微机原理与接口技术第一章

1、微机原理及接口技术微机原理与接口技术微机原理与接口技术 Microcomputer Principle and Interfacing Technology主讲：张建正主讲：张建正微机原理及接口技术z 学校精品课程、专业核心课程学校精品课程、专业核心课程z 56学时 3.5学分z 周一 5，6节 C306z 周三 3，4节 C306z 实验单独设课实验单独设课 微机原理与接口技术实验 16学时微机原理及接口技术z1. 主要介绍16位微处理器原理及接口技术。z2. 是一门微型计算机硬件和软件相结合的专业技术基础课。z3. 通过学习，掌握微机原理和接口技术，培养微机应用开发能力。微机原理及接口技术

2、z 计算机基础知识，微型计算机基本结构z 16位微处理器Intel 8086结构z 指令系统z 汇编语言程序设计z 8086引脚和时序微机原理及接口技术z 存储器与CPU接口z 输入输出技术z 中断技术z 并行接口z 计数器和定时器z 串行接口z D/A、A/D微机原理及接口技术z 微机原理与接口技术微机原理与接口技术z 凌志浩主编，华东理工大学出版社 微机原理及接口技术z1.微型计算机原理与接口技术(第3版) 冯博琴等，清华大学出版社z2.微型计算机系统原理及应用(第4版)z 周明德，清华大学出版社z3. 微机原理与接口技术z 黄玉清等，电子工业出版社 微机原理及接口技术z1. 课堂教学：提

3、问、上课、作业讲解、答疑z2. 作业z3. 思考题微机原理及接口技术z1. 期终考试：70% z2. 平时成绩：30% 作业、考勤等微机原理及接口技术第一章第一章 绪论绪论z 概述z 微型计算机的基本结构z 计算机中数的表示方法微机原理及接口技术第一节第一节 概述概述z电子计算机：电子计算机：z 自动地、高速地进行数值运算和信息处理。z 具有记忆、判断和运算功能。微机原理及接口技术z(1) 1946-1956，电子管 第一台ENIAC，18000管，5千次/秒z(2) 1956-1962，晶体管 数十万次/秒，程序设计语言z(3) 60年代中期，中小规模集成电路 数百万次/秒，软件功能大大提高

4、z(4) 70年代初至今，大规模和超大规模集成电路 巨型机，微型机，数千万次/秒微机原理及接口技术z微型计算机(微机)z 价格低，可靠性高，系统灵活z 数值应用和非数值应用，应用领域广微机原理及接口技术z 微机的核心是微处理器(Microprocessor，P)z 又称中央处理器或中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)z 采用LSI和VLSIz 1971年 第一个P Intel I4004 微机原理及接口技术z(1) 1971 I4004(4位)、8008(8位)z(2) 1974 Intel 8080 8位 Motorola MC6800z Zilog Z80

5、 z Intel 8085z(3) 1978 8086、8088、80286 16位 Z8000、MC68000 1981 IBM公司 IBM PC(8088)微机原理及接口技术z(4) 1985 80386、80486 32位 386机、486机 z(5) 1993 Pentium奔腾(80586) Pentium、Pentium MMX AMD的K5、Cyrix的6X86z(6) 1995z Pentium Pro(高能奔腾)、P、Pz 32位微机原理及接口技术z(7) 2000 P4 32位/64位z(8) 2005 Pentium D双核处理器 64位 z(9) 2006 Core 2

6、(酷睿)双核或四核z Core 2 Duo、Pentium双核、z Core i7z 从8086/8088开始，形成了IA(Intel Architecture)32结构。微机原理及接口技术第二节第二节 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构微型计算机的功能部件微型计算机结构微处理器的简单工作过程微机原理及接口技术z冯诺依曼结构：z(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。z(2) 数据程序以二进制形式存于存储器，位置由地址指示，数制为二进制。z(3) 由一个指令计数器控制指令的执行。微机原理及接口技术控 制 器 算术逻辑运算单元ALU存 储 器输入设备输出设备

