第1章：微型计算机基础知识

微机原理及应用

课程重要性:

课程要求：

应用8086汇编语言进行软

件设计。应用8086CPU及有关芯片进

行硬件接口设计。学习方法：（1）课前要简单概括地预习。（2）课堂要注意听课，把握重点和难点。必要时要做笔记。（3）课后要注意及时复习，整理所学过的内容。（4）认真独立地完成作业。做一些习题加以巩固。注意事项:

1.上课不得迟到；

2.上课期间关闭手机、不得讲话；

3.缺勤达到一定次数将取消考试资格；

4.缺交作业达到一定次数、实验不及格将取消考试资格内容：前言第一章：微型计算机基础知识第二章：8086微处理器第三章：微型计算机指令系统第四章：汇编语言程序设计第五章：存储器及其与CPU的接口第六章：输入输出接口及中断技术第七章：可编程I/O接口电路第八章：数模与模数转换教材及参考书：1.微型计算机原理与接口技术尹建华高等教育出版社2.《微型计算机技术及应用》戴梅萼清华大学出版社3.《IBM-PC汇编语言程序设计》沈美明清华大学出版社4.《IBM-PC汇编语言程序设计例题习题集》

温冬婵清华大学出版社第1章：微型计算机基础知识

1.1微型计算机的发展概述

1.2微型计算机的运算基础

1.3微型计算机组成原理

1.4CPU内部结构及微机的工作过程

1.1微型计算机发展概述

电子计算机是由各种电子器件组成的能够自动、高速、精确地进行逻辑控制和信息处理的现代化设备。自1946年第一台电子计算机出现至今，经历了电子管计算机、晶体管计算机、中小规模集成电路计算机、大规模/超大规模集成电路计算机，并开始了以神经网络功能为基础的第五代计算机的研究。每代都向体积小、重量轻、高性能的方向发展。按其性能、价格和体积来分：巨型、中型、小型和微型计算机一、电子计算机的发展史第一台计算机：1946年ENIAC（埃尼阿克）电子管，体积85m3，

占地面积150m2

，重30吨，1800多只电子管,

可存贮750条指令，360条乘法指令/秒。

专门有一台发电机为其供电ENIAC(1946)掌上电脑

(2000)1.1946年～1958年 第一代 电子管计算机时代 主要用于科学计算

逻辑元件：电子管，体积、功耗大。内存：磁芯、磁鼓，外存：磁带。语言：机器语言

汇编语言

代表性的计算机：冯·诺依曼的存贮程序计算机

设计思想先进，对后来的计算机的发展产生了深远的影响。即，冯·诺依曼型计算机结构体系：计算机由运算器+控制器+存贮器+输入设备+输出设备

5部分组成2.1958年～1964年 第二代 晶体管计算机时代 主要用于科学计算、工业控制

体积小、重量轻、速度快、寿命长。内存：磁芯。外存：磁盘、磁带。高级语言：FORTRAN、COBOL。编译程序已普遍存在。主流产品：IBM7000系列4.1971年～90年代 第四代LSI、VLSI计算机时代

存贮量大，速度进一步加快、成本进一步降低。半导体存贮器向大容量、高速度、低价格方向发展。典型机器：IBM4300系列等。由于VLSI发展，从而导致以CPU为核心的微型计算机的诞生。5.90年代至今

第五代 研制神经元计算机系统

特征：并行处理模式与学习功能。其应用范围可扩展到冯·诺依曼计算机和传统人工智能技术极感困难的领域。

3.1964年～1970年 第三代 集成电路时代

SSI、MSI（中小规模）速度快、成本小、体积小、功耗小。软件系统日趋完善，出现了小型机系列（PDP-11，VAX-11）

网络、数据库、微程序广泛采用。二、微型计算机的发展1.1971年～1973年

4位或8位低档微处理器和微型计算机

INTEL4004～8008

集成度低、速度慢、指令简单。主要用于家电和简单控制系统。

2.1974年～1977年8位中档μP和μCINTEL8080，

采用NMOS工艺，集成度进一步提高

Z-80，MC6800

基本指令速度1～2μs

结构、指令系统完善

3.1978年～1981年16位中档μP和μC

INTEL8086/8088，

采用HMOS工艺,字长从8位扩展到16位,Z-8000，MC68000

集成度提高，指令和体系结构完善，采用多级中断、多重寻址和段式Reg。

IBM公司推出的IBMPC、IBMPC/XT中均采用8088主板（前者不带硬盘）4.1985年～1992年 32位μP和32位μCINTEL80386、80486

