《微机原理及接口技术》全套ppt电子课件教案-第一章 概述

微机原理及接口技术,Microcomputer Principle and Interfacing Technology,核心课程 64学时 4学分 实验单独设课 周二 1，2节 四/102 周四 3，4节 四/212,一、本课程的地位、作用和任务,1. 主要介绍16位微处理器原 理及接口技术2. 是一门微型计算机硬件和软件相结合的专业技术基础课3. 通过学习，掌握微机原理和接口技术，培养微机应用开发能力。,二、主要内容,计算机基础知识 微型计算机基本结构 16位微处理器8086结构 指令系统，汇编语言程序设计 存储器与CPU接口 输入输出技术、中断技术 并行和串行接口 计数器和定时器,三、教材微型计算机系统原理及应用(第四版) 周明德 清华大学出版社,四、参考书1. 微型计算机原理与接口技术 何小海等，四川大学出版社2. 微型计算机原理与接口技术 吴秀清，中国科学技术大学出版社,五、成绩1. 期终考试：80% 2. 平时成绩：20% 期中考试、作业、上课等,六、上海市普通高校非计算机专业学生计算机应用知识和应用能力等级考试三级(偏硬),1. 涉及课程 微机原理及接口技术 计算机软件基础 高级语言程序设计基础 计算机通信和网络,2. 范围(1) 计算机硬件知识(2) 软件基础知识(3) 应用能力,3.目标(1) 掌握微型计算机系统的组成和工作原理(2) 具有计算机软件的基础知识以及汇编语言和高级语言的编程能力(3) 具有微型计算机接口设计能力以及微型机应用系统的分析和初步设计能力,第一章 概述,第一节 引言,电子计算机： 自动地、高速地进行数值运算和信息处理。 具有记忆、判断和运算功能。,一、电子计算机发展阶段(1)1946-1956，电子管 第一台ENIAC，18000管，5千次/秒(2)1956-1962，晶体管 数十万次/秒，程序设计语言(3)60年代中期，中小规模集成电路 数百万次/秒，软件功能大大提高(4)70年代初，大规模集成电路 巨型机，微型机，数千万次/秒,微型计算机(微机) 价格低，可靠性高，系统灵活 数值应用和非数值应用，应用领域广,二、微型计算机的发展,微机的核心是微处理器(P)，采用LSI和VLSI。 1971 第一个P Intel I4004 (1) 1971-1973 I4004(4位) 8008(8位)(2) 1973-1976 Intel 8080 8位 MC6800(3)1976-1978 Z80 8085,(4) 1978-1981 8086 、 8088 16位 Z8000 、MC68000 1981 IBM公司 IBM-PC(8088)(5) 1981- 80386 、80486 386机、486机 (6) 1993- Pentium奔腾(80586) Pentium MMX 、P 、 P 、P4从8086/8088到P4，形成了IA(Intel Architecture)32结构。,第二节 计算机运算基础,计算机中的数制,进位制数之间的转换,二进制编码,定点数和浮点数,带符号数的表示法,二进制运算,一、计算机中的数制,十进制，二进制，十六进制1. 十进制特点：(1)十个不同数字符号09 (2)逢十进一如：99.9=9101+9100+910-1A=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m = 基数：10,2.二进制特点：(1)用二个不同符号0，1表示 (2)逢二进一如：1001.01=123+120+12-2B=Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m = Bi：0、1 基数：2,3.十六进制特点：(1)用16个不同数字符号09， AF表示 (2)逢16进一(3AB.11)16=3162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664D=Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =Di：09，AF 基数：16,总结： (1) 每一种计数进制都有一个基数J， 每一位可取J个不同的数值。 (2) 逢“J”进位 每一位i，对应Ji为该位的“权”。 (3) 小数点向左移一位，则减小了J倍 小数点向右移一位，则增加了J倍,十六进制数 H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFH二进制数 B Binary 1011B，11110111B十进制数 D Decimal 56,二、进位制数之间的转换,1.二进制数十进制数方法： 把二进制数的每一位按权展开相加例： (111.101)2=122+121+120 +12-1+12-3 =7.625,2.十进制整数二进制整数例：215(11010111)2 215=(Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 =Kn-12n-1+K121+K020 两边除以2 107= Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0=1 不断除以2，直到商为0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0,方法： 用2除十进制数，直至商为0，每次余数为二进制数码。 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是最高有效位MSB,3.