微机原理与接口技术资料

1、1微机原理与接口技术微机原理与接口技术大家好大家好！2课程目标掌握：掌握：l微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理l汇编语言程序设计方法汇编语言程序设计方法l微型计算机接口技术微型计算机接口技术l建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力统软硬件开发的初步能力3教材及实验指导书l教材：教材：l微机原理与接口技术（第微机原理与接口技术（第2版）版）. 冯博琴，吴宁冯博琴，吴宁主编主编. 清华大学出版社清华大学出版社l实验指导书实验指导书l微机原理与接口技术题解及实验指导（第微机原理与接口技术题解及实验指导（第2版）版）. 吴宁

2、，陈文革编吴宁，陈文革编. 清华大学出版社清华大学出版社4第1章 微型计算机基础概论主要内容：主要内容：l微机系统的组成微机系统的组成l计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转换计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转换l无符号二进制数的算术运算和逻辑运算无符号二进制数的算术运算和逻辑运算l符号数的表示及补码运算符号数的表示及补码运算l二进制数运算中的溢出二进制数运算中的溢出l基本逻辑门及译码器基本逻辑门及译码器5一、微型计算机系统6主要内容l微机系统的基本组成微机系统的基本组成l微型机的工作原理微型机的工作原理71. 计算机的工作原理冯冯 诺依曼计算机的工作原理诺依曼计算机的工作原理 存储程

3、序工作原理存储程序工作原理8冯 诺依曼机的特点：l将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存成的程序，并放入存储器保存l指令按其在存储器中存放的顺序执行；指令按其在存储器中存放的顺序执行；l由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行；的执行；l以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。9冯 诺依曼计算机体系结构运算器运算器存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备102. 系统组成 主机主机 硬件系统硬件系统 外设外设 微机系统微机系统

4、 系统软件系统软件 软件系统软件系统 应用软件应用软件CPU存储器存储器输入输入/输出接口输出接口总线总线11微处理器l微处理器简称微处理器简称CPU，是计算机的核心。是计算机的核心。l主要包括：主要包括： 运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组12存储器l定义：定义： 用于存放计算机工作过程中需要操作的用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。数据和程序。13有关内存储器的几个概念l内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容l内存容量内存容量l内存的操作内存的操作l内存的分类内存的分类14内存单元的地址和内容l每个单元都对应一个地址，以实现对单元每个单元都对应一个地址，以实现对单元内

5、容的寻址。内容的寻址。1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容15内存容量l内存所含存储单元的个数，以字节为单位内存所含存储单元的个数，以字节为单位l内存容量的大小依内存容量的大小依CPUCPU的寻址范围而定的寻址范围而定 （即（即CPUCPU地址信号线的位数）地址信号线的位数）16内存操作l读：将内存单元的内容取入读：将内存单元的内容取入CPUCPU，原单元内容原单元内容 不改变；不改变；l写：写：CPUCPU将信息放入内存单元，单元中原来的将信息放入内存单元，单元中原来的 内容被覆盖。内容被覆盖。17内存储器的分类随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）只读存储器

6、（只读存储器（ROMROM）按工作方按工作方式可分为式可分为18输入/输出接口l接口是接口是CPUCPU与外部设备间的桥梁与外部设备间的桥梁CPUI/OI/O接口接口外外设设19接口的分类串行接口串行接口 输入接口输入接口并行接口并行接口 输出接口输出接口数字接口数字接口模拟接口模拟接口20接口的功能l数据缓冲寄存；数据缓冲寄存；l信号电平或类型的转换；信号电平或类型的转换；l实现主机与外设间的运行匹配。实现主机与外设间的运行匹配。21总线l基本概念基本概念l分类分类l工作原理工作原理l常用系统总线标准及其主要技术指标常用系统总线标准及其主要技术指标 （具体内容见后续课程）（具体内容见后续课程

7、）22软件系统l软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。资料。系统软件系统软件应用软件：用户为了解决实际问题应用软件：用户为了解决实际问题而编制的程序而编制的程序操作系统操作系统编译系统编译系统网络系统网络系统工具软件工具软件软件软件23计算机编程语言的发展概况计算机编程语言的发展概况l机器语言 机器语言就是机器语言就是0，1码语言，是计算机唯一能码语言，是计算机唯一能理解并直接执行的语言。理解并直接执行的语言。l汇编语言 用一些助记符号代替用用一些助记符号代替用0，1

8、码描述的某种机码描述的某种机器的指令系统，汇编语言就是在此基础上完善起来的。器的指令系统，汇编语言就是在此基础上完善起来的。l高级语言 BASIC，PASCAL，C语言等等。用高级语语言等等。用高级语言编写的程序称源程序，它们必须通过编译或解释，言编写的程序称源程序，它们必须通过编译或解释，连接等步骤才能被计算机处理。连接等步骤才能被计算机处理。l 面向对象语言 C+，Java等编程语言是面向对象的等编程语言是面向对象的语言。语言。24二、计算机中的数制及编码25主要内容l各种计数制的特点及表示方法；各种计数制的特点及表示方法；l各种计数制之间的相互转换各种计数制之间的相互转换。261. 常用

