第1章计算机基础08

城第1章计算机基础

微机原理与接口技术

■课程的性质：

《微机原理与接口技术》课程是电子信息

科学与技术专业的一门专业技术课。

■教学目的：

掌握微机系统的结构及工作原理，掌握汇

编语言程序设计的基本方法，掌握接口技术及

其应用，培养设计和开发计算机硬件、软件应

用系统的能力。

1

军第1章计算机基础

先修课程：

*《大学计算机基础》

*《高级语言程序设计》

*《数字逻辑》

理论课：60学时

共72学时（4.5学分）

实验：12学时

课程设计：1周（1学分）

2

城第1章计算机基础

教学内容

第1章计算机基础

第2章8086/8088微处理器

第3章8086/8088的指令系统及汇编语言程序设计

第4章微机的存储器

第5章微型计算机和外设的数据传输

第6章串并行通信和接口技术

第7章中断控制器和计数器/定时器

第8章模/数和数/模转换

第9章32位微型计算机系统简述

，主要参考书《IBM-PC汇编语言程序设计》（第.

2版）沈美明编著清华大学出版社2001年9月\菱

3

卷第1章计算机基础

第1章计算机基础

1.1计算机的基本原理与组成

1.2计算机的工作流程

1.3计算机中的数制与码制

1.4微型计算机概述

4

不第1章计算机基础

1.1计算机的基本原理与组成

1.计算机工作的基本原理

2.计算机的基本部件

3.计算机的硬件典型结构

5

械第1章计算机基础

1.计算机工作的基本原理

计算机工作的基本原理：存储程序、程序控制

>冯・诺依曼(JohnVonNeumann)在1945年领

导设计EDVAC计算机的过程中提出的。奠定

了现代计算机的基本结构思想，到目前为止,

绝大多数计算机仍沿用这一结构，称为冯・诺

依曼机结构。

6

7第1章计算机基础

1）冯・诺依曼机基本特点

＞计算机有五大基本部件组成

＞采用存储程序方式

＞数据以二进制码表示

＞指令由操作码和地址码组成

＞由PC指明要执行指令所在的单元地址，PC

值自动增'『且可按某些条件改变。

＞机器以运算器为中心

■突破：机器以存储器为中心

7

不第1章计算机基础

2）计算机工作过程的实质

＞计算机之所以能在没有人直接干预的情况下,

自动地完成各种信息处理任务，是因为人们

事先为它编制了各种工作程序，计算机的工

作过程，就是执行程序的过程。

8

城第1章计算机基础

3）存储程序

＞程序是由一条条指令按序组合而成的，而指令

是以二进制代码的形式出现的，把执行一项信

息处理任务的程序代码，以字节或字为单位，

按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内,

这就是存储程序的概念。

9

械第1章计算机基础

I4）程序控制

■计算机工作时，CPU中的控制器部分，按照程

序指定的顺序（由PC引导），到存放程序代

码的内存区域中去取指令代码，在CPU中完成

对代码的分析，然后，由CPU的控制器部分依

据对指令代码的分析结果，适时地向各个部件

发出完成该指令功能的所有控制信号，这就是

程序控制的概念。

10

彳第1章计算机基础

2.计算机的基本部件

11

骞第1章计算机基础

1）存储器

A功能：存放程序

与数据。

程序是计算机操

作的依据；数据

是计算机操作的

对象。

＞三级存储系统

高速缓存一内

存一外存

12

城第1章计算机基础

＞内存由若干个存储单元组成，每个单元存放若

千位二进制信息。为了区分不同的存储单元，

通常把全部单元进行统一编号，此编号称为存

储单元的地址，它用二进制编码表示。

＞存储单元存入或取出信息，称之为访问存储器,

即对存储器进行写入或读出操作。通常，读出

时，被读出的存储单元的内容不变；写入时，

被写入的存储单元原有内容被破坏而代之以新

写入的内容。

13

械第1章计算机基础

I2)运算器

>一种执行部件，主要完成信息的加工处理。

>由算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicalUnit)

