微机原理课讲解

1、16 位微机原理及接口技术微机原理 课 1 讲 教 案绪论1-1 计算机的发展概况及分类1-1-1 计算机的发展概况1946年，第一台计算机在美国诞生， 至今已有近 60 年的历史。 60 年来，计算机经历了 迅猛的发展，得到了广泛的普及，对整个社会的进步和科学的发展产生了极其深远的影响。 在此期间， 计算机经历了电子管计算机时代、 晶体管计算机时代、 集成电路计算机时代、大 规模及超大规模集成电路计算机时代。 计算机的功能已经从早期的数值计算、 数据处理发展 到可以进行知识处理的人工智能阶段，不仅可以处理文字、字符、 图形图象信息， 而且可以 处理音频、视频信息，形成了智能化的多媒体计算机。

2、在推动计算机技术发展的诸多因素中， 除了计算机的系统结构和计算机的软件技术发展 起到了重要的作用之外，电子技术特别是微电子技术的发展也起到了决定性的作用。 70 年 代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器（CPU）电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片，称为微处理器（ MPU ）。微处理器的出现， 开创了微型计算机的新时代。 以微处理器为核心， 再配上半导体存储 器（ RAM 、ROM ）、输入 /输出接口电路（ I/O 接口电路）、系统总线以及其他支持逻辑，这 样组成的计算机， 称为微型计算机。 微型计算机的出现， 是计算机技术发展史上的一个新的 里程碑，为计算机技术的

3、发展和普及开辟了崭新的途径。由于微型计算机具有体积小、重量轻、价格便宜、耗电少、可靠性高、通用性和灵活性 好等特点， 加上超大规模集成电路工艺技术的迅速发展和成熟， 使微型计算机技术得到了极 其迅速的发展和广泛的应用。 从 1971 年美国 INTEL 公司首先研制成功世界上第一块微处理 器芯片 4004 以来，在头十年中， 差不多每隔 2 3年就推出一代新的微处理器芯片， 如今已 经推出了多代微处理器产品。微处理器是计算机的核心部件。 它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能， 因此， 微型计算机的发展是以微处理器的发展来更新换代的。第一代（ 1971 1973）微处理器和微型计算机是 4

4、 位微处理器和低档 8 位微处理器时代。 在这一时期，典型的产品有 INTEL 4004、 INTEL 8008。其中 INTEL 8008 是第一个 8 位通用微处理器，以 4004、8008 为 CPU 构成的微型计算机分别是 MCC-4 和 MCS-8 。主要 应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域。第二代（ 19731978）微处理器和微型计算机是成熟的 8 位微处理器时代。1973年 INTEL 公司推出了性能更好的 8位微处理器 8080。它的出现， 加速了微处理器 和微型计算机的发展。 MOTOROLA 公司的 MS6800 ，ZILOG 公司的 Z80， INTE

5、L 公司的 8085 等。广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域。第三代（ 1978 1983）是 16 位微处理器时代。70 年代后期，超大规模集成电路的成熟，进一步推动了微处理器和微型计算机生产技 术向更高层次发展。 1978 年，INTEL 公司率先推出了新一代 16位微处理器 8086，随后，INTEL16 位微机原理及接口技术公司的 8086/8088 ， MOTOROLA 公司的 MC68000 和 ZILOG 公司的 Z8000，这些高性能的 16 位微处理器成为当时国内外市场上流行的典型产品，集成度高达29000 管/片。 INTEL8086/8088 内部采用

6、流水线结构，设置了指令预取队列，使处理速度大大提高。 INTEL 公司 推出了十六位微处理器中的高档芯片80286，它具有多任务系统所必须的任务切换功能、存储器管理功能和多种保护功能， 支持虚拟存储体系结构， 地址总线从 20位增加到 24 位，存 储器直接寻址空间达到 16MB ，时钟频率提高到 5MHZ 25MHZ 。从 80年代中、后期到 90 年代初， 80286 一直是个人计算机 IBM PC/AT 机的主流型 CPU 。同期的产品还有 MOTOROLA 的 MC68010 。第四代（从 1983 年起）是 32 位微处理器时代。这一时期的典型产品有 ZILOG 公司推 出的 Z80

7、000 、 MOTOROLA 公司推出的 MC68020 、INTEL 公司推出的 80386、 80486、 MOTOROLA 公司推出的 68040 等。第五代（ 1993）是 INTEL 推出的 Pentium 微处理器（简称 P5或 586）。Pentium 微处理 器的推出，使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段，标志着微处理器完成从 CISC 向 RISC 时代的过度，也标志着微处理器向工作站和超级小型机冲击的开始。同期的产品还有 AMD公司的 K5， IBM、 APPLE、 MOTOROL三A家联合推出的 POWOR P。C继 Pentium PRO 之后， Intel 公司又推

