计算机硬件基础

计算机硬件技术基础A

大连交通大学

电气信息学院自动化教研室

A本课程的主要任务

►了解和掌握微型计算机的基础知识

►了解和掌握硬件组成与工作原理

►了解和掌握汇编语言程序设计方法

►了解和掌握存储器原理及与CPU连接方法

►了解和掌握计算机接口技术基本内容

A本课程的主要内容

►第一章微型计算机基础知识

►第二章8086/8088CPU的指令系统

►第三章汇编语言程序设计

A第四章存储器系统

►第五章1/O接口与中断技术

►第六章常用并行接口及串行接口

考核方式

►平时作业10%

►实验工0%)

►期末考试80%

第一章微型计算机基础知识

A本章主要内容：

■了解微型计算机的发展、应用及其分类

■掌握计算机数据的表示

■掌握计算机的组成结构

■理解微型计算机的工作过程

微型计算机发展概述

世界上第一台现代意义

的电子计算机是1946年

美国宾夕法尼亚大学设

计制造的"ENIAC”

占地上百平方米

重量几千吨

功耗几十千瓦

计算机的发展及分类

■电子计算机的发展：

A电子管计算机(1946-1956)

a晶体管计算机(1957-1964)

A中小规模集成电路计算机(1965-1970)

、A超大规模集成电路计算机(1971-今)/

■电子计算机按其性能分类：

a大型计算机/巨型计算机(MainframeComputer)

_a中型计算机

a小型计算机(Minicomputer)

a微型计算机(Microcomputer)

a单片计算机(Single-ChipMicrocomputer)

发表字长线宽晶体管数时钟频率速度

代型号

年份(bits)（卬1）（万个）（MHz）(MIPS)

1971440040.2

--------*50<10.05

1972880080.3

—-197488080200.52-40.5

19788086/80882.94.77-10<1

162-3

19828028613.48-161-2

19858038627.516-336-12

四321-2

19898048612025-6620-40

五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200

1995P/Pro0.6550133-200

1996P/MMX0.6450166-233

六199732PII0.35750233-450>300

1999PHI.25-13850450-1200

2001P4.18-1310001300-2400

2002CPU:2.5K800（20条指令/

七64Itanium0.13>3000

?■Cache:30K时钟周期）

1-1计算机中数据的表示和编码

计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，

二进制数只有两个数字。和1,这与我们日常生活中

所使用的十进制数不同。

一、常用计数法

十进制一符合人们的习惯

二进制一便于物理实现.

十六进制一便于识别、书写

八进制一便于识别、书写

L十进制数

特征描述

►用0,1,2,…，8,9十个不同的符号来表示数值

►采用“逢十进一，借一当十”的原则

►权为1011

表达式_____________________________________

2,二进制数

特征描述

►用。和工两个符号表示数值

►它采用的是“逢二进一，借一当二”的原则

►权为2n

表达式

3,十六进制

特征描述

►特点：有0—9及A・・F共16个数字符号表示不同的

位

►以16为底，逢16进位

►权为16n

表达式

L2各进制数间的转换

L非十进制数到十进制数的转换

按权表达式展开，再按十进制求和。

例:10110010B=(?)10

13FAH=(?)10

2.十进制到非十进制数的转换

A十进制一二进制的转换：

整数部分：除2取余；

小数部分：乘2取整。

A十进制一十六进制的转换：-

整数部分：除16取余；

小数部分：乘16取整。

以小数点为起点求得整数和小数的各个位。

3.二进制与十六进制间的转换

►用4位二进制数表示1位十六进制数

例:10110001001.110=(?)H

010110001001.1100

589.C

1.3二进制数的运算

无符号数算术运算

有符号数逻辑运算

一、无符号数的运算

算术运算包括：

加法运算

减法运算

乘法运算

除法运算

1.规则

A加法：1+1=0（有进位），…

A减法：0-1=1（有借位），…

A乘法：…，乘以2相当于左移一位；

除法：…，除以2则相当于右移1位。

例：00101110X0000010=?

00101110/00000010=?

