第1章 微型计算机原理与接口技术

微型黑机

原理与口技术

咏宁

本课程的内容与要求、

1、地位'

计算机相关专业的必修基础课，内容，/

相近的课程：《微机原理》、《计算机组成原\

理》、《计算机接口技术》、《汇编语言》、«

《微机原理与应用》等课程关系紧密，是一门\

重要的专业基础课。\

先修知识：数字电路，计算机文化基础、C'

语言或其它高级语言、二进制及十六进制的运

算、

-2

■

二・一

2、内容：

第1章：基础知识

第2章：计算机（CPU）的基本工作原理

第3、4章：汇编语言

第5章：计算机（存储器）的基本工作原理

第6・9章：接口技术

3、要求：

•不缺课、不迟到，认真听课、勤于思考、温故知新。

•独立完成作业、实验。

•培养兴趣：了解最新发展动态及应用、阅读参考书

（非习题书）

4、考核：作业，考勤、考试

二-3

■

主要参考书

1、计算机等级考试（三级）PC技术

2、Intel微处理器全系列：

结构、编程与接口（第五版）

电子工业出版社（中文版）

3、汇编语言王爽清华大学出版社

第1章基础知识

'・概述

/•计算机中的数制

\•无符号二进制数的算术运算和逻辑

运算

\­带符号二进制数的表示及运算

、•二进制编码

.・常用术语解释

一

1.1.1计算机的发展概况

•电子计算机的发展：

“我认为全世界大概有5台计算机的市场。”

——IBM董事长Thomas,1943

中小规模集成电路计算机时代(1965-1970).

超大规模集成电路计算机时代(1971-今)\

・电子计算机的功能：

数据、文字、字符、图形图像、声音、视频…、

微型计算机是第四代

计算机的典型代表

-7

三、

微型计算机的发展

微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的

微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的

性能也随之提高一倍

微处理器的发展

第一代1971年〜1973年

是微处理器发展的早期阶段：

字长为4位或低档8位，集成度约为2000晶体管/片，微«

理器的主频为1MHz。

•1971年：Intel4004,是世界上第一片单片微处理器

・4位微处理器，寻址空间为4096个半字节,指令系统包书

45条指令

h彳一.

J三一、

S微处通器的发展

第二代1973—1978（成熟的8位微处理器时代）

■1972年：Intel8008,是世界上第一片8位微处理

若冒O

•8008采用了10国11生产工艺，集成度为3500个晶

体管，工作频率为200KHz。

采用机器语言编程，价格

低，主要应用于各种袖珍

、计算器、家电、交通灯控

制等简单控制领域。

-0

微处理器的发展

•1974年：Intel8080采用了6)Lim生产工艺，集成度为6000个\

晶体管，主频为2MHz。*

•1976年：Intel8085-----Intel公司生产的最后一种8位通＜

微处理器，8085的工作频率提高至05MHz,指令系统的指零、

数上升到246条。/

可使用汇编语言及高级语

言编程，广泛应用于数据

处理，工业控制智能仪器

仪表及家电等各个领域。

\微处理器的发展

第三代：（1978年-1983年）16位微处理器时代

•1978年—8086

采用了3RH工艺,集成了29,000个晶体管,工作频率，、

为4.77MHz。它的寄存器和数据总线均为16位,地

址总线为20位,从而使寻址空间达1MB。同时,】

CPU的内部结构也有很大的改进,采用了流水线结

构,并设置了6字节的指令预取队列

•197科一8088（准16位机）

除了它的数据总线为8位以外，其余均与

8086相同。8088采用8位数据总线是为了利

用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088

内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位

,故8088称为准16位微处理器。

•1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世

界上第一台16位微型计算机IBM5150Personal

Computer,即著名的IBMPC

微处理器的发展

80286（1982年4984年）

•采用L5|Lim工艺，集成了134,000个晶体管，工作频

率为6MHz。80286的数据总线仍然为16位，但是土

址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。

•1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机

IBMPC/AT

•80年代中期到90年代初，

80286一直是微型计算机的主

流CPU。

.

微处理器的发展

第四代：（1983年・1993年）32位微处理器时代

80386

•第一个实用的32位微处理器，

采用了l.5|uim工艺，集成了

275,000个晶体管，工作频率达.

