基础知识概述

微机原理及接口技术课程简介

性质：是学习和掌握微机硬件、接口知识和汇编语言程序设计的入门课程，属专业技术基础课；掌握微机核心硬件及基本工作原理；

具有专用智能系统软硬件设计与研制的初步能力。学习本课程到底能做么事？目标(授课内容)：掌握汇编语言程序设计；掌握微机接口技术；微型计算机应用的三个层次微型计算机系统以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机。软件分为系统软件和应用软件两大类。微型计算机应用的三个层次单片微型计算机（单片机）单片微型计算机

1）微处理器为核心；

2）只读存储器（ROM）；

3）随机(读写)存储器（RAM）；

4）输入／输出接口电路；

5）系统总线等。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机(简称单片机)。微型计算机应用的三个层次微处理器严格讲，微处理器≠CPU。CPU由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大部件组成，实现运算功能和控制功能。微处理器：1）算术逻辑部件和控制部件（CPU）；

2）一组寄存器（Registers）；

3）高速缓冲存储器（Cache）。集成为大规模集成电路或超大规模集成电路的芯片（器件），这个器件称为微处理器。教材1、教材《16/32位微机原理及接口技术》，朱有产等编著，2009年8月第1版，中国电力出版社；2、参考教材《微型计算机原理及接口技术》，冯博琴主编，2007年8月第2版，清华大学出版社；《微型计算机原理与接口技术》，姚燕义主编，高等教育出版社；3、实验指导书(独立开设实验课程)《16/32位微机原理及接口技术实验指导书》，刘淑平等编，

2010年8月第1版，中国电力出版社。答疑、咨询地点：一校区综合楼网管中心105（铁门）电话：7522324朱有产E-mial:zyc_hd@总成绩＝笔试成绩(80%)+课堂、作业(20%)第一章微型计算机基础知识概述1·1微型计算机系统构成1·2微型计算机的基本知识1·3常用术语解析1·4计算机基础1.1微型计算机系统构成

我们熟悉的微型计算机系统硬件：中央处理单元（CPU）

系统主机板内存储器外存储器显示卡与显示器声卡与音箱网卡机箱、鼠标、键盘微机的基本结构微型计算机的两大系统硬件系统

1）运算器

2）控制器

3）存储器

4）输入设备

5）输出设备软件系统

1）系统软件

2）应用软件1.2微型计算机的基本知识1）计算机中的常用数制2）各种数制之间的转换3）无符号二进制数4）有符号数的表示方法5）计算机中信息的编码6）定点数与数学协处理器的数据1.2.1计算机中的常用数制十进制二进制八进制十六进制日常使用二进制名称基本数码用途十进制012345678901计算机使用八进制简化书写01234567十六进制0123456789ABCDEFDBQH十进制的表示和例子例如：2346.18规则：数码：0，1，2，……，9，共10个数码；位权：10i，其中i是位序数号；

逢十进一，基102346.18=2×103+3×102+4×101+6×100+1×10-1+8×10-2

二进制的表示和例子例如：11001.101B规则：数码：0，1，共2个数码；位权：2i，其中i是位序数号；

逢二进一，基2。11001.101B=1×24

+1×23

+0×22+0×2l+l×20+1×2-1+0×2-2+l×2-3

八进制的表示和例子例如：257.16Q=2×82+5×81+7×80+1×8-1+6×8-2

规则：数码：0，1，2，3，……，7，共8个数码；位权：8i，其中i是位序数号；

逢八进一，基8。十六进制的表示和例子例如：63BE.FAH=6×163+3×162+11×161+14×100+15×16-1+10×16-2

规则：数码：0，1，2，……，9，A,B,C,D,E,F共16个数码；位权：16i，其中i是位序数号；

逢十六进一，基16。1.2.2各种数制间的转换 10101B=1*24+1*22+1*20=21 101.11B=1*22+1*21+1*2-1+1*2-2=5.75 101Q=1*82+1*80=65 71Q=7*8+1=57 101AH=163+16+10＝41061、二、八、十六进制数转化成十进制数按位权展开

an...a1a0.a-1...a-m(r)