2.无符号数的表示范围

a一个n位的无符号二进制数X,其表示范围为

►0<X<2n-l

A若运算结果超出这个范围，则产生溢出。

A判别方法：

►运算时，当最高位向更高位有进位（或借

位）时则产生溢出。

m：

11111111

+00000001

100000000

结果超出8位（最高位有进位），发

生溢出。（结果为256,超出8位二进

制数所能表示的范围255）

3.逻辑运算

a与(A)、或(V)、非(一)、异或(㊉)

A特点：按位运算，无进借位

A运算规则

:、有符号数

A计算机中有符号数的表示

-把二进制数的最高位定义为符号位

♦A符号位为。表示正数，符号位为1表示负数

■连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。

-机器数所表示的真实的数值，称为真值。一

（以下均以8位二进制数为例）

［例］:

真值机器数

'_____________入_____________,_______________________人____________、

+52=+0110100=00110100

/■^

符号位数值位

//

-52=-0110100=10110100

1.有符号数的表示

A对于有符号数，机器数常用的表

示方法有原码、反码和补码三种。

数X的原码记作［X］原，反码记作

凶反,补码记作［X］补。

注意：对正数，三种表示法均相同。

它们的差别在于对负数的表示。

•原码［X］原

A定义

符号位：。表示正，1表示负；

数值位：真值的绝对值。

v［X2〃T>X、0

X=<1।।

r-1+|x|o>x>-2"T

原码的例子

符号符号位

真值X=+18=+0010010原码[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]=10010010

n位原码表示数值的范围是

-Q7-1-1-1)

对应的原码是〜Oll.lo

数0的原码

A8位数。的原码：+0=00000000

-0=10000000

即：数0的原码不唯一。

•反码［X］反

A定义

若X>0,则［X］反=［X］原

若XvO,则［X］反二对应原码的符号位

不变，数值部分按位求反

v［X2"T>X》0

(2n-l)+X0>X>-2〃T

反码的例子

►X=-52=-0110100

[X]M=10110100

[X]反=11001011

反码的例子

符号符号位

真值X=+18=+0010010反码[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

n位反码表示数值的范围是

一(2〃-1一I——)

对应的反码是100・・.0〜Oil...Io

0的反码

[+0]反=00000000

[-0]反=11111111

即：数。的反码也不是唯一的。

•补码

定义：

A若X>0,则凶补二凶反=凶原

A若XVO,则凶补二凶反+1

_jx2"T>X30

X--|X|0>X3-2"T

补码的例子

X=-52=-0110100

rXT

LJ原二10110100

rXT

LJ

X反=11001011

rT

LJ补=[X]反+1=11001100

n位补码表示数值的范围是

-2nl〜+(2"T-1)

对应的补码是100…0〜Oil.Io

。的补码:

►[+0U=[+0*00000000

卜反

►[-0]#=0]+L1111+1

=100000000

/

对8位字长，进位被舍掉

补=

4・・・[+0][-0]#=00000000

特殊数10000000

A该数在原码中定义为：-0

A在反码中定义为：・127

A在补码中定义为：-128

A对无符号数：(10000000)2=128

8位有符号数的表示范围:

a对8位二进制数：

■原码：-127~+127

■反码：-127~+127

■补码：-128~+127

想一想:16位有符号数的表示范围是多少?

2.有符号二进制数与十进制的转换

对用补码表示的二进制数:

1）求出真值

2）进行转换

[例]:

A将一个用补码表示的二进制数转换为十进制

数。

真值为：

1)[X]#=001011106

+0101110Bt

正数

所以：X=+46

2)[X]#=11010010B

负数

X=[[X]补]补=[11010010]补

=-0101110B

所以：x=-46

[例]:

A将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。

1)[X]#=00101U0B真值为：+0101110B

所以：X=+46

2)[X]#=11010010B

负数

t

x=[[X]补]补=[11010010]补

=-0101110B

所以：X=-46

3.补码加减法的运算规则

A通过引进补码，可将减法运算转换

为加法运算。规则如下：

[X+Y]补=[X]补+[Y]补

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补

其中x,丫为正负数均可，符号位参与运算。

补码的运算原理

模(module)就是一个计数系统的最大容量，其大小等于以进

位计数制基数为底，以位数为指数的哥。凡是用器件进行的运

算都是有模运算，运算结果超过模的部分被运算器自动丢弃。

因此，当器件为n位时，有

X=2n+X(mod2n)

不难验证，

nn

[X]#=2+X(mod2)

因此，

[X土丫]补=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n+X)(mod2n)

=[X]补+[±Y]补

［例］:

►X=-0110100,Y=+1110100,求［X+Y］补

a［X］原=10110100

凶反

►［X］#=+1=11001100

►［Y］#=［丫］原=01110100

A所以：［X+Y］补=［X］补+［Y］补

=11001100+01110100

=01000000

4.符号数运算中的溢出问题

►进（借）位一

■在加法过程中，符号位向更高位产生进位；

■在减法过程中，符号位向更高位产生借位。

A溢出——

■运算结果超出运算器所能表示的范围。

溢出的判断方法

►方法1:

■同号相减或异号相加——不会溢出。

■同号相加或异号相减——可能溢出：

A两种情况：

同号相加时，结果符号与加数符号相反——溢出;

异号相减时，结果符号与减数符号相同——溢出。

►方法2：

-公式判别:

------[0无溢出

S7A7B7+S7A7B7=<一、…

7777771有溢出

［例Lw,有'溢出„

»无符号数运算，有进位表示结果是正确

OV=S7A7B7+S7A7B7=0*l*l+l*0*0=l

CASE1:CASE2:

1011010101000010

10001111+01100011

0100010010100101

CASE3:

01000010

+11001101

100001111

OV=S7A7B7+S7A7B7=O*O*l+O*O*l=0

1.4二进制编码

一.十进制数的表示BCD码

A用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：

压缩BCD码和非压缩BCD码。

►压缩BCD码的每一位用4位二进制表示，00003001

表示0~9,一个字节表示两位十进制数。

例如：十进制数4256的压缩BCD码表示为：0100

001001010110B

A非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位

总是0000,低4位的0000~1001表示0~9。

例如：十进制数4256的非压缩BCD码表示为：

xxxxOlOOxxxxOOlOxxxxOlOlxxxxOHOB

二.ASCII码

A采用7位二进制代码对字符进行编码

A数字0~9的编码是011-011,它们的

高3位均是011,后4位正好与其对应的二进制

代码(BCD码)相符。

A英文字母A~Z的ASCII码从1000001(41H)开

始顺序递增，字母a~z的ASCII码从1100001

(61H)开始顺序递增，这样的排列对信息检

索十分有利。

A最高位通常总为0,有时也用作奇偶校验位。

ASCH码一美国标准信息交换代码

0000010101ioo丁

00双NULDLESP0@Pp

0001、、SOHDC111AQaq

0010STXDC2fl2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENGNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

1

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYy

1010LFSUB*•JZjz

1011VTESC+Kk{

1100FFFS<L\1

-

1101CRGS-=Mm)

1110SORS•>N个n

1111SIUS/?O<-0DEL

注：H表示高3位，L表示低4位。

三、计算机中常用术语

►bit

►lMb=1024xl024bit=220bit

►lGb=230bit=1024Mb

►lTb=240bit=1024Gb

►Byte

►1Byte=8bit,1KB=1O24Byte

►Word

a表示字长，有lbit,4bit,8bit,16bit等

一般情况下为2Byte(16bit)

1.5微型计算机的一般概念

1.5.1中央处理器的组成

中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。

1、运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。

功能：（1）、对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算,

如加、减、乘、与、或、非运算等。

（2）、暂时存放参与运算的数据和中间结果。

2、控制器

控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机

程序功能。

由程序计数器(IP)、指令寄存器(IR)、指令译码

器(ID)和时序信号发生器组成。

(1)、程序计数器(IP):程序指令所在单元地址。

(2)、指令寄存器(IR)：保存当前正在执行的一条

指令。

(3)、指令译码器(ID)：将指令的操作码翻译成机

器能识别的命令信号。

(4)、时序信号发生器：根据指令译码器(ID)产生

的命令信号产生具体的控制信号。

1、微处理器

微处理器（CPU）是大规模集成电路技术做成的芯片,

芯片内集成有控制器、运算器和寄存器等相关部件，

完成对计算机系统内各部件进行统一协调和控制。

2、存储器

SRAM

功能：存放程序和数据。RAMDRAM

内存（主存）ROM

ROMEPROM

存储器E2PROM

盘

软

盘

外存（辅存）硬

盘

光

3、I/O设备和I/O接口

（1）、I/O设备：微机配备的输入/输出设备（外设）。

标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。

键盘

输入设备鼠标

扫描仪、数码相机

I/O设备

显示器

输出设备打印机

绘图仪

(2)、I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号

转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。

显示器卡：完成显示器与总线的连接。

声卡：完成声音的输入/输出。

网卡：完成网络数据的转换。

扫描卡：连接扫描仪到计算机。

调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。；

键盘接口、打印机接口等。一

232接口：串行数据接口。

USB接口：通用串行接口。

4、系统总线

(1)总线：传递信息的一组公用导线。

(2)系统总线：从处理器引出的若干信号线，CPU通

过它们与存储器或I/O设备进行信息交换。系统总线分

为：

(A)地址总线：传递地址信息的总线，即AB。CPU

在地址总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地

址，该总线为单向总线。

内存容量的计算：16条地址线可访问2伍=64KB。

20条地址线可访问22。=1MBo

IK=1024B1M=1024KB1G=1024MB

(B)、数据总线：传递数据信息的总线，即DB。

在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过数据总

线送往CPU；

在CPU进行写操作时，CPU数据通过数据总线送往内

存或外设，数据总线是双向总线。

(C)、控制总线：传递控制信息的总线，即CB。

控制总线的方向：

一部分是从CPU输出：通过对指令的译码，由CPU内

部产生，由CPU送到存储器、输入/输出接口电路和其

它部件。如时钟信号、控制信号等。

另一部分是由系统中的部件产生，送往CPU,如：中

断请求信号、总线请求信号、状态信号。

控制总线的部件（总线主控设备）：

CPU和DMA控制器。

被总线控制的部件（总线控制设备）：

存储器和I/O设备。

总线的使用特点：

1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线,

其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。

2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻只能有一发

送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得

信号。]

