微机原理与接口技术.ppt

1,微机原理与接口技术,大家好！,2,课程目标,掌握： 微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计方法 微型计算机接口技术 建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,3,教材及实验指导书,教材： 微机原理与接口技术（第2版）. 冯博琴，吴宁主编. 清华大学出版社 实验指导书 微机原理与接口技术题解及实验指导（第2版）. 吴宁，陈文革编. 清华大学出版社,4,第1章 微型计算机基础概论,主要内容： 微机系统的组成、发展 计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转换 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算 符号数的表示及补码运算 二进制数运算中的溢出 基本逻辑门及译码器,5,第一章 微型计算机系统概述,本章学习目标 了解微型计算机的发展、应用及其分类 掌握计算机数据的表示 掌握计算机的组成结构 理解微型计算机的工作过程,6,1.1 微型计算机系统 1.1.1 微型计算机的发展 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 Numerical Integrator and Calculator，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 。,7,2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（Johe Von 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。,8,冯诺依曼计算机结构,原始数据和指令,计算结果,计算机的基本结构框图,9,冯诺依曼计算机结构,数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成,控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序 来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据指令，选择不同的动作流程,微处理器包括运算器和控制器。以其为核心，通过地址(AB)、数据(DB)、控制(CB)三总线连接存储器、输入/输出接口，进而连接输入设备和输出设备。,10,3按逻辑部件化分的计算机发展阶段 按电子部件的演变经历了四代： （1）第一代（1946年 - 1958年）：电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。 （2）第二代（1959年 - 1964年）：晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提高，运算速度可达每秒百万次。 （3）第三代（1965年 - 1970年）：中小规模集成电路计算机 特点：存储容量1 - 4兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。,11,（4）第四代（1971年-）：大规模和超大规模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。 4按计算机应用划分的计算机发展阶段 （1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年 - 1980年） 采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。 （2）微型计算机阶段（1981年 - 1990年） 微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。 （3）计算机网络阶段（1991年至今） 计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共享。,12,5 微型计算机的发展 1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。 微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。 划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。,13,（1971-1973）,（1974-1978）,（1978-1981）,（1981-1992）,（1993后）,特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强。,14,6微型计算机的应用 1、科学计算和科学研究 计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。 2、数据处理 （信息处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。 3、工业控制 用单板微型计算机实现DDC级控制，用卫星计算机实现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理已屡见不鲜。,15,4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。,16,1.1.2微型计算机的工作过程,1.冯 诺依曼计算机的工作原理 存储程序工作原理,17,冯 诺依曼机的特点：,将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存 程序中的数据和指令必须采用二进制编码，且能够被执行该程序的计算机所识别； 指令按其在存储器中存放的顺序执行； 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行； 以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。,18,冯 诺依曼计算机体系结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,19,2. 微型计算机的工作过程 在进行计算前，应做如下工作： （1）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； （2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序； （3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。,完成5+6=？