微机原理及应用课程.ppt

1、微机原理及应用,东华大学机械工程学院 教师:杨向萍 2010年9月12月,第一章 计算机基础知识,1.1 概述,1.2 计算机中的数,1.3 数字逻辑电路,1.1-1计算机的发展概况-通用计算机 1.电子数字计算机 2.晶体管计算机 3.集成电路计算机 4.大规模集成电路计算机(LSI) 重要分支:微处理器（CPU）和微型计算机 5.智能化计算机 计算机的发展方向: 未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。,1.1-2嵌入式计算机系统的定义与发展,定义:嵌入式系统应定义为“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。 3个基本要素: 嵌入性、专用性与计算机系

2、统 按形态可分为:设备级（工控机）、板级（单板、模块）和芯片级（MCU、SoC） 将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代 Intel公司的MCS48和MCS51就是单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）;MCS51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。 。,1.1-3微型计算机的概念,1.1-4单片机简介,单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、 内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。,单片机开发系统：单片单板机、仿真器、软件仿真开发,具有三高优势：集成度高、可靠性高、性价比高 主要应用于：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设

3、备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。,1.1-5 本课程的学习特点及安排,学习特点：了解芯片工作原理、结构，掌握其引脚的作用、学会编制程序、系统维修为芯片级调换 课程安排： 上课、实验、考试 报告：单片机发展及应用报告 成绩：平时与考试两部分 参考资料 实验指导书,1.2 计算机中的数 1.2-1 进位计数制,一. 十进制ND有十个数码09、逢十进一。 二. 二进制NB两个数码:0、1, 逢二进一。 三. 十六进制NH十六个数码:09, AF, 逢十六进一。 不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。 如:101、101D、101B、101H、101H,1.2-2 数制的

4、转换,1二进制数转换成十进制数 按权展开 2十进制整数转换成二进制整数 用2去除十进制数 3十进制小数转换二进制小数 用2去乘十进制数4任意进制数转换十进制数5二进制数与十六进制数转换,进位计数制的一般表达式： Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一个r1进制的数转换成r2进制数的方法：先展开，然后按r2进制的运算法则求和计算。,1.2-3 二进制编码,BCD码(Binary Coded Decimal)二进制代码表示的十进制数。,一.8421 BCD码,二、字母与字符编码美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间

5、传递信息。,1.2-4二进制数的运算,1.一位加法规则 减法规则 乘法规则 2.八位二进制加法规则 减法规则 乘法规则 3.一位二进制逻辑运算规则 4.八位二进制逻辑运算规则 逻辑与、或、非、异或,1.2-5 带符号数的表示法,机器数：连同符号位一起作为能被机算机识别的一个数。 真值： 机器数所代表的数值称为机器数的真值。 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：X1机= 01010100 X2机= 11010100,机器中，数的符号用“0”、“1” 表示。 最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“

6、-”。,（一）机器数与真值,最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“”。 例 8位原码机器数： 真值：x1 = +1010100B x2 = 1010100B 机器数：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，为了把减法运算转换成加法运算就引进了反码和补码。,（二）机器数的三种表示方法：,1.原码(True Form),正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为 1，数值位为原码数值各位取反。 例 8位反码机器数： x= +4 ： x原= 00000100 x反= 00000100 x= -4 ： x原= 10000100 x反= 111

7、11011,2.反码（Ones Complement）,3.补码（Twos Complement） 0的表示唯一,正数的补码表示与原码相同。 负数补码的符号位为1，数值位等于反码加1.,x=+4 x原=x反=x补= 00000100 x=-4 x补 = 11111100,8位机器数表示的真值,八位带符号数的表示表,1.2-6 利用补码作八位带符号数的运算方法,例X1=+6，Y1=+8，X2=-6，Y2=-8，求X1-Y1、X2-Y2 解求X1补、 Y1补、 -Y1补、X2补、Y2补、-Y2补 00000110 +6补 11111010 -6补 + 11111000 -(+8)补 + 00001

8、000 -(-8)补11111110-2补 1 00000010 +2补 进位为模，舍弃,2.补码减法运算：X-Y补=X补-Y补=X补+-Y补,数的补码与“模”有关“模”即计数系统的量程。,当X0，X补= 模-X。 举例：钟表对时。 设时钟系统“模”为12，标准时间为7点整。,8位二进制数的模为： 28 = 256 当X0，X补= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 = X反码 + 1,9+-2补 = 9+10 = 7+12 = 7(舍弃模),1.3 数字逻辑电路,1.3-1基本逻辑门1.与门,布尔代数：C=AB=AB=AB,布尔代数：C=A+B,2.或门,3.非门,布尔代数：C