8、出了 Pentium 、 Pentium 、 Pentium 等微 处理器的极品，成为 PC机的主流 CPU。随着 LSI 和 VLSI 技术的进一步发展， 微处理器的集成度越来越高， 芯片功能越来越强。 从微型机总的发展情况看， 为了使微处理器获得高性能， 一方面提高集成度， 另一方面在系 统设计上追求综合性能的提高， 更加全面的采用中大型计算机体系结构中的先进技术， 如流 水线技术、高速缓存技术、虚拟存储管理技术、 RISC 技术、并行处理技术，更好地支持多 处理器运行环境、多媒体技术和计算机网络应用等。1-1-2 计算机的分类微处理器的字长也就是微型机的字长， 字长是最能反映机器性能的技

9、术指标之一。 按照微处理器的字长分类，一般可分为 4位、8 位、 16位、 32位和 64位机等几种。 如果将微型计算机按照其组装形式来分， 可将其分为单片机、 单板机和多板微型计算机。 1-2 微型计算机的特点及应用 1-2-1 微型计算机的特点电子计算机通常按照体积、性能和价格分为巨型机、大型机、 中型机、小型机和微型机 五类。 从系统结构和基本工作原理上说， 微型机和其它几类计算机并没有本质上的区别， 所 不同的是微型机广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此带来以下一系列特点： 体积小、重量轻、功耗低由于微型计算机中广泛采用了大规模和超大规模集成电路， 从而使构成微型机所需要的 器件和

10、部件数量大为减少，使之体积大大缩小。可靠性高、使用环境要求低微机计算机采用大规模和超大规模集成电路以后，使得系统内使用的器件数量大大减 少，器件、部件间的连线大大减少，接插件数目减少，加上 MOS 电路本身工作所需的的功16 位微机原理及接口技术 耗就很低，这些都使微型机的可靠性大大提高，因而，也就降低了对使用环境的要求。结构简单、系统设计灵活、适应性强、使用方便 由于微型计算机多采用规模化的硬件结构， 特别是采用总线结构后， 使微机系统真正成 为一个开放的体系结构， 构成系统的各功能部件和各种适配卡通过标准的总线插槽相连。 相 互间的关系变为面向总线的单一关系，大大增加了系统扩充的灵活性和方

11、便性。软件配置丰富 计算机的优良硬件性能是通过丰富多彩的软件体现在人们面前的。 因此，软件是计算机 的灵魂。 如今， 微型计算机之所以得到如此空前的普及和广泛应用，是与它能配置丰富的软件密切相关，从系统软件到应用软件应有尽有，而且功能强、 使用方便，这就加速了微型机 在人类社会的普及。性能价格比高 性能价格比是指机器性能与售价之比。它是衡量计算产品成本性能优劣的一个综合指 标，性能包括字长、主频、速度、配置、可靠性、可操作性等；价格指售价。微处理器最突出的优点之一就是价格低廉、性能优良。 1-2-2 微型计算机的应用1 工业控制2 事物处理3 计算机辅助设计和辅助制造 CAD/CAMCAD 是

12、指用计算机帮助设计画图， 可使得设计过程走向半自动化和自动化。 CAM 的中 心设备是数控机床， 围绕数控机床有一组自动化设备， 用以完成加工件的运输、 组装、 加工、 测量、检查等功能。CAD/CAM 能大量节省人力， 提高效率。 更重要的是提高质量， 并使以往人工难以完成 的任务成为可能。4 教学培训5 家庭娱乐和家政事物管理6 科学和工程计算1-3 计算机的基础知识1-3-1 计算机中的数据表示及编码一进位计数制及数制转换人类在长期的生产劳动实践中创造了我们最熟悉的十进制， 而生活中还有十二和十六进 制等多种数系，其共同之处是采用进位计数制。1进位计数制 进位计数制是采用位置表示法，即处

13、于不同位置的同一数字符号，所表示的数字不同。 一般说来，如果数制只采用 R 个基本符号，则称为基 R 数制， R 称为数制的“基数”或简 称“基”；而数制中每一固定位置对应的单位值称为“权” 。进位计数制的编码符合“逢 R 进位”的规则，各位的权是以 R 为底的幂，一个数可以 按权展开成多项式，例如“逢十进一”的十进制数 1992.5 可写为16 位微机原理及接口技术3 2 1 0 -11992.5=1 10 +910 +910 +210 +5 10对 R进制数 N，若用 n+m 个代码 Di (-m in-1) 表示，从 Dn-1 到 D-m自左至右排列，其按权展开多项式为：N=D n-1R

14、n-1+Dn-2Rn-2+D0R0+D-1R-1 +D-mR-m其中 Di 为第 i 位代码，它可取 0( R-1)之间的任何数字符号； m和 n 均为正整数， n 表示整数部分的位数， m表示小数部分的位数； Wi 表示 Di 位的权，它是以 R为底的幂。下面是计算机常用的进位计数制：二进制R=2基本符号0，1八进制R=8基本符号0，1，2，3，4，5，6，7十进制R=10基本符号0， 1，2，3，4， 5，6，7，8， 9十六进制R=16基本符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C， D，E，F其中，十六进制中的数符 AF 字母，分别对应十进制的 1015，例如一个十六进制数

