微型计算机原理与接口技术(1)

1、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术课程目标课程目标 微机原理与接口技术是工科学生学习和掌握微机硬件知识和汇编微机原理与接口技术是工科学生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，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微语言程序设计的入门课程，课程的任务是使学生从理论和实践上掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。机概念，使学生具有微机系统软硬件开发的初步能力。 目目 录录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 80868086系统结构系统结

2、构第三章第三章 80868086的寻址方式和指令系统的寻址方式和指令系统第四章第四章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第五章第五章 存储器存储器第六章第六章 I/OI/O接口和总线接口和总线第七章第七章 微型计算机中断系统微型计算机中断系统第八章第八章 可编程计数器可编程计数器/ /定时器定时器82538253及其应用及其应用第九章第九章 可编程外围接口芯片可编程外围接口芯片8255A8255A及其应用及其应用第十章第十章 串行通信和可编程接口芯片串行通信和可编程接口芯片8251A8251A第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 世界上第一台现代意义的电

3、子计算机是世界上第一台现代意义的电子计算机是19461946年美国宾夕法尼亚年美国宾夕法尼亚大学设计制造的大学设计制造的ENIACENIAC电子计算机。电子计算机。 电子计算机的发展：电子计算机的发展： 电子管计算机电子管计算机 晶体管计算机晶体管计算机 集成电路计算机集成电路计算机 大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机 电子计算机按其性能分类：电子计算机按其性能分类： 大型计算机大型计算机 中型计算机中型计算机 小型计算机小型计算机 微型计算机微型计算机1.2 1.2 微型计算机系统微型计算机系统 从大型计算机到微型计算机，其基本结构属于冯从大型计算机到微型计算机，其基本结构属于冯诺依曼

4、型计算诺依曼型计算机。它包括运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备机。它包括运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5 5个组成部个组成部分，基本工作原理是存储器存储程序控制的原理。原始的冯分，基本工作原理是存储器存储程序控制的原理。原始的冯诺依曼诺依曼机结构上以运算器和控制器为中心，随着计算机系统的发展，演化为机结构上以运算器和控制器为中心，随着计算机系统的发展，演化为以存储器为中心的结构。以存储器为中心的结构。 一、微型计算机一、微型计算机1.1.微型计算机微型计算机 微型计算机由微处理器，存储器，输入输出接口电路和系统总线微型计算机由微处理器，存储器，输入输出接口电路和系统总线组成

5、。组成。 微处理器是计算机系统的核心，也称微处理器是计算机系统的核心，也称CPU(CPU(中央处理器中央处理器) )。它主要完。它主要完成成(1)(1)从存储器中取指令，指令译码；从存储器中取指令，指令译码；(2)(2)简单的算术逻辑运算；简单的算术逻辑运算；(3)(3)在在处理器和存储器或者处理器和存储器或者I IO O之间传送数据；之间传送数据；(4)(4)程序流向控制等。程序流向控制等。 存储器分为随机存储器存储器分为随机存储器RAMRAM和只读存储器和只读存储器ROMROM，存储器主要用来存放，存储器主要用来存放程序和数据。程序和数据。CPUCPU从存储器中读取指令，通过指令译码，执行

6、相应的操从存储器中读取指令，通过指令译码，执行相应的操作，必要时再从存储器或作，必要时再从存储器或I IO O设备中取操作数，指令执行结果送入存设备中取操作数，指令执行结果送入存储器或储器或l/Ol/O设备。程序执行结束，任务完毕。设备。程序执行结束，任务完毕。 输入输入/ /输出接口电路用于将外部设备与输出接口电路用于将外部设备与CPU(CPU(或存储器或存储器) )相连接，它相连接，它们之间进行信息传送时，使之在信息的格式、电平、速度上得到匹配。们之间进行信息传送时，使之在信息的格式、电平、速度上得到匹配。 总线将总线将CPUCPU、存储器及、存储器及I/OI/O接口电路相连接，是负责在接

