微型计算机原理与接口技术.ppt

1,微型计算机原理与接口技术(第二版)中国铁道出版社,21世纪高校计算机应用技术系列规划教材,2,微型计算机原理与接口技术课程简介,1.课程性质及教学目的微型计算机原理与接口技术是学习微型计算机基本知识和应用技能的重要课程。本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计；熟悉各种典型的接口芯片和接口技术及其具体应用，为后继计算机课程的学习及工程实际应用打好基础。,3,2.课程教学安排总学时：8090学时；其中实验：2030学时考试形式：笔试+实践操作3.教材特点该教材体现出注重面向应用型人才的专业技能和实用技术的培养特点，融合了微型计算机的硬件和软件知识，树立了微型计算机体系结构的基本概念。,微型计算机原理与接口技术课程简介,4,通过各种类型的接口及其应用的学习，培养学生运用微型计算机进行相关开发和设计的能力，为后继计算机课程的学习及应用打下坚实的基础。教材内容层次清晰、脉络分明；阐述问题由浅入深、循序渐进；各章知识重点突出、通俗易懂，为高等院校计算机应用技术类专业的学生学习该课程切实起到积极的推动作用。,微型计算机原理与接口技术课程简介,5,3.教材的主要模块对微型计算机基础知识和典型微处理器的介绍；以典型指令讲解指令系统和寻址方式；介绍汇编语言程序的基本结构和典型的顺序、分支、循环、子程序设计；介绍目前常用的各种微机总线及其接口技术；介绍半导体存储器及其接口技术；介绍基本输入/输出接口技术；讲解可编程DMA控制器8237A及其应用；,微型计算机原理与接口技术课程简介,6,以8259A中断控制器介绍中断控制接口技术；介绍8237A可编程DMA控制器；讨论可编程并行接口芯片8255A及其应用；讨论串行通信与可编程串行输入/输出接口芯片8251及其应用；讨论可编程定时器/计数器接口芯片8253及其应用；介绍常用的键盘、鼠标、CRT、打印机、扫描仪等人机交互设备及其接口；介绍D/A及A/D转换器的有关知识及其应用。,微型计算机原理与接口技术课程简介,7,本章主要教学内容微处理器的产生和发展、微处理器系统微型计算机的特点、分类及性能指标微型计算机系统的基本结构和系统组成计算机中常用数制及其转换无符号数和带符号数的表示方法ASCII码、BCD码、汉字编码的概念和应用,第1章,微型计算机概述,8,本章教学目的及要求熟悉微处理器的产生和发展，掌握微型计算机的分类、性能指标；掌握计算机的基本结构及工作原理；掌握计算机中常用的数制及其转换、带符号数的表示、字符编码和汉字编码的基本知识。,第1章,微型计算机概述,9,1-1微型计算机的发展与应用1946年2月，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。从此，计算机的发展随其主要电子部件的演变经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路等时代。经过50多年的发展，计算机技术突飞猛进，特别是微型计算机的出现更为计算机的广泛应用开拓了广阔的前景。其存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等都有很大的突破，同时推出了各种系统软件和应用软件，使得其功能不断增强。,第1章,微型计算机概述,10,1-1-1微处理器的产生和发展微处理器诞生于20世纪70年代初，将传统计算机的运算器和控制器等部件集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器（Microprocessor）。微型计算机是以微处理器为核心，配上存储器、接口电路等芯片构成。微型计算机以其体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、结构灵活、适应性强和应用面广等一系列优点，占领了世界计算机市场并得到广泛的应用，成为现代社会中不可缺少的重要工具。,第1章,微型计算机概述,11,按照微型计算机的CPU字长和功能划分，它经历了以下6代的演变。第一代：4位和8位低档微处理器第二代：8位中高档微处理器第三代：16位微处理器第四代：32位微处理器第五代：超级32位Pentium微处理器第六代：新一代64位微处理器Merced,第1章,微型计算机概述,12,未来计算机的发展趋势：（1）朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展。前者反映了计算机的应用普及程度，后者则代表了计算机科学的发展水平。（2）开发和研究的热点是多媒体计算机。研究的关键技术是处理视频和音频数据的压缩、解压缩、多媒体数据的通信，以及各种接口的实现方案等。（3）未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。它突出人工智能方法和技术的应用，具有在某种程度上模仿人的推理、联想、学习等思维功能，并具有声音识别和图像识别等能力。,第1章,微型计算机概述,13,1-1-2微型计算机的分类1.按照CPU的字长来分类可分为4位、8位、16位、32位、64位等微型计算机。2.按照微型计算机的利用形态来分类可分为单片微型计算机、单板微型计算机、位片式微型计算机、微型计算机系统等。