微机原理与应用第1章1节2012SGQ

1、1 教学安排教学安排 教材教材:微型计算机微型计算机原理原理 主编主编:王忠民王忠民 出版社出版社:西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 理论学时理论学时:64学时学时 实验学时实验学时:16学时学时 微机原理及应用教学辅导与习题解析微机原理及应用教学辅导与习题解析2微机原理及应用微机原理及应用-课程内容课程内容章节目录章节目录计划学时计划学时第第1 1章章 微型计算机系统导论微型计算机系统导论 2 2第第2 2章章 计算机中的数制和编码计算机中的数制和编码 2 2第第3 3章章 80808686微处理器微处理器 8 8第第4 4章章 8086指令系统指令系统 1212第第5 5章章

2、汇编语言程序设计汇编语言程序设计 10+1010+10第第6 6章章 半导体存储器半导体存储器 6 6第第7 7章章 输入输出与中断输入输出与中断 8259A 5+8+25+8+2第第8 8章章 可编程接口芯片及应用（可编程接口芯片及应用（ 8255 、8253）5+4+45+4+4习题课习题课 2 23微机原理及应用微机原理及应用- -课程特点课程特点专业技术基础课专业技术基础课硬件系列课程之一硬件系列课程之一 计算机组成原理 微机原理及应用 计算机体系结构指定必修课指定必修课 以技术为主 面向应用 软硬件相结合4微机原理及应用微机原理及应用- -先修课程先修课程数字逻辑数字逻辑 提供硬件基

3、础计算机组成原理计算机组成原理 确立计算机部件功能 掌握计算机工作原理高级语言程序设计高级语言程序设计掌握基本程序设计5n成绩考核方式和及格标准：成绩考核方式和及格标准：n平时成绩占平时成绩占30%，其中实验占，其中实验占10%，作业、考勤占，作业、考勤占20%n（3次次缺席或实验成绩或作业考勤不合格者取消考试资格）缺席或实验成绩或作业考勤不合格者取消考试资格）n期末考试成绩占期末考试成绩占70%n及格标准：出勤率达到要求，总成绩在及格标准：出勤率达到要求，总成绩在60分以上。分以上。n对学生学习本课程的要求对学生学习本课程的要求n按时上课，注意听讲并做笔记。按时上课，注意听讲并做笔记。n课后

4、及时复习，课后及时复习，独立按时完成独立按时完成作业。作业。n认真独立做实验，实验前写预习报告，实验中完成实验报告。认真独立做实验，实验前写预习报告，实验中完成实验报告。严禁抄袭作业、实验报告，抄袭与没交同等记录，并取消批改资格。严禁抄袭作业、实验报告，抄袭与没交同等记录，并取消批改资格。因病、事等不能上课的要求因病、事等不能上课的要求事先请假事先请假并有并有相应诊断相应诊断，取得任课教师批准取得任课教师批准。（不。（不可抗拒因素除外）可抗拒因素除外）杜绝迟到，早退，上课讲话，吃东西，打电话，发短信等不良行为。杜绝迟到，早退，上课讲话，吃东西，打电话，发短信等不良行为。6微机原理及应用微机原理

5、及应用- -网站资源网站资源 钱晓捷之微服网钱晓捷之微服网 http:/ 微机原理远程教学微机原理远程教学 0/caicomputer/0/caicomputer/ 罗云彬的编程乐园罗云彬的编程乐园 http:/http:/ Art of Assembly Language ProgrammingArt of Assembly Language Programming 7时间：时间：20128月月27日（第一周周一）日（第一周周

6、一）本次课内容：本次课内容：1、为什么要学习微机原理及应用（计算机的发展、计算机的应用）。、为什么要学习微机原理及应用（计算机的发展、计算机的应用）。2、计算机的组成和基本概念。、计算机的组成和基本概念。本次课重点：本次课重点：1、微处理器、微型计算机、总线的组成。、微处理器、微型计算机、总线的组成。2、位、字节、字、字长、内存容量、内存单元地址的概念。、位、字节、字、字长、内存容量、内存单元地址的概念。8第1章 微型计算机系统导论 1.1 引言引言 1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统1.4 微型计算机软件系统微型计算机软件系统 1.5 微型计

