微机原理1-10下第1章.ppt

Principles of Microcomputer and Interfacing Technique 微机原理与接口技术,电话：61648281E-mail: 南方医科大学医工程学院信息技术系,主讲人 陈露晨,本次课内容,基础回顾(预备知识)-与前面所学知识的衔接 数据表示 数字逻辑基础 数字电子技术课程 微型计算机组成及各部分功能 (1.1.1),第1章 微处理器及PC系统,课程介绍,授课对象 08电子信息工程+08医学影像工程本科 必修课 以技术为主 面向应用 软硬件相结合 先修课程 数字电子技术(数字逻辑) 硬件电路基础,先 修 课 程,教学目标培养能力 资料阅读能力 分析硬软件能力 逻辑分析 时序分析 设计接口，扩充系统能力 总结规律性、举一反三 在时序分析基础上，设计接口电路 使用设计与调试工具、设计与调试能力,教学目标,存储器访问时间CPU = TTCLCL * 3-（TCLAV+TDVCL）,分析硬软件能力,分析硬软件能力,培养良好的学习方法“问题驱动”法 （Question-Driven） 提出问题 Why? 体会事物发展的动因，培养创新思维 分析问题 What? 培养分析问题的能力，抓住事物的本质 如何解决 How? 学习具体的技术，积累创新的技能和方法 举例： Why？总线为什么要三态 What? 三态解决什么问题 How? 如何保证三态 学习内容 What is Microcomputer Why to learn Microcomputer What can we do after learning 突出应用，侧重各模块外部的连接和应用技术。详细讲述微处理器芯片的指令系统及汇编语言编程、CPU外部特性、微机主板与通用外设的接口电路及应用编程技术,教学特点,?,听听同学的看法,教材 微机原理与接口技术 第2版 李伯成 主编 清华大学出版社 2008年9月 参考书 1. 美 Barry B. Brey, “The Intel Microprocessors 8086/8088Pentium4 Architecture，Programing and Interfacing”（有中译本） 2. The 8086 Familly Users Manual 3. Tom Shanley etc. “ Pentium Processor System Architecture” 4. 全国计算机等级考试三级教程PC技术 2011年版 高等教育出版社 5. 网站:/qwfw,教材,第1章 微处理器及PC系统 第2章 指令系统及汇编语言程序设计 第3章 总线 第4章 存储系统 第5章 输入输出技术 第6章 常用接口芯片及应用 第7章 基于SOC的微型机系统,教学内容,教学内容,教学安排：63学时 作业，写上自己学号,实验1 实验4,各种CPU基本概念、思路、方法相同。选简单CPU解释复杂概念，易掌握，学习效率高 微处理器用于测量、控制等应用，一般构造小型系统，8088、8086即可，易掌握 8086是Intel80x86系列芯片基础，学习80x86系列最好从8086入手 80x86系列（8086、8088、80186、80286、80386到Pentium）向下兼容 PC机发展，但基本原理同（存储器与CPU接口、PC机与外设接口、中断工作原理同）,教学重点-80X86,以微计算机的关键技术为重点，突出技术要点和应用方法 例：微处理器的中断系统 中断响应流程 中断优先级 中断嵌套,微型计算机应用,用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：PC微机 功能越强越好、使用越方便越好 计算机嵌入式应用 用于过程控制及智能化仪器仪表方向。非计算机形式，内含CPU又不称为计算机的设备或器材 专用微机，例如：工控机、单片机、DSP 应用面广，几乎包括我们周围电子设备：汽车、信息家电（如微波炉）、打印机等。比通用微机更普遍 可靠性高、实时性强。体积小、功能集中、性价比高等优点 程序相对简单、处理数据量小 知识交叉，关键在于计算机和具体应用对象的结合，如嵌入式医疗设备是计算机和医学的融合,本课程重点,嵌入式系统中硬件处理器,微处理器CPU (Microprocessor) 一个大规模集成电路芯片，内含控制器、运算器和寄存器等 ,微机中的核心芯片 如：PC机所用8086/286/386/486/Pentium 微控制器MCU(单片机) 单片微型计算机。把CPU、存储器、I/O接口集成在一块芯片上。