微机原理及接口技术第一章概述

第一章概论1.微型计算机的应用2.微型计算机的发展史3.微型计算机的组成4.微型计算机的特点5.运算基础1.掌握微型计算机的概念和基本结构2.了解微型计算机的产生和发展过程3.把握微型计算机的发展方向4.掌握运算基础

1.1微型计算机系统概述微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件的微处理器为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。一、微型计算机的应用领域科学计算过程控制数据处理计算机辅助功能电子商务人工智能办公自动化信息高速公路仪器仪表智能家电世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”(ElectricNumeralIntegratorandCalculator)占地上百平方米重量几千吨功耗几十千瓦

计算机的发展及分类电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能分类：大型计算机/巨型计算机（MainframeComputer）中型计算机小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-ChipMicrocomputer）二、微型计算机的发展分代第一代年份字长芯片的集成度软件典型的芯片1971~19724/8位1200~2000个管/片机器语言、

简单汇编语言Intel4004

Intel8008第二代1973~19778位汇编程序

高级语言、

(FORTRANPL/M等

BASIC

操作系统第三代1978~198016位汇编语言

高级语言

操作系统第四代

Pentium

PIIPIIIPIV1981~199264位第五代

1993以后32位5000~9000个管/片20000~70000个管/片已达到10万~100万个管/片Intel8080,8085

MC6800

Z-80Intel8086,8088

MC68000

Z-8000Intel80386,80486

MC68020操作系统

高级语言软件硬化操作系统

高级语言软件硬化超过300万个管/片4004

4040

8086

8088

80286

80386

80486

奔腾（Pentium）

奔腾Pro（PentiumPro）

奔腾II（PentiumII）

赛扬（Celeron）

PentiumIII

奔腾4(Pentium4)

Pentium4ExtremeEdition

赛扬D（CeleronD）

奔腾D（PentiumD）

PentiumExtremeEdition

CoreDuo

Core2Duo

Core2Extreme

Core2Quadro

CPU：IntelCore2ExtremeQX9650(4)QX9650Q8200QX9650AMD:（AdvancedMicroDevices超威半导体）

AMD8086（兼容）

AMD286AMD386AMD486K5(自己)K6(奔2PII)K7/Athlon

AthlonXP

Duron

Sempron

（赛扬）

K8(64位)

Athlon64X2（K8架构双核）

Phenom

（K10架构的四核）三、微型计算机的分类按处理器同时处理数据的位数或字长分：8位机 16位机 32位机 64位机按其结构分：PC机、单片微型机、单板微型机

1.2微型计算机组成现代计算机结构仍然是在冯·诺依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。一、微型计算机的硬件结构微型计算机由微处理器、存储器、输入/输出接口构成，它们之间由系统总线连接。只读存储器

ROM随机存储器

RAMI/O接口I/O设备地址总线(AB)数据总线

(DB)控制总线(CB)CPU1.微处理器整个微机的核心是微处理器(up,MPU)，也称CPU。它包含算术逻辑部件ALU、寄存器组及控制部件。ALU：

算术运算、逻辑运算寄存器：存放操作数、中间结果、地址、标志等信息控制部件：整个机器控制中心，包括程序计数器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制信息产生电路。总线控制部件算术逻辑部件寄存器组MPUI/O接口电路ROMRAM

外部设备存储器2.存储器微机的存储器分为：主存和辅存主存(内存)：用于存放当前正在运行的程序和正待处理数据。(CPU内部cache，主板上的内存,造价高，速度快，存储容量小)辅存(外存)：存放暂不运行的程序和输入处理的数据，(主机箱内或主机箱外，造价低，容量大，可长期保存，但速度慢)3.输入设备微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。4.输出设备微型计算机常用的输出设备有CRT显示器、打印机和绘图仪等。注意：由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能把它们简单地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的缓冲、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为“卡(Card)”，由卡的一侧引出连接外界的插座，另一侧做成插入端，只要将它们插入总线槽(I/O通道)就连到了系统总线。5.系统总线所谓“总线”，是指传递信息的一组公用导线。系统总线(SystemBus)是指从处理器子系统引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：数据总线：DB(DataBus)地址总线：AB(AddressBus)控制总线：CB(ControlBus)地址总线(AddressBus)：传送地址信息、CPU在AB总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口地址、该总线为单向，地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存单元范围。举例数据总线(DataBus)：传送数据信息的总线。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过DB总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过DB总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。控制总线(ControlBus)：传送控制信息的总线。其中，有些信号线将CPU的控制信号和状态信号送往外设，外设请求或联络信号送往CPU，个别信号线兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号，它们可能是输出、输入或者双向的。系统总线使用特点：(1)在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。(2)在连接系统的各个设备中，某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可以有多个设备从总线同时获得信号。

