第1章数制与数码1

微型计算机原理与接口技术姓名：薛文平Email：xwpingTel上课时间,单周二第5、6节京1508周四第1、2节京3203周五第3、4节京2104,课程名称：微型计算机原理与接口技术,学时:75学时（其中实验：8）,学分:5,教学大纲,课程目标,微型计算机的基本工作原理；汇编语言程序设计方法；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。,在教学计划中的地位、作用和任务,学科专业基础平台课程重要性非计算机专业必修课程广泛性系统理论与应用实践课程应用性,课程考核,出勤次数+平时作业（15%）平时成绩实验环节+实验报告（15%）实验成绩以上两项为必要条件期未闭卷考试（70%）考试成绩,课程的主要内容,80X86CPU的体系结构80X86CPU的软件编程微机接口与接口芯片应用,80X86CPU的体系结构8086/8088CPU的内部结构三总线AB、DB、CB的线路特点PC微机的工作原理及工作时序,80X86CPU的软件编程8086CPU的寻址方式8086CPU的指令系统PC微机的汇编语言程序设计,微机接口与接口芯片应用微机与外设的接口方式I/O接口芯片的使用I/O接口系统的编程,课程教学介绍,第一部分：微型计算机基础,掌握：数制与码制的表示、转换、运算（补码转换）掌握：带符号数的表示及溢出（双高位判别法）掌握：定点数/浮点数的表示了解：微型计算机的组成了解：执行一条指令的过程,课程教学介绍,第二部分：微处理器,掌握：8086微处理器结构掌握：8086寄存器功能（寄存器的默认用法、标志寄存器）掌握：8086的存储器与IO组织结构（物理地址的确定）掌握：8086引脚信号和工作模式（最大、最小模式的差别）,课程教学介绍,第三部分：8086寻址方式与指令系统,了解：8086指令格式与编码掌握：8086寻址方式掌握：基本8086指令系统（传送、算术运算、逻辑运算与移位、转移等）,课程教学介绍,第四部分：汇编语言程序设计,掌握：8086汇编源程序的组成掌握：8086汇编语言的基本语法掌握：8086汇编语言常用伪指令掌握：汇编语言程序设计的基本技术（顺序、分支、循环、子程序）了解：DOS功能调用,课程教学介绍,第五部分：存储器,了解：存储器分类及性能指标掌握：半导体存储器读/写、扩容方法掌握：与8086的连接了解：微机存储器层次结构及管理,课程教学介绍,第六部分：中断,了解：8086的中断系统掌握：中断号、中断相量、中断相量表掌握：中断控制器8259A（两种命令字设置、编程）,课程教学介绍,第七部分：微机接口基础,掌握：接口电路的基本功能和结构掌握：I/O接口与I/O端口掌握：接口的数据传输控制方式掌握：基本输入输出接口,课程教学介绍,第八部分：微机接口芯片及应用,掌握：可编程并行接口芯片8255（掌握方式0、了解方式1、方式2）掌握：可编程计数/定时器芯片8253（原理、功能、编程）了解：模/数和数/模接口芯片,微型计算机的常用术语,1.位位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b,位,高位低位,字节,2.字节（byte）由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是Kilo的缩写，1K=1024；210M是Mega的缩写，1M=1024K；220G是Giga的缩写，1G=1024M；230T是Tera的缩写，1T=1024G。240,微型计算机的常用术语,3.字字（Word）：两个相邻字节组成的16位二进制,2个字节。双字、四字、双四字4.字长字长是微处理器可以一次直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。8086是16位微处理器,世界上有10种人：懂二进制数的和不懂二进制数的-程序猿,一、计算机中的数制与转换,数制的概念（表示数值）例如：一天有24小时，即逢24进1；一小时有60分，即逢60进1。数量是确定的，而表示数量进制是可变的我们的习惯十进制计算机采用二进制（为什么？）,电路实现方便（硬件决定）,数字电路两种稳态:饱和、截止计数特点简单:0、1；L、H；低电平、高电平,数的多项式表示法,设待表示的数为N则式中X为基数（进制数）ai为系数（0aiXl）m为小数位数n为整数位数,数制中的进制表示,二进制表示（Binary):符号0、1集合，尾符B。例1100B十进制表示（Decimal）符号09集合，尾符D或缺省。例12D或12八进制表示（Octal）符号07集合，尾符Q。例14Q十六进制表示（Hexadecimal)符号09、A、B、C、D、E、F集合，尾符H。