为微型机带来了小型机的性能。

这期间，为了和16位外设兼容，还推出了

80386SX（DB内为32位，外为16位）

80386DX（内外DB均为32位）

80486SX（外加协处理器

与80486DX的区别）

80486DX（内部集成了386、387及8KB的Cache）

80486DX2（内外两种主频，内部主频是外部主频的两倍）

作为过渡，1982年出现Intel80286

对应微机PC/AT

（数据线16位，地址线24位，最大内存寻址16MB）5、1993年以来64位高档μP①1993年Intel公司推出外部数据总线64位的PentiumCPU（P5）

地址总线32位,内部数据总线32位,工作主频60MHz以上.②1995年

Intel公司PentiumPro（P6）——高能奔腾

地址总线36位具有两倍P5的性能③1996年～1997年采用MMX——多媒体扩展结构多媒体技术处理指令

MMX+P5→P55C（又称PentiumMMX）（32KBCache）

MMX+P6→PⅡ（新的封装工艺）

由P55C和PⅡ构成的PC机分别称为多能奔腾机和奔腾二代机④1999年 PentiumⅢ——主频450MHz以上

32KB的一级Cache、512KB的二级Cache⑤2000年 PentiumⅣ

至2001年主频已达到1.8G……

三、几个重要概念微处理器：由大规模集成电路组成的能执行一定的指令 系统的器件。实际上它是利用大规模集成 电路技术把计算机的中央处理单元(运算器 和控制器)集成在一块芯片上。微处理器简称为CPU(CentralProcessingUnit)

微型计算机：由微处理器、存贮器、接口电路等组成 的一个完整的计算机。微型计算机具有完整 的运算功能,但它不包括I/O设备。微型计算机系统：微型计算机系统由系统硬件（微型计 算机、I/O设备）和系统软件所组成，如 IBMPC/XT机。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)8

XX…XQ

(XX…X)16

XX…XH一、进位数制1.2微型计算机的运算基础

B（Binary）表示二进制数；

O（Octonary）表示八进制数；

D（Decimal）表示十进制数，通常其后缀可以省略；

H（Hexadecimal）表示十六进制数。二、数制的转换1.任意进制数→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

2.十进制数→任意进制数整数部分：除基数取余（倒取）小数部分：乘基数取整（顺取）例3：512.75D=1000.6Q（10进制→8进制，K=8）例4：130.625D=10000010.101B;(10进制→2进制）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。

3.二←→八←→十六进制特殊关系以小数点为基点，分别向左、向右3（4）位二进制数用1位八（十六）进制数取代（不足三位零补）即：三合一（四合一）反之则：一拉三（一拉四）例5：（1000000000.01)2=（1000.2)8=200.4H例6：101111.001111B=2F.3CH

4.数制转换的几点快速技巧

1）转换到二进制整数时，除8最快。除2太慢，且篇幅巨大；除16是二位数，速度也慢。利用除8以后一拉三速度最快。2）利用最大拆分原则分解十进制数权位值：256、128、64、32、16、8、4、2、1

例如103D拆分为64+32+4+2+1=01100111B3）利用k=1024=210快速决定位数与容量的关系

1k=210=10位；1k×1k=1M=20位；

1M×1k=1G=30位；64G=36位三、计算机中数的表示方法（一）、带符号数和无符号数

真值：用“＋”／“－”号表示的带符号二进制数

如＋1011B+11D-1001B-9D

带符号数：

最高位用0/1代码表示符号的二进制数

如01011B+11D11001B-9D

无符号数：

机器的全部有效位都用来表示数的大小。

如01011B+11D11001B+25D1、原码

设有X=X1X2……Xn-1 Xi为一位2#数 则：0X1X2……Xn-1 X≥01X1X2……Xn-1 X≤0[X]原=（二）.带符号数的原码、反码、补码表示

特例：[＋0]=00000000 n=8时

[－0]=10000000例：

x1=67=+1000011B [x1]原=01000011 x2=－67=－1000011B [x2]原=11000011原码表示的整数范围是-(2n-1－1)～+(2n-1－1)，其中n为机器字长。通常：8位二进制原码表示的整数范围是－127~＋127，