15、 8AE6可以写为：3 2 1 08AE6H=8163+10162+14161+6160在数 8AE6后面加 H是为了识别十六进制数而加的标识字母。由于二进制数书写长，难 读难懂，为书写方便，计算机中经常使用 8 进制或 16 进制。人们又习惯于十进制，而计算 机内必须采用二进制， 故上面四种进制是经常要用的。 为了识别起见， 二进制数尾加 B作标 识，十进制数尾加 D 或省略，八进制数尾加 Q，十六进制数尾则加 H。使用四种进制必然产 生各种数制间的相互转换问题。2进位计数制间的相互转换不同进位计数制数据转换， 其实质是进行基数的转换， 转换原则是根据： 两个有理数相 等，其整数部分和小数部

16、分分别相等。故要分别进行转换。(1) 二进制与十进制转换a. 二进制转换为十进制1 0 -12 1 2 0 2 -1其转换规则为“按权相加” ，即只要把二进制数中位数是 1 的那些位的权值相加，其和 就是等效的十进制数。二进制数整数与小数部分各位权值对应的十进制数值为：10 9 8 7 6 5 4 3 2102 92 82 72 62 52 42 322-2 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 0.50.25 例 1 1将 10101101.101B 转换为十进制数10101101.101B=2 7+25+23+22+20+2-1+2-3 =128+32+8+4

17、+1+0.5+0.125 =173.625D只是相加各项是八进该转换规则同样适用于将八进制数和十六进制数转换为十进制数， 制或十六进制数符与数位权值之和。例 1.2 将 312Q 和 2A.68H 转换为十进制数210312Q=382181280=364 8 2=202D1 0 -1 -22A.68H=216 11016 0616-1816-2=32100.375 0.03125=42.40625Db. 十进制转换为二进制整数部分转换将十进制数连续用基数 2 去除，直到商数到 0 为止，每次除得的余数16 位微机原理及接口技术 依次为二进制数由低到高的各位值，简称“除 2 取余”法。例 13

18、将 47D 转换为二进制数47=23余1223=11余12112=5余152=2余122=1余012=0余1101111高位低位所以， 47D=101111B 。同理，将十进制数转换为 R 进制数，按照“除 R 取余”规则即可。 例 1 4 十进制数 725D 转换为十六进制数。按“除 16 取余”方法进行。16 725 余数 516 45余数 13（ D）16 2 余数 20 转换结果： 725 D=2D5 H 小数转换将十进制小数部分连续乘以2，每次所得乘积的整数部分， 依次为二进制2 取整法”。数从高到低的各位值。转换规则简称“乘例 1 5 将 0.6875D 转换为二进制数。0.687

19、520.375020.750020.500021.37500.75001.50001011低位1.0000高位所以， 0.6875D=0.1011B需要注意的是，十进制小数常常不能准确地换算为等值的二进制数，有换算误差存在，16 位微机原理及接口技术 转换后的二进制数位数，根据字长限制取有限位的近似值。同理，十进制小数转换为二进制，可以按照“乘 R 取整”方法进行。对于具有整数和 小数的复合十进制数， 只要将整数和小数部分分别按照上述转换方法进行， 最后将其二进制 整数和小数部分用小数点连接即可。例如从例3和例 5 可得：47.6875 D=101111.1011 B(2) 二进制与八进制和十

20、六进制之间转换由于八进制、 十六进制既可简化书写， 又便于记忆， 而且与二进制之间转换方便、 直观， 因此在汇编语言程序及机器语言中指令、 数据书写多采用八进制和十六进制。 由于八、 十六 进制基数与二进制有内在联系，即： 23=8， 24=16。因此，每一位八进制数可以转换为三位 二进制数，每一位十六进制数可以转换为四位二进制数，转换直接而且方便。a.二八进制转换将二进制数以小数点为界， 左右分别按照三位一组划分， 不足三位者用零补齐， 即可换 算出对应的八进制数。例1.6 把 110111101.011100B 转换为八进制数。110111101.0111006 7 5 . 3 4即 11

21、0111101.011100B=675.34Q 反之，由八进制转换为二进制只需要把各自对应的三位二进制写出即可。例1.7 63.52Q 转换为二进制数。63.52Q=(110)(011).(101)(010)B=110011.10101Bb.二十六进制转换将二进制数转换为十六进制数和二八进制转换方法一样， 只是将二进制数按照四位一 组进行划分转换。例 1.8 把 10111001.01101B 转换为十六进制数。10111001.01101B=(1011)(1001).(0110)(1000)B= B 9 . 6 8所以， 10111001.01101B=B9.68H 反之，将十六进制数各位数