和一系列寄存器组成。

•ALU是完成算术逻辑运算的部件，它的核心

是加法器。

•寄存器用于存放参加运算的操作数、运算的中

间结果和最终结果。寄存器的存取速度比存储

器的存取速度快得多。

14

械第1章计算机基础

3)输入设备——

＞输入设备(InputEquipment)是用户给主机提

供信息的装置。该装置一般具有信息转换和数

据传送功能。

＞如用户提供的图像、声音等原始信息，输入设

备具有将它们转换为计算机所能识别的二进制

代码并传送给计算机的能力。

15

械第1章计算机基础

4)输出设备——

＞输出设备(OutEquipment)是接受计算机处

理结果的装置。该装置能将二进制代码转换为

用户所能识别的信息形式。

・输入/输出设备多是电子和机电混合的装置，

与运算器、存储器等电子部件相比，速度较慢。

・输入/输出设备与主机连接需要通过接口电路。

16

不第1章计算机基础

5）控制器

＞计算机的控制和指挥中心，负责对指令进行译

码产生一系列控制信号指挥和协调计算机各部

件工作。

＞两种类型的控制器：

•组合逻辑控制器

•微程序控制器

17

不第1章计算机基础

3.计算机的硬件典型结构

■一种典型的计算机硬件系统结构是单总线结构——用

总线将各部件连接起来。

18

城第1章计算机基础

＞总线是一组能为多个部件分时共享的信息传送

线，用来连接多个部件，并为之提供信息交换

通路。

＞总线的特点是具有共享性和分时性。

＞所谓共享性是指连接在总线上的部件都可通过

总线传递信息。

＞所谓分时性是指在某一时刻总线只允许一个部

件送数据到总线上，即因分时而实现共享。

19

翳第1章计算机基础

1.2计算机的工作流程

1.模型计算机的结构

2.计算机工作的基本流程

20

二第1章计算机基础

存储器

1.模型计算机的结构

微操作控制信号

▲▲▲▲CPU

•••MAR

控制逻/辑阵列

存

储

PC

I/D

L+

MDR

/IRZ\

系统总线（BUS）*注：I/O接口电路在图中省略耒

21

二第1章计算机基础

1）存储器

RD

-控

W制000

/R逻

辑

FFF

数据寄存器

22

械第1章计算机基础

2)CPU

(1)程序计数器PC

>PC是用来提供下一条要执行的指令的地址。组

成程序的指令序列一般是顺序存放于主存连续

单元中，在程序顺序执行时，由PC自动增1功

能提供下一条指令的地址，若遇跳转指令，则

由指令的地址码字段经地址形成部件形成下一

条指令地址送PC,从而改变程序执行的流向。

23

城第1章计算机基础

(2)指令寄存器IR

>IR用来存放当前从内存中取出的指令。当指令

从内存中取出，为了分析它的操作性质及操作

数所在的地址，必须将它存放于IR中，直到被

下一条取出的指令所取代。

(3)指令译码器ID

>ID的功能是对存放IR中的操作码进行译码。经

ID输出的一系列控制电位反映该指令的操作性

质。

*

24

械第1章计算机基础

(4)控制逻辑阵列PLA

>一种微操作信号发生器

>一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本

的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为

微操作。

>微操作信号发生器的功能是根据ID译码结果

和时序信号及状态标志，产生各种微操作控制

信号，以便正确地建立数据通路，完成取指令

和执行指令的控制。

25

第1章计算机基础

(5)ALU：完成算术、逻辑运算

(6)累加器A：存放计算的结果和操作数

(7)标志寄存器FR：存放状态标志和控制标志

26

不第1章计算机基础

2.计算机工作的基本流程

指令周期

27

城第1章计算机基础

计算机的工作过程是执行程序的过程。