7、算机的工作过程微型计算机的工作过程 91.1.了解微机发展概况、熟悉典型微处理器和微机了解微机发展概况、熟悉典型微处理器和微机系统系统2.2. 了解微机的硬件组成，理解总线及其应用特点、了解微机的硬件组成，理解总线及其应用特点、掌握地址、数据、控制总线的概念掌握地址、数据、控制总线的概念第第1 1章教学要求章教学要求101.11.1前言前言n微机原理微机原理是一门专业基础课。是一门专业基础课。1.1 引言引言11计算机的应用计算机的应用 (1).数据处理数据处理 (2).办公自动化办公自动化 (3).计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD) (4).科学计算科学计算 (5).实时控制实时控制 (

8、6).人工智能人工智能 1.1 引言引言12 微型计算机属于第四代计算机，是二十世纪微型计算机属于第四代计算机，是二十世纪70年代初期研年代初期研制成功的。制成功的。 微处理器微处理器(MicroProcessor)是微型计算机的核心芯片，也被是微型计算机的核心芯片，也被称为中央处理单元，简称为称为中央处理单元，简称为CPU(Central Processing Unit)。 1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况13微处理器（微处理器（CPU）1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况14一、计算机的发展历程计算机的发展历程 n1946年在美国宾夕法尼亚大学，年在美国宾夕法尼亚大学，J.W.

9、Mauchley及及J.P.Eckert等人合作等人合作研制成功世界上第一台由程序控制的电研制成功世界上第一台由程序控制的电子计算机子计算机ENIAC(Electronic Numcrical Integrator And Calculator)。 1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况151946年年2月由宾夕大学月由宾夕大学研制成功的研制成功的ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机:重达重达30吨吨:占地占地170m2:18000个电子管个电子管:保存保存80个字节个字节1.2 计算机的发

10、展概况计算机的发展概况16两位发明人莫奇来和爱克特两位发明人莫奇来和爱克特ENIAC使用的电子管使用的电子管1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况171.2 计算机的发展概况计算机的发展概况 第第1 1代代：4 4位和低档位和低档8 8位微机位微机u 400440408008400440408008 40044004（4 4位位CPUCPU）及）及8 8位位CPU 8008CPU 8008。PMOSPMOS工艺，工艺，20002000只晶体管只晶体管/ /片。片。指令系统简单，运算能力差，速度慢。指令系统简单，运算能力差，速度慢。软件主要使用机器语言及简单的汇编语言编写。软件主要使用机器语言

11、及简单的汇编语言编写。18Intel4004和采用和采用4004的计算器的计算器1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况19 第第2 2代代：中高档：中高档8 8位微机位微机u Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800，Apple-IIApple-II微机微机 8080 CPU8080 CPU、Z80 CPUZ80 CPU、8085CPU8085CPU。8 8位微处理器，位微处理器，1616位地址总线。位地址总线。NMOSNMOS工艺，工艺，90009000只晶体管只晶体管/ /片。片。1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况20Apple微型计算机微型计算机Apple-IAp

12、ple-II1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况21 第第3 3代代：1616位微机位微机u 80868088802868086808880286，IBM PCIBM PC系列机系列机1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况22IBM PC系列机系列机8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机16位位IBM PC系列机是系列机是32位微机的基础位微机的基础1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况23 第第4 4代：代：3232位微机位微机u 80386804868038680486u 3232位位PCPC机、机、MacintoshMacintosh机、机、P

13、S/2PS/2机机 3232位微处理器芯片位微处理器芯片8038680386，地址总线也为，地址总线也为3232位。位。8048680486，地址总线仍然为，地址总线仍然为3232位。位。1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况24 第第5 5代代：6464位微机位微机u ItaniumItanium、6464位微处理器芯片位微处理器芯片u 微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站u Pentium(Pentium(奔腾，奔腾，Intel 586) Intel 586) 。u 数据总线为数据总线为6464位，地址总线为位，地址总线为3636位。位。1.2 计算机的发

14、展概况计算机的发展概况25英特尔微处理器芯片英特尔微处理器芯片80386Pentium1.2 计算机的发展概况计算机的发展概况261.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统软软 件件硬硬 件件27 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统图图1.1 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成硬件硬件微型机系统微型机系统外围设备外围设备过程控制过程控制I/O通道通道A/D,D/A转换器转换器开关量等开关量等外部设备外部设备键盘、鼠标等输入设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备显示器、打印机等输出设备 硬盘、光盘、硬盘、光盘、U盘等外存储器盘等外存储器主主 机机输入输出输入输出(I/

15、O)接口电路接口电路微处理器微处理器(CPU)运算器运算器(算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU)控制器控制器(控制单元控制单元CU)寄存器阵列寄存器阵列(RA)内存储器内存储器RAM, ROM, EPROMEEPROM, Cache等等系统软件系统软件软件软件用户（应用）软件用户（应用）软件28冯冯诺依曼的体系结构，基本设计思想：诺依曼的体系结构，基本设计思想： 以二进制形式表示指令和数据。以二进制形式表示指令和数据。 程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。够高速地从存储器中取出指令加以执行。 由运算

