单片微型计算机原理与设计1章

1、微机与单片机原理及应用微机与单片机原理及应用 谢谢 云云南京理工大学紫金学院南京理工大学紫金学院教教 材材参考教材参考教材单片微型计算机原理与设计单片微型计算机原理与设计闫玉德闫玉德 葛龙葛龙 俞红俞红 编编 中国电力出版社中国电力出版社MCS-51单片机原理与应用单片机原理与应用 闫玉德闫玉德 俞红俞红 编著编著 机械工业出版社机械工业出版社微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用 王建宁王建宁 戴跃伟戴跃伟 候晓霞候晓霞 编编著著 化学工业出版社化学工业出版社单片机原理及应用单片机原理及应用 李建忠李建忠 主编主编 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社微机与单片机原理及应用微机与单

2、片机原理及应用课程安排课程安排总共总共4 学分，其中：学分，其中： 理论授课，理论授课， 3学分学分 实验环节，实验环节， 1学分学分 理论内容：理论内容： 微型计算机基础（第一章）微型计算机基础（第一章） 单片机原理及应用（后续章节）单片机原理及应用（后续章节）微机与单片机原理及应用微机与单片机原理及应用考核：考核： 笔试笔试 + 实验实验 要重视要重视 实验课程实验课程 ！以下情况之一者，视情况，以下情况之一者，视情况，取消考试资格取消考试资格： 1、无故旷课、无故旷课 =3次次 2、作业不上交、作业不上交=4次次第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础 1.1 微型计算机概述微型计算机

3、概述 1.2 微处理器微处理器 1.3 存储器存储器 1.4 微机工作原理微机工作原理 1.5 输入输入接口输入输入接口第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础 1.1 微型计算机概述微型计算机概述 计算机的产生是计算机的产生是20世纪重大的科技成果之一。自从第一世纪重大的科技成果之一。自从第一台电子计算机诞生以来，计算机科学已成为本世纪发展最快台电子计算机诞生以来，计算机科学已成为本世纪发展最快的一门科学。尤其是微型机的出现和计算机网络的发展，使的一门科学。尤其是微型机的出现和计算机网络的发展，使得计算机已应用于社会的各行各业，已进入到我们的家庭与得计算机已应用于社会的各行各业，已进入到我

4、们的家庭与生活。计算机的飞速发展大大促进了知识经济的发展和社会生活。计算机的飞速发展大大促进了知识经济的发展和社会信息化的进程，引起了社会的深刻变革。也改变了人们的知信息化的进程，引起了社会的深刻变革。也改变了人们的知识结构，识结构，不会使用计算机将无法面对不会使用计算机将无法面对21世纪的工作、学习与世纪的工作、学习与生活。生活。 19461946年年2 2月，月，世界上第一台计算机世界上第一台计算机 电子数字积分式计算电子数字积分式计算机机 ENIAC ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integr

5、ator And ComputerComputer）在美国宾西法尼亚大学研制成功。它结构庞大，在美国宾西法尼亚大学研制成功。它结构庞大，占地占地170170平方米平方米，重达重达3030吨，使用了吨，使用了1800018000个电子管，耗电个电子管，耗电150150千瓦。千瓦。虽然它每秒只能进行虽然它每秒只能进行 5000 5000 次加减法运算，在性能方次加减法运算，在性能方面与今天的计算机无法相比，但是，面与今天的计算机无法相比，但是，ENIAC ENIAC 机的研制成功，机的研制成功，在计算机的发展史上具有划时代的意义，在计算机的发展史上具有划时代的意义，它的问世标志着电它的问世标志着电

6、子计算机时代的到来，子计算机时代的到来，它用电子的快速运动代替了机械的运它用电子的快速运动代替了机械的运动。动。 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 第一代计算机（第一代计算机（1946-1958）: 使用使用电子管电子管作为主要电子器件，主要特点是体积大、耗电作为主要电子器件，主要特点是体积大、耗电多、重量重、性能低。多、重量重、性能低。在电子管时代，在电子管时代，没有操作系统没有操作系统：用户在这些计器上的操作：用户在这些计器上的操作和编程，完全由手工进行，以绝对的机器语言形式（二进制代和编程，完全由手工进行，以绝对的机器语言形式（二进制代码形式）编程，采用接插板或开关板控制计算

7、机操作，没有显码形式）编程，采用接插板或开关板控制计算机操作，没有显示设备，由氖灯或数码显示。在这一阶段，几乎没有程序设计示设备，由氖灯或数码显示。在这一阶段，几乎没有程序设计语言，用户面对的也是一个很不方便的操作环境。直到语言，用户面对的也是一个很不方便的操作环境。直到50年代年代初期，卡片穿孔成为程序编制和记录的方法，才形成一种可初期，卡片穿孔成为程序编制和记录的方法，才形成一种可“阅读阅读”的程序。在这类早期的计算机系统中，的程序。在这类早期的计算机系统中，有了程序，但有了程序，但没有操作系统。没有操作系统。 第二代计算机（第二代计算机（19581964年）年）： 使用使用晶体管晶体管作

