微机原理与接口技术 第1章 概述

1、计算机教研室计算机教研室郑卫娟郑卫娟第第1 1章章1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 计算机中的数据表示与编码计算机中的数据表示与编码1.3 1.3 微型计算机的逻辑电路基础微型计算机的逻辑电路基础1.4 1.4 微型计算机基本结构与工作原理微型计算机基本结构与工作原理1.5 1.5 例题解析例题解析第第1 1章章 绪绪 论论1.1 1.1 概述概述o 两列火车相隔两列火车相隔200公里，各以每小时公里，各以每小时50公里的速度，公里的速度，迎头对开。一只苍蝇从其中一列前端出发，以一小时迎头对开。一只苍蝇从其中一列前端出发，以一小时75公里的速率，在两列车之间来来回回飞个不停，直公里的速率

2、，在两列车之间来来回回飞个不停，直到两车相撞、压死苍蝇为止。苍蝇飞过的总距离是多到两车相撞、压死苍蝇为止。苍蝇飞过的总距离是多少少?o 现在使用的计算机现在使用的计算机,其基本工作原理是其基本工作原理是存储程序存储程序和和程序程序控制控制,它是由世界著名数学家它是由世界著名数学家冯冯诺依曼诺依曼提出的。提出的。1.1 1.1 概述概述o 计算机系统是一个由硬件、软件组成的复杂的电子装置，计算机系统是一个由硬件、软件组成的复杂的电子装置，它能够它能够存储程序存储程序和和原始数据原始数据、中间结果中间结果和和最终运算最终运算结果，结果，并并自动完成自动完成运算，是一种能对各种数字化信息进行处理运算

3、，是一种能对各种数字化信息进行处理的的“信息处理机信息处理机”。1.1.1 1.1.1 微型计算机及其发展概况微型计算机及其发展概况o 1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC （电子数据积分器）（电子数据积分器）(冯冯.诺依曼？图灵？诺依曼？图灵？阿塔那索夫？）阿塔那索夫？）o 发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机生了微型计算机n 微处理器微处理器（Microprocessor），简称），简称P或或MP，是由一片或几片大，是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中

4、央处理机部件，即规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件，即CPU（Certal Processing Unit）。微处理器本身并不等于微型计算机，它）。微处理器本身并不等于微型计算机，它仅仅是微型计算机中央处理器，有时为了区别大、中、小型中央处理仅仅是微型计算机中央处理器，有时为了区别大、中、小型中央处理器（器（CPU）与微处理器，把前者称为）与微处理器，把前者称为CPU，后者称为，后者称为MPU（Microprocessing Unit）。）。n 微型计算机微型计算机（Microcomputer），简称），简称C或或MC，是指以微处理器，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电

5、路制作的存储器、输入为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及输出接口电路及系统总线所组成的计算机。系统总线所组成的计算机。n 微型计算机系统微型计算机系统（Microcomputer System），简称），简称CS或或MCS，是指以微型计算机为中心，以相应的外围设备、电源、辅助电路以及是指以微型计算机为中心，以相应的外围设备、电源、辅助电路以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。 微型计算机微型计算机2.2. 微型计算机系统的主要性能指标微型计算机系统的主要性能指标 字长字长 内存容量内存容量 指令系统指令系统

6、 运算速度运算速度 容许配置的外设数量容许配置的外设数量 系统软件的配置系统软件的配置3.3. 微型计算机的发展简史微型计算机的发展简史o 第第1 1代代：4 4位和低档位和低档8 8位微机位微机n I4004I4040I8008I4004I4040I8008o 第第2 2代代：中高档：中高档8 8位微机位微机n M6800M6800、 I8080I8080、Z80Z80、I8085I8085n Apple-II Apple-II 微机、微机、MCS-48MCS-48、MCS-51MCS-51系列系列o 第第3 3代代：1616位微机位微机 M68000M68000、Z8000Z8000n I