的程序：,MOV A，05H /B0H 05H ；把05送入累加器A ADD A，06H /04H 06H ；06与A中内容相加， 结果存入累加器A HLT /F4H ；停止所有操作。,20,1）、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放） （1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。 （2）、程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备，AR内容不变。 （3）、地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00H单元。 （4）、CPU发出“读”命令。 （5）、所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。 （6）、经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。 （7）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码CPU“识别”出这个操作码为“MOV A，05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。,21,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,00H,1,00H,2,00 B0H,01 05H,02 04H,03 06H,04 F4H,3,4,读命令,B0H,5,6,B0H,7,控制信号,（取第一条指令操作示意图）,22,2）、执行指令阶段的执行过程： （1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。 （2）、程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。 （3）、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。 （4）、CPU发出“读”命令。 （5）、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。 （6）、经数据总线DB，读出的05H送至数据寄存器DR。 （7）、由控制码已知计算机读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入累加器A中。,23,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,02H,1,01H,2,00 B0H,01 05H,02 04H,03 06H,04 F4H,3,4,读命令,05H,5,6,7,控制信号,05H,（执行第一条指令操作示意图）,24,1.1.3微机系统的构成,微型计算机 硬件系统 外设 微机系统 系统软件 软件系统 应用软件,CPU 存储器 输入/输出接口 总线,25,硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。 硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。 软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。 软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。 计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作 。,26,1.硬件系统,27,微型计算机（Micro Computer）是计算机的微型化，简称微机，它由CPU、存储器、输入接口和输出接口以及总线组成。该层次就是已安装了CPU和内存条的主板。微型计算机的硬件结构如图所示,28,1）微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心。 主要包括： 运算器 控制器 寄存器组,29,（1）、运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件，其核心部件为算术逻辑单元ALU。 功能：a.对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。 b.暂时存放参与运算的数据和中间结果。,ALU,数据寄存器1#,数据寄存器2#,存储器,外设,30,(2)、控制器 控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。 由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序信号发生器组成。 （1）、程序计数器（IP）：程序指令所在单元地址。 （2）、指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的一条指令。 （3）、指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。 （4）、时序信号发生器：根据指令译码器（ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。,31,3.寄存器组 包括一组通用寄存器组和专用寄存器。通用寄存器用于暂存参加运算的一个操作数，例如数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数。这些操作数可以是参加操作的数据，操作的中间结果，也可以是操作数的地址，大部分算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。专用寄存器通常有指令指针IP或程序计数器PC和堆栈指针SP等,32,2）存储器,定义： 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。,33,有关内存储器的几个概念,内存单元的地址和内容 内存容量 内存的操作 内存的分类,34,内存单元的地址和内容,每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。,10110110,38F04H,内存地址,单元内容,35,内存容量,内存所含存储单元的个数，以字节为单位 内存容量的大小依CPU的寻址范围而定 （即CPU地址信号线的位数）,36,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容 不改变； 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的 内容被覆盖。