8、为主要电子器件。在晶体管时代，监控程序作为主要电子器件。在晶体管时代，监控程序和批处理程序和批处理程序:随着晶体管的诞生使得计算机产生了一次革命随着晶体管的诞生使得计算机产生了一次革命性的变革，但这一时期用户与计算机系统之间，仍然存在明显性的变革，但这一时期用户与计算机系统之间，仍然存在明显的分隔，然而，由于的分隔，然而，由于有了计算机语言和相应的程序有了计算机语言和相应的程序，就产生了，就产生了对用户所提交的程序进行管理的程序，这就是对用户所提交的程序进行管理的程序，这就是监控程序监控程序（monitor）的雏形）的雏形。虽然此时的监控程序仅仅是处理用户的。虽然此时的监控程序仅仅是处理用户的

9、批量作业和简单的命令解释，但它毕竟建立了用程序来寒来暑批量作业和简单的命令解释，但它毕竟建立了用程序来寒来暑往往 控制其他程序的方式。控制其他程序的方式。 第二代计算机的重要贡献：第二代计算机的重要贡献：（1）开创了计算机处理文字和图形的新阶段；）开创了计算机处理文字和图形的新阶段； （2）高级语言已投入使用；）高级语言已投入使用； （3）开始有了通用机和专用机之分；）开始有了通用机和专用机之分； （4）开始使用鼠标作为输入设备。）开始使用鼠标作为输入设备。 第三代计算机（第三代计算机（19651971年）：年）： 使用使用小规模集成电路小规模集成电路SSI(small scale integ

10、ration)和中规模和中规模额的集成电路额的集成电路MIS（medium scale integration）作为主要电子）作为主要电子元件。元件。 在这一时期中，计算机不仅用于科学计算，还用于文字处理、在这一时期中，计算机不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结企业管理、自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领合的信息管理系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。另外，微型机算计得到了飞速的发展，对计算机的普及起到域。另外，微型机算计得到了飞速的发展，对计算机的普及起到了决

11、定性的作用。了决定性的作用。 第三代计算机的主要贡献：第三代计算机的主要贡献： （1）运算速度已达到）运算速度已达到100万次万次/秒以上；秒以上； （2）操作系统更完善；）操作系统更完善； （3）序列机的推出，较好地解决了）序列机的推出，较好地解决了“硬件不断更新，而软硬件不断更新，而软件相对稳定件相对稳定”的矛盾；的矛盾； （4）机器可根据其性能分为巨型机、大型机和小型机。机器可根据其性能分为巨型机、大型机和小型机。 第三代计算机的标志性产品，第三代计算机的标志性产品， IBM360 大型机的局部图大型机的局部图 第四代计算机（第四代计算机（20世纪世纪70年代以后）：年代以后）： 使用使

12、用大规模集成电路大规模集成电路LSI（large scale integration）和）和超超大规模集成电路大规模集成电路VLSI（very large scale integrtion）作为主要）作为主要的电子器件。各种性能上都得到了大幅度的提高，对应的的电子器件。各种性能上都得到了大幅度的提高，对应的软件软件也越来越丰富也越来越丰富，其应用涉及到国民经济的各个领域，已经在办，其应用涉及到国民经济的各个领域，已经在办公自动化、数据库管理、图象识别、专家系统等众多领域中得公自动化、数据库管理、图象识别、专家系统等众多领域中得到了广泛应用，并且以不可阻碍的势头大量进入家庭。到了广泛应用，并且以

13、不可阻碍的势头大量进入家庭。 作为作为第四代计算机的典型代表第四代计算机的典型代表微型计算机微型计算机应运而生。应运而生。微型计算机由微处理器、半导体存储器和输入输出接口组成。微型计算机由微处理器、半导体存储器和输入输出接口组成。微型计算机的出现和发展，掀起了计算机大普及的浪潮，微型计算机的出现和发展，掀起了计算机大普及的浪潮，微型微型机机比小型机比小型机体积更小、价格更低廉，且通用性强、灵活性好、体积更小、价格更低廉，且通用性强、灵活性好、可靠性高、使用方便。可靠性高、使用方便。 20世纪世纪70年代后期，个人计算机年代后期，个人计算机(PC机机)问世。它以设计先问世。它以设计先进、功能齐全

14、、软件丰富、价格便宜等原因很快占领了微型机进、功能齐全、软件丰富、价格便宜等原因很快占领了微型机的市场，为计算机渗透到各行各业，进入办公室和家庭开启了的市场，为计算机渗透到各行各业，进入办公室和家庭开启了方便之门。方便之门。计算机的发展核心部件为计算机的发展核心部件为CPU，它的发展经历以下过程：它的发展经历以下过程：1971年，年，Intel推出第一片推出第一片4位微处理器位微处理器4004。1978年，年，Intel首次推出首次推出16位处理器位处理器8086，这是，这是80 x86系列系列CPU 的鼻祖，的鼻祖，8086的内部和外部数据总线都是的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为位

15、，地址总线为20位位1979年，年，Intel又推出又推出8088。1982-1990年，相继推出年，相继推出16位位80286，32位位80386，80486等等1993年，年，Intel推出了新一代高性能微处理器推出了新一代高性能微处理器Pentium（奔腾）。（奔腾）。 .1981年年IBM PC的正式推出，一个全新的个人计算机时代开始了。的正式推出，一个全新的个人计算机时代开始了。计算机发展趋势：巨型化，微型化，网络化，智能化和多功能化计算机发展趋势：巨型化，微型化，网络化，智能化和多功能化Intel 公司公司 CPU图标图标计算机的分类计算机的分类 按照综合性能指标，通用电子计算机可

