微机原理第一章.ppt

1、1,微机原理与接口技术,石喜玲,2,课程目标,掌握： 微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计方法 微型计算机接口技术 建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,3,教材及实验指导书,教材： 微机原理与接口技术（第2版）. 冯博琴，吴宁主编. 清华大学出版社 实验指导书 微机原理应用实验教程 陈够喜，邵坚婷，张军编. 人民邮电出版社,4,第1章 微型计算机基础概论,主要内容： 微机系统的组成 计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转换 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算 符号数的表示及补码运算 二进制数运算中的溢出 基本逻辑门及译码器,5,1.1微型计算机系统,主要内容

2、: 微型机的发展历程 微型机的工作原理 微机系统的基本组成,6,1.1.1微型计算机的发展,1971年，美国Intel公司研究并制造了世界上第一片微处理器Intel 4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。 微型计算机发展的更替，主要是指微处理器的更新换代。微处理器发展的重要基础是电子技术的发展。 划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。,7,（1971-1973）,（1974-1978）,（1978-1981）,（1981-1992）,（1993后）,特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强

3、。,8,微型机的应用领域,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 用于计算机辅助设计、人工智能、过程控制及嵌入应用方向 专用微机，例如：工控机、单片机、数字信号处理器 可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小,9,1.1.2 微型计算机的工作过程,计算机的工作过程就是逐条执行程序的过程，而程序则是指令序列的集合。 指令是人向计算机发出的、能够被计算机所识别的命令。 不同型号的计算机识别命令的能力不同，即其能够执行的指令不同。,10,1.冯 诺依曼计算机的工作原理,每台计算机都拥有各种类型的机器指令，这些指令按照一定的规则存放在存储器中

4、，在中央控制系统的统一控制下，按一定顺序依次取出执行。 存储程序工作原理,11,冯 诺依曼机的特点：,将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存。 程序中的数据和指令必须采用二进制编码，且能够被执行该程序的计算机所识别。 指令按其在存储器中存放的顺序执行。 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。 以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。,12,冯 诺依曼计算机体系结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,13,2.微型计算机的工作过程,微机的工作过程就是执行程序的过程，如下图所示。,14,例：编写一个求5+8？的程序,在进行计算前，应做如下工作： （1

5、）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。,15,完成5+8=？的程序：,助记符： MOV A，05H ；把05送入累加器A ADD A，08H ；06与A中内容相加,结果存入累加器A HLT ；停止所有操作。 机器码： 1011000000000101 0000010000001000 11110100,16,PC,AR,ALU,AL,DR,IR,ID,PLA,00H,1,00H,2,00 1011 0000,01 0000 0101,02 0000 0100,03

6、 0000 1000,04 11110100,3,4,读命令,B0H,5,6,B0H,7,控制信号,（取第一条指令操作示意图）,+i,17,1）、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）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。 （5）所选中的00单元的内容即操作码B0H读至数据总线DB上。 （6）读出的内容B0H经数据总线DB送至数据寄存器DR。 （7）数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中

7、，经过ID译码，CPU“识别”出这个操作码为“MOV A，05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。,18,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,01H,1,01H,2,00 1011 0000,01 0000 0101,02 0000 1000,03 0000 1000,04 1111 0100,3,4,读命令,05H,5,6,7,控制信号,05H,（执行第一条指令操作示意图）,+i,19,2）、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）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

8、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）由控制码已知计算机读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以DR通过内部总线将05H送入累加器A中。,20,PC,AR,ALU,AL,DR,IR,ID,PLA,02H,1,02H,2,00 1011 0000,01 0000 0101,02 0000 0100,03 0000 1000,04 11110100,3,4,读命令,04H,5,6,04H,7,控制信号,（取第二条指令操作

9、示意图）,+i,05H,21,PC,AR,ALU,A,B,DR,IR,ID,PLA,03H,1,03H,2,00 1011 0000,01 0000 0101,02 0000 1000,03 0000 1000,04 1111 0100,3,4,读命令,08H,5,6,7,控制信号,05H,（执行第二条指令操作示意图）,+i,0DH,22,1.1.3. 微机系统组成,概念结构： 主机 硬件系统 外设 微机系统 系统软件 软件系统 应用软件,CPU 存储器 输入/输出接口 总线,23,微机系统结构框图,24,1.硬件系统,1）微处理器简称CPU 是计算机的核心，主要包括： 运算器 控制器 寄存器

10、组,25,2）存储器,又叫内存或主存 定义：用于存放计算机工作过程中需要操作的数据（包括原始数据、中间结果和最终结果）和当前执行的程序。,26,有关内存储器的几个概念,内存单元的地址和内容 内存容量 内存的操作 内存的分类,27,内存单元的地址和内容,每个单元可存放一组8位二进制数，即一个字节 每个单元都对应一个唯一的地址，以实现对单元内容的寻址。,10110110,F0000H,内存地址,单元内容,28,内存容量,内存所含存储单元的个数，以字节为单位 内存容量的大小依CPU的寻址范围而定 （即CPU地址信号线的位数）,29,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容 不改变； 写：

