微机原理经典案例

微机原理与应用

陈贵林所属：电气工程学院自动化系课时：48/8成绩组成：考试80分，实验20分2/50本课程以Intel8086/8088CPU和典型机IMBPC系列机为蓝本学习微型计算机系统的根本原理。学习并熟悉CPU外部特性及其与半导体存贮器、I/O接口电路的连接方法，以及与外设进行数据传送的方式；掌握微机根本接口的工作原理及应用技术。课程内容简介3/50微机原理及应用-参考教材周明德，微型计算机原理与应用〔第五版〕，清华大学出版社郑学坚周斌，微型计算机原理及应用〔第三版〕清华大学出版社吴秀清周荷琴，微型计算机原理与接口技术中国科学技术大学出版社冯博琴微型计算机原理与接口技术清华大学出版社钱晓捷陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，洪志全洪学海，现代计算机接口技术〔第二版〕电子工业出版社4/50微型计算机概述1.1微型计算机开展概述1.1.1微型计算机的开展史1.1.2微型计算机的应用1.2计算机根底 1.2.1数制、编码1.2.2常用的名词术语1.2.3计算机的工作过程

第1章1.3微型计算机的硬件和软件1.4微型计算机的结构1.5多媒体计算机 5/501.1微型计算机开展概况●

世界上第1台计算机电子管●名称：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)●目的：用于第2次世界大战后期的弹道计算●诞生时间：1946年2月15日●诞生地：美国宾夕法尼亚大学ENIAC计算机●使用18000只电子管●占地面积100m2●重量30吨●耗电量140千瓦教学进程6/501.1微型计算机开展概况●约翰·冯·诺依曼●姓名：JohnVonNeumann●诞生时间：

1903年12月28日●逝世日期：

1957年2月8日●国籍：美籍匈牙利人简单的来说他的精髓贡献是以下几点：●进制思想电子元件双稳工作的特点，提出在电子计算机中采用二进制●程序内存思想●存储程序通用电子计算机方案运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备

教学进程7/501.1微型计算机开展概况●计算机开展的四个时代〔按元器件划分〕第二代〔1957-1964〕晶体管计算机第三代〔1965-1971〕集成电路计算机

第四代(1971年至今)大规模集成电路计算机苹果(Apple)计算机●1959年，美国Texas公司利用照像技术把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上，这种半导体集合体就是:“集成电路”——IC(Integratedcircuit)第一代〔1946-1957〕电子管计算机晶体管教学进程8/50什么是微机？即微型计算机，它是以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统。其核心是微处理器〔Microprocessor，简称MPU〕。微机就是PC机吗？PC机只是微机中的一种，是我们最熟悉、最典型的微机产品微机的覆盖范围任何电子产品，只要包含了CPU、存储器及I/O，且价格不高，都可以看作是微机典型例子电子词典、电视机、全自动洗衣机、、mp3……10/50

阶段

CPU(中央处理器)第一代 Intel4004/8008第二代 Intel8080第三代 Intel8085第四代Intel8086/8088/80486第五代 Pentium586 PentiumⅡ PentiumⅢ PentiumⅣ1971年第1台微型计算机诞生微型计算机的开展平板电脑老式电脑IBM-PC586电脑Pentium多媒体电脑笔记本电脑教学进程11/50●Intel4004●出产年份：

1971年●频率/前端总线：:108KHZ/0.74MHz(4bit)●封装/针脚数量：陶瓷DIP/16针●核心技术/晶体管数量：10微米/2250教学进程●能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，本钱不到100美元。●4004是美国英特尔公司(Intel)第一款推出的微处理器，也是全球第一款微处理器。●该款处理器原先是为一家名为Busicom的日本公司而设计，用来生产计算器12/50●Intel8080●出产年份：

1974年4月●频率：2MHz教学进程●它是英特尔公司继4004芯片推出的第三代微处理器，8080比4004快十倍而且数据宽度也从4位扩展到8位，被广泛应用与各种控制系统和嵌入式系统中。13/50●Intel8085●出产年份：

