微机原理 第一章 微机基础知识.ppt

信息工程学院信息论教研室 1 微机原理与接口技术 主讲王玉良 信息工程学院信息论教研室 2 教学计划 课堂教学 64学时 上机实验 6次 每次一个单元 3 5小时 课外作业 8 10次 期中考查 第9周 期末考试 第18周 成绩 平时作业10 期中考查10 上机试验10 期末考试70 辅导答疑 待定 信息工程学院信息论教研室 3 教学计划 续 讲授章节 上机实验 6次第一章 第八章DEBUG与的大部分内容指令练习 2次 不讲章节编程设计 3次 第二章的第4 6节中断实验 1次 第五章的第5 6节第六章的第4节第九章 第十一章 信息工程学院信息论教研室 4 各章授课学时安排 第一章微计算机机基础知识6学时 第二章微处理器与系统结构8学时 第三章指令系统8学时 第四章汇编语言及其程序设计10学时 第五章内存储器及其子系统6学时 第六章总线技术6学时 第七章I O接口与中断系统8学时 第八章接口技术12学时 总计64学时 信息工程学院信息论教研室 5 教材及参考书 微机原理与接口技术 王玉良戴志涛杨紫珊编著 北京邮电大学出版社 微机原理与接口技术考研指导 王玉良杨紫珊编 北京邮电大学出版社 微机原理与接口技术 雷丽文等编著 电子工业出版社 微机原理与接口技术学习指导与实验 雷丽文等编 电子工业出版社 信息工程学院信息论教研室 6 第一章微机基础知识 信息工程学院信息论教研室 7 本章主要介绍 微机的基本概念 组成 工作原理 特点计算机内的信息表示和运算 信息工程学院信息论教研室 8 第一节微机的基本组成 信息工程学院信息论教研室 9 一 微机的基本硬件构成 微机的基本硬件由下列几部分组成 运算器 ALU 控制器 CTRL 存储器 MEM 输入设备 INE 输出设备 OUTE 总线 BUS 信息工程学院信息论教研室 10 微机的硬件构成框图 信息工程学院信息论教研室 11 微机的基本硬件构成 续 运算器 ALU ArithmeticLogicUnit 进行算术运算 加 减 乘 除与移位 进行逻辑运算 与 或 非 异或等 为了提高存取数据的速度 与ALU有关的部件还有寄存器阵列 信息工程学院信息论教研室 12 微机的基本硬件构成 续 控制器 CTRL Controller 它是计算机的控制中心 发布与控制计算机工作的各种命令 协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系 它有两个主要功能 一个是控制程序的运行 另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力 这些外部事件是指 复位 停机 中断请求 总线请求 总线周期延长等 上述ALU CTRL REG阵列 CPU 中央处理器 信息工程学院信息论教研室 13 微机的基本硬件构成 续 存储器 MEM Memory 记忆部件 它存储计算机操作的控制信息及各种命令信息 指令 和被处理加工的信息 数据 包括存储加工的中间与最终结果 存储器内有两类信息 一类是命令信息 即指令 经译码并执行 放在代码区 另一类是数据 放在数据区 它们都以二进制形式存放 应注意 内存中的代码区和数据区中的信息具有不同的性质与功能 两个区域中的某些单元具有相同的信息 却具有完全不同的含义 信息工程学院信息论教研室 14 微机的基本硬件构成 续 输入设备与输出设备 称为外设 其作用是进行信息形式的转换 即外界的语言 文字 图像 机械动作等信息转换成计算机能识别的电信号表示的二进制数形式 或进行相反方向的转换 输入设备如 键盘 鼠标 磁盘 光盘 游戏杆 扫描仪 数码相机 A D转换器等 输出设备如 显示器 打印机 音响 绘图机 磁盘 光盘 D A转换器等 信息工程学院信息论教研室 15 微机的基本硬件构成 续 总线 BUS 总线是计算机各部件间传送信息的公共通路 它把计算机的各个部件连接成为一个整体 分为内部总线 外部总线 计算机内部的基本总线分为数据总线 DBUS 地址总线 ABUS 控制总线 CBUS 通常又称为三总线 关于总线技术 将在第六章中专门介绍 信息工程学院信息论教研室 16 二 中央处理器 微处理器和微控制器 中央处理器 CPU