微机原理及应用吕林涛 第一章.ppt

微型计算机原理与接口技术 电子信息与电气工程学院 吕林涛主编 本章内容提要 微型计算机系统的基本术语微型计算机系统的发展与分类微型计算机的系统组成 1 本课程教学目的和任务本课程为电子信息学院各专业的主干专业基础课程 它的任务是使学生掌握微型计算机的基本原理和结构 汇编语言程序设计方法 内存扩展方法 I O口与CPU数据交换方式及中断技术 为专业技术课所需的微机知识打下良好的基础 2 本课程的教学环节组成本课程由理论教学 实验教学两部分组成 理论教学4学分56学时基础理论课堂教学 配以习题的方式 实验教学8学时验证的方式 3 本课程的学习方法软件与硬件的结合和交叉前 后内容的结合和交叉 4 教材内容体系结构基本知识与基本概念计算机的基本结构与工作原理微处理器与微型计算机的概念微型计算机系统组成及其应用计算机中的数据表示 数制与编码的应用8086微处理器微处理器内部结构存储器和I O组织总线周期与操作时序 指令系统与汇编语言指令的概念与寻址方式8086指令系统介绍汇编语言格式 基本表达 伪指令介绍汇编语言源程序的建立 编辑 运行 调试汇编语言程序设计及其应用程序设计的方法和步骤顺序程序 分支程序 循环程序 子程序的设计中断调用程序设计输入 输出接口及相关的芯片8259A 8237 8255串行通讯 1 1微型计算机系统的基本术语 1 微处理器 2 微型计算机 微处理器MPU microprocessor 也常称为微处理机 它并不是微型计算机 它是微型计算机的核心部件 微处理器包括算术逻辑部件ALU arithmeticlogicunit 控制部件CU controlunit 和寄存器组R registers 3个基本部分和内部总线 微型计算机MC microcomputer 是以微处理器为核心 由大规模集成电路制作的存储器M I O 输入 输出 接口和系统总线组成 3 微型计算机系统 4 接口 微型计算机系统 microcomputersystem 是以微型计算机为核心 再配以相应的外围设备 电源 辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统 接口 interface 是微处理器与I O的连接电路 是CPU与外界进行信息交换的中转站 1 2微型计算机系统的发展与分类 1 2 1微型计算机系统的发展 1 2 2微型计算机的分类 年代CPU 中央处理器 1971 1972Intel4004 80081973 1977Intel80801978 1980Intel8086 80881981 1989Intel80286 803861990 至今Intel80386 80486Pentium586Pentium Pentium Pentium 1971年第1台微型计算机诞生 微型计算机的发展 老式电脑IBM PC 按微型计算机组成分类 1 多板机 微型计算机各组成部分装配在多个印刷电路板上的微型计算机应用 如PC机 台式 便携式 手持式 2 个人微机 PC机 微型计算机各组成部分装配在一个印刷电路板上的微型计算机应用 用于教学 实验等 3 单片机 微型计算机的各组成部分集成在一个超大规模芯片上 称之为单片微型计算机 简称单片机 应用 广泛用于测控系统 仪器仪表 工业控制 通信设备 家用电器等 因单片机广泛用于嵌入式系统 亦被称为微控制器 micro controller 按微型计算机组成分类 4 位片机 微型计算机的各组成部分以MC MPU ALU R CU M I O接口的形式 配套积木式组装 字长 指令系统灵活 可变 易扩展 应用 广泛用于高速实时专用系统 如自控系统 武器系统 语音系统 高速外设等 位片机用多个位片组成任意字长的处理器 按内部存储器的组成分类 1 普林斯顿机 程序和数据存于同一内存系统中 如通用微型计算机 2 哈佛机 程序和数据分存于严格区分的两个内存系统中 如单片机 DSP等 按用途分类 1 个人计算机 PC 通用微型机 体积小 价格低廉 主要为每次一人使用 用户界面 友好 又可分为台式 便携式 手持式 2 工作站 workstation 这里的工作站是指 具有完整的人机交互界面 集高性能的计算和图形于一身 可配置大容量的内存和硬盘 I O和网络功能完善 