程序是为求解特定问题而设计的指令序列，

所以计算机的工作过程就是按照给定次序执

行一系列指令的过程。

执行一条指令可以分成二个阶段进行：

取指令(fetch)和执行指令(execute)。

计算机的工作过程是反复取指和执指的过程。

28

彳第1章计算机基础

■例：指令ADD3；(A)+(03H)nA

OOH

PCf01H000100111）取指令

02H2）执行指令

03H00000101

04H

29

不第1章计算机基础

1.3计算机中的数制与码制

1.数值型数据的表示

2.数的编码表示及补码运算

3.数的定点和浮点表示

4.数字和字符编码

30

V第1章计算机基础

1.数值型数据的表示

1）进位计数制

2）不同数制间的数据转换

3）二进制运算

31

y第1章计算机基础

1）进位计数制

■采用位权表示法表示，有权的基R数制的数为:

>D=ZD1*Ri

（i=n-1、・・・、1、0、-1、-2、.・・、-k）

R：基

Ri：位i的权

D”位i的基本符号

n：整数部分的位数

k：小数部分的位数

32

不第1章计算机基础

2)不同数制间的数据转换

例：(AD.4)16=(10101101.0100)2

=(255.2)8

=(173.25)1。

例J：(135.8125)1O=(1OOOO111.11O1)2

=(207.64)8

=(87.D)i6

33

书第1章计算机基础

3）二进制运算

■算术运算：+、-、*、

■逻辑运算：与、或、非、异或（按位运算）

34

翳第1章计算机基础

2.数的编码表示及补码运算

1）无符号数和带符号数

2）机器数的三种表示方式

3）补码加减法运算及运算结果的溢出判断

35

城第1章计算机基础

1）无符号数和带符号数

■无符号数

Nl=01101表示十进制数13

N2=10011表示十进制数19

■带符号数

Nl=01101表示十进制数+13

N2=10011表示十进制数-3/-13/-12

A机器数：数在计算机中的表示形式，正号用“0”

表示，负号用“1”表示。

真值：用"+"、”「符号表示的原值。

＞机器数的三种表示方式：

原码、补码及反码

36

不第1章计算机基础

2）机器数的三种表示方式

■纯小数X的机器数为X0.X1X2.・.Xn,

字长为n+1位，X0为符号位。

■整数为X的机器数为XnXn-lXn-2…X1X0,

字长为n+1位，Xn为符号位。

37

骞第1章计算机基础

(1)原码

①定义

LX0<X<1

凶原=Y

Li-x=i+|x|-1<X<0

「X0<X<2n

凶原二Y

2n-X=2n+|X|-2n<X<0

38

不第1章计算机基础

②说明：

>［汉原=符号位+|X|

>0有两种表示形式

>实现加减运算较复杂

39

械第1章计算机基础

(2)补码

①模

＞数学上把一个计量系统的测量范围称为“模”。

＞设X和Y两个数，以M为模，若满足

X=Y+KXM(K为整数)，则称Y是X对模M

的补数。记作：

X=Y(modM)

＞例如：时钟系统，其模为12。

10=-2+12

10—2(mod12)

40

械第1章计算机基础

＞利用对模M的补数，减法运算可转换为加法运算。

•例如：针对时钟系统，有下式成立：

8-2=8+10(mod12)

＞在计算机中，机器数具有一定的范围，属于有模

运算。

•例如：当机器数位数为8时，只能表示256个

不同的定点数，其模为256。有下式成立：

32-23=32+233(mod256)

•计算机中将X对模M的补数称为X的补码。

41

申第1章计算机基础

②补码的定义

XO<X<1

凶补=Y

L2+X=2-|X|-1<X<O(mod2)

「X0<X<2n

凶补=<

L2n+1+X=2n+1-|X|-2n<X<0(mod2n+1)