7、8086/ I8086/ 80888088 8028680286， IBM PCIBM PC系列机系列机o 第第4代代：32位微机位微机n I80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4o 第第5代代：64位微机位微机n Titanium 、64位位RISC微处理器芯片微处理器芯片4.4. 微型计算机的新技术微型计算机的新技术 流水线技术流水线技术 芯片上存储管理技术芯片上存储管理技术 虚拟存储管理技术虚拟存储管理技术 并行处理的哈佛结构并行处理的哈佛结构 RISC结构结构 整片集成技术整片集成技术 多媒体技术多媒体技术1.1.2 1

8、.1.2 微型计算机的特点微型计算机的特点1.1. 功能强功能强2. 2. 可靠性高可靠性高3. 3. 价格低廉价格低廉4. 4. 适应性强，系统设计灵活适应性强，系统设计灵活5. 5. 周期短、见效快周期短、见效快6. 6. 体积小、重量轻、耗电省体积小、重量轻、耗电省7. 7. 维护方便维护方便1.21.2 计算机中的数据表示与编码计算机中的数据表示与编码 编码编码: 用少量、简单的基本符号，选用一定的组合用少量、简单的基本符号，选用一定的组合规则，来表示大量复杂多样的信息。规则，来表示大量复杂多样的信息。 在计算机中，广泛采用的是仅用在计算机中，广泛采用的是仅用“0”和和“1”两个两个基

9、本符号组成的基基本符号组成的基2码，亦称为二进制码。这是由码，亦称为二进制码。这是由于以下三个原因：于以下三个原因：n 基基2码在物理上最容易实现。码在物理上最容易实现。n 基基2码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。n 基基2码的两个符号码的两个符号“1”和和“0”正好与逻辑数据正好与逻辑数据“真真”与与“假假”相对应，为计算机实现逻辑运算带来了方便。相对应，为计算机实现逻辑运算带来了方便。1.2.1 数和数制数和数制1. 数制与进位记数法数制与进位记数法 w 十进制十进制: 逢十进一逢十进一 0,1,9,10w二进制二进制: 逢二进一逢

10、二进一 0,1,10w八进制八进制: 逢八进一逢八进一 0,1,7,10w十六进制：十六进制：逢十六进一逢十六进一 0,1,9,A,B,C,D,E,F,10例例: (892)10 或或 (892)D例例: (10010)2 或或 (10010)B 例例: (71)8 或或 (71)O 例例: (3A)16 或或 (3A)H2. 数制转换数制转换w 二、八、十六进制二、八、十六进制 十进制十进制w 十进制十进制 二、八、十六进制二、八、十六进制w 二进制二进制 八、十六进制八、十六进制w 八、十六进制八、十六进制 二进制二进制(1) 二二(八、十六八、十六)进制进制 十进制十进制: 按权展开相加

11、按权展开相加w二进制：二进制：2n23 22 21 20 . 2-1 2-2 2-mw八进制：八进制：8n83 82 81 80 . 8-1 8-2 8-mw十六进制十六进制：16n163 162 161 160 . 16-1 16-2 16-m各种进制位权如下各种进制位权如下:(1101.1)2 =123+122+021+120+12-1= (13.5)10(371.2)8 =3 82+7 81+1 80+2 8-1= 192+56+1+0.25=(249.25)10(4E.8)16 =4 161+14 160+8 16-1= 64+14+0.5=(78.5)10整数部分整数部分: 除除 2

12、 (8,16) 取余取余 小数部分小数部分: 乘乘 2 (8,16) 取整取整(2) 十进制十进制 二、八、十六进制二、八、十六进制 例例 (77.25)10 = (1001101 . 01)2 = (115 . 2)8 = (4D . 4)167 7 0 . 2 5 20 . 5 0 21 . 0 01001101. 01(77.25)10 = ()2余数余数23 8(11 9 2(029(124(122(021(02 0 (17 7115. 0 . 2 5 82 . 0 02(77.25)10 = ()8余数余数89( 581( 180( 14D. 0 . 2 5 164 . 0 04(7

