《微机原理讲》课件

微机原理讲欢迎来到微机原理的世界！本课程旨在帮助您深入理解微型计算机的工作原理、组成结构以及编程技术。通过本课程的学习，您将能够掌握微型计算机系统的基础知识，为未来从事计算机软硬件开发、嵌入式系统设计等相关领域的工作奠定坚实的基础。课程简介与目标本课程是一门介绍微型计算机基本原理和技术的专业基础课。通过本课程的学习，学生应掌握微型计算机系统的基本组成、工作原理、指令系统、汇编语言程序设计、中断技术、DMA技术、I/O接口技术等基本知识。培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力，为后续课程的学习和从事计算机应用开发工作打下坚实的基础。1掌握微型计算机基本原理理解计算机系统组成及工作方式。2熟悉汇编语言程序设计能够编写简单的汇编程序。3了解中断、DMA、I/O接口技术掌握计算机与外部设备交互的方式。课程内容概述本课程内容涵盖微型计算机系统的各个方面，从计算机系统的基本组成到高级的I/O接口技术，我们将逐步深入地学习。主要内容包括：微型计算机系统组成、数制与编码、8086/8088CPU结构、存储器组织、I/O接口基础、8086/8088指令系统、汇编语言程序设计、中断系统、DMA技术、并行接口、串行接口、A/D与D/A转换、微型计算机应用实例等。1计算机系统组成了解计算机硬件的构成。2指令系统与汇编掌握程序的编写和执行。3中断与DMA技术学习系统资源的管理。4I/O接口技术掌握与外部设备通信的方式。微型计算机系统组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统主要包括：中央处理器（CPU）、存储器（内存和外存）、输入/输出（I/O）接口、总线等。软件系统主要包括：系统软件（操作系统、编译程序等）和应用软件。硬件和软件协同工作，完成各种计算和控制任务。中央处理器计算机的核心部件。存储器存储数据和程序。I/O接口与外部设备通信。计算机系统的层次结构计算机系统是一个复杂的层次结构，从硬件到软件，可以分为多个层次。通常可以分为：微指令级、机器语言级、汇编语言级、高级语言级、操作系统级和应用级。每一层都建立在下一层的基础之上，并向上层提供服务。这种层次结构使得计算机系统的设计、开发和维护更加模块化和易于管理。1应用级用户直接使用的软件。2操作系统级管理系统资源。3高级语言级使用高级语言编程。4汇编语言级使用汇编语言编程。5机器语言级计算机直接执行的指令。数制与编码在计算机系统中，所有的数据和指令都以二进制形式表示。为了方便人们的使用，还需要使用其他的数制，如八进制、十六进制等。不同的数制之间可以进行转换。此外，还需要对数据进行编码，如ASCII码、BCD码等，以便在计算机中进行存储和处理。理解数制与编码是学习微机原理的基础。数制表示数值的方式。编码将数据转换为计算机可识别的形式。二进制、八进制、十六进制二进制（Binary）：基数为2，使用0和1两个数字。八进制（Octal）：基数为8，使用0到7八个数字。十六进制（Hexadecimal）：基数为16，使用0到9十个数字以及A到F六个字母。不同的数制各有特点，二进制适合计算机内部表示，八进制和十六进制适合人们阅读和书写。数制基数数字二进制20,1八进制80,1,2,3,4,5,6,7十六进制160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F数制转换方法不同的数制之间可以进行转换。常用的转换方法包括：按权展开法、除基取余法、分组转换法等。例如，二进制转换为十进制可以使用按权展开法，十进制转换为二进制可以使用除2取余法。理解数制转换方法是进行计算机编程和数据处理的基础。按权展开法将数按照各位的权值展开并求和。除基取余法将数除以基数，取余数作为各位的数字。分组转换法将数按照一定的位数进行分组，然后进行转换。