第1章 微机基础知识.doc

微机原理与应用（Principle and Application of Microcomputer）第一章 微机基础知识（foundation）1.1 计算机的发展（development） 1电子计算机发展 第一代：19461957年，以电子管为主，每秒几千几万次 第二代：19581964年，以晶体管分立元件为主，每秒几十万次 第三代：19651970年，以小规模（SSI）、中规模（MSI）集成电路为主 第四代：1970以来，以大规模（LSI）、超大规模（VLSI）集成电路为主 第五代：80年代中期开始，研制智能型、带知识库、有推理能力计算机 微型计算机的发展（70年代开始诞生了以微处理器为核心的微型计算机） 第一代：19711973年，2000/片，4位和低档8位机，简单计算和小型控制 第二代：19741977年，9000/片，8位机 第三代：19781983年，10万/片，16位机（8086:2.9万/片，80286:10万/片） 第四代：19831993年，几十万/片，32位机（80386:27.5万/片，80486:120万/片） 第五代：1993年开始，64位机（80586:300万，Pentium4:4200万/片） 计算机的发展趋势是功能巨型化、体积微型化、网络化、智能化 2微型计算机优点：价格低、体积小、重量轻、功耗省、可靠性高等1.2 数制和编码（number representation system & coding） 一数制 一个数N可表示为 x 基数,为常数 a 系数,各数位上的数字 m,n 幂指数,为正整数1 十进制：09 129.87=110 2+210 1+910 0+810 -1+710 -22 二进制：01 1011.101B=12 3+02 2+12 1+12 0+12 -1+02 -2+12 -33 十六进制：09,A,B,C,D,E,F 1ED.8AH=116 2+1416 1+1316 0+816 -1+1016 -2一位十六进制数等于四位二进制数，有：16 1=2 4 二数制间的转换1 二十转换10 2 整数部分“除以2取余”，小数部分“乘2取整”分开计算，如：76.6875D=1001100.1011B整数76D=1001100B 小数0.6875D=0.1011B除数被除数余数0.6875276 22380低位 高位1.37502190 22910.7500241 22201.5000210 201高位 低位1.0000小数210可准确，102有时只能近似210将二进制数按位展开累加即可。2 二十六转换以小数点为界限算起，整数向左，小数向右，每四位二进制数对应一位十六进制数，如：1111 1011. 0011 1101B=FB.3DH同样，对二八转换有：1 101 110 111. 100 011 01B=1567.432Q 三码制 计算机中常用原码、补码、反码来表示一个数，它们把数的符号也数值化了，通常是用二进制数的最高位表示（0正1负），这种数叫做机器数。1 原码最高位符号（0正1负），其余位数值，如：X= + 1011100，Y= - 1011100原码表示为：X原=01011100，Y原=1101110000000000和10000000都代表0（正0和负0）。计算：X+Y=1011100 +（- 1011100）=0但是：X原+Y原=01011100+110111000 01011100 + 11011100 100111000出错必须用补码运算才能得到正确结果。2 补码模：计量器的最大容量。4位寄存器能存放00001111共16个数，其模为24=16，n位二进制数其模为2n。器件进行的运算是有模运算，例如8位的运算器，运算结果超出11111111（255），超出部分自动丢失（保存在进位标志寄存器中）。1位十进制数能表示09，其模为101=10时钟以12为模，圆角度以360度为模例，时钟从7点拨到4点，可作减3也可作加9，即7-3 = 4，7+9 =16 = 4 +12（丢失） +9即为-3对12的补码 角度从120度变到40度，可用120-80=40，也可用120+280 = 40 +360（丢失） +280即为-80的补码将原码变成补码的方法是：正数：补码等于原码负数：补码等于其原码符号位不变，其余各位按位取反再加1，称“取反加1”。 （亦可用模减原码数值位而得补码） 例：11011100 原码 10100011（取反） 10100100（加1） 补码 求补码的简便办法是，原码符号位不变从最低位开始，直到出现第一个1都不变，其余按位取反即可 11011100 10100100用补码运算的目的，是要把减法运算变为加法运算。