22、码用相应四位二进制数表示，即可转换为等效的二进制数。 例 1.9 把 5F.7A5H 转换为二进制数。5F.7A5H=(0101)(1111).(0111)(1010)(0101)B=01011111.011110100101B二数值数据表示本节我们着重讨论两个问题： 数值数据在机内的定点和浮点表示方法； 数据的编码方式。1机器数的定点和浮点表示把数值数据送入计算机处理， 仅转换为二进制还不行， 必须解决数的符号表示， 小数点 位置以及用有限设备表示的有效数值范围等问题。 数在机器内部的表示形式称为机器数， 而 计算机对应的数值称为机器数的真值。 机器数被存放在有记忆功能的存储器件中。 机器数

23、的 符号是数字化处理的，用一位编码表示，通常用0表示正数， 1 表示负数。机器数的小数点位置是事先约定的， 它在机器数表示格式中并不出现， 但根据设计格式， 计算机在运算处理 中却清楚地知道其位置。按照规定格式，机器数有定点和浮点两种表示形式。( 1) 定点表示由于采用进位计数制，任何一个二进制数 N 都可以表示为：EN=2 M16 位微机原理及接口技术其中： E是一个二进制整数，称为数 N的阶数； 2为底数， M 是二进制尾数，它表示该 数的全部有效数字，而阶码 E 则指明了小数点位置，表明数值范围。对任一数 N=2 E M，若阶码 E 固定不变，则小数点位置是固定的，这种表示则称为数 的定

24、点表示，该数称为定点数。计算机中定点数通常有两种约定：一是取 E=0 ，把小数点固 定在尾数最高位之前，一是取 E=n（n 为尾数的位数 ），则把小数点约定在尾数最末位之后， 这两种情况阶码无须表示， 前者即为定点小数， 后者即为定点整数， 其格式如图 1-1 中（ a）、 （b）所示。1 0 1 1 0 0 1 0ns数符数值假想小数点的位置N=0.0110010(a)定点小数0 1 0 0 1 0 0 1ns数符 数值假想小数点的位置N= 1001001（b）定点整数图 1-1 定点数表示以上两种定点数的表示， 计算机均可采用，目前微型机中，多采用定点整数形式。 这里 需要强调的是： 小数

25、点位置是假想位置， 当机器设计时将表示形式约定好， 则各种部件及运 算线路均按约定形式进行设计。机器数字长确定后，其数值表示范围即可确定。例如对定点小数，机器数定长 N 位， 其中一位符号位， n位有效数值，则 N 位定点小数表示范围为：1.1 1 11 （最小值 ） 到 0.1 1 1 1最（大值 ）n 位n 位对应真值表示范围为：（ 1 2-n） X 1 2-n例如， N=16 位，则对应表示的真值范围为（ 1 215） X 1 2 15用 n 位设备存放定点整数，则所能表示的真值为负 n 位全 1 到正 n 位全 1 ，即（ 2n 1） X 2n 1若 N=16 位则为：（ 2151）

26、X 215 1若用 n 位表示无符号整数，则其整数值表示范围：0 2 116 位微机原理及接口技术计算机中参加运算的数，若超过计算机所能表示的数值范围，则称之为溢出。这时， 计算机要对溢出进行相应处理操作。（ 2） 浮点表示当阶码值不固定时， 数的小数点实际位置将根据阶码值相对浮动， 这就构成数的浮点表 示。浮点表示要把机器数分为两部分，一部分表示阶码， 另一部分表示尾数，阶码和尾数均 有各自的符号位。阶符表示数的实际小数点相对约定小数点位置的浮动方向：若阶符为负， 实际小数点在约定小数点左边， 反之在右边， 其位置则由阶码值确定， 而尾数符号代表了浮 点数的符号。图 1-2 所示为浮点数的一

27、种表示形式。esE（r 位）msM （n 位 ）阶符 阶码 尾符 尾数图 1-2 一种浮点数表示形式若尾数用 n 位小数表示， 浮点数的表示范围根据阶码位置 r 和尾数位数 n 决定，其浮点 数表示范围为：a=（2 r1）2a（12n） X 2a（ 12n）例如对十六位机器字长，阶码 4 位（包括一位符号） ，尾数 12 位（一位符号） ，则数值表示范围： （阶码 4位（含 1位符号 ）为定点整数，尾数 12位（含 1位符号）为定点小数。 ）a=（2 31）=727（1 211） X 27（ 1211）或 128（1 211） X 128（ 1211）可以看出， 要扩大数的表示范围，应增加阶码

28、的位数；而要增加精度， 就需要增加尾数 的位数。对同样字长，浮点数比定点数表示的数值范围要大许多，但浮点数运算操作复杂。 浮点数产生溢出，实质上是阶码溢出。2机器数的编码表示数值数据在计算机内采用符号数值化处理后， 机器可以表示并识别带符号的数据。 为了 改进运算方法、 简化控制电路， 人们研究出多种符号数的编码方式， 如原码、 反码、补码等。 这里我们介绍最常用的原码和补码形式。（ 1） 原码前面已经讨论过最简单直观的机器数表示，即仅将符号位数字化表示为0 或 1，数的绝对值与符号一起编码，或者说是“符号-绝对值表示”的编码，称为原码。例： X= 0110111 X 原=00110111X=

