第一章基础知识

1、12005.92课程目标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：F微型计算机的基本工作原理F汇编语言程序设计F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3教学大纲教学大纲一一 基础知识基础知识二二 微型计算机基础微型计算机基础三三 8086/8088 CPU的指令系统的指令系统四四 汇编语言程序设计汇编语言程序设计五五 存储器系统存储器系统六六 I/O接口与中断、计数器接口与中断、计数器七七 A/D及及D/A转换器转换器八八 常用数字接口常用数字接口4第第1章章 基础知识基础知识主要内容：主要内容：计算机的发展计算机的发展l各

2、种常用记数制和编码各种常用记数制和编码51.1 概 述世界上第一台计算机是世界上第一台计算机是1943-1946年美国宾夕法尼年美国宾夕法尼亚大学设计制造的亚大学设计制造的”ENIAC”占地上百平方米重量几千吨功耗几十千瓦 5000次加法/秒6(1)(1)存储容量太小存储容量太小, ,只能存只能存2020个字长为个字长为1010位的十进制数位的十进制数(2)(2)采用线路连接的方法来编排程序采用线路连接的方法来编排程序, ,每次解题都要靠每次解题都要靠人工改接连线人工改接连线, ,准备时间大大超过实际运算时间准备时间大大超过实际运算时间 7冯冯诺伊曼计算机基本结构诺伊曼计算机基本结构(冯氏结构

3、冯氏结构)l1.“存储程序存储程序”概念的产生及其重要意义。概念的产生及其重要意义。lENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具备“存储程序”的功能lEDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）采用“存储程序”的概念，并付诸实现， “开创了整个程序设计时代的到来”l2.冯氏计算机冯氏计算机5个基本部件：个基本部件：输入器输入器,输出器输出器,运算器运算器,存存储器和控制器储器和控制器l数据和程序存放在存储器中数据和程序存放在存储器中,采用了二进制采用了二进制8计算机

4、的发展及分类计算机的发展及分类l电子计算机的发展：l电子管计算机（1946-1956）l晶体管计算机（1957-1964）l中小规模集成电路计算机（1965-1970）l超大规模集成电路计算机（1971-今）9微处理器的发展历程微处理器的发展历程l第一代:4位及低档位及低档8位微处理器位微处理器 (1971-1973)l第二代:中、低档中、低档8位微处理器位微处理器 (1974-1978) l第三代:高、中档高、中档8位微处理器位微处理器 (1978-1981)l第四代:16及及低档低档32位位微处理器微处理器 (1981-1992)l第五代:高档高档32位微处理器位微处理器 (1992年以后

5、)10代发表年份字长(bits)微处理器型号线宽(m)晶体管数(万个)时钟频率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.310.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20条指令/时钟周期)300011微型计算机的发展动向微型计算机的发展动向l低档微型计算机的发展低档微型计算机的发展 l应用在家用电器,仪器仪表和过程控制等领域l功能强,价格低,精巧灵活l32位和位和64位微型计

6、算机的发展位微型计算机的发展l做成微型计算机系统l运算速度快,主存容量大和有丰富的软件l多微处理器系统的发展多微处理器系统的发展 12计算机的特征计算机的特征l运算速度快运算速度快l计算精度高计算精度高l超强的记忆能力超强的记忆能力l具有逻辑判断功能具有逻辑判断功能l实现自动控制实现自动控制13计算机的分类计算机的分类l巨型计算机（Mainframe Computer）l大、中型计算机l小型计算机（Minicomputer）l微型计算机（微型计算机（Microcomputer）l工作站工作站141.2.微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统（Microproc

7、essor,Microcomputer,Microcomputer System）1.微处理器微处理器: 集成在同一块芯片上的具有运算和控制集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能的中央处理器功能的中央处理器2.微型计算机：由微型计算机：由CPU，半导体存储器，半导体存储器，I/O接口和中接口和中断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成断系统集中装在同一块或数块印刷电路板上所构成的计算机。的计算机。l单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）l单板微型计算机（Single Board Microcomputer）l多板微型计算机（Multi-Board Microc