CentralProcessingUnit ALU CTRL REG阵列2 微处理器 MPU MicroProcessingUnit 就是微型计算机的CPU微控制器 MCU McroControllerUnit 即MPU MEM I O接口 BUS集成在一个芯片上 又称单片机MCU 适当外设和相应的软件 可构成微控制系统 用在自控 仪器仪表 通信设备 家电 儿童玩具等嵌入式应用领域 信息工程学院信息论教研室 17 三 微机系统 微型计算机系统指由硬件 软件组成的微机系统硬件 主机 外设 电源等软件 操作系统 编译程序 连接程序 调试程序 诊断程序 应用软件 数据库等 信息工程学院信息论教研室 18 第二节微机的工作原理 信息工程学院信息论教研室 19 一 工作原理 微型计算机是采用 程序存储控制 的原理工作的 这一原理是冯 诺依曼1946年提出的 它构成了计算机系统的结构框架 因此 计算机体系结构又称为冯 诺依曼结构 1946年第一台计算机 ENIAC 诞生 电子数值集成计算机 就是采用冯 诺依曼结构框架 投资150万美元 占地150平米 重30吨 用了18800个电子管 耗电150KW 2KBytes内存 5000次 s 几小时出一次故障 信息工程学院信息论教研室 20 二 工作过程 计算机的工作过程 一般来说可分为下述4步 1 输入程序和数据到内存2 翻译成机器码 自动或人工汇编 3 控制器控制程序运行4 输出结果 信息工程学院信息论教研室 21 二 工作过程 续 例子 计算Z X Y X在内存2000H中 Y在内存2001H中 Z在内存2002H中 程序在内存2100H中 A为CPU内的寄存器 PC指向程序的首地址 每取出一条指令 PC自动加1或2 4 从内存取出指令MOVA 2000H 分析执行后再取下一条指令 重复直至CPU暂停 执行程序的过程即CPU不停的取指令 分析指令 执行指令 信息工程学院信息论教研室 22 第三节微机的特点 应用及发展方向 信息工程学院信息论教研室 23 微机特点 运算速度快 每秒几兆条指令到几千兆条指令或每秒几十亿次运算 MIPS 106 GIPS 109 处理能力强 如各种管理 计算 决策 能连续不间断地工作 多任务 高效 高质量 能干几乎所有的工作 信息工程学院信息论教研室 24 应用 各行各业 无所不用科技 生产 学习 日常生活等各个方面 信息工程学院信息论教研室 25 发展方向 性能 运行速度不断提高 处理器字长不断增加 摩尔定律指出 每18个月计算机的运算速度就大体提高一倍 而价格则大约降低一半 功能 支持多媒体技术 并与网络技术全面结合体系结构 向多处理器和网络化过渡 向以通信为中心的体系结构发展 由冯 诺依曼体系结构向数据流结构发展可用性 从面向过程的机制向面向对象的机制转变 向智能化方向发展制造工艺 向超高集成度发展 制造光集成芯片 生物芯片 设计超导 量子 生物 光计算机 信息工程学院信息论教研室 26 第四节计算机运算基础 信息工程学院信息论教研室 27 一 进位计数制 计算机中全部信息 包括指令和数据 都是采用二进制数 为了书写方便 又经常采用十六进制 而人们在日常生活中又广泛采用十进制 二进 十六进 十进制都是进位计数制 信息工程学院信息论教研室 28 一 进位计数制 续 十进计数制5188 88810 310 3该数中有5位都是8 但由于其位置不同 其值也不同 即 位值 不同 该数可看成两部分组成 数字值如5 1 8 位值 权值 隐含着 如10 3上面的十进数可表示为 5188 888 103 5 102 1 101 8 100 8 10 1 8 10 2 8 10 3 8 对于有n位整数和m位小数的十进制数N可表示为 n 1N di 10ii m 信息工程学院信息论教研室 29 一 进位计数制 续 十进制数有如下特点 每位数字di可取0 1 2 3 9十个值之一 逢10进1 即每位达到10向高位进1 本位回0 相邻高位的权值是本位权值的10倍 对于任意R进制表示的数N 可写成n 1N di Rii m其中 di可取0 1 2 R 1个值之一 逢R进1 R为进位计数制的基数 Radix R是大于或等于2的整数 Ri称为di的权值或位值 信息工程学院信息论教研室 