29、 0110111X原=10110111其中 X 原称为机器数， X 称为机器数的真值。因此，原码直接可从真值求得，只要将符 号位用 0 和 1 表示真值的正号和负号，真值的绝对值就是原码的数值部分。当采用原码表示法时，编码简单直观，与真值转换方便， 但也带来一些麻烦。一是引起 机器中 0 的表示不唯一，因为 0 原=0000， 0 原=100 0，0 有二义性，给机器判 0 带 来麻烦， 必须在设计时约定好机器采用正零或负零。 二是用原码进行四则运算时， 符号位需 要单独处理，而且原码加减运算规则复杂。例如对有符号数的加法规则为：若两个数同号， 两数相加， 结果冠以共同的符号；若两个数异号，

30、则由大数中减去小数，结果冠以大数的符 号。而减法又有一套规则。（ 2） 补码16 位微机原理及接口技术为使数字化后的符号位能作为数参加运算， 并解决减法转换为加法的问题， 以简化计算 机的运算线路，就产生了补码表示。如果我们想把十进制减法变成加法做， 用什么办法呢？减一个十进制数可采用加该数的 十进制补数，然后丢弃进位得到相减结果，一个数的十进制补数是用10 减去该数得到的。例如，十进制减法：92=7，2 的补数是 10-2=8因此9 2=98=17 7（丢掉进位）这里，实际是把 10 看成一个模数，记作 M。模数在物理上，是某种计量器的度量。在 模数系统中：9 2=9 8=17 7 （Mod

31、 10） 上式之所以成立，是因为 2 与 8 对模数 10 是互为补数的，即 8=10 2。生活中使用的模数系统很多，例如时钟为12，有下式成立：8 3=89 5（Mod 12）因为 9=123。该式表明将时钟从 8点倒拨 3 格和正拨 9 格效果一样，时钟均指向 5 点，我 们称 9 为3 在模 12 下的补码，即 3 =9（Mod 12），这样就可以把减法转换为加法。计算机中的机器数及其存储、运算设备，如寄存器、加法器等都有固定的长度，因此， 都只能进行有模的计算。 N 位设备存放 n 位二进制代码，则 2n 就是其模数，因为两数相加 求和时，如果 n 位的最高位产生了进位，就会丢掉，这正

32、是模数系统中相加的概念。所以， 对任何一个二进制负数都可以找到对应于模数为2n 的正补数，从而将减法运算变为加法运算。同时， 由于 n 位字长中包括一位符号位， 故补码运算中的符号和数一起运算。 对补码的 产生、 定义和有关性质的证明， 不准备进行过多的讨论， 我们只需要了解补码的形式及其运 算特点。a. 补码的求法。由以上讨论可知，对一个二进制负数可用其模数与真值作加法（实 际作减法，因真值为负）求得其补码，即按定义式求n-1X 0 X 2n-1X 补 =（mod 2）2n+X-2n-1 X 0但在机器中实现不方便， 因机器中不存在数的真值表示， 由于原码表示简单直观， 因此在计 算机中数是

33、以原码存储的。 我们可从数学推导得出一个简便方法， 直接从原码求得负数补码。 对正数，其补码和原码相同。负数的补码则是将原码符号位保留，其余各位取其反码，即 0 变 1，1 变 0，再在最低位加 1。而正数的补码与原码相同。即除符号位外X 原 = X 补每位取反，末位加 1例 1.10 求 X= 1010101 的补码。X 是正数， X 补 = X 原 = 01010101 例 1.11 求 X= 0101110 的补码。X 是负数， =10101110X 补=11010001 1=110100101016 位微机原理及接口技术b. 补码特点机器数采用补码表示后，具有如下几个特点： 正零、负零

34、表示均为全零，机器零表示统一+0补= 0 0 0 0补=1 1 11= 1 0 0 0n 位 n位 自动丢失所以，+0补= 0补=0 0 0 运算时符号位无须单独处理。符号位可作为数值一起参加运算，而且在不溢出 的情况下，仍能得到正确的结果符号。这是由补码性质决定的。 采用补码进行加减法运算时，减法可用加法实现。其运算规则为X 补 Y 补 = XY 补（mod 2n）X 补 Y 补 = XY 补（mod 2n）该规则的严密证明略， 我们只应用其结论。 由于这种转化使得加减法运算只要一套加法 设备即可，从而简化了硬件电路，这是补码表示法的一大优点。在使用补码表示的计算机中， 传送和运算处理过程中

