微机原理与接口技术第章微型计算机概述.ppt

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1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术第第1章章微型计算机概述微型计算机概述教案第第 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1微型计算机微型计算机1.2微机的软件基础微机的软件基础1.3微机的结构特点微机的结构特点习题例习题例微型计算机微型计算机 微型化的电子计算机微型化的电子计算机电子计算机的基本组成电子计算机的基本组成存储器存储器输入输入设备设备输出输出设备设备控制器控制器运算器运算器CPU数据流数据流控制流控制流微处理器、微机、微机系统微处理器、微机、微机系统微微处处理理器器（MP，Microprocessor），也也称称为为CPU或或MPU。微微处处理理器器是是由由算算术术逻逻辑辑部部

2、件件（ALU）、控控制制部部件件（CU）、寄寄存存器器（R）组组、片片内内总总线线等等部部分分组组成成的的大大规规模集成电路芯片。模集成电路芯片。微微型型计计算算机机（MC，Microcomputer，简简称称微微机机）是是以以微微处处理理器器为为核核心心，配配上上大大规规模模集集成成电电路路的的半半导导体体存存储储器器、输入和输出接口电路，以及相应的辅助电路。输入和输出接口电路，以及相应的辅助电路。微微型型计计算算机机系系统统（MCS，MicrocomputerSystem）是是以以微微型型计计算算机机为为主主体体，配配上上一一定定规规模模的的系系统统软软件件和和外外部部设设备构成。备构成。

3、微型计算机性能指标微型计算机性能指标字字长长：微微处处理理器器并并行行处处理理的的最最大大位位数数，有有8/16/32位位等等，通通常常与与微微处处理理器器的的ALU、R、数数据据总总线线的的位位数数一一致致。字字长长是是微机分类的主要依据。微机分类的主要依据。存存储储容容量量：微微机机系系统统能能够够直直接接访访问问的的存存储储单单元元字字节节数数，即即内内存存寻寻址址的的最最大大字字节节数数。存存储储器器字字节节数数是是由由存存储储器器地地址址的的位位数数决决定定的的，通通常常以以KB，MB，GB（分分别别是是210，220，230字节）为单位字节）为单位。运运算算速速度度：微微机机通通常

4、常是是以以计计算算机机的的主主频频（MHz,106Hz）速速度为度为运算速度单位运算速度单位。系系统统配配置置：系系统统提提供供的的人人机机联联系系手手段段（软软/硬硬件件配配置置越越高高档，工作效率越高）。档，工作效率越高）。性能性能/价格比价格比：微机系统性能：微机系统性能价格比值的价格比值的综合指标综合指标。微型计算机的组成微型计算机的组成硬硬件件微型计算机微型计算机微处理器微处理器ALU，CU，R，.内存储器内存储器ROM，RAMI/O接口接口并行并行I/O，串行，串行I/O，.系统总线系统总线AB，DB，CB外围设备外围设备外部设备外部设备键盘，键盘，CRT，存储器，存储器，.过程通

5、道过程通道A/D，D/A，开关量，开关量I/O，.电源电源软软件件系统软件系统软件监控程序，操作系统，编译程序，监控程序，操作系统，编译程序，.程序设计语言程序设计语言 机器语言，汇编语言，机器语言，汇编语言，C语言，语言，.应用软件应用软件软件包，数据库，软件包，数据库，.微机的分类及其应用微机的分类及其应用微机的分类微机的分类:微机系统是以微机系统是以微处理器字长微处理器字长作为微机的分类标准。作为微机的分类标准。微机一般分为微机一般分为4位、位、8位、位、16位、位、32位微机等位微机等。微机的应用特点微机的应用特点:形小、体轻、功耗低形小、体轻、功耗低 性能可靠性能可靠 价格便宜价格便

6、宜 结构灵活，适应性强结构灵活，适应性强 应用面广应用面广微机中的数微机中的数制制十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制数码数码090，109，AF基基(或模或模)10216进位原则进位原则逢十进一逢十进一逢二进一逢二进一逢十六进一逢十六进一位权值位权值10i2i16i位位值值规规则则通通项项公式公式N=Di10ii=n-1-mN=Bi2ii=n-1-mN=Hi16ii=n-1-m数制后缀符号数制后缀符号D或者省略或者省略BH数数制之间的转换制之间的转换2#数和数和16#数之间的相互转换数之间的相互转换11000001B=11000001B=0C1H7F2AH=011111110010101

