第一章基础知识

微机原理与接口技术成都电子机械高等专科学校2005.91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2教学大纲一基础知识二微型计算机基础三8086/8088

CPU的指令系统四汇编语言程序设计五存储器系统六I/O接口与中断、计数器七A/D及D/A转换器八常用数字接口3第1章基础知识主要内容：计算机的发展各种常用记数制和编码4§1.1概述世界上第一台计算机是1943-1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”占地上百平方米重量几千吨功耗几十千瓦

5000次加法/秒5(1)存储容量太小,只能存20个字长为10位的十进制数

(2)采用线路连接的方法来编排程序,每次解题都要靠人工改接连线,准备时间大大超过实际运算时间6冯•诺伊曼计算机基本结构(冯氏结构)1.“存储程序”概念的产生及其重要意义。ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具备“存储程序”的功能EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）——采用“存储程序”的概念，并付诸实现，“开创了整个程序设计时代的到来”2.冯氏计算机5个基本部件：输入器,输出器,运算器,存储器和控制器数据和程序存放在存储器中,采用了二进制7计算机的发展及分类电子计算机的发展：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（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）8微处理器的发展历程第一代:4位及低档8位微处理器(1971-1973)第二代:中、低档8位微处理器(1974-1978)

第三代:高、中档8位微处理器(1978-1981)第四代:16及低档32位微处理器(1981-1992)第五代:高档32位微处理器(1992年以后)9代发表年份字长(bits)微处理器型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP40.60.60.35.25-.13.18-.135504507508501000133-200166-233233-450450-12001300-2400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20条指令/时钟周期)>300010微型计算机的发展动向低档微型计算机的发展

应用在家用电器,仪器仪表和过程控制等领域功能强,价格低,精巧灵活32位和64位微型计算机的发展做成微型计算机系统运算速度快,主存容量大和有丰富的软件多微处理器系统的发展

11计算机的特征运算速度快计算精度高超强的记忆能力具有逻辑判断功能实现自动控制12计算机的分类巨型计算机（MainframeComputer）大、中型计算机小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）工作站13§1.2.微处理器、微型计算机和微型计算机系统

（Microprocessor,Microcomputer,MicrocomputerSystem）1.微处理器:集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能的中央处理器2.微型计算机：由CPU，半导体存储器，I/O接口和中断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成的计算机。单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）单板微型计算机（SingleBoardMicrocomputer）多板微型计算机（Multi-BoardMicrocomputer）3.微型计算机系统:在多板机基础上发展起来的,是高层次的微型计算机,有齐全的硬件和丰富的软件14微型计算机系统的组成1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(主机)外设ALU寄存器控制器键盘、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15核心级——微处理器微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：

运算器ALU

控制器CU寄存器组Registers实现运算功能和控制功能16硬件系统级——微型计算机以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。将CPU、存储器、I/O接口、总线等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。17系统级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。18系统软件:为使用和管理计算机有机器的设计者提供的软件.(1)各种语言和它们的汇编后解释,编译程序(2)机器的监控管理程序(Montitor),调试程序(Debug),故障检查和诊断程序(3)程序库:为了扩大计算机的功能,机器中设置了各种标准子程序,子程序的总和就形成了程序库.(4)操作系统应用软件:用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件,编制解决用户各种实际问题的程序.19微型计算机(主机)的基本结构“CPU+存储器+I/O接口+系统总线”。微机系统结构存储器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20主机硬件系统——CPU计算机的控制中心，提供运算、判断能力构成：ALU、CU、Registers例：Intel8088、PIII、P4

CPU的位数：4位、8位、16位、32位是指一次能处理的数据的位数21主机硬件系统——存储器存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、。。。）内存：ROM、RAM特点：随机存取，速度快，容量小外存：磁盘、光盘、半导体盘、…特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大22有关内存储器的几个概念内存单元的地址和内容内存容量23

内存单元的地址和内容内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址1011011038F04H内存单元地址内存单元内容......7654321024内存容量和内存空间内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别

内存容量：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，内存容量为256MB

内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关

25主机硬件系统——输入/输出接口简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口外设26微机的总线结构BUS微机的各个部件之间的信息传送和处理器内部信息的传送，通过三组不同的总线进行的。总线：是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。总线包括与数据传输有关的控制逻辑。在计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。27三总线结构

它们是：

数据总线（DataBus--DB）--双向地址总线（AddressBus---AB）--单向控制总线（ControlBus—CB）--双向

总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。28数据总线CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路.是双向,三态的信号线数据总线的位数和处理器的位数相对应.数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。29地址总线用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。CPU的寻址范围=2n，

n-地址线根数是单向的,三态信号线

30控制总线用来传送各种控制信号是双向,三态的信号线,但有的为单向,有的为非三态,取决于具体的信号线.实现CPU对存储器,I/O接口的控制及接收外部传送给CPU的状态信号31微型计算机的主要技术指标(1)字长:参与运算的数的位数.它决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。有4位，8位，16位，32位，64位等。(2)主存容量:主存储器所能存储信息的总量。通常以字节数(Byte)来表示。例：内存128MB。(3)运算速度:有不同的计量方法和测试标准。MIPS(MillionInstructionPerSecond)(4)平均无故障运行时间(可靠性)

MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均无故障间隔时间(5)性能/价格比32微处理器的内部结构与基本功能

包括以下几个重要部分：累加器算术逻辑运算单元(ALU)状态标志寄存器寄存器阵列指令寄存器指令译码器定时及各种控制信号的产生电路。3334习题与思考：1．微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们各自具有什么结构？采用什么样的结构？2．什么是微处理器？什么是微型计算机？什么是微机系统？它们之间的关系如何？3.什么是总线,总线的分类及它们之间的作用和关系?35§1.3常用计数制了解特点；表示方法；相互间的转换。36一、常用计数法

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37进位计数制的一般表示一般地，对任意一个K进制数S都可表示为

Si

--

S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个；K

--

基数；Ki

--K进制数的权381.十进制特点：以十为底，逢十进一；

共有0-9十个数字符号。表示：392.二进制特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。表示：403.十六进制特点：以16为底，逢16进位； 有0--9及A--F共16个数字符号。表示：41二、各进制数间的转换1.非十进制数到十进制数的转换

按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)10422.十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。433.二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

589.C44§1.3二进制数的运算无符号数算术运算

有符号数逻辑运算45一、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461.规则加法：1+1=0（有进位）,…减法：0-1=1（有借位）,…乘法：…,乘以2相当于左移一位；除法：…,除以2则相当于右移1位。

例：00101110×0000010=?

00101110/00000010=?

47[练习]：00001011×0100=?

00001011÷0100=?

即：商=?

余数=?482.无符号数的表示范围一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为

0≤

X≤2n-1若运算结果超出这个范围，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。49[例]：

11111111

+00000001

100000000结果超出８位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出８位二进制数所能表示的范围255）503.逻辑运算与(∧)、或(∨)、非(▔)、异或(⊕)特点：按位运算，无进借位运算规则

…..514.逻辑门掌握：与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；与非门、或非门的应用。52与门（ANDGate）Y=A∧BABY000010100111&ABY53或门（ORGate）Y=A∨BABY000011101111YAB≥154非门（NOTGate）1AYY=AAY011055异或门（eXclusiveORGate）Y=A⊕BYAB⊕ABY00001110111056二、有符号数计算机中有符号数的表示把二进制数的最高位定义为符号位符号位为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。57[例]：

+52=+0110100=0

0110100

符号位数值位

-52=-0110100=1

0110100

真值机器数581.符号数的表示对于符号数，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。59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。60原码的例子

=00010010=10010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码[X]原[X]原符号符号位n位原码表示数值的范围是对应的原码是1111～0111。61数0的原码8位数0的原码：+0=00000000-0=10000000即：数0的原码不唯一。62反码[X]反定义

若X>0，则[X]反=[X]原

若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反63[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101164反码的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反码[X]反=00010010[X]反=11101101符号符号位n位反码表示数值的范围是对应的反码是1000～0111。650的反码：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。66补码定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+167[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000～0111。680的补码：[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

对8位字长，进位被舍掉∴[+0]补=[-0]补=0000000069特殊数10000000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数：(10000000)２=128708位有符号数的表示范围：对8位二进制数：原码：-127~+127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？712.有符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数：

1）求出真值2）进行转换72[例]：将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。

1)

[X]补=00101110B真值为：+0101110B

正数

所以：X=+462)[X]补=11010010B

负数

X=[[X]补]补=[11010010]补=-

0101110B所以：X=

-

46733.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。74[例]：X=-0110100，Y=+1110100，求[X+Y]补[X]原=10110100[X]补=[X]反+1=11001100[Y]补=[Y]原=01110100所以：[X+Y]补=[X]补+[Y]补=11001100+01110100=01000000754.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。76溢出的判断方法方法１：同号相减或异号相加——不会溢出。同号相加或异号相减——可能溢出：两种情况： 同号相加时，结果符号与加数符号相反——溢出；异号相减时，结果符号与减数符号相同——溢出。77溢出的判断方法方法２：两个带符号二进制数相加或相减时，若

C7C6＝1，则结果产生溢出。C7为最高位的进(借)位；C６为次高位的进(借)位。78不带符号数的运算加法：和的绝对值不超过整个字长，不溢出。减法：减数变补，再与被减数相加来求得。两个不带符号数进行加法运算，最高位有进位C,则有溢出，但并不表示错，只是表明给定字长无法表示，向更高位有进位而已。