35、机器数均以补码形式出现， 因此做 减法时必须从 Y 补求出 Y 补，求 Y 补方法也很简单， 只要对 Y 补的每一位 （包括符号位） 都求反，末位加 1 就得 Y 补，即连符号位Y 补= Y 补按位取反。末位加 1Y 补与 Y 补是对模 2n 互补，故也称 Y 补为 Y 补的机器负数。例 1.12 用补码求 33（ 15） =？ 33 原=00100001B33 补=00100001B 15 原=10001111B15 补=11110001B33（ 15）= 33 补 15 补=100010010B=18进位丢失例 1.13 用补码求 67 10=？ 67 原 =01000011B67 补 =

36、01000011B10 原=00001010B 10 补=11110110B67 10= 67 补 10 补=01000011B 11110110B =00111001B=57以上两例表明， 当带符号的两个数采用补码形式表示时， 进行加减运算可把符号位和数 值位一起进行运算。若符号位有进（借）位，则丢掉。结果即为两数之和或差的补码形式， 这是补码表示的又一优点。特别要指出的是， 采用补码进行加减运算， 所有参加运算的数及运算结果都是用补码表 示的， 若要得到原码还需转换， 其转换方法很简单，正数补码与原码相同， 对负数将其补码 除符号位外，逐位取反，末位加1，就可得到原码。除符号位外X 补 =

37、 X 原每位取反，末位加 1 对机器数所表示的数值范围， 用补码时要大一点， 它可扩充到负数模值。 例如： 8 位定点整数，用原码表示，其数值范围为127 127 ，而用补码， 128 127，目前采用补码表示的机器较多。3十进制数的二进制编码表示1116 位微机原理及接口技术由于人们习惯十进制， 而计算机采用二进制， 为便于人机交往， 常常用一组四位二进制 编码表示一个十进制数字符号， 称为二进制编码的十进制数， 二进制编码的十进制数有 许多编码方法， 它们可以分为有权编和无权编码两类。 下表中列出几种形式的编码表示。表 1-2 几种形式的编码表示十进制符号有权码无权码8421（ BCD ）

38、24215221余3码格雷码000000000000000110000100010001000101000001200100010001101010011300110011010101100010401000100011101110110501011011100010001110601101100101010011010701111101110010101000810001110111010111100910011111111111000100（ 1）有权码 最常用的有权码是 8421 码，也称 BCD 码，这是最自然且简单的编码方法。它用四位 二进制编码表示一位十进制数，每一位恰好是二进制低

39、四位的权。由于这种自然联系，故 8421 有权码有时也称 NBCD 码，意为自然（ Natural ）BCD 码。 8421 码实现二 -十转换很容 易，此外还很容易判别十进制数的奇偶性，即奇数的最低位都为1，偶数的最低位都为 0。除 8421 码外，还有其它几种有权码， 表中列出了 2421，5221 有权码， 这两种编码的特 点是任何两个十进制数相加等于 9 时，它们相对应的编码相加结果为1111，这一特点对于减法非常有用，因为按 9 互补的关系恰好对应二进制模的互补关系。（ 2）四位无权码四位无权码主要有余 3 码和格雷码两种。 余 3 码是由 8421 码加 0011 得来的， 各位没

40、有 权的关系，余 3 码具有上面 2421，5221 有权码的特点，实现减法运算方便，只要对加法产 生的值进行修正就可以了。由于每个数余3，两个数余 6，恰好跳过四位编码冗余码。格雷码的编码规则是相邻两代码之间只有一位不同， 这样数据传送的可靠性高， 适合做16 位微机原理及接口技术 12控制编码。有 BCD 码，机器便可以进行十进制运算，设置十进制运算指令。但要注意，由于用四 位二进制数表示十进制数， 尚有 6 种编码冗余， 除余 3码外， 均不能由四位二进制最高位进 位直接获得十进制数的进位。为此，硬件电路中要设置 BCD 码校正电路，指令中有十进制 运算调整指令，以保证二 -十进制编码运

41、算得到正确的结果。三非数值数据的表示非数值数据不表示数值的大小。 它通常分两类： 逻辑数和字符数， 均以二进制数码表示。 1逻辑数逻辑数由无符号二进制代码组成， 每位不表示数值， 只表示逻辑真值和逻辑假值。 逻辑 数只能参加逻辑运算，其运算特点是：运算按位进行，各位之间没有进位、借位等情况，即 各位相互独立。由于逻辑数表示和数值数一样，计算机必须根据程序中的指令名来识别运算数据类型。2字符数据及其编码目前， 在计算机应用的许多场合中， 需要对字符或专用符号进行操作， 用高级程序设计 语言进行人机交往也是使用字符或符号。 由于这些符号不能直接送入计算机， 必须先进行数 字化处理，用二进制数码表示

