第一章微机原理概述及文化基础

主讲教师：杨淑燕微机原理及应用课程说明★课程性质★

课程的目的与任务★

教材★

考核★

答疑与反馈意见课程

说明课程性质

该课程为机械设计及其自动化和测控技术及应用两个专业的专业基础课，为专业必修课。课程总学分为3分，总学时：48学时，其中：理论课学时：42学时；实验学时：6学时。课程

介绍课程的目的与任务本课程以Intel8086CPU为核心，介绍16位微型计算机的系统组成、工作原理，汇编语言程序设计、常用I/O接口芯片的结构、编程及应用举例，使学生在建立微型计算机工作的整体概念基础上，掌握基本的微机接口技术、汇编语言程序设计方法，在此基础上提高其软硬件开发能力。教材

该课程教材为中国科学技术大学出版社出版的《微型计算机原理与接口技术》，由周荷琴吴秀清主编。

考核

作业及平时出勤占总成绩的10％实验占总成绩的20％考试成绩占总成绩的70％答疑与反馈意见

答疑时间为每周三下午，地点为老图书馆楼机械电子与测控教研室；同学若有什么意见或建议请及时反馈，联系方式为：Email：whfysy@163.com。主要内容

★第一章微型计算机概述★第二章16位微处理器8086cpu★

第三章存储器及其扩展★

第四章8086汇编语言程序设计基础★

第五章可编程I/O接口芯片8255A和8253★第六章中断及其中断控制器8259A第一章微型计算机概述1.1计算机的发展概述1.2微型计算机的特点和应用1.3微型计算机系统1.4计算机基础知识

第一节计算机的发展概述1.1.1微电子器件的发展史1.1.2计算机的发展史1.1.3计算机编程语言的发展1.1微电子器件的发展史电子管特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、可靠性差。半导体晶体管特点：体积小、功耗低、可靠性高。包括双极型晶体管和场效应晶体管。集成电路芯片(IC:IntegratedCircuits)特点：速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。IC集成度的分类SSI（小规模集成电路） 晶体管数100个以下MSI（中规模集成电路） 晶体管数100～3000个LSI（大规模集成电路） 晶体管数3000～105个VLSI（超大规模集成电路） 晶体管数105～108个ULSI（甚大规模集成电路） 晶体管数108个以上 目前的P4集成度超过1081.2计算机的发展史电子管计算机（1946年到50年代后期）存储器：延迟线、磁芯无高级语言，甚至没有汇编器科学计算、为军事与国防尖端科技服务没有商业化晶体管计算机（50年代中期到60年代后期）磁芯存储器，存储量从几千提高到10万单元以上运算速度从每秒几千次提高到几十万次军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域中、小规模集成电路集成电路计算机（从60年代中期到70年代前期）功耗、体积、价格等进一步下降。速度及可靠性相应的提高范围进一步扩大大、超大规模集成电路计算机（70年代初至今）20世纪60年代后，半导体存储器取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高集成度、高速度发展。70年代初，出现微型计算机（PC）——以微处理器（MPU，单片IC的CPU）为核心的电子计算机。计算机进入了几乎所有的行业。计算机发展过程中的重要里程碑1.第一台电子数字计算机

1946年，ENIAC，美国宾夕法尼亚大学18800个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米。耗电150千瓦。运算速度为每秒5000次十进制加法运算或者400次乘法运算至多只能存20个10位的十进制数，无程序存储器。ENIACENIACENIAC2.存储程序概念的提出

以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组与参与研制ENIAC主要人员联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，提出了“存储程序控制”的计算机结构(即冯·诺依曼机），奠定了现代计算机的体系结构。冯·诺依曼体系结构能把需要的程序和数据送至计算机中。（输入）必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运

算结果的能力。（存储）能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加

工处理的能力。（运算）能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机

器的各部件协调操作。（控制）能够按照要求将处理结果输出给用户。（输出）

简单讲，微型计算机系统的工作过程是取指令(代码)→分析指令(译码)→执行指令的不断循环的过程。冯·诺依曼体系结构组成3.第一台存储程序计算机

1949年在英国剑桥大学问世的EDSAC，由3000只电子管为主要元件的存储结构的计算机。

1951年冯·诺依曼的EDVAC问世，总共只采用了2300个电子管，但运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC提高了10倍。4.晶体管计算机的诞生1954年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机（TRADIC），装有800个晶体管。1958年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090。5.第三代计算机的的著名代表