,37,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM） 只读存储器（ROM）,按工作方 式可分为,38,3）输入/输出接口,接口是CPU与外部设备间的桥梁,CPU,I/O 接口,外设,39,3、I/O设备和I/O接口 （1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。 标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。,I/O设备,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,40,（2）、I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。 显示器卡：完成显示器与总线的连接。 声卡：完成声音的输入/输出。 网卡：完成网络数据的转换。 扫描卡：连接扫描仪到计算机。 调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。 键盘接口、打印机接口等。 232接口：串行数据接口。 USB接口：通用串行接口。,41,接口的分类,串行接口 输入接口 并行接口 输出接口,数字接口 模拟接口,42,接口的功能,数据缓冲寄存； 信号电平或类型的转换； 实现主机与外设间的运行匹配。,43,4）、系统总线 （1）、总线：传递信息的一组公用导线。 （2）、系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。系统总线分为： （A）、地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。 内存容量的计算：16条地址线可访问 216 = 64 KB。 20条地址线可访问 220 = 1 MB。 1K = 1024B 1M = 1024 KB 1G = 1024 MB,44,（B）、数据总线：传递数据信息的总线，即DB。 在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总线送往CPU； 在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内存或外设，数据总线是双向总线。 （C）、控制总线：传递控制信息的总线，即CB。 控制总线的方向： 一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其它部件。如时钟信号、控制信号等。 另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU，如：中断请求信号、总线请求信号、状态信号。,45,控制总线的部件（总线主控设备）： CPU 和 DMA 控制器。 被总线控制的部件（总线控制设备）： 存储器 和 I/O设备。,总线的使用特点： 1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。 2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。 3、通过总线插槽来接口板连接。,46,2.软件系统,软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件,操作系统 编译系统 网络系统 工具软件,软件,47,1.2、计算机中的数制及编码,48,主要内容,各种计数制的特点及表示方法； 各种计数制之间的相互转换。,49,1.2.1. 常用计数制,十进制 二进制 十六进制,50,1.十进制,特点： 以十为底，逢十进一；有0-9十个数字符号。用D表示。 权值表达式：,51,2.二进制,特点： 以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。用B表示。 权值表达式：,52,3.十六进制,特点： 有0-9及A-F共16个数字符号，逢16进位。用H表示。 权值表达式：,53,例：,234.98D或（234.98）10 1101.11B或（1101.11）2 ABCD . BFH或（ABCD . BF) 16,54,1.2.2. 各种进制数间的转换,非十进制数到十进制数的转换 十进制到非十进制数的转换 二进制与十六进制数之间的转换,55,1.非十进制数到十进制数的转换,按相应的权值表达式展开 例： 1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75 5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.5,56,2.十进制到非十进制数的转换,1）到二进制的转换： 对整数：除2取余； 对小数：乘2取整。 2）到十六进制的转换： 对整数：除16取余； 对小数：乘16取整。,57,【例】试将十进制数65分别转换成二进制、十六进制数。 解：按照除基取余法，得,所以，(65)10 = (1000001)2 同理可得(65)10 = (41)16,58,【例】试将十进制小数0.375分别转换成二进制和十六进制数。 解：按照乘基取整法，得,所以，(0.375)10 = (0.011)2 同理可得(0.375)10 = (0.6)16,59,3.二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数 例： 25.5 = 11001.1B= 19.8H 11001010.0110101B =CA.6AH,60,在计算机中，约定数据小数点的位置固定在某一位，原理上讲，小数点的位置固定在哪一位都行，但是，通常有两种定点格式，一是将小数点固定在数的最左边（即纯小数），二是固定在数的最右边（即纯整数）,1.2.3计算机中的二进制数的表示 在计算机中表示实数的方法有两种：即定点数和浮点数。 1.定点数的表示法,61,例如，用宽度为n+1位的字来表示定点数X，其中X0表示数的符号，例如1代表负数，0代表正数，其余位代表它的数位，对于任意定点数X=X0X1X2Xn，在定点计算机中可表示为： 如果X为纯小数，小数点固定在X0与X1之间，数X的表示范围为： 0|X|1-2-n 如果X为纯整数，小数点固定在Xn的右边，数X的表示范围为： 0|X|2n-1,62,2.浮点数的表示法（1）,任意一个十进制数N可以写成 N=10EM （1-3） 任意一个二进制数N可以写成 N=2em （1-4） 例如，N=101.1101=200110.1011101 同样，在计算机中一个任意进制数N可以写成： N=ReM,其中，M为浮点数的尾数，是一个纯小数，e是比例因子的指数，称为浮点数的指数，是一个纯整数，比例因子的基数R是一个常数，一般R取值为2，也有取值为8、16两种情况,63,2.