1976●频率：3MHz教学进程●

8085的主频，我们现在看来非常的可怜，甚至还不如一个MP3的DSP。它最低主频3MHz，最高主频也不过6MHz。14/50●Intel8086●出产年份：

1978年6月●频率：4.77MHz教学进程●1978年6月INTER推出了8086微处理器，主频4.77MHz，采用16位存放器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管●IBM公司1981年生产的第一台电脑就是使用的这种芯片。这也标志着x86架构和IBMPC兼容电脑的产生15/508028680286于82年推出，24位AB，16位DB，时钟8~20MHz，集成度13.5万，为满足多任务系统的需要而设计，采用了两种新的内存管理技术〔虚拟内存和保护模式〕以使用和管理更多资源。与8086的显著的区别:地址线和数据线不再分时复用,简化了硬件设计;引入存储管理中的虚存管理机制。通过“虚地址〞和“保护〞两重功能对存储器管理提供了支持,加强了对多用户/多任务运行的管理能力。16/508038680386划时代的产品，开创了32位微机的先河。85年推出，32位内外DB，32位AB，16~50MHz，27.5万集成度，132脚4列直插，直接寻址能力4GB，并可管理64TB的虚存〔通过虚地址方式〕。存储器管理：在286根底上增加了虚拟8086方式，使其能更好地执行多任务处理。结构特点：包括EU、BIU、指令预取部件、指令译码部件IU、存储器管理部件等六局部组成17/50804868048689年推出，标准32位机，时钟40~100MHz，168脚PGA封装，120万集成度。从结构组成上看，486相当于以386为核心，增加了高速缓存和相当于片外80387的片内浮点协处理器，以及增加了面向多处理机的机构。但从程序设计角度来看，其体系结构几乎没变。

结构特点：在386的6个功能部件根底上，增加了Cache和FPU两局部，其中多个局部都可以独立并行工作，构成流水线。18/50PentiumPentium93年推出，时钟60~200MHz，内部DB32位，外部DB64位，AB32位，296引脚，是Intel为迎接Windows95和多媒体时代而全新设计的。结构特点：超标量流水线：内部包括两条5级指令流水线，各有独立的ALU、地址生成逻辑和Cache接口，其中U线负责所有整数和浮点数指令，V线那么负责简单的整数指令，这样在最正确状态下，P5可在一个时钟周期内执行二条指令。双重别离式Cache：拥有独立的8KB指令Cahce和数据Cache，其中数据Cache有两个端口，分别用于U线和V线。64位外部数据总线：配合PCI局部总线，64位外部DB可大幅度提高数据传输速度，有效解决阻塞问题。分支指令预测：执行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。19/50PentiumProPentiumPro95年推出，用于效劳器，为第六代X86，称为P6或高能奔腾。结构特点：三路超标量体系：12级流水线；而P5是2路5级。AB36位数据流分析技术：指令译码产生的微动作在执行以前经过整理，然后才能动态地执行。这些微动作并非按指令在程序中的顺序执行，而是乱序〔错序〕执行，其目的为提高执行的并行性。增强的分支预测：采用多项转移预测措施，使CPU可以跟踪多个转移指令，并对转移的结果进行预测，同时超越这些转移，以推测将要执行的一些指令，最大限度地提高指令的并行性。20/50PⅡPⅡ与PentiumPro同属P6系列,在后者的根底上增加了MMX功能，采用0.35um/0.25um工艺，750万集度。结构特点：将MMX技术加至P6中并采用新的包装；使用单边接触盒式封装SEC：即Slot1。双16KB的一级CacheCeleron：Intel为抵抗K6占领低端市场而推出的低价CPU，最初只是简单地将PⅡ中的二级Cache去掉。因此性能较低。XEON〔至强〕：98年6月开始推出，用于效劳器，拥有512KB~2MB的二级Cache，且与CPU同频。21/50PⅢPⅢ在PII根底上增加了70条SSE〔StreamingSIMDExtension〕指令，让CPU可对多个数据同时进行浮点运算〔4个32位浮点数〕；片内有128位序列号，以标识每一部电脑，以用于电子商务的平安认证。什么是SIMD？即单指令多数据，也就是一条指令同时处理多个数据，主要用于处理多媒体数据。22/50P4P4P4是最新的IA-32结构的微处理器，主要有以下特性：第一个基于NetBurst微结构的CPU，该结构允许CPU运行在更高的时钟速度上；〔400MHz的前端总线〕支持超线程技术；支持SSE223/50摩尔定律●戈登·摩尔(GordonMoore)●姓名：GordonMoore●诞生时间：

1929年●国籍：美国●集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，且价格不变；●或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上24/501、科学计算和科学研究2、信息处理及计算机网络3、生产过程自动化