9、计数法 十进制十进制 二进制二进制 十六进制十六进制为防止二义性为防止二义性,约定约定:* * 数后带数后带D D或不带任何符号或不带任何符号, ,则为十进制数则为十进制数; ;* * 数后带数后带B B为二进制数为二进制数; ;* * 数后带数后带H H为十六进制数为十六进制数. .如如: 100,: 100,即一百即一百;100B,;100B,即四即四;100H,;100H,即即256.256.27l有十个数码：有十个数码：0 09 9，逢十进一。，逢十进一。例例 1234.5=11234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100 0 +5+

10、51010-1-1l加权展开式以加权展开式以1010称为基数，各位系数为称为基数，各位系数为0 09 9，1010i i为为权。权。一般表达式：一般表达式：lN ND D= d= dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +（一）十进制28l两个数码：两个数码：0 0、1, 1, 逢二进一逢二进一。例例 1101.101=11101.101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1 -1 +1+12 2-3-3 l加权展开式以加权展开式以

11、2 2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0 0、1 1， 2 2i i为为权。权。一般表达式：一般表达式： N NB B = b = bn-1n-12 2n-1 n-1 + b+ bn-2n-22 2n-2 n-2 + +b+b0 02 20 0 +b+b-1-12 2-1-1+ +（二）二进制29l十六个数码十六个数码0 09 9、A AF F，逢十六进一逢十六进一。例：例：DFC.8=13DFC.8=1316162 2 +15 +1516161 1 +12 +1216160 0 +8 +81616-1-1 l展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为0 09 9，A A

12、F F，1616i i为权。为权。一般表达式：一般表达式：N NH H= h= hn-1n-11616n-1n-1+ h+ hn-2n-21616n-2n-2+ + h+ h0 016160 0+ h+ h-1-11616-1-1+ +（三）十六进制30不同进位记数制对照表 十进制 二进制 十六进制 十进制 二进制 十六进制 0 0000 0 8 1000 8 1 0001 1 9 1001 9 2 0010 2 10 1010 A 3 0011 3 11 1011 B 4 0100 4 12 1100 C 5 0101 5 13 1101 D 6 0110 6 14 1110 E 7 011

13、1 7 15 1111 F 312. 各种进制数间的转换非十进制数到十进制数的转换非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二二进制与十六进制数之间的转换进制与十六进制数之间的转换 32非十进制数到十进制数的转换l一个一个R R进制的数转换成十进制数的方法：进制的数转换成十进制数的方法： 按权展开，先乘后加。按权展开，先乘后加。例：把二进制数例：把二进制数1011.11B及十六进制数及十六进制数5B.8H转换成十进制数转换成十进制数l1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75l5B.8H=

14、5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.533十进制到非十进制数的转换l到二进制的转换：到二进制的转换： 对整数：除对整数：除2取余；取余； 对小数：乘对小数：乘2取整。取整。l到十六进制的转换：到十六进制的转换： 对整数：除对整数：除16取余；取余； 对小数：乘对小数：乘16取整。取整。34十进制数转换成二、十六进制数l整数、小数分别转换整数、小数分别转换 l1.1.整数转换法整数转换法l“除基取余除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为直至商为0 0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。每除一次取一个余数，从低位排向高位

15、。举例：举例：3536l2.2. 小数转换法小数转换法l“乘基取整乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，：用转换进制的基数乘以小数部分， 直至小数为直至小数为0 0或达到转换精度要求的位数。或达到转换精度要求的位数。 每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 举例：举例：373824=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。，四位二进制数对应一位十六进制数。l举例：l3AF.2H3AF.2H = = 00110011 10101010 11111111. .00100010 1110101111.001B 1110101111.001B l11111

16、01.111111101.11B B = = 0 0111111 11011101. .11110000 = 7D.CH = 7D.CH 二进制与十六进制数之间的转换393. 计算机中的编码lBCD码码l用二进制编码表示的十进制数用二进制编码表示的十进制数lASCII码码l西文字符编码西文字符编码401 1）84218421码码l用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十进制数，位十进制数，4位二进制位二进制数编码的每一位都有特定的权值。数编码的每一位都有特定的权值。lBCD码表示的十进制数，只有码表示的十进制数，只有09这这10个有效个有效数字。数字。l计数规律与十进制相同，计数规律与十进制相

17、同，“逢十进一逢十进一”。412）BCD码与十进制数、二进制数的转换l一、十进制数与一、十进制数与BCD码的转换码的转换只要对十进制的每一位按表中对应关系转换即可。只要对十进制的每一位按表中对应关系转换即可。l二、二进制数与二、二进制数与BCD码的转换码的转换需要先转换为十进制数。需要先转换为十进制数。423）BCD码的存储方式码的存储方式l压缩压缩BCD码码l用用4位二进制码表示一位十进制数（在一个字节中存放位二进制码表示一位十进制数（在一个字节中存放2个个4位的位的BCD码，码，一个字节表示两位十进制数，其中高四位存放十位数一个字节表示两位十进制数，其中高四位存放十位数字，低四位存放个位数