7、微机原理及接口技术zCPU(Central Processing Unit)z ALU和控制器z面向总线存储器输入设备输出设备CPU第2章(CPU结构)第3章(指令)第4章(程序设计)第6章(存储器接口)第5章(总线)第9章(并行接口)第10章(定时器)第11章(串行接口)第12章(D/A、A/D)第7章(I/O技术)第8章(中断)微机原理及接口技术1.中央处理器中央处理器CPUz(1) 组成组成z 算术逻辑运算单元ALUz 寄存器阵列z 定时与控制部分z 三组总线内部结构外部结构微机原理及接口技术z(2)基本功能基本功能z 1) 算术逻辑运算：+，-，与，或z 2) 发送和接收数据给存储器和

8、外设z 3) 暂存少量数据z 4) 对指令进行译码并执行z 5) 定时和控制信号提供z 6) 可响应其它部件提出的中断请求1 1 1返回微机原理及接口技术2.存储器存储器z记忆装置，存放数据程序。z(1)存储地址存储地址 存储器的每一个单元有一个地址，CPU根据这地址将所需数据存入或取出。z(2)存储内容存储内容 存储单元存放的内容，长度由CPU字长决定。微机原理及接口技术z 存储地址由CPU的地址总线决定，地址线的根数决定了存储器芯片的存储容量。z 存储单元的数据位数由存储器芯片的数据总线决定。z例如：有一存储芯片的容量是2K8位 则 地址线11根，211=2048 数据线8根返回微机原理及

9、接口技术3.输入设备输入设备z功能功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。z 输入原始数据，程序，采集资料信息。z 如： 键盘，纸带读入机，A/D微机原理及接口技术4.输出设备输出设备z功能功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。z 如： 显示器，打印机，D/A返回微机原理及接口技术zCPU受引脚芯片面积工艺的限制zCPU结构特点：z (1) 总线结构z (2) 引脚功能复用z (3) 广泛采用三态电路微机原理及接口技术1.外部结构外部结构z地址总线：传送地址，决定CPU直接 寻址的内存容量范围。 单向三态 A0A15z数据总线：传送数据，双向三态 D0D7z控制总线：传送各种控制信号 RD，IN

10、TR微机原理及接口技术2.内部结构内部结构 D0D7 内部数据总线输出信号 输入信号 RESET A0A15数据总线缓冲指令寄存器指令译码器通用寄存器阵列堆栈指示器SP程序计数器PC地址缓冲器定时与控制运算器z存放数据(8位或16位) 存放操作数地址(16位)z16位，存放下一条指令的存储地址。z CPU根据PC内容自动取指令，取出一条指令后，PC自动加1。堆栈是一块存储区域，所有操作对栈顶单元进行，SP指示堆栈顶部。接收寄存指令对指令译码，确定指令操作产生相应控制信号，控制CPU内其它部件工作。通过总线与外界进行信息交换。返回微机原理及接口技术z(1) 取出指令取出指令 PC送出指令地址，C

11、PU从内存中取得指令送指令寄存器。z(2) 分析指令分析指令 由指令译码器对指令译码，确定该指令干什么。z(3) 执行指令执行指令 若需要再从存储器中取出操作数，送运算器，各功能部件根据控制信号序列完成操作。微机原理及接口技术 AR ALU 内存 0000H 0001H DR 定时与控制指令1指令1ArPC0000H0001H0000H指令1指令1指令2PC值(0000H)地址寄存器ARPC自动加10001HAR内存发读控制信号内存0000H单元内容CPU的DBIRID定时与控制根据指令译码给出相应的控制信号送功能部件执行指令 对于双字节指令：第一字节是操作码，第二字节是操作数。指令译码后，取

12、指令的第二字节：DR 寄存器或ALUDRIR2 2 22 2 2微机原理及接口技术第三节第三节 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法计算机中的数制进位制数之间的转换二进制编码定点数和浮点数带符号数的表示法运算微机原理及接口技术z 十进制，二进制，十六进制z1.1. 十进制十进制z 特点：(1) 十个不同数字符号09z (2) 逢十进一z 如：99.9=9101+9100+910-1z A=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m =110nmiiiA基数：10微机原理及接口技术z2.二进制二进制z特点：(1) 用二个不同符号0，1表示z (2) 逢二进一