16、器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机硬件系统。五大部件组成计算机硬件系统。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统29定时电路微处理器(CPU)RAMROMI/O接口输出设备输入设备数据总线(DB)控制总线(CB)地址总线(AB)图图1.2 微型计算机硬件系统结构微型计算机硬件系统结构 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统30运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线 输入输出输入输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计

17、算机系统1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统31所谓所谓总线总线，是指计算机中各功能部件间传送信息的公共是指计算机中各功能部件间传送信息的公共通道通道。(1) 地址总线地址总线AB(Address Bus)：在对存储器或：在对存储器或I/O端口进端口进行访问时，传送由行访问时，传送由CPU提供的要访问存储单元或提供的要访问存储单元或I/O端口的地端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口。端口。AB是单向是单向总线。总线。(2) 数据总线数据总线DB(Data Bus)：从存储器取指令或读写操作：从存储器取指令或读写操作数，对数，对I/O端口

18、进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往总线送往CPU或由或由CPU送出。送出。DB是双向总线。是双向总线。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统32(3) 控制总线控制总线CB(Control Bus)：各种控制或状态信息通：各种控制或状态信息通过控制总线由过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定中每根线的传送方向是一定的，图的，图1.2中中CB作为一个整体，作为一个整体，用双向表示。用双向表示。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统33系统主板系统

19、主板1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统34图图1.3所示为一个简化的微处理器模型所示为一个简化的微处理器模型(虚线框内虚线框内)，它，它由运算器由运算器(ALU)、控制器、控制器(CU)和内部寄存器和内部寄存器(R)三部分组三部分组成。现将各部件的功能简述如下。成。现将各部件的功能简述如下。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统354001H4002H4003H4004H4005HE7H34HA5H62H38H标志寄存器APCARPLAIDIRDRRA微处理器(CPU)内部数据总线DB至外部CB外部DB外部AB存储器地址单元内容ALU图图1.3 微处理器结构微处理器结构 1.

20、3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统361运算器运算器运算器又称运算器又称算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。参加运算的用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。参加运算的两个操作数一个来自累加器两个操作数一个来自累加器A(Accumulator)，另一个来自内，另一个来自内部数据总线。部数据总线。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统372控制器控制器控制器又称控制器又称控制单元控制单元(CU，Control Unit)，是全机的指挥，是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分

21、析控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令。控制器中包括后向全机发出取数、执行、存数等控制命令。控制器中包括以下几部分：以下几部分：(1) 指令寄存器指令寄存器IR(Instruction Register)：用来存放从存储：用来存放从存储器取出的将要执行的指令码。当执行一条指令时，先把它从器取出的将要执行的指令码。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据缓冲寄存器内存取到数据缓冲寄存器DR中，然后再传送到指令寄存器中，然后再传送到指令寄存器IR中。中。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统38(2) 指令译码器指令译码器ID(Instr

22、uction Decoder)：用来对指令寄：用来对指令寄存器存器IR中的指令操作码字段中的指令操作码字段(指令中用来说明指令功能的字段指令中用来说明指令功能的字段)进行译码，以确定该指令应执行什么操作。进行译码，以确定该指令应执行什么操作。(3) 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线并经过控制总线CB送往有关部件，从而使计算机完成相应的送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。操作。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件

23、系统393内部寄存器内部寄存器1) 程序计数器程序计数器PC(Program Counter)程序计数器有时也被称为指令指针程序计数器有时也被称为指令指针(IP，Instruction Pointer)，它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地，它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址。址。 2) 地址寄存器地址寄存器AR(Address Register)地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址寄存器用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。地址。 3) 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DR(Data Register)数据缓冲寄存器用来暂时存放指令或数据数据缓冲寄存器用

24、来暂时存放指令或数据。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统404) 累加器累加器A(Accumulator)累加器是使用最频繁的一个寄存器。在执行算术逻辑运累加器是使用最频繁的一个寄存器。在执行算术逻辑运算时，它用来存放一个操作数，而运算结果通常又放回累加算时，它用来存放一个操作数，而运算结果通常又放回累加器，其中原有信息随即被破坏。因此，顾名思义，累加器是器，其中原有信息随即被破坏。因此，顾名思义，累加器是用来暂时存放用来暂时存放ALU运算结果的。运算结果的。 5) 5) 标志寄存器标志寄存器FLAGS(Flag Register)FLAGS(Flag Register)标志寄存器有