1964年，第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功，该系列有大、中、小型，共6个型号。

在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。美国的ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机。6.使用超大规模集成电路的第四代计算机Intel系列CPU的发展，特别是1978年推出的808616位CPU，为微机的出现奠定了硬件基础。1980年，IBM实行“开放”政策；采用Intel8088MPU、委托独立软件公司为它配置各种软件。1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBMPC个人电脑出世。7.微型计算机的出现计算机的发展方向计算机发展的四个方向：巨、微、网、智微型计算机的发展摩尔定律微处理器的发展摩尔定律

歌登·摩尔（GordonMoore）是Intel公司奠基者之一，他在1964年提出一个摩尔定率，摩尔定律说每18个月半导体集成电路里面晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18个月其性能会提升一倍。这个非常著名的摩尔定率，从1964年提出以来（尽管当时计算机集成电路芯片还没有出现），到1971年Intel公司首次做出第一块CPU4004芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，CPU一直是遵循摩尔定理在发展的，后来到1995年歌登·摩尔对摩尔定理稍微修改了一下，原来是每一年半（18个月）后来改成两年，也就是说每两年芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。

对Intel而言，IA-64是其下一个10~15年的架构。新的IA-64将使Intel摆脱x86架构的限制，从而设计出超越所有现有RISCCPU和x86CPU的新型处理器。IA-64处理器，具有64位寻址能力和64位宽的寄存器，所以被称为64位CPU。芯片的容量每18-24个月增加一倍YearofIntroductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,000Intel386™processor1985275,000Intel486™processor19891,180,000Intel®Pentium®processor19933,100,000Intel®Pentium®IIprocessor19977,500,000Intel®Pentium®IIIprocessor199924,000,000Intel®Pentium®4processor200042,000,000Intel®Itanium®processor2002220,000,000Intel®Itanium®2processor2003410,000,000微处理器的发展4004(0.23万个晶体管/50μ)/80088080(0.8万/2μ)/80858086(2.9万/1.5μ)/808880286/80386/80486(120万/1μ)Pentium/PentiumPro/PentiumⅡPentiumⅢ/PentiumⅣ(4200万/0.13μm)集成电路技术的发展是基础高性能、低能耗、高速度、低成本Intel4004Intel8088IntelPentiumIntelPentiumⅡIntel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentiumIIIntelPentiumIIIIntelPentiumIV1.机器语言；2.编译语言；3.高级语言；4.面向对象语言；5.基于规则的智能化语言。1.3计算机编程语言的发展微型计算机的特点和应用微型计算机的特点微型计算机的应用微型计算机的特点体积小、功耗低可靠性高、使用环境要求低系统外部芯片配套，系统设计灵活性能优良、价格低廉微型计算机的应用无处不在科学计算信息处理计算机控制智能仪器计算机通讯家用电器CAD/CAM/CAI第二节微型计算机系统的三个层次微处理器内存I/O接口系统总线硬件软件微型计算机系统微型计算机外设ALU控制部件寄存器键盘、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微处理器严格讲，微处理器≠CPUCPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成把CPU和一组称为寄存器(Registers)的特殊存储器集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入／输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。软件分为系统软件和应用软件两大类。运算器寄存器组控制器内部总线

内存储器系统总线输入输出接口电路外围设备系统软件应用软件微处理器微型计算机微型计算机系统运算器寄存器组控制器ROMIO端口IO端口系统软件IO设备IO设备RAM系统总线微处理器微型计算机微型计算机系统微型计算机系统基本构成微处理器总线内存储器输入/输出接口输入/输出设备及外存储器8086计算机系统组成8086微处理器8087协处理器8288总线控制器62芯总线8259中断控制器随机存储器RAM只读存储器ROM8253定时控制器8237DMA控制器8255并行接口控制总线数据总线地址总线地址锁存器数据收发器扬声器接口8284时钟发生器键盘接口系统配置开关4.1几种进位计数制4.2各种数制之间的相互转换4.3二进制数及其运算规则4.4计算机中数据的表示方法第四节计算机文化基础

