《微型計算機原理》

開設(shè)的基本目的：

從理論和實踐上掌握微型計算機基本組成、工作原理及常用外設(shè)接口技術(shù)；初步掌握匯編語言程序設(shè)計方法與上機調(diào)試過程；建立微型計算機系統(tǒng)整體概念，具備利用微機進行硬件和軟件開發(fā)的初步能力。48學(xué)時，其中授課40學(xué)時，上機實驗8學(xué)時。要求：認真聽課、做好筆記。電話：1學(xué)習(xí)方法很重要復(fù)習(xí)并掌握先修課的有關(guān)內(nèi)容課堂：聽講與理解、適當(dāng)筆記課后：認真復(fù)習(xí)、完成作業(yè)實驗：充分準(zhǔn)備、勇于實踐學(xué)習(xí)

方法2第一章微型計算機基礎(chǔ)知識1-1概述

1、電子數(shù)字計算機概念

目前通常所說的計算機是指電子數(shù)字計算機。電子技術(shù)工藝、數(shù)字化信息處理方式、高度復(fù)雜的可編程邏輯電子電路。信息以二進制形式（邏輯電平形式）表示；自動地進行信息處理。2、計算機分類按信息處理方式：數(shù)字計算機和模擬計算機。模擬計算機由于受元器件質(zhì)量影響，其計算精度較低，目前已很少生產(chǎn)。

3

3、計算機發(fā)展簡史1）機械計算機的誕生

1614年:蘇格蘭人JohnNapier發(fā)明了一種可以進行四則運算和方根運算的精巧裝置。……1890年:HermanHollerith設(shè)計了用于美國人口普查的機器。結(jié)果僅用6周就得出了準(zhǔn)確的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如果用人工方法，大概要花10年時間)。

2）電子計算機時代1906年:美國人LeeDeForest發(fā)明電子管，為電子計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?！?946年:第一臺真正意義上的數(shù)字電子計算機誕生（ENIAC）。

5根據(jù)使用電子器件不同，電子計算機經(jīng)歷了四個階段：電子管計算機(1946—1956)晶體管計算機(1957—1964) 集成電路計算機(1965—1970)

超大規(guī)模集成電路計算機(1971—至今)

用機器語言、匯編語言編寫程序用于軍事和國防尖端技術(shù) 開始使用高級語言開始用于工程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和其它科學(xué)領(lǐng)域采用微程序、流水線等技術(shù)，提高運行速度出現(xiàn)操作系統(tǒng)、診斷程序等軟件采用半導(dǎo)體存儲器采用圖形界面操作系統(tǒng)器件速度更快,軟件、外設(shè)更加豐富6自從1981年IBM公司進入微型計算機領(lǐng)域推出了IBM－PC以后，計算機的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的時代——微型計算機時代。微型計算機的迅速、大規(guī)模的應(yīng)用與普及，使計算機真正廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)技術(shù)以及社會生活與日常生活的各個方面。以前的大型機、中型機、小型機的界線巳經(jīng)日益模糊與消失。隨著微型計算機應(yīng)用的普及與發(fā)展，芯片與微型機的功能與性能迅速提高，其功能已經(jīng)遠遠超過了20世紀(jì)80年代以前的中型機、小型機，甚至超過了大型機。

76、計算機發(fā)展方向

當(dāng)前模式的電子計算機發(fā)展趨勢是朝微型化和巨型化兩方面發(fā)展。功能發(fā)展

多媒體計算機：更好地支持多媒體技術(shù)，音頻、視頻數(shù)據(jù)壓縮、解壓縮技術(shù)，多媒體數(shù)據(jù)的通信。

計算機智能化：具有推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)等思維功能和模式識別功能。網(wǎng)絡(luò)計算機：全面支持網(wǎng)絡(luò)功能。9

新型計算機的研究：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機：從內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)。