4、智能化仪器及装置5、家用电脑微型计算机的应用25/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理1.科学计算用于科学与工程领域。如：的计算、中长期天气预报及导弹发射中的计算等。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26/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理人工智能计算机模拟人的高级思维活动,进行逻辑判断与推理。如机器人、专家系统、语音识别系统、图形图像等模式识别系统。27/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理对数据进行收集、储存、传递、分类、检测、排序、计算、打印报表、输出图像等加工处理。如：企业生产管理系统、电子商务处理系统等。2.信息处理及计算机网络28/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理电子商务电子商务源于英文ELECTRONICCOMMERCE简写EC，顾名思义包含两个方面：一是电子方式，二是商贸活动，电子商务指的是利用简单、快捷、低本钱的电子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。电子商务的真正开展是建立在INTERNET技术上，所以也称IC(INTERNETCOMMERCE).29/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理信息高速公路30/50第一章微型计算机的系统结构与工作原理3生产过程自动化对工业生产领域的过程控制，即对生产过程进行监视和控制，以提高产品质量与数量，减轻工人的劳动强度；31/504、智能化仪器及装置

将传感器与计算机集成于同一芯片上，智能传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计、处理及自诊断、自校准、自适应等功能。32/50PC(PersonalComputer)机：

是面向个人单独使用的一类微机。当今的微机的许多指标，如存储容量、运行速度等已经赶上或超过了以前的小型机，可以满足各种不同的应用场合。33/50所谓数制是指按进位的方法来进行计数在进位计数制中，常常要用“基数〞〔或称底数〕来区别不同的数制，而某进位制的基数就是表示该进位制所用字符或数码的个数。如十进制数共用0～9十个数码表示数的大小,故其基数为10。1.2计算机根底数制、编码〔一〕数制34/50一个数值，可以用不同进制的数表示。通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。十进制数：

DDecimalD可以省略不用.二进制数：

BBinary八进制数：

OOctal十六进制数：HHexadecimal.例：1001B=09H=9D35/50●二进制数(mod.2)000000010010001101000101(1101)2●八进制(mod.8)12345671011...1720...2730(57)8●

十进制(mod.10)12345678910111213...1920

(22)

10●十六进制(mod.16)1...9ABCDEF1011...1F20(2E6)16101112131415计算机采用二进制的原因主要有以下几点：

容易实现：二进制在硬件技术上容易实现。

运算简单：二进制运算规那么简单，操作实现简便。

工作可靠：采用两种稳定的状态来表示数字，使数据的存储、

传送、和处理都变得更加可靠。

逻辑判断方便：教学进程36/50一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：N=Kn-1×10n-1+Kn-2

×10n-2+······+K1×101+K0×100

+

K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m=

一、二，八，十，十六进制数*基数：数制所使用的数码的个数*权：数制中每一位所具有的值.

式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i

称该位的权，Ki表示第i位的数码。

Ki的范围为0~9中的任意一个数

1.有十个不同的数字符号：0,1,2,…9。2.遵循“逢十进一”原则。十进制数的两个主要特点：

整数部分小数部分37/50

M进制数中的每一位都具有其特定的权，称为位权或简称权。就是说，对于同一个数码在不同的位它所代表的数值就不同。每个位权由基数的ｎ次幂来确定。

例:二进制数1101.11B相当于十进制数的

1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2

＝8＋4＋1＋0.5＋0.25

＝13.7510

例如：999.99这个数可以写为:

999.99＝9×102

＋9×101

＋9×100

＋9×10-1＋×10-2

上式称为按位权展开式。38/50设基数用R表示，那么对于二进制，R=2,Ki为0或1，逢二进一。N=对于八进制，R=8,Ki为0～7中的任意一个，逢八进一。N=对于十六进制，R=16,Ki为0～9、A、B、C、D、E、F共16个数码中的任意一个，逢十六进一。N=39/50例1101.001B=(1101.001)2=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+0×2-2+1×2-3=(13.125)10=13.125综上可见，上述几种进位制有以下共同点：①

每种进位制都有一个确定的基数R，每一位的系数Ki

有R种可能的取值。

②

按“逢R进一”方式计数，在混合小数中，小数点右移一位相当于乘以R，左移一位相当于除以R。

40/50数的进制转换各种进制间的对应关系

1●数制的换算禁止四舍五入！mod.8不同进制数换算方法2mod.10mod.2mod.16教学进程二进制八进制十进制十六进制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F100002016101000121171141/50●mod2-mod10换算mod.10mod.227.25mod.2mod.1011011.011

101101个位×24

×23

×22×21

×20×2-1×2-2++++++[例](11011.01)2=10010.11mod.10mod.2[例](18.8125)10=整数部分(除2取余法)