例0CH,进制间的转换,210、810、1610（例1-1）例1-1（1）二进制数10011.11B=12402302212112012-112-2=19.75（2）八进制数7345.6Q=78338248158068-1=3813.75（3）十六进制4AC6H=416310162121616160=19142,28、216（例1-2）1101100101100011B=154543Q=D963H方便:整数部分从后向前每3/4位取，不足在前面补零思考：小数部分？补充：11011001011000.11B,=33130.6Q=3658.CH小数部分从前向后每3/4位取，不足在后面补零,进制间的转换,102、1016整数部分和小数部分分别处理整数采用“除2取余法”:（例1-3）除权取余，直到商等于零为止，逆序排列余数。小数则采用“乘2取整法”：（例1-4）乘权取整，直到积的小数等于零为止（可能永不为零），顺序排列整数小窍门：对数值比较大的十进制数进行转换时，可先将十进制数转换为十六进制数,二、计算机中的码制与运算,码制的概念：处理数的符号问题1、原码注：b7=0表示正数、b7=1表示负数计算机中二进制数的最高位表示值的符号,正数：原码与相应的二进制数完全相同；负数：二进制数的最高位一定是“1”，其余各位是该数的绝对值。零：有正零和负零之分。原码表示法最大优点：简单直观，但不便于加减运算8位原码表示数值范围-127+127例1-5设机器字长为n=8时，试求+0、+6、+127、-0、-6、-127的原码解：+0原=00000000-0原=10000000+6原=00000110-6原=10000110+127原=01111111-127原=11111111,2、反码,正数的反码：与相应的原码完全相同；负数的反码：符号位不变，其余按位取反。零：有正零和负零之分。8位反码表示数值范围-127+127例1-6设机器字长为n=8时，试求+0、+6、+127、-0、-6、-127的反码解：+0反=00000000-0反=11111111+6反=00000110-6反=11111001+127反=01111111-127反=10000000,3、补码（便于加减运算）,正数的补码：与原码完全相同X原=X反=X补；负数的补码：反码加一X补=X反+1零：只有一个8位补码表示数值范围-128+127例1-7设机器字长为n=8时，试求+0、+6、+127、-0、-6、-127的补码解：-128补=10000000+0补=00000000-0补=00000000+6补=00000110-6补=11111010+127补=01111111-127补=10000001,4、偏移码（便于判断大小）,偏移码相当于把相应补码在数轴上向右平移2n-1（加10000000）8位偏移码表示数值范围-128+127例1-8设机器字长为n=8时，试求-128、0、+127的偏移码解：-128移=000000000移=10000000+127移=11111111,补码运算,在计算机中带符号二进制数通常采用补码形式表示。补码有两个主要特点：使符号位与数一起参加运算；将两数相减变为减数变补后再与被减数相加来实现。加法规则：X+Y补=X补Y补减法规则：X-Y补=X补-Y补-Y补称作变补运算，可以用Y补再作一次求补运算（连符号位一起求反并+1）,例1-9,X=64-12=52（字长为8位）X补=64补十-12补64补=01000000B12补=00001100B变补-12补=11110100B0100000011110100100110100自然丢失由于字长为8位，最高有效位的进位自然丢失。其结果为52的补码。,计算机中为什么采用补码进行加、减运算？不用判断正负号、符号位一起运算、减法转换为加法，自动得补码结果,溢出,两个二进制数进行算术运算时，若运算结果超出可表达范围，则产生溢出无符号数溢出判断？,符号数运算的溢出判别,补码运算溢出判别法：双高位判别法Cs：如最高位（符号位）有进位，CS=1，否则，CS=0。CP：如次高位有进位，CP=1，否则，CP=0。判别法则：无溢出：若Cs和Cp相同有溢出：Cs和Cp相异。当CSCp=1时，表示有溢出产生，否则无溢出产生正溢出：CS=0，CP=1负溢出：CS=1，CP=0,例1-10改,X=-34-98=-132（字长为8位）X补=-34补+-98补34原=00100010B98补=01100010B-34补=11011110B-98补=10011110B11011110+10011110101111100CS=1，CP=0，负溢出,未发生,小数点的处理,1.定点表示（精度低）小数点的位置在数的表示中是固定的定点（纯）小数定点（纯）整数,符号位纯小数,小数点固定位置,符号位纯整数,小数点固定位置,字长为n，定点整数和小数的表示范围？,符号实型数的定点、浮点表示,2.