16位二进制原码表示的整数范围是－32767~＋32767原码的优点：简单易懂、与真值转换方便。

缺点：（1）零不唯一，具有二义性（2）不便于计算（首先判符号，再决定

用加或减）2、反码0X1X2……Xn-1 X≥01X1X2……Xn-1 X≤0[X]反=[＋0]反=00000000[－0]反=11111111特例：例如：当机器字长为8位二进制数时：

X＝＋1011011[X]原＝01011011[X]反＝01011011Y＝－1011011[Y]原＝11011011[Y]反＝10100100负数的反码与负数的原码有很大的区别，反码通常用作求补码过程中的中间形式。反码表示的整数范围与原码相同。3、补码（1）.同余的概念与补码同余（余相等）例：钟表 3=15（mod12） 用12去除3和15，余数皆为3，称3、15在以12为模时同余，记作：3=15（mod12） 或说：3和15在以12为模时相等

模——为一个计量系统的最大量程

推至一般：

a+M=a（modM）

a+2M=a（modM）因而有：－4+10=6=－4（mod10）→6=－4（mod10）称：以10为模时，6与－4相等；6为－4的补码。 或说：6与－4对模10来说互为补数。这时，我们可以将减法转化为加法：7－4=7+6（mod10）结论：减去一个数等于加上这个数的补数注意：对于字长为n的计算机来说，模为2n，

2n在计算机中仅能以n个0表示，因此可以说，2n与0在计算机中的表现形式是一样的。[＋0]补=00000000[－0]补=2n－0＝00000000（mod28）这时：（2)补码的求法定义

①[X]补

=0X1X2….Xn-1X≥01X1X2….Xn-1+1X≤0或②[X]补=X0≤X＜2n-1-12n－X-2n-1≤X＜0（mod2n）[-1]补=2n－1=FFH[-10]补=2n－10=F6H[-128]补=2n

－128=80H

二进制数

无符号十进制数带符号数原码反码补码000000000000000100000010

01111110011111111000000010000001

111111011111111011111111012

126127128129

253254255+0+1+2

+126+127-0-1

-125-126-127+0+1+2

+126+127-127-126

-2-1-0+0+1+2

+126+127-128-127

-3-2-1表8位二进制数的原码、反码和补码表(3).补码特点：补码表示法中，最高位仍为符号位，正数为0，负数为10仅有一种表示方法当n=8时，补码范围为：127≥X≥-128

当n=16时，补码范围为：32767≥X≥-32768-128的原、反码无法表示，但其补码即为-0的原码。(4).关于补码注意：在微型计算机中所有带符号的数据都是补码表示的。采用补码的目的在于可用加法的运算代替减法运算，从而简化硬件结构，降低成本。(5)求补码的真值正数：[X]真=[X]补X本身即为真值负数：负数补码按位数取反加1，即可得到补码对应真值的绝对值（三）补码的运算1.补码加法

符号位和数值位一起参加运算，并且自动获得结果（包括符号位与数值位）。补码加法的运算规则为：即：两数补码的和等于两数和的补码。例1已知[+51]补=00110011B，[+66]补=01000010B，

[-51]补=11001101B，[66]补=10111110B求[+66]补+[+51]补=？[+66]补+[-51]补=？

[-66]补+[-51]补=？可以看出，不论被加数、加数是正数还是负数，只要直接用它们的补码直接相加，当结果不超出补码所表示的范围时，计算结果便是正确的补码形式。但当计算结果超出补码表示范围时，结果就不正确了，这种情况称为溢出。

2.补码减法补码减法的运算规则为：

例已知

[+51]补=00110011B，[+66]补=01000010B [−51]补=11001101B，[−66]补=10111110B求[+66]补−[+51]补=?[-66]补--[-51]补=?

可以看出，无论被减数、减数是正数还是负数，上述补码减法的规则都是正确的。同样，由最高位向更高位的进位会自动丢失而不影响运算结果的正确性。计算机中带符号数用补码表示时有如下优点：

①可以将减法运算变为加法运算，因此可使用同一个运算器实现加法和减法运算，简化了电路。

②无符号数和带符号数的加法运算可以用同一个加法器实现，结果都是正确的。例如：

无符号数带符号数

11100001 225 [-31]补+)00001101+) 13 +)[+13]补

11101110 238[-18]补

若两操作数为无符号数时，计算结果为无符号数11101110B，其真值为238，结果正确；若两操作数为补码形式，计算结果也为补码形式，11101110B为–18的补码，结果也是正确的。(四)溢出及其判断方法

