微型计算机概述

《微机原理及接口技术》

课程简介及要求

1.课程性质及教学目的

《微机原理与接口技术》是理工科相关专业

学生的一门重要的专业技术基础课程，也是学

习和掌握微机硬件知识、汇编语言程序设计的

入门课程。

课程的任务是帮助学生掌握微机的硬件组成

及使用；学会运用汇编语言进行程序设计；建

立起计算机体系结构的基本概念；具备一定的

开发能力，为后继的软、硬件课程做好基础。

联系方式:理科楼L1631,Email：1012078382@qq.com

《微机原理及接口技术》

课程简介及要求

2.课程教学安排

A理论学时：56学时

A实验学时：（56含？）学时

A考核：平时成绩（30%）：由出勤、听课及作业等

情况综合评定；期末考试（70%）：笔试

-每周第一次课交作业；作业本，抄题；除了姓名，

请在作业本上写上学号。

3.参考教材：马义德等，微型计算机原理及应用，高等

教育出版社，2011

4.答疑安排：邮件、QQ、课间、办公室

《微机原理及接口技术》

课程简介及要求

5.教材内容体系结构

>基本知识与基本概念

■计算机的基本结构与工作原理

■微处理器与微型计算机的概念

・微型计算机系统组成及其应用

■计算机中的数据表示、数制与编码的应用

>8086/8088微处理器

•微处理器内部结构

•存储器和I/O组织

•总线周期与操作时序

《微机原理及接口技术》

课程简介及要求

»指令系统与汇编语言

•指令的概念与寻址方式

•8086指令系统介绍

・汇编语言格式、基本表达、伪指令介绍

・汇编语言源程序的建立、编辑、运行、调试

»微机接口技术及应用

•中断控制系统

•并行接口

•串行接口

•DMA控制技术

•定时器/计数器

•A/D及D/A接口

微型计算机系统概述

本章主要教学内容

＞微处理器的产生和发展、微处理器系统

A微型计算机的特点、分类及性能指标

＞微型计算机系统的软、硬件组成情况

＞计算机中的数制及其转换

＞无符号数和带符号数的表示方法

AASCII码、BCD码的相关概念和应用

1.1计算机的发展简介

一、计算机的发展历史

1.第一台电子计算机

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电

子数字计算机：“埃尼阿克”（ENIAC,即Electronic

NumericalIntegratorandCalculator,电子数字积分计算机）。

重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约

40万美元。采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容,

研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。

ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没

有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。

2.冯•诺依曼结构计算机

1946年6月，美籍匈牙利科学家冯・诺依曼(JoheVon

Neumman)提出了“存储程序”的计算机设计方案。

其特点是：

•采用二进制数形式表示数据和计算机指令。

■指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行

指令。

•由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分

组成计算机硬件。

工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。

按照这一原理设计的计算机称为冯・诺依曼型计算机。

冯・诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基

础，被誉为计算机发展史上的里程碑。

冯•诺依曼计算机的基本结构

各部分的主要功能：

(1)输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键

盘、鼠标器和扫描仪等。

(2)输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如

显示器和打印机。

(3)存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可

与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算

机中各种信息存储和交流的中心。

(4)运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算

术逻辑部件ALU(ArithmeticandLogicUnit)。

(5)控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各

部件的操作，使其协调一致地工作。

计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，

它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另

一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种

操彳乍命令。

二、计算机的工作原理

1.存储程序原理

把事先编制好的由计算机指令组成的程序存放到

存储器内，计算机在运算时依次取出指令，根据指令

的功能进行相应的运算，这就是存储程序原理。

2.程序的自动执行

程序在执行前先装入内存储器，CPU负责从内存

中逐条取出指令，分析识别指令，最后执行指令，从

而完成一条指令的执行周期。

程序的执行流程：

取指令一分析指令一执行指令。

三、微型计算机的性能指标介绍

位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。

字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。

字节(Byte)：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。

