第一章微机原理

微型计算机原理与接口技术西安理工大学高科学院汤晓方QQ：4549688521、本课程教学目的和任务

本课程为电子信息学院各专业的主干专业基础课程。它的任务是使学生掌握微型计算机的基本原理和结构，汇编语言程序设计方法，内存扩展方法，I/O口与CPU数据交换方式及中断技术。为专业技术课所需的微机知识打下良好的基础。2、本课程的教学环节组成本课程由理论教学、实验教学两部分组成：理论教学4学分50学时基础理论课堂教学，配以习题的方式。实验教学14学时验证的方式。

3、本课程的学习方法软件与硬件的结合和交叉前、后内容的结合和交叉本章内容提要:微型计算机系统的基本术语微型计算机系统的发展与分类微型计算机的系统组成

第一章微型计算机概论运算器

控制器寄存器组

内存储器总线输入输出输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统区别3个概念1.1微型计算机系统的基本术语明确3个概念的区别（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、微型机（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统微处理器微型计算机微型计算机系统1.1微型计算机系统的基本术语接口接口（interface）是微处理器与I/O的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站。1.2微型计算机系统的发展与分类1.2.1微型计算机系统的发展1.2.2微型计算机的分类1.2.1微型计算机系统的发展

年代

CPU(中央处理器)1971~1972 Intel4004/80081973~1977 Intel80801978~1980 Intel8086/80881981~1989 Intel80286/803861990~至今 Intel80386/80486 Pentium586 PentiumⅡ PentiumⅢ PentiumⅣ1971年第1台微型计算机诞生微型计算机的发展老式电脑IBM-PC586电脑Pentium多媒体电脑笔记本电脑掌上电脑等离子交互电脑显示微处理器的发展1971.11，Intel公司第一枚微处理器芯片4004，4位机，它总共集成了2200个晶体管。1972年4月，Intel公司宣布另一种型号的微处理器8008研制成功。8位机。1975年1月，Motorola公司宣布推出它的8位微处理器6800。1979年，Intel公司推出了Intel8086/8088微处理器。1983年，Intel公司推出了Intel80286微处理器，它是完全16位微处理器。1985年，Intel公司推出了Intel80386微处理器。1989年，Intel公司推出了Intel80486微处理器。1993年3月，Intel公司推出了名为Pentium（经典奔腾）的微处理。1995年11月Intel公司又推出了PentiumPro（高能奔腾）。1997年1月，Intel公司又推出了PentiumMMX（多能奔腾）。1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ（奔腾二代）1999年2月，Intel公司推出了PentiumⅢ（奔腾三代）2000年11月，Intel公司推出了Pentium4（奔腾四代）。2001年5月，Intel公司推出了64位微处理器Itanium。

Intel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentiumIIIntelPentiumIIIIntelPentiumIV1.2.2微机计算机的分类

按微型计算机组成分类

（1）多板机：微型计算机各组成部分装配在多个印刷电路板上的微型计算机应用：如PC机（台式、便携式、手持式）（2）个人微机(PC机)：微型计算机各组成部分装配在一个印刷电路板上的微型计算机应用：用于教学、实验等（3）单片机：微型计算机的各组成部分集成在一个超大规模芯片上，称之为单片微型计算机，简称单片机。应用：广泛用于测控系统、仪器仪表、工业控制、通信设备、家用电器等。因单片机广泛用于嵌入式系统，亦被称为微控制器（microcontroller）。1.2.2微机计算机的分类

按微型计算机组成分类

（4）位片机：微型计算机的各组成部分以MC=MPU（ALU+R+CU）+M+I/O接口的形式，配套积木式组装，字长、指令系统灵活、可变、易扩展。应用：广泛用于高速实时专用系统，如自控系统、武器系统、语音系统、高速外设等。位片机用多个位片组成任意字长的处理器。1.2.2微机计算机的分类

按内部存储器的组成分类

（1）普林斯顿机：程序和数据存于同一内存系统中，如通用微型计算机。

（2）哈佛机：程序和数据分存于严格区分的两个内存系统中，如单片机，DSP等。

1.2.2微机计算机的分类

按用途分类

（1）个人计算机（PC）：通用微型机，体积小、价格低廉，主要为每次一人使用，用户界面“友好”。又可分为台式、便携式、手持式。

（2）工作站（workstation）：这里的工作站是指，具有完整的人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络功能完善，使用多任务、多用户操作系统的小型通用个人化的计算机系统。