浮点数的表示法（2）,在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、阶符、尾数以及尾数的符号（数符）共4部分，即：,一般按照IEEE 754标准，采用32位浮点数和64位浮点数两种标准格式,64,32位浮点数标准格式如下：,(1) 32位浮点数标准格式,在32位浮点数中，约定基数R=2， S是尾数的符号位，即浮点数的符号位，它占一位，安排在最高位，0表示正数，1表示负数，尾数M占23位，放在低位部分，当然是纯小数。E是阶码，占8位。,(2) 64位浮点数格式,它与32位浮点数的组成原理相同，约定基数R=2，尾数符号位S占一位，置于最高位，规格化的尾数M占52位，最左边一位1已被隐藏。,65,1.2.4. 二进制编码,BCD码 用二进制编码表示的十进制数 ASCII码 西文字符编码,66,二十进制编码（BCD码） BCD（Binary-Coded Decimal）码就是专门解决用二进制数表示十进制数的问题。BCD码又称为“二十进制编码”，最常用的是8421-BCD编码，其方法是采用4位二进制数来表示1位十进制数，自左向右每个二进制位对应的位权依次是8、4、2、1。,8421-BCD编码表,67,二十进制编码（BCD码） 由于4位二进制数有00001111共16种状态，而十进制数09只取00001001的10种状态，其余6种状态闲置不用。一般情况下，BCD码有两种表示形式。 压缩BCD码。压缩BCD码的每一位数采用4位二进制数来表示，即一个字节表两位十进制数。 非压缩BCD码。非压缩BCD码的每一位数采用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09，高4位为0。,68,BCD码与二进制数之间的转换,先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。 例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） B,69,ASCII码,字符的编码，一般用7位二进制码表示。在需要时可在D7位加校验位。 熟悉0-F的ASCII码,70,ASCII码的校验,奇校验 加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。 例：A的ASCII码是41H（1000001B）， 以奇校验传送则为C1H（11000001B） 偶校验 加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。 上例若以偶校验传送，则为41H。,71,常用术语解释,位（bit):计算机处理的最小数据单位，只能为0或1，缩写为b。 千位：代表210位，即1024位，缩写为Kb。 兆位：代表220位，即1024*1024位，缩写为Mb。 千兆位：代表230位，即1024Mb，缩写为Gb. 兆兆位：代表240位，即1024Gb, 缩写为Tb. 。,72,字节：计算机中存储器容量的基本单位，一个字节由8位二进制数组成，通常缩写为B。 字：软件上通常指2个字节,硬件上一般指处理器外部数据总线的宽度。 字长：计算机运算部件直接能处理的二进制数据的位数，字长愈长，计算机的处理能力越强，精度越高，指令功能越强，可寻址空间越大。 主频：主时钟的频率，主频愈高，微型计算机的速度越快,73,1.3无符号数的算术运算和逻辑运算,算术运算 逻辑运算,无符号数 有符号数,二进制数的运算,74,主要内容,无符号二进制数的算术运算 无符号数的表达范围 运算中的溢出问题 无符号数的逻辑运算 基本逻辑门和译码器,75,1.3.1.二进制的算术运算,加法运算（0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0（有进位） 减法运算（0-0=0,1-0=1,1-1=0,0-1=1（有借位） 乘法运算（0乘任何数都是0） 除法运算（除数不能为0，否则会产生溢出中断）,76,乘除运算例,000010110100 =00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余数=11B,77,1.3.2. 无符号数的表示范围：,一个n位无符号二进制数X，其可表示数的范围为： 0 X 2n-1 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生 溢出。,78,例：,最高位向前有进位，产生溢出,79,1.3.3. 二进制数的逻辑运算,与 或 非 异或,80,4. 逻辑门,掌握： 与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）； 与非门、或非门的应用。,81,“与”、“或”运算,任何数和“0”相“与”，结果为0。 任何数和“1”相“或”，结果为1。,82,“非”、“异或”运算,“非”运算即按位求反 两个二进制数相“异或”： 相同则为0，相异则为1,83,5. 译码器,74LS138译码器：,G1,G2A,G2B,C,B,A,Y0,Y7,84,掌握,74LS138译码器： 各引脚功能； 输入端与输出端关系（真值表）,85,1.4有符号数的表示及运算,86,计算机中符号数的表示,符号位 + 真值 机器数,“0” 表示正 “1” 表示负,87,例,+52 = +0110100 = 0 0110100 符号位 真值,-52 = -0110100 = 1 0110100 符号位 真值,88,1.4.1. 符号数的表示,原码 反码 补码,89,原码,最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；其余为真值部分。 优点： 真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解； 缺点： 计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不唯一。,90,数0的原码,8位数0的原码：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：数0的原码不唯一。,91,反码,对一个机器数X： 若X0 ，则 X反=X原 若X0， 则 X反= 对应原码的符号位不变，数值部分按位求反,92,例,X= -52 = -0110100 X原=1 0110100 X反=1 1001011,93,0的反码：,+0反=00000000 -0反 =11111111 即：数0的反码也不是唯一的。,94,补码,定义： 若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1,95,例,X= 52= 0110100 X原=10110100 X反=11001011 X补= X反+1=11001100,96,0的补码：,+0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对8位字长，进位被舍掉,97,特殊