16、以按照综合性能指标，通用电子计算机可以分为：分为： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 主要区别是在于运算速度、数据存储容量、输主要区别是在于运算速度、数据存储容量、输入入/输出能力、指令系统规模和价格等因素。输出能力、指令系统规模和价格等因素。第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础 1.1.1 微型计算机的硬件微型计算机的硬件 1.计算机的组成计算机的组成运算器控制器输入设备输出设备存 储 器数据程序程序、数据结果CPU图图1.1 计算机的组成结构计算机的组成结构计算机主机计算机外设运算器运算器控制器控制器 存储器存储器 输入设备输入设备 输出设

17、备输出设备 计算机组成计算机组成第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础2. 计算机的字长计算机的字长计算机内所有的信息都是以二进制代码的形式表示的。计算机内所有的信息都是以二进制代码的形式表示的。 计算机的字长：计算机的字长： 一台计算机所用的二进制代码的位数一台计算机所用的二进制代码的位数 计算机的字长越长，它能代表的数值就越大，能表示计算机的字长越长，它能代表的数值就越大，能表示的数值的有效位数也越多，计算的精度就越高。但是位数的数值的有效位数也越多，计算的精度就越高。但是位数越长，用来表示进制代码的逻辑电路也越多，使得计算机越长，用来表示进制代码的逻辑电路也越多，使得计算机的结构变得

18、越庞大，电路变得越复杂，造价也越高。用户的结构变得越庞大，电路变得越复杂，造价也越高。用户通常要根据不同的任务选择不同字长的计算机。通常要根据不同的任务选择不同字长的计算机。 第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础 微型计算机的字长有微型计算机的字长有4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位等。位等。目前最为广泛学习的主要是目前最为广泛学习的主要是8位微机和位微机和16位微机，而当前在位微机，而当前在市场上购买的主流产品是市场上购买的主流产品是32位微机和位微机和64位微机。位微机。3. 微型计算机的组成微型计算机的组成微处理器微处理器：运算器、控制器、寄存器集成在一块硅片上，成

19、：运算器、控制器、寄存器集成在一块硅片上，成为独立的芯片，称为微处理器为独立的芯片，称为微处理器(Micro Processor)，也称，也称CPU或或MPU。 第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础微型计算机：微型计算机：微处理器芯片、存储器芯片、输入微处理器芯片、存储器芯片、输入/输出接输出接口芯片口芯片(Input / Output Interface，简称，简称I/O接口接口)之间由总之间由总线线(Bus)连接，就构成了微型计算机连接，就构成了微型计算机(Micro Computer) 图图1.2 微型计数机的组成结微型计数机的组成结构构3. 微型计算机的组成微型计算机的组成 微处

20、理器微处理器微处理器是微型计算机的核心，它由微处理器是微型计算机的核心，它由运算器运算器、控制器控制器 和和寄存器寄存器三大部分组成。三大部分组成。运算器运算器：主要由算术逻辑单元主要由算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit)构构成。成。ALU是对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算是对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算的部件，能够执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或等运算。的部件，能够执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或等运算。控制器控制器：主要包括时钟电路和控制电路主要包括时钟电路和控制电路。时钟电路产生时钟。时钟电路产生时钟脉冲，用于微机各部分电路的同

21、步定时。控制电路产生完成脉冲，用于微机各部分电路的同步定时。控制电路产生完成各种操作所需的控制信号。各种操作所需的控制信号。寄存器寄存器：CPU中有多个寄存器中有多个寄存器，用来存放操作数、地址和运，用来存放操作数、地址和运算的中间结果等。算的中间结果等。第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础(2) 存储器存储器计算机有了存储器才具备计算机有了存储器才具备记忆功能记忆功能。 存储器由许多存储单元组成，在存储器由许多存储单元组成，在8位微机中，每位微机中，每个存储单元存放个存储单元存放8位二进制代码，位二进制代码，8位二进制代位二进制代码称为一个字节码称为一个字节，即，即8位微机的每个存储单

22、元能位微机的每个存储单元能存放一个字节存放一个字节(Byte)的代码。的代码。 0000 00000110 11000000 00011010 00110000 00101110 01010000 00110000 01001111 11101111 1111图图1.3 存储器单元地址存储器单元地址容量容量: 假如存储器有假如存储器有256个单元，每个单元存放一个字节代个单元，每个单元存放一个字节代码，那么该存储器容量为码，那么该存储器容量为256字节，或字节，或2568位。在容量位。在容量较大的存储器中，存储容量以较大的存储器中，存储容量以KB或或MB为单位，为单位， 1KB=1024个存储

23、单元，个存储单元，1MB=1024KB。 存储器存储器“写写”：微机工作时，：微机工作时，CPU将数码存入存储器的过程将数码存入存储器的过程称为称为 “写写”操作操作 ；写入存储单元的数码取代了原有的数码，写入存储单元的数码取代了原有的数码，而且在下一个新的数码写入之前一直保留着，即存储器具有记而且在下一个新的数码写入之前一直保留着，即存储器具有记忆数码的功能。忆数码的功能。 存储器存储器“读读”：CPU从存储器中取数码的过程为从存储器中取数码的过程为“读读”操作。操作。在执行读操作后，存储单元中原有的内容不变，即存储器的在执行读操作后，存储单元中原有的内容不变，即存储器的读出是非破坏性的。读