30 一 进位计数制 续 当R 10为十进制数 Decimal 书写后缀D或省略 当R 2为二进制数 Binary 书写后缀B 当R 3为三进制数 Trinary 书写后缀T 当R 8为八进制数 Octal 书写后缀O或Q 当R 16为十六进制数 Hexa decimal 书写后缀H 信息工程学院信息论教研室 31 一 进位计数制 续 2 二进计数制101 11特点 只有两个数字符号0 1222 2 逢2进1计算机中广泛采用二进制的原因容易实现 每位只取两个值 易用两个逻辑状态的器件表示 运算规则简单 只有三种加法和乘法 运算规则为 R R 1 2 工作可靠 不同状态之间的转换是质变而非量变 电路设计可借助布尔代数进行设计 信息工程学院信息论教研室 32 一 进位计数制 续 八进制和十六进制八进制每位可取0 1 2 7八个值之一 逢八进一 十六进制每位可取0 1 2 9 A B F十六个值之一 逢十六进一 大于9的数字借助于字母A F表示 在编程时 为了书写方便 常用十六进制表示 信息工程学院信息论教研室 33 二 进位计数制间的转换 P进制数N R进制数通常把N分为整数与小数部分分别转换1 整数部分转换 把R表示成P进制数 对P进制数N按P进制作除R取余方法进行例1 把八进制数N 303Q表示成十进制数 P 八进数 R 十进数 解 把R 10表示成八进数为12Q 对N 303Q按八进制作除12Q取余运算 信息工程学院信息论教研室 34 二 进位计数制间的转换 续 12Q 303Q 23Q 24 43 36 5Q D0 5 余数 12Q 23Q 1Q 12 11Q D1 9 余数 12Q 1Q 0Q 0 1Q D2 1 余数 303Q 195D 上述除法与十进制除法没有什么不同 每次除12Q之后取余数 而商再除以12Q 直到商为0停止 信息工程学院信息论教研室 35 例2 把10进制数29转换成二进制数解 由于2是十进制数集内之数 不必作变换 对于N 29D作除2取余运算 29 2 14 余数1 B0 7 2 2 3 2 1 2 0 余数0 B1 余数1 B2 余数1 B3 余数1 B4 29D 11101B 信息工程学院信息论教研室 36 二 进位计数制间的转换 续 2 小数部分的转换P进制纯小数 转换为R进制小数用乘R取整 把R表示成P进制数 把数N按P进制乘R取整例1把0 625转换成二进制数解 二进制数 0 1 都在十进制数内 把0 625乘2取整 0 625 2 1 250 b 1 1 0 25 2 0 50 b 2 0 0 5 2 1 0 b 3 1 0 625 0 101B 信息工程学院信息论教研室 37 二 进位计数制间的转换 续 用计算法和其他方法也可进行转换例1 二进制 八进 十六进制10100101 0001B 245 04Q A5 1H例2 十六进制 二进制 十六进制 十进制ABCF 587H 1010101111001111 010110000111BA5 1H 10 161 5 160 1 16 1 160 5 0 0625 165 0625 信息工程学院信息论教研室 38 三 无符号数的表示与运算 无符号数 纯数值 只表示数值的大小 不涉及数的正负号符号数 既表示数的大小 又要表示数的正负计算机中的二进制数可以分为符号数和无符号数 它们的表示与运算是不同的 信息工程学院信息论教研室 39 三 无符号数的表示与运算 续 加法运算 若运算器为8位 例1 计算78H 87H FFH例2 计算78H 98H 10H78H78H 87H 98H FFH10H说明 因为是8位运算器 例2的结果就溢出了 原因是结果只能存放8位数 为了表示最高位的进位 计算机中可用一个进位标志CF CarryFlag 1来表示 若把CF 1考虑在内 结果为110H 这样结果就正确了 信息工程学院信息论教研室 40 三 无符号数的表示与运算 续 减法运算 若运算器为8位 例1 计算78H 87H FFH例2 计算A8H 98H 10H 78HA8H 87H 98H F1H10H说明 因为是8位运算器 例1的结果就是错误的了 原因是高位有借位 为了表示最高位的借位 计算机中可用一个借位标志BW BorrowFlag 