返回本章首页4.1几种进位计数制凡是按进位的方式计数的数制叫做进位计数制。数据无论使用哪种进位制都涉及到基数(Radix)与各数位的“权”(Weight)。例如：543.2＝5×102+4×101+3×100+2×10-1返回本节a：二进制(BinaryNotation)二进制的权为2，有两个记数符号0和1例如：10110.11B＝1×24+0×23+1×22+1×101+0×100+1×10-1+1×10-2＝

22.75Db：八进制(OctalNotation)八进制的权为8，有8个记数符号0到7例如：35.71O＝3×81+5×80+7×8-1+1×8-2＝

Dc：十六进制(HexadecimalNotation)十六进制的权为16，可用数字符为0到9十个数字符，另外从A到F表示10到15这6个数值；例如：4CF1.0DEH＝4×163+12×162+15×161+1×160+0×16-1+13×16-2+15×16-3＝

Dd：二－十进制(Binary-CodedDecimal)这是一种用二进制编码的十进制数，用二进制的记数符号的特殊组合来表示十进制数。例如：一个BCD数为01101001，该数从形式上看与二进制数没有什么区别，如果将BCD数01101001按二进制位权展开为105D，而实际上它表示的是十进制数69。4.2几种进位计数制之间的转换4.2.1十进制整数到任意进制整数的转换4.2.2任意进制整数到十进制整数的转换3.2.3二进制与十六进制之间的转换A：十进制整数转换成二进制整数例如：将113.8125转换成二进制整数

a.整数部分—除2取余逆排法（1110001）

b.小数部分—乘2取整顺排法（1101）4.2.1．十进制数到任意进制数的转换B：十进制整数转换成八进制整数例如：将113.8125转换成八进制整数a.整数部分—除8取余逆排法（161）

b.小数部分—乘8取整顺排法（64）C：十进制整数转换成16进制整数例如：将113.8125转换成16进制整数a.整数部分—除16取余逆排法（71）

b.小数部分—乘16取整顺排法（D）D：十进制整数转换成BCD码例如：将113.8125转换成BCD码依次将各位上的数值转变成BCD码即可，也不必考虑小数点113.8125＝000100010011.1000000100100101BCDa：二进制数转换成十进制数b：八进制数转换成十进制数c：十六进制数转换成十进制数d：BCD数码转换成十进制数4.2.2任意进制数到十进制数的转换

在计算机中，任何信息都必须用0和1的数字组合形式，即计算机存储和处理的仅仅是二进制信息。一个二进制位称为1个位bit；8个二进制位称为1个Byte，也称1个字节（8位）；2个字节称为1个字Word（16位）。3.3二进制的表示与运算规则

算数运算

逻辑运算逻辑非（NOT）逻辑与（AND）逻辑或（OR）逻辑异或（XOR）

加法规则减法规则乘法规则二进制的运算2、二进制数的运算（1）、算术运算 加法规则：“逢2进1” 减法规则：“借1当2” 乘法规则：“逢0出0，全1出1”（2）、逻辑运算 逻辑非（NOT）运算： 0—1，1—0

逻辑与（AND）运算

0AND0=0 0AND1=0 1AND0=0 1AND1=1

逻辑或（OR）运算 0OR0=0 0OR1=1 1OR0=1 1OR1=1

逻辑异或（XOR）运算，又称“模2和”运算 0XOR0=0 0XOR1=1 1XOR0=1 1XOR1=0日常生活中遇到的数除上述的无符号数外，还有带符号数。数的符号在计算机中也用二进制表示，通常用二进制的最高位表示数的符号。把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化，这样的数称为机器数，而机器数所代表的数称为该机器数的真值。返回本节3.4计算机中数据的表示方法例如：N1=+1011011B＝91N2=-1011011B=-91机内表示：

N1=01011011N2=11011011机器数常用的有原码、反码和补码表示法。返回本节3.4计算机中数据的表示方法数据的最高位用来表示符号,称为符号位,符号位为0表示正数,符号位为1表示负数,其余位为数值位,用数据的绝对值表示。举例：(1)X=+85,X原=01010101(2)X=-85,X原=11010101返回本节1.原码D7