（符号位也参与运算）上述原码 X原=01011100，Y原=11011100，其补码 X补=01011100，Y补=10100100现在来计算X + Y（用补码运算） 0 1 0 1 1 1 0 0 + 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 结果为0 （注意，其结果还是补码） （进位丢失）另外：补码的补码等于原码。例 原码11011100，求其补码10100100，再求补11011100等于原码。X+Y补= X补+Y补X-Y补= X补+-Y补3 反码正数：反码等于原码负数：反码等于其原码符号位不变，其余各位按位取反反码的反码等于原码，例： 原码11010100，取反后为10101011，再取反11010100等于原码 对8位二进制数，范围为0000000011111111 无符号时：0255，即00HFFH（02 n-1） 原码： -127+127，即FFH7FH （-2 n-1+12 n-1-1） （-127-0，FFH80H；0127，00H7FH） 补码： -128+127，即80H7FH（-2 n-12 n-1-1） （-128-1，80HFFH；0127，00H7FH） 反码： -127+127，即80H7FH （-2 n-1+12 n-1-1） （-127-0，80HFFH；0127，00H7FH）四编码1二进制码的十进制数（BCD码Binary Coded Decimal） 用四位二进制数来表示一位十进制数，十进制数之间仍保持十进关系。 常用的是8421BCD码（还有5421、2421、6311、余3码等），如： （1001 1000 0111 0110）BCD = 9876D 大于1001的数为非法码，因此在BCD码运算中，出现： 半进位（高低4位有进位） 非法码必须进行十进制调整，即加法作加6调整，减法作减6调整。如：48 + 79 = 127 01001000+ 01111001 11000001 出错（有半进位，高位非法）+ 01100110 100100111 1272字母和字符的编码 字母和字符普遍采用ASCII码表示（美国标准信息交换码） （ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange） LSDMSD00001001201030114100510161107111012345000000010010001101000101NULSOHSTXETXEOTENQDLEDC1DC2DC3DC4NAKSP!#$%012345ABCDEPQRSTUabcdepqrstu6789A01100111100010011010ACKBELBSHTLFSYNETBCANEMSUB&()*6789:FGHIJVWXYZfghIJvwxyzBCDEF10111100110111101111VTFFCRSOSIESCFSGSRSVS+,-./;?KLMNOklmno|DEL 它用7位二进制数（D6D0）表示128个字符，其中20H7EH是可打印字符，其余为非打印字符。 （最高位D7可用来作奇偶校验位） 在微机中，最高位（D7）作0处理。（D7=1则为扩展ASCII码）3汉字编码用二字节编码代表一个汉字（每字节只用低7位，最高位补0，这样可代表214个汉字和字符，实际上每字节定义域为21H7EH，即9494=8836）国标码字符集汉字6763个（一级3755个，二级3008个），符号682个，共7445个。国标码的内码是把汉字编码的二字节最高位都置1。1.3 二进制数运算（binary operation）一 加减法1减法 用补码的办法运算，用一个加法器就可实现加减法运算，所以把减法化成补码的加法来运算，如 73 56 = 73 +（-56）= 17， （-56）用补码表示 二进制数减法为： 01001001 - 00111000 00010001 17 补码加法运算为： 01001001 +11001000 （10111000的补码） 100010001 17 （补=原） 进位丢失2加法分析：(1) -34 + (-45) = -79原码：10100010 求补 11011110 10101101 +11010011 110110001 -79（正确）(2) 21 + (-117) = -96原码：00010101 求补 00010101 11110101 +10001011 10100000 -96（正确）(3) 90 + 107 = 197原码 = 补码 01011010 +01101011 11000101 -59（错误）(4) -110 + (-92) = -202 原码：11101110 求补 10010010 11011100 +10100100 100110110 54（错误）8位二进制补码所能表示的数的范围为128+127,超出则溢出,因此 两数同号相减或异号相加不会溢出 