25、时也称为程序状态字标志寄存器有时也称为程序状态字(PSW(PSW，Program Program Status Word)Status Word)。它用来存放执行算术运算指令、逻辑运算指。它用来存放执行算术运算指令、逻辑运算指令或测试指令后建立的各种状态码内容以及对令或测试指令后建立的各种状态码内容以及对CPUCPU操作进行操作进行控制的控制信息。控制的控制信息。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统416) 寄存器阵列寄存器阵列RA(Register Array)寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM。微处。微处理器内部有了这些寄存器后，就可避免

26、频繁访问存储器，理器内部有了这些寄存器后，就可避免频繁访问存储器，缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，方缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，方便程序设计。便程序设计。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统42在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二位二进制代码作为一个字节进制代码作为一个字节。 为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储每个存储单元分别赋予一个编号，

27、称为地址单元分别赋予一个编号，称为地址。 如图如图1.4所示，地址为所示，地址为4005H的存储单元中存放了一个的存储单元中存放了一个8位位二进制信息二进制信息00111000B。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统1.3.3 存储器存储器43E7H34HA5HF2H38H指令或数据内容地址0 0 1 1 1 0 0 04001H4002H4003H4004H4005H图图1.4 内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容 存储器存储器1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统441基本概念基本概念(1) 位位(Bit)：二进制信息的最小单位：二进制信息的最小单位(0或或1)。(2)

28、字节字节(Byte)：由：由8位二进制数组成，可以存放在一个位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。字节是字的基本组成单位存储单元中。字节是字的基本组成单位。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统45(3) 字字(Word)：计算机中作为一个整体来处理和运算的：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。一组二进制数，是字节的整数倍。每个字包括的位数称为计每个字包括的位数称为计算机的算机的字长字长，是计算机的重要性能指标。目前为了表示方便，是计算机的重要性能指标。目前为了表示方便，常把一个常把一个字字定义为定义为16位位，把一个，把一个双字双字定义为定义为32位。

29、位。(4) 内存容量内存容量：内存中存储单元的总数。通常以字节为：内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，单位，1024(210)字节记作字节记作1 KB，220字节记作字节记作1 MB。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统46(5) 内存单元地址内存单元地址：为了能识别不同的单元，每个单元：为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称为内存单元地址。都赋予一个编号，这个编号称为内存单元地址。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统472. 内存的操作内存的操作CPU对内存的操作有两种：对内存的操作有两种：读或写读或写。读操作读操作是是CPU将内存单元的内容将内存单元

30、的内容读入读入CPU内部。内部。写操作写操作是是CPU将其内部信息送到内存单元将其内部信息送到内存单元保存保存起来。起来。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统483内存的分类内存的分类按工作方式，内存可分为两大类：按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器随机读写存储器RAM(Random Access Memory) 只读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory)。1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统491.3.4 I/O接口与输入接口与输入/输出设备输出设备I/O接口接口是微型计算机与输入是微型计算机与输入/输出设备之间输出设备之间信息交换的信息交换的桥梁

31、。桥梁。分为输入设备和输出设备。分为输入设备和输出设备。 输入设备输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、有键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换转换器等。器等。 输出设备输出设备有显示器、打印机、绘图仪、有显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。转换器等。 1.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统501.4 微型计算机软件系统微型计算机软件系统 所谓所谓软件软件，就是为了管理、维护计算机以及为完成用户，就是为了管理、维护计算机以及为完成用户的某种特定任务而编写的的某种特定任务而编写的各种程序的总和各种程序的总和。微型计算机的软件包括微型计算机的软件包括系统软件系统软件和和用户用户(应用

32、应用)软件软件。 51自学内容自学内容1.1.微型计算机软件系统微型计算机软件系统2.2.微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程( (取指令的操作过程和执行指令的操取指令的操作过程和执行指令的操作过程作过程) )实验软件实验软件52 存储容量的表达存储容量的表达u 比特比特b b（二进制（二进制1 1位）位）u 字节字节B B （二进制（二进制8 8位）位）u 1KB1KB2 21010B B1024B1024Bu 1MB1MB2 22020B B、1GB1GB2 23030B B 进制的表示进制的表示u 二进制数用二进制数用B B或或b b结尾结尾u 十进制数可不用结尾字母，十进制数可不用结尾字母，u 也可用也可用D D或或d d结尾结尾u 十六进制数用十六进制数用H H或或h h结尾结尾为下一章学习作准备为下一章学习作准备53【习题习题1 1】将十进制整数