字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。

主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。

访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元个数。

基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。

可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。

兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。

性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。

四、微型计算机的分类

1.按照CPU的字长来分类

有4位、8位、16位、32位、64位微型计算机等。

2.按照微处理器器件的工艺来分类

可分成MOS工艺、双极型TTL工艺的微处理器。

3.按照微型计算机的利用形态来分类

有单片机、单板机、位片机、微机系统等。

五、微处理器(CPU)的产生和发展

将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成

电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器。

按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了几代的演变：

＞第一代(1971年〜1973年)：4位和8位低档微处理器

典型：Intel8008

＞第二代(1974年〜1978年)：8位中高档微处理器

典型(Motorola)MC6800、(Intel)8080＞(ZIL0G)Z80

＞第三代(1978年〜1980年)：16位微处理器

典型(Motorola)MC68000＞(Intel)8086/8088

(ZIL0G)Z8000

＞第四代（1985年〜2000年）：32位微处理器

典型：（Intel）80386DX、80486以及Pentium系列、

（AMD）K5/6/7等。

PII首次引入MMX技术。

＞第五代（2001年以后）：64位微处理器

典型：（AMD）Athlon64、（Intel）Itanium系列。

＞基本上每两三年就有更新产品出现。微处理器的集成度每隔

18-24个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍（摩尔

定律）。

一

发

表

字长线宽晶体管数时钟频率速度

年

代份型号

(bits)(pim)（万个）（MHz）(MIPS)

1971440040.2

-----50<10.05

1972880080.3

197488080200.52-40.5

19788086/80882.94.77-10<1

16乙o

198280286138-201-2

19858038627.512-336-12

四321-2

19898048612025-6620-40

五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200

1995P/Pro0.6550133-200

1996P/MMX0.6450166-233

六199732PII0.35750233-450>300

1999PHI.25-.13850450-1200

2001P4.18-.1330001300-3000

CPU:2.5K800(20条指令/

七200264Itanium0.08>3000

Cache:30K时钟周期）

摩尔定律(TheLawofMoore)

.：.1965年，有一天摩尔发现集成电路上能被集成的晶体管数目，以每年翻一

番的速度稳定增长。这一发现发表在当年第35期《电子学》杂志上，并预

言在今后数十年内保持着这种势头。

。当时，集成电路问世才6年。摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集

成在一个芯片上。摩尔当时的预测听起来好像是科幻小说；此后也不断有技

术专家认为芯片集成的速度“已经到顶”。但事实证明，摩尔的预言是准确

的。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近1

8个月，但“摩尔定律”依然有效。目前最先进的集成电路已含有17亿个

晶体管。摩尔定律神奇地灵验了三十多年，连摩尔自己也惊讶不已。

。摩尔的这个预言，是他一生中最为重要的文章。这篇不经意之作也是迄今为

止微电子产业历史上最具意义的论文。它给了微电子技术人员和投资商以

极大的信心八

transistors

Intel公司CPU的发展摩尔(G.Mq2a

摩尔定律(TheLawofMoore)

❖Min.transistorfeaturesizedecreasesby0.7Xeverythree

years-Trueforatleast30years!

-Intel公司前董事长GordonMoore首次于1965提出。

。后人对摩尔定律加以扩展，集成电路的发展每三年：

-工艺升级一代；

-集成度（单位面积内可容纳的晶体管数目）翻二番；

-特征线宽约缩小30%左右；

-逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30%。

10um

集成电路的特征尺寸：1

40nm-*32nm->28nm->2011111->lxnm

f?量子效应；

集成电路光刻费用也急剧增加。

0.01

19801985199019952000200520102015year

NoExponentialisForever:ButForeverCanBeDelayed

六、从Intel8088/8086学起的原因

>Intel-32位微机结构是完全兼容的；

>8088/8086是Intel80x86系列芯片的基础；

>构造一个小型系统,要采用8086(8088)；

>PC机的存储器容量已经很大，但是基本存储单元的基本工作

原理没有变；构成存储器的原理没有变；存储器与CPU的接

口原理、接口方法也没有变；

>PC机的外设越来越丰富，但是PC机与外设的接口方法(技术)

