微机原理与接口技术(田辉主编).ppt

1、,微机原理与接口技术,山东农业大学机械电子工程学院 主 讲：娄 伟 电 话Email: ,评分方式,1.出勤：10，抽查点名缺一次扣5分，有事允许请假。 2.小测验及作业：20 3.考试成绩：70,教材及其参考书目,选用教材：微机原理与接口技术徐惠民主编，高教出版 建议参考书目： 1.微型计算机原理与接口技术薛均义主编，高教出版 2. 微型计算机系统与接口李继灿主编，清华大学出版,第一章 微型计算机系统概述,概述 计算机中数的表示和编码 微型计算机系统,本章重点掌握内容,1、计算机中数的表示、相互转换、基本运算以及数据编码； 2、了解计算机的基本组成，对计算机的结构有

2、个宏观认识。,1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC（ Electronic Numegrical Intergrator And Calculator ）。尽管它重达30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，用了18800多个电子管，每秒钟仅能做5000次加法。这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器和控制器，奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础。,1.1 概述,运作了九年之久。吃电很凶， 据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色； 另外，真空管的损耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花15分钟以上的时间才

3、能找出坏掉的管子，使用上极不方便；曾有人调侃道：“只要那部机器可以连续运转五天，而没有一只真空管烧掉，发明人就要额手称庆了”。,现代计算机发展历程,第一代 电子管时代(1946-1958)：耗电高，体积大，定点计算，运用机器语言或汇编语言； 第二代 晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为分级处理，浮点运算，运用高级语言； 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970)： 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒（目前能达到千万亿次/秒）； 第四代 大规模、超大规模集成电路时代(1971至今)： 向大型机和微型机两个方向发展。,从计算机字长：微型计算机经历了4位机8位机16位机32

4、位机 64 位机。,现代计算机的发展方向,微型化 便携式、低功耗； 巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度； 智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力； 系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级； 网络化 网络计算机和信息高速公路； 多机系统 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享)。,应用领域,科学和工程计算：密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算； 工业控制：机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制； 辅助设计/分析/制造/教学： 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI； 数据处理： 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公

5、自动化； 智能模拟：人工智能、专家系统、自学习。,1.2 计算机中数的表示和编码1.2. 1 计算机中常用的数制及其转换,一.进位计数制的表示方法 十进制ND 十个数码：09，逢十进一。 例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1 加权展开式以10为基数，各位系数为09。 一般表达式：,n:整数位数，m:小数位数，ai ：取值范围0-9,二进制NB 两个数码：0、1, 逢二进一。 例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式：,1.2.1 计算机中的进位计数制,八进制No,八个数

6、码：0、1、2、3、4、5、6、7 逢八进一。 例 6170.234=683+182+781+080+28-1+38-2+48-3 加权展开式以8为基数，各位系数为0 7。 一般表达式：,1.2.1 计算机中的进位计数制,十六进制NH 十六个数码09、AF，逢十六进一。 例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。 一般表达式：,1.2.1 计算机中的进位计数制,1.2.1 计算机中的进位计数制,小节 每一计数制有一确定的基数R，系数ai有R种可能的取值； “逢R进一”； 小数点右移一位相当于乘R；反之相当于除以R。,二. 进

7、位计数制之间的转换,R 进制数转换为十进制数：按权展开，求和 例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5 十进制数转换为R进制数：整数和小数部分分别进行转换： 1、整数部分 “除R取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为 0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。,二. 进位计数制之间的转换,例：39转换成二进制数 39 =100111B 2 39 2 19 1 （ b0） 2 9 1 （ b1） 2 4 1 （ b2） 2 2 0 （ b3） 2 1 0 （ b4）

8、 0 1 （ b5 ）,二. 进位计数制之间的转换,2、小数部分 “乘R取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小 数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。例：,1、0.625转换成二进制数 0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B,二. 进位计数制之间的转换,二进制与八进制、十六进制之间的转换 八进制 二进制：一位八进制数用三位二进制数表示。 十六进制 二进制：一位十六进制数用四位二进制数表示。 二进制 八进制：从小数点开始，分别向左右两边把三位二进制数码划为一组，最