生物計算機：使用蛋白分子為材料的生物芯片。

光子計算機：用光子代替電子，用光連接代替金屬導(dǎo)線連接，運算速度快千倍。101-2微型計算機系統(tǒng)的組成

1、組成部分運算器ALU寄存器控制器系統(tǒng)軟件：DOS、Windows應(yīng)用軟件：Word、Excel、VisualC++中央處理器CPU存儲器I/O接口總線硬件軟件微型計算機系統(tǒng)微型計算機(主機)外設(shè)鍵盤、鼠標(biāo)顯示器軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)打印機、掃描儀11微處理器簡稱μP或MP(Microprocessor)是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算器和控制器功能的中央處理器部件，又稱為微處理機。它本身并不等于微型計算機，而只是其中央處理器。有時為區(qū)別大、中、小型中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)與微處理器，而稱后者為MPU(MicroprocessingUnit)。通常在微型計算機中直接用CPU表示微處理器。(1)微處理器13微型計算機簡稱μC或MC，是指以微處理器為核心，配上存儲器、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計算機(又稱主機或微電腦)。當(dāng)把微處理器、存儲器和輸入／輸出接口電路統(tǒng)一組裝在一塊或多塊電路板上或集成在單片芯片上，則分別稱之為單板機、多板機或單片微型計算機。(2)微型計算機14

微型計算機系統(tǒng)(Microcomputersystem)簡稱μCS或MCS，是指以微型計算機為中心,以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源和輔助電路(統(tǒng)稱硬件)以及指揮微型計算機工作的系統(tǒng)軟件所構(gòu)成的系統(tǒng)。(3)微型計算機系統(tǒng)153、存儲器（Memory）

記憶部件：存儲程序和數(shù)據(jù)。主存(內(nèi)存)：用于存放當(dāng)前正在運行的程序和正待處理數(shù)據(jù)。(CPU內(nèi)部cache，主板上的內(nèi)存,造價高，速度快，存儲容量小)輔存(外存)：存放暫不運行的程序和輸入處理的數(shù)據(jù)，(主機箱內(nèi)或主機箱外，造價低，容量大，可長期保存，但速度慢)174、I/O設(shè)備完成信息轉(zhuǎn)換、發(fā)揮計算機的作用；文字、聲音等自然信息以及其它物理信息與計算機能識別的二進制信息進行轉(zhuǎn)換。微型計算機常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、圖像掃描儀、數(shù)碼相機等。微型計算機常用的輸出設(shè)備有CRT顯示器、打印機和繪圖儀等。185、總線（Bus）計算機各部分之間傳送信息的公共通道。各部件分時復(fù)用總線。在某一時刻，只能有一個部件向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，否則形成總線沖突?？捎卸鄠€部件從總線接收數(shù)據(jù)?？偩€結(jié)構(gòu)降低了部件之間連線數(shù)量，提高可靠性；但數(shù)據(jù)交換速度降低?？偩€按傳遞信息的內(nèi)容分為：數(shù)據(jù)總線（DataBus--DB）--雙向地址總線（AddressBus--AB）--單向控制總線（ControlBus—CB）--雙向19圖1.1微型計算機的系統(tǒng)組成控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB系統(tǒng)總線形成處理器子系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口存儲器系統(tǒng)總線BUS微型計算機的硬件組成微處理器子系統(tǒng)存儲器I/O設(shè)備和I/O接口系統(tǒng)總線21系統(tǒng)總線總線是指傳遞信息的一組公用導(dǎo)線總線是傳送信息的公共通道微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)功能部件總線信號可分成三組地址總線AB：傳送地址信息數(shù)據(jù)總線DB：傳送數(shù)據(jù)信息控制總線CB：傳送控制信息22總線信號地址總線AB輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址地址線的多少決定了系統(tǒng)直接尋址存儲器的范圍數(shù)據(jù)總線DBCPU讀操作時，外部數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPUCPU寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往外部數(shù)據(jù)線的多少決定了一次能夠傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)控制總線CB協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的操作，有輸出控制、輸入狀態(tài)等信號控制總線決定了系統(tǒng)總線的特點，例如功能、適應(yīng)性等舉例舉例特點23硬件基本組成16位和32位PC機的基本部件相同251、位與字節(jié)1）位(Bit)

指計算機能表示的最小信息單位。在計算機中采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令，故：位就是一個二進制位，有兩種狀態(tài)，“0”和“1”1-3微型計算機系統(tǒng)的工作原理2）字節(jié)(Byte)

相鄰的8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)1Byte=8bit

如：11000011；01010111263）字（Word）字是CPU內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位。字長與CPU內(nèi)部的寄存器、運算器、總線寬度是一致的。通常也將2個字節(jié)（16位）定義為一個字；。4）位編號