13、z 如：1001.01=123+120+12-2z B = Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m =12nmiiiBz Bi：0、1 基数：2微机原理及接口技术z3.十六进制十六进制z特点：(1) 16个数字符号09， AFz (2) 逢16进一 (3AB.11)16=3162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664z D = Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =116nmiiiDzDi：09，AF 基数：16微机原理及接口技术z总结：总结：z (1) 每一种计数进制都有一个基数J， 每一位可

14、取J个不同的数值。z (2) 逢“J”进位 每一位i，对应Ji为该位的“权”。z (3) 小数点向左移一位，则减小了J倍 小数点向右移一位，则增加了J倍微机原理及接口技术z十六进制数 H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFHz二进制数 B Binary 1011B，11110111Bz十进制数 D Decimal 56返回微机原理及接口技术z1.二进制数二进制数十进制数十进制数z方法： 把二进制数的每一位按权展开相加z例： (111.101)2 = 122+121+120 +12-1+12-3 = 7.625微机原理及接口技术z2.十进制整数十进制整数二进制整数二进制整数z例：

15、215(11010111)2 215 = (Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 = Kn-12n-1+K121+K020z 两边除以2 107 = Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0 = 1z 不断除以2，直到商为0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0微机原理及接口技术z方法：方法：z 用2除十进制数，直至商为0，每次余数为二进制数码。z 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是最高有效位MSB微机原理及接口技术z3.十进制小数十进制小数二进制小数二进制小数z 0.6875 = (0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1 = K-12-1+K-22-2+K-m

16、2-mz 两边乘以2 1.375 = K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1)z 右边刮号内数1，小数和整数部分两边应相等 得到K-1 = 1z 剩下的小数部分再乘2，继续下去可得到 0.6875 = (0.1011)2微机原理及接口技术z方法：方法：z 用2乘十进制小数，将得到的整(0或1)，作为K-1K-2 。z 若乘积的小数部分最后为0，则做后一次整数部分记为K-m。z 若乘积的小数部分不能为0，根据精度要求取m位。z 215.6875=(11010111.1011)2微机原理及接口技术z4.任意进位制数与十进制数任意进位制数与十进制数z方法： 同二进制数与十进制数的转换微机原理及接

17、口技术5.十六进制数与二进制数十六进制数与二进制数z(1)十六进制数十六进制数二进制数二进制数z方法： 一位16进制数可表示为四位二进制数z例： (3AB)16=(1110101011)2 (E.3)16=(1110.0011)23 3 3微机原理及接口技术z(2)二进制数二进制数十六进制数十六进制数z方法：z 1)整数部分从右到左，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。z 2)小数部分从左到右，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。z例： (111100011.100101111)2 =00011000(1E3.978)16微机原理及接口技术z位权记忆法 1 1 1 1 1 1 1

18、1 128 64 32 16 8 4 2 11 1 1 1 1 1 1 132768 16384 8192 4096 2048 1024 512 256例： (10100001010)2 = 1024+256+8+2 = 1290 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K返回微机原理及接口技术z1. 无符号数无符号数z N位二进制数可以表示的无符号数范围为：02N -1 z 例：z 8位二进制数表示 0255z 16位二进制数表示 065535微机原理及接口技术z2. 机器数与真值机器数与真值z 通常一个数的最高位为符号位，用0表示正，1表示负

19、z 如：x = (01011011)2 = +91 x = (11011011)2 = -91z D7：符号位 D6D0：数字位z机器数：连同符号在一起作为一个数z真值：机器数的数值为该机器数的真值微机原理及接口技术z3. 原码原码z 上面的表示法称为原码。 z X = +105 X原=01101001z X = -105 X原=11101001z特点：z (1) 表示简单易懂，与真值转换方便。z (2) 减法或两个数异号相加，要做减法。微机原理及接口技术z4. 反码反码z 正数的反码与原码相同。 z 负数的反码为它的正数的按位取反(连符号位)。z +4反=00000100 -4反=11111

