微机原理与接口技术第1章概述

微机原理及应用信息工程系张天飞第1章概述1.1微型计算机的发展及特点1.2微型计算机系统1.3微型计算机中数据信息的表示1.1微型计算机的发展及特点1.1.1计算机的发展过程按构成计算机的逻辑元件类型来分类：第1代(1946-1957)：采用电子管为基本逻辑元件，使用机器语言；第2代(1957-1965)：采用晶体管为基本逻辑元件，使用高级语言；第3代(1965-1971)：采用中、小规模集成电路为主要部件，使用操作系统；第4代(1971-现在)：采用大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路产生了微型计算机。20世纪40～50年代后期电子管

5000-1万次ENIAC电子数字积分计算机晶体管10几万次中小规模IC10几万~数百万次20世纪50～60年代中期20世纪60中～70年代初期20世纪70年代初、中期大、超大规模IC

数千万~百亿次计算机发展过程年代所谓微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以微处理器为核心，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系统。微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征。1.第一代(1971～1973)---４位和低档８位微处理器4004、8008

2.第二代(1974～1977)---中、高档８位微处理器8080、8085、MC6800、Z80

3.第三代(1978～1981)---16位微处理器8086、M68000、Z8000

4.第四代(1981～1992)---32位微处理器80386、M68020、80486，Z80000

5.第五代(1993以后)---64位微处理器Pentium一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型机发展过程时间五代90年代4004

（8008--8位）第一台个人电脑8080（Z80,MC6800）8位4位32-64位16位32位1973-741971-7219788086M6809和Z800082年80286及80318038680486（M68020）1993Pentium准64位1995年11月PentiumPro。1997年1月PentiumMMX此后PⅡ/Ⅲ/419851993Pentium一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型机发展过程时间五代90年代8位4位64位16位32位1973-741971-72197819851993

80386(80586)4004→8008→8080→8086→80286→80486→PⅡ→PⅢ→PⅣ

微机的发展以CPU更新划代Intel的CPU发展史Intel4004，intel的发展史就是从这块CPU起步的80088085808680286，Intel最后一块16位CPU80386，Intel第一代32位CPU80486，这是Intel最后一代以数字编号的CPUPentium，传说中的586PentiumproPentiummmxPentiumⅱCeleron，引发超频热潮pentiumⅲ_katmaiPentiumⅲIntelPentiumⅲtualatin/coppermineIntelpentiumⅳ_423Intelpentiumⅳ_4781、按字长分类：4位机/8位机/16位机/32位机/64位机2、按结构分类：单片机/单板机/多板机/微型计算机3、按制造工艺分类：MOS型微机/双极型微机1.1.2微型计算机的分类与特点微型计算机的分类微型计算机的特点1．体积小、重量轻、功耗低2．可靠性高3．价格比高4．应用面广一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可：微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等。1.2微型计算机系统1.2.1微型计算机系统的组成硬件系统软件系统主机外部设备电源、机箱、辅助电路微型计算机系统

微处理器

内存储器I/O接口电路系统总线算术逻辑单元控制单元寄存器组ROMRAM地址总线数据总线控制总线输入/输出设备外存储器系统软件应用软件操作系统服务型程序语言处理程序三、微型计算机的组成AB地址总线8255、8250（8251）8253、8259键盘、打印机显示器、软硬盘A/D、D/A等I/O设备CPU运算器控制器内存RAMROMI/O接口DB数据总线CB控制总线AB地址总线1.2.1微型计算机图

计算机的基本组成2．控制器

是统一调度和控制计算机各部件协调工作的关键部件，是指挥控制神经中枢。取指、分析、微时序。1．运算器

是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元（ALU）组成3.存储器存放程序和数据的部件。主存又称内存，辅助又称外存4.I/O设备--外设人机交互、输入／输出存储器内存（主存）外存（辅存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM软盘、U盘硬盘（移动硬盘）光盘硬件1、微处理器

微处理器（CPU）也称中央处理器，是微型计算机的核心部件，芯片内集成有控制器、运算器和寄存器等相关部件，完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制。2、存储器功能：存放程序和数据。3、系统总线（1）总线：传递信息的一组公用导线。（2）系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。（A）地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。内存容量的计算：16位地址线可访问内存空间216=64KB。20位地址线可访问内存空间220=1MB。（B）数据总线：传递数据信息的总线，即DB。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。（C）控制总线：传递控制信息的总线，即CB。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、状态信号。4、I/O设备和I/O接口（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（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。●软件是程序、数据和相关文档的总称。●计算机的软件系统由系统软件和应用软件组成。▲系统软件：用于计算机自身的管理、维护、控制和运行，以及对应用软件的解释和执行。▲操作系统是最重要的系统软件。

▲应用软件：用户为解决各类实际问题而编制的各种程序，它是建立在系统软件之上的。

软件1.2.2微型计算机系统结构的特点总线结构流水线技术构成微机的各功能部件之间通过总线相连接同时进行若干操作的并行处理方式1、字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。1.2.3微型计算机的性能指标2、速度

MIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令。通常也用主频来描述运算速度，主频越高，运算速度越快。3、容量包括外存和内存的容量。主存容量一般以字节为单位。如256MB、512MB，4G。4、外设配置5、软件配置1.3.1计算机中的数制1.3微型计算机中数据信息的表示进位计数制基数：某计数制中数码的个数，如十进制的基数为10数码为0，1，2，3，…9。进位原则：逢n进一如十进制中逢10进1。位权：某计数制中,数位中数码所代表数值的大小。数制二进制十进制八进制十六进制用途计算机内用现实生活用用于压缩书写二进制数，转换更直观、更简洁、更方便数码0，10，1，…，90，1.......70，1....9，A，B....F基数210816位权2i

10i

8i

16i

规则逢2进1逢10进1逢8进1逢16进1表示形式(XX…X)2

XX…XB(XX…X)10XX…XD(XX…X)8XX…XQ

(XX…X)16

XX…XH1.十进制数→N进制数

整数部分：除N倒取余数小数部分：乘N顺取整数不同数制之间的转换例1：130.625D=10000010.101B;(10进制→2进制）例2：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3：512.75D=1000.6Q（10进制→8进制，K=8）2、N进制数→十进制数各位数字按位权展开后相加例1：二进制数11011→十进制数

例2：八进制数27651→十进制数

3、二进制数与十六进制数之间的转换

“四位一并”：将二进制数从小数点开始，分别向左向右4位分成一组，不足4位补0，然后写出对应的十六进制数即可例1：将二进制数11001011.01011转换为十六进制数 11001011.01011000 ↓↓ ↓↓ CB .58因此(11001011.01011)2＝(CB.58)16“一分为四”：将每位十六进制数写出对应的4位二进制数，然后去掉前导0和尾数0即可。例2：3A.6H=？B

3

A.6H=111010.011B00111010.0110“三位一并”：例1：(11001011.01011)2=(313.26)8“一分为三”：想一想A思考题4、二进制数与八进制数之间的转换例2：将(352.6)o转换为二进制数。352.6011101010110=(11101010.11)B下列各数中，最大的一个数是___?___。A.(11011001)2B.(75)10C.(37)8D.(A7)161.加法运算遵循法则：0+0=00+1=11+0=11+1=0（有进位）例1：10110110B+01101100B=?B进位:11111100010110110被加数+01101100加数结果为:100100010和______________________1.3.2二进制数的运算与带符号数的表示二进制数的运算a算数运算：逢二进一2.减法运算

遵循法则：0-0=01-0=11-1=00-1=1（有借位）

例2：11000100B-00100101B=?B

借位:0111111011000100被减数-00100101减数结果为：10011111差______________________3.乘法运算

遵循法则：0×0=00×1=01×0=01×1=14.除法运算

遵循法则：0÷1=01÷1=1b逻辑运算与运算规则：或运算规则：

0与0=00或0=00与1=00或1=11与0=01或0=11与1=11或1=1

异或运算规则：非运算规则：

0异或0=0非0=10异或1=1非1=01异或0=11异或1=0遵循法则：按位运算，各位之间没有进位和借位数值型数据：无符号数、带符号数二进制带符号数的符号位表示：使用二进制编码的最高位，“0”表示“正”，“1”表示“负”机器数：将符号位与数值位一起予以数值化的数真值：机器数所代表的数值为该机器数的真值常用带符号数编码：原码、反码、补码等带符号数的表示1、原码最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，其余各位表示数值的绝对值大小以机器字长为8位为例：[+1]原=00000001B=01H[+127]原=01111111B=7FH[+0]原=00000000B=00H[-1]原=10000001B=81H[-127]原=11111111B=FFH[-0]原=10000000B=80H2、反码最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，正数的反码与原码的表示相同，负数的反码为其原码除符号位之外的其余各位按位取反以机器字长为8位为例：[+1]反=00000001B=01H[+127]反=01111111B=7FH[+0]反=00000000B=00H[-1]反=10000001B=11111110B=FEH[-127]反=11111111B=10000000B=80H[-0]反=10000000B=11111111B=FFH3、补码正数的补码与原码的表示相同，负数的补码为其原码除符号位之外的各位按位取反后再加1以机器字长为8位为例：[+1]补=00000001B=01H[+127]补=01111111B=7FH[+0]补=00000000B=00H[-1]补=10000001B+1=11111110B+1=FFH[-127]补=11111111B+1=10000000B+1=81H[-0]补=10000000B+1=11111111B+1=00H例1：机器字长n=8位，X=-68D，求X原、反、补码。解：字长8位，符号1位，数值占7位。[-68]原=11000100B[-68]反=10111011B[-68]补=[10111011B]反+1=10111100B规则①[X+Y]补=[X]补+[Y]补②[X－Y]补=[X]补+[－Y]补减法运算通常变成加法运算[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补由[Y]补求[-Y]补：[Y]补包括符号在内的所有位都取反，末位加1，即得[-Y]补。（注意包括符号位变反）4、