没变；中断的工作原理及中断处理方法也没变；

>PC机主板上已用两块专用芯片代替以前大量的接口芯片和中

小规模集成电路。但是它们仍然具有8255A、8250、8353

(8254)、8259和8237等芯片的作用。并且在自行构造系统

时，仍然要使用这些通用的接口芯片。

>重要的是基本原理。

1.2计算机中的数据表示

数字编码

转化

信息一》二进制代码形式流通、处—＞信息

O

O

计算机内部

处理

1.2计算机中的数据表示

一、数制：用一组数字和一套统一的规则来表示数目

1.数的表示

任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之

和。

n1n2n3m

N=dn_1b_+dn_2b_+dn_3b-+……d_mb-

式中：n——整数的总位数。

m---小数的总位数。

d下标——表示该位的数码。

b——表示进位制的基数（=10,16,8,2等）。

b上标——表示该位的位权。

计算机中为什么要采用二进制？

在计算机中任何信息均采用二进制，计算机内部存

储、处理的只有0和1组成的代码。主要原因如下：

1）二进制在计算机中容易实现（只需二种状态）；

2）运算简单；

如：十进制的乘法运算，九九表有100条法则，而二进，

制只有4条法则:0X0=0,0X1=0,1X0=0,1X1=1。

3）便于计算机实现逻辑运算；

“1、两种状态刚好与“真、假”、“是、非”对应。

2.计算机中常用的进位计数制

计数制基数数码进位关系

二进制20、1逢二进一

八进制80、1、2、3、4、5、6、7逢八进一

十进制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十进,

十六进制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9

A、B、C、D、E、F逢十六进一

在计算机应用中引入十六进制数主要是为了书写和使用上的方便，在计算

机内部信息处理仍是二进制数。

3.计数制的书写规则

(1)在数字后面加写相应的英文字母作为标识。

如：二进制数的100可写成100B

十六进制数100可写成100H

(2)在括号外面加数字下标。

如：(1011)2表示二进制数的1011

(2DF2)16表示十六进制数的2DF2

4.数制之间的转换

(1)十进制整数转换为二进制整数

采用基数2连续去除该十进制整数，直至商等于“0”为止，

然后逆序排列余数。

(2)十进制小数转化为二进制小数-

连续用基数2去乘以该十进制小数，直至乘积的小数部分等

于“0”，然后顺序排列每次乘积的整数部分。

(3)十进制整数转换为十六进制整数

采用基数16连续去除该十进制整数，直至商等于“0”为止,

然后逆序排列所得到的余数。

(4)十进制小数转换为十六进制小数

连续用基数16去乘以该十进制小数，直至乘积的小数部分

等于“(T,然后顺序排列每次乘积的整数部分。

(5)二、十六进制数转换为十进制数

用其各位所对应的系数，按“位权展开求和”的方法就可

以得到。其基数分别为2、16。

(6)二进制数转换为十六进制数

从小数点开始分别向左或向右，将每4位二进制数分成1组,

不足4位的补3然后将每组用一位十六进制数表示即可。

(7)十六进制数转换为二进制数

将每位十六进制数用4位二进制数表示即可。

二进制

一位分四位法

【例1】将十进制整数（105）I。转换为二进制整数

,采用“除2倒取余”的方法，过程如下：

2105

余数为1

余数为0

2|13余数为0

2L_6_余数为1

2|3余数为0

余数为1

余数为1

所以，（105）(1101001)

【例2】将十进制小数(0.8125)I。转换为二进制小数，

采用“乘2顺取整”的方法，过程如下：

0.8125X2=1.625取整数位1

0.625X2=1.25取整数位1

0.25X2=0.5取整数位0

0.5X2=1.0取整数位1

所以，(0.8125)=(0.1101)

J1L0，?

如果出现乘积的小数部分一直不为“(F,则可以根据

精度的要求截取一定的位数即可。

【例3】将十进制整数(2347)I。转换为十六进制整数，采

用“除16倒取余”的方法，过程如下:

16|2347

16|146余数为11(十六进制数为B)

16I9余数为2

0余数为9

所以，(2347)io=(92B)

【例4】将二进制数(1001.101)2转换为十进制数:用其

各位所对应的系数，按“位权展开求和”的方法就可以

得到，二进制的基数为2。

(1001.101)9=1*23+0*22+0*21+1*20+

1*2-1+0*2-2+1*2-3

=8+0+0+1+0.5+0+0.125=9.625

所以，(1001.101)=(9.625)