20、011z +127反=01111111 z -127反=10000000微机原理及接口技术z特点：特点：(1) 0有两种表示法。 +0反=00000000 -0反=11111111z(2) 8位二进制反码所能表示的数值 范围：+127-127。z(3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反为数值部分。 例：10010100符号取反为 1101011，数值为107微机原理及接口技术z5. 带符号数的补码表示带符号数的补码表示z 正数的补码与原码相同。 z 负数的补码为它的反码且在最低位加1 z +4补 = 00000100 z -4反 = 11111011z -

21、4补 = 11111100 z +127补 = 01111111z -127反 = 10000000z -127补 = 10000001微机原理及接口技术z特点：(1) +0补= -0补= 00000000z (2) 8位二进制补码所能表示的数值 范围： +127 -128z (3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反，且在最低 位加1，才是数值部分。 例：10010100符号取反加1: 1101100，数值为108微机原理及接口技术z6. 补码的特性补码的特性z 求补 z(1) x补 -x补 z 例1：10补 = 00001010Bz求补后 -10补 =

22、11110110B z(2) x + y补= x补+ y补z(3) x - y补= x补+ -y补 微机原理及接口技术z说明：说明：在计算机内部，补码减法是通过对减数求补后将减法转换为加法进行的。 z例2：X=64-10=64+(-10)=54 X补=64补+-10补 =01000000+11110110=00110110 01000000 + 11110110 1 00110110进位自然丢失微机原理及接口技术z例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X补=34补+-68补 =00100010+10111100= 11011110 00100010 +10111100 1101111

23、0负微机原理及接口技术z7.溢出溢出z 计算机字长有一定限制，所以一个带符号数是有一定范围的。z如：8位二进制补码所能表示的数值范围： +127 -128z 运算结果超出这范围称为溢出溢出。z 例4：120+105=01111000+01101001 01111000 + 01101001 11100001负微机原理及接口技术z例5：-80+(-64)=10110000+11000000 进位丢失 10110000 + 11000000 1 01110000表示正z (1) D6向D7的进位z (2) D7向进位位的进位。z 当两个进位只有一个时，溢出溢出z 当两个进位都有或都没有时，无溢出无

24、溢出4 4 4微机原理及接口技术z8. 符号扩展与零扩展符号扩展与零扩展z 符号扩展符号扩展z 将原符号位填入扩展的每一位，使得在带符号数意义下取值不变。z 零扩展零扩展z 将0填入扩展的每一位，使得在无符号数意义下取值不变。z 例6： X补=7FEDH， Y补=D6H X+Y补= X补+ Y补 = 7FEDH+FFD6H=7FC3H 微机原理及接口技术z例7: 符号扩展z 8位 16位 32位z 80H 0FF80H 0FFFFFF80Hz 26H 0026H 00000026H z例8: 零扩展，针对无符号数z 8位 16位 32位z 80H 0080H 00000080Hz 26H 00

25、26H 00000026H 返回微机原理及接口技术z1. 浮点数浮点数 (110011.101)2=2110(0.110011101)2基数阶码尾数z N=2j Sz 规格化浮点数，0.5S1z 数的表示范围大，如：阶符1位，阶码2位，数符1位，尾数4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4)微机原理及接口技术z例：三字节规格化浮点数，阶符1位，阶码6位，数符1位，尾数16位。z- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16)微机原理及接口技术z 参加运算的操作数，要乘上一固定的阶化成所要求的格式。z 表示的数值不如浮点数大。z例：三字节定点数，1位符号，23位数据。z -

26、 223 +223z2.定点数定点数返回微机原理及接口技术z1.BCD码码z Binary-Codad Decimal 二进制编码的十进制数，用四位二进制数表示一位十进制数。 微机原理及接口技术z十进制数 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 10 0001 0000z (0100100101111000.000101001001)BCD 4 9 7 8 . 1 4 9微机原理及接口技术z(1) 压缩压缩BCD码码z 一个单元八位二进制存放两位十进制数，如十进制数29的压缩BCD码表示为z 0010 1001 B（即29H）z(2) 非压缩非压缩BCD码码z 一个单元八位二进制存放一位十进制数，低4位与压缩BCD码相同，高4位无意义。z 如十进制数29的非压缩BCD码表示为： xxxx0010B xxxx1001B 微机原理及接口技术z2.ASCII码