13、7.25)10 =()16 余数余数7 7164( 13160( 4(3) 二进制二进制八进制八进制: 3位合并成位合并成1位位十六进制十六进制: 4位合并成位合并成1位位例例:(1 0 0 1 1 0 1 . 0 1 )25112(1 0 0 1 1 0 1 . 0 1 )2D44= ()8115.2= ()164D.4例例:(1 1 5 . 2 )8 = ()21 001 101.010(4 D . 4 )16 = ()2100 1101.0100八进制八进制十六进制十六进制 二进制二进制1位拆分为位拆分为3位位1位拆分为位拆分为4位位(4)1.2.2 计算机中带符号数的表示方法计算机中带

14、符号数的表示方法 机器码：机器码：数值在计算机中的表示形式数值在计算机中的表示形式 (二进制二进制)。例：例： 1001 1100机器数的特点：机器数的特点： 表示的数的范围受计算机字长的限制；表示的数的范围受计算机字长的限制； 例例 计算机字长为计算机字长为8位时位时, 无符号数的范围是无符号数的范围是 0000 00001111 1111 （0255） 符号位被数字化符号位被数字化 （正号：（正号：0 负号：负号：1） 小数点处于约定的位置小数点处于约定的位置例例 计算机字长为计算机字长为8位时位时, 有符号数的范围是有符号数的范围是 1 111 11110 111 1111（-127+1

15、27）定点数：小数点的位置固定不变。定点数：小数点的位置固定不变。浮点数：小数点的位置允许浮动。浮点数：小数点的位置允许浮动。原码原码反码反码补码补码机器数的三种表示机器数的三种表示原原 码码 表示方法表示方法符号位用符号位用0或或1表示，数值部分不变表示，数值部分不变例例: (设机器字长为设机器字长为8位位) 13的原码为的原码为 0 0001101 -13的原码为的原码为 1 0001101 0的原码表示的原码表示(两种方法两种方法)+0原原=00000000-0 原原=10000000反反 码码 表示方法表示方法 0的反码表示的反码表示(两种方法两种方法)X0时，时，X反反= X原原X0

16、时，时，X补补= X原原X0时，时，X补补= X反反+1+0补补=00000000-0补补=11111111+1=00000000例例1.11 机器字长机器字长n=8位，位，x=+56D，求，求x补，结果用十六进制表示。补，结果用十六进制表示。解解 : 因为机器字长是因为机器字长是8位，其中符号占了位，其中符号占了1位，所以数值部分应占位，所以数值部分应占7位：位： +56D=+0111000B，则，则+56补补=0 0111000B=38H例例1.12 机器字长机器字长n=8位，位，x= - 56D ，求，求x补，结果用十六进制表示。补，结果用十六进制表示。解解: 因为机器字长是因为机器字长

17、是8位，其中符号占了位，其中符号占了1位，所以数值部分应占位，所以数值部分应占7位：位： -56D= - 0111000B，则，则-56补补=1 1001000B=0C8H注意：汇编语言中，为了区别指令码和数据，规定注意：汇编语言中，为了区别指令码和数据，规定AF开始的数据开始的数据前面加零。前面加零。例例 题题例例1.13 机器字长机器字长n=16位，位，x=+56D，求，求x补，结果用十六进制表示。补，结果用十六进制表示。解解: 因为机器字长是因为机器字长是16位，其中符号占了位，其中符号占了1位，所以数值部分应占位，所以数值部分应占15位：位： +56D=+111000B=+000 00

18、00 0011 1000， 则则+56补补=0 000 0000 0011 1000B=0038H例例1.14 机器字长机器字长n=16位，位，x=-56D ，求，求x补，结果用十六进制表示。补，结果用十六进制表示。 解解: 因为机器字长是因为机器字长是16位，其中符号占了位，其中符号占了1位，所以数值部分应占位，所以数值部分应占15位：位： -56D=-111000B=-000 0000 0011 1000， 则则-56补补=1 111 1111 1100 1000B=0FFC8H 例例 题题 补码加法补码加法X+Y补补 = X补补 + Y补补 （mod 2n） 补码减法补码减法X-Y补补