7、0如果有小数，以小数点为界，对整数、小数转换。如果有小数，以小数点为界，对整数、小数转换。01011101.01B=01011101.0100B=5D.4H2#/16#数转换成数转换成10#数数1010110B=126+124+122+12=64+16+4+2=864D.8H=416+13+816-1=64+13+0.5=77.5数数制之间的转换制之间的转换10#数转换成数转换成2#/16#数数10#整整数数2#/16#数数的转换：的转换：采用采用“除基取余法除基取余法”，即除以基数（，即除以基数（2/16）取余数法。）取余数法。233D=0E9H（除以（除以16取余数）取余数）233D=11

8、101001B（除以（除以2取余数）取余数）10#小数小数2#/16#数数的转换：的转换：采用采用“乘基取整法乘基取整法”，即乘以基数（，即乘以基数（2/16）取整数法。）取整数法。0.25D=0.01B=0.4H0.5D=0.1B=0.8H0.625D=0.101B=0.AH0.75D=0.11B=0.CH字符信息编码字符信息编码 BCD码码（BinaryCodedDecimal）十进制数十进制数09的二进制编码，分别用的二进制编码，分别用00001001表示。表示。计算机常用一个字节存放计算机常用一个字节存放2位位BCD码（压缩码（压缩BCD码）。码）。例如，例如，10000000B（80

9、H），），压缩压缩BCD码码数解释为数解释为8001001001B（49H），），压缩压缩BCD码码数解释为数解释为49ASCII码码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）计算机计算机字符信息字符信息交换交换标准码，共标准码，共128个，用个，用7位编码（位编码（27）表示。）表示。计算机常用一个字节存放一个计算机常用一个字节存放一个ASCII码（码（D7位恒为位恒为0）。）。例如，例如，09的的ASCII码码30H39H；AZ的的ASCII码码41H5AH；az的的ASCII码码61H7AH；空格；空格的的ASCII码码20H.机器数（

10、有穷数位）表示字节（字节（8位）位）数，可表示数，可表示256个数个数 字（字（16位）位）数，可表示数，可表示65536个数个数无符号数字节数：字节数：0255（00FFH）字数：字数：065535（00FFFFH）有符号数（原码原码/补码补码表示表示）字节数：字节数：-128127字数：字数：-3276832767（整）整）数的表示数的表示有有/无符号字节数范围无符号字节数范围11111111.100000011000000001111111.000000100000000100000000111111111111111011111101.100000011000000001111111.

11、0000000100000000无无符符号号数数255.129128127.210有有符符号号数数-1-2-3.-127-128有有/无符号数表示无符号数表示无无符符号号数数是是正正数数，无无需需符符号号表表示示，所所有有数数位位都都是是数数值值数数位位。n位无符号数位无符号数N的数值范围是的数值范围是0N2n-1。有有符符号号数数的的符符号号用用一一位位二二进进制制数数码码（正正数数0，负负数数1）表表示示，即即符号数值化符号数值化表示。表示。原码（符号原码（符号-绝对值）表示法绝对值）表示法：用其最高有效位作为数的符号位（用其最高有效位作为数的符号位（Sf），其余位为数值位。），其余位为数

12、值位。补码表示法补码表示法：正数正数补码同原码表示。补码同原码表示。负负数数补补码码是是将将它它对对应应的的正正数数，连连同同符符号号位位一一起起按按位位取取反反，再再在最末数位上加在最末数位上加1，即，即“按位按位取反取反+1”。求补码求补码的方法的方法 n位补码数位补码数N的数值范围：的数值范围：-2n-1N 2n-1-1。例如，例如，字节数（字节数（8位位）补码范围：）补码范围：-128127字数（字数（16位位）补码范围：）补码范围：-3276832767求求X补码补码（n位）的方法：位）的方法：X为为正数正数：求：求X的原码（的原码（n位）。位）。X为为负数负数：求：求X对应对应正数

13、正数的原码（的原码（n位），然后位），然后“按位取反按位取反”，并在最末位，并在最末位+1，即，相当于做了一个，即，相当于做了一个n位的位的0-X运算。运算。例如：例如：+127的的补码补码（同原码），（同原码），01111111-127的的补码补码，01111111按位取反按位取反+1，即，即10000001例如：例如：+1000011（+67）-111000（-56）原码原码：数符（：数符（Sf）绝对值绝对值（8位）位）01000011（+67）10111000（-56）反码反码：正数正数同原码，同原码，负数负数的数值位的数值位“按位取反按位取反”（8位）位）01000011（+67）11