原码、反码、补码原码、反码和补码是计算机中表示有符号数的三种常用方法。原码直接表示数的符号和大小，反码是原码的符号位不变，其余各位取反，补码是反码加1。补码的优点是可以将减法运算转换为加法运算，简化了计算机的运算电路。在计算机系统中，通常使用补码来表示和存储有符号数。原码直接表示数的符号和大小。反码原码符号位不变，其余各位取反。补码反码加1。定点数与浮点数定点数是指小数点位置固定的数，浮点数是指小数点位置不固定的数。定点数表示简单，但表示范围有限；浮点数表示范围广，但表示复杂。在计算机系统中，通常使用浮点数来表示实数，定点数用于表示整数或小数点位置固定的数。定点数小数点位置固定，表示范围有限。浮点数小数点位置不固定，表示范围广。8086/8088CPU结构8086和8088是Intel公司推出的16位微处理器，是PC机的鼻祖。8086和8088CPU的结构包括：指令指针（IP）、通用寄存器、段寄存器、标志寄存器等。这些寄存器用于存储数据、地址和控制信息，是CPU进行运算和控制的基础。寄存器存储数据和地址。控制单元控制指令的执行。运算器进行算术和逻辑运算。CPU内部组成CPU内部主要由运算器、控制器和寄存器组三部分组成。运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责控制指令的执行，寄存器组用于存储数据、地址和控制信息。各部分协同工作，完成指令的读取、译码、执行等操作，实现计算机的各种功能。运算器进行算术和逻辑运算。1控制器控制指令的执行。2寄存器组存储数据和地址。3寄存器组介绍8086/8088CPU的寄存器组包括：通用寄存器、段寄存器、指令指针（IP）和标志寄存器。通用寄存器用于存储数据，段寄存器用于存储段地址，指令指针用于存储下一条要执行的指令的地址，标志寄存器用于存储CPU的状态信息。合理使用寄存器可以提高程序的执行效率。1通用寄存器用于存储数据。2段寄存器用于存储段地址。3指令指针存储下一条指令的地址。4标志寄存器存储CPU状态信息。地址总线、数据总线、控制总线计算机系统中的总线是连接各个部件的公共通道，用于传输数据、地址和控制信息。总线分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用于传输地址信息，数据总线用于传输数据信息，控制总线用于传输控制信息。总线的性能直接影响计算机系统的性能。地址总线传输地址信息。数据总线传输数据信息。控制总线传输控制信息。存储器组织存储器是计算机系统中用于存储数据和程序的部件。存储器分为内存和外存。内存用于存储当前正在运行的程序和数据，外存用于存储长期保存的程序和数据。存储器的组织方式包括：线性地址空间、段式地址空间等。合理的存储器组织可以提高程序的运行效率和系统的可靠性。内存存储当前运行的程序和数据。外存存储长期保存的程序和数据。存储器的类型存储器按照存储介质的不同，可以分为：半导体存储器和磁表面存储器。半导体存储器包括：RAM和ROM。RAM是随机存储器，可以随时读写数据；ROM是只读存储器，只能读取数据。磁表面存储器包括：硬盘、磁带等。不同类型的存储器各有特点，适用于不同的应用场景。存储器类型特点应用RAM可随时读写内存ROM只能读取BIOS硬盘容量大，速度慢存储文件存储器地址空间存储器地址空间是指CPU可以访问的存储器地址的范围。8086/8088CPU的地址空间为1MB。由于地址空间有限，需要使用存储器扩展技术来扩大存储器的容量。理解存储器地址空间是进行存储器管理和编程的基础。地址存储单元的编号。空间地址的范围。存储器扩展技术由于CPU的地址空间有限，需要使用存储器扩展技术来扩大存储器的容量。常用的存储器扩展技术包括：地址译码、线选法、片选法等。地址译码是指将CPU的地址信号转换为存储器的片选信号，从而选择特定的存储器芯片。线选法和片选法是两种不同的地址译码方式。理解存储器扩展技术是进行硬件设计和系统开发的基础。