微机原理第一章.ppt

1、微机原理及接口技术,微机原理及接口技术,Microcomputer Principle and Interfacing Technology,主讲：张建正,微机原理及接口技术,学校精品课程、核心课程 64学时 4学分 周一 1，2节 七/310 周三 1，2节 七/313 实验单独设课 微机接口实验 24学时,微机原理及接口技术,一、本课程的地位、作用和任务,1. 主要介绍16位微处理器原理及接口技术。 2. 是一门微型计算机硬件和软件相结合的专业技术基础课。 3. 通过学习，掌握微机原理和接口技术，培养微机应用开发能力。,微机原理及接口技术,二、主要内容,计算机基础知识，微型计算机基本结构

2、16位微处理器8086结构 指令系统 汇编语言程序设计 8086引脚和时序,微机原理及接口技术,存储器与CPU接口 输入输出技术 中断技术 并行接口 计数器和定时器 串行接口 D/A、A/D,微机原理及接口技术,三、教材 微机原理与接口技术 凌志浩主编，华东理工大学出版社,微机原理及接口技术,四、参考书 1. 微型计算机系统原理及应用(第四版) 周明德，清华大学出版社 2. 微型计算机原理与接口技术 何小海等，四川大学出版社 3. 微机原理与接口技术教程 王克义等，北京大学出版社,微机原理及接口技术,五、教学方法 1. 课堂教学：提问、上课、作业讲解 2. 作业 3. 思考题,微机原理及接口技

3、术,五、成绩 1. 期终考试：70% 2. 平时成绩：30% 期中考试、作业、考勤等,微机原理及接口技术,第一章 绪论,概述,微型计算机的基本结构,计算机中数的表示方法,微机原理及接口技术,第一节 概述,电子计算机： 自动地、高速地进行数值运算和信息处理。 具有记忆、判断和运算功能。,微机原理及接口技术,一、电子计算机发展阶段 (1) 1946-1956，电子管 第一台ENIAC，18000管，5千次/秒 (2) 1956-1962，晶体管 数十万次/秒，程序设计语言 (3) 60年代中期，中小规模集成电路 数百万次/秒，软件功能大大提高 (4) 70年代初，大规模集成电路 巨型机，微型机，数

4、千万次/秒,微机原理及接口技术,微型计算机(微机) 价格低，可靠性高，系统灵活 数值应用和非数值应用，应用领域广,微机原理及接口技术,二、微型计算机的发展,微机的核心是微处理器(Microprocessor，P) 又称中央处理器或中央处理单元(Central Processing Unit，CPU) 采用LSI和VLSI 1971年 第一个P Intel I4004,微机原理及接口技术,(1) 1971-1973 I4004(4位)、8008(8位) (2) 1973-1977 Intel 8080 8位 Motorola MC6800 Zilog Z80 8085 (3) 1978-1981

5、 8086、8088 16位 Z8000、MC68000 1981 IBM公司 IBM PC(8088),微机原理及接口技术,(4) 1981-1992 80386、80486 32位 386机、486机 (5) 1993-1995 Pentium奔腾(80586) Pentium MMX (6) 1995-1999 Pentium Pro(高能奔腾)、P、P (7) 2000- P4 从8086/8088到P4，形成了IA(Intel Architecture)32结构。,微机原理及接口技术,第二节 微型计算机的基本结构,微型计算机的功能部件,微型计算机结构,微处理器的简单工作过程,微机原理

6、及接口技术,一、微型计算机的功能部件,冯诺依曼结构： (1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。 (2) 数据程序以二进制形式存于存储器，位置由地址指示，数制为二进制。 (3) 由一个指令计数器控制指令的执行。,微机原理及接口技术,控 制 器,算术逻辑 运算单元ALU,存 储 器,输 入 设 备,输 出 设 备,微机原理及接口技术,CPU(Central Processing Unit) ALU和控制器,面向总线,第2章(CPU结构) 第3章(指令) 第4章(程序设计),第6章(存储器接口),第5章(总线),第9章(并行接口) 第10章(定时器) 第11章(串行接