=a*rn

+…+a*r1+a*r0+a*r-1+...a*r-m

注：各种数制的写法2、十进制转化成二、八、十六进制例

100.345100=144(Q)=64(H)100=144(Q)=64(H)=1100100(B)10025022521226232100010010.34520.69021.3802

0.7602

1.5202100812818044110016604616*****1

1.04

整数部分：除基取余，直到商为0，最后得到余数为最高位，最先得到余数为最低位依次排列（从下而上）；~=1100100.01011(B)2小数部分：乘基取整，最先得到整数为最高位，最后得到整数为最低位依次排列（从上而下）

。二进制、八进制、十六进制数间的关系

八进制

对应二进制

十六进制对应二进制

十六进制

对应二进制0000000008100010011000191001201020010A1010301130011B1011410040100C1100510150101D1101611060110E1110711170111F1111

11

0110

1110.1101

01(B)=36E.D4(H)36ED4

1

101

101

110.110

101(B)=1556.65(Q)155665后边补两个零010064(H)=0110

0100(B)144(Q)=001

100

100(B)641443、八进制数和十六进制数转化成二进制数每一个八进制数码对应三位二进制数。

7123(Q)=111

001

010

011(B)7123

每一个十六进制数码对应四位二进制数。

2C1D(H)=0010

1100

0001

1101(B) 2C1D

4、二进制数转化成八进制数和十六进制数整数：从右向左进行分组

（从最低位开始）小数：从左向右进行分组（从最高位开始）转化成八进制时三位一组转化成十六进制时四位一组不足补零。前面补两个零0011小结1）二进制数转换为十六进制数的方法:对整数部分从小数点开始向左每四位一组，若最后一组不足4位，则在其左边补零直到4位；2）二进制数转换为八进制数的方法:同上，改为3位一组。3）与上述过程相反可将八进制数、十六进制数转换为二进制数。要自己试试哦！

对小数部分从小数点开始向右每四位一组，若最后一组不足4位，则在其右边补零直到4位；把每个十六进制数字用4位二进制数表示。1.2.3无符号二进制数的运算1、二进制的算术运算（1）加法运算 0+0=00+1=11+0=11+1=0（有进位）（2）减法运算 0–0=01–0=11–1=00–1=1（有借位）

（3）乘法运算 0*0=00*1=01*0=01*1=1加法和移位运算，计算机中乘法运算就是这样做的。（4）除法运算是乘法的逆运算，可转换为减法和右移运算。每右移一位相当于除以2，右移n位就相当于除以2n。无符号数（正整数）：对应的8位、16位、32位二进制数全部用来表示数值本身，没有用来表示符号位的位。2、二进制数的逻辑运算（1）“与”运算 1^1=11^0=00^1=00^0=0（2）“或”运算 0v0=00v1=11v0=11v1=1（3）“非”运算（4）“异或”运算 00=011=001=110=1（5）n位无符号二进制数表示范围：0~2n–1（6）无符号二进制数的溢出判断

最高有效位有进位或借位。1、机器数与真值有符号数的符号位用0表示正号、1表示负号，后跟其数值部分称为该有符号数的机器数。而直接用“+”号和“-”号来表示其正负的数为该有符号数的真值。例如：01010101B=+85=+1010101B11010101B=-85=-1010101B

但由于数值部分的表示方法不同，机器数有三种表示方法:原码、反码和补码。1.2.4有符号数的表示方法

原码表示的有符号数，最高位为符号位（0表示正、1表示负），数值位部分就是该数的绝对值(真值)。例如：假设某机器为8位机，即一个数据用8位（二进制）来表示，则： +23的原码为00010111B2、机器数的表示法1.2.4有符号数的表示方法

-23的原码为10010111B

其中最高位是符号位，后7位是数值位。

反码表示的有符号数，最高位为符号位（0表示正、1表示负），数值部分对于正数是其绝对值，而对于负数则是其绝对值（原码）按位取反（即1变0，0变1）。注:反码再求反一次就是其原码。例如：+23的反码为00010111B

-23的反码为11101000B反码表示的数字范围同原码。数字‘0’有2个反码表示。(+0)10反码=(00000000)2，(-0)10反码=(11111111)2

补码表示的有符号数，正数同原码、反码一样，但负数的符号位不变，数值位部分为其绝对值（原码）按位取反后末位加1所得。例如：-23的补码为11101001B

注:补码再求补一次就是其原码。可以证明：两个补码数（无论正负）按二进制运算规则相加，得到的结果就是其和的补码。即：[X]补+[Y]补=[X+Y]补两数补码之和等于两数和的补码。