1地址译码转换地址信号。2线选法一种地址译码方式。3片选法另一种地址译码方式。I/O接口基础I/O接口是CPU与外部设备进行通信的桥梁。CPU通过I/O接口向外部设备发送数据或从外部设备接收数据。I/O接口包括：数据端口、控制端口和状态端口。数据端口用于传输数据，控制端口用于控制外部设备的工作方式，状态端口用于读取外部设备的状态信息。理解I/O接口是进行硬件设计和系统开发的基础。数据端口传输数据。1控制端口控制设备工作方式。2状态端口读取设备状态。3I/O端口地址I/O端口地址是指CPU访问I/O接口的地址。CPU通过I/O端口地址来选择特定的I/O接口。I/O端口地址与存储器地址是不同的地址空间。在8086/8088CPU中，I/O端口地址的范围是0000H到FFFFH。理解I/O端口地址是进行I/O编程的基础。I/O端口地址CPU访问I/O接口的地址。地址范围0000H到FFFFH。I/O控制方式I/O控制方式是指CPU控制I/O接口的方式。常用的I/O控制方式包括：程序查询方式、中断方式和DMA方式。程序查询方式是指CPU周期性地查询I/O接口的状态，以判断是否需要进行数据传输。中断方式是指外部设备通过中断信号通知CPU进行数据传输。DMA方式是指外部设备直接与存储器进行数据传输，无需CPU的干预。不同的I/O控制方式各有特点，适用于不同的应用场景。1DMA设备直接与存储器传输数据。2中断设备通过中断信号通知CPU。3程序查询CPU周期性查询设备状态。8086/8088指令系统8086/8088指令系统是指8086/8088CPU可以执行的指令的集合。指令系统包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、控制转移指令和字符串操作指令。每条指令都有特定的功能和格式。理解指令系统是进行汇编语言程序设计的基础。1数据传送指令用于在寄存器和存储器之间传送数据。2算术运算指令用于进行算术运算。3逻辑运算指令用于进行逻辑运算。4控制转移指令用于控制程序的执行流程。数据传送指令数据传送指令用于在寄存器和存储器之间传送数据。常用的数据传送指令包括：MOV、PUSH、POP、XCHG等。MOV指令用于将数据从一个位置传送到另一个位置，PUSH指令用于将数据压入堆栈，POP指令用于将数据从堆栈弹出，XCHG指令用于交换两个位置的数据。合理使用数据传送指令可以提高程序的执行效率。1MOV传送数据。2PUSH压入堆栈。3POP弹出堆栈。4XCHG交换数据。算术运算指令算术运算指令用于进行算术运算。常用的算术运算指令包括：ADD、SUB、MUL、DIV等。ADD指令用于将两个数相加，SUB指令用于将两个数相减，MUL指令用于将两个数相乘，DIV指令用于将两个数相除。算术运算指令可以实现各种复杂的数学计算。ADD加法。SUB减法。MUL乘法。DIV除法。逻辑运算指令逻辑运算指令用于进行逻辑运算。常用的逻辑运算指令包括：AND、OR、XOR、NOT等。AND指令用于将两个数进行与运算，OR指令用于将两个数进行或运算，XOR指令用于将两个数进行异或运算，NOT指令用于将一个数进行取反运算。逻辑运算指令可以实现各种复杂的逻辑判断和数据处理。AND与运算。OR或运算。XOR异或运算。NOT取反运算。移位指令移位指令用于将数据进行移位操作。常用的移位指令包括：SHL、SHR、SAL、SAR等。SHL指令用于将数据左移，SHR指令用于将数据右移，SAL指令用于将数据算术左移，SAR指令用于将数据算术右移。移位指令可以实现各种数据处理和位操作。SHL逻辑左移。SHR逻辑右移。SAL算术左移。SAR算术右移。控制转移指令控制转移指令用于控制程序的执行流程。常用的控制转移指令包括：JMP、JE、JNE、JG、JL等。JMP指令用于无条件跳转，JE指令用于相等时跳转，JNE指令用于不相等时跳转，JG指令用于大于时跳转，JL指令用于小于时跳转。