浮点表示小数点的位置在数的表示中是浮动的,N=S2J,尾符,尾数纯小数,阶符,阶码,注：实型数的浮点表示由四部分组成,浮点数应用中必须注意两个问题：,（1）浮点数规格化（保留最多的有效数字）尾数用原码表示：最高位必须是1；尾数用补码表示：符号位与尾数最高位必须相异；正数：尾数最高位必须是1负数：尾数最高位必须是0（尾数补码表示）。,例1-12,若用一个16位二进制表示浮点数，其中阶符尾符各占一位，阶数占5位，尾数占9位，试写出10110.101B的具体格式。解：将尾数以纯小数表示（最高位为1）10110.101B=0.101101012+5可得S=101101010Sf=0J=00101Jf=0表示形式为：0，00101，0，101101010,浮点数应用中必须注意两个问题：,（2）浮点数的对阶原则加减运算时，两数的阶码必须取得一致，否则不能进行加减运算，对阶原则如下：a.以大的阶码为准，对阶。b.对阶后数的大小不变（在精度允许范围）对阶规则：阶码每减少1，尾数向移一位；阶码每增加1，尾数向移一位。,左,右,计算机中信息的编码,信息编码：十进制数的二进制编码字符信息的编码汉字编码,1、十进制数的二进制编码,由二进制数来为十进制数编码，称作BCD码（1）8421码：四位二进制数的权分别为8、4、2、1的BCD码压缩BCD码：用4位二进制表示一位十进制数，例：324.6对应的8421BCD码是001100100100.0110非压缩BCD码：用8位二进制表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的00001001表示09，例：25对应的压缩8421BCD码是非压缩8421BCD码是,00100101B=25H,0205H,（2）2421码：四位二进制数的权分别为2、4、2、1的BCD码。（3）余3码：将8421码加上0011。,2、字符信息的编码字母、数字和符号等各种字符按特定的规则用二进制编码在计算机中表示。在微型机中表示字符的常用码制是ASCII码，它是美国信息交换标准码AmericanStandardCodeforInformationInterchangeASCII码,用6位、7位或8位二进制数对字符编码。7位ASCII码可表示128种字符，它包括52个大、小写字母、09十个数字和控制符号8位ASCII码是在7位ASCII码基础上加一个奇偶校验位而构成。要求：理解校验位的作用熟悉0F的ASCII码,ASCII码,ASCII码的奇偶校验,奇校验加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。例：A的ASCII码是41H（1000001B）以奇校验传送则为C1H（11000001B）偶校验加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。上例若以偶校验传送，则为41H。,输入ASCII字符表（7位码）,H,L,NUL空SOH标题开始STX正文结束ETX本文结束EOT传输结束ENQ询问ACK承认BEL报警符BS退格HT横向列表LF换行VT垂直制表FF走纸控制CR回车SO移位输出SI移位输入,DLE数据链换码DC1设文字备控制1DC2设备控制2DC3设备控制3DC4设备控制4NAK否定SYN空转同步ETB信息组传送结束CAN作废EM纸尽SUB减ESC换码FS分隔符GS组分隔符RS记录分隔符US单元分隔符SP空格DEL作废,（3）汉字编码,汉字编码的类型有四种：（1）外部码（2）内部码每个汉字对应一个内部码，它通常反映了汉字在字库中的位置（3）交换码（4）输出码,同一汉字的输出码因选择点阵的不同而异。目前常用的汉字点阵有：1616、2424、3232、4040、4848、6464、7272、9696、108108等。,微型计算机的组成,算逻运算器,累加器寄存器,控制器,内部总线,内外存储器,微处理器,微型计算机,图1.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系,微处理器,CPU：算术与逻辑运算部件（ALU）、控制器部件、累加器与寄存器、内部总线4部分组成,ALU,通用寄存器堆,累加器,指令寄存器,指令译码器,定时与控制电路I/O信号,存储器写,存储器读,等待,中断请求,时钟,复位,I/O写,I/O读,堆栈指示器,程序计数器,地址寄存器,地址缓冲器,地址总线,内部总线,数据总线,标志寄存器,数据锁存器缓冲器,4004处理器,Pentium4,8086处理器,Pentium43.0GHz,微处理器芯片,微型计算机,微型计算机：CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口电路、系统总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