小数部分(乘2取整法)218......余092......余142......余022......余01......余1100100.8125×21.625......整数部分=1×21.25......整数部分=1×20.5......整数部分=0110教学进程42/50●mod8-mod10换算mod.10mod.8678.15625mod.8mod.101246.121

24612个位×83

×82

×81×80×8-1×8-2+++++[例](1246.12)8=1246.117mod.10mod.8[例](678.156)10=整数部分(除8取余法)

小数部分(乘8取整法)8678......余6848......余4108......余21......余112460.156×81.248......整数部分=1×81.984......整数部分=1×87.872......整数部分=7117教学进程43/50●mod16-mod10换算mod.10mod.16788.07031mod.16mod.10314.123

1412个位×162

×161

×160×16-1×16-2++++[例](314.12)16=13A.4Fmod.10mod.16[例](314.31)10=整数部分(除16取余法)小数部分(乘16取整法)16314......余10→A1916......余31......余113A0.31×164.96......整数部分=4×1615.36......整数部分=15→F4F教学进程44/50●mod2-mod8换算mod.8mod.2(35.64)8[例](11101.1101)2=(100101.110001)2mod.8mod.2[例](45.61)8=●规则：3位并1位计数方向：左←.→右位数不足补0mod.2011101.110100mod.83

5.64●规则：1位拆3位

mod.845.61mod.2100101.110001教学进程45/50●mod2-mod16换算mod.16mod.2(3D.5C)16[例](111101.010111)2=(1001011.01100001)2mod.16mod.2[例](4B.61)16=●规则：4位并1位计数方向：左←.→右位数不足补0mod.200111101.01011100mod.163

D.5C●规则：1位拆4位

mod.164B.61mod.201001011.01100001教学进程46/50〔二〕计算机中数的几个概念机器数与真值1●对于带符号的二进制数，通常将数学上的“+〞和“-〞数字化，规定一个字节的第七位为符号位，D0~D6为数字位，在符号中“1〞表示负数，“0〞表示正数。如：N=01011011=+91DN=11011011=-91D●机器数：数值数据在计算机中的编码。●真值：机器数所代表的实际数值。

教学进程47/50计算机中有符号数的表示2常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码原码：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】有符号数的原码表示。X=45=00101101B[X]原=00101101BX=-45,[X]原=10101101B原码表示简单易懂，但假设是两个异号数相加〔或两个同号数相减〕,就要做减法。为了把减法运算转换为加法运算就引进了反码和补码。

教学进程48/50

教学进程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位二进制数，原码可表示的范围：+127D~-127D49/502、反码正数的反码与原码相同，符号位用0表示，数值位值不变。负数的反码符号位用1表示,数值位由原码数值位按位取反形成，即0变1、1变0。【例】有符号数的反码表示。X=45=00101101B,[X]反=00101101BX=-45,[X]反=11010010B教学进程反码的特点：“0〞有+0和-0之分。[+0]反=00000000[-0]反=111111111

(2)8位二进制反码所能表示的数值范围为+127～–127，

一般地，对于n位字长的计算机来说，其反码表示

的数值范围为+2n-1–1～–2n-1+1。(3)8位带符号数用反码表示时，假设最高位为“0〞〔正数〕

那么后面的7位即为数值；假设最高位为“1〞〔负数〕，

那么后面7位表示的不是此负数的数值，必须把它们按

位取反，才是该负数的二进制值。如：一个数的反码为10010100B〔反〕其实际表示值为-107D例如:一个8位二进制反码表示的数10010100B。它是一个负数；但它并不等于－20D，而应先将其数字位按位取反，然后才能得出此二进制数反码所表示的真值:

－1101011＝－〔1×26＋1×25＋1×23＋1×21＋1〕

＝－〔64＋32＋8＋3〕

＝－107D52/502023/7/4523、补码正数的补码和原码相同。负数的补码=反码+1。【例1.3】有符号数的补码表示。X=45=00101101B[X]补=00101101BX=-45[X]补=11010011B【例1.4】求±127和±0的三种编码表示。 [+127]原=01111111[+0]原=00000000 [-127]反=10000000[-0]反=11111111 [-127]补=10000001[-0]补=00000000注：A、[0]补=[+0]补=[-0]补=00000000B、8位二进制数表示的数值范围是：+127~-128C、知道补码求原码：[[X]补]补=[X]原教学进程53/502023/7/4534、补码的计算正数补码等于它本身，只有负数才有求补码的问题，补码的计算可以有以下方法：利用原码求