3、通过总线插槽来接口板连接。

1.5.3微型计算机系统的组成

一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和

软件的结合，才能使计算机正常工作运行。

计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理

装置，称为硬件或裸机。

计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所

编制的所有程序及文档的总和。

依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。

1.5.4微型计算机的工作过程

在进行计算前，应做如下工作：

（1）用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；

（2）用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的

机器语言程序；

（3）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

MOVA,05HBOH05H；把05送入累加器A

ADDA,06H04H06H；06与A中内容相加，

结果存入累加器A

HLTF4H;停止所有操作。

1、取指令阶段的执行过程：(设程序从00H开始存放)

(1)、将程序计数器(PC或IP)的内容送地址寄存器AR。

(2)、程序计数器PC的内容自动加1变为01H,为取下一条指

令作好准备。

(3)、地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码

器译码，选中00H单元。

(4)、CPU发出“读”命令。一

(5)、所选中的00单元的内容BOH读至数据总线DB上。

(6)、经数据总线DB,读出的B0H送至数据寄存器DR。一

(7)、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译

码CPU“识别”出这个操作码为“MOVA,05H”指令，于是控

制器发出执行这条指令的各种控制命令。

2、执行指令阶段的执行过程：

(1)、将程序计数器(PC或IP)的内容送地址寄存器AR。

(2)、程序计数器PC的内容自动加1变为02H,为取下一条指

令作好准备。

(3)、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译

码器译码，选中01H单元。

(4)、CPU发出“读”命令。

(5)、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。

(6)＞经数据总线DB,读出的05H送至数据寄存器DR。-

(7)、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它

送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入

累加器A中。

1.68086/8088微处理器

1.6.18086/8088微处理器的结构及执行程序的操作过

程

8086：Intel系列的16位微处理器，16条数据线、20条

地址线，可寻址地址范围22O=1MB,8086工作时，只

要一个5V电源和一个时钟，时钟频率为5MHz。

8088：内部与8086兼容，也是一个16位微处理器，只

是外部数据总线为8位，所以称为准16位微处理器。它

具有包括乘法和除法的16位运算指令，所以能处理16

位数据，还能处理8位数据。8088有20根地址线，所以

可寻址的地址空间达220即1M字节。

通

用

寄

存

器

1、总线接口部件

功能：

(1)、从取指令送到指令队列。

(2)、CPU执行指令时，到指定的位置取操作数,

并将其送至要求的位置单元中。

总线接口部件的组成：

(1)、四个段地址寄存器

CS,16位代码段寄存器；：

DS,16位数据段寄存器；

ES,16位附加段寄存器；-

SS,16位堆栈段寄存器。

(2)、16位指令指针寄存器IP(PC)o

(3)、20位的地址加法器。

(4)、六字节的指令队列缓冲器。

说明：

(1)、指令队列缓冲器：在执行指令的同时，将取下

一条指令，并放入指令队列缓冲器中。CPU执行完一

条指令后，可以指令下一条指令(流水线技术)。提

高CPU效率。

(2)、地址加法器：产生20位地址。CPU内无论是段

地址寄存器还是偏移量都是16位的，通过地址加法器

产生20位地址。

2、执行部件

作用：

(1)、从指令队列中取出指令。

(2)、对指令进行译码，发出相应相应的控制信号。

(3)、接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。

(4)、进行算术运算。二

执行部件的组成：

(1)、四个通用寄存器AX、BX、CX、DXo'

四个通用寄存器都是16位或作两个8位来使用。：

(2)、专用寄存器

SP一一堆栈指针寄存器

BP一一基址指针寄存器

DI----目的变址寄存器

SI——源变址寄存器

(3)、算术逻辑单元ALU

完成8位或者16位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。

(4)、数据暂存寄存器

协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。]

(5)、执行部件的控制电路

从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电路

分析，发出相应的控制命令，控制ALU数据流向。

(6)、标志寄存器1-低8位有偶数个1

16位寄存器，其中有7位未用。0■低8位有奇数个1

D15D0

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

单

符

零

半

奇

进

号

步

偶

标

进

借

标

标

中

志

借

志

志

断

位

心

一

标

溢

1-结果为o志

出

有进、借位

标0■■结果不为01-

志0-无进、借位

VI----------------------------------------------------