第1讲-微机系统基础

1、微机原理及接口技术主讲：秦金磊主讲：秦金磊2/36内容及应用内容及应用F掌握微型计算机的掌握微型计算机的；F掌握掌握程序设计；程序设计；F掌握微型计算机掌握微型计算机；课程性质课程性质 必修，必修，4040学时上课学时上课+24+24学时实验，是学习和掌握学时实验，是学习和掌握微机微机硬件硬件、汇编语言程序设计汇编语言程序设计和和接口知识接口知识的入门技术基础课程。的入门技术基础课程。理解理解动手动手综合综合 特点特点：内容多，较抽象，注重硬件。应在理解的基础：内容多，较抽象，注重硬件。应在理解的基础上，加强动手实践训练。上，加强动手实践训练。 应用应用：通过微机软硬件的开发，可用于实现电力系

2、统：通过微机软硬件的开发，可用于实现电力系统的保护、自动化装置的控制和电子通信等方面。的保护、自动化装置的控制和电子通信等方面。3/36学习方法学习方法功夫在功夫在平时平时课堂课堂：认真听讲、注重知识理解：认真听讲、注重知识理解课后课后：仔细读书、独立完成作业：仔细读书、独立完成作业实验实验：充分准备、勇于动手实践：充分准备、勇于动手实践总成绩总成绩考试成绩考试成绩(过程约过程约30%、期末约、期末约50%)考勤、作业考勤、作业(约约20%)辅导答疑辅导答疑F 地点：地点： 一校区综合楼网管中心一校区综合楼网管中心103103室室F 电话：电话： （752752）24742474，137852

3、1809813785218098F 网络教学平台：网络教学平台：HTTP:/5 HTTP:/5 教务教务信息信息 网络教学平台网络教学平台只要认真按照要求去做，勤学好问，肯下功夫，就只要认真按照要求去做，勤学好问，肯下功夫，就能够取得好成绩！能够取得好成绩！4/36使用教材使用教材16/3216/32位微机原理及接口技术位微机原理及接口技术，朱有产等编著，朱有产等编著，20092009年年8 8月第一版，中国电力出版社。月第一版，中国电力出版社。16/3216/32位微机原理及接口技术实验指导书位微机原理及接口技术实验指导书，刘淑平，刘淑平等

4、编著，等编著，20102010年年8 8月第一版，中国电力出版社。月第一版，中国电力出版社。参考书籍参考书籍F微型计算机原理与接口技术（第微型计算机原理与接口技术（第2 2版）版），冯博琴，冯博琴等编著，等编著，20072007年年8 8月第月第2 2版，清华大学出版社。版，清华大学出版社。F微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程，刘红玲等编著，刘红玲等编著，20082008年年1 1月，电子工业出版社。月，电子工业出版社。可到图书馆借阅相关书籍可到图书馆借阅相关书籍5/36章节内容及关系 第一章第一章 基础知识基础知识 第二章第二章 微处理器微处理器 第三章第三章 指令及汇编指

5、令及汇编掌握微处理器，掌握微处理器，后面各章的基础后面各章的基础 第四第四八章八章 接口及应用接口及应用进一步深刻理解微处理器进一步深刻理解微处理器的工作，并应用汇编语言的工作，并应用汇编语言实现对微处理器的使用实现对微处理器的使用前述内容综合应用前述内容综合应用第1讲 微机系统基础7/361.1 微机系统的构成 结合交通信号灯项目，讨论该系统中包含了哪些内容？导线、芯片、各种元器件，（硬件）程序（软件） 还有哪些系统与此类似？ 门禁系统 若忽略各种具体芯片和元器件的型号，可以概括成什么？CPU（运算器、控制器）、存储器、I/O接口、总线。8/361.1 微机系统的构成 试画出各个组成部分之间

6、的基本结构？ 数据总线（DB） 控制总线（CB） 地址总线（AB） 中央处理器 CPU （运算器 控制器） 内存储器 I/O 接口 I/O 接口 输入设备 输出设备 9/361.2 微机系统的层次 微型计算机系统是一个具有明显层次特点明显层次特点的系统，试问有哪几个层次？三个：微处理器微型计算机微型计算机系统 各个层次中包含哪些内容？微处理器：算术逻辑和控制部件(CPU)、寄存器组Registers、高速缓存Cache；微机：微处理器+存储器(ROM、RAM)+I/O接口电路+总线；微机系统：微机+I/O设备及软件10/361.2 微机系统的层次微处理器、微机、微机系统微处理器、微机、微机系统