19、= X补补 + -Y补补二进制数补码的运算二进制数补码的运算例例1.15用补码进行下列运算：用补码进行下列运算：(+33)+(+15)；(-33)+(+15)；(+33)+(-15)；(-33)+(-15)。解解+33D=+0100001B，+33补补 = 0 0100001+15D=+0001111B，+15补补 = 0 0001111-33D=-0100001B，-33补补 = 1 1011111-15D=-0001111B，-15补补 = 1 1110001 0 0100001 +33补补 1 1011111-33补补+0 0001111+15补补 + 0 0001111+15补补0 0

20、110000+48补补 1 1101110-18补补 0 0100001 +33补补1 1011111 -33补补+ 1 1110001 -15补补 +1 1110001 -15补补(1) 0 0010010 +18补补 (1) 1 1010000 -48补补进位，丢掉进位，丢掉进位，丢掉进位，丢掉进位，丢掉进位，丢掉例例1.17设设x= +64D，y = +10D，用补码计算，用补码计算x-y，结果用十进制形式表示。，结果用十进制形式表示。解解x=+1000000B，x补补 = 0 1000000y=+0001010B，-y补补= 1 11101100 1000000 x补补 + 1 111

21、0110-y补补 (1) 0 0110110 x-y补补x-y补补= 0 0110110所以所以x-y= + 0110110B=+54D(1)定点纯整数：小数点的位置在所有数字之后定点纯整数：小数点的位置在所有数字之后(2)定点纯小数：小数点的位置在所有数字之前定点纯小数：小数点的位置在所有数字之前1.2.3 定点数与浮点数定点数与浮点数阶符阶符阶码阶码数符数符尾数尾数定点纯整数定点纯整数定点纯小数定点纯小数0 或或 1(3) 浮点数浮点数011010111. BCD码码(二二十进制码十进制码)w是一种用二进制编码表示十进制数的编码方法是一种用二进制编码表示十进制数的编码方法w最常用的最常用的

22、BCD码是码是8421码码(2421码，余码，余3码）。码）。用用4位二进制编码表示位二进制编码表示1位十进制数位十进制数.例如例如: (5 2 9)10=(0101 0010 1001)BCD1.2.4 十进制数的编码十进制数的编码2. BCD码的加减运算码的加减运算 BCD码的运算规则：当两个码的运算规则：当两个BCD码相加，如果和等码相加，如果和等于或小于于或小于1001，即，即9H，不需要修正；如果相加之和在，不需要修正；如果相加之和在1010到到1111即即0AH0FH之间，则需加之间，则需加6H加以修加以修正；如果相加时本位产生了进位，则需加正；如果相加时本位产生了进位，则需加6H

23、加以修正。加以修正。 例例1.20利用BCD码计算4+5。解(4)BCD=0100，(5)BCD=0101运算过程如下： 0 1 0 04+）0 1 0 15 1 0 0 19例例1.21利用BCD码计算计算5+7。解(5)BCD=0101，(7)BCD=0111运算过程如下：例例1.22利用BCD码计算计算8+9。解(8)BCD=1000，(9)BCD=1001运算过程如下： 1 0 0 08+） 1 0 0 1910 0 0 1 结果大于9+） 0 1 1 0 加6修正10 1 1 117 0 1 0 15+）0 1 1 17 1 1 0 0结果大于9+）0 1 1 0 加6修正 10 0

24、 1 012(进位)1.2.5 ASCII1.2.5 ASCII字符代码字符代码1.ASCII1.ASCII码码 西文字符在计算机内的二进制表示西文字符在计算机内的二进制表示两种版本两种版本编码顺序编码顺序7 7位版本：用位版本：用7 7个二进制位代表一个字符个二进制位代表一个字符(128(128个个) )8 8位版本位版本: :控制字符空格数字控制字符空格数字0909大写字母大写字母AZAZ小写字母小写字母azaz1.3 1.3 微型计算机的逻辑电路基础微型计算机的逻辑电路基础1.3.1 1.3.1 触发器触发器o 触发器（触发器（TriggerTrigger）是计算机的记忆装置的基本单元，

