 A二进制数101001 B十进制数44 c八进制数52 D十六进制数2B 答案：A 解析：这是一个进制转换的问题，比较数的大小要在统一进制下进行，建议学生将数据统一为十进制数，也可以统一为二进制数。 统一为十进制数的做法是，答案A：101001=1*23+25=41；答案B:44；答案C：(52)=2+5*81=42；答案D；(2B)=2*161+B*l60=32+11*1=43。因此最小的数是二进制数101001。计算机中的数制和码制一.数制二进制、八进制、十进制、十六进制换算。二.编码（1）.BCD码(二进制编码的十进制数)（2）.字符的编码（ASCII码7位编码，占

15、一个字节）如数字30H-39H，大写字母41H-5AH，小写字母61H-7AH。（3）.汉字编码二个字节 内码最高位1ASCII码三.二进制数的运算加法、减法、乘法、除法、逻辑与、或、非、异或四.数的表示法真值与机器数、原码、反码、补码补码加减与溢出判断。同号相加符号变化溢出。定点与浮点表示：定点小数、定点整数浮点表示： X XXXX X XXXX 阶符 阶码 尾符 尾码如15x22为： 0 10 0 1111 3I/O接口又称设备适配器，它位于什么之间 ACPU与外设 BCPU与内存 C外设与微机总线 D内存与微机总线 答案：C 解析：微机通过使用总线来实现各个组成部分之间需要传递的各种数据

16、和控制信号，总线把CPU内存、外存、输入和输出设备连接起来。CPU和内存直接装在主板上，可直接与总线相连。但外设与总线的连接相对复杂，其工作速度明显低于CPU和内存，而且信号多样工作方式多样。这样，加进了一个缓冲环节：接口电路。它的一端与外设相适应，另一端与总线相连，并进行必要的转换工作。因此，IO接口是处于外设与微机总线之间的。IO接口通常根据特定的IO设备制作在一个小块印刷电路板上，又称作“适配器”、“xx卡”，例如显卡、多功能卡、声卡等。5. 计算机的发展段通常是按计算机所采用的 来划分的。（A）内存容量 （B）电子器件（C）程序设计语言 （D）操作系统答案：(B)解析：通常正是按照计算

17、机所采用的电子器件把计算机分为第一代（电子管计算机）、第二代（晶体管计算机）、第三、四代集成电路、大规模集成电路计算机等等。第二章 8086微处理器教学基本要求微处理器(MPU)是微型计算机的控制核心，本章主要讲述典型的微处理器8086的编程结构、引脚信号和时序。重点掌握8086的引脚信号和时序，特别是一些控制信号的功能应深刻理解和熟练掌握。理解指令周期、总线周期和时钟周期的定义和相互关系。掌握中断的基本概念和工作原理。、8086微处理器的结构8086微处理器的结构特点，要求达到“识记”层次。8086微处理器的寄存器结构，要求达到“领会”层次。8086系统中的存储器分段与物理地址的形成，要求达

18、到“领会”层次。、8086微处理器的引脚功能，要求达到“简单应用”层次。8086常用控制信号的功能，这些控制信号的应用。8086两种工作方式最小方式与最大方式的区别。3、8086微处理器的总线时序，要求达到“领会”层次。三种周期指令周期、总线周期和时钟周期的区别及联系。8086几种主要的总线周期时序图，有关信号的时序关系。、中断的基本概念和工作原理有以下几点：在80868088系统中的中断分类，要求达到“领会”层次。 中断向量表的定义和应用，要求达到“综合应用”层次。 可屏蔽中断的中断响应时序，要求达到“领会”层次。注解：掌握程度 综合应用简单应用领会识记二、 教学重点和难点8086的编程结构

19、*总线接口部件；*执行部件；*总线接口部件和执行部件的动作管理；*8086的总线周期的概念8086的引腿信号和工作模式*最小模式和最大模式的概念；*8086/8088的引腿信号和功能；8086的操作和时序*系统的复位和启动操作，*总线操作；*中断操作和中断系统；最小模式下的总线保持；最小模式下的总线请求允许；8086的存储器组织和IO组织*8086的存储器组织；*8086的I/O组织中断操作和中断系统中断分类；*中断向量和中断向量表；*中断基本概念；*中断执行过程；总线保持概念三、学习要点及教材分析 2.1 8086的编程结构从程序员和使用者角度看到的结构, 8086可分为总线接口部件BIU(