1来表示 通常计算机中把CF与BW用同一标志来指示 信息工程学院信息论教研室 41 四 符号数的表示与运算 计算机中的符号数也是用二进制数表示和运算的 数值与符号都是用二进制数表示 一般规定 0表示正号 1表示负号 约定在数的最高位表示符号位 符号数通常有三种机器码表示法 即原码 反码和补码 信息工程学院信息论教研室 42 四 符号数的表示与运算 续 原码表示 1 定义 x 原 X X 0 2N 1 X X 0 表示范围 2N 1 1 2N 1 1 4位二进制原码表示的整数范围为 7 78位二进制原码表示的整数范围为 127 127 2 举例用八位二进数写出X 32和Y 32的原码表示如下 X 原 00100000B 20H Y 原 10100000B A0H 符号位 数值 符号位 数值 信息工程学院信息论教研室 43 四 符号数的表示与运算 续 3 0的原码有两种表示 0 原 00000000B 0 原 10000000B原码表示简单直观 但运算时符号位与数值位要区别对待 不宜作加减运算 例1 X 原 Y 原 20H A0H C0H 11000000B显然是错误的结果 因为两个数异号应做减法 所得的结果的符号就取决于绝对值大的数的符号 例2 X 原 Y 原 21H A0H 33与 32相加 把符号位单独处理 数值部分相减 01H 信息工程学院信息论教研室 44 四 符号数的表示与运算 续 反码表示与运算 1 定义 X 反 X X 0 mod2N 1 2N 1 X X 0 2 举例 用八位二进制数写出X 32与Y 32的反码表示 X 反 00100000B 正数的反码是其自身 Y 反 11011111B 负数的反码是其对应正数求反 信息工程学院信息论教研室 45 四 符号数的表示与运算 续 3 0的反码有两种表示 0 反 00000000B 0 反 11111111BN位反码可表示的整数范围为 2N 1 1 2N 1 1 8位二进制反码表示范围 127 127 4 反码运算规则 X Y 反 X 反 Y 反 循环进位 X Y 反 X 反 Y 反 循环进位例1 用反码计算33 32 33的反码为 00100001B 21H 32的反码为对32求反 对00100000B求反 11011111 DFH 21H00 D FH 1 循环进位 00 01 信息工程学院信息论教研室 46 四 符号数的表示与运算 续 反码宜作加 减运算 但一次加法要通过两次加法运算来完成 降低了计算机的运算速度 计算机中常用补码表示符号数 补码表示与运算 1 定义 X 补 X X 0 2N X X 0 2N为模数 补码的求法 根据定义 正数的补码是其自身 负数的补码是用模数加上该负数 或者用其对应的正数 连同符号位 求反加1得到 信息工程学院信息论教研室 47 四 符号数的表示与运算 续 2 举例用八位二进制数写出X 32和Y 32的补码表示 X 补 00100000B Y 补 11100000B 对应正数32 20H求反加1 求负数的补码有两种方法 其一是 对应正数求反加1 其二是 模数 对应的正数 如 Y 补 100H 20H E0H 3 0的补码只有一种表示 0 补 00000000B 0 补 11111111 1 00000000BN位二进制补码表示的整数范围为 2N 2N 1 1N 8时 表示范围 128 127N 16时 表示范围 32768 32767 信息工程学院信息论教研室 48 四 符号数的表示与运算 续 4 补码的运算规则 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补用补码可以很方便的进行符号数的加减运算例1若X 65 Y 66 用补码计算X Y X 补 01000001B Y 补 100H 42H BEH 10111110B41H 65 BEH 66 FFH 1 信息工程学院信息论教研室 49 四 符号数的表示与运算 续 用补码进行加减运算比反码省去了循环进位的修正运算 所以运算速度提高了 一般计算机中的符号数 均指用补码表示的数 利用补码 连同符号位一起 按无符号数进行加减 简化了运算器的设计 在计算机中 减法运算是通过求负数的补码 而进行加法运算 信息工程学院信息论教研室 