,第1章,微型计算机概述,14,1-1-3微型计算机的特点与性能指标1.微型计算机的特点（1）功能强（2）可靠性高（3）价格低（4）适应性强（5）体积小、重量轻（6）维护方便,第1章,微型计算机概述,15,2.微型计算机的性能指标（1）位（Bit）：在计算机中是指一个二进制位，由“0”和“1”两种状态构成，若干个二进制位的组合可以表示出计算机中的各种信息。（2）字长：是指微处理器内部寄存器、运算器、内部数据总线等部件之间传输数据的宽度或位数，它是微处理器数据处理能力的重要指标。字长（二进制数的位数）应该是字节的整数倍，如16位、32位、64位等，字长越长，精度越高，主存容量也越大。（3）字节（Byte）：这是计算机中通用的基本存储和处理单元，它由8个二进制位组成。,第1章,微型计算机概述,16,（4）字：这是计算机内部进行数据处理的常用单位。16位二进制为一个字，即由两个字节组成一个字。如果是32位的微型计算机则由4个字节组成一个双字。（5）主频：也称时钟频率，单位为MHz（兆赫），它决定了微型计算机的处理速度。Pentium系列微型计算机的主频可达到上千兆赫。（6）主存容量：指主存储器中RAM和ROM的总和，是衡量微型计算机处理数据能力的一个重要指标。,第1章,微型计算机概述,17,（7）可靠性：指计算机在规定的时间和工作条件下正常工作不发生故障的概率。故障率越低说明可靠性越高。（8）兼容性：指计算机的硬件和软件可用于其他多种系统的性能。主要体现在数据处理、I/O接口、指令系统等的可兼容性。（9）性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标，包括计算机的硬软件性能与售价的关系，通常希望以最小的成本获取最大的效益。,第1章,微型计算机概述,18,1-1-4微型计算机的应用1.数值计算是指用计算机来解决科学研究和工程技术中复杂的数学及数值计算问题。2.办公自动化是计算机、通信与自动化技术相结合的产物，也是当前最为广泛的一类应用。3.数据库应用数据库是在计算机存储设备中按照某种关联方式存放的一批数据。借助数据库管理系统DBMS可对其中的数据实施控制、管理和使用。4.多媒体技术是一种交互式地综合处理各种不同感觉媒体（如语言、音乐、文字、数值、图画、活动图像）的信息处理技术。,第1章,微型计算机概述,19,5.过程控制是指用传感器在现场采集受控对象的数据，通过比较器求出与设定数据的偏差，由计算机按控制模型进行计算，产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制和调整。6.计算机辅助处理主要包括：计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机集成制造系统CIMS、计算机仿真（Simulation）等。7.网络与信息化是利用通信设备和线路等与不同的计算机系统互连起来，并在网络软件支持下实现资源共享和传递信息的系统。8.人工智能包括专家系统和机器人等的应用。,第1章,微型计算机概述,20,1-2微型计算机的硬件结构及系统组成微型计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体，其基本功能是接受计算机程序，并在程序控制下完成信息输入、处理和结果输出等任务。软件系统是指为计算机运行服务的全部技术资料和各种程序，以保证计算机硬件的功能得以充分发挥。1-2-1微型计算机硬件的基本结构通用微型计算机的硬件系统由微处理器、内存储器、外存储器、总线、接口电路、输入/输出设备等部件组成。如图1-1所示。,第1章,微型计算机概述,21,图1-1通用微型计算机系统结构,22,1.微处理器也称为中央处理器CPU（ControlProcessingUnit），是微型计算机的核心部件，它是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，负责对计算机系统的各个部件进行统一的协调和控制。（1）运算器（ArithmeticLogicUnit，ALU）：又称为算术逻辑单元，是计算机中加工和处理各种数据的部件，主要完成算术运算和逻辑运算。,第1章,微型计算机概述,23,（2）控制器（ContralUnit）：是计算机工作的指挥与控制中心，它能自动地从内存储器中取出指令并将指令转换成控制信号，指挥各部件协同工作。（3）寄存器组：是用来暂存数据和指令等信息的逻辑部件，包括通用寄存器和专用寄存器。由于寄存器的访问速度要比存储器快，所以主要起到数据准备、调度和缓冲的作用。,第1章,微型计算机概述,24,2.主存储器是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。（1）随机存储器RAM（RandomAccessMemory）：用于存放当前参与运行的程序和数据。其特点是信息可读可写，存取方便，但信息不能长期保留，断电会丢失。关机前要将RAM中的程序和数据转存到外存储器上。（2）只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）：用于存放各种固定的程序和数据，由生产厂家将开机检测、系统初始化、引导程序、监控程序等固化在其中。它的特点是：信息固定不变，只能读出不能重写，关机后原存储的信息不会丢失。,第1章,微型计算机概述,25,3.