[X]补=[X]反+1直接求补法 从最低位起，到出现第一个1以前原码中的数字不变，以后逐位取反，但符号位不变。例：求补码:X1=-1010111B，X2=-1110000B[X1]原=11010111B[X2]原=11110000B->[X1]补=10101001B[X2]补=10010000B54/502023/7/454补码的加法可以证明：两个补码形式的数〔无论正负〕相加，只要按二进制运算规那么运算，得到的结果就是其和的补码。即有：[X+Y]补=[X]补+[Y]补例：用补码进行以下运算1〕、〔+18〕+〔-15〕2〕、〔-18〕+〔-11〕55/502023/7/455解 1〕、00010010B[+18]补+11110001B[-15]补100000011B[+3]补符号位的进位，舍弃 2)、11101110B[-18]补

+11110101B[-11]补

111100011B[-29]补符号位的进位，舍弃56/502023/7/456溢出判断当两个带符号位的二进制数进行补码运算时，假设运算结果的绝对值超过运算装置的容量，数值局部便会发生溢出，占据符号位的位置，引起计算出错。补码运算过程也存在正常溢出，正常溢出是以2n〔n为二进制的位数〕为模的溢出，它被自然丧失，不影响结果的正确性。溢出判别法---双高位判别法 设Cs用于表征最高位〔符号位〕的进位情况，Cs=1表示有进位，Cs=0表示无进位；Cp用于表示数值局部最高位的进位情况，如有进位，Cp=1，否那么，Cp=0。设微型计算机字长为n，那么两个带符号数的绝对值都应当小于2n-1，因而只有当两个数同为正或同为负，并且和的绝对值又大于2n-1时，才会发生溢出。57/502023/7/457两个正数相加，假设数值局部之和大于2n-1，那么数值局部必有进位Cp=1，而符号位却无进位Cs=0，这种溢出称为“正溢出〞。例如：01011010B+90+〕01101011B+10711000101B-59两个负数相加，假设数值局部绝对值之和大于2n-1，那么数值局部补码之和必小于2n-1，Cp=0，而符号位肯定有进位Cs=1，这时称为负溢出例如：10010010B[-110]补+〕10100100B[-92]补100110110B+54求补Cs=0Cp=1正溢出，结果出错Cs=1Cp=0负溢出，结果出错58/502023/7/458双高位判别法可以总结如下： 当Cs和Cp的状态不同时，产生溢出；Cp和Cs的状态相同时，不发生溢出。 通常用异或线路来判别有无溢出发生，即假设CsCp=1，表示有溢出发生，否那么便无溢出。59/50〔三〕二进制编码的十进制数〔BCD码〕1〕压缩BCD码格式〔PackedBCDFormat〕〔也叫组合式BCD码〕用4个二进制位表示一个十进制位，就是用0000B-1001B来表示十进制数0-8。 例如：十进制数4256的压缩BCD码表示为：0100001001010110B(即4256H)〔2〕非压缩BCD码格式〔UnpackedBCDFormat〕〔也叫别离式BCD码〕用8个二进制位表示一个十进制位，其中，高四位无意义，我们一般用xxxx表示，低四位和压缩BCD码相同。

例如：十进制数4256的非压缩BCD码表示为：xxxx0100xxxx0010xxxx0101xxxx0110B有时，要求非压缩BCD码的高4位为0，这时，4256〔10〕的非压缩BCD码为04020506H。教学进程60/50四字符二进制编码●ASCII〔AmericanStandardCodeforInformationInterchange〕码——美国国家信息交换标准代码。●ASCII码是7位二进制编码，表示27共128种字符。包括0～9十个阿

拉伯数字，英文字母共52个〔大小写各26个〕，其他为常用的标点

和控制字符。教学进程61/50ASCII000001002003004005006007:010012:字符NULSOHSTXETXEOTENOACK(振铃):LFFF:ASCII:032033034:048049050:063064:字符:space!“:012:?@:ASCII:065066067:097098099:254255字符:ABC:abc:■空格FF●

注意：不同的语言程序使用不同进制的

ASCII码表。如

mod.8或mod.16●

10进制ASCII码表教学进程62/5012.2常用的名词术语衡量计算机存储容量的单位●

位、字节、字、字长用于修改CMOS内容的工具程序

●基本输入输出，系统信息设置

●开机上电自检程序和系统自举程序●BIOS教学进程用于存储BIOS设定内容的一颗IC它与B