第一章 微机系统与接口技术概述

微型计算机原理(第一章）主讲教师魏祖雪Email:starwxy94@163.com重庆三峡学院——电子信息工程学院课程性质及教学目的

《微型计算机原理》是学习微型计算机基本知识和应用技能的重要课程。本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计；熟悉各种类型的接口及其应用，树立起微型计算机体系结构的基本概念，为后继计算机课程的学习及应用打好基础。教材熊江主编，微机系统与接口技术，武汉大学出版社，2007.8微机原理与接口实验指导书，自编课程情况教学：42学时实验：16学时考试：作业20%，实验20%，期末考试60%答疑辅导网络：/kcp/07/wxjsjyl/参考书:1.沈美明，IBM-PC汇编语言程序设计，北京，清华大学出版社，1991年6月，第一版2.刘乐善，微型计算机接口技术及应用，武汉，华中科技大学出版社，2004年1月3.戴梅萼等编《微型计算机技术及应用》-从16位到32位第二版4.邹逢兴主编《微型计算机原理及其应用》典型题解与实战模拟国防科技大学出版社教学内容第一章微机系统与接口技术概述第二章微处理器结构第三章寻址方式和指令系统第四章汇编语言程序设计第五章半导体存储器和高速缓冲存储器第六章中断技术第七章定时/计数器8254*第八章DMA技术（自学）第九章可编程并行接口8255A第十章串行接口第十一章USB接口(其它常用接口）(自学)第一章微机系统与接口技术概述1.1微型计算机的发展和特点1.2微型计算机的指标和分类1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统的基本组成1.4计算机中数的表示和编码1.5微机系统中的接口问题1.1微型计算机的发展和特点一、计算机的发展简史

1946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30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，用了18800多个电子管，每秒钟仅能做5000次加法.

这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、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。计算机发展经历五代第一代计算机：电子管计算机1946年以电子管为逻辑元件第二代计算机：晶体管计算机1954年以晶体管为逻辑元件第三代计算机：集成电路计算机1964年以中、小规模集成电路为逻辑元件第四代计算机：大规模集成电路计算机1970年以超大规模集成电路为逻辑元件第五代计算机：智能计算机（非冯.罗依曼机）在50多年的发展历程中，计算机技术突飞猛进，特别是进入20世纪70年代以后，微型计算机的出现为计算机的广泛应用开拓了更加广阔的前景。

20世纪70年代初在美国硅谷诞生了第一片微处理器。这种将计算机的运算器和控制器等部件集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机就是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路等芯片构成的。二、微处理器及微型计算机的发展概况第一代微处理器是以Intel公司1971年推出的4004，4040为代表的四位微处理机。第二代微处理机（1973年~1977年），典型代表有：Intel公司的8080、8085；Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80。第三代微处理机第三代微机是以16位机为代表，基本上是在第二代微机的基础上发展起来的。其中Intel公司的8088。8086是在8085的基础发展起来的；M68000是Motorola公司在M6800的基础发展起来的；第四代微处理机以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU为代表，

第五代微处理机的发展更加迅猛，1993年3月被命名为PENTIUM的微处理机面世，98年PENTIUM2又被推向市场。二、微处理器及微型计算机的发展概况按照微型计算机的CPU字长和功能划分，它经历了5代的演变:三、微型计算机的特点1、体积小、重量轻、功耗低2、价格便宜3、可靠性高4、功能强、使用方便5、维护方便1.2微型计算机的指标和分类1.2.1微型计算机的主要性能指标(1)运算速度(2)字长⑶存储容量⑷存取速度⑸系统总线⑹外部设备配置⑺可靠性、可用性、兼容性和可维护性⑻输入输出数据传输速率⑼系统软件配置1.2.2微型计算机的分类⑴按微机的结构形式分类(台、便)⑵按微处理器的位数分类⑶按应用对象分类(单片、单板、个人)⑷微型机按其应用领域分类(民、工、军)⑸按微型计算机的档次分类(低、中、高)⑹按使用形式分为独立使用式和嵌入式1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统的组成运算器

