微机原理第1章微型计算机概述

微机原理与接口技术余华芳主讲

授课学时：45+18学时医药信息工程学院我的联系方式姓名：余华芳单位：医药信息工程学院办公室：C245大学城短号及长号：666555Q:460395918个人博客:/yhf100参考资源/wlzy_1.aspx?id=149&bh=030&display=block实验课程安排1#机房熟练使用Proteus软件和Emul8086这两个软件不用手写实验报告，但要求现场检查实验。期末最终交电子版实验报告。成绩考核平时(10%)和实验(30%),占很大比例.理论考试占60%。课程目标

建立微型计算机系统的整体概念，培养微机应用系统软硬件开发的综合能力。微型计算机的基本结构与工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术参考书戴梅萼，史嘉权，微型计算机技术及应用（第4版）清华大学出版社BarryB.Brey（美），金惠华等译，Intel微处理器（原书第7版），机械工业出版社李继灿，微型计算机技术及应用，清华大学出版社教学内容及时间安排第1章微型计算机概述(第1周)第2章16位和32位微处理器(第2-3周)第3章Pentium的指令系统（复习和自学）

(第4-9周)第4章微型计算机存储器系统(第10-11周)第5章微机与外设的数据传输(第12周)第6章串并行通信和接口技术(第13-14周)第7章中断及中断控制器(第15周)第8章计数器/定时器(第16-17周)第9章微机中的常用总线及复习(第18周)第1章微型计算机概述及预备知识1.1微型计算机的特点和发展1.2微型计算机的分类1.3微型计算机系统的三个层次1.4微型计算机的应用1.1微型计算机的特点和发展1.1.1微型计算机的特点体积小、重量轻价格低廉可靠性高、结构灵活应用面广1.1.2微型计算机的发展1.微处理器的发展（1）INTEL微处理器的发展（见表）Pentium4的主要技术特性于2000年6月面世，第一代主频为1.4GHz~2GHz,第二代主频为1.6GHz~3.06GHz,目前超过3GHz采用超线程技术3条超标量流水线，20级流水线深度高效的乱序执行功能新型片上跟踪缓存，能存储x86指令解码后的微操作指令采用64位4倍数据速率（QDR）前端总线FSB，外频X4倍频方式实现CPU和内存的配合。SSE2指令扩展，处理128位SIMD的整数和双精度浮点Intel台式机微处理器的发展年表代发表年份字长(bits)型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一19711972484004/40408008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200032P/ProP/MMXPIIPIIIP40.60.60.35.25-.13.18-.135504507508504200133-200166-233233-450450-12001300-3400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20条指令/时钟周期)>3000（2）从单处理器向多处理器发展PentiumII片内内集成了二级Cache。英特尔®酷睿™2双核处理器包含2.91亿个晶体管。（3）指令系统由复杂指令系统向精简指令系统发展复杂指令系统（CISC）精简指令系统（RISC）MIPSR2000/R3000Motorola88000INTEL80860Intel486以上计算机支持精简指令（4）嵌入式处理器（单片机）应用前景广阔主要应用在工业系统或家用电器等专用场合。INTELMSC-48,51,96单片机Rabbit2000ARM嵌入式处理器DSP数字信号处理器2.微型计算机系统的发展台式机（1）多种形式工作站笔记本台式机平板电脑

掌上电脑掌上电脑笔记本工作站平板电脑（2）开放的硬件结构ISA，VESA，PCI，AGP，USB等总线连接DIY装机：主板，CPU，芯片组，内存，硬盘，光驱，显示卡，显示器，机箱，键盘，鼠标，声卡，音箱等。（3）丰富的软件支持操作系统：Windows9x/2000/XP，OS/2，Unix，Linux开发语言：ASM，C，C++，VB，VC++，Delphi，JAVA应用软件：Office，金山词霸，财务软件，CAD/CAM计算机网络：广域网，局域网(LAN)，无线局域网(WLAN)，蓝牙(Bluetooth)，Internet多媒体技术：媒体播放器，Realone1.3微型计算机系统的三个层次微处理器Microprocessor微型计算机Microcomputer微型计算机系统MicrocomputerSystem微型计算机系统外围设备系统软件微型计算机系统总线输入/输出接口存储器（ROM、RAM）微处理器算术逻辑部件累加器、寄存器控制部件内部总线微型计算机系统的层次结构微处理器存储器I/O接口总线

硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机外设运算器控制器寄存器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件1.3.1微处理器1.CPU（CentralProcessingUnit）主要由控制器和运算器组成，是计算机的核心。微处理器（Microprocessor），即微型计算机中的CPU，将运算器和控制器等部件集成在一个芯片上，是微型计算机的核心。微处理器主要包括：运算器、控制器和寄存器。实现运算功能和控制功能2.CPU一般应具备的功能可以进行算术运算和逻辑运算；可以保存少量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器、外设交换数据；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其他部件发来的中断和DMA请求。3.CPU的组成算术逻辑部件（ALU）累加器和通用寄存器程序计数器（指令指针）指令寄存器和译码器时序和控制部件移位寄存器标志寄存器等2.微机系统典型硬件结构

ROMRAMI/O接口外设控制总线CB地址总线AB数据总线DBCPU总线控制逻辑CPU部分3.IBM-PC硬件结构框图（系统板部件框图）总线控制逻辑8237DMA控制器RAMROM8087协处理器8284A时钟发生器8088微处理器8259A中断控制器8253/4计数器/定时器8255A并行接口系统配置开关扬声器接口键盘接口62芯总线键盘8288总线控制器地址锁存器数据收发器1.4微型计算机的应用科学计算信息处理和事务管理过程控制仪器、仪表控制家用电器和民用产品作业查资料，写一篇关于“计算机发展简史”或“电子产品发展简史”的论文，要求图文并茂，文字不需太多，但是图片却需要恰当，要能反映最新产品或未来产品。预备知识（必须掌握）字节、字二进制数的运算微型机中常用的编码1.1数的表示方法及数制间的转换1.1.1微型计算机中的常用数制

微型计算机中常用的数制有三种，即十进制数、二进制数和十六进制数。

1．十进制数

十进制数是我们最熟悉的一种进位计数制，其主要特点是：

(1)

它由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的基本数码符号构成，基数为10。

(2)

进位规则是“逢十进一”，一般在数的后面加符号D表示十进制数。所谓基数，在数学中指计数制中所用到的数码的个数。

2．二进制数

二进制数是计算机内的基本数制，其主要特点是：

(1)任何二进制数都只由0和1两个数码组成，其基数是2。

(2)

进借位规则是“逢二进一,借一当二”.

一般在数的后面用符号B表示这个数是二进制数.二进制数同样可以用幂级数形式展开。

(3)字节：8位二进制数约定为1字节MSBLSBD7D6D5D4D3D2D1D0位号：字节：

一个字节可表示28个值（0～255）

LSB：最低有效位，D0位

MSB：最高有效位，D7位

图1.6字节的定义

(4)字：2字节，16位二进制数

LSB：最低有效位，D0位MSB：最高有效位，D15位一个字有216个值（0~65535）

在微机软件编程时，十六进制数常用于代码和数据的缩写，其主要特点是：

(1)十六进制数由16个数符构成：0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制数的10、11、12、13、14、15，其基数是16。

(2)进借位规则是“逢十六进一，借一当十六”。一般在数的后面加一个字母H表示是十六进制数。3．十六进制数表1.1各种进位制的对应关系十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000910019111101010A2102111011B3113121100C41004131101D51015141110E61106151111F71117161000010810008须记住

1．二进制数与十六进制数的转换

（1）二进制数转化成十六进制数采用四位二进制数合成一位十六进制数的方法，以小数点开始分成左侧整数部分和右侧小数部分。例1.1把10111110100.0011101B转换成十六进制数。解：10111110100.00111010B=5F4.3AH1.1.2数制间的转换（2）十六进制数转换成二进制数