7、口) 第12章(D/A、A/D),第7章(I/O技术)第8章(中断),微机原理及接口技术,1.中央处理器CPU,(1) 组成 算术逻辑运算单元ALU 寄存器阵列 定时与控制部分 三组总线,内部结构,外部结构,微机原理及接口技术,(2)基本功能 1) 算术逻辑运算：+，-，与，或 2) 发送和接收数据给存储器和外设 3) 暂存少量数据 4) 对指令进行译码并执行 5) 定时和控制信号提供 6) 可响应其它部件提出的中断请求,1,返回,微机原理及接口技术,2.存储器,记忆装置，存放数据程序。,(1)存储地址 存储器的每一个单元有一个地址，CPU根据这地址将所需数据存入或取出。,(2)存储内容 存储

8、单元存放的内容，长度由CPU字长决定。,微机原理及接口技术,存储地址由CPU的地址总线决定，地址线的根数决定了存储器芯片的存储容量。 存储单元的数据位数由存储器芯片的数据总线决定。 例如：有一存储芯片的容量是2K8位 则 地址线11根，211=2048 数据线8根,返回,微机原理及接口技术,3.输入设备,功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。 输入原始数据，程序，采集资料信息。 如： 键盘，纸带读入机，A/D,微机原理及接口技术,4.输出设备,功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。 如： 显示器，打印机，D/A,返回,微机原理及接口技术,二、微型计算机结构,CPU受引脚芯片面积工艺的限制 CP

9、U结构特点： (1) 总线结构 (2) 引脚功能复用 (3) 广泛采用三态电路,微机原理及接口技术,1.外部结构,地址总线：传送地址，决定CPU直接 寻址的内存容量范围。 单向三态 A0A15 数据总线：传送数据，双向三态 D0D7 控制总线：传送各种控制信号 RD，INTR,微机原理及接口技术,2.内部结构,D0D7 内部数据总线 输出信号 输入信号 RESET A0A15,数据总线缓冲,指令寄存器,指令译码器,通用寄存器 阵列 堆栈指示器SP 程序计数器PC,地址缓冲器,定时与控制,运算器,存放数据(8位或16位) 存放操作数地址(16位),16位，存放下一条指令的存储地址。 CPU根据P

10、C内容自动取指令，取出一条指令后，PC自动加1。,堆栈是一块存储区域，所有操作对栈顶单元进行，SP指示堆栈顶部。,接收寄存指令,对指令译码，确定指令操作,产生相应控制信号，控制CPU内其它部件工作。,通过总线与外界进行信息交换。,返回,微机原理及接口技术,三、微处理器的简单工作过程,(1) 取出指令 PC送出指令地址，CPU从内存中取得指令送指令寄存器。 (2) 分析指令 由指令译码器对指令译码，确定该指令干什么。 (3) 执行指令 若需要再从存储器中取出操作数，送运算器，各功能部件根据控制信号序列完成操作。,微机原理及接口技术, AR ALU 内存 0000H 0001H DR ,定时与控制

11、,指令1,指令1,A,r,PC 0000H 0001H,0 0 0 0 H,指 令 1,指令1 指令2 ,PC值(0000H)地址寄存器AR,PC自动加10001H,AR内存,发读控制信号,内存0000H单元内容CPU的DB,IRID,定时与控制根据指令译码给出相应的控制信号送功能部件,执行指令,对于双字节指令： 第一字节是操作码，第二字节是操作数。指令译码后，取指令的第二字节： DR 寄存器或ALU,DRIR,2,2,微机原理及接口技术,第三节 计算机中数的表示方法,计算机中的数制,进位制数之间的转换,二进制编码,定点数和浮点数,带符号数的表示法,运算,微机原理及接口技术,一、计算机中的数制

12、,十进制，二进制，十六进制 1. 十进制 特点：(1) 十个不同数字符号09 (2) 逢十进一 如：99.9=9101+9100+910-1 A=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m =,基数：10,微机原理及接口技术,2.二进制 特点：(1) 用二个不同符号0，1表示 (2) 逢二进一 如：1001.01=123+120+12-2 B = Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m =,Bi：0、1 基数：2,微机原理及接口技术,3.十六进制 特点：(1) 16个数字符号09， AF (2) 逢16进一 (3AB.11)16=3