24、出是非破坏性的。 第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础存储单元的地址：存储单元的地址：对存储器所有单元按顺序进行的编号对存储器所有单元按顺序进行的编号， 这种编号就是是存储的地址。每个单元都有唯一的地址。这种编号就是是存储的地址。每个单元都有唯一的地址。地址用二进制数表示，地址的二进制位数地址用二进制数表示，地址的二进制位数N与存储容量与存储容量Q的关的关系是系是Q= 。 N2例如：例如：在在8086微机系统中，地址的位数是微机系统中，地址的位数是20，则存储器的容量为，则存储器的容量为 =1MB。 202第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基

25、础(3) 输入输入/输出接口输出接口 I/O接口是沟通接口是沟通CPU与外部设备的重要部件。外部设与外部设备的重要部件。外部设备种类繁多，其运行速度、数据形式、电平等可能存在差备种类繁多，其运行速度、数据形式、电平等可能存在差异，常常与异，常常与CPU不一致，所以要用不一致，所以要用I/O接口作为桥梁，起到接口作为桥梁，起到信息转换与协调的作用。信息转换与协调的作用。例如：例如： 打印机打印机打印一行字符需打印一行字符需1s左右，而微机输出一行字符左右，而微机输出一行字符只需只需1ms左右，要使打印机与微机左右，要使打印机与微机同步工作同步工作，必须采用相，必须采用相应的应的接口芯片接口芯片来

26、协调连接。来协调连接。第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础(4) 总线总线总线总线：是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共线路。件之间传输信息的一组公共线路。 前者称为系统总线前者称为系统总线(片间总线片间总线)，后者称为片内总线。，后者称为片内总线。 缓冲器芯片1缓冲器芯片2缓冲器芯片N图图1.4 8位系统总线位系统总线如图如图1.4所示，为芯片之间的一组系统总线，该总线由所示，为芯片之间的一组系统总线，该总线由8根导线根导线组成，可以在芯片之间并行传送组成，可以在芯片之间并行传送8位二进制数据。位二进制数据。 常见的微机采

27、用常见的微机采用三总线结构三总线结构,即即数据总线数据总线DB(Data Bus)在芯片之间传送数据信息；在芯片之间传送数据信息；地址总线地址总线AB(Address Bus)传送地址信息；传送地址信息；控制总线控制总线CB(Control Bus)传送控制信息。传送控制信息。有的微机则采用一组总线分时传送地址和数据信息，称为地有的微机则采用一组总线分时传送地址和数据信息，称为地址址/数据分时复用总线。数据分时复用总线。 与微机相关的几个概念：与微机相关的几个概念：单板机单板机：若将微处理器、存储器、若将微处理器、存储器、I/O接口以及简单的接口以及简单的I/O设备设备组装在一块印制电路板组装

28、在一块印制电路板(PCB)上，则称为单板微型计算机，简上，则称为单板微型计算机，简称单板机。称单板机。 例如，如例如，如SDK-86、Z-80等都是常用的单板机等都是常用的单板机 单片机单片机：若将微处理器、存储器和若将微处理器、存储器和I/O接口集成在一块芯片上，接口集成在一块芯片上，则称为单片微型计算机，简称单片机。则称为单片微型计算机，简称单片机。 例如例如MCS-51、MCS-96系列等都是常见的单片机。系列等都是常见的单片机。 微型计算机系统微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源构成了硬件微型计算机与外围设备、电源构成了硬件总体，配合软件一起则构成了微型计算机系统。总体，配合软件

29、一起则构成了微型计算机系统。如图如图1.61.6所示，概括了微处理器、微型计算机、微型计算机所示，概括了微处理器、微型计算机、微型计算机系统三者之间的关系。系统三者之间的关系。 微型计算机系统微型计算机系统软件：操作系统、汇编、编译等外设：键盘、显示器、打印机等微处理器总线：DB、AB、CB存储器：ROM、RAMI/O接口：并行接口、串行接口运算器控制器电源硬件软件（主机）应用软件图图1.6 微型计算机系统微型计算机系统 第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础1.1.2 1.1.2 微型计算机的软件微型计算机的软件软件软件是使用和管理计算机的各种程序是使用和管理计算机的各种程序(Progr

30、am)，而程序是由，而程序是由一条条的指令一条条的指令(Instruction)组成的。组成的。1指令指令指令指令是是指控制计算机进行各种操作的命令指控制计算机进行各种操作的命令。指令主要由操作码和操作数两大部分组成。操作码表示该指令指令主要由操作码和操作数两大部分组成。操作码表示该指令执行何种操作，操作数表示参加运算的数据或数据所在存储器执行何种操作，操作数表示参加运算的数据或数据所在存储器单元的地址单元的地址。例如，将立即数例如，将立即数29传送传送(Move)到累加器到累加器A的指令称为传送指的指令称为传送指令，书写形式为令，书写形式为MOV A, #29 ;(A)29 其中其中“(A)

