Vwq微机原理与接口技术第1章课件

1、微机原理与接口技术西北工业大学明德学院计算机信息系2010.9主讲人：祁桂兰第1页，共86页。1课程意义 微机原理是理工类专业课程、计算机等级考试的重要课程。以8086/8088微处理机为背景，从应用的角度系统性阐述微机的基本原理，为能够开展微机应用系统的研发工作，为后续专业课程学习、研究奠定基础。第2页，共86页。2课程目标 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：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术 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。第3页，共86页。3教学内容第1章 绪 论第2章 8086CPU结构第3章 寻

2、址方式与指令系统第4章 汇编语言程序设计第5章 半导体存储器第6章 输入输出技术 第7章 常用接口芯片 第8章 实 验 第4页，共86页。4 教材 牟琦、聂建萍主编，微机原理与接口技术， 清华大学出版社，2007.8课程情况 教学：48学时 实验：8学时 考试：作业15%，实验15%，期末考试70%第5页，共86页。5第1章 绪 论主要内容： 微型计算机的概述各种常用记数制和编码以及它们 相互间的转换二进制数的算术运算和逻辑运；符号数的表示及补码运算计算机逻辑电路基础第6页，共86页。61.1 概 述微型计算机的概念微机系统的主要技术指标电子计算机的发展微型计算机的特点第7页，共86页。71.

3、1 概 述一、微型计算机的概念： 微型计算机: Micro Computer 微处理器: Micro Processor微型计算机的核心：微处理器(中央处理器CPU)第8页，共86页。8 由于科学计算、数据处理、图象分析、数据库人工智能、数字模拟与仿真等的需求,使人类无止境地发展海量数位运算。286、386586、奔腾等，系统速度越来越快，功能越来越强。 微型计算机: Micro Computer第9页，共86页。9 微处理器: Micro Processor 微处理器本身不是计算机，它是小型计算机或微型计算机的运算器和控制器部分。 ALU 、CU、寄存器等组成计算机核心部件- CPU。 在C

4、PU基础上加上程序存贮器（ROM)、数据存贮器（RAM)、输入/输出（I/O)接口和系统总线即可构成-微型计算机第10页，共86页。10 微型计算机系统硬件部分通常由五部分组成 以运算器为核心来描述工作原理；而计算机结构在不断发展变化，也有以存储器为中心的计算机结构。（数据流控制流）输入设备运算器输出设备控制器存储器第11页，共86页。111.1 概 述二、微型计算机的主要技术指标： 字长、位、字节、字 内存容量 指令系统、指令、程序 运算速度 容许配置的外围设备数量 系统软件的配置字长：CPU能够同时处理的二进制位数。如16位、32位、64位等。位：一个位（0或1）。字节：以8位为存储的单元

5、。字：2个字节。存储容量：以字节为存储单元，能存储字节的多少。运算速度：执行指令的速度容许挂接的外设数量。第12页，共86页。12指令基本概念补充： 指 令：要求计算机完成某种操作的命令。 构 成：操作码（OP）+ 操作数（地址码 或数据码）。 操作类型操作的数据或数据所在的位置指令系统：一台计算机可实现的所有指令集合。 是硬件系统的设计目标。 程 序：将任务按解题步骤分解为有顺序的指令序列 机器指令程序 汇编语言程序 高级语言程序第13页，共86页。131.1 概 述三、电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1

6、970）超大规模集成电路计算机（1971-今） 电子计算机按其性能分类：大中型计算机/巨型计算机（Mainframe Computer）小型计算机（Mini computer）微型计算机（Micro computer）单片计算机（Single-Chip Micro computer）Intel CPU的发展见下页表第14页，共86页。14代发表年份字长(bits)型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.310.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.91

7、34.77-108-20300七2002？64Itanium ？0.08CPU:2.5KCache:30K3000800(20条指令/时钟周期)MIPS（Million Instructions Per Second）每秒执行百万条指令的含义。第15页，共86页。151.1 概 述四、微型计算机的特点： 功能强 可靠性高 价格低廉 适应性强，系统设计灵活 周期短见效快 体积小，重量轻，耗电省 维护方便第16页，共86页。161.2 计算机中的数制掌握 特点； 表示方法； 相互间的转换。第17页，共86页。17一、常用记数制 十进制符合人们的习惯二进制便于物理实现十六进制便于识别、书写八进制第1

