微机原理与接口技术章

王天真

Email:wtz0@

Mobile疑地点：物流楼225(146B)微机原理与接口技术参考书微机原理及接口技术，张登攀等主编，电子工业出版社微机原理与接口技术，牟琦等主编，清华大学出版社微机原理与接口技术，彭虎等编著，电子工业出版社《IBM-PC汇编语言程序设计》清华大学出版社《微机技术实验和辅导教程》清华大学出版社我校编写《微型计算机原理与接口技术实验指导书》考核方式平时作业 10%实验10%课堂回答问题（练习）10%期末考试 70%cpu第一章微型计算机系统概述概述

计算机中数的表示和编码

微型计算机系统

1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC（

ElectronicNumegricalIntergratorAndCalculator

）。第一代电子管时代(1946-1958)

耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代晶体管时代(1958-1965)

变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言第三代中小规模集成电路时代(1965-1970)

存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒第四代大规模、超大规模集成电路时代(1971至今)

向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化1.1概述

微型计算机经历了4位机、8位机、16位机至高性能的32位机，64位机正在广泛应用。

应用领域科学和工程计算密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算工业控制机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制辅助设计/分析/制造/教学机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI数据处理数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化智能模拟人工智能、专家系统、自学习1.2

计算机中数的表示和编码

1.2.1

计算机中常用的数制及其转换一.进位计数制的表示方法十进制ND十个数码：0～9，逢十进一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加权展开式以10为基数，各位系数为0～9。 一般表达式：n:整数位数，m:小数位数，ai：取值范围0-9

二进制NB两个数码：0、1,逢二进一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式：

1.2.1

计算机中的进位计数制八进制No八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7逢八进一。例1101.101=1×83+1×82+0×81+1×80+1×8-1+1×8-3

加权展开式以8为基数，各位系数为0～7。一般表达式：1.2.1

计算机中的进位计数制

十六进制NH十六个数码0～9、A～F，逢十六进一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。 一般表达式：

1.2.1

计算机中的进位计数制问题？2，8，10，16进制的英语？1.2.1

计算机中的进位计数制小节每一计数制有一确定的基数R，系数ai有R种可能的取值“逢R进一”小数点右移一位相当于乘R；反之相当于除以R二.进位计数制之间的转换R进制数转换为十进制数：按权展开，求和

例：1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5十进制数转换为R进制数：整数和小数部分分别进行转换

1、整数部分

“除R取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。二.进位计数制之间的转换例：39转换成二进制数

39=100111B 2 392191（b0）

291（b1） 241（b2）

220（b3）

210（b4）

01（b5

）二.进位计数制之间的转换2、小数部分

“乘R取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0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。例：1、0.625转换成二进制数

0.625 ×2 1.2501(b-1) × 2 0.500(b-2) × 2 1.0 1(b-3)0.625=0.101B二.进位计数制之间的转换二进制与八进制、十六进制之间的转换

八进制二进制：一位八进制数用三位二进制数表示。十六进制二进制：一位十六进制数用四位二进制数表示。二进制八进制：从小数点开始，分别向左右两边把三位二进制数码划为一组，最左和最右一组不足三位用0补充，然后每组用一个八进制数码代替。二进制十六进制：与八进制类似，但是四位分为一组。1.2.2带符号数的表示无符号数和带符号数

无符号数：机器的全部有效位均用来表示数的大小，如

N＝01001表示无符号数9

带符号数：机器中，最高位作符号位(数的符号用“0”、“1”

表示)，其余位为数值位。机器数与真值机器数：机器中数的表示形式，如原码、反码、补码。真值：机器数所代表的实际数值例:一个8位机器数与它的真值对应关系：

真值：X1=+84=+1010100BX2=-84=-1010100B

机器数：[X1]机=01010100[X2]机=110101001.2.2带符号数的表示原码

最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。 数值位与真值数值位相同。 例：真值：x1=+1010100B x2=－1010100B

机器数：[x1]原=01010100 [x2]原=11010100

特点：

1、表示简单、直观。

2、0的表示不唯一，即真值0有两种不同的表示形式，＋0或

-0。[＋0]原=0.00…0[-0]原=1.00…03、加减运算复杂。

正数的反码与其原码相同。 负数反码符号位为1，数值位为原码数值各位取反。 例：8位反码机器数 x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100 x=-4：[x]原=10000100[x]反=11111011x=+0：[x]原=00000000[x]反=00000000 x=-0：[x]原=10000000[x]反=11111111x=+127：[x]原=01111111 [x]反=01111111 x=-127：[x]原=11111111[x]反=100000001.2.2带符号数的表示反码1.2.2带符号数的表示补码数的补码与“模”有关