控制器寄存器组

内存储器总线输入输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统一.微处理器(Microprocessor)

只是一个中央处理器(CPU)，由以下几部分组成：运算器，寄存器，控制器，内部总线。运算器：即算术逻辑部件(ALU)。寄存器组：用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。控制器：控制逻辑部件。负责对整机的控制，使CPU内部、外部协调工作。内部总线：总线用来传送CPU内部的数据及控制信号。1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统的组成二、微型计算机存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus1、总线概念、分类、系统总线总线是指传递信息的一组公用导线，或者说是传送信息的公共通道。总线标准的特性(位宽、工作频率，二者决定系统吞吐量)物理特性：物理连接方式；功能特性：每根线都具有一定的功能；电器特性：每根线的信号传递方向、有效电平范围；时间特性：每根线上的信号在什么时间有效总线分类内部总线(片内总线)：微处理器内各个部件的连接；系统总线（板级总线）：连接微机系统的各模块、板之间的总线；外部总线：微机系统与系统之间，系统与外设之间。总线信号按性质可分成三组地址总线AB：传送地址信息（单向，20根,反过来，16M内存空间需要多少地址线？）数据总线DB

：传送数据信息（双向，常与字长一样）控制总线CB

：传送控制信息（双向，控制与请求等）2、存储器（内存与外存）内存(主存储器)是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。按其功能和性能，可以分为：随机存储器RAM（RandomAccessMemory）只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）

外部存储器IDE(IntegratedDriveElectronics)接口普通计算机:IDE存储设备SCSI(SmallComputerSystemInterface)标准接口高档计算机、工作站、服务器：SCSI存储设备光驱、扫描仪、打印机、刻录机软盘硬盘光盘（CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD）存储器性能指标存储容量(位（Bit）、字节（Byte）、字（Word）常用单位：KB、MB、GB、TB1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB

存取速度：读取时间、写入时间3．输入输出接口电路

输入/输出接口电路也称为I/O（Input/Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。三、微型计算机系统1.4计算机中数的表示和编码1.4.1进位计数制

进位计数制基数位权如：10011101B1234/1234D572Q2F0AH123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-21.4.2二进制计算机内部,采用二进制,因为:.容易实现

.算术四则运算规则简单

.可进行二值逻辑运算为了区分各种计数制的数据，经常采用以下两种方法进行书写表达。(1)在数字后面加写相应的英文字母作为标识。如：

B（Binary）表示二进制数；

O（Octal）或Q表示八进制数；

D（Decimal）表示十进制数，通常其后缀可以省略；

H（Hexadecimal）表示十六进制数。（2）在括号外面加数字下标，此种方法比较直观。如：二进制的11010011可以写成（11010011）2

下表给出了计算机中不同计数制的基数、数码、进位关系和表示方法。计数制基数数码进位关系表示方法二进制20、1逢二进一1010B或（1010）2八进制80、1、2、3、4、5、6、7逢八进一247Q或（247）8十进制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十进一598D或（598）10十六进制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F逢十六进一7C2FH或（7C2F）161.4.3各进制之间的转换举例1、任意进制数→十进制数例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-22、十进制数→任意进制数例：将十进制数25.625转换为二进制数。

225余数整数

212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=01.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625对应的二进制数为11001.101B3、二进制、八进制、十六进制之间的转换例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B1.4.4计算机中带符号数的表示方法几个概念:

无符号数带符号数机器数真值机器数的三种表示方法:

原码表示法

反码表示法

补码表示法一、原码表示法

数的最高位表示数的符号，数值部分是数的绝对值，也称真值，这种表示法称为原码表示法。

1．对于正数：符号位用0表示，数字位同真值。

2．对于负数：符号位用1表示，数字位同真值。

例x＝+91＝+10l1011B

[x]原=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]原=11011011B

“0”的表示：[+0]原=00000000B[-0]原=10000000B

对于8位机，原码可表示的数的范围：-127～+127二、反码表示法

数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法就叫反码表示法。

1．对于正数：符号位用0表示，数字位同真值。

2．对于负数：符号位用1表示，数字位为真值按位取反。例x＝+91＝+10l1011B

[x]反=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]反=10100100B

“0”的表示：[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B

对于8位机，反码可表示的数的范围：-127～+127三、补码表示法

1．对于正数：符号位用0表示，数字位同真值。

2．对于负数：符号位用1表示，数字位为它的反码末位加1。例x＝+91＝+10l1011B

[x]补=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]补=10100100B+1=10100101B

例x＝+8＝+0001000B

[x]补=00001000B

例y＝-8＝-0001000B

[y]补=11110111B+1=11111000B

从这两个例子中得到如下规律：对一个数的补码连同符号位在内求反加1，即为其相反数的补码。例已知[+X]补=01000110B，则[-X]补=?

[-X]补=10111010B

“0”的表示：[+0]补=00000000B[-0]补=00000000B

对于8位机，补码可表示的数的范围：-128～+127使用机器数要注意:

机器数是二进制数，由于符号位占据一位，因此有符号的数的形式值不等于真正的数值。特别对于负数的表示形式，原码形式最高位的1表示负号，不是数，数值部分是数的真正值；而反码和补码就连数值部分也不是数本身了。所以，若要计算一个负数的机器数为十进制的多少时，只有负数的原码的数值部分才可展开按权相加。

四、计算机引入补码的好处

引入补码,可以使减法运算转化为加法运算，简化了运算器的线路设计。在计算机中，减法可以通过加补码来实现；乘法可以通过一系列移位相加来实现；除法则可以通过一系列移位加补码来实现。

因此，计算机中只需要一个加法器就可完成运算。五、补码运算

补码加法规则：[X+Y]补=[X]补+[Y]补

补码减法规则：[X-Y]补=[X]补+[-Y]补例：已知[X]补=11101011B，[Y]补=11001010B，求[X+Y]补和

[X-Y]补真值←→补码解：[-Y]补=00110110B

[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11101011B+11001010B=10110101B

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补=11101011B+00110110B=00100001B

[X+Y]补和[X-Y]补均无溢出.

判断是否溢出的方法:正负判断法与双高法1.4.5计算机中数的小数点表示方法(定点数、浮点数)1.4.6常用的二进制编码一、BCD码（二进制编码的十进制数）0000~1001（0~9）

每一位十进制数用4位二进制编码来表示。如：(12)BCD=00010010B压缩BCD码、非压缩BCD码*BCD码不是二进制数，比如

12=00001100B12对应的二进制数二、ASCII码（二进制编码的符号）

采用7位二进制码对一个字符进行编码，可表示128个字符，每个ASCII码在机器中占1个字节，最高位常为0。当作符号的数字0～9的ASCII码：30H～39H

字母A～Z的ASCII码：41H～5AH

字母a～z的ASCII码：61H～7AH

三、国标码（二进制编码的汉字）1.4.7基本逻辑电路逻辑函数：Y=F（A，B）（一）基本逻辑门电路（高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”）

（二）多位逻辑运算例：与或异或

1101011010

11010∧10110∨10110∨10110100101111001100*按位进行逻辑运算，不存在进位或借位问题。

1.5微机系统中的接口问题1、I/O接口的概念：负责将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之间的信息交换。

信号不兼容（功能定义、逻辑定义、时序关系）速度不兼容为了提高CPU的效率为了利于外设自身的发展2、为什么要在CPU与外设之间设置接口3、接口的功能1）执行CPU命令的功能

CPU对外设的控制通过接口电路完成——命令口2）返回外设状态的功能 正常工作状态、故障状态——状态口3）数据缓冲功能 输入/输出缓冲；三态特性——数据口4）设备选择功能

地址代码 I/O设备选择信