8、omputer）3.微型计算机系统微型计算机系统:在多板机基础上发展起来的在多板机基础上发展起来的,是高是高层次的微型计算机层次的微型计算机,有齐全的硬件和丰富的软件有齐全的硬件和丰富的软件15微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1微处理器微处理器存储器I/O接口总线 硬件系统软件系统微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机( (主机主机) )外 设ALU寄存器控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪系统软件应用软件16核心级核心级微处理器l微处理器简称微处理器简称CPU，是计算机的核心，是计算机的核心，主要包括：主要包括： 运算器运算器ALU 控制器控制器CU

9、 寄存器组寄存器组Registersl实现运算功能和控制功能实现运算功能和控制功能17硬件系统级硬件系统级微型计算机微型计算机l以微处理器为核心，配上只读存储器以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器读写存储器(RAM)、输入、输入/输出输出(I/O)接口电路及接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。系统总线等部件，就构成了微型计算机。l将将CPU、存储器、存储器、I/O接口、总线等集成在一接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。算机，简称单片机。18系统级系统级l以以微型计算机微型计算机为中心，

10、配以相应的为中心，配以相应的外围设备外围设备以及控制微型计算机工作的以及控制微型计算机工作的软件软件，就构成了，就构成了完整的微型计算机系统。完整的微型计算机系统。l微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机l软件分为系统软件和应用软件两大类。软件分为系统软件和应用软件两大类。19系统软件系统软件:为使用和管理计算机有机器的设计者提为使用和管理计算机有机器的设计者提供的软件供的软件.(1)各种语言和它们的汇编后解释各种语言和它们的汇编后解释,编译程序编译程序(2)机器的监控管理程序机器的监控管理程序(Montitor),调试程序调试程序(Debug),故障检查

11、和诊断程序故障检查和诊断程序(3)程序库程序库:为了扩大计算机的功能为了扩大计算机的功能,机器中设置了各机器中设置了各种标准子程序种标准子程序,子程序的总和就形成了程序库子程序的总和就形成了程序库.(4)操作系统操作系统应用软件应用软件:用户利用计算机以及计算机所提供的各用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件种系统软件,编制解决用户各种实际问题的程序编制解决用户各种实际问题的程序.20微型计算机微型计算机(主机主机)的基本结构的基本结构 “CPU+存储器存储器+I/O接口接口+系统总线系统总线”。微机系统结构微机系统结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备

12、CPU数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/O接口21主机硬件系统CPUl计算机的控制中心，提供运算、判断能力计算机的控制中心，提供运算、判断能力l构成：构成：ALU、CU、Registers例：Intel 8088、PIII、P4 CPU的位数：4位、 8位、 16位、 32位是指一次能处理的数据的位数22主机硬件系统存储器l存放程序和数据的记忆装置存放程序和数据的记忆装置l用途：存放程序和要操作的各类信息用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、。）（数据、文字、图像、。）l内存：内存：ROM、RAMl特点：随机存取，速度快，容量小l外存：磁盘、光盘、半导体盘、

13、外存：磁盘、光盘、半导体盘、l特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大23有关内存储器的几个概念l内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容l内存容量内存容量24内存单元的地址和内容l内存包含有很多存储单元内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进为区分不同的内存单元，计算机对每个内存单元进行编号，行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址内存单元的编号就称为内存单元的地址1 0 1 1 0 1 1 038F04H内存单内存单元地址元地址内存单内存单元内容元内容.7 6 5 4 3 2 1 025内存容量和内存空间l内存单元的个

14、数，以字节为单位。内存单元的个数，以字节为单位。l注意：注意：内存空间内存空间与与内存容量内存容量的区别的区别 内存容量：某微机配置内存容量：某微机配置2条条128MB的的SDRAM内存内存条，内存容量为条，内存容量为256MB 内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关的地址总线宽度有关 26主机硬件系统输入/输出接口l简写为简写为I/O接口，是接口，是CPUCPU与外部设备间的桥梁与外部设备间的桥梁CPUI/O接口接口外设外设27微机的总线结构微机的总线结构BUSl微机的各个部件之间微机的各个

