微机原理与接口技术(徐惠民主编)--第1章.ppt

微机原理与接口技术,总学时:64实验:8适应专业:电子、计算机各专业,TEL：E-mail:,主要参考书：,1.微机原理及接口技术雷丽文主编,电子工业出版社2.微机原理与接口技术汪吉鹏主编,高等教育出版社3.微型计算机系统与接口技术李继灿主编,清华大学出版社,教材:微机原理与接口技术徐惠民主编高等教育出版社,主要内容,1.微型计算机系统概述2.微型计算机系统的微处理器3.8086/8088指令系统4.汇编语言程序设计5.微型计算机总线6.半导体存储器7.微型计算机和外设间的数据传输8.中断系统9.微型计算机常用接口技术10.微型计算机的发展方向与新技术介绍,微机原理及接口技术-课程介绍,微机：以8086微处理器为核心,接口：半导体存储器及其接口I/O接口电路及其与外设连接,硬件接口电路原理软件接口编程方法,技术：,原理：8086汇编语言程序设计,课程目标微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,第一章概述1.1概述1.2计算机中数的表示与编码1.3微型计算机系统,本章的重点：1）计算机中数的表示2）计算机中常用的编码3）微型计算机结构及基本性能指标本章的难点：微处理器的功能及执行指令的基本过程。,1.1概述,一.计算机的发展世界上第一台计算机ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院.第一代：（1946-1957）：电子管第二代：（1957-1964）：晶体管第三代：（1965-1971）：中小规模集成电路管第四代：（1970-1992）：大规模集成电路,二.微型机的发展世界上第一个微处理器(微型机的核心部件)是美国Intel公司1971年生产的Intel4004，从那时到现在，微型计算机已经历了五个发展时代。第一阶段（1971-1973）：四位、八位字长低档CPU典型产品：4004、8008，指令周期：2毫秒（us）,时钟：2.54MHZ集成度：2000只晶体管/片第二阶段（1974-1977）：八位CPU典型产品：8080/8085、Z80，M6800，APPLE-II指令周期：12us,时钟：2.55MHZ集成度：10000只晶体管/片,第三阶段（1978-1984）：十六位CPU典型产品：8086，Z8000，M6800指令周期：0.5us,时钟：510MHZ集成度：30000只晶体管/片。第四阶段（1985-1999）：三十二位CPU典型产品：80386、80486、MC68010、MC68020。指令周期：0.1us，时钟：1620MHZ，集成度:1550万管/片。第五阶段2000年以来：64位机Pentium划时代的微处理器投入使用.时钟：60150MHZ，集成度310万只/管以上内部数据总线是32位，外部数据总线为64位，使一个总线周期的数据传输量提高一倍。,1.2计算机中数的表示与编码,一、计算机中常用的数制及其转换,三、数的定点表示与浮点表示,二、带符号数的表示,日常生活中，我们用的是十进制数，计算机中通常采用二进制数，为了书写和阅读方便，引入了十六进制数，书写时：1.加B表示二进制数，如：1101B2.加H表示十六进制数，如：3ECFH3.加D（或不加）表示十进制数，如：46（D）,1.2.1计算机中常用数制及其转换,1、常用进位制2、8、10、12、16进位制1)十进制特点：十个数09逢十进一例：,2）二进制的表示特点：两个数：0，1逢二进一例：,3）十六进制特点：十六个数：09、A、B、C、D、E、F逢十六进一十六进制的表示：012345670000000100100011010001010110011189ABCDEF10001001101010111100110111101111,2进位计数制的表示方法,十进制数：1）用09十个数码表示，基数为102）每个数码表示的值有数码和它的权决定3）采用逢十进一4）小数点右移一位表示乘10，反之表示除以10,二进制数：,十六进制数：,其中表示数码,而表示权,3进位数制之间的转换,任意进制转换为十进制,按权展开,10110011B=27+25+24+21+20=1794F.8H=4*161+15*160+8*16-1=79.5,各种进制的转换二进制和十六进制的相互转换方法：是用四位二进制数表示一位十六进制数。例10110B=16H，1A9H=110101001B。十六进制转换为十进制：将十六进制数按展开后，用十进制加法相加即可。例如：1BH=1161+11160=27。二进制转换成十进制数：将二进制数按权展开后，用十进制加法的原则相加即可。例如：1011B=123+022+121+120=8+0+2+111。,十进制转换为任意进制,整数部分：连续除以2逆序取余法小数部分：连续乘以2顺序取整法,例如：把20D转换成二进制数和十六进制数。,39=,100111B,0.625=,0.101B,任意一个整数都可以用二进制表示,0.625转换成二进制数0.62521.2501(b-1)20.500(b-2)21.01(b-3)0.625=0.101B,小数部分：连续乘以2顺序取整法,27H,=,无符号数,机器中所有有效位均表示数的大小,范围：0255（8位）,带符号数,范围：-127+127（8位）,机器数,表示方法：原码、反码、补码、移码,1.2.2带符号数的表示,一个二进制数连同符号位在内作为一个数,最高位用0、1表示正负，其余为数值位,数据的表示范围和大小,n位二进制数能够表示的无符号整数的范围是:0N2n-1如n=8，0N255n=160N65535n位二进制数能够表示的有符号整数（补码的表数范围）:-2n-1N+（2n-11）如n=8，-128N+127n=16-32768N32767,2.