微型计算机原理与接口技术第1章

微型计算机原理与接口技术物理与电子科学学院岳伟伟Physics_yue@163.com1教材

微型计算机原理与接口技术周荷琴吴秀清编著中国科技大学出版社2成绩评定期中考试成绩（20%）+平时作业、出勤成绩（20%）+期末考试成绩（60%）第一章绪论

1-1微型计算机的发展概况1-2微型计算机的应用1-3微型计算机系统1-4

计算机中数据的表示和编码1-1微型计算机的发展概况1971年，美国Intel公司研究并制造了4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。第一代4位和低档8位机Intel4004第二代中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800第三代16位机Intel8086、Z8000、MC68010第四代32位机80386、80486第五代64位机IntelPentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1983-1992）（1993后）特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。几个概念：1、晶体管：基于半导体，模电，数电2、微处理器3、时钟频率，指令执行时间4、寻址：8位，32位，64位等5、存储器6、总线：地址总线，数据总线，控制总线微机概念：以大规模、超大规模集成电路构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出的计算机。划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。1-2微型计算机的应用1、科学计算和科学研究计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。2、数据处理（信息处理）主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。3、工业控制

4、计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。

5、人工智能

人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。1-3微型计算机系统一、微型计算机二、微型计算机系统三、I/O设备和I/O接口四、总线五、单片机、单板机、PC机一、微型计算机冯.诺依曼结构一、微型计算机ABDBCBCPU存储器I/O接口外设（微型计算机组成框图）

1、中央处理器的组成中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。功能：（1）对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。 （2）暂时存放参与运算的数据和中间结果。ALU数据寄存器1#数据寄存器2#存储器外设控制器控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。（1）程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。（2）指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。（3）指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。（4）时序信号发生器：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。AHALBHBLCHCLDHDL

SP

BP

DI

SI通用寄存器运算寄存器ALU标志执行部分控制电路123456

CS

DS

SS

ES

IP内部寄存器I/O控制电路地址加法器20位16位8位指令队列缓冲器外总线执行部件总线接口部件8086CPU结构图微处理器2存储器功能：存放程序和数据。存储器内存（主存）外存（辅存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM软盘、硬盘、光盘主存储器和辅助存储器

存储器分为两大类：主存储器（主存、内存）和辅助存储器（辅存、外存）。①、主存

主存储器也称为内存储器（简称内存），它直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，即当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从主存中取出的，处理的结果则存放入主存中。

计算机的主存由半导体器件（超大规模集成电路）构成。整个主存被划分成许多个存储单元（每个单元具有相同的二进制位长度），区分各单元的方式是以一个不同的编号来标识每一个单元，这个编号称为地址。1234……目前主存常用两类存储器器件：RAM和ROM。

RAM（RandomAccessMemory），即随机存取存储器，其内容既允许存入（写）也允许取出（读），使用方便灵活，其缺点是切断机器电源时RAM中的信息会丢失。

ROM（ReadOnlyMemory），即只读存储器，其中存储的内容只能供反复读出，而不能重新写入，因此在ROM中存放的是固定不变的程序与数据，其优点是切断机器供电电源后，ROM中的信息仍然保留，不会改变（称为非易失性存储器）。(例BIOS)②、辅存计算机的辅存（外存）具有相当大的存储容量（几十MB～几十GB）。主要采用磁表面存储器和光盘存储器等设备组成。磁表面存储器还可分为磁盘和磁带两大类（软磁盘、硬盘）。所有外存（辅存）的存储介质（盘片或磁带）都必须通过机电装置才能进行信息的存取操作，这些机电装置称为驱动器，例如软盘驱动器（软盘片插在其中读/写）、硬盘驱动器、磁带驱动器（磁带装在其中读/写）和光盘驱动器（光盘片放在其中工作）等。

③寄存器阵列包括一组通用寄存器组和专用寄存器。

通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。

专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等

存储器的层次结构ALU寄存器Cache寄存器主存储器（DRAM）辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）后援存储器（磁带库、光盘库）

输入/输出设备简称I/O（Input/Output）设备,用于计算机与外界进行通信。

输入设备是指能向计算机系统输入信息的设备。如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备一般是指能从计算机系统中输出人可直接识别的信息的设备。如显示器、绘图仪等。所有输入/输出设备和外存储器的操作，是由程序中的输入/输出指令或输入/输出语句统一控制的。凡是从外部设备读出数据向内存写入的操作均称为输入操作；反之，凡是从内存读出数据送到外部设备的均称为输出操作。3、I/O设备和I/O接口I/O接口的功能及其组成（1）速度的不匹配。（2）信息格式的不匹配。（3)信息类型与信号电平的不匹配。（4）时序的不匹配。微处理机通过接口与外设交换信息（1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。I/O设备输入设备输出设备键盘鼠标扫描仪、数码相机显示器打印机绘图仪显示器（2）、I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入/输出。网卡：完成网络数据的转换。扫描卡：连接扫描仪到计算机。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。USB接口：通用串行接口。PⅢ微型计算机典型系统主板结构图4、总线