7、口电路相连接，是负责在CPUCPU与存储与存储器和器和I/OI/O之间传送地址，数据和控制信息的公共通道。有三种传送信之间传送地址，数据和控制信息的公共通道。有三种传送信息的总线：地址总线，数据总线和控制总线。息的总线：地址总线，数据总线和控制总线。 微型计算机已具有运算功能，能独立执行程序，但若没有输入微型计算机已具有运算功能，能独立执行程序，但若没有输入输出设备，数据及程序不能输入，运算结果无法显示或输出，仍不能输出设备，数据及程序不能输入，运算结果无法显示或输出，仍不能正常工作，因此必须构成一个微型计算机系统才能提供使用。正常工作，因此必须构成一个微型计算机系统才能提供使用。2.2.微型

8、计算机系统微型计算机系统 以微型计算机为主体，配上外部输入输出设备及系统软件就构以微型计算机为主体，配上外部输入输出设备及系统软件就构成了微型计算机系统。成了微型计算机系统。 没有配置软件的计算机称为裸机，仍然什么工作也不能做，必须没有配置软件的计算机称为裸机，仍然什么工作也不能做，必须配置系统软件和应用软件。配置系统软件和应用软件。3.3.微处理器微处理器 微处理器是一个中央处理器微处理器是一个中央处理器CPUCPU，由算术逻辑部件，由算术逻辑部件ALUALU，累加器和，累加器和寄存器组，指令指针寄存器寄存器组，指令指针寄存器IP(IP(程序计数器程序计数器) )，段寄存器，时序和控制，段寄

9、存器，时序和控制逻辑部件，内部总线等组成。逻辑部件，内部总线等组成。 其中算术逻辑部件其中算术逻辑部件ALUALU主要完成算术运算及逻辑运算。数据寄存器主要完成算术运算及逻辑运算。数据寄存器和变址及指针寄存器用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。指和变址及指针寄存器用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。指令指针寄存器令指针寄存器IPIP指向要执行的下一条指令的偏移地址，顺序执行指令指向要执行的下一条指令的偏移地址，顺序执行指令时，每取一条指令增加相应计数。段寄存器给出存储单元的段地址，时，每取一条指令增加相应计数。段寄存器给出存储单元的段地址，与偏移地址组成与偏移地址组成2020位物理地址

10、对存储器寻址。标志位寄存位物理地址对存储器寻址。标志位寄存PSW(PSW(或或flag)flag)存放算术与逻辑运算结果的状态，如溢出、符号、进位等，这些状态存放算术与逻辑运算结果的状态，如溢出、符号、进位等，这些状态位可作为转移指令的控制。位可作为转移指令的控制。 控制逻辑部件负责对整机的控制：包括从存储器中取指令，对指控制逻辑部件负责对整机的控制：包括从存储器中取指令，对指令进行译码和分析，发出相应的控制信号和时序，将控制信号和时序令进行译码和分析，发出相应的控制信号和时序，将控制信号和时序送到微型计算机的相应部件，使送到微型计算机的相应部件，使CPU内部及外部协调工作。内部及外部协调工作

11、。 微处理器不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须微处理器不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上存储器，外部输入配上存储器，外部输入/ /输出接口构成一台微型计算机方能工作。输出接口构成一台微型计算机方能工作。二、存储器二、存储器 存储器用来存储程序和数据。存储器一般分为两大类，内部存储存储器用来存储程序和数据。存储器一般分为两大类，内部存储器器( (内存或主存内存或主存) )和外部存储器和外部存储器( (外存外存) )。内存存放当前正在使用或经常。内存存放当前正在使用或经常使用的程序和数据，使用的程序和数据，CPUCPU可以直接访问；外存存放可以直接访问；外存存放“海

12、量海量”数据，相数据，相对来说不经常使用，对来说不经常使用，CPUCPU使用时要先调入内存。此外，外存总是和外使用时要先调入内存。此外，外存总是和外部设备相关的。部设备相关的。 1.1.内部存储器内部存储器 内部存储器主要是半导体存储器，主存储器分为随机存取存储器内部存储器主要是半导体存储器，主存储器分为随机存取存储器RAMRAM和只读存储器和只读存储器ROMROM。 RAMRAM可以随机读写，断电后存储内容消失。可以随机读写，断电后存储内容消失。RAMRAM又分为动态又分为动态RAM(Dynamic RAM)RAM(Dynamic RAM)和静态和静态RAM(Static RAM)RAM(S