13、162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664 D = Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =,Di：09，AF 基数：16,微机原理及接口技术,总结： (1) 每一种计数进制都有一个基数J， 每一位可取J个不同的数值。 (2) 逢“J”进位 每一位i，对应Ji为该位的“权”。 (3) 小数点向左移一位，则减小了J倍 小数点向右移一位，则增加了J倍,微机原理及接口技术,十六进制数 H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFH 二进制数 B Binary 1011B，11110111B 十进制数 D Decimal

14、 56,返回,微机原理及接口技术,二、进位制数之间的转换,1.二进制数十进制数 方法： 把二进制数的每一位按权展开相加 例： (111.101)2 = 122+121+120 +12-1+12-3 = 7.625,微机原理及接口技术,2.十进制整数二进制整数 例：215(11010111)2 215 = (Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 = Kn-12n-1+K121+K020 两边除以2 107 = Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0 = 1 不断除以2，直到商为0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0,微机原理及接口技术,方法： 用2除十进制数，直至商为0

15、，每次余数为二进制数码。 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是最高有效位MSB,微机原理及接口技术,3.十进制小数二进制小数 0.6875 = (0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1 = K-12-1+K-22-2+K-m2-m 两边乘以2 1.375 = K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1) 右边刮号内数1，小数和整数部分两边应相等 得到K-1 = 1 剩下的小数部分再乘2，继续下去可得到 0.6875 = (0.1011)2,微机原理及接口技术,方法： 用2乘十进制小数，将得到的整(0或1)，作为K-1K-2 。 若乘积的小数部分最后为0，则做后一次整数部分记为K-m。

16、若乘积的小数部分不能为0，根据精度要求取m位。 215.6875=(11010111.1011)2,微机原理及接口技术,4.任意进位制数与十进制数 方法： 同二进制数与十进制数的转换,微机原理及接口技术,5.十六进制数与二进制数,(1)十六进制数二进制数 方法： 一位16进制数可表示为四位二进制数 例： (3AB)16=(1110101011)2,(E.3)16=(1110.0011)2,微机原理及接口技术,(2)二进制数十六进制数 方法： 1)整数部分从右到左，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。 2)小数部分从左到右，每四位一组，不足补0，每组化为16进制数。 例： (1111000

17、11.100101111)2 =,0001,1000,(1E3.978)16,3,微机原理及接口技术,位权记忆法 1 1 1 1 1 1 1 1,128 64 32 16 8 4 2 1,1 1 1 1 1 1 1 1,32768 16384 8192 4096 2048 1024 512 256 例： (10100001010)2 = 1024+256+8+2 = 1290 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K,返回,微机原理及接口技术,三、带符号数的表示法,1. 无符号数 N位二进制数可以表示的无符号数范围为：02N -1 例： 8位二进

18、制数表示 0255 16位二进制数表示 065535,微机原理及接口技术,2. 机器数与真值 通常一个数的最高位为符号位，用0表示正，1表示负 如：x = (01011011)2 = +91 x = (11011011)2 = -91 D7：符号位 D6D0：数字位 机器数：连同符号在一起作为一个数 真值：机器数的数值为该机器数的真值,微机原理及接口技术,3. 原码 上面的表示法称为原码。 X = +105 X原=01101001,X = -105 X原=11101001,特点： (1) 表示简单易懂，与真值转换方便。 (2) 减法或两个数异号相加，要做减法。,微机原理及接口技术,4. 反码

19、正数的反码与原码相同。 负数的反码为它的正数的按位取反(连符号位)。 +4反=00000100 -4反=11111011,+127反=01111111,-127反=10000000,微机原理及接口技术,特点：(1) 0有两种表示法。 +0反=00000000 -0反=11111111 (2) 8位二进制反码所能表示的数值 范围：+127-127。 (3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反为数值部分。 例：10010100,符号,取反为 1101011，数值为107,微机原理及接口技术,5. 带符号数的补码表示 正数的补码与原码相同。 负数的补码为它的反码且