同样，两数差的补码等于两数补码之差，即： [X–Y]补=[X]补–[Y]补两数差的补码也等于第一个数的补码与第二个数负数的补码之和，即： [X–Y]补=[X]补+[-Y]补切记：计算机所有的数都是用补码表示的。1.2.5有符号数运算时的溢出带符号数的表示范围（1）对8位二进制数原码：11111111B~01111111B（-127~+127）

反码：10000000B~01111111B（-127~+127）

补码：10000000B~01111111B（-128~+127）8位二进制数的运算结果超出以上范围时，会产生溢出。（2）对16位二进制数原码：FFFFH~7FFFH（-32767~+32767）

反码：8000H~7FFFH（-32767~+32767）

补码：8000H~7FFFH（-32768~+32767）16位二进制数运算结果超出以上范围时，会产生溢出。带符号数运算时的溢出判断溢出只能出现在两个同符号数相加或两个异符号数相减的情况下。例：用二进制补码计算（+72）+（+98）解：(+72)补=01001000B(+98)补=01100010B 01001000B (+72)补 +01100010B(+98)补 10101010B-86（+72）+（+98）=+170>+127注：最高位无进位，次高位有进位。例：用二进制补码计算（-83）+（-80）解：(-83)补=10101101B(-80)补=10110000B 10101101B (-83)补 +10110000B(-80)补 101011101B+93进位自然丢失上述是同符号数相加产生溢出情况，而对两个异符号数相减，同样有可能产生溢出，使结果出错。注：最高位有进位，次高位无进位。（-83）+（-80）=-163<-128小结：有符号数运算溢出判断依据如果次高位向最高位有进位（或借位），而最高位向前无进位（或借位），则结果发生溢出。反过来，如果次高位向最高位无进位（或借位），而最高位向前有进位（或借位），则结果也发生溢出。判据：对于8位二进制数，若D6位产生的进位（或借位）记为C6（即C6=1），D7位产生的进位（或借位）记为C7（即C7=1）

，则上述两种情况可表述为：

两个有符号数相加或相减时，若C7C6=1，则结果产生溢出。

对于16位二进制数，同理。1、十进制数的二进制编码：BCD码采用二进制数对每一位十进制数字进行编码的方法来表示一个十进制数，这种编码的十进制数叫做BCD码。优点：由于在机内采用BCD码进行运算绕过了二进制、十进制间的转换，从而节省了机器时间。BCD码有多种形式，最常用的是8421BCD码，它是用4位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值。1.2.6计算机中信息的编码2、字符编码在计算机中，字符是用二进制编码的形式表示。采用美国标准信息交换代码（ASCII码），它使用七位二进制编码来表示一个符号。

ASCII码共有128个符号（27=128），编号从0000000B到1111111B，存入计算机后为00000000B到01111111B

。1.2.6计算机中信息的编码英文大写字母A，B，…，Z的ASCII码是41H~5AH；数字符号0，1，…，9的ASCII码是30H~39H；英文小写字母a，b，…，z的ASCII码是61H~7AH

。3、汉字编码

汉字表示也采用二进制编码形式，目前使用我国制定的汉字编码标准GB2312-80，该标准共包含一、二级汉字6763个，其他符号682个。1.2.6计算机中信息的编码每个汉字都用14位（两个7位）二进制数进行编码，通常叫做国标码。如“啊”的国标码为1110000，1100001。存入计算机后为11110000，11100001。1.3常用术语解析位（bit）和字节(byte)字长主频（时钟频率）微处理器的生产工艺

数据在内存储器中的存储方式

字符串1.4计算机基础

指令程序和指令系统初级计算机的基本结构

简单程序举例

1.4.1指令程序和指令系统计算机要真正能够进行计算还必须要有软件的配合,首先是各种程序。计算机能脱离人的直接干预自动进行计算是由于人把实现该计算的操作步骤用命令形式(指令)预先输入到存储器中,执行时计算机把这些指令一条条地取出来,加以翻译和执行。例：两个数相加运算,需以下几步(设运算的数已在存储器中)第一步：把一个数从它所在存储单元中取出，送至运算器；(MOVAL,[2000H])第二步：把第二个数从它所在存储单元中取出，送至运算器；(MOVBL,[3000H])第三步：相加；