两数同号相加或异号相减可能溢出判别法：V = CY7 CY6 ， V = 0正确，V = 1溢出 0 0 0 0 1 1 溢出 1 0 1 1 1 0对16位补码运算，V = CY15 CY14二 乘除法(1) 乘法通常与十进制运算一样，如11011010 = 100000101 1 0 1 被乘数 1 0 1 0 乘数 0 0 0 0 1 1 0 1 部分积0 0 0 01 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 乘积计算机采用边乘边累加来实现，下面是部分积右移法 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 部分积 0 0 0 0 部分积右移一位 + 1 1 0 1 被乘数与乘数上一位积 1 1 0 1 0 部分积 1 1 0 1 0 部分积右移一位 + 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 + 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 乘积(2) 除法与十进制运算一样，如 1 1 0 1 商 除数 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 被除数1 1 0 1 1 11 1 0 1 1 01 1 0 0三 小数点定点表示法 纯小数定点法： 数符.尾数 -1， 1，（小数） 整数定点法： 数符 尾数. 0， 0 （整数）浮点表示法 阶符 阶码 尾符 尾数设阶码的值 = P阶符为0时小数点后移P位，为1时小数点前移P位尾符为0时尾数正，为1时尾数负 例：N = 100.1B = 23 0.1001 0 1 1 0 1 0 0 1 阶符 阶码 尾符 尾数四 几个计算机常用名词1 位（Bit） （Binary Digit）计算机所能表示的最小的数据单位，0和12 字（Word）cpu与输入/输出设备及存储器之间传送数据的基本单位，数据总线的宽度（条数），即字长，有1位，4位，8位，16位，32位等等3 字节（Byte）1字节=8位（8Bit）4 K和KBK = 210 = 1024，M = 210K = 220，G = 210M =220K =230KB = 1024 ByteMB = 1024 KB =1048576 ByteGB = 1024 MB = 1048576KB = 1073741824 Byte5 指令：规定计算机进行某种操作的命令6 指令系统：一台计算机所能执行的全部指令7 程序：为完成某种任务而编制的一系列指令1.4 逻辑运算和逻辑电路（logical operation & logical circuit）一布尔代数又叫开关代数、逻辑代数 Y = f（A.B.C.D）特点： 变量A.B.C.D. 均只有二种可能数值0和1 函数f只有“与”、“或”、“非”三种基本运算方式。1“与”运算：Y = ABCD 其结果变量中有“0”时Y必然为“0”2“或”运算：Y = A + B + C + 其结果变量中有“1”时Y必然为“1”3“非”（反码）： Y = A， A 是A的反码 有 A = A4摩根定理 A + B = AB A + B + C + D + = ABCD AB = A + B ABCD = A + B + C + D +二三个基本门电路 1与门 Y = AB控 信A B Y0 0 00 1 0 关1 0 0 开1 1 12或门 Y = A + B控 信A B Y0 0 00 1 1 开1 0 1 关1 1 1 3非门 Y = AA Y0 11 0三异或门 Y = AB = AB + AB控 信A B Y0 0 00 1 1 直通1 0 1 取反1 1 0其组成为：四触发器一种存储元件，以高低电平方式存储一位二进制数码，常用的有R-S触发器、D触发器、JK触发器R-S触发器： D触发器：JK触发器：五寄存器1、缓冲寄存器2、移位寄存器 3、计数器寄存器用于传送信息，主要有三大类，即地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器标志寄存器用于保留指令执行后的状态六译码器 用来将输出的代码变成控制信号，如2-4译码器七三态门（三态缓冲器） 三个输出态，即“0”、“1”和高阻态 例：双向传输电路，这种接法A、B之间没有高阻态 三态缓冲器：常用来作为微处理机数据总线的输入缓冲，被选通时才允许输入设备将数据送到系统数据总线上，未选通的设备与总线隔离，三态缓冲器对经它传送的数据还起驱动放大作用 锁存器：CPU把数据送给输出设备时在总线上停留时间很短，必须利用数据锁存器及时把它锁存起来，让总线得以他用，以便较慢的外设有足够的时间接收和处理数据八运算电路 