总线（BUS）是连接计算机中CPU、内存、辅存、各种输入/输出控制部件的一组物理信号线及其相关的控制电路。它是计算机中用于在各部件间运载信息的公共线路。总线分为内部总线、元件级总线、系统总线和外部总线。内部总线通常是指在CPU内部各组成部分相互之间交换信息用的总线。系统总线则指的是CPU、存储器与各类I/O设备之间相互交换信息的总线。日常所说的总线一般都指系统总线。外部总线：是微机系统相互之间或微机系统与其他电子系统之间实现通讯连接的总线。总线按其传输的信号分为：（元件级总线）1．数据总线DB（DataBus）数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的。

2．地址总线AB（AddressBus）地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号。该总线为单向总线。

16条地址线可访问216=64KB。

20条地址线可访问220=1MB。

1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB

3．控制总线CB（ControlBus）控制总线是连接CPU的控制部件和内存、I/O设备等，用来控制内存和I/O设备的全部工作。控制总线的方向：一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号(DMA)、状态信号。总线的使用特点：1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。3、通过总线插槽与接口板连接。微机系统结构示意图常见微机系统总线主要参数表ISA总线PC机问世以来，最先推出的系统总线是PCXT总线，该总线是早期PCXT机的系统总线，共有62根信号线，其中数据线有8位（简称8位总线），地址线有20位，还有若干控制信号线。80286问世之后，这种总线在内存寻址和数据位宽上不能适应286系统的要求，因此，一种新的16位系统总线PCAT总线（即ISA总线）应运而生，它是一种性能更好些的16位总线，直到现在还在使用。

(工控板）ISA总线的功能数据线16位；地址线24位，支持16MB存储器的寻址能力；硬中断11级（IRQ3～IRQ7，IRQ9，IRQ10～IRQ12，IRQ14～IRQ15），DMA通道扩充到7个（DERQ1～DERQ2，DERQO，DERO5～DERO7）PC/ATISA总线的微机系统结构

PCAT/ISA总线系统结构ISA总线的发展工业标准体系结构（IndustryStandardArchitecture。ISA）总线扩展工业标准体系结构（ExtendedIndustryStandardArchitecture，EISA）总线微通道结构（MicroChannelArchitecture；MCA）总线标准视频电气标准协会（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA）局部总线标准外部设备互连（PeripheralComponentInterconnect，PCI

）局部总线标准局部总线在个人计算机中，局部总线原来是指微处理器周围的接口，它开始于微处理器引脚，并接到微处理器附近的某些专用芯片，从而形成一个局部范围的总线，它是一种与微处理器接口的公用接口线。

PCI总线

PCI是一种性能优异的局部总线，其数据位宽为32位，可以扩展到64位以适配奔腾处理器，当其运行时钟为33MHz时，数据传输速率可达132MB/S，而位宽为64位时，最大数据传输速率可达264MB/S。PCI总线概况

PCI总线是通过PCI桥（PCI控制器）与CPU局部总线相连。

PCI总线位宽为32位或64位，数据传送速率很高，具有PCI总线的系统仍然可以支持ISA总线的运行，这使得原来很多连接在ISA总线上的慢速外设可继续在PCI总线系统中使用。

PCI总线在系统板上的连接PCI总线的微机系统结构典型PCI局部总线的PCI/ISA系统结构图PCI总线的特点

1、由于有PCI桥将PCI总线与CPU隔离开来，因此不会造成CPU负载过重的问题。PCI总线可以带

10个负载。

2、

PCI具有即插即用，这是由于PCI具有自动设置功能。

3、PCI桥具有多级缓冲，PCI可支持外围设备与CPU并发工作。

4、PCI有部分信号线具有双重功能，地址信号与数据信号共用一条信号线，在不同时刻，分别用于传输地址与数据信号。

5、是一个独立的总线，运行不受CPU限制，性能指标与CPU及系统时钟无关，当微处理器及其局部总线发生改变时，只需更改PCI桥控制器,外设接口可照常工作。

6、PCI从一开始就作为长期使用的总线标准而设计。

P4主板的外形图二、微型计算机系统任何一个计算机系统都是由硬件和软件组成的。

1计算机硬件是指有形的物理设备，它是计算机系统中实际物理装置的总称，可以是电子的、电磁的、机电的或光学的元件/装置或者由它们所组成的计算机部件。例如，计算机的处理器芯片、存储器芯片、底板（母板）、各类扩充板卡、机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、软盘、硬盘等都是计算机的硬件。