15、部件之间的信息传送和处理器内的信息传送和处理器内部信息的传送，部信息的传送，通过三组不同的总线通过三组不同的总线进行的。进行的。l总线：是连接多个功能部件或多个装置的一总线：是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。组公共信号线。l内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；l外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。l总线包括与数据传输有关的控制逻辑。在计总线包括与数据传输有关的控制逻辑。在计算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。算机系统中，总线应被看成一个独立的部件。28三总线结构三总线结构 l它们是：它们是： 数据总线（数据总线（Dat

16、a Bus -DB）-双向双向 地址总线（地址总线（Address Bus-AB）-单向单向 控制总线（控制总线（Control BusCB）-双向双向 总线是计算机的部件与部件之间传输信息的总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信公共通路，它能分时地发送和接收各部件的信息。息。29数据总线数据总线CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路.是双向是双向,三态的信号线三态的信号线数据总线的位数和处理器的位数相对应数据总线的位数和处理器的位数相对应.数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。30地址总线地址总线l用来传送用来传送CPU输出的地

17、址信号，确定被访问的输出的地址信号，确定被访问的存储单元、存储单元、I/O端口。端口。地址线的根数地址线的根数决定了决定了CPU的寻址范围的寻址范围。 CPU的寻址范围的寻址范围 = 2n， n-地址线根数地址线根数l是单向的,三态信号线 31控制总线控制总线用来传送各种控制信号是双向是双向,三态的信号线三态的信号线,但有的为单向但有的为单向,有的为非三态有的为非三态,取决于具体的信号线取决于具体的信号线.实现实现CPU对存储器对存储器,I/O接口的控制及接收外部传送接口的控制及接收外部传送给给CPU的状态信号的状态信号32微型计算机的主要技术指标微型计算机的主要技术指标 (1)字长字长:参与

18、运算的数的位数参与运算的数的位数.它决定着计算机的内部它决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。有有4位，位，8位，位，16位，位，32位，位，64位等。位等。 (2)主存容量主存容量:主存储器所能存储信息的总量。通常以主存储器所能存储信息的总量。通常以字节数字节数(Byte)来表示。例：内存来表示。例：内存128MB。 (3)运算速度运算速度:有不同的计量方法和测试标准。有不同的计量方法和测试标准。 MIPS(Million Instruction Per Second) (4)平均无故障运行时间平均无故障运行时间(可靠性可靠

19、性) MTBF(Mean Time Between Failures),平均无故平均无故障间隔时间障间隔时间 (5)性能性能/价格比价格比33微处理器的内部结构与基本功能微处理器的内部结构与基本功能 包括以下几个重要部分包括以下几个重要部分：累加器累加器算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元(ALU)状态标志寄存器状态标志寄存器寄存器阵列寄存器阵列指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器定时及各种控制信号的产生电路。定时及各种控制信号的产生电路。3435习题与思考：习题与思考：1微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们各自具有什么结构？采用什么样的结构？各自具有什

20、么结构？采用什么样的结构？2什么是微处理器？什么是微型计算机？什么什么是微处理器？什么是微型计算机？什么是微机系统？它们之间的关系如何？是微机系统？它们之间的关系如何？3. 3. 什么是总线什么是总线, ,总线的分类及它们之间的作用和总线的分类及它们之间的作用和关系关系? ?361.3 常用计数制常用计数制l了解了解l 特点；l 表示方法；l 相互间的转换。37一、常用计数法一、常用计数法 l十进制十进制符合人们的习惯符合人们的习惯l二进制二进制便于物理实现便于物理实现l十六进制十六进制便于识别、书写便于识别、书写l八进制八进制38进位计数制的一般表示进位计数制的一般表示一般地，对任意一个一般

21、地，对任意一个K进制数进制数S都可表示为都可表示为120n 120111( ) nnknmmniiimSSKSKSKSKSKSK Si - S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； K - 基数； Ki - K进制数的权391. 十进制十进制特点：以十为底，逢十进一；特点：以十为底，逢十进一； 共共有有0 0- -9 9十个十个数字符号数字符号。表示：表示：120120111101010101010 nnnnmmniiimDDDDDDD402. 二进制二进制特点：以特点：以2为底，逢为底，逢2进位；进位； 只有只有0和和1两个符号。两个符号。表示：表示：1202n 120111( )2222

