微機原理與接口技術(shù)第一章

1、微機原理及接口技術(shù)微機原理與接口技術(shù)微機原理與接口技術(shù) Microcomputer Principle and Interfacing Technology主講：張建正主講：張建正微機原理及接口技術(shù)z 學校精品課程、專業(yè)核心課程學校精品課程、專業(yè)核心課程z 56學時 3.5學分z 周一 5，6節(jié) C306z 周三 3，4節(jié) C306z 實驗單獨設(shè)課實驗單獨設(shè)課 微機原理與接口技術(shù)實驗 16學時微機原理及接口技術(shù)z1. 主要介紹16位微處理器原理及接口技術(shù)。z2. 是一門微型計算機硬件和軟件相結(jié)合的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。z3. 通過學習，掌握微機原理和接口技術(shù)，培養(yǎng)微機應用開發(fā)能力。微機原理及接口技術(shù)

2、z 計算機基礎(chǔ)知識，微型計算機基本結(jié)構(gòu)z 16位微處理器Intel 8086結(jié)構(gòu)z 指令系統(tǒng)z 匯編語言程序設(shè)計z 8086引腳和時序微機原理及接口技術(shù)z 存儲器與CPU接口z 輸入輸出技術(shù)z 中斷技術(shù)z 并行接口z 計數(shù)器和定時器z 串行接口z D/A、A/D微機原理及接口技術(shù)z 微機原理與接口技術(shù)微機原理與接口技術(shù)z 凌志浩主編，華東理工大學出版社 微機原理及接口技術(shù)z1.微型計算機原理與接口技術(shù)(第3版) 馮博琴等，清華大學出版社z2.微型計算機系統(tǒng)原理及應用(第4版)z 周明德，清華大學出版社z3. 微機原理與接口技術(shù)z 黃玉清等，電子工業(yè)出版社 微機原理及接口技術(shù)z1. 課堂教學：提

3、問、上課、作業(yè)講解、答疑z2. 作業(yè)z3. 思考題微機原理及接口技術(shù)z1. 期終考試：70% z2. 平時成績：30% 作業(yè)、考勤等微機原理及接口技術(shù)第一章第一章 緒論緒論z 概述z 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)z 計算機中數(shù)的表示方法微機原理及接口技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述z電子計算機：電子計算機：z 自動地、高速地進行數(shù)值運算和信息處理。z 具有記憶、判斷和運算功能。微機原理及接口技術(shù)z(1) 1946-1956，電子管 第一臺ENIAC，18000管，5千次/秒z(2) 1956-1962，晶體管 數(shù)十萬次/秒，程序設(shè)計語言z(3) 60年代中期，中小規(guī)模集成電路 數(shù)百萬次/秒，軟件功能大大提高

4、z(4) 70年代初至今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 巨型機，微型機，數(shù)千萬次/秒微機原理及接口技術(shù)z微型計算機(微機)z 價格低，可靠性高，系統(tǒng)靈活z 數(shù)值應用和非數(shù)值應用，應用領(lǐng)域廣微機原理及接口技術(shù)z 微機的核心是微處理器(Microprocessor，P)z 又稱中央處理器或中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)z 采用LSI和VLSIz 1971年 第一個P Intel I4004 微機原理及接口技術(shù)z(1) 1971 I4004(4位)、8008(8位)z(2) 1974 Intel 8080 8位 Motorola MC6800z Zilog Z80

5、 z Intel 8085z(3) 1978 8086、8088、80286 16位 Z8000、MC68000 1981 IBM公司 IBM PC(8088)微機原理及接口技術(shù)z(4) 1985 80386、80486 32位 386機、486機 z(5) 1993 Pentium奔騰(80586) Pentium、Pentium MMX AMD的K5、Cyrix的6X86z(6) 1995z Pentium Pro(高能奔騰)、P、Pz 32位微機原理及接口技術(shù)z(7) 2000 P4 32位/64位z(8) 2005 Pentium D雙核處理器 64位 z(9) 2006 Core 2

6、(酷睿)雙核或四核z Core 2 Duo、Pentium雙核、z Core i7z 從8086/8088開始，形成了IA(Intel Architecture)32結(jié)構(gòu)。微機原理及接口技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的功能部件微型計算機結(jié)構(gòu)微處理器的簡單工作過程微機原理及接口技術(shù)z馮諾依曼結(jié)構(gòu)：z(1) 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成。z(2) 數(shù)據(jù)程序以二進制形式存于存儲器，位置由地址指示，數(shù)制為二進制。z(3) 由一個指令計數(shù)器控制指令的執(zhí)行。微機原理及接口技術(shù)控 制 器 算術(shù)邏輯運算單元ALU存 儲 器輸入設(shè)備輸出設(shè)備

7、微機原理及接口技術(shù)zCPU(Central Processing Unit)z ALU和控制器z面向總線存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU第2章(CPU結(jié)構(gòu))第3章(指令)第4章(程序設(shè)計)第6章(存儲器接口)第5章(總線)第9章(并行接口)第10章(定時器)第11章(串行接口)第12章(D/A、A/D)第7章(I/O技術(shù))第8章(中斷)微機原理及接口技術(shù)1.中央處理器中央處理器CPUz(1) 組成組成z 算術(shù)邏輯運算單元ALUz 寄存器陣列z 定時與控制部分z 三組總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)微機原理及接口技術(shù)z(2)基本功能基本功能z 1) 算術(shù)邏輯運算：+，-，與，或z 2) 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)給存儲器和

