A01-4 第1章 微型计算机基础

武汉大学电子信息学院微机

原理

与

接口

技术

典型机型：IBMPC系列机I/O接口电路及与外设的连接硬件：接口电路原理软件：接口编程方法基本系统：8086（8088）CPU第1章微型计算机基础1.1微型计算机概述1.2微型计算机系统1.3计算机中的数制及其转换1.4计算机中数与字符的编码

世界上第一台电子计算机是1943-1946年美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)。

1.1微型机算机概述

1.1.1计算机的发展ENIAC(1946)掌上电脑(2000)根据计算机所采用的逻辑器件的发展，将其分为四代：第一代：电子管计算机时代（1946-20世纪50年代后期）第二代：晶体管计算机时代（20世纪50年代中期到60年代中后期）第三代：集成电路计算机时代（20世纪60年代中期到70年代前期）第四代：大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代开始）*微型计算机是第四代计算机的典型代表。电子管计算机(1946—1956)晶体管计算机(1957—1964) 集成电路计算机(1965—1970)

大规模集成电路计算机(1971—至今)

用机器语言、汇编语言编写程用于军事和国防尖端技术 开始使用高级语言开始用于工程技术、数据处理和其它科学领域采用微程序、流水线等技术，提高运行速度出现操作系统、诊断程序等软件采用半导体存储器采用图形界面操作系统器件速度更快,软件、外设更加丰富主要特点现代计算机的结构基础：存储程序控制结构

1945年，由美籍匈牙利数学家JohnVonNeumann提出,称为冯•诺依曼计算机。其工作原理可概述为：“存储程序”+“程序控制”要点：

1．以二进制表示数据和指令(程序)。 2.先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行。1.1.2微型计算机的特点功能强可靠性高价格低适应性强周期短见效快（研制周期短，产品系列化，便于组建系统）体积小，重量轻，耗电小维护方便应用面广科学计算，数据处理，事务管理，教学培训计算辅助设计和制造，家庭娱乐，网络通信了解微型计算机的应用，明确学习本课程的目的！早期：科学计算。特点：没有很强的实时性要求，不需要专用I/O设备。60年代后重点转移：信息处理、过程控制。特点：实时性强，需要专用I/O设备。因此，需掌握：（1）汇编语言编程——实时性强，要求程序精练，运行快。（2）接口技术——专用I/O设备与计算机的连结和程控。1.1.3微型计算机的指标1、字长微机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。它与微处理器内部寄存器及CPU内部数据总线宽度是一致的，字长越长，所表示的数据精度就越高。当精度相等时，字长较长的微处理器运算速度快。*字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。不同类型的CPU有不同的字长。如:Intel4004是4位8080是8位8088/8086/80286是16位80386/80486、Pentium是32位10101100011001011001100001000011被加数

+11000011110000110001010101011000加数进位

11111111111101110000001010001010110110011011和

4位8次8位4次16位2次32位1次2、存储容量

存储容量是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。下面是几个常用概念：位：(bit)

指计算机能表示的最基本最小的单位。在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位就是一个二进制位，有两种状态，“0”和“1”

字节：(Byte)8位二进制数称为一个字节1Byte=8bit

字：(Word)16位二进制数称为一个字1Word=2Byte

双字：（Dword)32位二进制数称为一个双字1DWord=2Word=4Byte*存储器容量以字节为最基本的计量单位。1字节——1B1024B——1KB1024KB——1MB1024MB——1GB

位1或01位字节110000118位字110000110011110016位双字1100001100111100110000110011110032位高字节低字节高字低字例：位编号为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。从低位开始，从右到左依次为0、1、2．．．←编号7654321010100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0字节数据Data地址AddressD0D7D15D8158101010101010101070A0A7A15A8字的编号为15~0双字的编号依此类推，为31~03、指令执行时间指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机执行一条指令运行速度的快慢。该项指标与微处理器工作主频、指令系统设计、CPU体系结构等有关。4、系统总线