如INTEL MCS-/51 通常采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一 数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor) 采用一系列措施保证高速、实时进行数字信号处理 用哈佛结构，程序和数据分开存储 实际上是一种高端单片机。高性能，价格较普通单片机贵。,请 大 家 复 习 掌 握 本 节 内 容,位、字节、字和 字长,位（bit）：一位二进制数简称一位。是表示信息的 最小单位。 字（word）：计算机内部一次所能处理的一组二进制数 字长：计算机一次所能处理的一组二进制数的位数，通常和寄存器、内部总线宽度相同。 字节（byte）：8位二进制数为一个字节。字节是表示信息量多少和存储容量大小的基本单位，其辅助单位有： 210B=1KB, 220B=1MB, 230B=1GB, 240B=1TB。 目前PC机，定义 字=2byte 双字=4byte 四字=8byte,计算机中的数据表示,存储容量的表达 比特b（二进制1位） 字节B （二进制8位） 1KB210B1024B 1MB220B、1GB230B 进制的表示 二进制数用B或b结尾 十进制数可不用结尾字母， 也可用D或d结尾 十六进制数用H或h结尾,?,1KB=_B=_b,257D=_B=_b,计算机中的数据表示,计算机中采用的是二进制数。二进制数的要素有： 每一位数是0或1两个数码中的一个； 逢二进一，借一为二。二进制数的尾符为：B 十进制：(1867)10=1*103+8*102+6*101+7*100 基：10，权：09 二进制： (101001)2= 1*25+0*24+ 1*23+0*22+0*21+1*20 基：2，权：01 B-二进制；H-十六进制；D-十进制；O-八进制,例:257D=_B,数的定点表示和浮点表示,数的定点表示法 小数点位置固定的数称为定点数。 MSB表示最高有效位， LSB表示最低有效位。 当小数点固定在MSB的前面时，定点数为纯小数；当小数点固定在LSB的后面时，定点数为纯整数。 数的浮点表示法 将一个二进制数用一种普通形式表示为：2E F，其中E表示阶码，F 称为尾数。我们把用阶码和尾数表示的数称为浮点数。 阶码通常为带符号的整数，尾数通常为带符号的纯小数。,计算机中采用二进制，但二进制书写冗长，阅读不便，所以在输入输出时人们仍习惯使用十进制。如果计算量不大，可采用二进制数对每一位十进制数字进行编码的方法来表示一个十进制数，这种数叫做BCD码。由于在机内采用BCD码进行运算绕过了二进制、十进制间的复杂转化环节，从而节省了机器时间。 BCD码有多种形式，最常用的是8421BCD码，它是用4位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值。,十进制数的编码BCD码,?,十进制数34的BCD码=_H 十进制数34=_H,=00110100B=34H,=00100100B= 22H,字符编码,西文字符：采用ASCII码，用一字节表示。 汉字字符：采用GB2312-80编码，用二个字节 表示。共定义了7445个字符信息， 其中汉字字符6763个，其他字符 682个。,计算机中除了数值之外，还有一类非常重要的数据-字符，如英文字母，数字符号（0，1，9）及其他常用符号（如：？、%、+等）。这些符号计算机中用二进制编码的形式表示。为了统一，人们制定了编码标准。目前，一般都是采用美国标准信息交换码，它使用七位二进制编码来表示一个符号，通常把它称为ASCII码。由于用七位码来表示一个符号，故该编码方案中共有128个符号（27=128），编号从 (0000000)2到(1111111)2 。,ASCII码,符号数的表示方法,为了对带正、负号的二进制数进行运算，引入原码、反码和补码3种的表示方法 原码 最高位为符号位(0表示正数，1表示负数),其后跟 着数值 反码 正数的反码与原码相同；负数的反码符号位不变， 数值位逐位取反。 补码 正数的补码与原码相同；负数的补码符号位不变， 数值逐位取反加1。计算机中符号数用补码表示。 补码运算的优点：使加、减法运算统一为加法运算。 X+Y补X补Y补 XY补X补-Y补,符号数的表示方法,例题：分别将十进制数(+45) 10和(- 45) 10 用8位二进制有符号数表示，其原码？补码？反码？