13、tatic RAM)。DRAMDRAM的特点是高密度，的特点是高密度，但存取速度慢。它用但存取速度慢。它用MOSMOS电路和电容作为存储单元，由于电容放电要电路和电容作为存储单元，由于电容放电要定时对其充电，称为刷新。定时对其充电，称为刷新。SRAMSRAM用双极型电路或用双极型电路或MOSMOS电路组成触发器电路组成触发器作存储单元，不需要刷新，作存储单元，不需要刷新，SRAMSRAM的特点是高速度，但存储容量小。的特点是高速度，但存储容量小。 ROMROM只能读出已存储的内容，不能写入，已存储的内容由厂家或只能读出已存储的内容，不能写入，已存储的内容由厂家或用户预先用设备写入，因此是非易失

14、性的。用户预先用设备写入，因此是非易失性的。ROMROM又可分成可编程只读又可分成可编程只读存储器存储器PROM(Programmable Read Only Memory)PROM(Programmable Read Only Memory)、可擦除可编程只读、可擦除可编程只读存储器存储器EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)和和EEPROMEEPROM。PROMPROM是厂家根据用户需求将芯片内二极管烧断而存储其内容，一般是是厂家根据用户需求将芯片内

15、二极管烧断而存储其内容，一般是固化程序用。固化程序用。EPROMEPROM或或EEPROMEEPROM用设备写人内容后，可由紫外光照或电用设备写人内容后，可由紫外光照或电擦除其内容，芯片可反复使用。擦除其内容，芯片可反复使用。 高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache是存储空间较小、存取速度较高的一种存是存储空间较小、存取速度较高的一种存储器，它位于储器，它位于CPUCPU和主存之间。和主存之间。CPUCPU对程序和数据的访问有局部性，对程序和数据的访问有局部性，CacheCache中存放了处理机经常使用的程序和数据，使中存放了处理机经常使用的程序和数据，使CPUCPU可快速从可快速从

16、CacheCache中读写所需的指令和数据，减少了访问主存的次数，提高了整个处理中读写所需的指令和数据，减少了访问主存的次数，提高了整个处理机的性能。机的性能。 2.2.外部存储器外部存储器 外部存储器主要是磁记录存储器，典型的有软盘、硬盘。外部存储器主要是磁记录存储器，典型的有软盘、硬盘。3.3.存储器组织存储器组织 微型计算机中物理存储器系统随着微机系统而有不同配置。微型计算机中物理存储器系统随着微机系统而有不同配置。4.4.存储器性能指标存储器性能指标 存储器性能指标主要用存储容量、存取速度来衡量。存储容量指存储器性能指标主要用存储容量、存取速度来衡量。存储容量指存储器有多少个存储单元，

17、基本存储单元为位存储器有多少个存储单元，基本存储单元为位(bit)(bit)，一般以字节，一般以字节(Byte)(Byte)或字或字(Word)(Word)来计算，常用的单位为来计算，常用的单位为KB(1024Byte)KB(1024Byte)，MB(1024KB)MB(1024KB)，GB(1024MB)GB(1024MB)和和TB(1024GB)TB(1024GB)。存取速度是指从存储器中读出数据或数据。存取速度是指从存储器中读出数据或数据写入存储器所需要的时间。包括写入存储器所需要的时间。包括CPUCPU给出存储器地址，存储器的选通给出存储器地址，存储器的选通信号和读写信号到存储单元数据

18、读出或写入一次，存储器恢复阶段信号和读写信号到存储单元数据读出或写入一次，存储器恢复阶段等时间的总和。等时间的总和。三、三、I/OI/O接口接口 输入输出接口电路用于输入输出接口电路用于CPU(CPU(或存储器或存储器) )与外设之间的信息交换。与外设之间的信息交换。由于外设种类繁多，这些设备与由于外设种类繁多，这些设备与CPUCPU之间的工作速度不同，信号电平之间的工作速度不同，信号电平不同，数据格式不同，因此要配备不同的不同，数据格式不同，因此要配备不同的I IO O接口电路来辅助接口电路来辅助CPUCPU工工作，实现作，实现CPUCPU与外设之间的速度匹配，信号电平匹配，信号格式匹配，与