9、左和最右一组不足三位用0补充，然后每组用一个八进制数码代替。 二进制 十六进制：与八进制类似，但是四位分为一组。,1.2.2 带符号数的表示,无符号数和带符号数 无符号数：机器的全部有效位均用来表示数的大小，如 N01001 表示无符号数9 带符号数：机器中，最高位作符号位(数的符号用“0”、 “1” 表示)， 其余位为数值位。 机器数与真值 机器数：机器中数的表示形式，如原码、反码、补码。 真值： 机器数所代表的实际数值 例:一个8位机器数与它的真值对应关系： 真值： X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：X1机= 01010100 X2机= 1101

10、0100,1.2.2 带符号数的表示,原码 最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。 数值位与真值数值位相同。 例：真值： x1 = +1010100B x2 =1010100B 机器数：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 特点： 1、表示简单、直观。 2、0的表示不唯一，即真值0有两种不同的表示形式，0 或 -0。 0原=0000 -0原=1000 3、加减运算复杂。,正数的反码与其原码相同。 负数反码符号位为 1，数值位为原码数值各位取反。 例： 8位反码机器数 x= +4： x原= 00000100 x反= 00000100 x= -4 ： x原= 1000010

11、0 x反= 11111011 x= +0： x原= 00000000 x反= 00000000 x= -0 ： x原= 10000000 x反= 11111111 x= +127： x原= 01111111 x反= 01111111 x= -127 ： x原= 11111111 x反= 10000000,1.2.2 带符号数的表示,反码,1.2.2 带符号数的表示,补码 数的补码与“模”有关 “模”:计数系统的量程 X补= MX （mod M=Rn） 当X0，M丢掉, X补=X 当X0，X补= M+X=M-X。 正数的补码与原码相同；负数的补码为其反码加1。,例：8位二进制数的模为： 28 =

12、 256 当X0，X补= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 = X反码 + 1,1.2.2 带符号数的表示,1.2.2 带符号数的表示,例：8位补码机器数 x=+4 x原=x反=x补=00000100 x=-4 x原 = 10000100 x反 = 11111011, x补 = 11111100 优点：1、0的表示唯一; 2、加减运算方便,即负数用补码表示时，可以把减法转化为加法; 3、8位二进制补码表示的整数范围为+127- 128；16位二进制补码表示的整数范围为32768 32767；若机器字长为n，则补码表示的整数范围为: 2n-1（2n-11）; 4、由补码求真值：当

13、为负数时，即最高位为1，其绝对值所对应的二进制数应为各数值位“按位求反加1”的和。,1.2 .2 带符号数的表示,补码运算： 补码加法： AB补= A补+B补 即两数和的补码等于两数补码的和;也就是，在进行补码加法时，可以不必考虑加数的正负，直接进行加法即可;从而简化了计算机内部的操作。,1.2 .2 带符号数的表示,例: 1、计算（-70+55） 解：-70原=11000110 -70补=10111010 55原= 00110111 55补= 00110111 -70补+55补 =10111010+ 00110111= 11110001 因符号位为“1”，所以对补码相加结果11110001的

14、数值部分 “求反加1”得：-15 所以：-70+55-15 注意：补码运算出来的结果还是补码，相对于机器数而言我们更习惯用真值或原码来读一个数,因此要学会补码与原码之间的相互转换。 A补补= A原 A反反= A原,1.2 .2 带符号数的表示,2、计算 -70+（-55） 解：-70原=11000110 -70补=10111010 -55原= 10110111 -55补= 11001001 -70补+-55补 =10111010+11001001= 1（10000011） 因符号位为“1”，所以对补码相加结果10000011的 数值部分 “求反加1”得：-125 所以：-70+（-55）-12