50 四 符号数的表示与运算 续 模的概念模即一个系统的最大量程或此系统所能表示的最大的数 它是自然丢失的 如 手表 模为12 8点钟可以是 10 2 10 10 mod12 田径跑道 模为400m 家庭的电表 水表 煤气表等 模为0 若等号两边同除以一个数 模 其余数相同 则该数称为模数 10 2 12 0 8 余数 10 10 12 1 8 余数 称 10 2 与 10 10 对mod12是同余的 2 与 10 对mod12互为补数 同理28 100H 为模 01H与FFH 70H与90H互为补数 互补的两数之和 绝对值 一定为模数 N KM N modM 信息工程学院信息论教研室 51 四 符号数的表示与运算 续 符号数运算溢出的判别方法若运算结果超出了结果单元所能表达的范围就产生溢出 加减运算产生的溢出无法从结果中看出 必须用专门的信息位来表示 在CPU中 称为Flag寄存器 由于这些标志决定了程序分支的条件 也称为条件码 CC ConditionCode CPU常设的标志有 C Carry 进位标志 运算结果的最高位产生进位或借位 S或N Sign或Negative 符号标志 反映运算结果的符号位 O或V OVerflow 溢出标志 反映符号数运算结果是否产生溢出 Z Zero 零标志 反映运算结果是否为0 C与O是两个不同性质的标志 前者反映运算结果有无进 借 位 后者反映运算结果有无溢出 信息工程学院信息论教研室 52 四 符号数的表示与运算 续 下列几种情况 符号数运算时会产生溢出 正 正 负 正溢出 负 负 正 负溢出 正 负 负 正溢出 负 正 正 负溢出 值得指出的是 计算机在进行运算时 对参与运算的数并不知道是无符号数或带符号数 所以它在运算后对4个标志都会置位 只有程序员知道参与运算的数是符号数或无符号数 在计算机中 OF置位是根据次高位和最高位的进位的异或判别的 即OF C7 C6 信息工程学院信息论教研室 53 四 符号数的表示与运算 续 运算举例例1X FEH Y FFH 求X Y 并判断标志位 FEHCF 1 有进位 F FHSF 1 为负数 OF 0 没溢出 有进位不一定有溢出 FDHZF 0 结果不为0 例2X 70H Y 50H 求X Y 并判断标志位 70HCF 0 无进位 50HSF 1 为负数 OF 1 有溢出 有溢出不一定有进位 C0HZF 0 结果不为0 信息工程学院信息论教研室 54 运算举例 续 例3X 30H Y 40H 求X Y 并判断标志位 30HCF 0 无进位 40HSF 0 为正数 OF 0 没溢出 即无进位又无溢出 70HZF 0 结果不为0 例4X 80H Y 80H 求X Y 并判断标志位 80HCF 1 有进位 80HSF 0 为正数 OF 1 有溢出 即有溢出又有进位 00HZF 1 结果为0 要搞清楚CF与OF的区别 四 符号数的表示与运算 续 信息工程学院信息论教研室 55 五 十进制数的二进制表示与运算 表示方法 BCD码 BinaryCodedDecimal 要表示一位十进制数 至少要用4位二进制数 常用下面两种表示方法 压缩的 组合的 BCD码 一个字节表示两位BCD码 非压缩 非组合 的BCD码 一个字节表示一位BCD码 高4位为0 运算方法由于BCD码需10种4位二进制编码0000 1001 还有6种码1010 1111是非法编码 若出现非法编码 所得的结果就要修正 计算机内十进制数 BCD码 运算仍采用二进制加法器来实现 信息工程学院信息论教研室 56 五 十进制数的二进制表示与运算 续 BCD码运算 加法 例1若X Y为十进制数 X 38 Y 57 计算X Y 38 BCD码中没有字母 结果中的F 1111 为非法码 57应在该位加6修正 以强迫其进位 8F 0 695 例2若X 28 Y 79 计算X Y 28 7 9A1因为低4位有进位 AF 1 66高4位A 9 所以 66107 信息工程学院信息论教研室 57 五 十进制数的二进制表示与运算 续 BCD码运算 减法 例3若X Y为十进制数 X 75 Y 26 计算X Y 7 5 BCD码中没有字母 结果中的F 1111 为非法码 26应在该位 6修正 