7、三者之间关系示意图三者之间关系示意图。11/361.3 微机的工作过程 微型计算机是如何工作的？微处理器微处理器 存储器存储器 接口电路接口电路 双向双向数据数据总线总线控制控制总线总线地址地址总线总线12/361.3 微机的工作过程微处理器结构图微处理器结构图ALU ALU I2I1OBL BL PLA PLA ID ID IR IR F F PC PC AR AR DR DR 256256字节字节 RAMRAMAL AL CPU内部数据总线存储器ABDB标志寄存器标志寄存器程序计数器程序计数器地址寄存器地址寄存器指令寄指令寄存器存器13/361.3 微机的工作过程存储器结构存储器结构F0H

8、F1HF2HF3HF4H.FFH地地址址译译码码器器00H01H02H03H04HFFH控制控制 CPUCPU来的来的 控制信号控制信号 ABDB地址地址 内容内容 1.1.地址总线形成地址总线形成8 8位位地址，并经地址，并经ABAB送入送入译码器；译码器；2.2.经译码器译码，经译码器译码，找到存储单元找到存储单元; ;3.3.在在CPUCPU控制信号下，控制信号下，对该存储单元内容进对该存储单元内容进行读或写操作。行读或写操作。每个存储单元存每个存储单元存8 8位，地址、数据总线位，地址、数据总线8 8根。根。操作过程：操作过程： 14/36存储器读操作存储器读操作F0HF1HF2HF3

9、H1000 0100.FFH地地址址译译码码器器00H01H02H03H04HFFH控制控制 CPUCPU来的来的 读信号读信号 ABDB地址地址 内容内容 1.1.地址总线地址总线8 8位地址位地址04H04H经经ABAB送入译码器送入译码器; ;2.2.经译码器译码经译码器译码, ,找到找到04H04H单元单元; ;3.3.在在CPUCPU读信号下，对读信号下，对该存储单元内容进行该存储单元内容进行读操作。读操作。CPUCPU从存储器取操作数的过程。从存储器取操作数的过程。操作过程：操作过程： 04H04H4.4.读出的数据由读出的数据由DBDB送出。送出。84H1.3 微机的工作过程15

10、/36存储器写操作存储器写操作 F0HF1HF2HF3H.FFH地地址址译译码码器器00H01H02H03H04HFFH控制控制 CPUCPU来的来的 写信号写信号 ABDB地址地址 内容内容 1.1.地址总线地址总线8 8位地址位地址04H04H经经ABAB送入译码器送入译码器; ;2.2.经译码器译码经译码器译码, ,找到找到04H04H单元单元; ;4.4.在在CPUCPU写信号下，对写信号下，对该存储单元内容进行该存储单元内容进行写操作。写操作。CPUCPU向存储器写入操作数的过程。向存储器写入操作数的过程。操作过程：操作过程： 04H04H3.3.写入的数据由写入的数据由DBDB送出

11、。送出。26H0010 01101.3 微机的工作过程16/36 微处理器是如何执行指令的？指令指令：一组二进制编码信息，指出计算机进行哪种操作，：一组二进制编码信息，指出计算机进行哪种操作，以及操作的内容。以及操作的内容。包括两部分：包括两部分：操作码操作码（Operation CodeOperation Code）和和操作数操作数(Operand)(Operand)执行什么操作执行什么操作指明操作数本身或所在地址指明操作数本身或所在地址程序程序：按照一定顺序编好的，用一系列指令表示的计算：按照一定顺序编好的，用一系列指令表示的计算步骤。步骤。计算机之所以能够自动地执行一系列操作，无须人的直

12、计算机之所以能够自动地执行一系列操作，无须人的直接干预，就在于利用程序一步一步地完成。接干预，就在于利用程序一步一步地完成。什么是指令什么是指令 什么是程序什么是程序1.3 微机的工作过程17/36什么是指令系统什么是指令系统一台计算机所能执行的各种一台计算机所能执行的各种不同指令的集合不同指令的集合. .二进制编码不便记忆，且易出错，采用二进制编码不便记忆，且易出错，采用助记符助记符代替操代替操作码，用符号表示操作数。作码，用符号表示操作数。例：例：两个数相加两个数相加, , 需以下几步需以下几步( (设运算的数已在存储器中设运算的数已在存储器中) )第一步：第一步：把一个数从它所在把一个数