18、字字，低四位存放个位数字。）。）例如：例如：56的压缩型的压缩型8421 bcd码是码是0101 0110l扩展扩展BCD码（非压缩码（非压缩BCD码）码）l用用8位二进制码表示一位十进制数位二进制码表示一位十进制数（每个字节只存放一个每个字节只存放一个BCD码，低码，低4位是有效位是有效BCD码，高四位是码，高四位是0）例如：56的非压缩BCD码是00000101 0000011043ASCII码l字符的编码，一般用字符的编码，一般用7位二进制码表示。在需位二进制码表示。在需要时可在要时可在D7位加校验位。位加校验位。l熟悉熟悉0-F的的ASCII码码44ASCII码的校验l奇校验奇校验 加

19、上校验位后编码中加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。的个数为奇数。 例：例：A的的ASCII码是码是41H（1000001B），）， 以奇校验传送则为以奇校验传送则为C1H（11000001B）l偶校验偶校验 加上校验位后编码中加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。的个数为偶数。 上例若以偶校验传送，则为上例若以偶校验传送，则为41H（01000001B）。）。45三、无符号数的运算算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算无符号数无符号数有符号数有符号数二进制数的运算二进制数的运算46主要内容l无符号二进制数的算术运算无符号二进制数的算术运算l无符号数的表达范围无符号数的表达范围l运算中的溢出问题运

20、算中的溢出问题l无符号数的逻辑运算无符号数的逻辑运算l基本逻辑门和译码器基本逻辑门和译码器471. 无符号数的算术运算l加法运算加法运算（1+1=0（有进位）（有进位）l减法运算减法运算（0-1=1（有借位）（有借位）l乘法运算乘法运算l除法运算除法运算482. 无符号数的表示范围：一个一个n n位无符号二进制数位无符号二进制数X X，可表示数的范围为：，可表示数的范围为： 0 0 X 2X 2n n-1-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生有进位（或借位）时

21、则产生 溢出。溢出。49例： 最高位向前有进位，产生溢出最高位向前有进位，产生溢出00000000 100000001 11111111 503. 二进制数的二进制数的逻辑运算与与或或非非异或异或51“与”、“或”运算l任何数和任何数和“0”相相“与与”，结果为，结果为0。l任何数和任何数和“1”相相“或或”，结果为，结果为1。52“非”、“异或”运算l“非非”运算即按位求反运算即按位求反l两个二进制数相两个二进制数相“异或异或”： 相同则为相同则为0，相异则为，相异则为1534. 逻辑门掌握：掌握：l与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；值表）；l与非门

22、、或非门的应用。与非门、或非门的应用。545. 译码器l74LS138译码器：译码器：G1G2AG2BCBAY0Y7 55掌握74LS138译码器：译码器：l各引脚功能；各引脚功能；l输入端与输出端关系（真值表）输入端与输出端关系（真值表）56三、有符号数的运算57计算机中符号数的表示 符号位符号位 + 真值真值 机器数机器数“0” 表示正表示正“1” 表示负表示负58l机器数：机器中数的表示形式。机器数：机器中数的表示形式。l真值：真值： 机器数所代表的实际数值。机器数所代表的实际数值。l举例举例:一个一个8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值：X1=

23、+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：机器数：X1机机= 01010100 X2机机= 11010100机器数与真值591. 符号数的表示 原码原码 反码反码 补码补码60原码l最高位为符号位，用最高位为符号位，用“0”表示正，用表示正，用“1”表示负；表示负；其余为真值部分。其余为真值部分。例例 ： 8位位原码原码机器数：机器数： 真值：真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 机器数：机器数：x1原原 = 01010100 x2原原 = 11010100l优点：优点： 真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易真值和其原码表示之间的对

24、应关系简单，容易理解；理解；l缺点：缺点： 计算机中用原码进行加减运算比较困难，计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的的表示不唯一。表示不唯一。61数0的原码l8位数位数0的原码：的原码：+0=0 0000000 - -0=1 0000000 即：数即：数0的原码不唯一。的原码不唯一。62反码对一个机器数对一个机器数X：l若若X0 ，则则 X反反=X原原l若若X0， 则则X补补= X反反= X原原l若若X0， 则则X补补= X反反+166例lX= 52= 0110100 X原原=10110100 X反反=11001011 X补补= X反反+1=11001100670的补码：l+0补补= +0原原=00000000l-0补补= -0反反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉68特殊数10000000l对无符号数对无符号数:（10000000）B=128l在原码中定义为：在原码中定义为： -0l在反码中定义为：在反码中定义为： -127l在补码中定义为：在补码中定义为： -12869符号数的表示范围对对8位二进制数：位二进制数：l原码：原码： -127 +127l反码：反码： -127 +127l补码：补码： -128 +1