使借高位的数得到修正 例4X 30 Y 42 计算X Y 3 0 42EE因为低4位有借位 AF 1 66高4位也有借位 CF 1 88所以 66修正 4F 0649 信息工程学院信息论教研室 58 五 十进制数的二进制表示与运算 续 BCD码加法修正原则是 若运算结果低位大于9或AF 半进位 1 则结果 06 若运算结果高位大于9或CF 进位 1 则结果 60 若 都满足时 则结果 66 BCD码减法修正原则是 若运算结果低位大于9或AF 半借位 1 则结果 06 若运算结果高位大于9或CF 借位 1 则结果 60 若 都满足时 则结果 66 说明 微机的CPU中都有专门的十进制运算调整部件DAA 还设有专门的十进制加减运算调整指令DAA与DAS等 信息工程学院信息论教研室 59 六 数的浮点表示及运算 浮点数的表示任何一个R进制数N都可写成N M RP其中R是基数 Radix M是尾数 Mantissa P是阶 Power 尾数M的符号是该数的符号 而阶P也有符号 P决定了该数中小数点的位置 若P不变 固定 则小数点固定 称为定点数 若P不固定 则小数点位置不固定 称为浮点数 Float 若R固定 则数N则由M和P决定 在计算机中 R 2 信息工程学院信息论教研室 60 六 数的浮点表示及运算 续 一个浮点数可表示如下 Sp Pn Sm Mr 其中 Sp是阶P的符号位 Pn是阶P的绝对值部分 称为阶码 Sm是尾数M的符号位 也是浮点数N的符号位 称为尾符或数符 Mr是尾数的绝对值部分 称为尾码 关于浮点数的两个概念 规格化 移动小数点的位置 使其尾数变成其标准格式的过程 对阶 移动一个浮点数的小数点位置 使两个数的小数点位置对齐 阶码相同 的过程 IEEE浮点数格式IEEE浮点数格式分为单精度和双精度两种 单精度数为32位 双精度数为64位 信息工程学院信息论教研室 61 六 数的浮点表示及运算 续 单精度浮点数 阶码 8位 含阶符 尾数 24位 含尾符 双精度浮点数 阶码 11位 尾数 53位 IEEE浮点数规定 规格化浮点数的小数点在数符Sm的后面 且小数点前有一个隐含的 1 即 尾数可表示1 2之间的数 信息工程学院信息论教研室 62 六 数的浮点表示及运算 续 单精度浮点数的表示 阶码 0 表示阶为 127 阶码 7FH 表示阶为0 阶码 80H 表示阶为 1 阶码 FFH 表示阶为 128 32位浮点数所能表示的绝对值最小的非零数值为 1 2 127 5 877 10 39若小于该数 则表示为机器零 用全0表示 32位浮点数所能表示的绝对值最大的数值为 2 2128 6 8 1038若超出该范围 则产生上溢出 例1 1 0 1 0 20 浮点数表示为 0011 1111 1000 0B 3F800000H例2 3 0 1 5 21 浮点数表示为 1100 0000 0100 0 0B C0400000H 信息工程学院信息论教研室 63 六 数的浮点表示及运算 续 例3 128 0625 1 27 2 4 1 2 11 27 1 0004882812 27 1100 0011 0000 0000 0001 0000 0000 0000B C3001000H 注 阶为 7 阶码为86H 教材改错 P22第十一行 3 128 0625 1 00000000001 27应为 128 0625 1 00048828125 27P25倒数第3行 2 ZNVC应改为 NZVCP26第4行 6 NZVCD 10100应改为 00100 信息工程学院信息论教研室 64 六 数的浮点表示及运算 续 浮点数运算 1 加 减运算 对阶 使两个操作数的小数点对齐 使阶码相同 尾数相加 减 结果规格化 注意小数点前面有一位隐含的1 舍入处理 修正对阶或规格化过程中被丢弃的有效位 溢出判断 若阶码出现上溢出 则浮点数就发生上溢出 对最终结果进行判断 2 乘 除运算参看教材P22 尾数相乘 除 得积 商及余数的尾数 阶码相加 减 得出积 商的阶码 3 浮点数的特点 表示的数值范围大 运算精度高 运算复杂 所需硬件设备多 信息工程学院信息论教研室 65 七 逻辑变量的表示与运算 逻辑变量只有两个值 真 或 假 1bit可以表示一个逻辑变量 若 1