42、，我们称之为字符数据。这些字符如同十进制数字一样， 都必须按照一定的规则用一组二进制编码来表示， 才能 为计算机所识别、 处理和传送。 当输入信息时， 要通过输入设备把输入的字符编成一定格式 的代码接收进来，而输出时则要把相应的字符编码送到外部输出设备显示或打印。字符编码方式有各种规定， 或称标准。 我国使用的部颁标准字符编码与国际上较普遍使 用的 ASCII 码基本相同。 ASCII 码是美国信息交换标准代码，编码表见附录。 1-4 微型计算机的基本结构及工作原理 1-4-1 计算机基本组成及工作原理一，计算机基本组成1946 年，在美籍匈牙利数学家冯诺依曼领导的研制小组提出的计算机设计方案

43、中， 明确了计算机的五大基本组成，即运算器、逻辑控制装置（控制器） 、存储器、输入和输出 设备，并描述了五部分职能关系及基于存储程序的基本工作原理。图 1-17 为计算机基本组 成。13程序 结果图 1-17 计算机基本组成16 位微机原理及接口技术1存储器存储器是用来存放数据和程序的部件， 其基本功能是按要求向指定的位置写入或取出代 码信息。存储器采用按地址存取的工作方式， 它由许多存储单元组成， 每一个存储单元可以存放 一个数据代码， 为了区分不同的存储单元， 把全部存储单元按照一定的顺序编号， 这个编号 就称为存储单元的地址。 当计算机要把一个数据代码存入某存储单元， 或从某存储单元中取

44、 出时，首先要提供该存储单元的地址，然后查找相应的存储单元， 查到后， 才能进行数的存 取。因此，能存储大量信息的存储体是存储器的核心。存储器的工作就是， 在运算之前，接收外界送来的程序和数据；在运算过程中，向计算 机提供指令和数据信息，保存中间结果；运算结束后，保存运算结果。2运算器 运算器是对信息进行加工、 运算的部件， 具体就是执行二进制代码的基本逻辑运算和算 术运算。 运算器的运算能力并不高， 但计算机运算速度快得惊人， 它是用高速度赢得了出色 的工作能力。运算器的核心部件是加法器。运算过程中，它在控制器控制下，从存储器中取数， 进行 运算后，将结果暂存或送到存储器保存。3控制器控制器

45、是整个机器的控制中心， 存储器进行信息的存取， 运算器进行各种运算， 信息的 输入和输出，都是在控制器的同意控制下进行的。控制器的指挥工作是通过程序进行的。 程序中安排好计算机工作的顺序， 对可能遇到的 各种情况进行处理。 运算前，程序被送到存储器保存起来。开始运算后，控制器便自动地到 存储器中按顺序逐条取出指令， 经过分析后， 按指令的要求， 向各部件发出执行指令的控制 信号，执行指令中规定的操作。在控制器工作过程中， 还要接受执行部件的反馈信息， 例如运算器送来的运算结果、 状 态等。这些反馈信息为控制器判断下一步如何工作提供了依据。因此， 控制器的工作就是根据存储器中存储的程序，周而复始

46、地取指令、分析指令、执 行指令，向运算器、存储器、输入输出设备发出控制命令，控制计算机工作。4输入设备 人们编写好的程序是经过输入设备送到计算机中去的。 输入设备要将程序和数据转换为 计算机能识别和接受的信息，如电信号等。目前常用的输入设备是键盘和鼠标。1416 位微机原理及接口技术5输出设备输出设备是把运算器中信息处理结果转换成人们所需要的易于理解、 阅读的形式。 例如 在显示终端屏幕上显示或用打印机打印在纸上。二微型机的工作原理1微处理器 CPU 的一般结构 要了解微型机的工作原理，首先要讨论微处理器的结构。 CPU 是组成微机系统的核心 部件，它具有运算和控制的功能，具体有： 进行算术和

47、逻辑运算，执行数据处理。 可暂存数据。 实现程序控制，即可取指令， 对寄存器存， 译码分析并执行指令所规定的操作， 还要 能提供整个系统所需要的定时和控制信号及响应设备发出的中断请求。尽管各种微处理器的内部结构不尽相同，但为了实现上述基本功能要求，典型的 CPU 结构由控制器、工作寄存器、算术逻辑单元和 I/O 控制逻辑组成。算术逻辑运算单元是微处理器的核心，所有的算术运算、逻辑运算和移位操作都是有 ALU 完成的， ALU 在控制信号控制下， 完成不同的操作， ALU 输出经内部总线送工作寄存 器接收或输出到外部数据总线上。工作寄存器暂存用于寻址和计算过程中的信息。 工作寄存器有数据寄存器，

48、 还有地址寄 存器。 有的兼有双重用途。 数据寄存器用来暂存操作数和中间结果。 由于存取寄存器比访问 存储器快得多，所以 CPU 中含数据寄存器越多，运算速度越快。地址寄存器则用于操作数 地址。 操作数地址是指令字中的一部分， 操作数可放在寄存器中， 也可放在存储单元中。为 给编程和数据处理提供方便，设计了多种寻找操作数地址的方式，称为寻址方式。控制器是 CPU 的指挥机构，实现指令的取出、寄存、译码和执行。控制器为实现取指 令，要设计程序计数器 PC 和指令寄存器 IR。PC 中存放即将执行的指令地址，提供给存储 器取出该条指令。由于程序中指令是顺序存放的，故当出现程序转移时，就必须改变PC

