微机原理 第一章

1、 人类是非常富于创造性而且是十分勤勉的，但是，人类在本质上也是十分懒惰的。非常明显，人类并不愿意去工作，这种对工作的反感导致人们用大量的时间来设计和制造可以把工作日缩短到几分钟的设备。幻想使人感到兴奋，甚至远比我们所看到新奇的事物更令人兴奋得多。-摘自编码的奥秘 王年wn_2022/8/91共56张微型计算机原理及应用问题1：计算机？问题2：微型计算机组成？问题3：工作原理？先修课程 计算机文化基础 数字电路与逻辑设计 高级计算机语言（C语言）2022/8/92共56张课程教学基本要求 掌握计算机中不同进制的表示方法及其转换，尤其掌握计算机中补码的表示与运算。熟悉微处

2、理器的组成及各部件的功能，掌握CPU中的寄存器阵列，标志寄存器及堆栈操作。对CPU主要时序要熟悉。掌握常用的指令及指令对标志位的影响，熟悉常用的寻址方式。掌握常用的伪指令，及宏汇编语言程序设计。掌握内存储器的结构，RAM与ROM的特点，性能及接口设计。掌握常用的总线及其接口。 2022/8/93共56张掌握中断的全过程及微机中的中断系统。掌握并行与串行接口芯片及计数器/定时器芯片的原理及应用。熟悉D/A与A/D的转换原理与应用。主要参考书： 16/32位微机原理、汇编语言及接口技术 钱晓捷、陈涛 编著 机械工业出版社 微型计算机原理及应用 郑学坚、周斌编著 清华大学出版社 IBM PC汇编语言

3、程序设计 沈美明、温冬婵 编著 清华大学出版社 The 80 x86 IBM PC and Compatible Computers Assembly Language,Design and Interfacing 现代微型计算机与接口教程 杨文显主编 清华大学出版社 微型计算机原理 潘名莲、马争、惠林编 电子工业出版社2022/8/94共56张第一章 计算机系统概述1.1 计算机的产生公元600年左右，我国出现计算工具算盘。17世纪欧洲出现计算尺和机械式计算机。19世纪英国数学家巴贝芝(1791-1871)提出通用计算机的基本设计思想。巴贝芝可能是第一个意识到计算机中条件转移的重要性的人。(

4、abacus)2022/8/95共56张美国的赫曼霍勒瑞斯(18601929)在美国1890年人口普查的时候采用穿孔卡片记录人口普查信息。处理了超过6200万张的卡片，包含的数据是1880年人口普查的2倍，而数据处理只花了大约1/3时间。 1897年该设备第一次用于俄罗斯的人口普查。1896年，霍勒瑞斯创立了制表机公司，出租和出售穿孔卡片设备。 1911年，经过合并，该公司成为计算-制表-记录( Computing-Tabulating-Recording)公司，即C-T-R公司。 1915年，C-T-R的主席是Thomas J.Watson(1874-1956)，他在1924年把公司的名字改

5、为国际商用机器公司，即IBM。2022/8/96共56张19世纪中叶，英国数学家布尔(1824-1898)创立了布尔代数。1937年英国数学家图灵(1912-1954)提出了著名的“图灵机”的模型，探讨了计算机的基本概念，证明了通用数字计算机是能够制造出来的。 美国计算机协会设有图灵奖。1946年2月,在美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院，由物理学博士J.W.Mauchly和电气工程师J.P.Eckert领导的小组研制出世界上第一台数字式电子计算机ENIAC ( E1ectronic Numerical Integrator And Calculator)。这台计算机用电子管实现，采用字长为10位的

6、十进制计数方式，每秒可进行5000次的加法运算。该机在1943年研制时，其最初的目的是为陆军编制各种弹道表。2022/8/97共56张2022/8/98共56张ENIAC共使用了18000个电子管，占地135m2 ，功率150kw ，重量达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。1944年夏，著名数学家冯诺依曼（Von Neumann）偶然获知ENIAC的研制，他参加并研究了新型计算机的系统结构，在他执笔的报告里，提出了采用二进制计算、存储程序和在程序控制下自动执行的思想。按照这一思想，新机器将由五个部件构成，即运算、控制、存储、输入和输出，报告还描述了各部件的职能和相互间的联系。称为“冯诺依