11、CPU将信息放入内存单元，单元中原来的 内容被覆盖。,30,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM） 只读存储器（ROM）,按工作方 式可分为,有关存储器的详细内容将在第5章中详细叙述。,31,3）输入/输出接口和设备,接口是CPU与外部设备间的桥梁，实现主机与外设间的运行匹配。 完成信号电平或类型的转换、数据缓冲或寄存、与CPU进行信号联络等。,CPU,I/O 接口,外设,32,（1）I/O设备：,I/O设备,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,33,（2）I/O接口： 声卡：完成声音的输入/输出。 网卡：完成网络数据的转换。 调制解调器：模拟信号与数字

12、信号相互转换。 键盘接口、打印机接口等。 232接口：串行数据接口。 USB接口：通用串行接口。,34,接口的分类：,串行接口 输入接口 并行接口 输出接口,数字接口 模拟接口,35,4）总线,基本概念： 传递信息的一组公用导线。由一组导线和相关控制电路组成。 分类： 数据总线：传递数据信息的总线，即DB，双向。 地址总线：传递地址信息的总线，即AB，单向。 控制总线：传递控制信息的总线，即CB，双向。 常用系统总线标准及其主要技术指标具体内容将在第2，3章中详细叙述。,36,软件系统,软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件,

13、操作系统 编译系统 网络系统 工具软件,软件,37,工程计算软件 数据处理软件 过程控制软件 辅助设计软件,汇编程序 解释程序 编译程序,微 型 计 算 机 系 统,外存储器 输入设备 输出设备 其它设备,微处理器 主存储器和高速缓冲器 输入输出接口 系统和局部总线,操作系统 语言处理程序 支持软件,主机 外部设备 电源等,系统软件 应用软件,硬 件,软 件,微机基本组成：,38,程序设计： 机器语言 汇编语言 高级语言,39,40,计算机组成原理 侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现方法和电路原理 侧重内部各单元的工作原理和实现方法（芯

14、片内） 微机原理及接口技术 突出应用，详细讲述微处理器芯片的指令系统及编程、CPU外部特性、微机主板，与通用外设的接口电路及应用编程技术 侧重各模块外部的连接和应用技术（芯片外）,41,1.2计算机中的数制及编码,各种计数制的特点及表示方法； 各种计数制之间的相互转换。 常用计数制 十进制 二进制 十六进制,42,十进制,特点： 以十为底，逢十进一；有0-9十个数字符号。用D表示。 权值表达式：,43,二进制,特点： 以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。用B表示。 权值表达式：,44,十六进制,特点： 有0-9及A-F共16个数字符号，逢16进位。用H表示。 权值表达式：,45,例：,23

15、4.98D或（234.98）D 1101.11B或（1101.11）B ABCD . BFH或（ABCD . BF） H,46,1.2.2. 各种进制数间的转换,非十进制数到十进制数的转换 十进制到非十进制数的转换 二进制与十六进制数之间的转换,47,非十进制数到十进制数的转换,按相应的权值表达式展开 例： 1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75 5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.5,48,十进制到非十进制数的转换,到二进制的转换： 对整数：除2取余； 对小数：乘2取整。 到

16、十六进制的转换： 对整数：除16取余； 对小数：乘16取整。,49,例：试将十进制数65分别转换成二进制、十六进制数。 解：按照除基取余法，,所以，(65)10 = (1000001)2同理可得：(65)10 = (41)16,50,例：将十进制小数0.375分别转换成二进制和十六进制。 解：按照乘基取整法，,所以，(0.375)10 = (0.011)2同理可得：(0.375)10 = (0.6)16,51,二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 从小数点开始分别向左向右把整数和小数部分每四位分为一组。 例： 25.5 = 11001.1B= 19.8H 11001010

17、.0110101B =CA.6AH,52,1.定点数的表示法 定点小数是指小数点准确固定在数据某一位的小数。 通常有两种定点格式： 一是将小数点固定在数的最左边（即纯小数）， 二是固定在数的最右边（即纯整数）,1.2.3计算机中的二进制数的表示,53,2.浮点数的表示法,任意一个十进制数N可以写成 N=10EM 任意一个二进制数N可以写成 N=2EM 同样，在计算机中一个任意进制数N可以写成： N=REM,其中，M为浮点数的尾数，是一个纯小数， E是阶码，称为浮点数的指数，是一个纯整数， R是阶码的基数，表示阶码采用的数制，一个常数，一般R取值为2、8、16,54,在计算机中存放一个完整的浮点