8、8页，共86页。18计数制 基数 数码 进位关系二进制 2 0、1 逢二进一八进制 8 0、1、2、3、4、5、6、7 逢八进一十进制 10 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 逢十进一十六进制 16 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 A、B、C、D、E、F 逢十六进一第19页，共86页。191. 十进制特点：以十为底，逢十进一， 共有0-9十个数字符号；例如：(275.368)10=2102+7101+5100 +310-1+610-2+810-3第20页，共86页。201. 十进制(275.368)10=2102+7101+5100 +310-1+610-2+810-3 如果n位

9、整数；m为小数，用公式表示：i为某个位第21页，共86页。212. 二进制特点：以2为底，逢2进位 只有0和1两个符号。例如：(110.11)2表示：第22页，共86页。223. 十六进制特点：以16为底，逢16进位； 有0-9及A-F共16个数字符号。例如 : (1B.E5)16表示：第23页，共86页。233. 任意进制表示： N =xi rin-1i=-m=( + )n-1i=-mxi rin-1i=-mxi rin-1i=0 xi ri-mi=-1第24页，共86页。24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：二进制：数字后面加B, 如1001 B八进制：数字后面加O

10、, 如1001 O 或 Q十进制：一般不加, 如1001 D十六进制：数字后面加H , 如1001 H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第25页，共86页。25二、各种数制间的转换1. 非十进制数到十进制数的转换方法：按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。 例：101.11B = (?)10 13FAH = (?)10记住方法规则哦第26页，共86页。26二、各种数制间的转换例：101.11B = (?)10 1 22+0 21+1 20+1 2-1+1 2-2 =4+0+1+0.5+0.25=5.75 13FAH = 1 163+ 3 162+ 15 161+

11、10 160 4096+768+240+10=(5114)10第27页，共86页。272. 十进制到非十进制数的转换十进制 二进制的转换： 整数部分：除2取余； 小数部分：乘2取整。十进制 十六进制的转换： 整数部分：除16取余； 小数部分：乘16取整。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。记住方法规则哦第28页，共86页。28【例1】将十进制整数（105）10转换为二进制整数，采用“除2倒取余”的方法，如下：2 105 2 52 余数为 1 2 26 余数为 0 2 13 余数为 0 2 6 余数为 1 2 3 余数为 0 2 1 余数为 1 0 余数为 1 所以，（105）10 （1101

12、001）2 （52）=（110100）2第29页，共86页。29【例2】将十进制小数（0.8125）10转换为二进制小数，采用“乘2顺取整”的方法，过程如下： 0.812521.625 取整数位 1 0.62521.25 取整数位 1 0.2520.5 取整数位 0 0.521.0 取整数位 1 所以，（0.8125）10 （0.1101）2 如果出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据精度的要求截取一定的位数即可。第30页，共86页。30【例3】将十进制整数（2347）10转换为十六进制整数，采用“除16倒取余”的方法，过程如下：16 2347 16 146 余数为 11（十六进制数为B

13、） 16 9 余数为 2 0 余数为 9 所以，（2347）10 （92B）16第31页，共86页。31 表1.2 常用数制的对于关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 0 0000 0 0 1 0001 1 1 2 0010 2 2 3 0011 3 3 4 0100 4 4 5 0101 5 5 6 0110 6 6 7 0111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 A 3位二进制可表示8进制第32页，共86页。32 表1.2 常用数制的对于关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101

14、15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F4位二进制可表示16进制第33页，共86页。333. 二进制与八进制间的转换用3位二进制数表示1位八进制数例： 11010110.11 = (?)O 011 010 110 .110 3 2 6 . 6例 （25.4）O = (?)B 2 5 . 4 010 101 . 100位数不够时要补0第34页，共86页。344. 二进制与十六进制间的转换用4位二进制数表示1位十六进制数 例： 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9 . C 位数不够时要补0第35页，共86页。355.十