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。就叫补码溢出，简称溢出。2.判断溢出的方法

①根据参加运算的两数的符号及运算结果的符号判断溢出例：两数x，y(x>0，y>0)x-y y-x

但x+y和应为正，若为负则有溢出。

-x-y 和应为负，若为正则有溢出。皆不会产生溢出。②用双高位法来进行判断

b7”b6”……b2”b1”b0”

+b7’b6’……b2’b1’b0’

b7b6……..b2b1b0

0b7无进位1b7有进位

1溢出

0无溢出0b6无进位1b6有进位Cp=Cs

Cp=溢出的处理：增加字长。Cs=最高位进位次高位进位

例

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？

例

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？四、数的定点和浮点表示

计算机不仅要处理整数运算，还需处理小数运算，如何处理小数点位置是十分重要的。通常有定点与浮点两种方法。（一）、定点表示法

小数点位置在数中固定不变常用两种为：

1.定点纯小数小数点固定在最高数值位左边,其本身不占位其格式为尾数S符号位↑小数点隐含在此处

2.定点纯整数小数点固定在最低数值位右边,其本身不占位其格式为尾数S符号位↑小数点隐含在此处

例1：有如下两个8位二进制数

01010100

N1:↑符号位↑小数点位置

10101100

N2:↑符号位↑小数点位置

10101100例2：有例1中同样两个数，小数点位置不同，则有

01010100

N1:↑符号位↑小数点位置

N2:↑符号位↑小数点位置分别表示真值：N1=+1010100=+0.65625，N2=-1010100=-0.65625定点整数或定点小数所允许表示的数值范围有限，运算精度低，但采用定点运算对硬件的需求较简单二、浮点表示法在位数有限的前题下，尽量扩大数的表示范围，同时又保持数的有效精度，往往采用浮点数表示数值。

对于任意一个二进制数N总可以表示为：

N=S×2P其中S是数N的尾数，P是数N的阶码。格式如下：Pf阶码PSf尾数SPf为阶码的符号位，0-正，1-负Sf为尾数的符号位，0-正，1-负例：若有二进制数0.0011010B，浮点表示为0.11010×2–10B当阶码P取不同数值时，尾数小数点位置是可以变动的，因此称为浮点法数。为了使微机在运行过程中不丢失有效数字，提高运算精度，一般都采用二进制浮点规格化数，所谓浮点规格化是指1/2<|S|<1；

五.计算机中二进制信息编码

所谓二进制信息编码是指用二进制代码来表示计算机要处理的信息—数值、数字、字母和符号等。1.二进制编码的十进制数(BCD编码)

将1位十进制的0

9这10个数字分别用4位二进制码的组合来表示，在此基础上可按位对任意十进制数进行编码。这就是二进制编码的十进制数，简称BCD码(Binary-CodedDecimal)。

最常用的是8421BCD码BCD码有两种形式，即压缩型BCD码和非压缩型BCD码。

1．压缩型BCD码压缩型BCD码用一个字节表示两位十进制数

2．非压缩型BCD码非压缩型BCD码用一个字节表示一位十进制数。高4位总是0000，低4位用0000

1001中的一种组合来表示0

9中的某一个十进制数。

表

8421BCD码部分编码表十进制数压缩型BCD码非压缩型BCD码12391011192021000000010000001000000011000010010001000000010001000110010010000000100001000000010000001000000011

0000100100000001000000000000000100000001

000000010000100100000010000000000000001000000001例

十进制数与BCD数相互转换。①将十进制数69.81转换为压缩型BCD数：

69.81=(01101001.10000001)BCD②将BCD数10001001.01101001转换为十进制数：

(10001001.01101001)BCD=89.69

例

设有变量x等于10010110B，当该变量分别为无符号数、原码、补码、压缩型BCD码时，试分别计算变量x所代表的数值大小。2.ASCII字符编码所谓字符，是指数字、字母以及其他一些符号的总称。

目前，国际上使用的字符编码系统有许多种。在微机、通信设备和仪器仪表中广泛使用的是ASCII码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)——美国标准信息交换码。ASCII码用一个字节来表示一个字符，采用7位二进制代码来对字符进行编码，最高位一般用做校验位。

7位ASCII码能表示27=128种不同的字符，其中包括数码(0

9)，英文大、小写字母，标点符号及控制字符等，见表。表

美国标准信息交换码ASCII(7位代码)