“模”:计数系统的量程

[X]补=M＋X（modM）当X≥0，M丢掉,[X]补=X

当X<0，[X]补=M+X=M-｜X｜。

正数的补码与原码相同；负数的补码为其反码加1。

例：8位二进制数的模为：28=256

当X<0，[X]补=28-｜X｜

=256-｜X｜=255-｜X｜+1 =[X]反码

+1

1.2.2带符号数的表示1.2.2带符号数的表示

例：8位补码机器数

x=+4 [x]原=[x]反=[x]补=00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011，[x]补=11111100

优点：1、0的表示唯一。

2、加减运算方便。即负数用补码表示时，可以把减法转化为加法。

3、8位二进制补码表示的整数范围为+127---－128；16位二进制补码表示的整数范围为－32768～＋32767；若机器字长为n，则补码表示的整数范围为－2n-1～＋（2n-1－1）。

4、由补码求真值：当为负数时，即最高位为1，其绝对值所对应的二进制数应为各数值位“按位求反加1”的和。

1.2.2带符号数的表示补码运算：

补码加法：[A+B]补=

[A]补+[B]补（mod2）

即两数和的补码等于两数补码的和。也就是，在进行补码加法时，可以不必考虑加数的正负，直接进行加法即可。从而简化了计算机内部的操作。

注：在模2的意义下相加，即超过2的进位要丢掉。1.2.2带符号数的表示例:

1、计算（-70+55）

解：[-70]原=11000110[-70]补=10111010[55]原=00110111[55]补=00110111[-70]补+[55]补=10111010+00110111=11110001

因符号位为“1”，所以对补码相加结果11110001的数值部分“求反加1”得：-15

所以：-70+55＝－151.2.2带符号数的表示2、计算[-70+（-55）]解：[-70]原=11000110[-70]补=10111010[-55]原=10110111[-55]补=11001001[-70]补+[-55]补

=10111010+11001001=1（10000011）

因符号位为“1”，所以对补码相加结果10000011的数值部分“求反加1”得：-125

所以：-70+（-55）＝-1251.2.2带符号数的表示

注：

1、补码运算步骤

1）将参加运算的操作数用补码表示。

2）进行加法得到两数和的补码（符号位作为数的一部分参加运算）

3）判断是否溢出

若没有溢出，则可进一步求和的真值：和为正数可直接求出，和为负数，则再次“求反加1”，得到真值。1.2.2带符号数的表示2、溢出的判断：溢出：带符号数运算的结果超出计算机可以表示的范围，就是溢出。

8位整数范围:（＋127，-128）两个同符号数相加有可能产生溢出；两个负数补码相加后得到正数的补码，或两个正数的补码相加后到负数的补码，都是产生了溢出。1.2.2带符号数的表示例：计算[＋65]补+

[＋96]补解：[＋65]补+

[＋96]补=01000001＋01100000

＝0

10100001

而10100001＝

[－95]补

可以看出，两个正数的补码相加后得到负数的补码，显然出错了。因为161〉127，所以称为正向溢出1.2.2带符号数的表示例：计算（-70）补+（-60）补解：（-70）补+（-60）补

=10111010+11000100=101111110

两个负数之和却产生了正的结果，同样是因为产生了溢出。因是超出了负的最大范围，所以是负向溢出1.2.2带符号数的表示3、溢出的解决：扩大数的表示范围可以防止溢出。数的扩展不能改变数的大小，只能改变数的位数。

正数扩展：高位全部加0；负数扩展：高位全部加1。如：-70(10111010)补

(1111111110111010)补

1.2.2带符号数的表示纯小数时的情况

1、8位二进制数补码范围：+127/128－-1

小数形式:0.1111111－1.00000002、转换方法：与整数相同1.2.2带符号数的表示移码

定义：[x]

移＝2n-1+x[x]

移机器数，x为真值表示：符号位与补码相反，其它位与补码相同。

1.2.4计算机中常用的编码BCD码(BinaryCodedDecimal)

二进制代码表示的十进制数。

8421BCD码例：求十进制数876的BCD码

[876]BCD=100001110110 876=36CH=1101101100B

1.2.4计算机中常用的编码符号信息的编码：P15表1-4-2

美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。汉字的编码全拼和中文名？？？CISCRISC

第3节微型计算机系统

1.3.1微处理器微处理器

中央处理器：运算器和控制器合在一起称中央处理器。

微处理器：利用超大规模集成电路技术把运算器和控制器集成在一片硅片上形成微处理器，即CPU。一般由算术逻辑单元、累加器和通用寄存器组、程序计数器、数据地址锁存器／缓冲器、时序和控制逻辑部件及内部总线等组成。