9、=/A,1.3-2利用基本逻辑门构成运算器,1.半加器电路 2.全加器电路 3.二进制加法电路 4.可控反相器及加/减法电路 作业: 习题一 4、5、11、13,习题答案,4 将下列十进制数转换为二进制数： 100（64H1100100B），234（0EAH11101010B） 0.125（0.001H0.000000000001B)，0.625(0.AH0.1010B) 13.75(0D.CH1101.11B)，47(2FH101111B) 0.74(0.BD7H0.101111010111B)，24.38(18.6147H11000.01100001B) 5 将下列二进制数转换为十进制数：

10、 10111011B(0BBH187),11000010B(0C2H194) 10101010B(0AAH170),10000000B(80H128),11001100B(0CCH204) 6 将下列十六进制数转换为二进制： 3FH,C4H,5AH,DCH,BDH,FFH 7 将下列二进制数转换为十六进制数： 10111100B,11001100B,10011101B,11110011B,10110,101B,1101,1011B,第二章微型计算机的基本组成电路,2.1 算术逻辑部件 2.2 触发器 2.3 寄存器 2.4 三态输出电路（三稳态电路） 2.5 总线结构 2.6 存储器概论,2.

11、1算术逻辑部件（ALU） 可以进行加减、乘除、逻辑运算等,2.2触发器,触发器是计算机记忆装置的基本单元，也可以说是记忆细胞,一、触发器-RS触发器,S端-置位端，使Q=1 R端-复位端，使Q=0,时标RS触发器为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作，RS触发器经常有外加的时标脉冲，如图。,时标脉冲与置位信号脉冲S同时加到一个与门的两个输入端；而与复位信号脉冲同时加到另一个与门的两个输入端。这样，无论是置位还是复位，都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。,二、触发器-D触发器,D触发器,时标D触发器,边沿触发的D触发器,三、触发器-JK触发器,JK触发器,2.2寄存器（register)

12、 寄存器是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。一、缓冲寄存器用以暂存数据,可控缓冲寄存器 L门LOAD门（ 装入门）,二、移位寄存器能够将其所存的数据一位一位地向左或向右移,三、计数器-(counter)也是由若干个触发器组成的寄存器，它的特点是能够把存储在其中的数字加1。计数器的种类很多，有行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序计数器等。,行波计数器的工作原理,可控计数器原理,计数器-环形计数器,CLR,环行计数器的电路原理,计数器-程序计数器,程序计数器(program counter)也是一个行波计数器。不过它不但可以从0开始计数，也可以将外来的数装入其中，这就需要一个COU

13、NT输入端，也要有一个LOAD门。,程序计数器,2.4三态输出电路“0”、“1”和“高阻” 由于记忆元件是由触发器组成的，而触发器只有两个状态：0和1，所以每条信号传输线只能传送一个触发器的信息(0或1)。如果一条信号传输线既能与一个触发器接通，也可以与其断开而与另外一个触发器接通，则一条信息传输线就可以传输随意多个触发器的信息了。三态输出电路(或称三态门)就是为了达到这个目的而设计的。,三态输出电路及其符号,双向三态输出电路,三态门(E门)和装入门(L门)一样，都可加到任何寄存器(包括计数器和累加器)电路上去。这样的寄存器就称为三态寄存器。L门专管对寄存器的装入数据的控制，而E门专管由寄存器

14、输出数据的控制。 有了L门和E门就可以利用总线结构，使计算机的信息传递的线路简单化，控制器的设计也更为合理而易于理解了。,2.5总线结构,总线结构符号图,总线结构的信息传输,如果将各个寄存器的L门和E门按次序排成一列，则可称其为控制字CON： CONLAEALDEBLcEcLDED 为了避免信息在公共总线W中乱窜，必须规定在某一时钟节拍(CLK为正半周)，只有一个寄存器L门为高电位，和另一寄存器的E门为高电位。其余各门则必须为低电位。这样，E门为高电位的寄存器的数据就可以流人到L门为高电位的寄存器中去。,2.6存储器概论,存储器就是计算机中存储计算程序、原始数据及中间结果的设备。 一、按半导体