到16MHz。80386的内部寄存

器、数据总线和地址总线都是

32位的。通过32位的地址总线

,80386的可寻址空间达到4GB,

o这时由32位微处理器组成的‘

微型计算机已经达到超级小型＜

机的水平。

-5

微处理器的发展

80486（1989年-1992年）

•采用gm工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为

25MHzo80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结

构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个

8KB容量的高速缓冲存储器。80486把80386的内部结构做了

修改，大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原

来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。

、\三

微处理器的发展

第五代：Pentium（1993年——）

•第1代Pentium处理器（以P5代称，1993年）采用

0.8国11工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为

60MHz/66MHz。

:第2代Pentium处理器（以P54c代称，1994年）采用

5.6|uim工艺，工作频率为90MHz/100MHz。

-7

■

•第3代PentiumMMX（以P55c代称1997年）增力口

了57条多媒体指令

•在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技

术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物

表各代微处理需的特点

特点\第一代第二代第三代第四代第五代

1971〜1973年1973〜1978年1978〜1983年1983〜1993年1993年至今

比

IntelIntel80386

Intel8080Pentium586

Intel40048086/8088»80286Intel80486

典型芯片MC6800PentiumPR。

Intel8008MC68000MC68020

Z-80PentiumB等

Z-8000Z-80000

字长4/8位8位16位32位32位

1〜2千5~9千2〜7万15万以上310万以上

芯片集成度

晶体管/片晶体管/片晶体管/片晶体管/片晶体管/片

__.——

时钟频率0.5,〜0.8MHz2〜4MHz5~1OMHz16MHz以上60〜300MHz

数据总线4/8位8位16位32位64位

地址总线4/8位16位20〜24位32位32/36位

4CJB实存4GB实存

存储懿容量W16KBW64KB1~16MB

64TB虚存64TB虚存

指令平均

10〜15/xs1-~2pLS0.5/xs<0.1psV0.02

执行时间

除常规软

汇编语言汇编语言汇编语言件外.操作系

汇编语音

软件水平高级语言高级语育高级语言统功能更强.

机器语言.

操作系统操作系统部分软件固化应用软件工

具丰富

■「计赢的分类

按照微处理器可以处理的字长分类:

•4位、8位、16位、32位和64位机

•4位机

多做成单片机形式：

1—4KBROM64—256BRAM

I/O接口时钟发生器

特点:运算能力弱，存储能力小，无软件开发能

力

台，价格低，使用方便，广泛用于各类袖珍或

建式计算器、家用电器、娱乐产品或简单过程

制。

「0

z--

、按照微处理器处理的字长分类：

，•8位机

,具有较强的通用性，有典型的计算、

机体系结构以及中断，DMA等控制功能，、

\接口标准化，有较齐备的外围配套电路。，

广泛应用于：工业自动化控制、事物管理、

、通信、教育、仪器仪表、家用电器等领

域；8位单片机还被应用于汽车、电子、

、一金能终端等产品中。

\按照微处理器处理的字长分类：/

•16位机(Intel8088/808680286)\

<广泛应用于科学计算机、实时数据处理,/

分布式计算机控制、企业管理、网络和、

、多处理机系统中。，

•32位机(Intel80386、80486)

、广泛应用于科研、生产、办公自动化、

教育管理、网络等社会各领域。

C2

1.2计算机中的数制

、•进位计数制

•不同进制数之间的相互转换

■

一22

一、X

一计数制

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：DD可以省略不用.

二进制数：B

八进制数：Q

十六进制数：H

例：10HB=0BH=H

、1、十进制数

主要特点:

1.有十个不同的数字符号：0,1,2,…9。

、2.逢十进位。

1234.56=1234.56。=(1234.56)

10

IxlO3+2xl02+3X101+4x10°+5xl0-1+6xl0-2

、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.

-一h进制数的基数为10,第1位的权为io，.

、2、二进制数

主要特点：

1.有两个不同的数码：0,1。

2.逢二进位。

二进制数的基数为2,第i位的权为2，.