31、29”是用符号表示的该指令功能。是用符号表示的该指令功能。将寄存器将寄存器A的内容与数的内容与数38相加的指令称为加法相加的指令称为加法(Additive)指指令，书写形式为令，书写形式为ADD A, #38 ;(A)(A)+38该指令将运算结果送回累加器该指令将运算结果送回累加器A保存。保存。2 2程序程序为了计算一个数学式，或者要控制一个生产过程，需要事先制为了计算一个数学式，或者要控制一个生产过程，需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤或操作步骤是由一定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤或操作步骤是由一条条指令来实现的。这种一系列指令的有序集合称为程序。条条指令来实现的。这种

32、一系列指令的有序集合称为程序。例如，计算例如，计算63+56+36+14=?63+56+36+14=?编制的程序如下。编制的程序如下。MOV A, #63 ;MOV A, #63 ;数数6363送入累加器送入累加器A A。ADD A, #56 ;AADD A, #56 ;A的内容的内容6363与数与数5656相加，其和相加，其和119119送回送回A A。ADD A, #36 ;AADD A, #36 ;A的内容的内容119119与数与数3636相加，其和相加，其和155155送回送回A A。ADD A, #14 ;AADD A, #14 ;A的内容的内容155155与数与数1414相加，运算

33、结果相加，运算结果169169保存保存在在A A中。中。3 3编程语言编程语言编制程序可以采用的程序设计语言分为三类：机器语言、汇编编制程序可以采用的程序设计语言分为三类：机器语言、汇编语言和高级语言。语言和高级语言。汇编语言汇编语言 汇编指令：用助记符汇编指令：用助记符(通常是指令功能的英文缩写通常是指令功能的英文缩写)表示操表示操作码，用字符作码，用字符(字母、数字、符号字母、数字、符号)表示操作数的指令。表示操作数的指令。 用汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。用汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。 特点：占用存储器单元较少、执行速度较快、能够准确掌特点：占用存储器单元较少、执行速度较快

34、、能够准确掌握执行时间，可实现精细控制，因此特别适用于实时控制。握执行时间，可实现精细控制，因此特别适用于实时控制。但，汇编语言是面向机器的语言，各种计算机的汇编语言是不但，汇编语言是面向机器的语言，各种计算机的汇编语言是不同的，必须对所用机器的结构、原理和指令系统比较清楚才能同的，必须对所用机器的结构、原理和指令系统比较清楚才能编写出汇编语言程序，而且不能通用于其它机器。编写出汇编语言程序，而且不能通用于其它机器。高级语言高级语言高级语言是面向过程的语言，常用的高级语言有高级语言是面向过程的语言，常用的高级语言有BASIC，FORTRAN，PASCAL，C等等。等等。特点：用高级语言编写程序

35、时主要着眼于算法，而不必了解计特点：用高级语言编写程序时主要着眼于算法，而不必了解计算机的硬件结构和指令系统，因此易学易用。适用于科学计算、算机的硬件结构和指令系统，因此易学易用。适用于科学计算、数据处理等方面。数据处理等方面。高级语言是独立于机器的，同一个程序可在其它机器中使用。高级语言是独立于机器的，同一个程序可在其它机器中使用。机器语言机器语言 计算机中只能存放和处理二进制数据，所以，无论汇编语言程序计算机中只能存放和处理二进制数据，所以，无论汇编语言程序还是高级语言程序，都必须转换成二进制代码形式后才能送入计还是高级语言程序，都必须转换成二进制代码形式后才能送入计算机。这种算机。这种二

36、进制代码形式的程序就是机器语言程序二进制代码形式的程序就是机器语言程序。相应的二。相应的二进制代码形式的指令称为机器指令或机器码。进制代码形式的指令称为机器指令或机器码。采用汇编语言或高级语言编写的程序又称为源程序，而机器语采用汇编语言或高级语言编写的程序又称为源程序，而机器语言程序则称为目标程序。言程序则称为目标程序。机器语言只有机器语言只有0、1两种符号，用它来直接编写程序十分困难。两种符号，用它来直接编写程序十分困难。因此，往往先用汇编语言或高级语言编写源程序，然后再转换因此，往往先用汇编语言或高级语言编写源程序，然后再转换成目标程序。将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇编。成目标程

37、序。将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇编。 源程序源程序（汇编语言（汇编语言/高级语言）高级语言）人工汇人工汇 编编机器汇机器汇 编编目标程序目标程序（机器语言）（机器语言）实现实现“汇编汇编”的两种方式的两种方式 汇编指令与机器指令具有一一对应的关系，用汇编语言编写源汇编指令与机器指令具有一一对应的关系，用汇编语言编写源程序，再经过汇编得到机器指令表示的目标代码，将目标程序程序，再经过汇编得到机器指令表示的目标代码，将目标程序存入容量为存入容量为256的程序存储器，的程序存储器，从地址为从地址为0000 0000的单元开始存放，如图的单元开始存放，如图1.7所示。所示。地址目标代码汇编

38、语言备注0000 00000111 0100MOV A, #63第1条指令0000 00010011 11110000 00100010 0100ADD A, #56第2条指令0000 00110011 10000000 01000010 0100ADD A, #36第3条指令0000 01010010 01000000 01100010 0100ADD A, #14第4条指令0000 01110000 1110图图1.7 存储器中的目标代码存储器中的目标代码4 4软件软件软件软件是指根据解决问题的思想、方法和过程而编写的程序的有是指根据解决问题的思想、方法和过程而编写的程序的有序集合。序集合