20、Bus Interface Unit)和执行部件EU(Execution Unit)图2.1 8086的编程结构2.1.1 总线接口部件总线接口部件BIU的功能是负责与存储器、I/O端口传送数据。从内存取指令送到指令队列从内存单元或外设端口取数据。总线接口部件组成：。4个段地址寄存器，CS16位代码段寄存器； DS16位数据段寄存器； ES16位扩展段寄存器； SS16位堆栈段寄存器，。16位的指令指针寄存器IP；。20位的地址加法器；。6字节的指令队列。 两点说明： = 1 * GB2 8086的指令队列为6个字节，8088为4个字节，通常取指令与执行指令并行 = 2 * GB2 地址加法器

21、用来产生20位地址段寄存器CS左移4位IPe.g. CSFE00H，IP=0200H，物理地址为FE200H2.1.2 执行部件。4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；。4个专用寄存器，基数指针寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器SI，目的变址寄存器DI；。标志寄存器FR或称PSW（FLAGS）；。算术逻辑单元ALU。执行部件4点说明4个通用寄存器既可作为16位寄存器，也可8位，如BX=BH BLAX寄存器也称累加器，可按字或字节运算、输入输出。ALU主要是加法器，加法器完成绝大部分的指令执行。标志寄存器16位，只用位，7位未用。D15 14 13 12 11 10 9 8 7 6

22、 5 4 3 2 1 D0OFDFIFTFSFZFAFPFCF状态标志6个：符号标志SF 零标志ZF 奇偶标志PF 进位标志CF 辅助进位标志AF 溢出标志OF（最高位向前、次高位向最高位同时有进（借）位时，不溢出，OF=0。控制标志有3个：方向标志DF 中断标志IF（Interrupt enable flag） 跟踪标志TF (trap flag) 这些标志一旦设定，对后面操作有控制作用。2.1.3 总线接口部件和执行部件的动作管理每当8086指令队列中有2个空字节，8088有一个空字节时，BIU取指令。EU执行时如需访问存储器或I/O设备（包括取指），EU请求BIU执行总线周期。若BIU空

23、闲，执行之，否则，若正在取指，先取指令。指令队列已满，EU对BIU又没有总线访问请求，BIU空闲。执行转移、调用、返回指令时，队列自动清除。EU从BIU指令队列中取指令并执行，不对外联系。2.1.4 8086的总线周期的概念总线周期动用总线的周期，一个基本的总线周期由4个时钟周期组成，分别称为T1，T2，T3，T4状态。T1状态，CPU 往多路复用总线上发地址信号。T2状态，CPU撤销总线上的地址，地址低16位浮置成高阻状态，高4位（A19-A16）输出本总线周期状态信息（S6-S3中断允许、当前用的段寄存器名等）。T3状态，高4位继续提供状态，低16位上出现进出的数据。若外设或存储器较慢，通

24、过Ready线，在T3后插入若干Tw状态，一旦“准备好”，进入T4状态。T4 状态，总线周期结束。图2.2 典型的8086总线周期序列2.2 8086的引腿信号和工作模式2.2.1 最小模式和最大模式的概念。最小模式：系统中只有8086或8088一个CPU，它产生全部的控制信号，系统中的控制电路被减至最少。LATCH。最大模式：系统包含两个或多个 图2.3 8086和8088的引腿信号微处理器，如8087数值运算协处理器、8089输入输出协处理器（代替8086控制输入输出），部分控制信号由8288总线控制器发出。2.2.2 80868088的引腿信号和功能80868088的数据线和地址线是多路

25、复用的，40引腿，20地址，16数据，众多控制和状态。除了28和34腿外，8086和8088的控制引腿定义相同。第21腿（RESET）是输入复位信号用的，通常复位线与所有部件连。启动状态如下：标志寄存器和IP、DS、SS、ES和指令队列清零, CS=FFFFH，IP=0000H，程序将从FFFF0H单元执 80868088最小模式28腿M/IO M/IO34腿BHE/S7SS0最大模式28腿S2S234腿BHE/S7HIGH行，放一条跳转指令实现系统初始化，引导监控程序或操作系统引导（装配）程序。第22腿从内存或I/O端口往CPU输入：“ready”信号第23腿（TEST）用于多处理器系统。RD与M/IO配合高4位地址和状态线复用，在总线周期的前一部分时间，A19/S6A16/S3 输出高4位地址，后一部分时间输出状态信息。 以下逐一介绍80868088引腿GND（1、20腿）、Vcc（40腿），地和电源AD15AD0（Adress Data Bus）地址数据复用引腿，双向。8088高位不复用A19/S6A16/S3（Adress/Status）地址状态复用引腿，S6指示80868088当前与总线相连,S5表示中断允许标志当前值，1 允许可屏蔽中断 S4 S3指示当前正使用那个段寄存器，见下表。注意：所有带下划线的引腿信号应为上划线，表示低电平有效，无下划线高电平有