使用多任务 多用户操作系统的小型通用个人化的计算机系统 1 3微型计算机的系统组成 1 3 1微型计算机系统构成 1 3 2IBMPC XT微机系统 微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成 微型计算机硬件 1 主机 微处理器 CPU 微处理器包括运算器 控制器和寄存器几个部分 运算器可以完成算术运算和逻辑运算 控制器由指令寄存器 指令译码器和一些时序控制电路组成 控制器根据指令的要求 对CPU内部和外部发出相应的控制信息 使微型机各部件协调地工作 完成指令要求的操作 CPU内部的寄存器用于存放运算过程中的数据 存储器 memory 存储器是微机的存储和记忆部件 用以存放程序代码和运算需要的数据 内存通常使用半导体存储器 输入 输出接口 I Ointerface CPU要与很多外部设备进行数据传送 必须通过输入 输出接口 所以输入 输出接口是CPU与外设之间的桥梁 这个接口也叫I O适配器 微型计算机硬件 2 外部设备 外部设备主要指输入设备和输出设备 常用的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪 模数转换器 常用的输出设备有 显示器 打印机 绘图仪 数模转换器 磁盘 磁带既是输入设备 又是输出设备 而多数光盘是只读的 只能做输入设备 3 总线 微型计算机主要是由微处理器 存储器 I O接口和I O设备所组成的 这些部件使用系统总线连接起来 系统总线就是一组传送信息的公共导线 分为3组 即地址总线AB addressbus 数据总线DB databus 控制总线CB controlbus AB传送CPU发出的地址信息 是单向总线 DB在CPU与内存 I O接口 之间传送数据 是双向总线 而控制总线CB是每一根起一种固定的作用 微型计算机的结构 微型计算机软件 微型计算机的软件是为完成运行 管理和测试维护等功能而编制的各种程序的总和 计算机软件分为系统软件和应用软件 系统软件包括操作系统 如DOS及 Windows UNIX Linux等 和系统应用 系统应用包括各种语言的汇编 编译程序 自诊断程序 文字处理程序 各种工具软件 数据库管理程序等 应用软件包括用户为解决各种工程实际应用而编写的程序 例如数控机床的插补程序 控制系统的控制程序等 1 IBMPC XT的配置以8088为CPU的PC XT机由主机和外部设备组成 主机采用大底板结构 放置在机箱底部 1 系统板 系统板也叫主板 分为5大部分 CPU及其外围配套芯片 ROM RAM I O接口 I O扩展槽 2 ROM PC XT机只读存储器ROM的容量为64KB 其中有32KB固化了BASIC解释程序 8KB的基本输入 输出系统BIOS BIOS是一组管理程序 它包括加电自检程序 DOS引导程序 日历钟管理程序 基本外设如键盘 CRT显示器 打印机等驱动程序等 3 RAM 原装PC机的随机存储器芯片共4列 每列9片 共36片 组成带奇偶校验的64KB内存 而后期的兼容机 由于存储器集成度的大大提高 系统板上内存容量为640KB 586机型 内存的配置高达32 128MB 采用内存条 4 I O接口电路及总线部分 系统板上还有音频盒式磁带机 键盘接口 扬声器接口电路 磁带机接口已经很少使用 IBMPC XT的主机板上有8个扩展槽 用于插入不同功能的插件板 以连接各种外设 如外设适配器 IBMPC XT为62芯总线 它与I O槽的62线相连 62芯总线包括8位数据线 双向 20位地址线 IRQ2 IRQ7中断请求线 3位DMA控制线 4位电源线 3位地线以及存储器和外设读写线 时钟信号线等 2 IBM PC XT和外设的连接配置一个基本系统 一般还需要一个I O插槽放置多功能卡 它有软盘驱动适配器和硬盘驱动适配器 打印机适配器 串口等 还有一个扩展槽插入彩色显示适配器 还可用扩展槽插入其他外设接口 IBMPC XT和外设的连接如图所示 1 4微型计算机中的数的编码和字符的表示 1 4 1二进制1 4 2二进制与十进制的互化1 4 3八进制和十六进制1 4 4有符号数的表示方法1 4 5定点数与浮点数1 4 6计算机中的编码 返回本章首页 1 4 1二进制 在二进制计数系统中 