微型计算机应用的两个方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：工控机、单片机可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小1.3微型计算机的系统组成1.3.1微型计算机系统构成1.3.2IBMPC/XT微机系统1.3.1微型计算机的系统组成微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成1.3.1微机计算机系统构成

微型计算机硬件(1)主机

微处理器（CPU）。微处理器包括运算器、控制器和寄存器几个部分。运算器可以完成算术运算和逻辑运算。控制器由指令寄存器、指令译码器和一些时序控制电路组成。控制器根据指令的要求，对CPU内部和外部发出相应的控制信息，使微型机各部件协调地工作，完成指令要求的操作。CPU内部的寄存器用于存放运算过程中的数据。

存储器（memory）。存储器是微机的存储和记忆部件，用以存放程序代码和运算需要的数据。内存通常使用半导体存储器。各种存储设备输入/输出接口（I/Ointerface）。CPU要与很多外部设备进行数据传送，必须通过输入/输出接口，所以输入/输出接口是CPU与外设之间的桥梁，这个接口也叫I/O适配器。各种接口卡主板主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有CPU插座、内存插座、扩展卡插座、输入输出系统、总线系统、电源接口等。主板是一个母体，其他的部件或直接插接在主板上，或通过电缆电线连接在主机板上。主板1.3.1微机计算机系统构成微型计算机硬件（2）外部设备外部设备主要指输入设备和输出设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、模数转换器；常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、数模转换器。磁盘、磁带既是输入设备，又是输出设备，而多数光盘是只读的，只能做输入设备。（3）总线微型计算机主要是由微处理器、存储器、I/O接口和I/O设备所组成的，这些部件使用系统总线连接起来。系统总线就是一组传送信息的公共导线，分为3组，即地址总线AB（addressbus）、数据总线DB（databus）、控制总线CB（controlbus）。AB传送CPU发出的地址信息，是单向总线。DB在CPU与内存（I/O接口）之间传送数据，是双向总线。而控制总线CB是每一根起一种固定的作用。1.3.1微机计算机系统构成微型计算机的结构1.3.1微机计算机系统构成微型计算机软件微型计算机的软件是为完成运行、管理和测试维护等功能而编制的各种程序的总和。计算机软件分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统（如DOS及Windows、UNIX、Linux等）和系统应用。系统应用包括各种语言的汇编、编译程序、自诊断程序、文字处理程序、各种工具软件、数据库管理程序等。应用软件包括用户为解决各种工程实际应用而编写的程序，例如数控机床的插补程序、控制系统的控制程序等。1.3.2IBMPC/XT微机系统1.IBMPC/XT的配置以8088为CPU的PC/XT机由主机和外部设备组成，主机采用大底板结构，放置在机箱底部。(1）系统板系统板也叫主板，分为5大部分。CPU及其外围配套芯片、ROM、RAM、I/O接口、I/O扩展槽。(2)ROMPC/XT机只读存储器ROM的容量为64KB，其中有32KB固化了BASIC解释程序，8KB的基本输入/输出系统BIOS。BIOS是一组管理程序，它包括加电自检程序、DOS引导程序、日历钟管理程序、基本外设如键盘、CRT显示器、打印机等驱动程序等。1.3.2IBMPC/XT微机系统(3)RAM原装PC机的随机存储器芯片共4列，每列9片，共36片，组成带奇偶校验的64KB内存。而后期的兼容机，由于存储器集成度的大大提高，系统板上内存容量为640KB。586机型，内存的配置高达32～128MB，采用内存条。(4)I/O接口电路及总线部分系统板上还有音频盒式磁带机、键盘接口、扬声器接口电路，磁带机接口已经很少使用。IBMPC/XT的主机板上有8个扩展槽，用于插入不同功能的插件板，以连接各种外设，如外设适配器。IBMPC/XT为62芯总线。它与I/O槽的62线相连，62芯总线包括8位数据线（双向），20位地址线，IRQ2～IRQ7中断请求线，3位DMA控制线，4位电源线，3位地线以及存储器和外设读写线，时钟信号线等。1.3.2IBMPC/XT微机系统2.IBM-PC/XT和外设的连接配置一个基本系统，一般还需要一个I/O插槽放置多功能卡，它有软盘驱动适配器和硬盘驱动适配器、打印机适配器、串口等，还有一个扩展槽插入彩色显示适配器，还可用扩展槽插入其他外设接口。IBMPC/XT和外设的连接如图所示。1.3.2IBMPC/XT微机系统补充1：数制及数的转换进位计数制是指采用一组固定的符号和统一的规则，并按进位的原则进行计数的数值表示方法。进位计数制