25、也是）是计算机的记忆装置的基本单元，也是构成时序电路的基础。在计算机中用触发器来存储数据，构成时序电路的基础。在计算机中用触发器来存储数据，1 1个触发器存储个触发器存储1 1位二进制数位二进制数。o 触发器的种类很多。按时钟控制方式分，有电位触发、边触发器的种类很多。按时钟控制方式分，有电位触发、边沿触发、主从触发等方式。按功能分类，有沿触发、主从触发等方式。按功能分类，有R-SR-S型、型、D D型、型、J-KJ-K型等。型等。1.3.2 1.3.2 寄存器寄存器 寄存器（寄存器（RegisterRegister）用于暂存数据、指令等。它是由触）用于暂存数据、指令等。它是由触发器和一些控制

26、门组成的。发器和一些控制门组成的。1 1个触发器就是一个个触发器就是一个1 1位寄存器，位寄存器，由由n n个触发器可以组成个触发器可以组成1 1个个n n位寄存器位寄存器。 1.1.缓冲寄存器缓冲寄存器（BufferBuffer） 用以暂存某个数据，以便在适当的时间节拍和给定的计用以暂存某个数据，以便在适当的时间节拍和给定的计算步骤将数据输入或输出到其它记忆元件中去。算步骤将数据输入或输出到其它记忆元件中去。 2.2.移位寄存器移位寄存器（Shifting RegisterShifting Register） 具有数码寄存和移位两个功能。在移位脉冲的作用下，具有数码寄存和移位两个功能。在移位

27、脉冲的作用下，能将其所存储的数据逐位向或向右移动，以达到计算机在运能将其所存储的数据逐位向或向右移动，以达到计算机在运行过程中所需的功能。行过程中所需的功能。3. 3. 计数器计数器（Counter） 是计算机、数字仪表中常用的一种电路。它也是由若是计算机、数字仪表中常用的一种电路。它也是由若干个触发器组成的寄存器，当一个计数脉冲到达时，它会干个触发器组成的寄存器，当一个计数脉冲到达时，它会按二进制数的规律累计脉冲数，使存储在其中的数字加按二进制数的规律累计脉冲数，使存储在其中的数字加1 1。4. 4. 累加器累加器（Accumulator） 是一个由多个触发器组成的多位寄存器，它并不进行是一

28、个由多个触发器组成的多位寄存器，它并不进行加法运算，而是用以暂存每次在加法运算，而是用以暂存每次在ALUALU中计算的中间结果。中计算的中间结果。1.3.3 1.3.3 三态电路三态电路o由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：0和和1，所以每条信号传输线只能传送一个触发器的信息（所以每条信号传输线只能传送一个触发器的信息（0或或1）。如果）。如果一条信号传输线即能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另一条信号传输线即能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另外一个触发器接通，则一条信息传输线就可以传输任意多个触发外一个触发器接通，

29、则一条信息传输线就可以传输任意多个触发器的信息了。三态输出电路（或称三态门）就是为了达到这个目器的信息了。三态输出电路（或称三态门）就是为了达到这个目的而设计的。的而设计的。o三态输出电路的符号如图三态输出电路的符号如图1.12所示。当选通端所示。当选通端E为高电平时，为高电平时，A的两种可能的电平（的两种可能的电平（0和和1）都可以顺利的通到）都可以顺利的通到B端去，即端去，即E=1时，时，B=A。当选通端。当选通端E为低电平时，为低电平时，A端与端与B端是不相通的，即它们端是不相通的，即它们之间存在着高阻状态。之间存在着高阻状态。1.3.4 1.3.4 译码器译码器74LS138 74LS