19、外设之间的速度匹配，信号电平匹配，信号格式匹配，时序控制，中断控制等。时序控制，中断控制等。 四、总线四、总线 在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。各个部件面向总线系统功计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。各个部件面向总线系统功能扩展时，只要符合总线标准，部件就可以加入到系统中去。能扩展时，只要符合总线标准，部件就可以加入到系统中去。 1.1.总线标准的特性：总线标准的特性： 物理特性物理特性 功能特性功能特性 电器特性电器特性 时间特性时间特性2.2.总线分类总线分类从

20、总线的不同使用层次可以分为以下几类：从总线的不同使用层次可以分为以下几类：1 1）内部总线：内部总线是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。）内部总线：内部总线是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。 2 2）元件级总线：元件级总线是连接计算机系统中两个主要部件的总线。）元件级总线：元件级总线是连接计算机系统中两个主要部件的总线。元件级总线包括地址总线元件级总线包括地址总线(AddressBus)(AddressBus)，数据总线，数据总线(DataBus)(DataBus)和控制总和控制总线线(ControlBus)(ControlBus)三种。三种。3 3）系统总线：系统总线是微处理机

21、机箱内的底板总线，用来连接构成）系统总线：系统总线是微处理机机箱内的底板总线，用来连接构成微处理机的各个插件板。微处理机的各个插件板。4 4）外部总线：外部总线用于微处理机系统与系统之间，系统与外部设）外部总线：外部总线用于微处理机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。备之间的信息通路。 3.3.总线结构总线结构 随着微型计算机的发展，总线的结构从面向系统的单总线结构发展随着微型计算机的发展，总线的结构从面向系统的单总线结构发展到面向存储器的双总线结构：到面向存储器的双总线结构：（1 1）单总线结构）单总线结构（2 2）面向）面向CPUCPU的双总线结构的双总线结构（3 3）面向主存储

22、器的双总线结构）面向主存储器的双总线结构五、微型计算机的性能指标五、微型计算机的性能指标(1)(1)主频：主频是指微型计算机中主频：主频是指微型计算机中CPUCPU的时钟频率，微机运行的速度与主的时钟频率，微机运行的速度与主频有关。频有关。(2)(2)字长：字长指微型计算机能够直接处理的二进制数的位数，字长越字长：字长指微型计算机能够直接处理的二进制数的位数，字长越长运算精度越高，功能越强，目前微机字长以长运算精度越高，功能越强，目前微机字长以3232位为主。位为主。(3)(3)内存容量：内存容量指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量内存容量：内存容量指微机存储器能存储信息的字节数，内存容量

23、越大，能存储信息越多，信息处理能力越强。越大，能存储信息越多，信息处理能力越强。(4)(4)存取周期：存取周期是指主存储器完成一次读写所需的时间，存取存取周期：存取周期是指主存储器完成一次读写所需的时间，存取时间越短，存取速度越快，整机的运算速度越高。存取周期与主存储器时间越短，存取速度越快，整机的运算速度越高。存取周期与主存储器指标有关。指标有关。 (5)(5)运算速度：运算速度指微机每秒所能执行的指令条数，单位用运算速度：运算速度指微机每秒所能执行的指令条数，单位用MIPS MIPS (MillionInstructionPerSecond)(MillionInstructionPerSe

24、cond)，即百万条指令，即百万条指令/ /秒。执行不同类型的秒。执行不同类型的指令所需时间不同，因此使用各种指令的平均执行时间及相应运行指令指令所需时间不同，因此使用各种指令的平均执行时间及相应运行指令的比例计算，作为衡量运算速度的标准。的比例计算，作为衡量运算速度的标准。1.3 1.3 计算机数据格式计算机数据格式一、数制一、数制1.1.几种数制的表示几种数制的表示2.2.其它数制转换到十进制其它数制转换到十进制3.3.十进制转换成其它进制十进制转换成其它进制4.4.二进制编码的十六进制二进制编码的十六进制二、计算机数据格式二、计算机数据格式1.1.补码补码 计算机中的数用二进制表示，数的

25、符号也用二进制表示，一般用最计算机中的数用二进制表示，数的符号也用二进制表示，一般用最高有效位来表示数的符号，高有效位来表示数的符号，0 0表正数，表正数，1 1表示负数。将一个数与符号用数表示负数。将一个数与符号用数值化表示，这样的数称为机器数。机器数的字长由计算机字长决定，也值化表示，这样的数称为机器数。机器数的字长由计算机字长决定，也就是决定了机器数的表示范围。就是决定了机器数的表示范围。8 8位字长可以表示位字长可以表示256256个数，对无符号数，个数，对无符号数， 取数范围为取数范围为0255(0FFH)；对有符号数，取数范围为；对有符号数，取数范围为128127 (80H7FH)