数的表示方法,1)原码：最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。例：X=+1110010BY=1110010BX原=01110010BY原=11110010B缺点：零有两个：00000000+010000000-0,注：原码表示直观，但在计算机中处理过程复杂，为把减法运算转换为加法运算就引进了反码和补码。,2)反码：正数的反码与原码相同负数的反码，符号位不变，数值位取反。,4原=100001004反=11111011,0原=100000000反=11111111,127原=11111111127反=10000000例：X=+0000100BY=0000100BX原=X反=00000100BY原=10000100BY反=11111011B,3)、补码：,（1）补码的求法（计算机中负数都是用补码表示的）,例：,80补=,80原=01010011B,-70原=,11000110B,正数的补码与原码相同，都等于真值。负数的补码仍是一个负数，它将原码的符号位不变，数值部分求补。,-70补=,10111010B,求补码的方法：直接求补法,正数的补码就是本身，等于原码；只有负数才有求补问题。,直接求补法：从最低位起，出现第一个1前面的数值位逐位取反，但符号位不变,-83原=11010011B,求补,取反加1法：符号位不变，数值位取反再加1,-83原=11010011B,求补,符号位不变,+1,例：X=-1=10000001BX原=10000001BX反=11111110BX补=X反+1=11111110B+1=11111111B=FFH,补码特点：0补码的唯一性可将减法运算转换为加法运算表示范围：-128+127（8位）-32768+32767（16位）求法：符号位不变，数值位取反加1XY补=X补+Y补X补补=X原,补码的运算,10100100110100101,00101010,00101010B+11011011B,11001111,计算机中实现过程,例.设计算机字长为8位，X=42，Y=91，以28为模，用补码运算求X-Y。,采用补码，可以将减法用加法实现，省去减法器，简化硬件,1）先对减数进行求补运算（求反加1，也是加法）2）再将求补后的数与被减数相加3）相加的结果即为用补码表示的两数相减结果4）判断是否溢出，若无溢出，求真值,取反,求真值,-49=10110001B,结果,若有溢出呢？,4.符号扩展,为防止数的溢出,有时要把8位二进制数扩展成16位：1）当要扩展的数是无符号数时,可在最高位前扩展8个0。2）如果要扩展的数是补码形式的有符号数,那么,就要进行符号位的扩展，符号扩展后，其结果仍是该数的补码。【例】符号扩展表示1）21的8位二进制补码为：00010101扩展为16位补码为：00000000000101012）-70的8位二进制补码为：10111010扩展为16位补码为：1111111110111010,5.移码,移码：将真值在数据轴上往正方向平移了2n-1。移码方法：符号位的表示方法与补码相反；即正数的符号位用1表示，负数的符号位用表示0。一个数值的移码只需要将符号位取反即可。【例】有符号数的补码表示。45补=00101101B，-45补=11010011B45移=10101101B-45移=01010011B,1.2.3数的定点表示与浮点表示,1.数的定点表示：小数点的位置是固定不动的,小数点在数值位之前，符号位之后，但不占位数,纯小数：,纯整数：,小数点,小数点,1）类似科学计数法：300000=3*1052）浮点数包括两部分：阶码P：为整数，决定该数的范围；尾数S：纯小数，表示有效数字，决定该数的精度；,2.数的浮点表示,注：1）阶码为整数，常用补码表示2）尾数为原码表示的纯小数3）常用规格化的表示方法,PfPSfS阶符阶码尾数尾数符号B=2PS,1）定点数计算简单，浮点数计算复杂；2）定点数表示的数值范围小，浮点数大；3）通常浮点数表示的精度比定点数高；4）浮点数要求更多的设备，成本高,3.定点数与浮点数的优缺点：,1BCD码2ASCII码3.汉字编码,BCD码：计算机中常用8421BCD码，每一位十进制数用4位二进制码表示ASCII码：美国信息交换标准码汉字编码：信息交换用汉字编码（GB2312）,计算机中，所有信息都用二进制码表示,信息编码：,1.2.4计算机中常用的编码,8421BCD码：四位二进制数表示一位十进制数,1.BCD码,00000001001000110100010101100111100010010123456789,例：将83.1写成8421BCD码83.1=（10000011.0001）BCD,注意：BCD码与二进制码不能直接进行转换，需将BCD码转换为十进制数后，再转换成二进制数，反之同样。,ASCII码：用一个字节表示一个字符，低7位为字符的ASCII值，最高位一般用作校验位。例：A41H回车（CR）0DHa61H换行（LF）0AH131H空格（SP）20H,2.ASCII码,计算机中，所有信息（字符、数据）都用ASCII码表示，一个字符在存储器中占一个字节。显示、打印时用ASCII字符。,3.汉字在计算机中的表示,每个汉字分配唯一的一个16位编码。汉字编码包括输入编码、内码和字型编码，分别用于输入、内部处理和输出。,GB2312-80，简称国标码，包含汉字和图形符号共7445个。规定每个汉字用两个字节表示，汉字的机内代码的两个字节的最高位恒为1。第一个字节表明字符属于哪一区，第二个字节表明是哪一位。基本字符集共有94区，每区有94位，又称为区位码。,汉字字型编码是用来描述汉字字形的代码，它是汉字的输出形式。