1.3微型计算机系统组成微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统：构成计算机的实体。它包括微处理器、存储器、I/O接口、系统总线、外部设备和电源。软件系统：在计算机上运行的各种程序。它包括系统软件和应用软件。一、硬件系统硬件微型计算机

(单片、单板)电源外围设备微处理器存储器I/O接口系统总线算术逻辑单元控制器寄存器ROMRAMROMEPROME2PROMSRAMDRAM并行接口串行接口辅助接口数据总线地址总线控制总线外部设备I/O接口模拟量I/O接口开关量接口键盘、显示器、打印机外存储器软、硬磁盘光盘A/DD/A二、软件系统操作系统Dos,Windows,UNIX,LINUX语言处理程序TurboC

数据库系统FoxPro、Oracle软件分类系统软件应用软件文字处理软件Wps、Word表格处理软件Excel辅助设计软件AutoCAD用户编制的实际程序1.4微型计算机系特点一、特点微型计算机除具有一般电子数字计算机的快速、精确和通用等许多优点外，还具有独自的特点：(1)能获得最佳性能价格比(2)积木式，适应性强(3)可靠性高(4)微型计算机是硬件和软件相结合的产物二、发展方向(1)高性能、多功能。(2)价格低廉、功能专一。PC(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。是一种用于控制的微处理器芯片，其组成实际是由微型计算机的CPU、部分存储器和输入/输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。单片微型机(单片机)：常用于家用电器、智能化仪表、工业测量。单板微型机(单板机)：把微处器芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入/输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。常用于过程控制。冯·诺依曼思想：存储程序原理用二进制表示数据和指令；程序与数据事先存储在内存储器中；运算器、存储器、控制器、输入与输出设备组成硬件系统，它是计算机连续工作的基础。表示存储器容量的最小单位为bit(二进制位)，表示存储器容量的基本单位为Byte(字节)。通常：一个单元为一个字节，字节可用B(即Byte的缩写)表示，且1Byte=8bit。存储器的容量用“K”表示，1K即为1024个单元。大容量单位为KB、MB、GB、TB。1KB=1024B1MB=1024KB

1GB=1024MB1TB=1024GBe.g.

地址总线16位，内存容量为216个单元，即64KB。地址总线20位，内存容量为220个单元，即1MB。ROM:(ReadOnlyMemory)只读存储器，用来存储微机系统管理程序BIOS等(芯片制造时写入)。只能读出，不能写入。内存储器RAM:(RandomAccessMemory)随机存储器，用来暂时存储用户输入的数据与程序。可随机地读出与写入。外存储器

软磁盘与软磁盘驱动器

硬盘与硬盘驱动器

光盘与光盘驱动器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。过程控制如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；控制飞机飞行姿态、地形回避及导弹拦截等。数据处理对数据进行收集、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。计算机辅助系统CAD

计算机辅助设计CAM

计算机辅助制造CAT

计算机辅助测试CAI

计算机辅助教学CAX(x=D、M、T、I、

)

CMI—计算机管理教学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、低成本的电子通讯方式、买卖双方不谋面地进行商贸活动。电子商务的真正发展是建立在INTERNET技术上，所以也称IC(INTERNETCOMMERCE).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。办公自动化信息高速公路仪器仪表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。智能家电Intel40041.5运算基础