例如：十进制记数（逢十进一），十二进制（十二月为一年）、二十四进制（一天24小时）及六十进制（每分钟60秒、每小时60分钟）、二进制（两只鞋为一双）等。现实世界中的信息在计算机内部必须采用二进制编码。由于二进制的基数比较小，表示较大数据时位数比较多，在计算机科学和程序设计中表述比较繁琐，所以引入了与二进制相互转换更便捷的八进制和十六进制进位计数制的基本信息（1）记数符号。也称为数码，例如十进制采用10个记数符号，分别是0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。（2）基数。是记数符号的个数，例如十进制共有10个记数符号，所以其基数为10。（3）进位规则。例如十进制数相邻两位之间采用“逢十进一”的进位规则。（4）权值。权值的大小是以基数为底、数码所在位置的序号为指数的整数次幂，如十进制的个位数位置的权值是100，十位数位置上的权值为101，百位数位置上的权值为102，小数点后1位的权值为10-1等。（5）表示方法。B代表二进制，用O代表八进制，用H代表十六进制，用D代表十进制，D可以省略。具体表示时，数值放在小括号内，后面加上一个表示数制的大写字母作下标，例如：(11001.11)B，(257.31)O，(34AD.31)H，(549.65)D或者549.65计算机中常用的各种进制数的表示进位制二进制八进制十进制十六进制进位规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r＝10r=16基本符号0，10，1，2，…，70，1，2，…，90，1，…，9，A，B，C，…，F权值2i8i10i16i表示形式BODHN=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-mr进制数N可表示为：R进制数用r个基本符号（例如0，1，2，…，r-1）表示数值基数权数码678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-2不同进位计数制间的转换r进制数转换为十进制数的方法是将该数值的各个数码与该数码所在位置的权值的乘积进行累加，1．r进制数转换为十进制数例如：将二进制数11001.11转换为十进制数：（11001.11）B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2=（25.75）D例如：将十六进制数A12转换为十进制数：（A12）H=10×162＋1×161＋2×160=（2578）D将十进制数转换为r进制数时，对整数部分和小数部分分别进行转换。2．十进制数转换为r进制数整数部分：除基数取余数，逆序排列用这个十进制数的整数部分除以基数r，保留本次运算得到的余数，继续用本次运算得到的商除以基数r，保留余数……直到商为零，把每次运算得到的余数按逆序排列就是这个数的r进制整数。例如，将（78.625）D转换成二进制数必须将78和0.625分别转换78=（1001110）B小数部分：乘基数取整数，顺序排列用这个十进制数的小数部分乘以基数r，把得到的积的整数部分保留，而把积的小数部分继续乘以基数r，直到积为零，把每次乘法运算得到的整数部分按顺序排列，就得到这个数的r进制小数。0.625=（0.101）B（78.625）D=（1001110.101）B

例如，将（193.12）D转换成八进制数

由于小数部分0.12不能精确地转换成一个八进制小数，在这里取小数点后三位。最后一次乘积的整数部分是5，小数部分是0.44，按照“三舍四入”的原则，第三位小数取6。所以转换结果为：（193.12）D≈（301.076）O计算机中常用数制基本数值转换对照表3．二进制数、八进制数和十六进制数间的相互转换

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000000810001081001119100111920102210101012A30113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117715111117F二进制转换为八进制八进制与二进制的基数存在特殊关系：8=23，即1位八进制数相当于3位二进制数，根据这种对应关系，二进制数转换成八进制数时，以小数点为中心向左右两边分组，每3位为一组，两头不足3位补0，然后将每组二进制数转换成一个八进制数。例如：将二进制数（10101110.0010101）B换转为八进制数（010