控制转移指令可以实现各种分支和循环结构。JMP无条件跳转。1JE相等时跳转。2JNE不相等时跳转。3JG大于时跳转。4字符串操作指令字符串操作指令用于进行字符串操作。常用的字符串操作指令包括：MOVS、CMPS、SCAS、LODS、STOS等。MOVS指令用于传送字符串，CMPS指令用于比较字符串，SCAS指令用于扫描字符串，LODS指令用于加载字符串，STOS指令用于存储字符串。字符串操作指令可以高效地处理字符串数据。指令功能MOVS传送字符串。CMPS比较字符串。SCAS扫描字符串。LODS加载字符串。STOS存储字符串。汇编语言程序设计汇编语言是一种面向机器的程序设计语言，使用助记符来表示机器指令。汇编语言程序设计是指使用汇编语言编写程序的过程。汇编语言程序设计需要熟悉计算机的硬件结构和指令系统。汇编语言程序设计可以实现对计算机硬件的直接控制，提高程序的执行效率。1调试检查和修复程序错误。2编译将汇编代码转换为机器代码。3编写使用汇编语言编写程序。汇编语言格式汇编语言程序由指令和伪指令组成。指令是CPU可以执行的机器指令，伪指令是汇编器可以识别的指示性语句。汇编语言程序的格式通常包括：标号、指令助记符、操作数和注释。标号用于标识指令或数据的地址，指令助记符用于表示指令的功能，操作数用于表示指令的操作对象，注释用于解释程序的功能。指令CPU可以执行的机器指令。伪指令汇编器可以识别的指示性语句。伪指令介绍伪指令是汇编器可以识别的指示性语句，用于指示汇编器进行特定的操作。常用的伪指令包括：DATA、EQU、ORG、END等。DATA伪指令用于定义数据，EQU伪指令用于定义常量，ORG伪指令用于指定程序的起始地址，END伪指令用于指示程序的结束。合理使用伪指令可以简化程序的编写和提高程序的可读性。1DATA定义数据。2EQU定义常量。3ORG指定起始地址。4END指示程序结束。汇编语言程序设计步骤汇编语言程序设计的步骤通常包括：分析问题、设计算法、编写代码、编译程序、调试程序和运行程序。分析问题是指明确程序的功能和要求，设计算法是指确定程序的实现方法，编写代码是指使用汇编语言编写程序，编译程序是指将汇编代码转换为机器代码，调试程序是指检查和修复程序错误，运行程序是指执行程序并验证其功能。分析问题明确程序功能和要求。设计算法确定程序实现方法。编写代码使用汇编语言编写程序。编译程序将汇编代码转换为机器代码。调试程序检查和修复程序错误。运行程序执行程序并验证其功能。简单程序示例下面是一个简单的汇编语言程序示例，用于将两个数相加并将结果存储到存储器中：MOVAX,10MOVBX,20ADDAX,BXMOV[1000H],AX该程序首先将10和20分别存储到AX和BX寄存器中，然后将AX和BX寄存器中的值相加并将结果存储到AX寄存器中，最后将AX寄存器中的值存储到地址为1000H的存储单元中。代码汇编语言指令。分支程序设计分支程序设计是指根据不同的条件执行不同的代码。常用的分支程序设计指令包括：JE、JNE、JG、JL等。分支程序设计可以实现各种复杂的逻辑判断和控制流程。例如，可以使用分支程序设计来实现判断一个数是正数、负数还是零的功能。判断条件确定分支的条件。1执行分支根据条件执行相应的代码。2循环程序设计循环程序设计是指重复执行一段代码。常用的循环程序设计指令包括：LOOP、JCXZ等。循环程序设计可以实现各种重复性的操作。例如，可以使用循环程序设计来实现计算一个数组的和的功能。循环程序设计需要注意循环条件的设置和循环体的编写，以避免出现死循环。循环条件控制循环的次数。循环体需要重复执行的代码。子程序设计子程序设计是指将一段具有特定功能的代码封装成一个独立的模块，可以在程序中多次调用。子程序设计可以提高程序的可读性和可维护性。常用的子程序设计指令包括：CALL、RET等。CALL指令用于调用子程序，RET指令用于从子程序返回。