15、六进制与二进制间的转换十六进制数(1FC7.958)H转换为二进制 1 F C 7 . 9 5 80001 1111 1100 0111.1001 0101 1000(1FC7.958)H=（1111111000111.100101011）B 用16进制书写二进制第36页，共86页。36 进制转换的一般方法第37页，共86页。37数值转换部分的作业：一、书上例题1.11.10抄写二、 P33习题1 7、8（有解题过程）08级的全体同学：大家好？让我们携手共同完成本课程学习！第38页，共86页。381.2.2 计算机中带符号数的表示方法 无符号数 算术运算 有符号数 逻辑运算第39页，共86页。

16、39一、无符号数的运算算术运算 包括： 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算第40页，共86页。401. 规则加法：1+1=0（有进位）, 减法：0-1=1（有借位）, 乘除法： 一个数乘以2相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移1位。 基本规则要记牢第41页，共86页。41例：000010110100=00101100B 000010110100=00000010B11B 即： 商=00000010B 余数=00000011B8位结果右移2位8位结果左移2位第42页，共86页。422. 无符号数的表示范围 一个n位无符号二进制数X，其表示范围为 0 X 2n-1 （ 8位 0 X 28

17、-1 ）若运算结果超出这个范围，则产生溢出。（或者说运算结果超出n位，则产生溢出）判别方法： 运算时，当最高位向更高位有进位（或 借位）时则产生溢出。第43页，共86页。43例： 11111111 + 00000001 1 00000000结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出位二进制数所能表示的范围255） 0 X 28-10 X 255第44页，共86页。443. 逻辑运算与()、或()、非() 、异或()特点：按位运算，无进借位运算规则.例：A=10110110, B=01101011求：AB, AB, AB 第45页，共86页。453. 逻辑运算例：A=101101

18、10, B=01101011 A 10110110 B 01101011 AB 00100010 AB 11111111 / A 01001001 AB 11011101与规则：均1为1或规则：有1为1非规则：01互反异或规则：相同为0相异为1第46页，共86页。46计算机中的带符号二进制数把二进制数的最高位定义为符号符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。（在以下讲述中，均以位二进制数为例）二 . 符号数的表示第47页，共86页。47例： +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位数值位 -5

19、2 = -0110100 = 1 0110100 真值机器数第48页，共86页。48对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。 数X的原码记作X原， 反码记作X反， 补码记作X补。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。原码、反码、补码数X的下标不同第49页，共86页。491. 原码X原定义:符号位：0表示正，1表示负； 数值位：真值的绝对值。 X原= 0 xn-2 xn-3.x1x0 x0 1xn-2 xn-3.x1x0 x0 第50页，共86页。50 【例】当机器字长为8位二进制数时： X1011011 X原码01011011 Y1011011 Y原码

20、11011011 1原码00000001 1原码10000001 127原码01111111 127原码11111111 原码表示的整数范围是：（2n-11）（2n-11） 其中n为机器字长 (27=128) 则：8位二进制原码表示的整数范围是127127 16位二进制原码表示的整数范围是3276732767原码范围规则第51页，共86页。51数0的原码8位数0的原码：+0 = 0 0000000 - 0 = 1 0000000 即：数0的原码不唯一。0结果不是唯一哦 对于二进制数，正数的原码是它本身，负数的原码符号位取1数值部分是真值的绝对值。第52页，共86页。522. 反码X反定义： 若

21、X0 ，则 X反=X原 若X0， 则X补= X反= X原若X0， 则X补= X反+1对于二进制数，正数的补码是它本身，负数的反码符号位取1，数值部分按位取反后末位加1。第58页，共86页。58例：X= 52= 0110100 X原 = 10110100 X反 = 11001011 X补 = X反+1=11001100第59页，共86页。590的补码：+0补= +0原=00000000-0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对8位字长，进位被舍掉+0补= -0补= 000000000的补码是唯一的第60页，共86页。60*补码的运算原理模(module)就是一个计数系