将十六进制数的每位分别用四位二进制数码表示，然后把它们连在一起即为对应的二进制数。

例1.2把13CA.58H转换成二进制数。解：

∴13CA.58H=1001111001010.01011B

2.二进制数与十进制数间的转换

（1）二进制数转换成十进制数

将二进制数按权展开后相加即得到对应的十进制数。例1.3将1001B转换成十进制数。解：按权相加得：

1001B=1×23+1×20=8+1=9D=9

其中，十进制数的后缀“D”可省略。

（2）十进制数转化成二进制数

十进制数的整数部分和小数部分转化成二进制数的方法不同，要将它们分别转换，然后将结果合并到一起即得到对应的二进制数。

①十进制整数转成二进制整数的常用方法是“除2取余法”，即用2连续去除要转换的十进制数和所得的商，直到商小于2为止，依次记下各个余数，然后按最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位依次排列，就得到转换后的二进制整数。

②十进制小数转换成二进制小数的常用方法是“乘2取整法”，即用2连续去乘要转换的十进制小数部分和前次乘积后的小数部分，依次记下每次乘积的整数部分，直到小数部分为0或满足所需要的精度为止，然后按最先得到的整数为二进制小数的最高位，最后得到的为最低位依次排列，就得到转换后的二进制小数。例1.4将45.6789转换为二进制数，其中二进制小数保留4位。

解：

∴45.6789=101101.1011B

3．十六进制数和十进制数间的转换

（1）十六进制数转换成十进制数

将十六进制数按权展开后相加即得到对应的十进制数。例1.5将十六进制数3FEA换成十进制数。解：3FEAH=3×163+15×162+14×161+10×160

=16362D=16362(2)十进制数转换成十六进制数

与十进制数转换成二进制数类似，十进制整数部分采用“除16取余逆排法”，十进制小数部分采用“乘16取整顺排法”。例1.6将3901.76171875转换成十六进制数。∴3901.76171875=F3D.C3H1.2二进制数的运算1.2.1算术运算

1.加法运算运算规则为：0+0=0、1+0=0+1=1、

1+1=10(向高位有进位)。

2.减法运算运算规则为：0-0=0、1-0=1、1-1=0、

0-1=1(向高位借1当作2)。

3.乘法运算

运算规则为：0×0=0、0×1=1×0=0、

1×1=1。

4.除法运算

除法运算是乘法运算的逆运算。与十进制类似，从被除数最高位开始取出与除数相同的位数，减去除数。1.2.2逻辑运算

微机内二进制信息的逻辑运算由专门的逻辑电路完成。

1.逻辑与运算(ANDAL,0FH)

逻辑与常用符号“∧”表示，运算规则为：0∧0=0，1∧0=0，0∧1=0，1∧1=1。两个位数相同的二进制数进行逻辑与时，只是对应位进行与运算。

2.逻辑或运算(ORAL,0FH)

逻辑或又称为逻辑加，常用符号“∨”表示，其运算规则为：0∨0=0，1∨0=1，0∨1=1，1∨1=1。

3.逻辑非运算(NOTAL)

逻辑非运算又称逻辑取反，常用运算符号“-”表示，运算规则为：=1，=0。

4.逻辑异或运算(XORAL,0FH)

逻辑异或又称半加，是不考虑进位的加法，常用运算符号表示。

例1.772H⊕ABH=？

解：

01110010B⊕10101011B

11011001B∴72H⊕ABH=11011001B=D9H⊕1.3

微机的码制和编码

数在计算机内的表示形式称为机器数这个数本身称为真值。例1.8正数

+1000101B（+45H）

1000101B0

（45H）机器数真值例1.9负数

-1010101B（-55H）

1010101B1

（D5H）机器数真值1.3.1机器数及其真值1.3.2原码、反码和补码在8位微型计算机中约定，最高位D7用来表示符号，而其他7位用于表示数值。如图1.7所示，D7=0表示正数，D7=1表示负数。