26、。16位字长的微机，无符号数的取数范围为位字长的微机，无符号数的取数范围为065535(0FFFFH)，有符号数的取数范围为，有符号数的取数范围为3276832768(8000H7FFFH)。 机器数可以用原码，补码和反码表示，常用的是补码表示法。机器数可以用原码，补码和反码表示，常用的是补码表示法。 补码表示法中正数补码表示法中正数X采用符号绝对值表示，即数的最高有效位为采用符号绝对值表示，即数的最高有效位为0，其，其余部分用数的绝对值。负数余部分用数的绝对值。负数X用用 表示，表示，n为机器字长。求负数补为机器字长。求负数补码的简单方法是将此数对应的正数原码写出，再按位求反得到反码，反码的

27、简单方法是将此数对应的正数原码写出，再按位求反得到反码，反码加码加1得到补码。得到补码。 2.BCD码码 二进制编码的十进制二进制编码的十进制(BCD)(BCD)是将十进制数的每一位以二进制数编码是将十进制数的每一位以二进制数编码方式表示，十进制的方式表示，十进制的0 09 9分别用分别用BCDBCD数的数的00000000到到10011001表示，而不是整个表示，而不是整个十进制数转换成二进制形式。十进制数转换成二进制形式。BCDBCD码有压缩和非压缩两种形式。压缩码有压缩和非压缩两种形式。压缩BCBC数据以每字节数据以每字节2 2个数字的形式存储，非压缩个数字的形式存储，非压缩BCDBCD

28、数据以每字节数据以每字节l l位数字的位数字的形式存储。压缩形式存储。压缩BCDBCD数据常用于微处理机指令系统中的某些指令，例如数据常用于微处理机指令系统中的某些指令，例如BCDBCD加法和减法。加法和减法。 X2 n3.ASCII3.ASCII码码 计算机中的字符，字符串，在机器中必须用二进制数来表示，另计算机中的字符，字符串，在机器中必须用二进制数来表示，另外从键盘输入的信息（数字或字符）或显示输出的信息都是以字符的外从键盘输入的信息（数字或字符）或显示输出的信息都是以字符的方式输入输出的。方式输入输出的。4.4.数据类型数据类型 计算机中存储的数据类型有字节计算机中存储的数据类型有字节

29、(Byte)(Byte)，字，字(Word)(Word)，双字，双字(double (double word)word)等。一个字节为等。一个字节为8 8位二进制数，字节数据以无符号和有符号的整数位二进制数，字节数据以无符号和有符号的整数形式存储。一个字为形式存储。一个字为1616位二进制数，由两个字节组成，双字数据有位二进制数，由两个字节组成，双字数据有4 4个个字节，为字节，为3232位二进制数。用汇编语言定义字节，字，双字数据时，分别位二进制数。用汇编语言定义字节，字，双字数据时，分别用伪指令用伪指令DBDB，DWDW，DDDD定义。在存储器中存放时，最低有效字节存放在低定义。在存储器中

30、存放时，最低有效字节存放在低地址存储单元中，高有效位存放在高地址存储单元中。地址存储单元中，高有效位存放在高地址存储单元中。 5.5.浮点数浮点数 计算机中小数点的表示有定点和浮点两种。定点的小数点固定在最计算机中小数点的表示有定点和浮点两种。定点的小数点固定在最高位的最右边或最低位的最右边。在高位的最右边或最低位的最右边。在3232位字长的计算计中，用浮点数来位字长的计算计中，用浮点数来表示。浮点数包括符号位表示。浮点数包括符号位S S，尾数（有效小数）和指数（阶）。，尾数（有效小数）和指数（阶）。4 4字节的字节的浮点数为单精度，浮点数为单精度，8 8字节的浮点数为双精度。如下图所示：字节的浮点数为双精度。如下图所示： 其中图其中图(a)(a)为单精度格式，包括一个符号位，为单精度格式，包括一个符号位，8