D6D5D4D3D2D1D0符号位数的大小0 正数1 负数原码的特点：(1)数值部分即为带符号的二进制数的绝对值(2)“0”有+0

和

0之分(+0)原=00000000B(0)原=10000000B(3)n位二进制原码数表示的范围1111,1111B~01111111B即127~+127－2n－1＋1~+2n－1－1若n=8，即8位二进制原码数表示的范围为[+4]原=[+4]反=00000100B[4]原=10000100B正数的反码与其原码相同。负数的反码：符号位不变，数字位按位取反。[4]反=11111011B[+127]原=[+127]反=01111111B[127]原=11111111B[127]反=10000000B2.反码反码的特点：(1)反码的真值（以八位二进制反码为例）：[X]反=1000,0000BX=

127＝11111111[X]反=0111,1111BX=+127＝01111111例：正数的真值与原码相同。负数的真值：先将反码连同符号位求反，求得 的值前加一负号。D7=0,真值为+(D6D5D4D3D2D1D0)即：D7=1,真值为(D7D6D5D4D3D2D1D0)

(2)“0”有0和0之分[+0]反=00000000B,[0]反=11111111B(3)n位二进制反码数表示的范围10000000B~01111111B即127~+127－(2n－1－1)~+2n－1－1若n=8，即8位二进制反码数表示的范围为3.补码

引入补码的概念是在于将加、减运算简化为单纯的相加运算。正数的补码与其原码相同。负数的补码：符号位不变，数字位取反最低位加1，也即反码+1。[+4]原=[+4]补=00000100B[4]原=10000100B[4]反=11111011B[127]原=11111111B[127]反=10000000B[4]补=11111100B[127]补=10000001B补码的特点：(1)补码的真值（以八位二进制补码为例）：[X]补=10000001BX=-(01111110+1)B=127=11111111B

[X]补=01111111BX=+127＝01111111B例：正数的真值与原码相同。负数的真值：连同符号位求反加1，在求得 的值后，加一负号。(2)对0，补码只有一种表示方法(3)n位二进制补码数表示的范围10000000B~01111111B即128~+127[+0]补=[0]补=00000000B－2n－1~+2n－1－1若n=8，即8位二进制补码数表示的范围为例:计算x=34683468=34+(68)[x]补=[34]补+[68]补0010001010111100+11011110[34]补[68]补[34]补若用原码计算x=3468x=34+(68)0010001011000100+11100110[34]原[68]原[x＝102]原

可以看出，补码运算可以把减法转化为加法，而且符号位与数字位一起参加运算，并能自动获得正确结果。因此，在微机中，带符号数都是用补码表示的，运算结果也用补码表示。错误!!!返回本节3.5计算机中字符的表示方法ASCII码表

所谓ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），即美国标准信息交换码。它将数字0－9，字母A-Z和a-z以及一些运算符号等(共128个，ASCII值从00H到7FH)字符按标准进行二进制编码。返回本节第1章教学要求1.

了解微处理器及微机的发展及应用

；1.

掌握计算机系统的三个层次

；3.掌握计算机中数据的表示方法及数制之间的相互转换。习题1.试用框图解释微型计算机系统的三个层次。2.将下列十进制数分别转换成二进制、八进制、十六进制数和BCD数：113.8125351.518完成下列运算（要求结果用十进制数表示）

101B+1.01B＝？-1011.01101B-1.1001B＝？

11.AH+8D2.8FH=?4C.1DH-E2D.FH=?习题4.按大小排列下面几个数的大小是____________(01A5)H、(110101010)B、(259)D、(3764)O

5.试写出下列十进制数的原码、反码和补码（要求用8位二进制数表示，最高位为符号位）。13、120、-35、-127习题6.

11000110为二进制原码，该数的真值为______A：-70B：+70C：-198D：+1987.

11000110为二进制补码，该数的真值为______A：+198B：-198C：+58D：-58习题8.在机器数的三种表示方法中，哪种方式零的表示形式是唯