7、曼”机。1930年开始，匈牙利人冯诺依曼就一直住在美国。他能在脑子里构思复杂的算法而享有很高的声誉，是普林斯顿高级研究学院的一名数学教授，研究范围很广，从量子理论到游戏理论的应用再到经济学。2022/8/99共56张 几十年来，计算机一直是按冯诺依曼提出的设计思想发展的，其基本思想主要是：（1）采用二进制表示数据和指令；（2）将编制好的程序和原始数据送入主存储器，然后启动计算机工作；（3）计算机应包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件，并规定了各个基本部件的功能。 冯诺依曼思想被看作是计算机发展史上的里程碑，直到现在，各类计算机的基本组成均属于冯诺依曼型。2022/8/910共

8、56张1.2 计算机的发展 以计算机物理器件的变革作为标志，把计算机的发展划分为四代：第一代(1946年1957年)：电子管计算机第二代(1957年1965年)：晶体管计算机第三代(1965年1971年)：集成电路计算机第四代(1971年以后)：大规模和超大规模集成电路2022/8/911共56张逻辑元件程序设计语言运算速度内存容量第一代计算机19461957年电子管机器语言或汇编语言几千次每秒几KB第二代计算机19571965年晶体管FORTRAN、ALGOL、COBOL几十万次每秒几十KB第三代计算机19651971年中、小规模集成电路操作系统和会话式语言百万次每秒MB级第四代计算机197

9、1大规模或超大规模集成电路更丰富几百万甚至上亿次每秒越来越大第五代智能化计算机，使计算机具有人工智能，可像人一样能看、能听、能说、能思考，具有学习功能，能自动进行逻辑判断等2022/8/912共56张1.3 微型计算机的发展 微型计算机(Microcomputer)的中央处理器(CPU，Contra1 Processing Unit)采用了大规模、超大规模集成电路技术。称为微处理器MPU(Micro Processing Unit 或Microprocessor)。 微型计算机的发展是与微处理器的发展同步的。微处理器集成度几乎每18个月增加一倍，产品每2 4 年更新换代一次。 各代的划分以MP

10、U的字长和速度为主要依据。2022/8/913共56张第一代（1971-1972）-主要产品为4位和低档8位微机。第二代（1973-1977）-主要产品为中高档8位微机。有Inte1公司的8080、Motorola公司的M6800。8位单片机MCS-48系列和MCS-51系列。第三代（1978-1984）-各公司相继推出一批16位的微处理器芯片，如Intel8086/8088/80286，MC68000/68010，Z8000等。第四代（1985-1999）-1985年，Intel公司推出32位微处理器芯片8038680486Pentium(奔腾)Pentium Pro(高能奔腾)MMX Pe

11、ntium(多能奔腾，MMX: 多媒体增强指令集)Pentium IIPentium IIIPentium IV Pentium V ；第五代（2000-至今）-当前，Intel和HP公司已联合定义了被称作“显式并行指令计算”（Explicitly Parallel Instruction Computing, EPIC）的IA-64位指令架构。64位的微处理器芯片2000年8月已经诞生，Intel展示的代号为“Merced”的Itanium(安腾)CPU，其应用目标是高端服务器和工作站。2022/8/914共56张2022/8/915共56张1微处理器( Microprocessor ) 微

12、处理器也叫微处理机，是微型计算机的核心部件。 包括：算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、控制单元CU（Control Unit）和寄存器阵列RA(Register Array/Stuff)三个基本部分，简称P或MP，在微型计算机中直接用CPU(Central Processing Unit)表示微处理器。2. 微型计算机(Micro Computer) 以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器(ROM和RAM)、输入/输出(I/O)接口和系统总线组成的。简称C或MC。当将这些组成部分集成在一个超大规模芯片上，则称之为单片微型计算机，简称单片机（Singl

13、e Clip Micro Computer）；组装在一块或多块印刷电路板上称之为单板、多板微型计算机（Single/Multi Board Micro Computer）。1.4 微型计算机系统的三个层次2022/8/916共56张 微型计算机系统(Micro Computer System)是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算机系统。简称CS或MCS。 软件分为系统软件和应用软件两大类。 系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。 应用软件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有