1101.001B=(1101.001)2

=1X23+1X22+OX21+1X2°+0X2/+0X2-2+1X2-3

=(13・125)io=13.125

、“三'

计算机采用二进制数的原因：

I.物理上容易实现

2.运算规则简单

3.可以用逻辑代数作为设计工具

在计算机中使用二进制数，而书写时

用十六进制数表示。

-、■

二一x.,三

\3、十六进制数

主要特点：

L有十六个不同的数字符号：0,1,2,…9,

A,B,C,D,E,Fo

2.逢十六进位。

十六进制数的基数为16,第，位的权为16，.

A2.3H=10xl61+2xl6°+3xl6-1=162.1875

327H=3xl62+2xl6l+7x16°=807

、4、数制的通用表达式

在任一数制中，某一数的值等于每位数字(D)

乘以其权(Ri)所得到的乘积之和。

数值=Z数码X权

\

1X

数值=Dn“Rnl+DgR2+……+D0R°+DjR+....+

、其中〃：基数

Di：第i位数值

、・百一°I

、十进制数、二进制数、十六进制数之间的

关系如下表所示

十进制十六进制二进制十进制十六进制二进制

000000991001

11000110A1010

22001011B1011

33001112C1100

44010013D1101

55010114E1110

66011015F1111

770111

881000

返回

三

二、

\二、数制转换

1二进制数f十进制数

方法：按权展开相加法。

1011.1015=lx23+1X21+1x2O+lx2-1+lx2-3

=11.625D

101101=lx25+lx23+1X22+1x2°

=45D

三

、2、十进制数f二进制数

2).小数转换方法：乘2取整法

N=0.625。

0.625

整数部分

x2

a_

1.2501x

0.25

x20J

0.50

0.5

x2

L0~1a.3

・•・N=0.625D=0.101B

，25.625-11。。15+。.101八110。1」。15

二、

推广:

新.焰**割断79A转坳为+六济割粉一

例：将八进制数312Q转换为十进制数。

312Q=3X82+1X81+2X8°

=3X64+8+2

=202

725D=2D5H

-4

、3、二进制与八进制的转换

)每3位二进制数转1位八进制数。

例：1100011010110B=14326Q

7105Q=111001000101B

'4、二进制与十六进制的转换

〔得4位二进制数转1位十六进制数

例：10111001.01101B=B9.68H

、5F.7A5H=1011111.011110100101B

、，三尸

1.3无符号二进制数的算术和逻辑运算

•二进制的算术运算

•天符号二进制数的表示范

•二进制数的逻辑运算

•基本的逻辑门及常用逻辑部件

、一、二进制的算术运算

J•加法运算

0+0=00+1=11+1=0（有进位）

）­减法运算

\0-0=01-0=11-1=00-1=1（有借位）

•乘法运算

1左移一位相当于乘2,左移N位=乘2N

、•除法运算

、右移一位相当于除2,左移N位=除2N

、、三f

X二、无符号数的表示范围

/1、无符号数的表示范围0—2N-1

例：8位二进制数（0—255）

、•溢出：当数值超出所能表示的范围时称为〜

2、无符号二进制数的溢出判断

、两数相加（减），最高位有进位（借位）

X三、二进制数的逻辑运算

1、“与"（逻辑乘）

、特点：任何数和o相与结果为o,任何数和1相与.

结果不变。’

2、“或”（逻辑加）

、特点：任何数利0相或结果不变，任何数和1相或

结果为1。

）3、“非”（取反）

、4、“异或”

一特点：相异为L相同为0

-9

X四、基本逻辑门及常用逻辑部件

、与门（）

1AND逻辑符号

Ao

&oF

Bo

2、或门（OR）

逻辑符号

Ao

>1oF

Bo

、、至“迎

三

2-、’

X3、非门(NOT)

逻辑符号

1

组合逻辑门

与非逻辑运算或非逻辑运算与或非逻辑运算

F=A+B

2F3=AB+CD、

•=7r

X6、译码器

。地址译码器74LS138

A一116一VCC

B一215—Y0

c-314一Y1

G2A-413—72

G2B-512—YT

G1-611—YT

Y7-710—X5

GND-89—后

T2

三*、一

衰，1.1374LS138译码器功能表

输人输出

52+$3A2】工

S1AAoYoRV2丫3%丫7

0XXXX11111111

X1XXX11111111

1000001111111

1000110111111

1001011011111

1001111101111

1010011110111

10,10111111011

1011011111101

1011111111110

片选译码共25=32线

■

1-4、带符号二进制数的表示及运算

带符号数的最高位表示符号，0为正数,

1为负数。

1、机器数和真值

机器数：连同其符号在一起在机器内部

的表示形式。

.真值：机器数的数值。

、、三"阿

8位微机中的带符号数:

D7D6D5D4D3D2DIDo

符号位||数值位

0正数

D7=

1负数

机器数真值

00011001B=+25

10011001B=-25

2、带符号数的三种表示方法

L原码

[0正数

最高位为符号位

11负数

后面比/位是数值。

[+4]原=00000100B

[―4]原=10000100B

・8位二进制原码表示的数的范围为-127〜+127,

二一^+0与-0表示法不相同。

、、三i

\2.反码

正数的反码与其原码相同。

负数的反码除符号位外将原码求反。

[+4]原=[+4]反=000001008

[―4]原=10000100B

[-4]反=11111011B

T8

3.补码

正数的补码与其原码相同。

负数的补码是其反码+1,即相应正数按位求

反后在末位加1。

[―4]原=10000100B

[―4]反=11111011B

[―4]补=11111100B

-9

例：机器字长为8位，求N=-l的补码表示。

[-1]原=10000001B

按位求反11111110B

末位+111111111B

.•・[—1]补=HH1111B=FFH

+0[+0]原=[+0]补=00000000B

-0[-01^=10000000B卜0]补=00000000B=[+0]补、

工

L二.=~56r

'补码的特点:

(1)8位二进制补码表示的数的范围：-128〜+127

.(2)[+0]补=[-0]补=00000000B

(3)对负数补码求反加1,恢复为该数的绝对值。

(4)采用补码后，可将减法运算转换成加法运算。、

、,三

4、补码的加法和减法：

(1)求补运算：对一个二进制数按位求反后在

末位加1的运算。

「1求补「1求补「1

［x］补--^>［—x］补---->［x］补

［4］补=0000010(m

［―4］补=11111100B

U-4］补］补=00000100B

・•・［4］补IST补M［4］补

52

⑵补码的加法规则:

[X+y]补=X补+[y]补

(3)补码的减法规则:

[x—丫]补=[x]补+[―y]补

■

5：C3

例1.计算y=99-58（用8位二进制表示）

99—58=99+（—58尸41

卜］补=［99-58］补=［99］补+［-58］补

［99］补=01100011B

［—58］补=H000110B

［99］补01100011

［—58］补+11000110

［41］补00101001

自动丢失

・•・y=［y］补=ooioIOOIB=41

例2.机器字长为8位。

十进制二进制

25[25]补=00011001B00011001

-32[―32]补=in00000B+11100000

-7[-7]补=11111001B11111001

[―25]补=11100001B

-2511100111

-32[―32]补=ni00000B+11100000

补:1i11000111

[—57]=11000111B/

自动丢失

■、，矣

4.溢出判断

8位二进制补码表示数的范围：-128〜+127

〃位二进制补码表示数的范围：-2〃-1〜+(2〃T-1)

若运算结果超过了计算机所能表示数的范

围，称为溢出。此时运算结果出错。

例3.01111111+127

+00000101+5

10000100-124

结果出错。

结果溢出!

一

例4.10000100-124

+11111011—5

01111111+127

结果出错。结果溢出!

溢出的判断方法：

由参与运算的两数及结果的符号位进行判断，如果

•符号相同的两数相加，所得结果的符号与之相反，结果溢出,。

•其他情况，不会产生溢出。)

―只有当两个同符号数相加时才会有溢出！、

三

二进制编码

1、数字编码

BCD码是一种常用的数字编码。

\

BCD码：Binary-CodedDecimal,即一进制

)编码的十进制数。用[...]BCD表示。

、、至

标准BCD码表示法

十进制数标准BCD码二进制数

000000000

100010001

200100010

300110011

401000100

501010101

601100110

701110111

810001000

910011001

1010（非法）

1011（非法）

1100（非法）

1101（非法）

1110（非法）

1111俳法）

10000100001010

11000100011011

12000100101100

94100101001011110