42

翳第1章计算机基础

I③说明

>［X］补=模*符号位+X

>负数补码的实质是把负数'映射'到正数域

>0有唯一编码［+0］补=0.0000

>补码的移位规则是：

•左移：高位移出，低位补0,若移出的数值

最高位与符号位不同，发生溢出。

­右移：低位移出，高位补符，移出时进行

舍入操作。

43

械第1章计算机基础

＞补码的填充规则是：

•定点小数：符号位不变，在数值位的末位

后面补足0。

・定点整数：符号位不变，在符号位后用数

符补足所需的位数。

＞补码加减运算规则：

•［X+Y］『［X］补+［Y］补

•［X-Y］补=［X］补+［-Y］补

＞［-Y］补被称为［Y］补的机器负数。

44

骞第1章计算机基础

(3)反码

①反码的定义

「XO<X<1

[X]反一

L(2-2-n)+X-1<X<O(mod2-2-n)

「X0<X<2n

[X]反=1

I(2n+1-l)+X-2n<X<0(mod2n+1-l)

45

翳第1章计算机基础

②说明：

>0有两种表示形式

>实现加法运算时，若最高位有进位，需要把

该值加到最低位上，才能得到正确结果

46

等第1章计算机基础

3)补码加减法运算及运算结果的溢出判断

(1)补码加法运算

(2)补码减法运算

(3)补码运算结果的溢出判断

47

书第1章计算机基础

(1)补码加法运算

■补码加法运算公式：出+丫］补=［如补+［Y］补

■补码加法运算特点：

＞符号位作为数的一部分参加运算

＞符号位向上的进位丢失

48

不第1章计算机基础

例如:X=0.1010>Y=0.0011,求X+Y

解：［X］补=o.ioio,［Y］补=o.oon

［X］补0.1010

+［Y］补0.0011

［X+Y］补0.1101

・•・X+Y=+0.1101

49

翳第1章计算机基础

例如:X=+O.ion、Y=-0.如01,求X+Y

解：凶补=o.iou,[Y]补=i.ion

[X]补0.1011

+[Y]补L1011

[X+Y]补0.0110

・•・X+Y=+0.0110

50

翳第1章计算机基础

(2)补码减法运算

■补码减法运算公式：区-丫］补=［耳补+［-Y］补

例如：X=+0.0110,Y=+0.1101,

求X-Y

解：［X］补=o.ouo,［-Y］补=i.oon

［X］补0.0110

+［-Y］补1.0011

［X：YJJ1.1001

・•・x-Y=-o.oin

51

彳第1章计算机基础

(3)补码运算结果的溢出判断

①溢出概念

例，X=+().10H，Y=+0.1001，求X+Y

解；［Xl^=0.1011,【珊=0.1001

0,1011

0.1001

［X+Y

例，X=-0.110bY=-0.101b求X+Y

解：⑻补=1.0011,=1.0101

,；鬻：［；：；两个负数相加的结果成为正数

T11J|p1.U1U1________________________________________________________________

52

城第1章计算机基础

■在确定了运算字长和数据的表示方法后，机

器所能表示数值的范围也就相应确定了，一

旦运算结果超出了这个范围，就会产生溢出。

■两个正数相加，结果大于机器所能表示的最

大正数，称为上溢或正溢。而两个负数相加,

结果小于机器所能表示的最小负数，称为下

溢或负溢。

53

翳第1章计算机基础

②溢出判别方法

设：被操作数[Xb『Xs,XlX2.・・・・,Xn

操作数[Y/=Ys,YlY2.・・・・.Yn

操作（和或差）结果[S]#=SS9S1S2.・・・・.Sn

方法1：单符芝仪判别法

>当XSYS§S+NSTSSS=1,产生溢出

负溢正溢

54

骞第1章计算机基础

方法2：双进位判别法

>Cs：符号位产生的进位

>C1：最高数值位产生的进位

>当CsG+CsCl=l,产生溢出

一丁一.一丁一.