14、000111（-56）补码补码：正数正数同原码，同原码，负数负数的数值位的数值位“按位取反按位取反+1”（8位）位）01000011（+67）11001000（-56）原码，补码原码，补码表示例表示例D7D016#数数无符号数无符号数有符号数有符号数（补码）（补码）压缩压缩BCD码码ASCII码码0100000141H656541A0110010064H10010064d011111117FH127127非法码非法码1000000080H128-12880非法码非法码1001010195H149-10795非法码非法码100111009CH156-100非法码非法码非法码非法码11111111

15、0FFH255-1非法码非法码非法码非法码8位二进制数位二进制数/码码表示例表示例微机的基本运算微机的基本运算计计算算机机的的基基本本运运算算有有算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算，由由算算术术/逻逻辑辑运运算部件算部件ALU完成。完成。逻逻辑辑运运算算：有有反反（非非）运运算算、与与（）运运算算、或或（）运运算算、异异或或（）运运算算。对对于于多多位位二二进进制制变变量量的的逻逻辑辑运运算算是是“按按位位”运算的，即各对应位分别进行逻辑运算。运算的，即各对应位分别进行逻辑运算。算算术术运运算算：计计算算机机中中的的四四则则运运算算最最终终简简化化为为加加/减减法法运运算算。ALU的的核核心

16、心电电路路是是加加法法器器，实实现现的的是是补补码码加加法法运运算算（不不需需要要判判断断正正/负负号号，符符号号位位和和数数值值位位一一起起参参加加运运算算，能能自自动动得得到正确的补码结果，除非出现数值溢出错误到正确的补码结果，除非出现数值溢出错误）。）。XY补码补码=X补码补码+Y补码补码补码加补码加/减法运算例减法运算例41+27=6800101001+00011011=0100010041-27=41+（-27）=1400101001+11100101=00001110-41+27=（-41）+27=-1411010111+00011011=11110010-41-27=（-41）+

17、（-27）=-6811010111+11100101=10111100指令和指令系统指令和指令系统 指令指令计算机能直接执行的基本操作命令。计算机能直接执行的基本操作命令。指指令令系系统统计计算算机机能能执执行行的的全全部部指指令令的的集集合合，称称为为该该计计算算机的指令系统。机的指令系统。程程序序能能实实现现一一定定功功能能的的指指令令序序列列。用用汇汇编编语语言言/高高级级语语言描述的程序为言描述的程序为源程序源程序。汇编语言源程序的一条指令语句对应着一条汇编语言源程序的一条指令语句对应着一条执行指令执行指令。汇编语言指令语句由汇编语言指令语句由操作（码）符操作（码）符和和操作数操作数两

18、部分组成。两部分组成。操作符操作符指出所要执行的操作功能，用英文词缩写描述。指出所要执行的操作功能，用英文词缩写描述。操作数操作数指出指令操作的数据（操作对象）。指出指令操作的数据（操作对象）。汇编语言汇编语言程序程序计算机程序设计的语言系统计算机程序设计的语言系统:机器机器语言（语言（2#代码代码语言，执行指令序列）语言，执行指令序列）汇编语言汇编语言（符号（符号机器机器语言）语言）高级语言高级语言汇编语言程序汇编语言程序是用是用助记符号助记符号描述的，一一对应描述的，一一对应机器语言机器语言的的符号指令符号指令序列，便于阅读、书写和记忆。序列，便于阅读、书写和记忆。汇编语言程序汇编语言程序

19、必须必须 经过经过“汇编过程汇编过程”，变成，变成机器机器语言程语言程序（序（目标程序目标程序）才能被执行。）才能被执行。汇编过程汇编过程是是“一对一一对一”的翻译过程。的翻译过程。通过通过汇编语言程序设计，汇编语言程序设计，可以直接利用可以直接利用“硬件硬件”，高效，高效地使用计算机实现控制。地使用计算机实现控制。汇编语言程序设计过程汇编语言程序设计过程源文件源文件（例：（例：EX1.ASM）执行文件执行文件（例：（例：EX1.EXE）目标文件目标文件（例：（例：EX1.OBJ）执执行行编辑程序编辑程序汇编程序汇编程序连接程序连接程序调试程序调试程序汇编语言程序设计的系统软件汇编语言程序设计

20、的系统软件编辑程序编辑程序EDIT.EXE/记事本记事本汇编程序汇编程序MASM.EXE/TASM.EXE连接程序连接程序LINK.EXE/TLINK.EXE调试程序调试程序DEBUG.EXE/TD.EXE*上述系统软件是在上述系统软件是在MS-DOS环境环境下使用！下使用！微机的总线结构微机的总线结构 微机的核心部件是微机的核心部件是微处理器微处理器。微微机机的的总总线线是是指指微微机机主主板板或或单单板板机机上上以以微微处处理理器器芯芯片片为为核核心的、芯片与芯片之间的连接总线，称为心的、芯片与芯片之间的连接总线，称为系统总线系统总线。系系统统总总线线好好似似微微机机系系统统的的“中中枢枢