22、22nnnmmniiimBBBBBBB 413. 十六进制十六进制特点：以特点：以16为底，逢为底，逢16进位；进位； 有0-9及A-F共16个数字符号。表示：表示：1201n 20111( )16161616161616nnnmmniiimHHHHHHH 42二、各进制数间的转换二、各进制数间的转换1. 非十进制数到十进制数的转换非十进制数到十进制数的转换 按按相应相应进位计数制的权表达式展开，进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。再按十进制求和。 例：例：10110010B10110010B = (?)= (?)1010 13FAH13FAH = (?)= (?)1010432. 十进

23、制到非十进制数的转换十进制到非十进制数的转换l十进制十进制 二进制的转换：二进制的转换：整数部分：除整数部分：除2取余；取余； 小数部分：乘小数部分：乘2取整。取整。l十进制十进制 十六进制的转换：十六进制的转换： 整数部分：除整数部分：除16取余；取余； 小数部分：乘小数部分：乘16取整。取整。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。以小数点为起点求得整数和小数的各个位。443. 二进制与十六进制间的转换二进制与十六进制间的转换l用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十六进制数位十六进制数 例：例： 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8

24、9 . C451.3 二进制数的运算二进制数的运算 无符号数无符号数 算术运算算术运算 有符号数有符号数 逻辑运算逻辑运算46一、无符号数的运算一、无符号数的运算l算术运算算术运算 包括：包括： 加法运算加法运算 减法运算减法运算 乘法运算乘法运算 除法运算除法运算471. 规则规则l加法：加法：1+1=0（有进位）（有进位）, l减法：减法：0-1=1（有借位）（有借位）, l乘法：乘法：, 乘以乘以2相当于左移一位；相当于左移一位； 除法：除法：, 除以除以2则相当于右移则相当于右移1位。位。例：例：001011100000010 = ? 00101110/ /00000010 = ? 4

25、8练习练习：l000010110100=? l000010110100=? 即：商即：商=? 余数余数=?492. 无符号数的表示范围无符号数的表示范围 一个一个n位的无符号二进制数位的无符号二进制数X，其表示范，其表示范围为围为 0 X 2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。若运算结果超出这个范围，则产生溢出。判别方法：判别方法： 运算时，运算时，当最高位向更高位有进位（或当最高位向更高位有进位（或 借位）时则产生溢出借位）时则产生溢出。50例例： 1111111111111111 + 00000001+ 00000001 1 1 00000000 00000000结果超出位（最高位有

26、进位），发生溢结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为出。（结果为256256，超出位二进制数所能，超出位二进制数所能表示的范围表示的范围255255） 513. 逻辑运算逻辑运算l与与()、或、或()、非、非() 、异或、异或()l特点：按位运算，无进借位特点：按位运算，无进借位l运算规则运算规则.524. 逻辑门逻辑门掌握：掌握：l与、或、非门逻辑符号和逻辑关系与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；（真值表）；l与非门、或非门的应用。与非门、或非门的应用。53与门（与门（AND Gate）Y = ABABY000010100111&ABY54或门（或门（OR Gate）Y

27、 = ABABY000011101111YAB1 155非门（非门（NOT Gate）1AYY = AAY011056异或门（异或门（eXclusive OR Gate）Y = ABYABABY00001110111057二、有符号数二、有符号数l计算机中有符号数的表示计算机中有符号数的表示l把二进制数的把二进制数的最高位最高位定义为符号位定义为符号位l符号位为符号位为 0 表示表示正数正数，符号位为，符号位为 1 表示表示负数负数l连同符号位一起数值化了的数，称为连同符号位一起数值化了的数，称为机器数机器数。l机器数所表示的真实的数值，称为机器数所表示的真实的数值，称为真值真值。58例例：

28、+52 = +0110100 = 0 0110100 符号位数值位符号位数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100 真值真值机器数机器数591. 符号数的表示符号数的表示l对于符号数，机器数常用的表示对于符号数，机器数常用的表示方法有方法有原码原码、反码反码和和补码补码三种。三种。数数X的原码记作的原码记作 X 原原，反码记作，反码记作 X 反反，补码记作，补码记作 X 补补。注意：对正数，三种表示法均相同。注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。它们的差别在于对负数的表示。60原码原码X原l定义定义符号位：符号位：0表示正，表示正，1表示负；表示负；