18、数，应该包括阶码、阶符、尾数以及尾符共4部分，即：,一般按照IEEE 754标准，采用32位浮点数和64位浮点数两种标准格式,55,32位浮点数标准格式如下：,(1) 32位浮点数标准格式,在32位浮点数中，约定基数R=2， S是尾数的符号位，即浮点数的符号位，它占一位，安排在最高位，0表示正数，1表示负数，尾数M占23位，放在低位部分，当然是纯小数。E是阶码，占8位。,(2) 64位浮点数格式,它与32位浮点数的组成原理相同，约定基数R=2，尾数符号位S占一位，置于最高位，规格化的尾数M占52位，最左边一位1已被隐藏。,56,1.2.4. 二进制编码,BCD码 用二进制编码表示的十进制数 A

19、SCII码 西文字符编码,57,最常用的是8421-BCD编码， 其方法是采用4位二进制数来表示1位十进制数，自左向右每个二进制位对应的位权依次是8、4、2、1。,8421-BCD编码表,58,BCD码与二进制数之间的转换,先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。 例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） B,59,BCD码的存储方式,压缩BCD码 用4位二进制码表示一位十进制数，即一个字节表两位十进制数。 非压缩BCD码 用8位二进制码表示一位十进制数，即一个字节表示1位十进制数，而且只用每个字节的低4位来表示09，高4位为0。,60

20、,ASCII码,一般用7位二进制码表示128个字符和符号。 熟悉数字、字母的ASCII码。 在需要时可在D7位加校验位。,奇校验：加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。 例：A的ASCII码是41H（1000001B）， 以奇校验传送则为C1H（11000001B） 偶校验：加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。 上例若以偶校验传送，则为41H。,61,1.3无符号数的算术运算和逻辑运算,算术运算 逻辑运算,无符号数 有符号数,二进制数的运算,62,主要内容,无符号二进制数的算术运算 无符号数的表达范围 运算中的溢出问题 无符号数的逻辑运算 基本逻辑门和译码器,63,1.3.1.二进制的算术运

21、算,加法运算（0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0（有进位） 减法运算（0-0=0,1-0=1,1-1=0,0-1=1（有借位） 乘法运算（0乘任何数都是0） 除法运算（除数不能为0，否则会产生溢出中断）,64,乘除运算例,000010110100 =00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余数=11B,65,1.3.2. 无符号数的表示范围：,一个n位无符号二进制数X，其可表示数的范围为： 0 X 2n-1 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生 溢出。,66,例：,

22、最高位向前有进位，产生溢出,67,1.3.3. 二进制数逻辑运算,与 或 非 异或,68,1.“与”运算（AND）,符号“”（或“ ”），按位运算 运算规则： 00=0 , 01=0, 10=0 , 1 1=1 例 0101 01011100 1010=？ 0101 0101 1100 1010 =0100 0000 任何数和“0”相“与”，结果为0。,69,2.“或”运算(OR）,符号“”（或“+”），按位运算运算规则： 00=0 01=1 10=1 11=1 例 0101 01011100 1010=？ 0101 0101 1100 1010 = 1101 1111 任何数和“1”相“或”

23、，结果为1。,70,3.“非”运算（NOT）,符号“”， 例 0101 0101 = 1010 1010 “非”运算即按位求反,71,4.“异或”运算（XOR）,符号“ ”，按位运算运算规则: （1）00=0 （2）01=1 （3）10=1 （4）11=0 例 0101 0101 1100 1010=？ 0101 0101 1100 1010 =1001 1111 两个二进制数相“异或”：相同则为0，相异则为1,72,1.4有符号数的表示及运算,符号位 + 真值 机器数,“0” 表示正 “1” 表示负,例： +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位 真值,-52 = -01

24、10100 = 1 0110100 符号位 真值,73,1.4.1. 有符号数的表示方法,原码 反码 补码,74,原码,最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；其余为真值部分。 优点： 真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解； 缺点： 计算机中用原码进行加减运算比较困难，0的表示不唯一。,75,数0的原码,8位数0的原码：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：数0的原码不唯一。,76,反码,对一个机器数X： 若X0，则 X反=X原 若X0，则 X反= 对应原码的符号位不变，数值部分按位求反,77,例,X= -52 = -0110100 X原=1 0110100

25、X反=1 1001011,0的反码： +0反=00000000 -0反 =11111111 即：数0的反码也不是唯一的。,78,补码,定义： 若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1,79,例,X= 52= 0110100 X原=10110100 X反=11001011 X补= X反+1=11001100,80,0的补码：,+0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对8位字长，进位被舍掉,81,特殊数10000000,对无符号数:（10000000）B=128 在原码中定义为： -0 在反码中定义为： -127 在补码中定义为： -128,82,1.4.2. 补码数与十进制的转