10100010D7D6D5D4D3D2D1D0A7A6A5A4A3A2A1A0數(shù)據(jù)Data地址Address27為使指令能被計算機識別，必須以二進制編碼形式表示，稱為機器碼。用機器碼形式表示的指令不便于人來記憶和理解，于是用一些助記符表示指令代碼。如:MOVAX,3561H;ADDBL,21H

用助記符表示指令代碼的語言稱為匯編語言。匯編源程序經(jīng)編譯，形成機器碼程序——目標(biāo)程序。29微處理器由運算器、控制器和內(nèi)部寄存器陣列3部分組成。1-4微處理器組成30一、運算器運算器又稱為算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit),用來進行算術(shù)或邏輯運算以及位移循環(huán)等操作。參加運算的兩個操作數(shù)，累加器和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,可以是數(shù)據(jù)寄存器DR(DataRegister)中的內(nèi)容，也可以是寄存器陣列RA中某個寄存器的內(nèi)容。運算結(jié)果送回累加器A暫存。二、控制器(一)指令寄存器IR(InstructionRegister)存放從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令。(二)指令譯碼器ID(InstructionDecoder)對指令寄存器IR中的指令進行譯碼，確定該指令應(yīng)執(zhí)行什么操作。(三)可編程邏輯陣列PLA(ProgrammableLogicArray)

產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需的各種微操作控制信號。31三、內(nèi)部寄存器通常，內(nèi)部寄存器包括若干個功能不同的寄存器或寄存器組。(一)累加器累加器是用得最頻繁的一個寄存器。在進行算術(shù)邏輯運算時，它具有雙重功能：運算前，用來保存一個操作數(shù)；運算后，用來保存結(jié)果。(二)數(shù)據(jù)寄存器DR數(shù)據(jù)寄存器DR用來暫存數(shù)據(jù)或指令。從存儲器讀出時，若讀出的是指令，經(jīng)DR暫存的指令通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到指令寄存器IR;若讀出的是數(shù)據(jù),則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到有關(guān)的寄存器或運算器。向存儲器寫入數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR，再經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB寫入存儲器的。

32(三)程序計數(shù)器PC(ProgramCounter)程序計數(shù)器PC中存放著正待取出的指令的地址。根據(jù)PC中的指令地址，準(zhǔn)備從存儲器中取出將要執(zhí)行的指令。通常,程序按順序逐條執(zhí)行。任何時刻,PC都指示微處理器要取的下一個字節(jié)或下一條指令(對單字節(jié)指令而言)所在的地址。因此,PC具有自動加1的功能。(四)地址寄存器AR(AddressRegister) 地址寄存器AR用來存放正要取出的指令的地址或操作數(shù)的地址。在取指令時，將PC中存放的指令地址送到AR，根據(jù)此地址從存儲器中取出指令。在取操作數(shù)時，將操作數(shù)地址通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到AR，再根據(jù)此地址從存儲器中取出操作數(shù)；在向存儲器存入數(shù)據(jù)時，也要先將待寫入數(shù)據(jù)的地址送到AR，再根據(jù)此地址向存儲器寫入數(shù)據(jù)。

33(五)標(biāo)志寄存器F(FlagRegister)標(biāo)志寄存器F用來寄存執(zhí)行指令時所產(chǎn)生的結(jié)果或狀態(tài)的標(biāo)志信號。關(guān)于標(biāo)志位的具體設(shè)置與功能將視微處理器的型號而異。根據(jù)檢測有關(guān)的標(biāo)志位是0或1,可以按不同條件決定程序的流向。