系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道。其性能表现为数据传送位数和总线工作时钟频率（外频）。系统总线的信息吞吐率越高，微机系统的性能就越强。目前采用的总线标准如：PC总线、ISA、EISA、VESA、PCI总线等。5、外部设备配置：显示器、打印机、网卡等6、系统软件配置：DOS、Windows1.1.4微型计算机的分类1、按微处理器的位数分类8位机、16位机、32位机、64位机2、按微型计算机的用途分类通用机、专用机3、按微型计算机的档次分类低档机、中档机、高档机（按微处理器档次分如：8086机、386机、586-Pentium机、Pentium4机)

以Intel公司生产的80x86为例列出微机性能指标表如下：80x86微机性能指标表Intel4004Intel8008Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486单片机将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上，构成具备基本功能的计算机，称单片机。特点：超小型、高可靠性、价廉应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等产品：Intel的8051、8096/8098系列(有限选课)

Motorola的6801、6805系列

Hitachi(日立)的H8S、SH系列4、按微型计算机的组装形式和系统规模分类单片机、单板机、个人计算（PC)机单板机将CPU、内存、I/O接口及其它辅助电路全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。特点：结构简单、价廉应用：过程控制、数据处理产品：TP-801以Z80CPU为核心的单板机80年代各院校“微机原理”的实验机桌上型：台式电脑便携型：笔记本个人计算（PC）机

PC机是将一块主机板（包括微处理器、内存储器、输入输出接口等芯片）和若干接口卡、外存、电源等部件组装在一个机箱内，并配置显示器、键盘、鼠标等外设和系统软件构成的微机系统。接口1.2微型计算机系统

1.2.1微型计算机输入设备控制器微处理器CPU

存储器运算器ALU主机接口图1.1计算机硬件系统组成

微型计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，并以微处理器（CPU:centralprocessingunit）芯片为核心，通过总线连接成一个整体。输出设备微处理器（CPU）：运算器加控制器（包括寄存器组）

运算器对数据信息进行加工处理的部件（完成算数、逻辑运算和其他操作）。控制器微机的指挥控制中心，控制各部件协调工作。存储器

存放程序和数据的部件，分主存储器和辅助存储器。输入/输出（I/O)设备输入/输出（I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU微型计算机各部件通过总线连接1.2.2微型计算机系统微型计算机的硬件系统称为裸机，裸机配上系统软件，加上电源和合适的外设，就构成了一个可以使用的微型计算机系统。

软件是指为运行、维护、管理和应用计算机所编制的所有程序的集合，一般分为系统软件和应用软件两大类。*参见：微型计算机系统层次结构示意图微型计算机系统的组成微处理器(Microprocessor)微型计算机(Microcomputer)微计算机系统(Microcomputersystem)系统软件：DOS、Windows95/98/2000应用软件：Word、Photoshop微处理器CPU

存储器(RAM,ROM)I/O接口总线硬件软件微型计算机系统主机外设ALU寄存器控制部件键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪*微机系统硬件、软件互为基础，互相支持。总线是连接多个功能部件的一组公共信号线，微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输的。总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU1.2.3总线按总线的使用角度可分为以下几类内部总线：是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。元件级（微处理器级）总线：连接计算机中两个主要部件的总线。——主体是微处理器，通过微处理器与其它逻辑部分连接构成主机板。板级（系统级）总线：微机系统都采用模块结构，各模块、板之间连接的总线。——主体是主机板，通过主机板与其它部件连接组成微机系统。总线标准：国际上正式公布或推荐的系统各个模块互连的标准，包括插座的尺寸、引线的数目、含义和时序等。例：8086系列微机中的标准总线有：PC总线、ISA总线、EISA总线等。局部总线：多总线结构，可减少总线竞争，提高系统效率。例：PCI局部总线，完全实现即插即用（Pnp)。微机系统的组织方式：CPU元件级总线

主板

系统级总线

外设（多个）按信号的作用总线分为三类:地址总线（AddressBus)、数据总线(DataBus)、

控制总线(ControlBus)存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU地址总线AB(AddressBus)：单向用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU地址总线的条数决定CPU的寻址能力。10根→21010241K