49、 的内容。指令寄存器 IR 用于保存从存储器中取出的当前要执行的指令。分析指令是由指令译 码器 ID 完成的， ID 发出相应译码输出， 使控制逻辑部件产生相应的控制信号去完成指令相 应操作，执行指令。 为判断指令执行情况， 了解数据处理有关结果， 程序状态字寄存器 （PSW） 暂存处理器程序执行的当前状态， 例如指示运算结果是否为 0，是否溢出， 是否进 （借）位， 或结果为正还是负等。该寄存器在许多微型机中称为状态字寄存器。I/O 控制逻辑包括 CPU 中与输入 /输出操作有关的逻辑， 其任务是处理输入、 输出操作。 2微处理器工作基本过程图 1-18 是描述 CPU 基本工作的流程图，也

50、是指令的执行过程，因为 CPU 的工作就是 不停地取指令、分析执行指令的过程。直到取出停机指令，程序结束。16 位微机原理及接口技术15从主存中取出当前指令 送 CPU 中 IR对 IR 中的指令译码去取下条指令图 1-18 CPU 基本工作流程图 从图中可看出， CPU 加电工作后， 程序计数器 PC 被置入程序的首条指令地址 （这是硬 件设计保证） 。 PC 中地址送到 CPU 地址总线上，发动相应控制信号启动主存读，取出该单 元内容，即首条指令，送入指令寄存器。 然后通过指令译码器进行译码分析后，就可确定指 令长度（以字节为单位） ，对多字节指令分几次取入， PC 内容增加相应值，然后由

51、控制逻辑 执行指令，若不是转移指令，则重复上述过程，取下条指令执行；若遇到转移指令，则转移 地址取代 PC 中内容，从转移的目标地址开始执行新指令序列。对条件转移必须检查处理器 当前状态是否满足转移条件， 当前状态由前面一条指令执行的结果决定， 状态标志组成程序 状态字，记作 PSW，存放在处理机状态字寄存器中，如状态条件满足转移条件，则实行条 件转移，将转移地址置入 PC，从所转移的目标地址执行新指令序列。1616 位微机原理及接口技术1-4-2 微型计算机系统现代的计算机与第一代计算机相比， 其组成和配置已经发生了很大变化。 面对用户的不 是仅仅由电子部件构成的计算机，而是由硬件和软件共同

52、组成的计算机系统。硬件实体是计算机系统的物质基础， 软件则是发挥机器功能的关键所在。 软件是建立和 依托在硬件的基础上的， 没有硬件作物质基础，软件功能无从谈起。反之， 没有软件的硬件 “裸机”将无所作为，不能提供用户直接使用，因此，当代计算机即包含硬件组成，也包含 软件支持，二者不可分割，它们共同构成计算机系统，实现信息处理。1 微型机系统硬件所谓硬件， ,是指组成计算机的物理实体。对微型计算机系统来说，硬件包括主机箱及 其内部电子线路、 键盘、CRT 显示器、打印机等。 按逻辑功能将内部部件氛围微处理器CPU、存储器（主存，辅存） 、 I/O 接口及 I/O 设备。信息传送由总线和总线控制

53、部件实现。在当前的微机系统中，通常采用的组织方法如下：把微处理器、 总线控制逻辑、 定时逻辑、 部分存储器等构成基本系统所必要的逻辑组装 在一块较大的印刷电路板上。 该印刷电路板称为系统板或主机板， 它固定在机箱内。 系统板 上还装有多个多接点的长形插座（ IBM-PC 机的插座有 62 个接点），每个插座都可以插入另 一块印刷电路板与系统板垂直。 所谓系统级总线就是系统板上接到这些插座接点上的全部信 号线。 各插座是并联的， 各插座上信号的排列是相同的。 构成完整的微机系统所包括的外部 设备， 如显示器、打印机、 磁盘存储器等接口逻辑和扩充容量的存储器，都装在印刷电路板上（小插板） ，插入主板插座内，然后通过系统级总线与主机板相接。任何新增加的外部设 备，只要遵照插座接点的信号约定（总线标准）设计接口的电路，均可“挂”在总线上成为 微机系统硬件的一部分，百米减磅厘第亿 硬件配置比较灵活，可以适用于许多应用领域的 不同要求。IBM-PC/XT 计算机基本配置中的中央处理器芯片是Intel 8088 ，主存储器容量从 256KB到 640KB ，一般配置两个软盘驱动器， XT 以上的微型机配有硬盘驱动器。随着 LSI 技术的 不断发展，微处理器的功能极其迅速地发展变化。2微型计算机系统软件（1）软件概述