14、关的文档和资料。3. 微型计算机系统2022/8/917共56张微型计算机系统的组成2022/8/918共56张2022/8/919共56张2022/8/920共56张裸机操 作 系 统其 他 系 统 软 件应 用 软 件应 用 软 件 用 户计算机系统的层次结构2022/8/921共56张1.5 微型计算机的分类、特点、性能指标和应用 1分类：微型计算机的分类方法有多种。 按微处理器的字长，可分为：4 位机、8 位机、16位机、32位机和64位机等； 按结构，可分为单片机和多片机； 按组装方式，可分为单板机和多板机； 按外形和使用特点，可分为台式微机和笔记本式微机等等。2022/8/922共

15、56张 1. 巨型机运算速度快，可达亿次每秒以上，存储容量大2. 大型机运算速度一般在几千万次/秒，主存容量较高。有比较完善的指令系统，丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。3. 中型机中型机规模介于大型机和小型机之间。4. 小型机规模较小、结构简单、成本较低、操作简便、维护容易，从而得以广泛推广应用。5. 微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组装，具有体积更小、价格更低、通用性更强、灵活性更好、可靠性更高、使用更加方便等优点。6. 工作站工作站实际上就是一台高档微机，运算速度快，主存储器容量大，易于联网，特别适合于CAD/CAM和办公室自动化。按计算机规模分类 2022/8/9

16、23共56张微型计算机的特点： 形小、体轻、功耗低价格便宜结构简单、性能可靠 使用方便、通用性强2022/8/924共56张3 微型计算机系统的主要性能指标字长字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。取决于通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数据总线宽度。内存储器容量存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量大小的一个重要指标。内存的容量大小决定计算机的速度。运算速度 计算机的运算速度一般用CPU每秒钟所能执行的指令条数表示。常用百万条指令/秒(MIPS, Millions of Instruction Per Second)作单位。主频 称为微处理器的工作频率，或微处理器内频； 主板的工

17、作频率：内存、控制芯片组和CPU之间总线的工作频率，也称为微处理器外频2022/8/925共56张主板的性能指标a.微处理器的支持能力，包括CPU插槽类型、CPU种类、外频范围、电压范围b.系统芯片组的类型c.是否集成显卡、声卡、调制解调器（Modem）、网卡d.支持内存和高速缓存（Cache）的类型与容量e.系统BIOS的版本、功能f.扩充插槽及I/O接口的数量、类型g.主板的电压输出范围2022/8/926共56张硬盘的性能指标 容量、速度和安全性是硬盘的3项主要指标系统总线的性能指标a.总线的带宽（数据传输率）总线的带宽指的是单位时间内总线上可传输的数据量，以MB/s为单位；b.总线的位

18、宽总线的位宽是指总线能同时传输的数据位数；c.总线的工作频率又称为外频，它是指用于协调总线上各种操作的时钟频率。三者关系：总线带宽=(总线位宽/8)总线工作频率(MB/s)2022/8/927共56张外设扩展能力主要指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。软件配置情况软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。2022/8/928共56张4微型计算机的应用： 用于科学计算(数值计算)、数据处理及信息管理方向；用于过程控制及自动化（智能化）仪器、仪表方向 ；2022/8/929共56张1.6 微型计算机中数和字符的表示以及运算基础

19、数字系统是仅仅用数字来“处理”信息以实现计算和操作的电子网络。该数制系统只有两个可能的值：该值要么是0，要么是1。此特征定义了二进制或基-2的数制系统，数字的本身(0和1 )称为(bits)比特，简称为“二进制数字”。数字系统必须完成如下任务：1. 将现实世界的信息转换成数字网络可以理解的二进制“语言”。2. 仅用数字0和1完成所要求的计算和操作。3. 将处理的结果以我们可以理解的方式返回给现实世界。2022/8/930共56张计算机的处理对象是各种各样的数据，在使用上，计算机的数据可以分为两类：1、 数-用来直接表征量的多少。他们有大小之分，并能进行加减等运算。2、 码-代码或编码（Code