负溢正溢

55

翳第1章计算机基础

方法3：双符号位判别法

＞运算结果的两符号位相异时，表示溢出；

相同时，表示未溢出。

S1S2=O1,正溢；S1S2=1O,负溢。

＞双符号位补码相加的结果，不论溢出与否,

最高符号位始终指示正确的符号。

56

翳第1章计算机基础

例如：X=+0.1100,Y=+0.1000

求：X+Y

解：［X］补=00.1100

［Y］补=00.1000

［X］补00.1100

+［Y］补00.1000

［X+Y］补01.0100

S1S2=OL表示结果正溢，即结果大于1。

57

彳第1章计算机基础

例如：X=-0,1100,Y=-0.1000

求：X+Y

解：［X］补=11.0100

［Y］补=11.1000

［X］补11.0100

+［Y］补1L1000

［X+Y］补10.1100

S1S2=1O,表示结果负溢，即结果小于-1。

58

械第1章计算机基础

3.数的定点和浮点表示

■定点数：指计算机在运算过程中，数据中小数

点的位置固定不变。

■浮点数：指计算机在运算过程中，数据中小数

点的位置是浮动变化的。

1)定点数

2)浮点数(1)浮点数的表示范围

(2)规格化浮点数

(3)机器0、上溢、下溢

59

不第1章计算机基础

1）定点数原码表示范围-（l-2-n）〜（1-2-n）

补码表示范围：-1〜（1-2F）

数

小数点位置（隐含）

符

原码表示范围-Qn-1）〜（2n-1）

补码表示范围：-2n〜（2叱1）

数

小数点位置（隐含）

符

60

不第1章计算机基础

2）浮点数

N=MxRE

1位4----n+1位---------m位

Ms阶码E尾数M

定点整数（移码或补码）定点小数（原码或补码）

决定数的表示范围决定有效数字的精度

61

彳第1章计算机基础

(1)浮点数的表示范围(设两部分皆用补码表示)

最大正数：

(l-2-m)x22%001...111...11

最小正数：

2-mX2-2n010...000...01

绝对值最大的负数:

-1X22M101...100...00

绝对值最小的负数:

-2-mX2中110...011...11

62

不第1章计算机基础

（2）规格化浮点数

>尾数最高数位必须是一个有效值

1/R<|M|<1

>原码0.1XXXX..・・・1.1XXXX.....

•当M=-l/2时是规格化浮点数

>补码0.1XXXX….・1.0XXXX...

•当M=-l/2时不是规格化浮点数

63

不第1章计算机基础

规格化浮点数与非规格化浮点数

＞补码（非规格化）

・最小正数：

2-mx2-2n010.000...01

•绝对值最小的负数：

-2-mx2-2n110.011.1

＞补码（规格化）

・最小正数：

2-1x2-2n010010.......0

•绝对值最小的负数：

（-2-1-2*x2-20110・・・・・・001........1

64

不第1章计算机基础

(3)机器0、上溢、下溢

＞浮点数表示0的问题-----机器0

尾数为0或阶码值小于所能表示的最小值

＞上溢(出错)

阶码值大于所能表示的最大值

＞下溢

阶码值小于所能表示的最小值

65

城第1章计算机基础

例：已知，浮点数格式如下，阶符1位，阶码3位,

契符1位，尾数7位，阶码、尾数均以补码形式表

示，写出x=o.ooooinB的规格化形式。

解：［M］补=0.0000111

规格化后：

尾数［X］补=0.1110000,阶码用］补=［—4］补=1100。

规格化浮点数形式为：

011001110000

数符阶符阶码尾数

66

械第1章计算机基础

4.数字和字符编码——

1）ASCII码（美国标准信息交换码）

＞字符在计算机中的一种表示方式。

＞7位二进制编码表示一个字母、符号，共有128

种组合状态。

＞在机器中一般用一个字节表示，最高位为0或

作为奇偶校验位。

＞包括：

＞控制字符:00H〜1FH、20H、7FH

＞显示字符：20H〜7EH

67

械第1章计算机基础

2）十进制数的二进制编码表示（BCD码）

＞表示方法：

一位十进制数用四位二进制数表示,常采用

8421BCD码.