21、神神经经”，把把微微处处理理器器、存存储储器器和和I/O接接口口电电路路（外外部部设设备备与与微微型型计计算算机机相相连连的的协协调调电电路路）有有机机地地连连接接起起来来，所所有有的的地地址址、数数据据和和控控制制信信号号都都经经过总线传输。过总线传输。系系统统总总线线分分为为三三类类总总线线，即即数数据据总总线线（DB）、地地址址总总线线（AB）、控制总线（）、控制总线（CB）。微机总线结构示意图微机总线结构示意图I/O接口接口微微处处理理器器存储器存储器数据总线数据总线DB控制总线控制总线CB地址总线地址总线AB外部设备外部设备引脚的功能复用引脚的功能复用随随着着微微机机字字长长和和寻寻

22、址址能能力力的的增增加加，微微处处理理器器的的引引脚脚需需要要的的越越来来越越多多。又又由由于于工工艺艺技技术术和和生生产产成成本本的的考考虑虑，大大规规模模集集成电路芯片的封装尺寸和引脚数目受到限制。成电路芯片的封装尺寸和引脚数目受到限制。微微机机采采用用引引脚脚功功能能复复用用技技术术，即即把把一一个个引引脚脚设设计计成成由由多多个个功功能能“共共用用”的的引引脚脚，即即让让各各个个功功能能“分分时时”使使用用该该引引脚脚，所以也称为所以也称为引脚分时复用引脚分时复用。为为了了区区分分引引脚脚各各个个功功能能，需需要要有有相相应应的的辅辅助助电电路路，实实现现分分时时控控制制逻逻辑辑。所所

23、以以，引引脚脚功功能能复复用用技技术术是是以以延延长长信信息息传传输输时间，增加系统的复杂性为代价的。时间，增加系统的复杂性为代价的。流水线技术流水线技术 流流水水线线技技术术就就是是一一种种同同步步进进行行若若干干操操作作的的处处理理方方式式。这这种种方方式式的的操操作作过过程程类类似似于于工工厂厂的的流流水水线线作作业业装装配配线线，故故形形象象地地称之为流水线技术。称之为流水线技术。流流水水线线技技术术的的实实现现除除了了必必须须增增加加硬硬部部件件外外，要要保保证证流流水水线线有有良良好好性性能能，必必须须要要有有一一系系列列有有效效的的技技术术支支持持，如如，流流水水线线协调管理技术

24、和避免阻塞技术等。协调管理技术和避免阻塞技术等。流流水水线线技技术术已已广广泛泛应应用用于于16位位以以上上的的微微机机系系统统，主主要要目目的的是是加加快快取取指指令令和和访访问问存存储储器器等等操操作作，有有指指令令流流水水线线技技术术、运运算操作流水线算操作流水线技术、技术、寻址流水线寻址流水线技术等一系列应用。技术等一系列应用。微机中常用的数字部件微机中常用的数字部件三三态态门门电电路路：微微机机总总线线结结构构中中广广泛泛采采用用三三态态门门电电路路把把部部件件与与总总线线相相连连，使使挂挂接接在在系系统统总总线线上上的的功功能能部部件件既既要要“共共享享”总线通道，又要避免总线冲突

25、和信息串扰。总线通道，又要避免总线冲突和信息串扰。数数据据缓缓冲冲器器：由由双双向向三三态态门门构构成成的的数数据据缓缓冲冲器器，也也称称为为数数据驱动器，或数据收据驱动器，或数据收/发器。发器。数数据据锁锁存存器器：由由D触触发发器器和和单单向向三三态态门门构构成成的的带带缓缓冲冲的的数数据据锁存器。锁存器。译译码码器器：是是根根据据输输入入的的组组合合状状态态得得到到惟惟一一的的输输出出有有效效信信号号的的电电路路，广广泛泛运运用用在在存存储储器器单单元元和和I/O设设备备的的寻寻址址选选择择中中。n位位2#数数有有2n个个编编码码组组合合，所所以以，有有n个个输输入入端端的的译译码码电电

26、路路，有有2n个输出端，称为个输出端，称为n-2n译码器。译码器。三态门电路三态门电路挂挂接接在在微微机机系系统统总总线线上上的的功功能能部部件件既既要要“共共享享”总总线线通通道道，又又要要避避免免总总线线冲冲突突和和信信息息串串扰扰。微微机机总总线线结结构构中中广广泛泛采采用用三三态态门门电电路路把把部部件件与与总线相连。总线相连。三三态态门门有有较较高高的的输输入入阻阻抗抗和和较较低低的的输输出出阻阻抗抗，可可以以改改善善传传输输特特性性，故故对对传传输输数数据据起起到到缓缓冲冲作作用用，同同时时能能对对传传输输的的数数据据进进行行功功率率放放大大，具具有有一定的增强数据驱动能力。一定的