20、）,在计算机中用来代表某个事物或描述某种信息。数和码在使用场合上有区别，在使用形态上并没有区别。数和码有时又是相通的，比如，BCD码虽然是码，但却用来表示十进制数，它可以象二进制一样进行运算，只是运算后必须进行相应的调整；又比如表示数时，对正、负号的处理需用到码的概念。2022/8/931共56张编码（Code)是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂多样信息的技术。解码(Decode)是编码的逆过程，用于提取二进制数字的含义。编码和解码可以看成是有一本字典在人类语言和二进制数字之间进行翻译。 位（bit）是计算机所能表示的最小数据单位。字节(Byte)是微型计算机的最基本的数

21、据单位，每个字节是八位二进制数的组合。字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。2022/8/932共56张数制-数制是人们利用符号来计数的科学方法，一般采用的是进位计数制，又称进位制。十进制（decimal system）其一般形式为：N进制数的一般形式：其中，Ni为第i位的权，Ki为第i位的系数，N为计数基数。二进制（binary system）使用的数码为0，1；每位的权为2的幂。 例如：2022/8/933共56张为什么要使用八进制和十六进制？ -简化书写，便于记忆。 为方便起见，对不同进制的数常采用后缀字母以示区别：十进制D或d或没有后缀 二进制B或b八进制Q或q 十六进制 H

22、或h八进制（octal system）使用的数码为0,1,2,3,4,5,6,7；每位的权为8的幂。十六进制（hexadecimal system） 使用的数码为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F；每位的权为16的幂2022/8/934共56张不同数制间的转换非十进制转换为十进制，展开相加即可。 例如：(463)8=4*82+6*81+3*80 =4*64+6*8+3 =256+48+3 =(307)10十进制换成其它进制： 整数部分采用除以基数取余，小数部分采用乘以基数取整的法则。2022/8/935共56张例1：(54.39)10=(36.63D7)162022

23、/8/936共56张例2：(175.625)10=(10101111.101)2 整数部分转换结果：(175)10= K7K6K5K4K3K2K1K0=(10101111)2计算步骤简化为如下形式：2022/8/937共56张对于小数部分： 最后将小数部分和整数部分合并。 小数部分转换结果：(0.625)10= 0.K-1K-2K-3=(0.101)2计算步骤简化为如下形式：2022/8/938共56张2022/8/939共56张计算机数的定点和浮点表示真值-指符合人们习惯的数的原始表示形式。机器数-数据在计算机中的实际表示形式。定点数-指小数点的默认位置已被固定的数。若小数点的位置被固定在机

24、器数的最右侧，该数据为“定点整数”， 若小数点的位置被固定在机器数的最左侧（最高数值位之前和符号位之间），该数据为“定点小数”。对于任意一个二进制数总可以表示为纯小数或纯整数与一个2的整数次幂的乘积，例如二进制数N可写成 N=2PS其中，S称为数N的尾数；P称为数N的阶码；2称为阶码的底。S表示了数N的全部有效数字，P决定了小数点的位置。2022/8/940共56张小数点位置小数点位置2022/8/941共56张计算机中定点整数的表示定点整数的表示分为两类：（1）无符号的定点整数（简称无符号数）-机器数只表达0和正整数，其中每一位都表示数值。例如，8位无符号数的范围为0255。（2）有符号的定

25、点整数（简称有符号数）-机器数表达0、正整数、负整数。一般最高有效位作为“符号位”来表示数的正负，0为正整数，1为负整数。注意：符号位没有数值的含义。在机器中表示有符号数有三种表示方法：原码、反码和补码。为了有符号数运算的方便，目前实际上采用的（计算机内部默认）是补码运算，研究反码和原码是为了研究补码。 2022/8/942共56张原码-符号位为0，表示正数；为1，表示负数；其余各位等同于真值的绝对值。例如： （1000 0010）原码= （2）100的原码有两种表示：0000 0000（+0）或 1000 0000（-0）反码-符号位的用法和正数的表示同“原码”一样；负数的表示是在“原码”表

