微型計算機原理(第一章）主講教師魏祖雪Email:starwxy94@163.com重慶三峽學院——電子信息工程學院課程性質及教學目的

《微型計算機原理》是學習微型計算機基本知識和應用技能的重要課程。本課程幫助學生掌握微型計算機的硬件組成及使用；學會運用指令系統(tǒng)和匯編語言進行程序設計；熟悉各種類型的接口及其應用，樹立起微型計算機體系結構的基本概念，為后繼計算機課程的學習及應用打好基礎。教材熊江主編，微機系統(tǒng)與接口技術，武漢大學出版社，2007.8微機原理與接口實驗指導書，自編課程情況教學：42學時實驗：16學時考試：作業(yè)20%，實驗20%，期末考試60%答疑輔導網絡：/kcp/07/wxjsjyl/參考書:1.沈美明，IBM-PC匯編語言程序設計，北京，清華大學出版社，1991年6月，第一版2.劉樂善，微型計算機接口技術及應用，武漢，華中科技大學出版社，2004年1月3.戴梅萼等編《微型計算機技術及應用》-從16位到32位第二版4.鄒逢興主編《微型計算機原理及其應用》典型題解與實戰(zhàn)模擬國防科技大學出版社教學內容第一章微機系統(tǒng)與接口技術概述第二章微處理器結構第三章尋址方式和指令系統(tǒng)第四章匯編語言程序設計第五章半導體存儲器和高速緩沖存儲器第六章中斷技術第七章定時/計數器8254*第八章DMA技術（自學）第九章可編程并行接口8255A第十章串行接口第十一章USB接口(其它常用接口）(自學)第一章微機系統(tǒng)與接口技術概述1.1微型計算機的發(fā)展和特點1.2微型計算機的指標和分類1.3微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)的基本組成1.4計算機中數的表示和編碼1.5微機系統(tǒng)中的接口問題1.1微型計算機的發(fā)展和特點一、計算機的發(fā)展簡史

1946年世界上第一臺電子計算機由美國賓夕法尼亞大學研制成功。盡管它重達30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，用了18800多個電子管，每秒鐘僅能做5000次加法.

這臺計算機有五個基本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器和控制器，奠定了當代電子數字計算機體系結構的基礎。計算機發(fā)展經歷五代第一代計算機：電子管計算機1946年以電子管為邏輯元件第二代計算機：晶體管計算機1954年以晶體管為邏輯元件第三代計算機：集成電路計算機1964年以中、小規(guī)模集成電路為邏輯元件第四代計算機：大規(guī)模集成電路計算機1970年以超大規(guī)模集成電路為邏輯元件第五代計算機：智能計算機（非馮.羅依曼機）在50多年的發(fā)展歷程中，計算機技術突飛猛進，特別是進入20世紀70年代以后，微型計算機的出現為計算機的廣泛應用開拓了更加廣闊的前景。

20世紀70年代初在美國硅谷誕生了第一片微處理器。這種將計算機的運算器和控制器等部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器（Microprocessor）。微型計算機就是以微處理器為核心，再配上存儲器、接口電路等芯片構成的。二、微處理器及微型計算機的發(fā)展概況第一代微處理器是以Intel公司1971年推出的4004，4040為代表的四位微處理機。第二代微處理機（1973年~1977年），典型代表有：Intel公司的8080、8085；Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80。第三代微處理機第三代微機是以16位機為代表，基本上是在第二代微機的基礎上發(fā)展起來的。其中Intel公司的8088。8086是在8085的基礎發(fā)展起來的；M68000是Motorola公司在M6800的基礎發(fā)展起來的；第四代微處理機以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU為代表，

第五代微處理機的發(fā)展更加迅猛，1993年3月被命名為PENTIUM的微處理機面世，98年PENTIUM2又被推向市場。二、微處理器及微型計算機的發(fā)展概況按照微型計算機的CPU字長和功能劃分，它經歷了5代的演變:三、微型計算機的特點1、體積小、重量輕、功耗低2、價格便宜3、可靠性高4、功能強、使用方便5、維護方便1.2微型計算機的指標和分類1.2.1微型計算機的主要性能指標(1)運算速度(2)字長⑶存儲容量⑷存取速度⑸系統(tǒng)總線⑹外部設備配置⑺可靠性、可用性、兼容性和可維護性⑻輸入輸出數據傳輸速率⑼系統(tǒng)軟件配置1.2.2微型計算機的分類⑴按微機的結構形式分類(臺、便)⑵按微處理器的位數分類⑶按應用對象分類(單片、單板、個人)⑷微型機按其應用領域分類(民、工、軍)⑸按微型計算機的檔次分類(低、中、高)⑹按使用形式分為獨立使用式和嵌入式1.3微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)的組成運算器