27、增强数据驱动能力。EABE2E1AB E=1B=AE1=1B=AE=0B高阻态高阻态E2=1A=B（断开）（断开）E1=E2=0A、B断开断开单向三态门单向三态门双向三态门双向三态门数据缓冲数据缓冲/驱动器驱动器 Intel8286（74LS245）是由是由8位双向三态门构成的双向数位双向三态门构成的双向数据缓冲据缓冲/驱动器（数据收驱动器（数据收/发发器）。器）。A0A7，B0B7：双双向向数数据据端端口。口。OE：输输出出允允许许信信号号，低低电电平平有效。有效。T：传传送送方方向向控控制制信信号号。当当T=1，数数 据据 AB传传 送送，当当T=0，数据，数据BA传送。传送。A1A2A3

28、A4A5A6A7A0B1B2B3B4B5B6B7B0TOE11数据锁存器数据锁存器 Intel 8282（74LS373）是是8位位带带有有单单向向三三态态缓缓冲冲器的数据锁存器。器的数据锁存器。DI0DI7、DO0DO7：分分别别是是8位位数数据据输输入入、输输出出端。端。STB：输输入入选选通通信信号号，高高电平有效。电平有效。OE：输输出出允允许许信信号号，低低电平有效。电平有效。DO0OEDO1DO2DO3DO4DO5DO6DO71DQCLKDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STB1译译码码器器Intel8205（74LS138）是微机系统广泛运用在存储器和是微机系统广泛

29、运用在存储器和I/O设备寻址的设备寻址的3-8译码器。译码器。A2,A1,A0(C,B,A)：3个输入端，有个输入端，有000111的的8种输入种输入组合状态。组合状态。Y0Y7：8个输出端，译码器工作时，个输出端，译码器工作时，只有一个只有一个Yi输出低电平有效。输出低电平有效。E3,E2,E1(G1,G2A,G2B)：3个选通信号，个选通信号，相当于译码器的片选信号。相当于译码器的片选信号。E3E2E1=1时，根据时，根据A2A1A0的输入组合译码，的输入组合译码，得到得到Y0Y7中惟一的一个低电平有效。中惟一的一个低电平有效。74LS138G2BG2AG1CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y

30、6Y774LS138译码器真值表译码器真值表G1 G2A G2B C B AY7 Y0 1000001111111000111111101010111110110111111011110011101111101110111111101011111111101111111习题习题1.2，习题，习题1.31.2将下列十进制数分别转换成二进制数和十六进制数。将下列十进制数分别转换成二进制数和十六进制数。（1）84=54H=1010100B（2）217=0D9H=11011001B（3）35.5=23.8H=100011.1B（4）129.75=81.CH=10000001.11B1.3给出下列十进制

31、数的补码（给出下列十进制数的补码（8位）表示。位）表示。（1）+127的补码的补码01111111（7FH）（2）127的补码的补码10000001（81H）（3）+105的补码的补码01101001（69H）（4）64的补码的补码11000000（0C0H）习题习题1.4，习题，习题1.51.4.给出下列十六进制数所代表的无符号数和有符号数。给出下列十六进制数所代表的无符号数和有符号数。（1）50H代表的无符号数是代表的无符号数是80，有符号数是，有符号数是80（2）64H代表的无符号数是代表的无符号数是100，有符号数是，有符号数是100（3）85H代表的无符号数是代表的无符号数是133，

32、有符号数是，有符号数是-123（4）0FFH代表的无符号数是代表的无符号数是255，有符号数是，有符号数是11.5将下列算式进行字节补码运算，并指出是否发生溢出。将下列算式进行字节补码运算，并指出是否发生溢出。（1）100+86=01100100+01010110=10111010（-70错），溢出错），溢出（2）99 123=01100011+10000101=11101000（-24），无溢出），无溢出（3）78+49=01001110+00110001=01111111（+127），无溢出），无溢出（4）75 64=10110101+10011100=01010001（+81错），溢出错），溢出习题习题1.61.6将下列算式进行逻辑运算。将下列算式进行逻辑运算。（1）（）（01011001）（11001100）=01001000（2）（）（11010011）（10001010）=11011011（3）（）（10110101）（01100001）=11010100（4）（）（01011010）（00001111）=01010101