26、示的基础上通过将符号位以外的的各位取反来获得的（其实就是将负数的绝对值的原码按位取反）。这时（1000 0010）反码= （125）100的反码有两种表示：0000 0000（+0）或 1111 1111（-0）8位二进制原码和反码所能表示的数值范围为-127d+127d2022/8/943共56张补码-符号位的用法和正数的表示同“原码”一样；负数的表示是在“反码”的基础上通过加1来获得的。 这时（1000 0010）补码= （126）10为了理解补码的意义，举一个钟表对时的例子。若标准时间是7点整，而有一只钟停在11点整。要把钟校准到7点整，可以倒拨4格，即11-47;也可以顺拨8格，这是因

27、为时钟顺拨时，到12点就从0重新开始计时，相当于自动丢失一个数12，即11+812(自动丢失)+77。2022/8/944共56张这个自动丢失的数(12)是一个循环计数系统中所表示的最大数，称之为“模”。11-411+8(mod12) -4+8 (mod12) mod12表示以12为模数。当等式两边同除以模12，它们的余数相同，故上式在数学上称为同余式。和(-4)与(+8)的同余相仿，(-5)与(+7)、(-6)与(+6)、(-7)与(+5)等等也都同余，或互为补数。不难看出，一个负数的补数必等于模加上该负数(或模减去该负数的绝对值)。由此可以推论：对于某一确定的模，某数减去绝对值小于模的另一

28、数，总可以用某数加上“另一数的负数与其模之和”(即补数)来代替。所以，引进了补码以后，减法就可以转换为加法了。 例如，在字长为8位的二进制数制中，其模为28=256d，若有 64-1064+(-10)64+256-10=64+246256+54=542022/8/945共56张一般地说，对于n位二进制数，某数X的补码总可以定义为：X补2n+X。或者： X补+Y补X+Y补 8位二进制补码所能表示的数值范围为-128d+127d（+0）和（-0）的补码表示一样：0000 00002022/8/946共56张如何解决定点补码的加法运算？规则：X补+Y补X+Y补（mod2n）如何解决定点补码的减法运算

29、？X-Y补X+(-Y)补= X补+-Y补Y补-Y补将Y补取反加1将-Y补取反加1求补运算2022/8/947共56张使用补码的意义：（1）一个整数的补码和它的真值是一一对应的关系；（2）既可以使用一位二进制数表示整数的符号，又使得加法运算的结果仍为结果的补码： X补+Y补X+Y补（3）减法运算转化为加法运算：X-Y补X+(-Y)补= X补+-Y 补（4）大大简化了电路的设计。2022/8/948共56张如何求一个数的补码？ 1、0和正数的补码是其本身；2、负数的补码(对于负数X) ： （1）将 |X| 转化为特定字长的二进制数 将其按位取反加1；（2） “带借位0减”，即 模 |X| 例如-3

30、7H的补码为： 1（借位）00H-37H = C9H练习：求-5的补码，设字长为8位。2022/8/949共56张对于负数X的补码，将其二进制的值按位取反加1，得到的是|X|。 练习：1111 1101B = （ ）D ?数的范围： 符号： 无 有 8位字长： 0255 -12812716位字长： 065535 -3276832767字长的扩展：8位16位低八位不变，高八位以符号填充。练习：86H（*）H?68H（*）H?2022/8/950共56张问题：机器码1111 1101B到底真值是什么？C语言中使用 signed（省略） 和 unsigned 来区分。 int，unsigned in

31、t汇编程序设计中，在于编程者自己把握。 2022/8/951共56张溢出的判断无符号数相加的溢出判断： 相加结果最高位有进位就是溢出。对于有符号数： 运算结果的最高位向符号位的进位用 Cp表示，符号位向进位位的进位用Cs表示若 表示无溢出，溢出标志为0；若 表示溢出，溢出标志为1。2022/8/952共56张（1）正数加负数-永不溢出；（2）两正数相加，结果的符号位为1，溢出；（3）两负数相加，结果的符号位为0，溢出。2022/8/953共56张计算机中的码 十进制8421BCD码2421码余3码余3格雷码00000000000110010100010001010001102001000100101011130011001101100101401000100011