子程序设计需要注意参数的传递和返回值的处理。指令功能CALL调用子程序。RET从子程序返回。中断系统中断系统是指CPU在执行程序的过程中，由于发生了某种事件而暂停当前程序的执行，转而去执行处理该事件的程序，处理完成后再返回到原来的程序继续执行。中断系统可以提高CPU的利用率和系统的响应速度。中断系统包括：中断源、中断向量表和中断处理程序。1中断处理程序处理中断事件的代码。2中断向量表存储中断处理程序的地址。3中断源触发中断事件的设备或程序。中断的概念中断是指CPU在执行程序的过程中，由于发生了某种事件而暂停当前程序的执行，转而去执行处理该事件的程序，处理完成后再返回到原来的程序继续执行。中断是一种重要的计算机系统机制，可以提高CPU的利用率和系统的响应速度。中断可以分为硬件中断和软件中断。硬件中断由硬件设备触发的中断。软件中断由程序指令触发的中断。中断类型中断可以分为多种类型，包括：外部中断、内部中断、软件中断等。外部中断是由外部设备触发的中断，如键盘中断、定时器中断等；内部中断是由CPU内部发生的事件触发的中断，如除法错误中断、溢出中断等；软件中断是由程序指令触发的中断，如INT指令。1外部中断由外部设备触发。2内部中断由CPU内部事件触发。3软件中断由程序指令触发。中断向量表中断向量表是存储中断处理程序地址的表格。每个中断类型都有一个对应的中断向量，指向该中断类型的处理程序。当发生中断时，CPU会根据中断类型从中断向量表中查找对应的中断处理程序地址，然后跳转到该地址执行中断处理程序。中断向量表通常位于存储器的起始位置。中断类型中断向量中断处理程序地址键盘中断09H0000:0024定时器中断08H0000:0020中断处理程序中断处理程序是处理中断事件的代码。中断处理程序通常包括：保存现场、处理中断事件和恢复现场。保存现场是指将CPU的寄存器值压入堆栈，以便在中断处理完成后恢复；处理中断事件是指执行与中断事件相关的代码；恢复现场是指将CPU的寄存器值从堆栈弹出，以便继续执行原来的程序。保存现场将寄存器值压入堆栈。处理中断事件执行与中断相关的代码。恢复现场将寄存器值从堆栈弹出。8259A可编程中断控制器8259A是Intel公司生产的可编程中断控制器，用于管理多个中断源。8259A可以设置中断优先级、屏蔽中断和允许中断。8259A可以大大简化中断系统的设计和提高系统的可靠性。8259A通常与CPU一起使用，用于处理外部设备的中断请求。中断控制器管理多个中断源。DMA技术DMA（DirectMemoryAccess）技术是指外部设备可以直接与存储器进行数据传输，无需CPU的干预。DMA技术可以大大提高数据传输的速度和效率。DMA技术通常用于高速数据传输的场合，如硬盘、声卡等。DMA传输需要DMA控制器的支持。1高速传输提高数据传输速度。2无需CPU干预释放CPU资源。3DMA控制器控制DMA传输过程。DMA的概念DMA（DirectMemoryAccess）是指外部设备可以直接与存储器进行数据传输，无需CPU的干预。传统的I/O数据传输需要CPU的参与，CPU需要执行指令来完成数据的搬运。DMA技术可以使外部设备直接与存储器进行数据传输，从而释放CPU的资源，提高系统的性能。DMA技术通常用于高速数据传输的场合。直接访问设备直接访问存储器。无需CPU释放CPU资源。DMA控制器工作原理DMA控制器是控制DMA传输过程的部件。DMA控制器通常包括：地址寄存器、计数器、控制寄存器等。地址寄存器用于存储数据传输的起始地址，计数器用于存储数据传输的字节数，控制寄存器用于控制DMA传输的工作方式。DMA控制器可以自动完成数据传输的过程，无需CPU的干预。地址寄存器存储起始地址。1计数器存储字节数。2控制寄存器控制工作方式。3DMA传输过程DMA传输过程通常包括：DMA请求、DMA授权、数据传输和DMA结束。