十进制小数二进制小数 0.6875=(0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1 =K-12-1+K-22-2+K-m2-m 两边乘以2 1.375= K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1) 右边刮号内数1，小数和整数部分两边应相等 得到K-1=1 剩下的小数部分再乘2，继续下去可得到 0.6875=(0.1011)2,方法： 用2乘十进制小数，将得到的整(0或1)，作为K-1K-2 。 若乘积的小数部分最后为0，则做后一次整数部分记为K-m。 若乘积的小数部分不能为0，根据精度要求取m位。 215.6875=(11010111.1011)2 1,4.任意进位制数与十进制数方法： 同二进制数与十进制数的转换,5.十六进制数与二进制数,(1)十六进制数二进制数方法： 一位16进制数可表示为四位二进制数例： (3AB)16=(1110101011)2,(0.7A53)16=(0.0111101001010011)2,(E.3)16=(1110.0011)2,(2)二进制数十六进制数方法： 1)整数部分从右到左，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。 2)小数部分从左到右，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。例：(1101111100011.100101111)2 =,0001,1000,(1BE3.978)16,位权记忆法 1 1 1 1 1 1 1 1,128 64 32 16 8 4 2 1,1 1 1 1 1 1 1 1,32768 16384 8192 4096 2048 1024 512 256例：(101100001010)2=2048+512+256+8+2 =2826 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K,三、二进制数的运算,乘法 00=0 01=0 10=0 11=1,1111 1101 1111 0000 1111+ 1111 11000011,1. 被乘数左移法,乘数 被乘数 部分积 1101 1111 0000(1)乘数为1 被乘数加部分积,+ 1111,1111,被乘数左移 11110(2)乘数为0，不加 被乘数左移 111100(3)乘数为1，加,1111,+ 111100,1001011,被乘数左移 1111000(4)乘数为1，加,+1111000,11000011,2.部分积右移法,乘数1101 被乘数1111 部分积 0000(1)乘数为1 被乘数加部分积,部分积右移 0111 1(2)乘数为0，不加 部分积右移,+ 1111,1111,+ 1111,10010 11,部分积右移,0011 11,1001 011,(3)乘数为1，加,(4)乘数为1，加 + 1111,11000 011,部分积右移,1100 0011,四、二进制编码,1.BCD码 Binary-Codad Decimal 二进制编码的十进制数，用四位二进制数表示一位十进制数。,十进制数 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 10 0001 0000 (0100100101111000.000101001001)BCD,4 9 7 8 . 1 4 9,(1) 压缩BCD码 一个单元八位二进制存放两位十进制数，如十进制数29的压缩BCD码表示为 0010 1001 B（即29H）(2) 非压缩BCD码 一个单元八位二进制存放一位十进制数，低4位与压缩BCD码相同，高4位无意义。 如十进制数29的非压缩BCD码表示为： xxxx0010B xxxx1001B,2.ASCII码 (American Standard Code for Information Interchange) 美国标准信息交换码 用七位二进制数，表示数字(09)，大小写英文字母，符号等，共128个字符，见P.416附录。例：数字09：30H39H 字母AZ：41H5AH 字母az： 61H7AH 空格：20H 回车CR：0DH 换行LF：0AH,五、定点数和浮点数,1. 浮点数 (110011.101)2=2110(0.110011101)2,基数,阶码,尾数,N=2j S 规格化浮点数，0.5S1 数的表示范围大，如：阶符1位，阶码2位，数符1位，尾数4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4),例：三字节规格化浮点数，阶符1位，阶码6位，数符1位，尾数16位。,- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16),参加运算的操作数，要乘上一固定的阶化成所要求的格式。 表示的数值不如浮点数大。例：三字节定点数，1位符号，23位数据。 - 223 +223 2,2.定点数,六、带符号数的表示法,1. 无符号数 N位二进制数可以表示的无符号数范围为：02N -1 例： 8位二进制数表示 0255 16位二进制数表示 065535,2. 机器数与真值 通常一个数的最高位为符号位，用0表示正，1表示负 如：x=(01011011)2=+91 x=(11011011)2=-91 D7：符号位 D6D0：数字位机器数：连同符号在一起作为一个数真值：机器数的数值为该机器数的真值,3. 原码 上面的表示法称为原码。 X=+105 X原=01101001,X=-105 X原=11101001,特点： (1) 表示简单易懂，与真值转换方便。 (2) 减法或两个数异号相加，要做减法。,4. 反码 正数的反码与原码相同。 负数的反码为它的正数的按位取反(连符号位)。 +4反=00000100 -4反=11111011,+127反=01111111,-127反=10000000,特点：(1) 0有两种表示法。 +0反=00000000 -0反=11111111(2) 8位二进制反码所能表示的数值 范围：+127-127。(3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反为数值部分。 例：10010100,符号,取反为 1101011，数值为107,5. 带符号数的补码表示 正数的补码与原码相同。 负数的补码为它的反码，且在最低位加1。 +4补=00000100 -4反=11111011 -4补=11111100 +127补=01111111 -127反=10000000 -127补=10000001,特点：(1) +0补= -0补= 00000000 (2) 8位二进制补码所能表示的数值 范围： +127 -128 (3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反，且在最低 位加1，才是数值部分。 例：10010100,符号,取反加1: 1101100，数值为108,6. 补码的特性 求补 (1) x补 -x补 例1：10补=00001010B求补后 -10补=11110110B (2) x + y补= x补+ y补(3) x - y补= x补+ -y补,说明：在计算机内部，补码减法是通过对减数求补后将减法转换为加法进行的。 例2：X=64-10=64+(-10)=54 X补=64补+-10补 =01000000+11110110,=00110110,01000000 + 11110110 1 00110110,进位，自然丢失,3,例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X补=34补+-68补 =00100010+10111100,= 11011110,00100010 +10111100 11011110,负,7.溢出 计算机字长有一定限制，所以一个带符号数是有一定范围的。如：8位二进制补码所能表示的数值范围： +127 -128 运算结果超出这范围称为溢出。 例4：120+105=01111000+01101001,01111000 + 01101001 11100001,负,例5：-80+(-64)=10110000+11000000,进位丢失,10110000 + 11000000 1 01110000,表示正,(1) D6向D7的进位 (2) D7向进位位的进位。 当两个进位只有一个时，溢出 当两个进位都有或都没有时，无溢出,8. 符号扩展与零扩展 符号扩展 将原符号位填入扩展的每一位，使得在带符号数意义下取值不变。零扩展 将0填入扩展的每一位，使得在无符号数意义下取值不变。 例6： X补=7FEDH， Y补=D6H X+Y补= X补+ Y补 = 7FEDH+FFD6H=7FC3H,例7: 符号扩展 8位 16位 32位 80H 0FF80H 0FFFFFF80H 26H 0026H 00000026H 例8: 零扩展，针对无符号数 8位 16位 32位 80H 0080H 00000080H 26H 0026H 00000026H,七、注解,(1) 同一个二进制数可以表示多种含义，其具体含义由使用者解释。 例如：二进制数00110000B，即30H，可以当作 十进制数48的二进制表示 字符0的ASCII码 30的压缩BCD码等等。,(2) 带符号数的二进制补码表示与位数密切相关。 例：0FFH，若作为8位带符号数，则表示-1； 若作为16位带符号数，则表示255。 0FFFFH，若作为16位带符号数，则表示-1； 若作为32位带符号数，则表示65535。,第三节 微型计算机的基本结构,微型计算机的功能部件,微型计算机结构,微处理器的简单工作过程,一、微型计算机的功能部件,冯诺依曼结构：(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。(2) 数据程序以二进制形式存于存储器，位置由地址指示，数制为二进制。(3) 由一个指令计数器控制指令的执行。,控 制 器,算术逻辑运算单元ALU,存 储 器,输入设备,输出设备,CPU(Central Processing Unit)ALU和控制器,CPU,输出设备,存储器,输入设备,面向总线,1.中央处理器CPU,(1) 组成 算术逻辑运算单元ALU 寄存器阵列 定时与控制部分 三组总线,内部结构,外部结构,(2)基本功能 1)算术逻辑运算：+，-，与，或 2)发送和接收数据给存储器和外设 3)暂存少量数据 4)对指令进行译码并执行 5)定时和控制信号提供 6)可响应其它部件提出的中断请求 返回,2.存储器,记忆装置，存放数据程序。,(1)存储地址 存储器的每一个单元有一个地址，CPU根据这地址将所需数据存入或取出。,(2)存储内容 存储单元存放的内容，长度由CPU字长决定。,存储地址由CPU的地址总线决定，地址线的根数决定了存储器芯片的存储容量。 存储单元的数据位数由存储器芯片的数据总线决定。例如：有一存储芯片的容量是2K8位 则 地址线11根，211=2048 数据线8根 返回 4,3.输入设备,功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。 输入原始数据，程序，采集资料信息。 如： 键盘，纸带读入机，A/D,4.输出设备,功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。 如： 显示器，打印机，D/A 返回,二、微型计算机结构,CPU受引脚芯片面积工艺的限制CP