表示数据的数字符号只有两个 即0和1 大于1的数就需要两位或更多位来表示 以小数点为界向前诸位的位权依次是20 21 22 向后依次为2 1 2 2 2 3 一个二进制数也可以通过各位数字与其位权之积的和来计算其大小 返回本节 1 4 2二进制与十进制的互化 一个二进制的数向十进制转化十分简单 只要把它按位权展开相加即可 例如 1011 2 1 23 0 22 1 21 1 20 11 10十进制数转化为二进制数时 整数和纯小数的转化方法不同 而一个既有整数部分又有小数部分的数 则须分成整数和小数两部分分别转化 例1 1将十进制数47转化为二进制形式 即 47 10 101111 2 例1 2将十进制数0 625转化为二进制形式 即 0 625 10 0 101 2 返回本节 1 4 3八进制和十六进制 例1 3将八进制数327转成二进制形式 3 0112 0107 111即 327 8 011010111 2 例1 4将二进制数11010001转化成八进制形式 001 1010 2011 3即 11010001 2 321 8 例1 5将十六进制数3A2F转为二进制形式 3 0011A 10102 0010F 1111即 3A2F 16 0011101000101111 2 例1 6将二进制110011011转化成十六进制形式 1011 B1001 90001 1即 110011011 2 19B 16 返回本节 1 4 4有符号数的表示方法 由于计算机只能识别0和1组成的数或代码 所以有符号数的符号也只能用0和1来表示 一般用0表示正 用1表示负 但由于数值部分的表示方法不同 有符号数可有三种表示方法 分别叫做原码 反码和补码 原码表示的有符号数 最高位为符号位 数值位部分就是该数的绝对值 例如 假设某机器为8位机 即一个数据用8位 二进制 来表示 则 23的原码为00010111 23的原码为10010111其中最高位是符号位 后7位是数值位 反码表示的有符号数 也是把最高位规定为符号位 但数值部分对于正数是其绝对值 而对于负数则是其绝对值按位取反 即1变0 0变1 得到的 例如 23的反码为00010111 23的反码为11101000反码表示的数字范围同原码 数字 0 也有2个编码表示 0 10 00000000 2 0 10 11111111 2 补码表示的有符号数 对于正数来说同原码 反码一样 但负数的数值位部分为其绝对值按位取反后末位加1所得 例如 23的补码为11101001可以证明 两个补码形式的数 无论正负 相加 只要按二进制运算规则运算 得到的结果就是其和的补码 即有 X Y 补 X 补 Y 补 返回本节 1 4 5定点数与浮点数 1 定点表示法2 浮点表示法 1 定点表示法所谓定点表示法 是指计算机中小数点位置是固定不变的 根据小数点位置的固定方法不同 又可分为定点整数及定点小数表示法 前者小数点固定在数的最低位之后 后者小数点固定在数的最高位之前 设计算机的字长是 位 则上述两种表示法的格式如下 2 浮点表示法所谓浮点表示法 是指计算机中的小数点位置不是固定的 或者说是 浮动 的 为了说明它是怎样浮动的我们引入 阶码表示法 对于任何一个二进制数 都可表示为 返回本节 1 4 6计算机中的编码 1 十进制数的编码 BCD码2 字符的编码3 汉字的编码 1 十进制数的编码 BCD码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 2 字符的编码在计算机中除了数值之外 还有一类非常重要的数据 那就是字符 如英文的大小写字母 A B C a b c 数字符号 0 1 2 9 以及其他常用符号 如 等 在计算机中 这些符号都是用二进制编码的形式表示 即每一个字符被赋予一个惟一固定的二进制编码 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 3 汉字的编码计算机要处理汉字信息 就必须首先解决汉字的表示问题 同英文字符一样 汉字的表示也只能采用二进制编码形式 目前使用比较普遍的是我国制定的汉字编码标准GB2312 80 该标准共包含一 二级汉字6763个 其他符号682个 每个符号都是用14位 两个7位 二进制数进行编码 通常叫做国标码 如 啊