图1.78位机器数结构最高位1.原码

最高位为符号位，数值为绝对值2.反码

正数的反码与其原码相同。

负数的反码符号位为1，数值位为其原码数值位逐位取反。

采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一道参加运算。

3.补码

正数的补码与其原码相同；

负数的补码为其反码末位加1。

计算机中，带符号数的运算均采用补码。例1.11正数

+1000101B（+45H）

1000101B0

反码

1000101B0

补码例1.10负数

-1010101B（-55H）

0101010B1

反码（AAH）

0101011B1

补码（ABH）由补码求其真值的方法

求补得到原码（符号位+数值位），依原码求真值。如：补码为：10101011B求补得：11010101B真值为：-55H。

1．BCD码

BCD码是将每一位十进制数用二进制数编码，它保留了十进制的权，数字则用二进制数表示，因而也称为二-十进制数。一般用标识符[…]BCD表示。BCD码种类较多，如8421码、2421码、格雷码等，其中最常用的编码为8421码。1.3.2微型机中常用的编码

补码的优点：将减法运算转换为加法，且数值连同符号位可一起参加运算例1.1245H-55H=-10H

[45H]补：01000101+[-55H]补：10101011

[-10H]补：11110000

求补得原码：

1001

0000真值：

-0010000

（－10H）

(1) 8421码编码方法

8421码编码原则是每位十进制数用4位二进制数来表示，8、4、2、1代表4位二进制数每一位的权。8421码名称也由此而得。十进制数共有0～9十个数字，而4位二进制数共有16种组合。8421码用其中0000B～1001B组合表示0～9十个十进制数。而1010B～1111B六个编码舍去不用。它们之间的对应关系如表1.2所示。表1.28421码与十进制数的对应关系十进制数BCD码十进制数BCD码00000B81000B10001B91001B20010B1000010000B30011B1100010001B40100B1200010010B50101B1300010011B60110B1400010100B70111B1500010101B

(2) BCD码的运算

BCD码用4位二进制数表示0～9十个十进制数，但4位二进制数可表示16种状态。因而有六种状态在BCD编码中为非法码。这样在BCD码的运算中必须进行修正才能得到正确的结果。

①BCD码加法运算：

两个BCD码相加的原则是“逢十进位”，其和也是一个BCD数。

②

BCD码减法运算：

BCD码作减法运算时也需要修正。修正的原则是：低4位出现非法码(大于9)或低4位向高4位有借位，则低4位减6修正；高4位出现非法码(大于9)或高4位最高位有借位，则高4位减6修正。(3)非压缩BCD码：8位码表示1位十进制数（高4位填0）的编码。

采用压缩BCD码比采用非压缩BCD码节省存储空间。(4)非法码：

4位代码在1010B～1111B范围时，称之为BCD码的非法码。2.ASCII码

ASCII码（AmericanStandardCodedforInformationInterchange）是“美国信息交换标准码”的简称，后来由国际标准组织（ISO）确定为国际标准字符编码。它是微机中最常使用的字符编码。

ASCII码由7位二进制码构成，可表示128（27=128）个字符，ASCII码表见表1-3。表1.3ASCII码表本章小结

1.将算术逻辑部件ALU、控制部件CU、寄存器组以及片内总线等集成在同一块芯片上的，具有运算和控制功能的中央处理单元，称为微处理器，简称为CPU或MPU。微型计算机是以CPU为核心，再配上存储器、I/O接口电路及相应的外部设备。微机的组成结构决定了它具有体积小、重量轻、功耗低、结构灵活、价格低廉和应用广泛等特点。

2.按一定的进位原则进行计数的科学方法称为数制。二进制、十进制和十六进制是微机中的常用进制。它们都有各自的特点和运算