2

计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。是计算机系统中不可缺少的主要组成部分。3计算机分类⑴、按其内部逻辑结构进行分类，如CISC

(复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）计算机；单处理机与多处理机（并行机）；16位机、32位机或64位计算机等。⑵、计算机的性能和作用进行分类。1989年11月IEEE提出一个分类报告，它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用，考虑到计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，把计算机分成６大类：①、巨型计算机；②、小巨型机；③、主机；④、小型计算机；⑤、工作站；⑥、个人计算机；4计算机的性能评测⑴、CPU字长：

指参与算术逻辑运算的操作数的二进制位数。⑵、主频：

指CPU的时钟频率，微机运行的速度与主频有关。⑶、主存容量与速度：

主存储器的速度用存取周期来衡量。⑷、硬盘存储器性能：

主要技术指标包括：存储容量、平均等待时间、平均寻道时间、数据传输速率。⑸、运算速度：微机每秒执行的指令条数。⑹、内核数目：单核，双核，四核……（7）高速缓存：为了让数据存取的速度适应CPU的处理速度。五、单片机、单板机、PC机1、单片机：又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机2、单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器/存储器/输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。

3、PC机（PersonalComputer）:面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。§1.4

计算机中的数制和编码

一、计算机中常用的进制数

人们最常用的数是十进制数，计算机中采用的是二进制数，同时有的时候为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。

1、十进制数十进制数是大家熟悉的，用0，1，2，…，8，9十个不同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。

2、二进制表示法基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。

二进制表示数值方法如下：

NB=±Ki*2i其中：Ki

=0或1ni=-m例：二进制数1011.1表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1运算规则：加法运算：0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二进一）减法运算：0-0=010-1=1（借位）1-0=11-1=0乘法运算：0*0=00*1=01*0=01*1=1除法运算0/1=01/1=13、八进制表示法八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，…，7这八个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。八进制表示数值方法如下：

NO=±Ki*8i其中：Ki

=0、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（467.6)O=4*82+6*81+7*80+6*8-14、十六进制表示法基数为16，用0-9、A-F十五个字符来数值，逢十六进一。各位的权值为16i。二进制表示数值方法如下：

NH=±Ki*16i其中：Ki

=0-9、A-Fni=-m例：（56D.3)H=5*162+6*161+13*160+3*16-1二、进制间的转换1、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。例:11101.101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875（2）、十进制数转换为二进制数方法：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。B、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。例：将（136）D转换为二进制数。

2136余数（结果）低位

268----------0234----------0217----------028----------124----------022----------021----------00----------1高位转换结果：（136）D=（10001000）B例：将（0.625)D转换为二进制数。0.625*21.25*20.5*21.0取整：高位低位转换结果：(0.625)D=(0.101)B若出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可。如0.6*2

2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。

1000110.01001000110.010(106.2)O二进制数到十六进制数的转换：（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100(46.4)H（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。例：将(352.6)o转换为二进制数。

352.6011101010110=(11101010.11)B三、机器数的表示机器数：数值数据在计算机中的编码。机器数的真值：机器数所代表的实际数值。常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码表示法原码：用最高位表示符号，其中：0----正、1----负，其它位表示数值的绝对值。

例：求X1=1011，X2=-1011的原码。（8位）

[X1]原=00001011

[X2]原=10001011

0的表示形式（8位）

[+0]原=00000000

[-0]原=10000000

特点

A、原码与真值的对应关系简单。

B、0的编码不唯一，处理运算不方便。

C、8位数原码所表示的范围：-127～+1272、反码表示法定义：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。[+0]反=00000000[-0]反=1111111[+1100111]反=01100111[-1100111]反=100110008位反码所表示的范围：-127～+1273、

补码表示法正数的补码和原码相同。负数的补码=反码+1。[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000[0]补=[+0]补=[-0]补=000000008位补码所表示的范围：-128～+127

计算机中的数均为补码形式。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=1284、由补码求真值某内存单元的内容是D2，为8位二进制数，其所表示的十进制数是多少？

[X]补=D2H=1

1010010B

X=[[X]补]补=[11010010]补

=-

0101110B=-2EH

所以：X=

-

46--5、补码加减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。[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=01000000思考：X、Y及X+Y各是多少？6、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。四、