15、存储器按存储信息的功能分为：,二、存储器的性能指标, 存储容量:这是存储器的一个重要指标，通常用该内存储器所能存储的字数及其字长的乘积来表示即 存储容量字数字长 最大存取时间:存储器从接收、寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入数码为止所需的时间叫作存取时间。通常手册上给出该常数的上限值，称为最大存取时间。最大存取时间愈短，存储器的工作速度就愈高。因此，它是存储器的一个重要参数。半导体存储器的最大存取时间为几十ns到几百ns。 功耗:应在保证速度的前提下尽可能地减小功耗，特别要减小“维持功耗”。 可靠性:可靠性一般是指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰能力。半导体存储器由于采用大规模集成电路

16、结构，可靠性较高，平均无故障间隔时间为几千小时以上 集成度:对半导体存储器来说，集成度是一个重要的指标。所谓集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存储一个二进制位，所以集成度常表示为位/片。目前典型产品的集成度有1K位/片、4K位/片、16K位/片、16K位/片等。,一、存储器的结构,半导体随机存取存储器一般由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态双向缓冲器等部分组成., 存储矩阵:能够寄存二进制信息的基本存储电路的集合体称为存储体。为了便于消息的写入和读出，存储体中的这些基本存储电路应当配置成一定的阵列，并进行编址，因而存储体办称为存储矩阵。 地址译码器:

17、由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读写操作。 存储器控制电路:通过存储器的控制信号引线端，接收来自CPU或外部电路的控制信号，经过组合变换后，对存储矩阵、地址译码器及三状态双向缓冲器进行控制。存储器的控制信号引线端通常有芯片允许引线端 (Chip Select)或芯片开放引线端 (Chip Enable)、输出禁止引线端OD(Output Disable)或输出开放引

18、线端OE(Output Enablc)以及读/写控制引线端R/W(Read/Write)或写开放引线端WE(Write Enable)。 三状态双向缓冲器:半导体RAM的数据输入/输出控制电路多为三状态双向缓冲器结构，以便使系统中各存储器芯片的数据输入/输出端能方便地挂接到系统数据总线上。,二、只读存储器ROM,指在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器，在不断发展变化的过程中，ROM器件也产生了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM等各种不同类型。 EPROM 芯片Intel 2716 Intel2716是一种2K8的EPROM存储器芯片，双列直插

19、式封装，24个引脚，其最基本的存储单元，就是采用如上所述的带有浮动栅的MOS管，其它的典型芯片有Ietel 2732/27128/27512等。,三、随机存取存储器RAM,静态RAM（SRAM） SRAM的主要优点是速度快，不需要刷新，简化了外部电路；缺点是容量低，功耗大。SRAM常常用在存储容量较小的系统中。本节以用途较广泛的HM6116为例介绍静态RAM芯片。HM6116是日立公司生产的一种典型CMOS静态RAM，单一+5V电源，存储容量为2K8位。,HM6116的引脚排列及逻辑符号,第三章模型式计算机的工作原理,3.1 模型式计算机的硬件组成 3.2 指令系统 3.3 程序设计 3.4

20、执行指令的例行程序 3.5 控制部件,3.1 模型式计算机的硬件组成,功能简单：只能做两个数的加减法 内存量小：只有一个16*8PROM 字长8位：二进制八位显示 手动输入：用拔钮开关输入程序和 数据 虽然简单，但已具备了一个可编程序计算机的雏形，麻雀虽小，五脏具全。尤其是有关控制矩阵和控制部件的控制过程和电路原理的分析，更有助于初学者领会计算机的机理。,模型式计算机的结构,K01,K12,K11,K10,K02,K00,K03,K20,K21,K22,K13,K23,K30,K31,K32,K33,1,2,3,4,ER,D0,D1,D2,D3,R,R,R,R,R0,R1,R2,R3,A1,A0,4*4PROM原理图,3.2指 令 系 统,LDA-将数据装入累加器A; ADD-作加法运算； SUB-作减法运算； OUT-输出结果； HLT-停机,不同型号的微处理器的指令系统不同,3.3 程序设计,1、机器语言 机器语言程序、目标程序 2、汇编语言助记符 汇编语言程序、源程序 3、高级语言 高级语言程序,源程序和目的程序转换表,程序及数据的输入方法,* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *,R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 RA RB RC RD RE R