22、统的最大容量。例如钟表的模为12，8位二进制数的模为28。凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃。第61页，共86页。61 三种编码之间的转换关系第62页，共86页。62 特殊数10000000 表示？该数在原码中定义为： -0 (1 0000000)在反码中定义为： -127 (1 1111111各位反)在补码中定义为： -128 ( 1 1111111+1)对无符号数：(10000000) = 128 （27）第63页，共86页。63 表1.3 8位二进制编码（P16）二进制数码表示 无符号二进制数 原码 反码 补码 00000000 0 +0 + 0 +

23、 0 00000001 1 +1 + 1 + 1 00000010 2 +2 + 2 + 2 。 。 。 。 。 01111110 126 +126 + 126 +126 01111111 127 +127 + 127 +127 10000000 128 - 0 - 127 -128 10000001 129 -1 - 126 -127 10000010 130 -2 - 125 -126 。 . 。 .。 。 。 11111110 254 -126 - 1 - 2 11111111 255 -127 - 0 - 1第64页，共86页。648位有符号数的表示范围： 原码： -127 +127

24、反码： -127 +127 补码： -128 +127想一想：16位有符号数的表示范围是多少？第65页，共86页。654. 二进制数补码的运算1）补码加法2）补码减法3）溢出溢出与补码运算有关第66页，共86页。66补码加减法的运算规则通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：X+Y补=X补+ Y补 X-Y补=X补 + - Y补 其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。第67页，共86页。67例： X =-0110100，Y=+1110100， 求X+Y补X原=1 0110100 X反=1 1001011X补= X反+1=1 1001100Y补= Y原=0 1110100所以： X+

25、Y补= X补+ Y补 =11001100 +01110100 （1） =01000000进位，丢掉第68页，共86页。68符号数运算中的溢出问题进(借)位在加法过程中，符号位向更高位产生进位；在减法过程中，符号位向更高位产生借位。溢出运算结果超出运算器所能表示的范围。 8位的原码： -127 +127 反码： -127 +127 补码： -128 +127-范围第69页，共86页。69符号数运算中的溢出问题溢出运算结果超出运算器所能表示的范围。例题如果机器长度是8位，计算（+64）+（+65） +64+ +65 +129 0 1000000+ 0 1000001 1 0000001 - 127

26、因为8位补码范围是-128-+127，而（+64）+（+65）=+129超出了能表示的最大值，产生了溢出。第70页，共86页。70例：有符号数运算，有溢出表示结果是错误的无符号数运算，有进位表示结果是错误的 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:结果是正结果是负结果正/错？如果只有8位是错误的；

27、如果有进位设置用9位是正确的第71页，共86页。71定点数 由于定点位置不同，一般又分为两种情况。 对于整数，小数点约定在最低位的右边，称为定点整数。 对于纯小数，小数点约定在符号位之后，称为定点小数。 浮点数 如果要处理的数既有整数部分，又有小数部分，则采用定点数会遇到麻烦。为此可以采用浮点数，即小数点的位置不固定。 1.2.3 浮点数基本概念第72页，共86页。721、浮点数 十进制中例如，83.125可写成1020.83125， 二进制数：110.011可以表示为 X=110.011=1.100112+10=0.1100112+11 = 11001.1 2-10 2、浮点机器数：阶码和尾

28、数组成 第73页，共86页。73阶码：是指数，只能是一个带符号的整数，如+11）。 表示浮点的范围尾数：是纯小数，表示数值的有效部分，精度。 X = 0.10112+11 尾数阶码阶符为正0阶码是3尾符为正0表示整个数的符号1011第74页，共86页。741.2.4 十进制编码一、十进制数的表示BCD码用4 位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法： 压缩BCD码 非压缩BCD码。第75页，共86页。751、压缩的BCD码 压缩BCD码每一位用4位二进制表示，00001001表示09，一个字节表示两位十进制数。 这种BCD码通常也称为8421BCD码。 后面所讲的主要是这种码的运算。第76页，共86页。761、压缩的BCD码 例题：57.3的BCD码 解： 5 7 . 3 0101 0111 . 0011 得：（57.3 ）10 =（01010111.0011）BCD压缩BCD码一个字节表示两位十进制数 45的BCD书写：01000101 一个8位第77页，共86页。772、非压缩的BCD码非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数， 高4位总是0000，低4位的00001001表示09。