＞特点：

❖0~9分别用00分,0001,…,1001表示.

❖每组四位二进制数之间是二进制的，组与

组之间是十进制的

＞例：（35）io的8421码是（）？

＞注意运算结果的修正

・1+8=9、4+9=13、9+7=16%年

68

第1章计算机基础

1.4微型计算机概述

L微型计算机的特点和发展

2.微处理器、微型计算机和微型计算机系统

3.微型计算机的结构

4.微机计算机的应用

69

骞第1章计算机基础

1.微型计算机的特点和发展

1）微型计算机的特点

①体积小、重量轻；

②价格低廉；

③可靠性高、结构灵活；

④应用面广。

70

*"第1章计算机基础

2）微型计算机的发展

■微型计算机是第四代计算机的典型代表

>1971年，Intel4004——微型计算机时代。

>微处理器各代的划分依据——字长和速度

71

城第1章计算机基础

＞第1代：4位和低档8位微处理器

.：.4004->4040-8008

❖MCS-4微机、MCS-8微机

>第2代：中高档8位微处理器

❖中档：8080>M6800、MOS6502,

❖高档：8085、Z80>M6809

❖Altair8800>Apple-II微机、TP801

>第3代：16位微处理器

❖8086—8088—80286,Z8000和M68000

❖IBMPC/XT>IBMPC/AT

不第1章计算机基础

>第4代：32位微处理器

80386—>80486—>Pentium—>

Pentiumll—>PentiumIII—>Pentium4

32位PC机

>第5代：64位微机

❖Itanium>64位RISC微处理器芯片

>微机服务器、工程工作站、图形工作站

%，，

73

械第1章计算机基础

2.微处理器、微型计算机和微型计算机系统

1）微处理器

＞微处理器一般也称为CPU,是一块大规模集成电

路或超大规模集成电路芯片，具有运算功能利控

制功能。

＞微处理器内部一般包含：

•算术逻辑部件

•累加器和通用寄存器组

•控制器

（程序计数器、指令寄存器、指令译码器、

时序和控制电路、中断机构）,4

注

74

械第1章计算机基础

＞微处理器一般具有的功能

•算术逻辑运算

•保存较少量数据

•指令译码并执行规定的操作

•与外部交换数据（存储器和外设）

•定时及控制

•响应外部的请求（中断或DMA）

75

械第1章计算机基础

2）微型计算机

＞以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制

作的存储器（ROM和RAM）、输入/输出（

I/O）接口电路及系统总线等所组成的计算机，

称为微型计算机。

＞将这些组成部分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。

3）微型计算机系统

＞以微型计算机为中心，配以相应的外部设备以

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。

76

立第1章计算机基础

微型计算机系统

城第1章计算机基础

3.微型计算机的结构

1）微机的基本结构

BUS

微地址总线AB

总

处

数据总线DB

线

理

形

器控制总线CB

成

子

系存储器I/O接口

统

I/O设备

78

械第1章计算机基础

■地址总线AB

＞输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址

＞地址线的多少决定系统直接寻址存储器的范围

■数据总线DB

＞CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU

＞CPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部

＞数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数

■控制总线CB

＞协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入

状态等信号

＞控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、

适应性等的

79

城第1章计算机基础

■CPU总线：由CPU送出的地址、数据、控制信号

称为CPU总线。

■局部总线：由于负载和控制的需要，CPU总线信

号通过总线驱动器、地址锁存器或数据缓冲器以

及总线控制器后，所形成的新的信号线称为系统

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

80

/第1章计算机基础

例如：PC/XT机

只读存储随机存储器8259

器ROMRAM中断控制

1=1口

地址总线

I/O

数据总线

通

道

控制总线

823782538255

DMA控制器定时控制器并行接口

8284

时钟发生器

系统

盘

键