30、138 o 常见的二进制集成译码器有常见的二进制集成译码器有2 2：4 4译码器、译码器、3 3：8 8译码器、译码器、和和4:164:16译码器。下面以译码器。下面以3 3：8 8译码器为例说明译码器的译码器为例说明译码器的结构和工作原理。结构和工作原理。o 3 3：8 8译码器的输入是译码器的输入是3 3位位2 2进制代码，分别用进制代码，分别用A2A2、A1A1、A0A0表示，有表示，有8 8种不同的状态组合种不同的状态组合000000、001001、010111010111，分别译成分别译成Y0Y0、Y1Y1、Y2Y7Y2Y7共共8 8个输出。个输出。o 译码器可以用来作多路分配器、地

31、址译码器、或实现译码器可以用来作多路分配器、地址译码器、或实现逻辑函数等。逻辑函数等。 1.4 1.4 微型计算机基本结构与工作原理微型计算机基本结构与工作原理1.4.1 1.4.1 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成计计算算机机系系统统硬件硬件软件软件主机主机外部输入输出设备外部输入输出设备CPU存储器存储器运算器运算器控制器控制器ROMRAM系统软件系统软件应用软件应用软件1. 1. 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机冯冯诺依曼结构的基本思想诺依曼结构的基本思想 计算机至少由五部分组成计算机至少由五部分组成 指令和数据均以二进制方式存放在同一个指令和数据均以二进制方式存放在同一个存储器中存

32、储器中运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器数据流数据流控制流控制流冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 w运算器运算器: 处理算术运算和逻辑运算处理算术运算和逻辑运算,简称算逻单元简称算逻单元 (ALU)w控制器控制器: 保证计算机系统的各个部件正确有序地执行程序保证计算机系统的各个部件正确有序地执行程序 w存储器存储器: 存储程序和数据存储程序和数据. 分为内部存储器和外部存储器分为内部存储器和外部存储器.w输入设备输入设备: 接收用户输入的原始数据和程序接收用户输入的原始数据

33、和程序,并将其转换并将其转换 为二进制编码为二进制编码.w输出设备输出设备: 将计算机的处理结果转换为人或其他设备可以将计算机的处理结果转换为人或其他设备可以 接收或识别的信息形式接收或识别的信息形式.冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 2. 2. 现代微型计算机系统现代微型计算机系统 以存储器为中心的计算机系统以存储器为中心的计算机系统定义定义类型类型v连接连接CPU与与IOv 提供外设访问内存和提供外设访问内存和CPU资源的通道资源的通道v 数据总线数据总线(DB): 传送程序或数据传送程序或数据v 地址总线地址总线(AB): 传送内存地址传送内存地址 ( 注意注意:最大寻址空间的计算方

34、法最大寻址空间的计算方法)v 控制总线控制总线(CB): 传送各种控制信息传送各种控制信息(2) 总线总线(3). I/O 接口接口定义定义类型类型v主机与外部设备互连的对接部分主机与外部设备互连的对接部分v 串行口串行口v 并行口并行口v USBUSB口口(Universal Serial Bus (Universal Serial Bus 通用串行总线通用串行总线) )CPUCache(高速缓冲存储器高速缓冲存储器)内部存储器内部存储器外部存储器外部存储器(软盘、硬盘等软盘、硬盘等) 存储系统存储系统微型计算机的三级存储结构微型计算机的三级存储结构3. 3. 微处理器的内部结构与基本功能微

35、处理器的内部结构与基本功能 累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术和逻辑运算。主要用来完成数据的算术和逻辑运算。 寄存器阵列寄存器阵列 通用寄存器组：可由用户灵活支配，用来存放参与运算的数通用寄存器组：可由用户灵活支配，用来存放参与运算的数据或地址信息。据或地址信息。 地址寄存器（地址寄存器（ARAR）：专门用来存放地址信息的寄存器。）：专门用来存放地址信息的寄存器。 程序计数器（程序计数器（PCPC）：它的作用是指明下一条指令在存储器中）：它的作用是指明下一条指令在存储器中的地址。每取一个指令字节，的地址。每取一个指令字节，PCPC自动加自动加1 1，如果程序需要转移或分支，如果程序需要转移或分支，只要把转移地址放入只要把转移地址放入PCPC即可。即可。3. 3. 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 指令控制部件指令控制部件 指令寄存器（指令