1一位二进制数加法与半加法器(Half Adder) 真值表：A BS（和）C（进位）0 00 11 01 1 0 0 1 0 1 0 0 1 逻辑：S = AB C = AB 电路： 2全加法器（Full Adder） 真值表：Ai Bi CiSi Ci+1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 逻辑： Si = Ci(AiBi) Ci+1 = （AiBi）+ Ci（AiBi） 或：Si = AiBiCi Ci+1 = AiBi + BiCi + CiAi 电路： 四位全加法器组成： 3二进制补码加法器/减法器 4算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 算术加法：1+1=10 有进位 逻辑加法：1+1=1 无进位 1.5 计算机的基本结构与原理（basic structure & principle of computer） 一计算机的组成原理 人工： 运算工具 记录 人脑 计算机： 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 1基本硬件组成注：双线表示数据信息，单线表示控制信息，箭头表示传递方向 主机：由运算器、控制器、主存储器组成 中央处理器CPU（Central Processing Unit）:由运算器、控制器组成 外设：主机以外的各种I/O、外存储器统称之 2软件 系统软件：一般由厂家提供，是生成、准备和执行其他程序所需的一组程序 操作系统：用来组织计算机的工作流程，管理调度各种软硬件资源，检查程序和机器故障等 解释程序：把某种语言程序翻译成机器语言程序，逐条翻译逐条执行 编译程序：把高级语言源程序编译成某种中间语言或机器语言的目标程序 汇编程序：把用汇编语言编写的源程序翻译成机器语言目标程序 诊断程序：检查程序的错误和计算机的故障并指示出错点等 程序设计语言 机器语言：用二进制代码0和1形式表示的计算机能够识别和执行的语言 汇编语言：用助记符表示的面向机器的程序设计语言，是一种初级语言 高级语言：又称算法语言、编译语言，是一种面向过程而独立于计算机硬件结构的通用语言 应用软件、软件包、数据库 应用软件：为解决某个应用领域的具体任务而编制的程序 软件包：按功能不同组成的标准化、模块化的应用软件 数据库：按一定形式和规律加以组织建立起来的方便于使用、检索、处理的数据 二微型计算机系统的组成（见P1，F1-1） 有微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）和输入/输出接口电路，通过接口电路与外部设备相连接，硬件各部分通过三组总线（地址总线、数据总线、控制总线）连接 微处理器（CPU）：包括运算器、控制器和寄存器阵列等 存储器：最小单位是一位二进制代码，若干个最小单位（如8位）组成一个存储单元，许多存储单元组成一个存储器，每个单元一个编号，称地址，N个单元其地址号从0到N-1 只读存储器ROM存储信息不因断电而丢失 随机存储器RAM可随时读写，但掉电后信息丢失 I/O外设 总线 微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备、总线构成 三CPU结构特点 1运算器（算术逻辑单元） 作算术运算：加、减、乘、除 逻辑运算：与、或、非、异或等 2寄存器 通用寄存器组，存放操作数和运算结果 标志寄存器，反映运算结果的标志状态位 程序计数器，也叫指令指针，提供程序中指令的地址 堆栈指示器，指示堆栈区最新存放地址 3指令寄存器 寄存指令的操作码 4指令译码器和CPU控制逻辑 指令译码器将寄存器的指令操作码译码后送CPU控制器进行各种控制 四总线结构 一组传输信息的导线，它把微机各部分连接起来作为传输信息的公共通道 分时使用例： 双向4位数据总线： 内部总线：CPU内部传送信息的通道 系统总线：是指从处理器引出的用以和存储器及I/O设备进行信息交换的信号线，有地址总线，数据总线和控制总线。其使用特点是： 1. 某一时刻只能由一个总线主控设备来控制系统总线 2. 某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可有多个设备从总线同时获得信号。 地址总线，单向，由CPU发向存储器或I/O接口电路 数据总线，双向，数据总线的条数即为CPU的字长 控制总线，与CPU连接的一组控制线，单向或双向，如WR、RD、M / IO、INTR等 五IBM PC/XT 结构 IBM PC/XT由主机、键盘、显示器等组成 Intel 8088CPU工作于最大模式，系统时钟4.77MHZ（14.31818MHZ3） 1中央处理器：8088CPU，配8284时钟发生器、