控制器寄存器組

內存儲器總線輸入輸出接口電路外部設備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)一.微處理器(Microprocessor)

只是一個中央處理器(CPU)，由以下幾部分組成：運算器，寄存器，控制器，內部總線。運算器：即算術邏輯部件(ALU)。寄存器組：用來存放參加運算的數據、中間結果或地址?？刂破鳎嚎刂七壿嫴考?。負責對整機的控制，使CPU內部、外部協(xié)調工作。內部總線：總線用來傳送CPU內部的數據及控制信號。1.3微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)的組成二、微型計算機存儲器I/O接口輸入設備I/O接口地址總線AB輸出設備CPU數據總線DB控制總線CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus1、總線概念、分類、系統(tǒng)總線總線是指傳遞信息的一組公用導線，或者說是傳送信息的公共通道。總線標準的特性(位寬、工作頻率，二者決定系統(tǒng)吞吐量)物理特性：物理連接方式；功能特性：每根線都具有一定的功能；電器特性：每根線的信號傳遞方向、有效電平范圍；時間特性：每根線上的信號在什么時間有效總線分類內部總線(片內總線)：微處理器內各個部件的連接；系統(tǒng)總線（板級總線）：連接微機系統(tǒng)的各模塊、板之間的總線；外部總線：微機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與外設之間?？偩€信號按性質可分成三組地址總線AB：傳送地址信息（單向，20根,反過來，16M內存空間需要多少地址線？）數據總線DB

：傳送數據信息（雙向，常與字長一樣）控制總線CB

：傳送控制信息（雙向，控制與請求等）2、存儲器（內存與外存）內存(主存儲器)是微型計算機中存儲程序、原始數據、中間結果和最終結果等各種信息的部件。按其功能和性能，可以分為：隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）

外部存儲器IDE(IntegratedDriveElectronics)接口普通計算機:IDE存儲設備SCSI(SmallComputerSystemInterface)標準接口高檔計算機、工作站、服務器：SCSI存儲設備光驅、掃描儀、打印機、刻錄機軟盤硬盤光盤（CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD）存儲器性能指標存儲容量(位（Bit）、字節(jié)（Byte）、字（Word）常用單位：KB、MB、GB、TB1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB

存取速度：讀取時間、寫入時間3．輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input/Output）電路，即通常所說的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計算機外部設備交換信息的橋梁。三、微型計算機系統(tǒng)1.4計算機中數的表示和編碼1.4.1進位計數制

進位計數制基數位權如：10011101B1234/1234D572Q2F0AH123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-21.4.2二進制計算機內部,采用二進制,因為:.容易實現

.算術四則運算規(guī)則簡單

.可進行二值邏輯運算為了區(qū)分各種計數制的數據，經常采用以下兩種方法進行書寫表達。(1)在數字后面加寫相應的英文字母作為標識。如：

B（Binary）表示二進制數；

O（Octal）或Q表示八進制數；

D（Decimal）表示十進制數，通常其后綴可以省略；

H（Hexadecimal）表示十六進制數。（2）在括號外面加數字下標，此種方法比較直觀。如：二進制的11010011可以寫成（11010011）2

下表給出了計算機中不同計數制的基數、數碼、進位關系和表示方法。計數制基數數碼進位關系表示方法二進制20、1逢二進一1010B或（1010）2八進制80、1、2、3、4、5、6、7逢八進一247Q或（247）8十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進一598D或（598）10十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F逢十六進一7C2FH或（7C2F）161.4.3各進制之間的轉換舉例1、任意進制數→十進制數例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-22、十進制數→任意進制數例：將十進制數25.625轉換為二進制數。

225余數整數

212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=01.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625對應的二進制數為11001.101B3、二進制、八進制、十六進制之間的轉換例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B1.4.4計算機中帶符號數的表示方法幾個概念:

無符號數帶符號數機器數真值機器數的三種表示方法:

原碼表示法

反碼表示法

補碼表示法一、原碼表示法

數的最高位表示數的符號，數值部分是數的絕對值，也稱真值，這種表示法稱為原碼表示法。

1．對于正數：符號位用0表示，數字位同真值。

2．對于負數：符號位用1表示，數字位同真值。

例x＝+91＝+10l1011B

[x]原=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]原=11011011B

“0”的表示：[+0]原=00000000B[-0]原=10000000B

對于8位機，原碼可表示的數的范圍：-127～+127二、反碼表示法

數的最高位表示數的符號，數值部分對于正數同真值，對于負數是真值各位取反，這種表示法就叫反碼表示法。

1．對于正數：符號位用0表示，數字位同真值。

2．對于負數：符號位用1表示，數字位為真值按位取反。例x＝+91＝+10l1011B

[x]反=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]反=10100100B

“0”的表示：[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B

對于8位機，反碼可表示的數的范圍：-127～+127三、補碼表示法

1．對于正數：符號位用0表示，數字位同真值。

2．對于負數：符號位用1表示，數字位為它的反碼末位加1。例x＝+91＝+10l1011B

[x]補=01011011B

例y＝-91＝-1011011B

[y]補=10100100B+1=10100101B

例x＝+8＝+0001000B

[x]補=00001000B

例y＝-8＝-0001000B

[y]補=11110111B+1=11111000B

從這兩個例子中得到如下規(guī)律：對一個數的補碼連同符號位在內求反加1，即為其相反數的補碼。例已知[+X]補=01000110B，則[-X]補=?

[-X]補=10111010B

“0”的表示：[+0]補=00000000B[-0]補=00000000B

對于8位機，補碼可表示的數的范圍：-128～+127使用機器數要注意:

機器數是二進制數，由于符號位占據一位，因此有符號的數的形式值不等于真正的數值。特別對于負數的表示形式，原碼形式最高位的1表示負號，不是數，數值部分是數的真正值；而反碼和補碼就連數值部分也不是數本身了。所以，若要計算一個負數的機器數為十進制的多少時，只有負數的原碼的數值部分才可展開按權相加。

四、計算機引入補碼的好處

引入補碼,可以使減法運算轉化為加法運算，簡化了運算器的線路設計。在計算機中，減法可以通過加補碼來實現；乘法可以通過一系列移位相加來實現；除法則可以通過一系列移位加補碼來實現。

因此，計算機中只需要一個加法器就可完成運算。五、補碼運算

補碼加法規(guī)則：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

補碼減法規(guī)則：[X-Y]補=[X]補+[-Y]補例：已知[X]補=11101011B，[Y]補=11001010B，求[X+Y]補和

[X-Y]補真值←→補碼解：[-Y]補=00110110B

[X+Y]補=[X]補+[Y]補=11101011B+11001010B=10110101B

[X-Y]補=[X]補+[-Y]補=11101011B+00110110B=00100001B

[X+Y]補和[X-Y]補均無溢出.

判斷是否溢出的方法:正負判斷法與雙高法1.4.5計算機中數的小數點表示方法(定點數、浮點數)1.4.6常用的二進制編碼一、BCD碼（二進制編碼的十進制數）0000~1001（0~9）

每一位十進制數用4位二進制編碼來表示。如：(12)BCD=00010010B壓縮BCD碼、非壓縮BCD碼*BCD碼不是二進制數，比如

12=00001100B12對應的二進制數二、ASCII碼（二進制編碼的符號）

采用7位二進制碼對一個字符進行編碼，可表示128個字符，每個ASCII碼在機器中占1個字節(jié)，最高位常為0。當作符號的數字0～9的ASCII碼：30H～39H

字母A～Z的ASCII碼：41H～5AH

字母a～z的ASCII碼：61H～7AH

三、國標碼（二進制編碼的漢字）1.4.7基本邏輯電路邏輯函數：Y=F（A，B）（一）基本邏輯門電路（高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏輯“0”）

（二）多位邏輯運算例：與或異或

1101011010

11010∧10110∨10110∨10110100101111001100*按位進行邏輯運算，不存在進位或借位問題。

1.5微機系統(tǒng)中的接口問題1、I/O接口的概念：負責將外設連接到總線上的一組邏輯電路的總稱。實現外設與主機之間的信息交換。

信號不兼容（功能定義、邏輯定義、時序關系）速度不兼容為了提高CPU的效率為了利于外設自身的發(fā)展2、為什么要在CPU與外設之間設置接口3、接口的功能1）執(zhí)行CPU命令的功能

CPU對外設的控制通過接口電路完成——命令口2）返回外設狀態(tài)的功能 正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)——狀態(tài)口3）數據緩沖功能 輸入/輸出緩沖；三態(tài)特性——數據口4）設備選擇功能

地址代碼 I/O設備選擇信