29、数值位：真值的绝对值。数值位：真值的绝对值。61原码的例子原码的例子 =0 0010010 =1 0010010真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码X原X原符号符号位n位原码表示数值的范围是位原码表示数值的范围是对应的原码是对应的原码是1111 0111。() ()nn11212162数数0的原码的原码l8位数位数0的原码：的原码：+0 = 0 0000000 - 0 = 1 0000000 即：数即：数0的原码不唯一。的原码不唯一。63反码反码X反定义定义l 若若X0 ，则则 X反反=X原原l 若若X0， 则则X补补= X反反= X原原l若若X0， 则则X补补=

30、X反反+1-nnnXXXXX 11222 00 -68例例：lX= 52= 0110100 X原原 = 10110100 X反反 = 11001011 X补补 = X反反+1=11001100n位补码表示数值的范围是位补码表示数值的范围是对应的补码是对应的补码是1000 0111。()11221nn690的补码：的补码：l+0补补= +0原原=00000000l-0补补= -0反反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉l+0补补= -0补补= 0000000070特殊数特殊数10000000l该数在原码中定义为：该数在原码中定义为：

31、-0l在反码中定义为：在反码中定义为： -127l在补码中定义为：在补码中定义为： -128l对无符号数：对无符号数：(10000000) = 128718位有符号数的表示范围：位有符号数的表示范围：l对对8位二进制数：位二进制数：l原码： -127 +127l反码： -127 +127l补码： -128 +127l想一想：想一想：16位有符号数的表示范围是多少？位有符号数的表示范围是多少？722. 有符号二进制数与十进制的转换有符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数：对用补码表示的二进制数： 1）求出真值）求出真值 2）进行转换）进行转换73例例：l将一个用补码表示的二进制数转换为

32、十进制数。将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) X补补 = 0 0101110B 真值为：真值为：+0101110B 正数正数 所以：所以：X=+46 2) X补补 = 1 1010010B 负数负数 X = X补补补补 = 11010010补补 = - 0101110B 所以：所以：X = - 46743. 补码加减法的运算规则补码加减法的运算规则l通过引进补码，可将减法运算转换通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：为加法运算。规则如下：X+Y补补=X补补+Y补补 X-Y补补=X补补- Y补补 其中其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。为正负数均可，符号位参与运算

33、。75例例：lX=-0110100，Y=+1110100，求求X+Y补补lX原原=10110100 lX补补= X反反+1=11001100lY补补= Y原原=01110100l所以：所以： X+Y补补= X补补+ Y补补 =11001100+01110100 =01000000764. 符号数运算中的溢出问题符号数运算中的溢出问题l进(借)位l在加法过程中，符号位向更高位产生进位；l在减法过程中，符号位向更高位产生借位。l溢出l运算结果超出运算器所能表示的范围。77溢出的判断方法溢出的判断方法l方法方法：l同号相减或异号相加不会溢出。l同号相加或异号相减可能溢出：l两种情况：两种情况：同号相

34、加时，结果符号与加数符号相反溢出；异号相减时，结果符号与减数符号相同溢出。78溢出的判断方法溢出的判断方法方法：方法：l两个带符号二进制数相加或相减时，若 C7C61， 则结果产生溢出。 C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位。79不带符号数的运算不带符号数的运算l加法：和的绝对值不超过整个字长，不溢出。加法：和的绝对值不超过整个字长，不溢出。l减法：减数变补，再与被减数相加来求得。减法：减数变补，再与被减数相加来求得。l两个不带符号数进行加法运算，最高位有进位两个不带符号数进行加法运算，最高位有进位C,则有溢出，但并不表示错，只是表明给定字则有溢出，但并不表示错，只是表明给定字长无法表示，向更高位有进位而已。长无法表示，向更高位有进位而已。l有有进位，表示两数原码相减无借位，进位，表示两数原码相减无借位，结果为正；结果为正；l无进位，表示两数原码相减有借位，无进位，表示两数原码相减有借位，结果为负。结果为负。80数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示l定点法定点法l浮点法浮点法81十进制数的表示十进制数的表示BCD码l用用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：位二进制数表示一位