系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。各个部件直接用系统总线相连，信号通过总线相互传送。根据传送内容的不同，可以分成以下3种：（1）数据总线DB（DataBus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。数据总线一般为双向总线，总线的宽度等于计算机的字长。,第1章,微型计算机概述,26,（2）地址总线AB（AddressBus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址信号。在计算机中，存储器、输入设备、输出设备等都有各自的地址，地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。（3）控制总线CB（ControlBus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。控制总线是控制器发送控制信号的通道，控制信号通过控制总线通往各个设备，使这些设备完成指定的操作。,第1章,微型计算机概述,27,4.输入输出接口电路也称为I/O（Input/Output）电路，是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。（1）接口电路一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成。（2）所有外部设备都通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上去。（3）接口电路的通信方式分为并行通信和串行通信。,第1章,微型计算机概述,28,5.主机板由CPU、RAM、ROM、I/O接口电路及系统总线组成的计算机装置简称“主机”。主机的主体是主机板，也称为系统主板或简称主板，CPU就安装在它的上面。主机板上有CPU插座（或插槽）、内存槽、扩展槽、主板电源插座、磁盘接口、主控芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片、跳线或DIP开关、电池、各种外围设备输入输出端口等。如图1-2所示。,微型计算机概述,第1章,29,图1-2常见微型计算机的主版结构,30,6.外存储器外存储器的种类较多，目前使用最多的是磁盘存储器（包括软盘和硬盘）和光盘存储器。（1）软磁盘：常用的是3.5英寸双面高密度软磁盘，容量为1.44MB。（2）硬磁盘：用金属为基底，表面涂覆有磁性材料，刚性较强。目前在市场上使用较多的是2.5或3.5英寸的温切斯特硬盘机。一般硬盘存储器的存储容量为1080GB。（3）光盘：光盘存储器由光盘、光盘驱动器和接口电路等组成。,微型计算机概述,第1章,31,第1章,微型计算机概述,7.输入/输入设备输入/输出设备是微型计算机系统与外部进行通信联系的主要装置。目前，微型计算机中最常用的输入/输出设备有键盘、鼠标、显示器、打印机和扫描仪等。,32,第1章,微型计算机概述,1-2-2微型计算机的系统组成1硬件系统是由电子部件和机电装置等所组成的计算机实体，包括微型计算机主机和外围硬件设备。基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成各类信息和数据的输入、处理及输出结果等任务。2软件系统是指为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。包括计算机运行所需的各种程序、数据、文件、手册和有关资料。,33,第1章,微型计算机概述,1-3计算机中的信息表示计算机的基本功能是对数据进行加工，计算机内的数字、字符、指令、控制状态、图形和声音等信息都采用二进制编码形式来表示。在使用上我们把计算机中的数据分为两类：一类是用来表示量的大小的数，能够进行算术等运算；另一类是编码，在计算机中用来描述某种信息。,34,第1章,微型计算机概述,1-3-1计算机中的数制及其转换1.数制的基本概念十进制数采用09共10个数字及其进位来表示数的大小。09称为“数码”，全部数码的个数称为“基数”，用“逢基数进位”的原则进行计数称为进位计数制。十进制数的基数是10，其计数原则是“逢十进一”。代表不同数值的各位有不同的“位权”，位权与基数的关系是：位权的值等于基数的若干次幂。,35,为了区分各种计数制的数据，可以采用以下两种方法进行书写表达。（1）在数字后面加写相应英文字母作为标识。如：B（Binary）表示二进制数；D（Decimal）表示十进制数（可省略）；H（Hexadecimal）表示十六进制数。（2）在数字的括号外面加计数制下标，此种方法比较直观。如：二进制的11010011可以写成（11010011）2。,微型计算机概述,第1章,36,表1-2给出了计算机中二、十、十六进制的基数、数码、进位关系和表示方法。,表1-2二、十、十六进制的基数、数码、进位关系和表示方法,37,第1章,微型计算机概述,数制之间的转换为了使用方便，在计算机中有时需要将不同的数制之间进行相互转换，我们将各种计数制之间的转换方法总结如表1-3中所示。,38,表1-3各种计数制之间的转换规律,39,第1章,微型计算机概述,【例1.1】将十进制整数（103）10转换为二进制整数。