乙,J1LU0

同理，十六进制数转换为十进制数，按权相加

二、机器数

在算术运算中，数据是有正有负的，将这

类数据称为带符号数。

为了在计算机中正确地表示带符号数，通

常规定每个字长的最高位为符号位，并用。表示

正数，用1表示负数。这种把一个数及其符号在

机器中的表示加以数值化，称为机器数。机器

数所代表的数称为数的真值。

如果最高位不当作符号，而是数值位，则

称为无符号数。

1.原码

正数的符号位为0,负数的符号位为I,其它位按照一般

的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的

原码。特点：对应关系简单；。的编码不唯一，处理运算不方便。

【例1】当机器字长为8位二进制数时：

X=91D=+1011011B[X]原码=oionoiiB

Y=-91D=-1011011B[Y]原码=1101101IB

[+1]原码=00000001B[―1]原码=10000001B

[―123原码=iuinnB

[+127]原码=ominiB

原码表示的、整数范围是：

—（2A1一1）〜+（2"1一1）其中n为机器字长。

则：8位二进制原码表示的整数范围是一127〜+127

16位二进制原码表示的整数范围是一32767〜+32767

【例2】。的原码表示方法（设机器字长为8位）：

X=+0000000[+0]原码=00000000B

Y=-0000000[-0]原码=10000000B

2.反码

对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，

负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。

【例3】当机器字长为8位二进制数时：

X=+10U011[X]原码=01011011B[X]反码=01011011B

Y=-1011011[Y]原码=U0n011B[Y]反码=10100100B

[+i]反码=OOOOOOOIB[—i]反码=ininioB

[+127]反码=011innB[―127]反码=10000000B

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。

【例4】0的反码表示方法（设机器字长为8位）：

[+0]原码=00000000B[+°]反码=00000000B

[-0]原码=10000000B[-0]反码=nnnHB

3.补码

补码是在“模”的概念下导出的。

模是指一个计量系统的计量范围，即产生溢出的量或者周期。

现在是北京时间5点整，而需要指向3点时钟，办法有:

5-2=3（逆时针）5+10=3（顺时针12自

动丢失。12就是模）

3.补码

正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位

加1。计算机中的数均为补码形式。

【例5】(1)X=+1011011(2)¥=-1011011

(1)根据定义有：［X］原码=01011011B［X］补码=01011011B

(2)根据定义有：［Y］原码=nononB［Y］反码=10100100B

［Y］补码=10100101B

补码表示的整数范围是一2官〜+(2^-1),其中n为

机器字长。

则：8位二进制补码表示的整数范围是一128〜+127

16位二进制补码表示的整数范围是一32768〜+32767

当运算结果超出这个范围时，就不能正确表示数了，

此时称为溢出。

【例6】。的补码表示方法（设机器字长为8位）:

[+0]原码=00000000B[+0]补码=00000000B

[_0]原码=10000000B[-0〕补码三1S00000000B

＞补码与真值之间的转换

正数补码的真值等于补码的本身；负数补码转换为其真值时，将负数

补码各位按位求反，末位加1,即可得到该负数补码对应的真值的绝对值。

【例7][X]补码=01011001B,[X]补码=11011001B,分别求其真值X。

(I)[X]补码代表的数是正数，其真值：

X=+1011001B

=+(1X26+1X24+1X23+1X2°)

=+(64+16+8+1)

=+(89)D

(2)[X]补码代表的数是负数，则真值：

x=-([1011001]求反+1)B

=-(0100110-H^B

=-(0100111)B

=-(39)D

(3)[10000000]补码代表的真值是一128

＞补码在微型计算机中的应用

1.在进行数的加减运算中，对于原码和反码都必须单

独考虑符号位，但补码则不需要。

【例8][X]补码=01011001B,[Y]补码=11011001B，

求二者之所。

[S]补码=[X]补码+[Y]补码=1：00110010B

X=89DY=-39DS=50D

2.减法运算可以转换为加法运算。

【例9】求5-10的值

5-10=5+(-10)=[5]补码+[-10]补码=1111101.=[-5]补码

4.移码

对补码的符号位取反，可得到移码。

【例10］(1)X=+1011011(2)¥=-1011011

(1)根据定义有：［X］补码=01011011［X］移码=nonon

(2)根据定义有：［Y］补码=10100101［Y］移码=00100101

A移码与真值之间的转换

(先变为补码)