15、5,1.2 .2 带符号数的表示,注： 1、补码运算步骤 1） 将参加运算的操作数用补码表示; 2） 进行加法得到两数和的补码 （符号位作为数的一部分参加运算）; 3）判断是否溢出 若没有溢出，则可进一步求和的真值：和为正数可直接求出，和为负数，则再次“求补”，得到真值。,1.2.2 带符号数的表示,2、溢出的判断： 溢出：带符号数运算的结果超出计算机可以表示的范围，就是溢出。 8位整数范围:（127，-128） 两个同符号数相加有可能产生溢出； 两个负数补码相加后得到正数的补码，或两个正数的补码相加后到负数的补码，都是产生了溢出。,1.2.2 带符号数的表示,例：计算65补+96补 解：65

16、补+96补=0100000101100000 0 10100001 而1010000195补 可以看出，两个正数的补码相加后得到负数的补码，显然出错了；因为161127，所以称为正向溢出 。,1.2.2 带符号数的表示,例：计算（-70）补+（-60）补 解：（-70）补+（-60）补 =10111010+11000100=1 01111110 两个负数之和却产生了正的结果，同样是因为产生了溢出；因是超出了负的最大范围，所以是负向溢出。,1.2.2 带符号数的表示,3、溢出的解决：扩大数的表示范围可以防止溢出；数的扩展不能改变数的大小，只能改变数的位数。 补码正数扩展：高位全部加0； 补码负数

17、扩展：高位全部加1。 如：-70 (10111010)补 (1111111110111010)补 （8位数扩展为16位数）,1.2.2 带符号数的表示,纯小数时的情况 1、8位二进制数 补码范围：+127/128 -1（或-128/128) 小数形式: 0.1111111 1.0000000 2、转换方法：与整数相同,1.2 .2 带符号数的表示,移码 定义： x 移2n-1+x x 移机器数 ，x为真值 表示：符号位与补码相反，其它位与补码相同。 n表示数的位数（包括符号位）。,1.2.3 数的定点表示与浮点表示,定点与浮点表示（小数点固定还是浮动） 1.定点数 N = S2P 小数点位置固

18、定的机器数；具有运算简便,表示范围小的特点;其中S表示了N的全部有效数字，称之为N的尾数，一般用原码来表示；P指明小数点的位置，对于定点数P=0。 1)定点整数：小数点固定在数值位之后。 2)定点小数：小数点固定在数值位之前符号位之后。 小数点在机器中不占位置，机器中的定点数具体代表定 点整数还是定点小数，由程序员预先约定好。,1.2.3 数的定点表示与浮点表示,二进制数浮点表示：B=S2P Pf P Sf S 阶苻 阶码 尾数 尾数 符号 S尾数，为原码表示的纯小数。 P阶码，为整数，常用补码表示。,2、浮点数 1）小数点位置不固定。表示范围大，运算复杂。,1.2.3 数的定点表示与浮点表示

19、,2）浮点数的规格化表示 规格化表示：使数值最高位为有效数值位。 尾数用原码表示时，使其最高位为1。 尾数用补码表示时，应满足尾数最高数值位与符号位 不同，即0.1 和 1.0 。 规格化操作：相应地调整尾数和阶码的大小，使其满 足要求。,1.2 .4 计算机中常用的编码,BCD码(Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数。 8421 BCD码 例：求十进制数876的BCD码、二进制数 876D= （1000 0111 0110）BCD 876D = 36CH = (1101101100) B 注意：BCD码与二进制码不能直接进行转换，需将BCD码转换为十进制数后，再

20、转换成二进制数，反之同样。,1.2 . 4 计算机中常用的编码,符号信息的编码：P11 表1-2-2 美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。 汉字的编码,1.3 微型计算机系统,微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者的概念和含义不同，但相互间却有着十分密切的关系。本节将介绍微处理器、微型计算机和微型计算机系统的基本组成，以及微型计算机的基本性能指标。要求了解微处理器、微型计算机系统的基本组成；理解指令执行的基本过程；掌握微型计算机的基本组成及主要性能指标。 1.3.1 微处理器 微处理器：利用超大规模集成电路技术把运算器和控制器集成在一片硅片上形成微处