34存儲器是微機的存儲和記憶部件，用來存放程序和數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果與最終結(jié)果）。在計算機內(nèi)部，程序和數(shù)據(jù)都是用0、1二進制代碼的形式來表示的。每一個0或1就叫做1位信息。1-5存儲器概述一、基本概念35二、存儲器組成隨機存取存儲器由存儲體、地址譯碼器和控制電路組成。地址譯碼器接收從地址總線AB送來的地址碼，經(jīng)譯碼器譯碼選中相應(yīng)的某個存儲單元，以便從中讀出（取出）信息或?qū)懭耄ù嫒耄┬畔??？刂齐娐酚脕砜刂拼鎯ζ鞯淖x／寫操作過程。36三、讀／寫操作過程從存儲器讀出信息:假定CPU要讀出存儲器04H單元的內(nèi)容10010111(1)CPU的地址寄存器AR先給出地址04H并將它放到地址總線上,經(jīng)地址譯碼器譯碼選中04H單元;(2)CPU發(fā)出“讀”控制信號給存儲器,指示它準(zhǔn)備把被尋址的04H單元中的內(nèi)容97H放到數(shù)據(jù)總線上;(3)在讀控制信號的作用下,存儲器將04H單元中的內(nèi)容97H放到數(shù)據(jù)總線上,送至數(shù)據(jù)寄存器DR,然后由CPU取走。37向存儲器寫入信息:假定CPU要把數(shù)據(jù)寄存器DR中的內(nèi)容00100110即26H寫入存儲器08H單元,則：(1)CPU的地址寄存器AR先把地址08H放到地址總線上,經(jīng)地址譯碼器選中08H單元；(2)CPU把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H放到數(shù)據(jù)總線上;(3)CPU向存儲器發(fā)送“寫”控制信號,在該信號的控制下,將內(nèi)容26H寫入被尋址的08H單元。38微機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成,因此,執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程,即逐條地執(zhí)行指令;由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指令與執(zhí)行指令兩個基本階段,所以,微機的工作過程，也就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程。1-6微機工作過程39假定程序已由輸入設(shè)備存放到內(nèi)存中。當(dāng)計算機從停機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時,首先把第1條指令所在的地址賦給程序計數(shù)器PC，然后機器進入取指階段。

40在取指階段,CPU從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令,于是,數(shù)據(jù)寄存器DR便把它送至指令寄存器IR;然后由指令譯碼器譯碼，控制器就發(fā)出相應(yīng)的控制信號,CPU便知道該條指令要執(zhí)行什么操作。在取指階段結(jié)束后，機器就進入執(zhí)指階段,這時,CPU執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢以后,就轉(zhuǎn)入了下一條指令的取指階段。這樣周而復(fù)始地循環(huán)一直進行到程序中遇到暫停指令時方才結(jié)束。

41取指階段都是由一系列相同的操作組成的,所以,取指階段的時間總是相同的，它稱為公操作。而執(zhí)指階段將由不同的事件順序組成,它取決于被執(zhí)行指令的類型，因此,執(zhí)指階段的時間從一條指令到下一條指令變化相當(dāng)大。應(yīng)當(dāng)指出的是，指令通常包括操作碼(OperationCode)和操作數(shù)(Operand)兩大部分。操作碼表示計算機執(zhí)行什么具體操作,而操作數(shù)表示參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址,也稱之為地址碼。