三、计算机中实数的表示方法

计算机需要进行小数运算以及大整数运算时，表

示这类数据有两种格式：

>定点格式

浮点格式

1.定点格式

人为规定小数点的位置，且一旦规定后小数

点位置就不能改变。

【例11】当机器字长为8位二进制数时，人为规

定最低两位为小数部分。计算X=11001110所

代表的真值。

X=110011.10=51.5D

2.浮点格式

机器中小数点位置可变。通常的格式为:

N=Re

N为要表示的实数；

R称为基数，机器码中R=2；

e为指数，是一个整数，也称阶码；

m称为尾数，是带符号数，且是纯小数。

＞浮点数的规格化

（浮点数的尾数如果不为0,其绝对值必须大于等于0・5）

IEEE754标准的32位浮点数

数符S阶码E尾数M

(31)(30〜23)(22-0)

»无论是32位还是64位浮点数，基数R均规定为2；

S是符号位，占1位；S二0表正数，S二1表负数；

E是阶码，占用8位，阶符采用隐含方式；

IEEE754标准中阶码E用移码表示，隐含了阶符；尾数M用规格

化后的尾数表示。

四、数字信息编码

BCD(Binary-CodedDecimal)码又称为“二一十进制编

码”，专门解决用二进制数表示十进数的问题。最常用的是

8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数，自左至

右每一位对应的位权是8、4、2、1。

1.压缩BCD码

每一位数采用4位二进制数来表示，即一个字节表示2位十

进制数。例如：十进制数89D,采用压缩BCD码表示为：

10001001

2.非压缩BCD码

每一位数采用8位二进制数来表示，即一个字节表示1位十

进制数。而且只用每个字节的低4位来表示0〜9,高4位为0。

例如：十进制数89D,采用非压缩BCD码表示为：

0000100000001001

3、字符编码

ASCH码是美国信息交换标准代码的简称，用于给西文字

符编码；包括英文字母的大小写、数字、专用字符、控制字符

等；这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128种字符

（用8位二进制数表示一个字符，最高位为0）；

各种字符和符号必须用二进制编码才能在机器中表示。

在ASCII码中，按其作用可分为：

A34个控制字符；

A10个阿拉伯数字

A52个英文大小写字母；

A32个专用符号

高位MSB

低位LSB01234567

000001010011100101110111

00000NULDLESP0@PP

10001SOHDC1■I1AQaq

20010STXDC22BRbr

30011ETXDC3#3cScs

40100EOTDC4$4DTdt

50101ENQNAK%5EUeu

60110ACKSYN&6FVfV

70111BELETBf7GWgw

81000BSCAN(8HXhX

■

91001HTEM)9IY1y

■

A1010LFSUB*■JZJz

■I

B1011VTESC+rK[k

/

C1100FFFSwL\II

D1101CRGS——MJm1

E1110SORS*>NTn

F1111SIUS/9■040DEL

4、汉字编码

汉字编码中有内码、字模码和外码三种类型。

名称内码字模码外码

占用字节数2若干

用途计算机内部汉字的显示输入

存储、交换处理汉字汉字

1.3微型计算机系统的组成

一、微型计算机系统的一般结构

微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大

部分组成：<

微处理器

-微计算机;内存储器

I/O接口电路

硬件Y'系统总线

外围设备｛外部设备

过程I/O通道

f监控程序

操作系统

/系统软件,编辑程序

解释程序

编译程序

〔诊断程序

软件（［机器语言

程序设计语言汇编语言

〔高级语言

'应用软件：软件包，数据库

微机系统组成运算器

厂微处理器控制器

RAM

内存储器

主机〔ROM

输入/输出接口电路

数据总线

＜系统总线

.硬件＜地址总线

控制总线

外围设备--键盘/显示器、打印机、磁带机、磁盘

机、D/A、A/D转换器

微型计算机系统（

「监控程序、操作系统

汇编程序

「系统软件