16根→2166553664K20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G36根→

23626

×23064G数据总线DB(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。8根→一次传送8位16根→一次传送16位32根→一次传送32位64根→一次传送64位控制总线CB(ControlBus)：用于传送各种控制信号。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。1.3计算机中的数制及其转换

1.3.1数与数制（一）、进位计数制及其要素：

进位计数制：按进位原则进行计数的方法。例：十进制数有: 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十种状态。我们说：十进制数基数10，变化范围0~（10-1）,

逢十进一。看一个十进制数： 4094 每一位十种数码的状态(0~9) 千百十个 本位绝对值的大小=数×位权 103102101100如：千位=4×103=4000十进制数有二个要素：

1.基数：10 逢十进一

2.位权：10i

某一位数绝对值大小=数×位权.二个要素:适用于二、八、十六进制。

二进制数：基数2位权2i

八进制数：基数8位权8i

十六进制数:基数16位权16i（二）、进位计数制的表示方法：1234．56=1

103+2

102+3

101+4

100+5

10-1+6

10-2推广到任意十进制：

N=±[kn

10n+kn-1

10n-1+……+k0

100

+k-1

10-1+……+k-m

10-m] =±

[ki

10i] (i=-m~n)任何某一位数大小=ki

10i对于任意进制:

N=±

[ki

Ri] (i=-m~n) R—基数，逢R进一.Ri—位权例如：二进制数B=10011101 B=1

27+1

24+1

23+1

22+1

20=（157）10

在计算机里进行运算和处理均是按二进制数处理的。而二进制数写起来麻烦;写时又以八进制或十六进制表示；日常生活中又常用十进制，因此就有：二

十 八

十 二

八数制之间转换问题 十六

十 二

十六整数十→二（除2取余法）方法：

整数除2取余，直到商为0为止，读数由后向前。1.3.2不同数制之间的转换

（一）十

二例：将（217）10转化为二进制形式。余数：按照相反的方向写下来。/2/2/2/2/2/2/2/2217

108

54

27

13

6

3

1

0----商

10011011----余数(217) 10=（11011001）2书写方向小数十→二:乘2取整方法：对十进制数逐次乘2， 即乘2取整法，位数取决于要求精度。例：(0.613)10

2=1.226k-1=1(0.226)10

2=0.452k-2=0(0.452)10

2=0.904k-3=0(0.904)10

2=1.808k-4=1（0.1001）2=（0.5625）10(0.808)10

2=1.616k-5=1（0.10011）2=（0.609375）10(0.616)10

2=1.232k-6=1

(0.613)10=(0.100111)2

既有整数又有小数部分的，可分别转换，再组合起来。3. 二→十

按权展开，求累加和。例：（0.1001）2=1

2-1+1

2-4=0.5+0.0625=（0.5625）10（1001）2=1

23+0

22+0

21+1

20=（9）10

*下页是常用的几种数制写法：（八位二进制数）

十进制二进制八进制十六进制BCD

00 0 0 0 1 01 1 1 1 2 10 2 2 10 3 11 3 3 11 4 100 4 4 100 5 101 5 5 101 6 110 6 6 110 7 111 7 7 111 8 1000 10

8 1000 9 1001 11 9 1001

10 1010 12 A

10000 11 1011 13 B 10001 12 1100 14 C 10010 13 1101 15 D 10011 14 1110 16 E 10100 15 1111 17 F 10101 16 10000 20 10 10110 。 。 。 11 。 。 。 。 12 。 。 。 。 。 。(255)D 11111111B 377O(Q) FFH (10,0101,0101)BCD1、 二