(ADDAL,BL)第四步：相加结果，送存储器指定单元。

(MOV[3500H],AL)1.4.1指令程序和指令系统指令是一组二进制编码信息，一条指令执行一种操作。包括两个内容：一是告诉计算机进行什么操作；二是指出操作数或操作数地址；指令两部分：操作码（OperationCode）和操作数(Operand)执行什么操作指明操作数本身或所在地址一条指令对应着一种基本操作；计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统（InstructionSet），是设计计算机时规定的。1.4.2简易计算机的基本结构微处理器存储器接口电路外部设备数据总线DB控制总线CB地址总线AB微处理器存储器接口电路组成三总线BUS:地址总线(AddressBus)控制总线(ControlBus)双向数据总线(DataBus)不考虑外部设备及接口电路，认为要执行的程序和数据已存入存储器微处理器结构ALUI2I1OALBLPLAIDIRFRPCARDR256字节RAM…内部数据总线存储器I/O接口ABDBI/O接口该CPU字长8位，所有寄存器、总线都是8位，内存为256个单元程序计数器地址寄存器数据寄存器标志寄存器通用寄存器▼微处理器概述微处理器的基本功能：通常把微型计算机的中央处理单元称为微处理器(Microprocessor)，是计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件。有8位、16位、32位、64位微处理器。1）可进行算术和逻辑运算；2）可保存少量数据；3）能与存储器、I/O接口交换数据；4）指令译码并执行规定操作；5）提供整个系统所需的定时与控制信号；6）响应其它部件发来的中断请求。微处理器组成是一个大规模集成电路器件，一般有下列功能部件：1）运算器实现数据的算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算（与、或、非、异或），又称算术逻辑运算单元（ALU）。2）控制器控制程序的执行，包括：（1）指令寄存器IR；（2）指令译码器ID；（3）定时与控制逻辑电路；（4）程序计数器PC。微处理器组成3）寄存器组

寄存器组相当于微处理器内部的随机读写存储器(RAM)，分为通用寄存器组和专用寄存器组两部分。4）内部总线内部总线是微处理器内部各个部件之间传送数据和控制信号的通路。通用寄存器组：有若干，存放参加运算的数据、中间结果或地址；如AL、BL等。专用寄存器组：（1）堆栈指示器SP：存放堆栈区栈顶地址，可自动加1或减1；（2）标志寄存器FR也称程序状态字（PSW）寄存器。（3）程序计数器PC：提供要执行指令地址；微处理器主要技术参数1）时钟频率，又称主频，MHz或GMHz；2）字长；7）微处理器芯片集成度。3）最大可直接寻址的内存（物理地址空间），由地址总线宽度（条数）决定；4）数据总线宽度；5）高速缓冲存储器容量和频率；6）流水线；存储器结构图F0HF1HF2HF3HF4HFFH地址译码器00H01H02H03H04HFFH控制CPU来的控制信号ABDB地址内容1.地址总线8位地址;2.AB;3.地址译码器;4.找到存储单元;5.对该存储单元内容进行读或写操作。

地址、数据总线8根，每个存储单元存8位。读写过程：存储器读操作示意图10000100FFH单元地址译码器00H04HFFH控制CPU来的读信号04HAB84HDB地址内容读操作：CPU从某存储单元取出内容的过程存储器写操作示意图00100110FFH单元地址译码器00H10HFFH控制CPU来的写信号10HAB26HDB地址内容写操作：CPU将数据写入某一存储单元的过程1.4.3简单程序举例第一步：编制一个程序；第二步：程序应该放入存储器中；第三步：是执行程序。（1）取指令（2）译码（3）执行1.4.3简单程序举例例如：两个数7和10相加，程序如下：

MOV AL，7 ；AL7 ADDAL，10 ；ALAL+10 HLT ；停机该程序机器码： 10110000 00000111 00000100 00001010 11110100MOVAL，7ADDAL，10HLT1.4.3简单程序举例指令存放在存储器00H开始的单元：101100000000011100000100000010101111010000H01H02H03H04H地址内容000000000000000100