13、从它所在存储单元中取出，送至运算存储单元中取出，送至运算器；器；( MOV AL, 2000H )( MOV AL, 2000H )第二步：第二步：把第二个数从它所在把第二个数从它所在存储单元中取出，送至运算器；存储单元中取出，送至运算器；( MOV BL, 3000H )( MOV BL, 3000H )第三步：第三步：相加；相加； ( ADD AL, BL )( ADD AL, BL )第四步：第四步：相加结果，送存储器相加结果，送存储器指定单元。指定单元。 ( MOV 3500H, AL )( MOV 3500H, AL )1.3 微机的工作过程18/36指令执行过程举例指令执行过程举例

14、例如：两个数例如：两个数7 7和和1010相加，程序如下：相加，程序如下：MOVMOVALAL，7 7 ；AL AL 7 7ADD ALADD AL，1010；AL AL AL+10 AL+10HLTHLT；停机停机MOV ALMOV AL，7 7 ADD ALADD AL，10 10 HLT HLT 该程序对应的机器码：该程序对应的机器码：1011 00001011 00000000 01110000 01110000 01000000 01000000 10100000 10101111 01001111 01001.3 微机的工作过程19/36指令存放在存储器指令存放在存储器00H00H

15、开始的单元：开始的单元：00H01H02H03H04H0000 00000000 00010000 00100000 00110000 01001011 00000000 01110000 01000000 10101111 0100内容内容 地址地址 十六进制十六进制 二进制二进制 程序执行过程程序执行过程: :给给PCPC赋予第一条指令地址赋予第一条指令地址00H00H；进入第一条指令的取指阶段；进入第一条指令的取指阶段；执行第一条指令的阶段；执行第一条指令的阶段；进入第二条指令的取指阶段；进入第二条指令的取指阶段；执行第二条指令的阶段；执行第二条指令的阶段；进入第三条指令的取指阶段；进入

16、第三条指令的取指阶段；执行第三条指令的阶段。执行第三条指令的阶段。执行过程执行过程：取指取指（取出指令）和（取出指令）和执行执行（执行指令）这两个阶段的（执行指令）这两个阶段的循环。循环。1.3 微机的工作过程20/361.3 微机的工作过程ALUI2I1OALBLPLAIDIR 1011 00000000 00000000 00001011 00001011 000000图图1-11-1 取取第一条第一条指令指令1011 00000000 01110000 01000000 10101111 010000H01H02H03H04H读+1PCARABDBDR21/361.3 微机的工作过程图图

17、1-21-2 取取立即立即数数ALUI2I1OAL 0000 0111BLPLAIDIR0000 00010000 00010000 01110000 0111011011 00000000 01110000 01000000 10101111 010000H01H02H03H04H读+1PCARABDBDR22/361.3 微机的工作过程ALUI2I1OALBLPLAIDIR 0000 01000000 00100000 00100000 0100 0AH021011 00000000 01110000 01000000 10101111 010000H01H02H03H04H读+1PCAR

18、ABDBDR图图1-3 1-3 取取第二条第二条指令指令23/361.3 微机的工作过程ALUI2I1OAL 0001 0001BLPLAIDIR0000 00110000 00110000 1010 0AH031011 00000000 01110000 01000000 10101111 010000H01H02H03H04H读+1PCARABDBDR图图1-4 1-4 执行执行第二条第二条指令指令24/361.4 数制及转换 常用的进制有哪几种？ 相互之间是如何转换的？ 2（Binary）、8（Octal）、10（Decimal）、16（Hexadecimal） 除基取余、乘基取整、按权

19、展开、分组转换 练习1：教材25页，3、4、5题中的第（1）和（3），压缩BCD数不要求。25/361.5 编码及运算 位(b)、字节(B)、字、字长，分别是什么？ K、M、G、T之间的关系？ 无符号数的范围？ 有符号数如何表示？什么是机器数？什么是真值？26/361.5 编码及运算 原码 机器数中最高位为符号位，数值部分是真值绝对值。机器数中最高位为符号位，数值部分是真值绝对值。字长为字长为n：1111, 21022|, 0(21)nnnnXXXXXX 原+0+0原原=0000 0000=0000 0000-0-0原原=1000 0000=1000 0000范围：范围：1111 111111