101

110.001

010

100）B=（256.124）O256124八进制转换为二进制八进制数转换成二进制数时，只要依次将每一位八进制数转换成三位二进制数表示，然后取消整数前的高位0和小数后的低位0即可。例如：将八进制数（654.731）8换转为二进制数（654.731）O=（110

101

100.111

011

001）B654731二进制转换为十六进制十六进制与二进制的基数存在特殊关系：16=24，即1位十六进制数相当于4位二进制数，根据这种对应关系，二进制数转换成十六进制数时，以小数点为中心向左右两边分组，每4位为一组，两头不足4位补0，然后将每组二进制数转换成一个十六进制数。例如：将二进制数（10101110.0010101）B换转为十六进制数的过程（1010

1110.0010

1010）B=（AE.2A）HAE2A十六进制转换为二进制十六进制数转换成二进制数时，只要依次将每一位十六进制数转换成4位二进制数表示，然后取消整数前的高位0和小数后的低位0即可。例如：将十六进制数（CBA.98）H换转为二进制数的过程（CBA.98）H=（1100

1011

1010.1001

1000）B=（11011011.10011）BCBA98符号（正、负数）：在计算机中，总是用数的最高位来 表示数的符号，0代表正数，1代表负数；计算机中的数据可以分为数值型数据和非数值型数据两大类。数值型数据指的是能参加算术运算的数据。在计算机内部采用二进制表示数值型数据。首先要确定：数值型数据在计算机中的表示补充2：计算机信息编码有符号数可有三种表示方法，分别叫做原码、反码和补码。原码、反码、补码（1）原码：符号位的0表示正，1表示负；其数值部分就是X绝对值的二进制表示例：二进制数+1000110的原码表示为：01000110二进制数－1000110的原码表示为：11000110一个字节数据原码表示范围： -127≤X≤+127（2）反码：对于正数，与原码相同；对于负数，符号位为1，其数值部分就是X绝对值的二进制取反。二进制数－1000110的反码表示为：10111001例：二进制数+1000110的反码表示为：01000110一个字节数据反码表示范围： -127≤X≤+127（3）补码：对于正数，与原码相同；对于负数，符号位为1，其数值部分就是X绝对值的二进制取反最右加1，即反码加1。补码表示范围：-128≤X≤+127（-128=10000000）例：二进制数+1000110的补码表示为：01000110二进制数－1000110的补码表示为：10111010可以证明：两个补码形式的数（无论正负）相加，只要按二进制运算规则运算，得到的结果就是其和的补码。即有：[X+Y]补=[X]补+[Y]补

数的长度：指一个数据在计算机中所占用的实际位数。同样类型的数据，无论大小，其数据长度都一样。当长度不一致时，高位补0。位（bit）：是计算机表示信息的最小单位，由1位二进制数表示，或者为0，或者为1。如（11011001）B由8个二进制位组成，因此我们称它占用8个二进制位，或称8bits。字节（Byte）：简称B，是计算机处理信息的最基本单位，一个字节由8个二进制位组成，通常作为存储容量的计量单位。字(Word):指计算机进行数据处理，包括运算，传输等，所使用的基本信息单位，由若干个二进制位组成字长WordLength):指一个字所包含的二进制数据位数。数值型数据的两种表示方法纯二进制数，前面介绍的就是这种形式。压缩十进制数形式(BinaryCodeDicemal)每位十进制数用四位二进制数表示。1111842123222120十进制数BCD码十进制数BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001例:126D的纯二进制方式和BCD方式表示纯二进制方式：126D=1111110BBCD方式：126D=000100100110B126字符在计算机中的表示

ASCII码ASCII-AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国标准信息交换码

；7位编码，存储时占一个字节(Byte)，第８位一般为0；共128个编码，27＝128包括大小写英文字母（各26个）阿拉伯数字（10个）标点符号和运算符（32个）控制码（34个）例如：“a”字符的编码为1100001，对应的十六进制数是62H低位LSB高位MSB00001001201030114100510161107111012345000000010010001101000101NULSOHSTXETXEOTENQDLEDC1DC2DC3DC4NAKSP！″#$%012345@ABCDEPQRSTU、abcdepqrstu6789A01100111100010011010A