,解：(+45) 10=(0 0101101) 2原码补码反码 符号位 数值位 (45) 10=( 0101101) 2 原码 =( 1010010) 2 反码 =( 1010011) 2 补码,二进制数的算术运算,加法运算：0+0=0，0+1=1+0=1，1+1=10 减法运算：0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1=1 （向高位借1） 乘法运算：0 0=0，0 1=0，1 1=1 （移位相加） 除法运算：00、1 0均非法，0 1=0， 1 1=1（移位相减）,1. 二进制数的逻辑运算（布尔代数）,输入变量为0或1 基本运算 与运算 and 、* Y=AB 或运算 or 、+ Y=AB 异或运算 xor 、 Y=A B 非运算 not / Y=/A,逻辑运算 与运算,与运算： and、* Y=A*B 真值表： 例：(11001010)*(00001111)=,00001010,逻辑运算 或运算,或运算： or、 、+ Y=A+B 真值表： 例： (11001010)+(00001111)=,11001111,异或运算： 、 Y=A B= /A*B+A*/B 真值表： 例：(11001010) (00001111)=,逻辑运算 异或运算,11000101,逻辑运算 非运算,非运算 / Y=/A 真值表：,逻辑运算,恒等式 A*0=0, A*1=A, A*A=A A+0=A, A+1=1, A+A=A A+/A=1, A*/A=0, /A=A 运算规律 交换律 A*B=B*A A+B=B+A 结合律 (A*B)*C=A*(B*C) (A+B)+C=A+(B+C) 分配律 A*(B+C)=A*B+A*C (A+B)*(C+D)=A*C+A*D+B*C+B*D,与运算（and、*） 或运算（or、 、+）,2. 几种常用芯片,三态门和D触发器 三态门和以D触发器形成的锁存器是微机接口电路中最常使用的两类逻辑电路 三态门的作用：功率放大、导通开关 器件共用总线时，一般使用三态电路： 需要使用总线的时候打开三态门； 不使用的时候关闭三态门，使之处于高阻 D触发器的作用：信号保持，导通开关,三态缓冲器（三态门）,T为低电平时： 输出为高阻抗（三态） T为高电平时： 输出为输入的反相,三态门具有单向导通和三态的特性,常用集成电路芯片 74LS244,双4位单向缓冲器 分成4位的两组 每组的控制端连接在一起 控制端低电平有效 输出与输入同相,每一位都是一个三态门， 每4个三态门的控制端连接在一起,双向三态缓冲器,OE*0，导通 T1 AB T0 AB OE*1，不导通,双向三态门具有双向导通和三态的特性,常用集成电路芯片 74LS245,8位双向缓冲器 控制端连接在一起，低电平有效 可以双向导通 输出与输入同相,E*0，导通 DIR1 AB DIR0 AB E*1，不导通,74LS245与Intel 8286功能一样,每一位都是一个双向三态门， 8位具有共同的控制端,Intel 8286,OE*0，导通 T1 AB T0 AB OE*1，不导通,每一位都是一个双向三态门， 8位具有共同的控制端,8位双向缓冲器 控制端连接在一起，低电平有效 可以双向导通 输出与输入同相,D触发器,电平锁存： 高电平通过，低电平锁存 上升沿锁存： 通常用负脉冲触发锁存,常用集成电路芯片 74LS273,具有异步清零的 TTL上升沿锁存器,每一位都是一个D触发器， 8个D触发器的控制端连接在一起,三态缓冲锁存器（三态锁存器）,T,A,D Q C,B,常用集成电路芯片 74LS373,具有三态输出的 TTL电平锁存器 LE 电平锁存引脚 OE* 输出允许引脚,74LS373与Intel 8282功能一样,每一位都是一个三态锁存器， 8个三态锁存器的控制端连在一起,Intel 8282,具有三态输出的 TTL电平锁存器 STB 电平锁存引脚 OE* 输出允许引脚,每一位都是一个三态锁存器， 8个三态锁存器的控制端连在一起,第1章：教学要求,1.1 (重点) 8086(88)CPU 微型计算机组成及各部分功能 8086CPU内部结构 (书1.1.5) 存储器寻址 (书1.1.6) 8086CPU引线及其功能 (书1.1.3 1.1.4) 8086CPU的工作时序 (书1.1.7) 系统总线的形成 (书1.1.8) 1.2 (一般了解,要求掌握寄存器) 80x86发展过程及奔腾处理器 1.3 (一般了解),第1章 微处理器及PC系统,本章教学重点 8086内部寄存器 、存储器寻址 、最小组态下的引脚定义,汇编语言课程“汇编语言基础知识”,一. 