20、11 1111 1000 00001000 0000（-127-127 -0-0）0000 00000000 0000 0111 1111（+0 +127）27/361.5 编码及运算 反码字长为字长为n：11, 2102121 |, 0(21)nnnnXXXXXX 反正数，同原码；正数，同原码；负数，其原码数值位按位取反（负数，其原码数值位按位取反（“非非”运算）。运算）。+0+0反反=0000 0000=0000 0000-0-0反反=1111 1111=1111 1111原码、反码表示范围相同，原码、反码表示范围相同，0 0都有都有+0+0和和-0-0两种形式，运两种形式，运算不便。算不

21、便。范围：范围：1000 0000 1000 0000 1111 1111 1111 1111（-127-127 -0-0） 0000 00000000 0000 0111 1111 0111 1111（ +0 +127+127）28/361.5 编码及运算 补码字长为字长为n：11, 21022|, 12nnnnXXXXXX 补00补补=0000 0000=0000 0000-128-128补补=2=28 8+ (-128)=1000 0000+ (-128)=1000 0000-128没有原码、反码：没有原码、反码：在原在原( (反反) )码取值范围内，码取值范围内，正数，同原码。负数，正

22、数，同原码。负数，其反码数值位末位加其反码数值位末位加1 1。 29/361.5 编码及运算 运算方法计算机中使用计算机中使用补码补码进行运算，并且进行运算，并且符号位参与运符号位参与运算。算。可以提高运算速度，简化硬件结构。可以提高运算速度，简化硬件结构。运算公式：运算公式：X+YX+Y补补= X= X补补+ +YY补补，X-YX-Y补补= X= X补补- -YY补补，= X= X补补+ +-Y-Y补补 X XYY补补=X=X补补+ + YY补补 练习2：教材25页，7、8题中的第（1）和（3）。30/361.5 编码及运算 溢出例：用补码计算（例：用补码计算（+72+72）+ +（+98+

23、98）+170 +127+170 +127解解：( (+72)+72)补补=0100 1000 (+98)=0100 1000 (+98)补补=0110 0010=0110 00101 010 10101 010 1010 0 100 1000 0 100 1000+ 0 110 0010+ 0 110 0010 +72 +72+ +98+ +98真值真值:- 86:- 8631/361.5 编码及运算 溢出例：用二进制补码计算（例：用二进制补码计算（- 83- 83）+ +（- 80- 80）解解：( (-83)-83)补补=1 010 1101 (-80)=1 010 1101 (-80)

24、补补=1 011 0000=1 011 0000 1 010 1101 1 010 1101 -83 -83 + 1 011 0000 -80 + 1 011 0000 -80 10 101 1101 +93 10 101 1101 +93 （-83-83）+ +（-80-80）= -163 = -163 -128 -128上述是上述是同号相加同号相加产生溢出情况，而对两个产生溢出情况，而对两个异号相异号相减减，同样有可能产生溢出，使结果出错。，同样有可能产生溢出，使结果出错。进位自进位自然丢失然丢失32/361.5 编码及运算溢出只能出现在溢出只能出现在两个同符号数相两个同符号数相加加或或两

25、个异符号数相减两个异符号数相减的情况下。的情况下。1 1）如果）如果次次高位向高位向最最高位高位有有进（借）位（进（借）位（C6=1C6=1），），而最而最高高位向前位向前无无进（借）位（进（借）位（C7=0C7=0），则），则发生溢出发生溢出。2 2）如果）如果次次高位向高位向最最高位高位无无进（借）位（进（借）位（C C6 6=0=0），而），而最最高位向前高位向前有有进（借）位（进（借）位（C C7 7=1=1），则），则发生溢出发生溢出。依据依据：对于：对于8 8位二进制数，若位二进制数，若D6D6位产生的进（借）位记为位产生的进（借）位记为C C6 6，D7D7位产生的进（借）位记为

26、位产生的进（借）位记为C C7 7，若若C C7 7 C C6 6=1=1，则结果产生溢则结果产生溢出。出。思考：思考：同号相减同号相减oror异异号相加为何无溢出？号相加为何无溢出？ 溢出判别33/361.5 编码及运算 BCD码计算机内部使用计算机内部使用二进制二进制进行运算，但人们习惯使进行运算，但人们习惯使用用十进制。十进制。为便于人机交往，设计为便于人机交往，设计BCDBCD码。码。两种两种形式形式：压缩压缩BCDBCD码码：用用4 4位二进制数对十进制数的每一位进位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这行编码，这4 4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值。值。非压缩非压缩BCDBCD码：码：用一个字节用一个