学习数的不同表示方法掌握不同进制数之间的相互转换

掌握计算机中数的表示方法—补码表示法

1.5.1进位计数制一个数值，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：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=9一、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。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.十进制数的基数为10，第i位的权为10i.二、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2i.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计算机采用二进制数的原因：1.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。三、十六进制数主要特点：1.有十六个不同的数字符号：0,1,2,…9,A,B,C,D,E,F。2.逢十六进位。十六进制数的基数为16，第i位的权为16i.在任一数制中，某一数的值等于每位数字乘以其权所得到的乘积之和。其中：r

：基数r

进制数

aibj：0,1,…r-1中任一数码

m,n：正整数

rk：各位数相应的权四、数制的通用表达式

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二进制十六进制012345678012345678000000010010001101000101011001111000十进制二进制十六进制91011121314159ABCDEF1001101010111100110111101111

1.5.2数制转换一、二进制数十进制数方法：按权展开相加法。转换原则：两个有理数相等，则两数的整数部分与小数部分分别相等。二、十进制数二进制数1.整数转换方法：除2取余法。

N=25D=11001B余数622512231222010011a0a1a2a3a42.小数转换

N=0.625D=0.101B0.625

21.2500.25

20.500.5

21.0整数部分101a–1a–2a–3方法：乘2取整法推广：将十进制数转换为N(二、十六、八)进制数时，整数与小数分别按“除N取余法”与“乘N取整法”进行转换。而N进制数转换为十进制数均可按权展开相加得到。

1.5.3机器中数的表示一、机器数和真值机器数：一个数连同其符号在一起在机器中的表示。真值：机器数的数值。8位微机中的带符号数：D7D6D5D4D3D2D1D0符号位数值位D7=0 正数1 负数机器数真值00011001B=+2510011001B=25二、带符号数的三种表示方法1.原码最高位为符号位0正数1负数[+4]原

=00000100B[4]原

=10000100B后面n-1位是数值。8位二进制原码表示的数的范围为–127~+127,+0与–0表示法不相同。2.反码[+4]原

=[+4]反

=00000100B[4]原

=10000100B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]反=11111011B

8位二进制反码表示的数的范围为–127~+127,+0与–0表示法不相同。3.补码[4]原

=10000100B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]反=11111011B[4]补=11111100B

[–1]补

=11111111B=FFH例：机器字长为8位，求N=–1的补码表示。按位求反11111110B末位+111111111B

[+1]补

=00000001B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，回复为该数的绝对值。(4)采用补码后，可将减法运算转换成加法运算。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。[4]补=00000100B[–4]补=11111100B[[–4]补]补=00000100B[

]补[–

]补求补[

]补求补

[4]补[–4]补求补[4]补求补(2)补码的加法规则：[x+y]补=[x]补+[y]补[x－y]补=[x]补+[－y]补

补码的减法规则：例1.计算y=9958(用8位二进制表示)9958=99+(58)=41

[y]补

=[9958]补=[99]补+[58]补01100011[99]补+11000110[58]补[99]补

=01100011B[58]补=11000110B

y=[y]补=00101001B=41100101001[41]补自动丢失例2.机器字长为8位。25–32[25]补=00011001B[32]补=11100000B十进制–7[7]补=11111001B二进制000110011110000011111001+–57–25–32[

25]补=11100001B[32]补=11100000B[57]补=11000111B1110011111100000111000111+自动丢失4.溢出判断8位二进制补码表示数的范围：

128~+127n位二进制补码表示数的范围：

2n1~+(2n11)

若运算结果超过了字长一定的机器所能表示数的范围，称为溢出。此时运算结果出错。例1.0000111001100100+01110010+14+100+114设CS为D6向D7进位，CS＋1为D7向高位进位。结果正确。CS

＝CS＋1

＝0

无溢出！1000101001111000+000000101

118+120+2自然丢失例2.CS

＝CS＋1

＝1

无溢出！结果正确。0111111100000101+10000100+127+5

124例3.CS

＝1, CS＋1

＝0, 结果溢出！结果出错。1000010011111011+01111111+127

5

124例4.CS

＝0, CS＋1

＝1, 结果溢出！1因为CS= CS＋1, 则结果正确。CS

CS＋1,则结果溢出。所以 溢出=CS

CS＋1结果出错。

1.5.4二进制编码一、数字编码BCD码是一种常用的数字编码。BCD码：Binary-CodedDecimal，即二进制编码