微型计算机组成及各部分功能,硬件（Hardware） 中央处理单元CPU 控制器、运算器、寄存器 存储器 主存储器：RAM和ROM 辅助存储器：磁盘、光盘、U盘 外部设备 输入设备和输出设备 软件（Software） 系统软件 应用软件,微型计算机系统（Microcomputer system）,指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统 硬件系统：看得见、摸得着的物理实体。 软件系统：计算机运行的所有程序、数据、文档的集合。 分为系统软件、应用软件两类 衡量微机的常用性能指标有：字长、存储容量、运算速度、总线及接口、系统软件配置等。,微型计算机基本结构,图: 微型计算机的硬件结构,汇编语言程序员看到的硬件,中央处理单元 CPU（Intel 80x86） 对汇编语言程序员，最关心其中的寄存器 内存（主存储器 ） 呈现给汇编语言程序员的，是主存储器地址 存储器地址是存储器中存储单元的编号 外部设备（接口电路） 汇编语言程序员看到的是端口（I/O地址）,微型计算机的系统组成,CPU CPU MOV AX,DX CPU 内存 MOV AX,5678H CPU I/O接口 IN AX,DX,寄存器、存储器和外存的区别,寄存器是微处理器（CPU）内部暂存数据的存储单元，以名称表示，例如：AX，BX.等 存储器也就是平时所说的主存，也叫内存，可直接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别 外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质，常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据只能通过内存间接地与CPU交换数据 程序及其数据可以长久存放在外存，在运行需要时才进入主存,寄存器（Register）,寄存器是CPU内部的高速存储单元,为处理器提供各种操作所需要的数据或地址等信息 通过编写程序、由处理器执行指令控制 汇编语言程序采用它们各自的符号名 8086CPU的寄存器结构(Intel 8086/80286 ) 16位通用寄存器 AX BX CX DX SI DI BP SP 4个16位段寄存器 16位指令指针寄存器 IP 16位标志寄存器 PSW IA-32处理器的寄存器结构(80386/80486/Pentium系列) 32位通用寄存器 EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP 6个16位段寄存器 32位标志寄存器 32位指令指针,示意图,汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器 所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用,1.主存储器(内存),存放CPU执行的程序及数据 读出：CPU从内存中取出程序及数据过程 写入：将程序及数据存放于内存的过程 主存储器由许多存储单元组成 每个存储单元存放8位二进制数（1字节）-存储单元内容 每个存储单元编不同号码-存储单元地址（或内存地址、存储器地址） 8086cpu访问内存有20位地址线，内存地址00000HFFFFFH共 220B=1MB个存储单元 存储器地址（Address） 存储器由大量存储单元组成，需要用编号区别每个单元：编号地址 存储器地址是存储器中存储单元的编号 Intel 8086具有1兆字节（1MB）存储器容量 存储器地址表示为：00000H FFFFFH 采用十六进制H数来表达地址,内存 MOV AX, ES:5678H,2.接口-输入输出（I/O)接口,CPU所连接的外部设备各式各样的,通过接口使CPU和外设协调工作 接口地址 8086CPU访问接口有16位地址线 I/O接口电路由接口寄存器组成，需要用编号区别各个寄存器：编号地址 I/O地址是接口电路中寄存器的编号 端口是I/O地址的通俗说法 系统通过这些端口与外设进行通信 采用十六进制数来表达端口 Intel 8086支持64K个8位端口 I/O地址可以表示为：0000H FFFFH,I/O接口 IN AX,DX OUT 30H, AL,3.系统总线,总线是指传递信息的一组公用通信线（公共通道） 微机系统采用“总线结构”连接系统功能部件，具有组态灵活、扩展方便的优势 总线信号可分成三组 地址总线AB：传送地址信息 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的