1.3.1微处理器微处理器结构CPU的主要功能是取出指令、分析、并执行指令，也就是不断地从存储器中取出指令和操作数，完成指令所规定的操作工作。

1.3.1微处理器1）算术逻辑单元ALU：进行各种算术运算和逻辑运算。2）累加器和通用寄存器组：保存参加运算的数据和运算的中间结果。累加器是特殊的寄存器，它既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。3）CPU中有一些专用寄存器（如程序计数器PC、堆栈指针

SP和标志寄存器FR等）。4）程序计数器用来存放下一条要执行的指令地址。1.3.1微处理器5）堆栈指针SP：用来存放栈顶地址。堆栈是一种特殊的存贮区域，按照“先进后出”的原则工作。6）标志寄存器：存放指令执行结果的特征和处理器的状态。7）指令译码器：对指令进行译码，产生相应的控制信号送至时序和控制逻辑电路，组合成外部电路工作所需要的时序和控制信号。1.3.1微处理器

指令执行的基本过程：（1）假设程序已存储在内存单元中。开始执行程序时，程序计数器中保存第一条指令的地址，指明当前将要执行的指令存放在存储器的哪个单元。（2）控制器将程序计数器中的地址送至地址寄存器MAR，并发出读命令。存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器IR。（3）指令译码器对IR中的指令进行译码，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作。操作可以是读／写内存、算术／逻辑运算或输入/输出操作等。（4）修改程序计数器的内容，为取下一条指令做准备。

1.3.2微型计算机微型计算机

微型计算机由CPU、存储器、输入／输出接口及系统总线组成。微机与外部交换信息通过总线控制。外部——采用三总线结构AB、DB、CB。内部——采用单总线,

即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时使用总线。1.3.2

微型计算机1.3.2微型计算机1、总线及存储器

系统总线包括数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。地址总线：传送地址信息，单向。其位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间、I/O口数目。A15~A0，可寻址216=64KB内存单元。A7~A0，可寻址28=256外设接口。数据总线：传送数据，双向。其位数和微处理器的位数相对应。控制总线：传输控制信号。

1.3.2微型计算机

存储器1）存储器是用来存储数据、程序的部件。按照存储器与CPU的关系，分为内存储器（主存储器）和外存储器。按其工作方式，又可分为随机存储器和只读存储器。2）三级存储体系结构：高速缓冲存储器、内存储器和外存储器

1.3.2微型计算机输入／输出设备和接口：外设：计算机中除主机以外的其它机电或电子设备统称外部设备，简称外设。

I/O接口：CPU和外设之间的I／O适配器，是微型计算机的重要组成部件。1.3.2微型计算机2、微型计算机分类

从微型计算机的结构形式来分，为单片机、单板机和多板机。

单片微型计算机（即单片机）。把微型计算机的主要部件CPU、一定容量的存储器、I／O接口及时钟发生器集成在一块芯片上的单芯片式微型计算机。具有体积小、指令系统简单、性价比高等优点，广泛应用于工业控制、智能仪器仪表等领域。

单板微型计算机，即单板机。是将微处理器、一定容量的存储器、输入／输出接口、简单的外部设备、辅助设备通过总线装配在一块印刷电路板上的微型计算机。主要用于实验室以及简单的控制场合。

1.3.2微型计算机

多板微型计算机也叫系统机。是将单板机模块、存贮器模块和I／O接口等模块组装在一块主机板上，通过主机板上的系统总线和各种外设适配器连接键盘、显示器、打印机、光驱、软、硬盘驱动器，配上电源。将主机板、软、硬盘驱动器等安装同一机箱内，适配器、适配卡插在总线扩展槽上，通过总线相互连接，就构成多板微型计算机，配上系统软件即构成微型计算机系统。个人计算机就是多板微型计算机系统。1.3.2微型计算机

按照微型计算机数据总线的宽度，也就是按照在一次操作中所能传送的二进制位数的最大值来进行划分，可分为4位、8位、32位、64位机。

按照微型计算机的应用，又可将微型机分为通用机和专用机。1.3.3微型计算机系统

微型计算机系统

以微型计算机为主体，配上系统软件和外部设备以后，就构成完整的微型计算机系统。

微型计算机系统1.3.3微型计算机系统

性能指标:1）字长：字是CPU与存贮器或输入／输出设备之间传送数据的基本单位。字的二进制代码位数称为计算机字长，反映一台机器的计算精度。

2）主存容量：主存贮器所能存贮的信息总量为主存容量。是衡量计算机处理能力大小的一个重要指标。表示主存容量有两种方法：用字节数表示；用单元数×字长表示。1.3.3微型计算机系统3）主频：主时钟信号的频率称为计算机主频，用于协调计算机操作。决定计算机的处理速度，频率越高，处理速度越快。4）运算速度：计算机每秒钟运算的次数。5）系统可靠性：指计算机系统在规定的时间和工作