39、。软件按其功能分为软件按其功能分为应用软件应用软件和和系统软件系统软件两大类。两大类。应用软件应用软件是用户为解决某种具体问题而编制的程序，如科学是用户为解决某种具体问题而编制的程序，如科学计算程序、自动控制程序、数据处理程序等。随着计算机的计算程序、自动控制程序、数据处理程序等。随着计算机的广泛应用，应用软件的种类及数量将越来越多。广泛应用，应用软件的种类及数量将越来越多。系统软件系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等，用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等，其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。系统软

40、件分成以下几类：系统软件分成以下几类：(1) 操作系统操作系统 (2) 语言处理程序语言处理程序(3) 标准库程序标准库程序(4) 服务性程序服务性程序总之，软件系统是在硬件系统的基础上，为有效地使用计算机总之，软件系统是在硬件系统的基础上，为有效地使用计算机而配备的。没有系统软件，现代计算机系统就无法正常地、有而配备的。没有系统软件，现代计算机系统就无法正常地、有效地运行。没有应用软件，计算机就不能发挥效能。效地运行。没有应用软件，计算机就不能发挥效能。1.1.3 微型计算机的数制微型计算机的数制第一章第一章 微型计算机基础微型计算机基础数制数制是指是指利用符号来计数的科学方法利用符号来计数

41、的科学方法。数制有很多种，在微型计算机中经常使用的是十进制、二进制数制有很多种，在微型计算机中经常使用的是十进制、二进制和十六进制。和十六进制。1 1数制的种类数制的种类数制所使用的数码的个数称为基，数制每一位所具有的值称数制所使用的数码的个数称为基，数制每一位所具有的值称为权。为权。(1) (1) 十进制十进制十进制的基为十进制的基为“10”10”，即它所使用的数码为，即它所使用的数码为0 0到到9 9共共1010个数字。个数字。每位数字的值都是以该位数字乘以基数的幂次来表示，通常将每位数字的值都是以该位数字乘以基数的幂次来表示，通常将基数的幂次称为权，即以基数的幂次称为权，即以1010为底

42、的为底的0 0次幂、次幂、1 1次幂、次幂、2 2次幂等。次幂等。(2) (2) 二进制二进制二进制的基为二进制的基为“2”2”，即其使用的数码为，即其使用的数码为0 0、1 1共共2 2个。二进制个。二进制各位的权是以各位的权是以2 2为底的幂。为底的幂。(3) (3) 十六进制十六进制十六进制的基为十六进制的基为“16”16”，即其使用的数码为，即其使用的数码为0 09 9、A AF F共共1616个，其中个，其中A AF F相当于十进制数的相当于十进制数的10101515。十六进制的权是以。十六进制的权是以1616为底的幂。为底的幂。(4) (4) 二二- -十进制十进制二二- -十进制

43、数称为二进制编码的十进制数十进制数称为二进制编码的十进制数(Binary Coded (Binary Coded Decimal)Decimal)，简称，简称BCDBCD码。在码。在BCDBCD码中是用四位二进制数给码中是用四位二进制数给0909这这十个数字编码。十个数字编码。 为了区别以上四种数制，在数的后面加写英文字母来区为了区别以上四种数制，在数的后面加写英文字母来区别，别，B B、D D、H H、BCDBCD分别表示为二进制数、十进制数、十六进分别表示为二进制数、十进制数、十六进制数、二制数、二- -十进制数，通常对十进制可不加标志。若十六进制十进制数，通常对十进制可不加标志。若十六进

44、制数是字母数是字母A AF F打头，则前面需加一个打头，则前面需加一个0 0。2数制的转换数制的转换(1) 二进制、十六进制转换成十进制数二进制、十六进制转换成十进制数 只需将二进制、十六进制数按权展开后相加即可。只需将二进制、十六进制数按权展开后相加即可。例如，十六进制的例如，十六进制的7BDH转化为十进制，表示为转化为十进制，表示为 =1792+176+13=1981D。(2) (2) 十进制数转换成二进制、十六进制数十进制数转换成二进制、十六进制数 通常采用除基取余法。例如，十进制数通常采用除基取余法。例如，十进制数45678D转化为十六进转化为十六进制数，表示为制数，表示为0B26EH

45、。45678285417816161611146211余数记为E62B最低位最高位(3) 二进制、十六进制数相互转换二进制、十六进制数相互转换 1位十六进制数转换为位十六进制数转换为4位二进制数。位二进制数。(4) BCD码与十进制的相互转换码与十进制的相互转换 按照按照BCD的十位编码与十进制的关系，进行转换。的十位编码与十进制的关系，进行转换。3 3常用的编码常用的编码(1) BCD(1) BCD码码BCDBCD码是一种具有十进制权的二进制编码，码是一种具有十进制权的二进制编码，即它是一种既能为即它是一种既能为计算机所接受，又基本上符合人的十进制数运算习惯的二进制计算机所接受，又基本上符合