汉字库有点阵字库、TrueType字库、矢量字库等类型,1.3微计算机系统的组成,微处理器（Microprocessor）运算器和控制器集成在一起，称微处理器，内含控制器、运算器和寄存器等核心芯片微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、微型机微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,微型计算机系统的三个层次：微处理器微型计算机微型计算机系统,系统软件程序设计语言,微处理器存储器I/O接口系统总线,硬件软件,微型计算机系统,微型计算机,外设,ALU寄存器控制部件,键盘、鼠标、显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪过程控制I/O口（A/D转换器）,1.3.1微处理器(Microprocessor):,结构：,微处理器包括运算器、控制器、寄存器组。它是计算机的核心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能.ALU运算器的核心部件是算逻单元ALU，所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的.控制器CPU的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。程序计数器PC用于保存下一条要执行的指令的地址。指令寄存器IR保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器ID对指令寄存器IR中保存的指令进行译码分析。堆栈指示器SP对堆栈进行操作时提供地址。处理器状态字PSW暂存处理器当前的状态。,工作寄存器组暂存寻址和计算过程的信息。地址寄存器地址寄存器用于操作数的寻址。数据寄存器数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。I/O控制逻辑包括CPU中输入/输出操作有关的逻辑，其作用是处理输入/输出的操作。,1）CPU2）存储器：用来存储数据和程序的部件3）I/O口：除CPU和内存外的其它电子设备4）总线：计算机各功能模块间传递信息的通道。,1.3.2微型计算机,内存储器,输入设备,控制器,输出设备,运算器,总线总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合。总线可以分为以下四类：片内总线这种总线是微处理器的内总线。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自己确定。片总线微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的连接总线。片间总线通常包括数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。内总线内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线，内总线有不同的总线标准，如S-100总线(IEEE-696标),STD总线,IBM-PC总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。外总线用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准棵遵循。如并行总线IEEE-488标准，串行总线RS-232标准等。,地址总线（AB）：传送地址信息，是由CPU发出的单向总线。其位数决定了CPU可直接寻址的内存空间、I/O口。比如A15A0，可寻址216=64KB内存单元。A7A0，可寻址28=256个外设接口。数据总线（DB）：传送数据，双向。其位数和微处理器的位数相对应。控制总线（CB）：传输控制信号，双向。,存储器（Memory）用于存放程序代码及有关数据.,存储器分为：内存储器（主存）和外存储器（辅存）。内存：是CPU与外围设备交换数据的缓冲存储部件，与处理器一起称为微型计算机的主机。根据工作方式，内存可分为：只读存储器ROM（ReadonlyMemory）随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）。外存：属于计算机的外围设备，一般不在计算机主板上。,存放二进制,输入输出接口电路由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与CPU不匹配，故在连接时，需通过输入输出接口电路使外部设备与之相连。,微处理器：进行算数运算和逻辑运算。,存储器：存储程序、数据、符号等,I/O接口：使外设与微机相连。,指令执行的基本过程：（1）假设程序已存储在内存单元中。开始执行程序时，程序计数器PC中保存第一条指令的地址，指明当前将要执行的指令存放在存储器的哪个单元。（2）控制器将程序计数器PC中的地址送至地址寄存器MAR，并发出读命令。存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器IR。（3）指令译码器ID对IR中的指令进行译码，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作。操作可以是读写内存、算术逻辑运算或输入/输出操作等。（4）修改程序计数器PC的内容，为取下一条指令做准备。,例如：10+2，需要以下几个步骤:把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;相加;把结果送至存储器中指定的存储单元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.,典型微处理器的结构,3、微型计算机分类单片机、单板机和多板机。单片微型计算机（即单片机）。把微型计算机的主要部件CPU、一定容量的存储器、IO接口及时钟发生器集成在一块芯片上的单芯片式微