21、理器，也称为中央处理器，即CPU(作为计算机的核心部件，其主要有6大功能)。 一般由算术逻辑单元、累加器和通用寄存器组、程序计数器PC、其他专用寄存器、数据地址锁存器缓冲器、时序和控制逻辑部件及内部总线等组成。,1.3.1 微处理器,微处理器结构,CPU的主要功能是取出指令、分析、并执行指令，也就是不断地从存储器中取出指令和操作数，完成指令所规定的操作工作。,1.3.1 微处理器,1）算术逻辑单元ALU：进行各种算术运算和逻辑运算。 2）累加器和通用寄存器组 ：保存参加运算的数据和运算的中间结果。累加器是特殊的寄存器，它既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。 3）CPU中有一些专用寄存

22、器（如程序计数器PC、堆栈指针 SP和标志寄存器FR等）。 4）程序计数器PC用来存放下一条要执行的指令地址。,1.3.1微处理器,5）堆栈指针SP：用来存放栈顶地址。堆栈是一种特殊的存贮区域，按照“先进后出”的原则工作。 6）标志寄存器FR：存放指令执行结果的特征和处理器的状态。(每种微处理器的标志寄存器是不同的) 7）指令译码器ID：对指令进行译码，产生相应的控制信号送至时序和控制逻辑电路，组合成外部电路工作所需要的时序和控制信号。这些时序和控制信号送到微型计算机的相应部件，控制这些部件协调工作。,1.3.1微处理器,指令执行的基本过程： （1）假设程序已存储在内存单元中。开始执行程序时，

23、程序计数器PC中保存第一条指令的地址，指明当前将要执行的指令存放在存储器的哪个单元。 （2）控制器将程序计数器PC中的地址送至地址寄存器MAR，并发出读命令。存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器IR。 （3）指令译码器ID对IR中的指令进行译码，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作。操作可以是读写内存、算术逻辑运算或输入/输出操作等。 （4）修改程序计数器PC的内容，为取下一条指令做准备。,1.3.2 微型计算机,微型计算机 微型计算机由CPU、存储器、输入输出接口及系统总线组成。,微机与外部交换信息通过总线控制。 外部采用三总线结构

24、AB、DB、CB。 内部采用单总线 , 即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时使用总线。,1.3.2 微型计算机,1.3.2 微型计算机,1、总线及存储器 总线是计算机系统各功能模块间传递信息的公共通道，一般由总线控制器、总线发送器、总线接收器以及一组导线组成。其分为片内总线、片总线（局部总线）、内总线（系统总线）和外总线(通信总线)。 系统总线包括数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。 地址总线（AB）：传送地址信息，是由CPU发出的单向总线。其位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间、I/O口数目。 比如A15A0，可寻址216=64KB内存单元。A7A0，可寻址 28=256个外设接

25、口。 数据总线（DB）：传送数据，双向。其位数和微处理器的位数相对应。 控制总线（CB）：传输控制信号，双向。,1.3.2 微型计算机,存储器 1）存储器是用来存储数据、程序的部件。按照存储器与CPU的关系，分为内存储器（主存储器）和外存储器。按其工作方式，又可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。 2）三级存储体系结构 ：高速缓冲存储器、内存储器和外存储器,1.3.2 微型计算机,2、输入输出设备和接口 外设： 计算机中除主机（CPU和内存）以外的其它机电或电子设备统称外部设备，简称外设。 I/O接口：CPU和外设之间的IO适配器，即I/O接口，是微型计算机 的重要组成部件。,1.3.2 微型计算机,3、微型计算机分类 从微型计算机的结构形式来分，为单片机、单板机和多板机。 单片微型计算机（即单片机）。把微型计算机的主要部件CPU、一定容量的存储器、IO接口及时钟发生器集成在一块芯片上的单芯片式微型计算机。具有体积小、指令系统简单、性价比高等优点，广泛应用于工业控制、智能仪器仪表等领域。 单板微型计算机，即单板机。是将微处理器、一定容量的存储器、IO接口、简单的外部设备（键盘、LED显示器）、辅助设备通过总线装配在一块印刷电路板上的微型计算机。主要用于