八

二→

八：

以小数点为界向左向右三位一段，不够补0， 三位二进制数用一位八进制数表示。例：（1，101，001.010，011，1）2

不够补0

不够补0（001101001.010011

100）2=（151.234）8

八→二：

一位八进制数用三位二进制数表示。（151．234）8=（001101001.010011100）2（二） 二

八，二

十六，二

BCD之间转换

二→十六： 以小数点为界向左向右四位一段，不够补0,

四位二进制数用一位十六进制数表示。例：（1101001.0100111）2→(69.4E)16

不够补0

不够补0 (0110,1001.0100,1110)2=(69.4E)16

十六→二：一位十六进制数用四位二进制数表示。例：(69.4E)16

=

(0110,1001.0100,1110)22、二

十六BCD数：常用8421码，每一位十进制数用四位二进制编码表示。1111B 9D 1001BCD 10D00010000BCD

BCD码与二进制数之间转换没有直接关系， 必须先转换成十进制,然后转换成二进制。例：1111111B=255D=0010,0101,0101BCD 0010,0101,0101BCD＝255D=11111111B3、 二

BCD1、二进制数的编码及运算数据的正负号可以用一位二进制的“0”和“1”来表示。常用的二进制数值数据编码有原码、反码和补码。由于补码由许多优点，大多数微机采用补码进行编码。

什么是机器数与真值？机器数：带符号的二进制数值数据在计算机内部的编码。机器数的最高有效位是符号位：0——正数1——负数真值：机器数所代表的实际值。1.4计算机中数与字符的编码

1.4.1数值数据的编码及其运算例:

机器数与真值（注意符号怎么表示？）N1=+1011011N2=-1011011为真值01011011 11011011为机器数总结：对于字长8位机器数

D7为符号位:0表示“+”，1表示“-”。符号数码化了。

D6～D0为数字位。如:X=（01011011）2=+91X=（11011011）2=-91

*符号数码化了，对数据进行运算时，符号位应如何处理？把符号位和数值位一起编码：原码，反码，补码。

正数符号位用“0”表示，负数符号用“1”表示，绝对值的编码规则与无符号数编码规则相同，这种表示法称为原码。

X=+105[X]原=01101001

X=-105[X]原=11101001

符号数值原码表示简单,真值转换方便，减法不方便。故引进反码，补码。原码

正数反码表示与原码相同，最高位“0”表示正，其余位为数值位。

负数反码表示为负数原码的符号位不变，尾数按位取反。例： [+4]反=0 0000100 [-4]反=1 1111011 [+127]反=01111111 [-127]反=10000000 [+0]反=00000000 [-0]反=11111111反码

正数的补码表示与原码相同，最高位用“0”表示正，其余位为数值位。

负数的补码表示为它的反码+1。（也可从定义出发求补码，当X<0时，[X]补=2n-|X|，mod2n）

[+127]原=01111111[+0]原=00000000 [-127]反=10000000[-0]反=11111111 [-127]补=10000001[-0]补=00000000补码举例说明补码表示法的意义：钟表校时，若标准时间为6点整，现在表指向10点整，要拨到6点，有两种拨法：（1）、倒拨10-4=6（2）、顺拨10+8=12+6=6（12自动丢弃）可得出下列结论：（1）、在模的意义下，等式10-4=10+8成立（mod12)，系统的模即系统的最大量程（如12）是自然丢掉的。（2）、+8为-4对模12的补码，同理，+7与-5，+6与-6（3）、10-4转化为10+8，结果相同，说明引进补码后，减法就可转化为加法了。对8位二进制而言，它的模为28。三种码制之间关系及特点：正数：原，反，补相同负数：原，反，补不同，但最高位为1。负数: 原→反，符号位不变，尾数按位求反 原→补，符号位不变，尾数按位求反+1 补→原，符号位不变，尾数求反+1 反→原，符号位不变，尾数求反.小结：说明：1）、原码表示法简单，易于理解，与真值转换方便，但加减运算时麻烦，故引进反码和补码。2）、数0的原码和反码有两种表示形式，而补码表示法中，0只有一种表示形式。