42舉例

一段匯編程序

MOVAL，7；將數(shù)值7裝入累加器AL中

ADDAL，10；AL內(nèi)容與10相加，結(jié)果存于AL中

HLT；停止操作編譯成機器碼：10110000（MOVAL，X）00000111（X=7）00000100（ADDAL，X）00001010（X=10）11110100（HLT）寫入存儲器內(nèi)容地址0000H0001H0002H0003H0004H43二進制（Binary)表示；計算機表示信息的方式。十進制(Decimal)表示；人的自然表示。16進制(Hexadecimal)表示；二進制的等價表示，每4位二進制數(shù)字等價于一位16進制數(shù)字。用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F表示16個數(shù)碼。表示：二進制—B；十進制—D（可省略）；十六進制—H1-7計算機運算基礎(chǔ)1、常用的計數(shù)制442、數(shù)制間的數(shù)值轉(zhuǎn)換1）非十進制數(shù)化十進制數(shù)的方法：各位數(shù)碼乘以與其對應(yīng)的權(quán)，然后相加即可。如：1011B=1*23+0*22+1*21+1*20=1102E3H=0*163+2*162+E*16+3=2*256+14*16+3=7392）十進制轉(zhuǎn)化為N進制數(shù)的方法整數(shù)部分除以N，并記下余數(shù)，直到商為0;將余數(shù)按從后往前的順序排列起來，構(gòu)成整數(shù)部分。小數(shù)部分乘以N，并記下結(jié)果的整數(shù)部分，直到結(jié)果的小數(shù)部分為0;然后將結(jié)果的整數(shù)部分從前向后排列起來，構(gòu)成小數(shù)部分。453）十六進制與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)每一位用4位二進制數(shù)表示4）舉例求100D的二進制和十六進制表示100/2=50余050/2=25余025/2=12余112/2=6余06/2=3余03/2=1余11/2=0余1所以100D=1100100B=1100100B=64H463、計算機中常用的編碼1)所謂編碼是指信息在計算機中的表示方法。信息既包括數(shù)字也包括字母、符號和一些不可見的控制符號。2)BCD碼（Binary-CodedDecimal)用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。3)ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange)用7位二進制進行編碼（00-7FH），可表示128種字符，見附錄1。在機器內(nèi)用一個字節(jié)表示，D7=0。474)漢字編碼：常用國標(biāo)碼，用兩個7位編碼表示漢字和一些圖形符號；在機器內(nèi)用兩個8位字節(jié)表示，稱為內(nèi)碼；每個字節(jié)的D7=1，以與ASCII碼相區(qū)別。如漢字‘啊’的國標(biāo)碼為01100000100001；對應(yīng)內(nèi)碼為1011048在計算機中，符號只能用數(shù)字來表示。用二進制數(shù)字的最高位表示該數(shù)的符號。正數(shù)為0，負數(shù)為1。其余位為數(shù)值位。機器數(shù)的表示方法有：原碼、反碼、補碼。4、計算機中有符號數(shù)的表示5、原碼、反碼和補碼1）原碼：正數(shù)的原碼為該數(shù)的二進制數(shù)； 負數(shù)的原碼僅符號位為1。例：若用8位二進制數(shù)表示機器數(shù)，則13的原碼為00001101；而-13的原碼為10001101。

原碼表示便于乘除運算，不便于加減運算。492）反碼：正數(shù)的反碼等于原碼； 負數(shù)的反碼等于其相反數(shù)按位取反。 例：若用8位二進制數(shù)表示機器數(shù)，則13的反碼為00001101；-13的反碼為11110010；而-（-13）的反碼為（11110010）的各位取反。3）補碼：正數(shù)的補碼等于原碼； 負數(shù)的補碼為其反碼+1。例：若用8位二進制數(shù)表示機器數(shù)，則13的補碼為00001101；而-13的補碼為11110010+1=11110011。-（-13）的補碼為00001100+1=00001101=13504）補碼的性質(zhì)與作用[x+y]補=[x]補+[y]補[x-y]補=[x]補+[-y]補

如32-13=32+（-13）=00100000B+11110011B=000010011B而13-32=00001101B+11100000B=11101101B=-19的補碼采用補碼可將減法轉(zhuǎn)化為加法，符號位同數(shù)值位一同參與運算，運算簡單。

引入補碼的目的是：1）便于加減法運算；2）使加法和減法相統(tǒng)一，降低硬件復(fù)雜性。51

M位二進制數(shù)能夠表示的無符號數(shù)范圍為：

0～2M-1M位二進制數(shù)能夠表示的有符號數(shù)范圍為：原碼-2M-1+1～2M-1-1

反碼-2M-1+1～2M-1-1

補碼-2M-1～2M-1-16、無符號數(shù)和有符號數(shù)的表示范圍52典型8位二進制數(shù)的碼值數(shù)值 原碼 反碼 補碼

127 7FH 7FH 7FH126 7EH 7EH 7EH1 01H 01H 01H0 00H/80H 00H/0FFH 00H-1 81H 0FEH 0FFH-2 82H 0FDH 0FEH-127 0FFH 80H 81H-128 / / 80H53當(dāng)前計算機的基本實現(xiàn)方案——馮.諾依曼(VonNeumann)體系結(jié)構(gòu)

由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成，各自行使不同功能；指令與數(shù)據(jù)存放在存儲器中，順序執(zhí)行；

采用二進制形式表示信息。該體系結(jié)構(gòu)是馮.諾依曼(VonNeumann)于1946年提出，奠定了計算機實現(xiàn)框架；1949年誕生馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機，至今計算機結(jié)構(gòu)沒有根本突破。54

年代型號晶體管數(shù)量1978年