补码的运算00100110B01100000B00111010B110111001B11100100B11010101B++例1：(+38)+(+58)

[+38]补=00100110B[+58]补=00111010B例2：(-28)+(-43)[-28]补=11100100B[-43]补=11010101B正数补码就是原码[-28]原=1

0011100B[-28]补=11100100B[-43]原=1

0101011B[-43]补=11010101B101000111B-（64+7）=-71进位位“1”属“自然丢失”本身补码-185再求补1.进位与溢出所谓进位，是指运算结果的最高位向更高位的进位，用来判断无符号数运算结果是否超出了计算机所能表示的最大无符号数的范围。

溢出是指带符号数的补码运算溢出，用来判断带符号数补码运算结果是否超出了补码所能表示的范围。例如，字长为n位的带符号数，它能表示的补码范围为-2n-1+2n-1-1，如果运算结果超出此范围，就叫补码溢出，简称溢出。2.溢出的判断方法判断溢出的方法很多，常见的有：①通过参加运算的两个数的符号及运算结果的符号进行判断。②单符号位法。该方法通过符号位和数值部分最高位的进位状态来判断结果是否溢出。③双符号位法，又称为变形补码法。它是通过运算结果的两个符号位的状态来判断结果是否溢出。上述三种方法中，第一种方法仅适用于手工运算时对结果是否溢出的判断，其他两种方法在计算机中都有使用。限于篇幅，本节仅通过具体例子对第②种方法做简要介绍。若符号位进位状态用CF来表示，当符号位向前有进位时，CF=1，否则，CF=0；数值部分最高位的进位状态用DF来表示，当该位向前有进位时，DF=1，否则，DF=0。单符号位法就是通过该两位进位状态的异或结果来判断是否溢出的。

若OF=1，说明结果溢出；若OF=0，则结果未溢出。也就是说，当符号位和数值部分最高位同时有进位或同时没有进位时，结果没有溢出，否则，结果溢出。例2.13设有两个操作数x=01000100B，y=01001000B，将这两个操作数送运算器做加法运算，试问：①若为无符号数，计算结果是否正确？②若为带符号补码数，计算结果是否溢出？解

无符号数带符号数0100010068[+68]补+)01001000+)72+)[+72]补10001100140[+140]补DF=1CF=0①若为无符号数，由于CF=0，说明结果未超出8位无符号数所能表达的数值范围(0255)，计算结果10001100B为无符号数，其真值为140，计算结果正确。②若为带符号数补码，由于=1，结果溢出；这里也可通过参加运算的两个数的符号及运算结果的符号进行判断，由于两操作数均为正数，而结果却为负数，因而结果溢出；+68和+72两数补码之和应为+140的补码，而8位带符号数补码所能表达的数值范围为−128+127，结果超出该范围，因此结果是错误的。例2.14设有两个操作数x=11101110B，y=11001000B，将这两个操作数送运算器做加法运算，试问：①若为无符号数，计算结果是否正确？②若为带符号补码数，计算结果是否溢出？解

无符号数带符号数11101110238[-18]补+)11001000+)200+)[-56]补10110110438[-74]补DF=1CF=11自动丢失①若为无符号数，由于CF=1，说明结果超出8位无符号数所能表达的数值范围(0255)。两操作数11101110B和11001000B对应的无符号数分别为238和200，两数之和应为438>255，因此，计算结果是错误的。②若为带符号数补码，由于=0，结果未溢出。两操作数11101110B和11001000B分别为−18和−56的补码，其结果应为−74的补码形式，而计算结果10110110B正是−74的补码，因此结果正确。1、ASCII码（美国信息交换标准代码）

ASCII码表包括52个大小写英文字母、0～9数字、一些运算符号、标点符号、其它专用符号、控制符号等128个字符。一个ASCII码由7位二进制编码组成，在一个字节中最高一位空闲，用0补充5AH……42H41HASCII码z……ba字符7AH……62H61HASCII码Z39H920H空格………………0DH回车B31H10AH换行A30H007H响铃字符ASCII码字符ASCII码字符常用ASCII码1.3.3信息的编码表ASCII字符编码B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS‚<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDELSP间隔字符(20H)（也称空格字符）DEL（7FH）删除控制码这34个编码不可见32个控制符00~1FH用于通信控制或对计算机外设的功能控制表ASCII字符编码B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS‚<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDEL共94个可印刷的有形字符10个数字0~9编码为30H~39H52个大小写英文字母32个标点及常用符号（表中黑色编码）2、BCD码

用4位二进制数来表示1位十进制数的编码方法称为二进制编码的十进数或称为二—十进制数，简称BCD码。由于十进制数共有0、1、2、……、9十个数码，因此，至少需要4位二进制码来表示1位十进制数。4位二进制码共有2^4=16种码组，在这16种