,I/O接口,CPU,图1.3微型计算机,内、外存储器,内存：内存条外存：硬盘，软盘，U盘内存：短时存储区，掉电后数据丢失外存：长期保存区，掉电后数据不丢失内存：存取速度快，容量小、价格贵外存：容量大、价格低，存取速度慢,有关内存储器的几个概念,内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类,内存单元的地址和内容,内存按单元组织每单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址,10110110,38F04H,内存地址,单元内容,内存容量,内存容量：所含存储单元的个数，以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址能力而定,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）,按工作方式可分为,微型计算机系统,微型计算机、系统软件和外设,IBM360系列电脑,计算机ENIAC,台式PC微机,笔记本电脑,计算机工作原理,冯.诺依曼（J.VonNeumann）1913年出生于匈牙利1957年逝世于美国冯.诺依曼理论存储程序原理,冯.诺依曼理论,计算机的数制采用二进制；存储程序原理（把程序当作数据来对待）；计算机从逻辑上划分为五个部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。,存储程序原理,将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存；指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,冯.诺依曼计算机基本结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,微型计算机的构成,数据总线DB,控制总线CB,存储器,I/O接口,CPU,图1.3微型计算机,地址总线AB,总线：是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。是计算机系统各部件之间传输信息的公共通道。,总线分类,CPU（内部）总线系统总线：三总线外部总线：计算机系统间的信号连接总线,片内总线：芯片内部功能单元的信号连接片外总线,按相对CPU的位置分,按层次结构分,三总线描述,地址总线AB（AddressBus）由CPU输出的一组地址通信线，用于确定存储器单元地址或I/O端口地址。数据总线DB（DataBus）CPU与其他部件间的数据通信线，用于CPU与存储器单元或I/O端口间读写数据。控制总线CB（ControlBus）CPU与其他部件间多种且独立的控制通信线，完成CPU与存储器、I/O接口间的特定操作控制。READY：“1”高电平有效，BUSY：“0”低电平有效,哈佛体系结构,冯诺依曼总线结构程序、数据共用总线，CPU取指或读写数据需分时操作。哈佛总线结构程序、数据各用总线，CPU取指或读写数据可同时操作。注：哈佛体系结构的典型应用在DSP芯片,模型计算机,1、模型计算机CPU的结构,图1.13模型计算机的CPU结构,2、模型计算机的存储器结构及其操作地址寄存器AR定为8位，可寻址256个单元，模型计算机存储器由256个单元组成。,图1.14模型计算机的存储器结构,存储器中的两种操作：读操作和写操作。（1）读操作,图1.15存储器读操作示意图,地址译码器,0单元内容,3EH,FF单元内容,02,控制逻辑,地址,单元内容,AB,读信号,DB,02,3EH,I/O缓冲器,（2）写操作,图1.16存储器写操作示意图,写信号,地址译码器,0单元内容,FF单元内容,I/O缓冲器,03,地址,单元内容,AB,DB,03,0FH,0FH,控制逻辑,3、总线4、模型计算机的指令与指令系统指令：计算机能实现的各种基本操作，我们把每一种基本操作用命令的形式来表示。指令系统：计算机所能执行的全部指令。程序：一串指令序列组成。指令通常分成操作码（Opcode，即Operationcode）和操作数（Operand）两大部分。操作码：表示计算机执行什么操作；操作数：指明参加操作的数本身或操作数所在的地址。,程序运行过程1、程序的编写与存放用模型计算机来完成一个简单的计算，假设要把15H与25H相加，运算结果送到16H存储单元，然后停机。首先用助记符进行编程MOVB，15HMOVA，25HADDA，BMOV16H，AHLT,2、程序的运行过程CPU的执行过程取出指令执行指令两个阶段的循环在开始执行程序时，PC自动设置为00H，这样就自然地进入程序第一条指令的取指阶段，具体过程如下：,1）第一条指令的取指阶段,J2,I2,ALU,F,内部数据总线,A,B,