46、人的十进制数运算习惯的二进制编码。编码。BCDBCD码的种类较多，常用的有码的种类较多，常用的有84218421码、码、24212421码、余码、余3 3码和格雷码码和格雷码等，其中最为常用的是等，其中最为常用的是8421 BCD8421 BCD编码。编码。因十进制数有因十进制数有1010个不同的数码个不同的数码0 09 9，必须要有，必须要有4 4位二进制数来位二进制数来表示，而表示，而4 4位二进制数可以有位二进制数可以有1616种组合，因此取种组合，因此取4 4位二进制数顺位二进制数顺序编码的前序编码的前1010种，即种，即0000B0000B1001B1001B为为84218421码的

47、基本代码，码的基本代码，1010B1010B1111B1111B未被使用，如下表未被使用，如下表1.11.1所示。所示。表表1.1 8421 BCD码表码表十进制数十进制数8421 BCD码码十进制数十进制数8421 BCD码码00000B50101B10001B60110B20010B70111B30011B81000B40100B91001B(2) ASCII编码编码ASCII码是码是“美国信息交换标准代码美国信息交换标准代码”的简称年，是一种较完的简称年，是一种较完善的字符编码，现已成为国际通用的标准编码，广泛用于微型善的字符编码，现已成为国际通用的标准编码，广泛用于微型计算机与外设的通

48、信。计算机与外设的通信。 它是用它是用七位二进制数码七位二进制数码来表示的，来表示的，七位二进制数码共有七位二进制数码共有128种组合，包括图形字符种组合，包括图形字符96个和控制字符个和控制字符32个。个。 96个图形字符包括十进制数字符个图形字符包括十进制数字符10个、大小写英文字母个、大小写英文字母52个和其它字符个和其它字符34个，这类字符有特定形状，可以显示在显示器个，这类字符有特定形状，可以显示在显示器上或打印出来。上或打印出来。 32个控制字符包括回车符、换行符、退格符、设备控制符个控制字符包括回车符、换行符、退格符、设备控制符和信息分隔符等，这类字符没有特定形状，字符本身不能在

49、显和信息分隔符等，这类字符没有特定形状，字符本身不能在显示器上显示或打印。示器上显示或打印。4数在计算机中的表示数在计算机中的表示数在计算机中的表示形式统称为机器数，机器数有两个基本数在计算机中的表示形式统称为机器数，机器数有两个基本特点，一是特点，一是数的符号数值化数的符号数值化，通常以，通常以“0”代表代表“+”号，以号，以“1”代表代表“一一”号。二是号。二是机器数的位数受计算机硬件机器数的位数受计算机硬件(字长字长)的限制的限制。(1) 无符号数无符号数 把计算机字长的所有二进制位都用来表示数值，称为把计算机字长的所有二进制位都用来表示数值，称为无无符号数符号数。例如例如8位机中的无符

50、号数位机中的无符号数 00001001B = = 9 10001001B = = 1373022730222(2) 有符号数有符号数有符号数一般有三种表示方法，即有符号数一般有三种表示方法，即源码源码、反码反码和和补码补码，8位二进位二进制的数表示如表制的数表示如表1.2所示。所示。原码就是用符号为原码就是用符号为“0”表示正数，表示正数，“1”表示负数，后面再加上表示负数，后面再加上数值位的二进制数。数值位的二进制数。 例如：例如：+4的的8位原码表示为位原码表示为+4原原 = 00000100B 4的的8位原码表示为位原码表示为4原原 = 10000100B 正数的反码与原码相同，负数的反

51、码是原码符号位不变、数正数的反码与原码相同，负数的反码是原码符号位不变、数值位取反。值位取反。例如：例如：+4的的8位反码表示为位反码表示为+4反反 = 00000100B4的的8位反码表示为位反码表示为4反反 = 11111011B 正数的补码与原码相同，负数的补码是反码加正数的补码与原码相同，负数的补码是反码加1，即原码符号，即原码符号位不变、数值位取反加位不变、数值位取反加1。例如：例如： +4的的8位补码表示为位补码表示为+4反反 = 00000100B 4的的8位补码表示为位补码表示为4反反 = 11111100B二进制数码无符号数原码反码补码0000 00000+0+0+00000

52、 00011+1+1+10000 00102+2+2+20111 1111127+127+127+1271000 0000128-0-127-1281000 0001129-1-126-1271000 0010130-2-125-1261111 1101253-125-2-31111 1110254-126-1-21111 1111255-127-0-1表表1.2 8位二进制数的原码、反码和补码表示位二进制数的原码、反码和补码表示1.2 微处理器微处理器微处理器是微型计算机的核心，不同型号微处理器的结构有所不同。微处理器是微型计算机的核心，不同型号微处理器的结构有所不同。 图图1.8是典型的是

53、典型的8位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、寄存器三部分。寄存器三部分。该微处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。该微处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。指令寄存器指令译码器逻辑时序和控制通用寄存器组PC程序计数器SP堆栈指示器变址寄存器缓冲器地址总线缓冲器数据总线暂存器累加器标志寄存器ALU控制总线地址总线数据总线内部数据总线图图1.8 微处理器的微处理器的结构结构1.2.1 运算器运算器运算器运算器由由算术逻辑单元算术逻辑单元ALU、累加器累加器A、暂存寄存器暂存寄存器TR、标志寄标志寄存器存器F等部分组成。等部分组成。算术