20、在最低位加1 +4补 = 00000100 -4反 = 11111011 -4补 = 11111100 +127补 = 01111111 -127反 = 10000000 -127补 = 10000001,微机原理及接口技术,特点：(1) +0补= -0补= 00000000 (2) 8位二进制补码所能表示的数值 范围： +127 -128 (3) 最高位为符号位 0为正数，后七位为数值部分； 1为负数，后七位按位取反，且在最低 位加1，才是数值部分。 例：10010100,符号,取反加1: 1101100，数值为108,微机原理及接口技术,6. 补码的特性 求补 (1) x补 -x补 例1：

21、10补 = 00001010B 求补后 -10补 = 11110110B (2) x + y补= x补+ y补 (3) x - y补= x补+ -y补,微机原理及接口技术,说明：在计算机内部，补码减法是通过对减数求补后将减法转换为加法进行的。 例2：X=64-10=64+(-10)=54 X补=64补+-10补 =01000000+11110110,=00110110,01000000 + 11110110 1 00110110,进位自然丢失,微机原理及接口技术,例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X补=34补+-68补 =00100010+10111100,= 11011110,

22、00100010 +10111100 11011110,负,微机原理及接口技术,7.溢出 计算机字长有一定限制，所以一个带符号数是有一定范围的。 如：8位二进制补码所能表示的数值范围： +127 -128 运算结果超出这范围称为溢出。 例4：120+105=01111000+01101001,01111000 + 01101001 11100001,负,微机原理及接口技术,例5：-80+(-64)=10110000+11000000,进位丢失,10110000 + 11000000 1 01110000,表示正,(1) D6向D7的进位 (2) D7向进位位的进位。 当两个进位只有一个时，溢出

23、 当两个进位都有或都没有时，无溢出,4,微机原理及接口技术,8. 符号扩展与零扩展 符号扩展 将原符号位填入扩展的每一位，使得在带符号数意义下取值不变。 零扩展 将0填入扩展的每一位，使得在无符号数意义下取值不变。 例6： X补=7FEDH， Y补=D6H X+Y补= X补+ Y补 = 7FEDH+FFD6H=7FC3H,微机原理及接口技术,例7: 符号扩展 8位 16位 32位 80H 0FF80H 0FFFFFF80H 26H 0026H 00000026H 例8: 零扩展，针对无符号数 8位 16位 32位 80H 0080H 00000080H 26H 0026H 00000026H,

24、返回,微机原理及接口技术,四、定点数和浮点数,1. 浮点数 (110011.101)2=2110(0.110011101)2,基数,阶码,尾数,N=2j S 规格化浮点数，0.5S1 数的表示范围大，如：阶符1位，阶码2位，数符1位，尾数4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4),微机原理及接口技术,例：三字节规格化浮点数，阶符1位，阶码6位，数符1位，尾数16位。,- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16),微机原理及接口技术,参加运算的操作数，要乘上一固定的阶化成所要求的格式。 表示的数值不如浮点数大。 例：三字节定点数，1位符号，23位数据。 - 223 +2

25、23,2.定点数,返回,微机原理及接口技术,五、二进制编码,1.BCD码 Binary-Codad Decimal 二进制编码的十进制数，用四位二进制数表示一位十进制数。,微机原理及接口技术,十进制数 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 10 0001 0000 (0100100101111000.000101001001)BCD,4 9 7 8 . 1 4 9,微机原理及接口技术,(1) 压缩BCD码 一个单元八位二进制存放两位十进制数，如十进制数29的压缩BCD码表示为 0010 1001 B（即29H） (2) 非压缩BCD码 一个单元八位二进制存放一位十进制数，低4位与压缩BCD码相同，高4位无意义。 如十进制数29的非压缩BCD码表示为： xxxx0010B xxxx1001B,微机原理及接口技术,2.ASCII码 (American Standard Code for