§1.3计算机的组成及工作原理一、计算机硬件一台计算机的硬件大致可分为运算器、控制器、存贮器、输入和输出设备五个部分输出设备输入设备输入接口输出接口存储器

微型计算机运算器控制器微处理器微机系统的硬件组成

１、存贮器

存贮器是计算机的记忆部件，用于存放程序和程序 中所用的数据，信息及中间结果。 存贮器由存贮单元组成，每个单元有一个编号，这 个编号称为存贮单元的地址，每个单元可存放一个8 位二进制数（数或指令）。 计算机中是按地址存放或取出存贮单元中的内容,取 称为读,存称为写。

注：存贮单元、单元内容、单元地址、存贮器读／写

２、运算器

运算器是计算机对数据进行处理的部件。它接收由 输入设备或存贮器送来的数据，在控制器的控制下 ,完成某一规定的基本操作。 如:加、减、比较、与、或、异或、移位、传送等。

３、控制器

控制器是计算机的控制指挥系统。它能不断从存贮器

中取出指令，并对这些指令进行译码，产生一系列控

制信号来执行这些指令。４、输入设备输入设备用来将原始数据和处理程序送入存贮器。常用的输入设备有：键盘、输入机、磁盘驱动器等。５、输出设备输出设备用来将计算机的处理结果以字母、数字或图

形方式提供出来.常用的输出设备有:打印机,显示器

等。通常人们把存贮器、运算器、控制器三部分称为计算

机主机,而I/O设备称为计算机的外围设备。其中运控

部分又称为中央处理单元，简称CPU。微型计算机硬件系统结构地址总线AB定时电路输入设备输出设备I/O接口ROMRAM数据总线DB控制总线CB微处理器(CPU)二、微机系统结构微型计算机硬件系统是以微处理器（CPU）为核心，通过系统总线连接内存储器和I/O接口电路而构成的.

所谓总线，是计算机中各功能部件间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部分。所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为三类：

地址总线AB(AddressBus)：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。

数据总线DB(DataBus)：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。

控制总线CB(ControlBus)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。

三、计算机软件计算机软件是计算机系统的重要组成部分。它可分为系统软件和用户软件两大类,其系统软件有以下几部

分。

1、操作系统系统软件的核心称为操作系统，其主要作用是对系 统的硬、软件资源进行合理的管理。为用户创造方 便，有效和可靠的计算机工作环境。

2、I/O驱动程序

3、文件管理系统,文本编辑程序

4、翻译程序

5、连接程序,装入程序

6、调试程序§1.4微处理器内部结构及工作过程外部DB

微处理器

(CPU)AARPLAPC标志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB

4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H存储器地址单元内容ALU

内部数据总线DB一、典型的CPU内部结构1．运算器运算器又称算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)，用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。参加运算的两个操作数一个来自累加器A(Accumulator)，另一个来自内部数据总线，可以是数据缓冲寄存器DR(DataRegister)中的内容，也可以是寄存器阵列RA(RegisterArray)中某个寄存器的内容。计算结果送回累加器A暂存。2.控制器控制器又称控制单元CU(ControlUnit)，是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。

(1)IR：指令寄存器(8位)

指令寄存器用来存放指令码即操作码。（2）ID：指令译码器指令译码器用来对指令进行译码，以确定计算机应执行何种操作。(8输入其译码输出可达256)(3)PLA：可编程序逻辑阵列根据译码电位和时钟信号发出执行一条指令所需的控制信号。3.内部寄存器阵列(1)PC：程序计数器(16位)

程序计数器用来存放指令地址，又称为指令寄存器。

由于通常程序是顺序执行，所以就要求有一个部件能

追踪指令所存的内存地址，且要求每取出一条指令

后，能加１，以指向下一条指令的地址。(2)AR：地址寄存器(16位)

地址寄存器用来存放要寻址的单元的地址码。它包括

指令地址和数据地址，通过AB总线送至存贮器的地址

译码器。(3)DR：数据寄存器(8位)

数据寄存器用来存放送往或来自DB总线的数据。

它可以存放内存读出来的指令或数据，也可存放写入

内存的数据。(4)IR：指令寄存器(8位)

指令寄存器用来存放指令码即操作码。(5)Ａ：累加器(8位)

累加器Ａ用来存放操作数或操作结果。(6)ＦLAGS：标志寄存器标志寄存器由一些标志位组成。用来存放执行指令后

的结征。如结果为零否，有无进位，有无溢出等。二、存储器读写操作计算机之所以能快速自动地进行各种复杂的运算，就是因为事先把解