DMA请求是指外部设备向DMA控制器发送DMA请求信号，请求进行数据传输；DMA授权是指DMA控制器向外部设备发送DMA授权信号，允许进行数据传输；数据传输是指外部设备直接与存储器进行数据传输；DMA结束是指数据传输完成后，外部设备向DMA控制器发送DMA结束信号。1DMA请求设备请求传输数据。2DMA授权DMA控制器授权传输。3数据传输设备与存储器传输数据。4DMA结束传输完成。并行接口并行接口是指以并行方式传输数据的接口。并行接口通常使用多根数据线同时传输多个比特的数据。并行接口的传输速度快，但需要的硬件资源多。并行接口通常用于连接高速设备，如打印机、扫描仪等。常用的并行接口标准包括：Centronics、IEEE1284等。并行传输多根数据线同时传输数据。8255A可编程并行接口芯片8255A是Intel公司生产的可编程并行接口芯片，具有3个8位的并行端口：A口、B口和C口。每个端口都可以设置为输入或输出方式。8255A可以通过编程来控制并行接口的工作方式，从而实现各种复杂的I/O功能。8255A广泛应用于各种计算机系统中。A口8位并行端口。B口8位并行端口。C口8位并行端口。并行接口应用并行接口广泛应用于各种计算机系统中，用于连接各种外部设备。例如，可以使用并行接口连接打印机，实现打印功能；可以使用并行接口连接扫描仪，实现扫描功能；可以使用并行接口连接显示器，实现显示功能。并行接口的应用非常广泛，几乎所有的计算机系统都需要使用并行接口。1显示器显示图像和文字。2扫描仪扫描图像和文字。3打印机打印文档和图片。串行接口串行接口是指以串行方式传输数据的接口。串行接口使用一根数据线按位传输数据。串行接口的传输速度慢，但需要的硬件资源少。串行接口通常用于连接低速设备，如鼠标、键盘等。常用的串行接口标准包括：RS-232、USB等。一位接一位数据按位传输。串行通信原理串行通信是指以串行方式传输数据的通信方式。串行通信需要将数据转换为串行格式，然后通过一根数据线进行传输。接收端需要将串行数据转换为并行格式。串行通信需要使用调制解调器（MODEM）进行信号的调制和解调。串行通信的传输距离远，但传输速度慢。串行传输数据按位传输。UART芯片介绍UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）是一种通用的异步收发器，用于实现串行通信。UART芯片可以将并行数据转换为串行数据，也可以将串行数据转换为并行数据。UART芯片广泛应用于各种计算机系统中，用于连接串行设备，如鼠标、键盘等。常用的UART芯片包括：8250、16550等。1并行转串行将并行数据转换为串行数据。2串行转并行将串行数据转换为并行数据。串行通信应用串行通信广泛应用于各种计算机系统中，用于连接各种串行设备。例如，可以使用串行接口连接鼠标和键盘，实现人机交互；可以使用串行接口连接MODEM，实现远程通信；可以使用串行接口连接打印机，实现打印功能。串行通信的应用非常广泛，几乎所有的计算机系统都需要使用串行接口。人机交互连接鼠标和键盘。远程通信连接MODEM。打印连接打印机。A/D与D/A转换A/D（Analog-to-Digital）转换是指将模拟信号转换为数字信号的过程。D/A（Digital-to-Analog）转换是指将数字信号转换为模拟信号的过程。A/D转换器用于将模拟信号输入到计算机系统中，D/A转换器用于将数字信号输出到外部设备。A/D和D/A转换广泛应用于各种计算机系统中，用于实现模拟信号和数字信号的转换。1输出模拟信号D/A转换。2A/D和D/A转换实现信号转换。3输入数字信号A/D转换。A/D转换原理A/D转换的原理是将模拟信号转换为数字信号。常用的A/D转换方法包括：积分型A/D转换、逐次逼近型A/D转换、并行比较型A/D转换等。积分型A/D转换的精度高，但速度慢；逐次逼近型A/D转换的速度快，精度也比较高；并行比较型A/D转换的速度最快，但精度低。A/D转换器广泛应用于各种计算机系统中，用于