54、逻辑单元算术逻辑单元ALU是微型计算机执行算术运算和逻辑运算的是微型计算机执行算术运算和逻辑运算的主要部件。主要部件。它有两个输入端，一个输入端与累加器它有两个输入端，一个输入端与累加器A(Accumulator)相连，相连，另一个输入端与暂存寄存器另一个输入端与暂存寄存器TR相连。输出端则与内部总线相相连。输出端则与内部总线相连。连。累加器累加器A是一个是一个8位寄存器。很多位寄存器。很多8位双操作数运算一个操作位双操作数运算一个操作数来自数来自A，运算结果又送回，运算结果又送回A，所以累加器，所以累加器A是使用最频繁的是使用最频繁的寄存器。寄存器。 另一个操作数可以来自另一个操作数可以来自

55、CPU内部的寄存器，也可以来自存储内部的寄存器，也可以来自存储器或器或I/O接口，它总是通过内部总线送来的，由于总线只能分时传接口，它总是通过内部总线送来的，由于总线只能分时传送数据，故用暂存寄存器在内部总线与送数据，故用暂存寄存器在内部总线与ALU之间起缓冲作用。之间起缓冲作用。 在执行运算指令时，内部总线先传送一个操作数至在执行运算指令时，内部总线先传送一个操作数至TR，然，然后在控制器的控制下，由后在控制器的控制下，由ALU对对A和和TR中的内容进行运算，运中的内容进行运算，运算结果再通过内部总线传送到累加器算结果再通过内部总线传送到累加器A。 微机的运算器可执行加法、减法等算术运算，有

56、些微机还可微机的运算器可执行加法、减法等算术运算，有些微机还可以执行乘法、除法运算，运算器执行的逻辑运算有与、或、求反、以执行乘法、除法运算，运算器执行的逻辑运算有与、或、求反、异或、清零、移位等。异或、清零、移位等。1.2.2 控制器控制器控制器控制器由由指令寄存器指令寄存器IR、指令译码器指令译码器ID及及时序与控制电路时序与控制电路三部分三部分组成。组成。微机工作时，由时序与控制电路按照一定的时间顺序发出一系微机工作时，由时序与控制电路按照一定的时间顺序发出一系列控制信号，使微机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工列控制信号，使微机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工作，从而使指令得以执

57、行。作，从而使指令得以执行。一条指令的执行分成取指令和执行指令两个阶段。一条指令的执行分成取指令和执行指令两个阶段。具体步骤如下：具体步骤如下：(1) 从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器IR寄存，寄存，直至该指令执行完毕。直至该指令执行完毕。(2) 由指令译码器由指令译码器ID译码，以识别该指令需要执行何种操作。译码，以识别该指令需要执行何种操作。(3) 由时序与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部由时序与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部件以完成这一指令。件以完成这一指令。 时序与控制电路除了接收译码器送来的信号外，还接收时序与

58、控制电路除了接收译码器送来的信号外，还接收CPU外部送来的信号，如中断请求信号、复位信号等，这些信外部送来的信号，如中断请求信号、复位信号等，这些信号由控制总线送入。号由控制总线送入。 时序与控制电路产生的控制信号一部分用于时序与控制电路产生的控制信号一部分用于CPU内部，控内部，控制制CPU各部件的工作，另一部分通过控制总线输出，用于控制各部件的工作，另一部分通过控制总线输出，用于控制存储器和存储器和I/O接口的工作。接口的工作。 1.2.3 寄存器寄存器寄存器寄存器用于暂存数据，暂存存储器或用于暂存数据，暂存存储器或I/O端口的地址，暂存程序端口的地址，暂存程序运行中的状态信息。运行中的状

59、态信息。 由于寄存器的存取速度远比存储器快，所以寄存器用于暂由于寄存器的存取速度远比存储器快，所以寄存器用于暂存程序重复使用的数据、地址和中间结果，不必每次都送入存存程序重复使用的数据、地址和中间结果，不必每次都送入存储器存放，从而提高程序的运行速度，同时还能简化指令的机储器存放，从而提高程序的运行速度，同时还能简化指令的机器代码。器代码。通常寄存器分为三大类：数据寄存器、地址寄存器和状态寄存器。通常寄存器分为三大类：数据寄存器、地址寄存器和状态寄存器。 1数据寄存器数据寄存器数据寄存器用于存放经常操作的数据、变量和中间结果。数据寄存器用于存放经常操作的数据、变量和中间结果。2地址寄存器地址寄

60、存器地址寄存器用于存放存储器或地址寄存器用于存放存储器或I/O端口地址，以缩短指令长度，端口地址，以缩短指令长度，加快指令运行速度，并能灵活修改地址，以便循环程序处理。加快指令运行速度，并能灵活修改地址，以便循环程序处理。 其中较为重要的如其中较为重要的如程序计数器程序计数器PC(Program Counter)，也称指令指针也称指令指针IP(Instruction Pointer)是管理程序执行次序的是管理程序执行次序的特殊功能寄存器。特殊功能寄存器。 程序的执行有两种情况，即程序的执行有两种情况，即顺序执行顺序执行和和跳转跳转，程序计数器具程序计数器具有以下功能：有以下功能：(1) 复位功