“0”的表示原码 反码 补码[+0]原=000…00 [+0]反=000…00 [+0]补=000…00[-0]原=100…00 [-0]反=111…11 [-0]补=000…003）8位二进制数的表示范围： 无符号数：0~255 原码：-127~+127 反码：-127~+127 补码：-128~+127补码数的扩展：正数在符号位前补0，负数在符号位前补1。例：70H0070H, F0HFFF0H已知补码求真值：补码的补码即为真值。例：[X]补=11111111，则X=[[X]补]补=10000001=（-1）10二进制数补码的运算补码的运算规则是：

[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补+[-Y]补举例说明：设 X1=+0001100X2=－0001100Y1=+0000101Y2=－0000101则 [X1]补=00001100 [X2]补=11110100[Y1]补=00000101 [Y2]补=11111011【例】①计算X1+Y1。（两正数相加）

+0001100X1 00001100 [X1]补+)+0000101Y1 +)00000101 [Y1]补+0010001X1+Y1 00010001 [X1]补+[Y1]补因为：[X1+Y1]补=[+0010001]补=00010001=[X1]补+[Y1]补所以：[X1+Y1]补=[X1]补+[Y1]补②计算X1－Y1。（两正数相减）

+0001100 X1 00001100 [X1]补－)+0000101 Y1 +)11111011 [－Y1]补

+0000111 X1－Y1100000111 [X1]补+[－Y1]补自然丢失因为：[X1－Y1]补=[+0000111]补=00000111=[X1]补+[－Y1]补所以：

[X1－Y1]补=[X1]补+[－Y1]补③计算X2+Y2。（两负数相加）－0001100 X2 11110100 [X2]补+)－0000101 Y2 +)11111011 [Y2]补 －0010001 X2+Y2 111101111 [X2]补+[Y2]补自然丢失因为：[X2+Y2]补=[－0010001]补=11101111=[X2]补+[Y2]补所以：[X2+Y2]补=[X2]补+[Y2]补④计算X2-Y2。（两负数相减）－0001100 X2 11110100 [X2]补－)－0000101 Y2 +) 00000101 [－Y2]补

－0000111 X2-Y2 11111001 [X2]补+[－Y2]补因为：[X2-Y2]补=[－0000111]补=11111001=[X2]补+[－Y2]补所以：[X2-Y2]补=[X2]补+[－Y2]补计算机引入了补码编码后，带来了以下几个优点：(1)减法转化成了加法，这样大大简化了运算器硬件电路的设计，加减法可用同一硬件电路进行处理。(2)运算时，符号位与数值位同等对待，都按二进制数参加运算，符号位产生的进位丢掉不管，其结果是正确的。这大大简化了运算规则。结论：[-Y]补怎么求？变补（求负）的概念：已知[Y]补求[-Y]补的过程。方法：对[Y]补的每位按位取反（包括符号位），然后加1，即为[-Y]补。例：[+87]补=01010111[-87]补=10101001采用补码运算后结果是怎样的？补码运算的结果也是补码！欲得真值，还需转换！思考：运算时数的溢出问题

假设机器字长为n位，则有符号整数(一般为补码）表示的范围是：-2n-1≤X≤2n-1-1无符号整数表示的范围是：0≤X≤2n-1例：当n=8时,数的范围分别是：-128～+127（有符号） 0～255（无符号）当n=16时,数的范围分别是：-32768～+32767（有符号） 0～65535（无符号）*运算时数如果超出了范围则称为溢出，发生溢出的情况有：1、同号数相加2、异号数相减1.4.2非数值数据的二进制编码

字和各种字符也需按照特定规则用二进制编码才能在机器中表示。编码有各种方式，目前规定在微型机中最普遍采用ASCⅡ码。（AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美国标准信息交换码字符与字符串的表示方式:ASCⅡ码:字符编码通用的编码方案是ASCII码，即美国标准信息交换码。（AmericanStandardCodeforInformationInterchange)

ASCII码是二进制编码，可以表示128个字符。可显字符：95个，0100000---1111110非显字符：33个，0000000---0011111，1111111用一个字长（8位）表示一个ASCⅡ字符。

常用的ASCⅡ字符： 0—9 的ASCⅡ码30H—39H A—Z的ASCⅡ