按照转换规律，采用“除2倒取余”的方法，过程如下：2103251余数为1225余数为1212余数为126余数为023余数为021余数为10余数为1所以，（103）10=（1100111）2,40,第1章,微型计算机概述,【例1.2】将十进制小数（0.8125）10转换为二进制小数。按照转换规律，采用“乘2顺取整”的方法，过程如下：0.81252=1.625取整数位10.6252=1.25取整数位10.252=0.5取整数位00.52=1.0取整数位1所以，（0.8125）10=（0.1101）2若出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可。,41,第1章,微型计算机概述,【例1.3】将十进制整数（2347）10转换为十六进制整数。按照转换规律，采用“除16倒取余”的方法，过程如下：16234716146余数为11（十六进制数为B）169余数为20余数为9所以，（2347）10=（92B）16,42,第1章,微型计算机概述,【例1.4】将十进制小数（0.8129）10转换为十六进制小数。按照转换规律，采用“乘16顺取整”的方法，过程如下：0.812916=13.0064取整数位13（十六进制数为D）0.006416=0.1024取整数位00.102416=1.6384取整数位10.638416=10.2144取整数位10（十六进制数为A）本例取到该数据的计算精度为小数点后4位数。所以，（0.8129）10=（0.D01A）16,43,第1章,微型计算机概述,1-3-2计算机中数值数据的表示1.基本概念数及其符号在机器中的表示加以数值化称为机器数。应考虑三个因素：（1）机器数的范围：由计算机的CPU字长来决定。（2）机器数的符号：为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为符号位，并用“0”表示正数，用“1”表示负数。（3）机器数中小数点的位置：机器中小数点的位置通常有两种约定，一种规定小数点的位置固定不变，这时的机器数称为“定点数”；另一种规定小数点的位置可以浮动，这时的机器数称为“浮点数”。,44,第1章,微型计算机概述,2.带符号数的原码、反码、补码表示（1）原码：规定正数的符号位为0，负数的符号位为1，其他位按照一般的方法来表示数的绝对值。（2）反码：对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。（3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。,45,第1章,微型计算机概述,（4）补码与真值之间的转换已知某数的真值可以通过补码的定义来完成真值到补码的转换；反之，若已知某数的补码也可以通过以下方法来求出其真值。对于正数的补码，其真值等于补码的本身；对于负数的补码，求其真值时可以除符号位以外将补码的有效值按位求反后在末位加1，即可得到该负数补码对应的真值。,46,第1章,微型计算机概述,【例1.9】已知X1补码=01011001B，求真值X1；已知X2补码=11011010B，求真值X2。（1）由于X1补码代表的数是正数，则其真值：X1=+1011001B=+（126+124+123+120）=+（64+16+8+1）=+89D（2）由于X2补码代表的数是负数，则其真值：X2=-（1011010求反+1）B=-（0100101+1）B=-（0100110）B=-（125+122+121）=-（32+4+2）=-38D,47,第1章,微型计算机概述,3.定点数和浮点数的表示（1）定点数：如果数据采用整数表示，我们将小数点约定在最低位的右边，称之为定点整数；如果数据采用纯小数表示，我们将小数点约定在符号位之后，称之为定点小数。（2）浮点数：如果要处理的数据既有整数部分又有小数部分，就可以采用浮点数表示，该方法中小数点的位置是不固定的，可以表示的数值范围要比定点数大。,48,第1章,微型计算机概述,1-3-3计算机中常用的编码计算机除了用于数值计算之外，还要进行大量的文字信息处理，也就是要对表达各种文字信息的符号进行加工。例如，计算机和外设的键盘、显示器、打印机之间的通信都是采用字符方式输入/输出的。计算机中目前最通用的两种字符编码分别是美国信息交换标准代码（ASCII码）和二十进制编码（BCD码）。,49,第1章,微型计算机概述,1.美国信息交换标准代码（ASCII码）ASCII码是美国信息交换标准代码的简称，用于给西文字符编码，包括英文字母的大小写、数字、专用字符、控制字符等。这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128种字符，其中34个起控制作用的称为“功能码”，其余94个符号供书写程序和描述命令之用，称为“信息码”。,50,第1章,微型计算机概述,2.二十进制编码BCD码BCD码又称为“二十进制编码”，最常用的是8421-BCD编码，其方法是采用4位二进制数来表示1位十进制数，自左至右每一个二进制位对应的位权是8、4、2、1。由于4位二进制数有0000B1111B共16种状态，而十进制数09只取0000B1001B的10种状态，其余6种状态闲置不用。一般情况下，BCD码有压缩BCD码和非压缩BCD码两种表示形式。压缩BCD码采用4位二进制数来表示一位