8、外設(shè)z 3) 暫存少量數(shù)據(jù)z 4) 對指令進行譯碼并執(zhí)行z 5) 定時和控制信號提供z 6) 可響應其它部件提出的中斷請求1 1 1返回微機原理及接口技術(shù)2.存儲器存儲器z記憶裝置，存放數(shù)據(jù)程序。z(1)存儲地址存儲地址 存儲器的每一個單元有一個地址，CPU根據(jù)這地址將所需數(shù)據(jù)存入或取出。z(2)存儲內(nèi)容存儲內(nèi)容 存儲單元存放的內(nèi)容，長度由CPU字長決定。微機原理及接口技術(shù)z 存儲地址由CPU的地址總線決定，地址線的根數(shù)決定了存儲器芯片的存儲容量。z 存儲單元的數(shù)據(jù)位數(shù)由存儲器芯片的數(shù)據(jù)總線決定。z例如：有一存儲芯片的容量是2K8位 則 地址線11根，211=2048 數(shù)據(jù)線8根返回微機原理及

9、接口技術(shù)3.輸入設(shè)備輸入設(shè)備z功能功能 溝通計算機與外界之間的信息聯(lián)系。z 輸入原始數(shù)據(jù)，程序，采集資料信息。z 如： 鍵盤，紙帶讀入機，A/D微機原理及接口技術(shù)4.輸出設(shè)備輸出設(shè)備z功能功能 溝通計算機與外界之間的信息聯(lián)系。z 如： 顯示器，打印機，D/A返回微機原理及接口技術(shù)zCPU受引腳芯片面積工藝的限制zCPU結(jié)構(gòu)特點：z (1) 總線結(jié)構(gòu)z (2) 引腳功能復用z (3) 廣泛采用三態(tài)電路微機原理及接口技術(shù)1.外部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)z地址總線：傳送地址，決定CPU直接 尋址的內(nèi)存容量范圍。 單向三態(tài) A0A15z數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)，雙向三態(tài) D0D7z控制總線：傳送各種控制信號 RD，IN

10、TR微機原理及接口技術(shù)2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) D0D7 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線輸出信號 輸入信號 RESET A0A15數(shù)據(jù)總線緩沖指令寄存器指令譯碼器通用寄存器陣列堆棧指示器SP程序計數(shù)器PC地址緩沖器定時與控制運算器z存放數(shù)據(jù)(8位或16位) 存放操作數(shù)地址(16位)z16位，存放下一條指令的存儲地址。z CPU根據(jù)PC內(nèi)容自動取指令，取出一條指令后，PC自動加1。堆棧是一塊存儲區(qū)域，所有操作對棧頂單元進行，SP指示堆棧頂部。接收寄存指令對指令譯碼，確定指令操作產(chǎn)生相應控制信號，控制CPU內(nèi)其它部件工作。通過總線與外界進行信息交換。返回微機原理及接口技術(shù)z(1) 取出指令取出指令 PC送出指令地址，C

11、PU從內(nèi)存中取得指令送指令寄存器。z(2) 分析指令分析指令 由指令譯碼器對指令譯碼，確定該指令干什么。z(3) 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 若需要再從存儲器中取出操作數(shù)，送運算器，各功能部件根據(jù)控制信號序列完成操作。微機原理及接口技術(shù) AR ALU 內(nèi)存 0000H 0001H DR 定時與控制指令1指令1ArPC0000H0001H0000H指令1指令1指令2PC值(0000H)地址寄存器ARPC自動加10001HAR內(nèi)存發(fā)讀控制信號內(nèi)存0000H單元內(nèi)容CPU的DBIRID定時與控制根據(jù)指令譯碼給出相應的控制信號送功能部件執(zhí)行指令 對于雙字節(jié)指令：第一字節(jié)是操作碼，第二字節(jié)是操作數(shù)。指令譯碼后，取

12、指令的第二字節(jié)：DR 寄存器或ALUDRIR2 2 22 2 2微機原理及接口技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 計算機中數(shù)的表示方法計算機中數(shù)的表示方法計算機中的數(shù)制進位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進制編碼定點數(shù)和浮點數(shù)帶符號數(shù)的表示法運算微機原理及接口技術(shù)z 十進制，二進制，十六進制z1.1. 十進制十進制z 特點：(1) 十個不同數(shù)字符號09z (2) 逢十進一z 如：99.9=9101+9100+910-1z A=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m =110nmiiiA基數(shù)：10微機原理及接口技術(shù)z2.二進制二進制z特點：(1) 用二個不同符號0，1表示z (2) 逢二進一

13、z 如：1001.01=123+120+12-2z B = Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m =12nmiiiBz Bi：0、1 基數(shù)：2微機原理及接口技術(shù)z3.十六進制十六進制z特點：(1) 16個數(shù)字符號09， AFz (2) 逢16進一 (3AB.11)16=3162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664z D = Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =116nmiiiDzDi：09，AF 基數(shù)：16微機原理及接口技術(shù)z總結(jié)：總結(jié)：z (1) 每一種計數(shù)進制都有一個基數(shù)J， 每一位可

14、取J個不同的數(shù)值。z (2) 逢“J”進位 每一位i，對應Ji為該位的“權(quán)”。z (3) 小數(shù)點向左移一位，則減小了J倍 小數(shù)點向右移一位，則增加了J倍微機原理及接口技術(shù)z十六進制數(shù) H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFHz二進制數(shù) B Binary 1011B，11110111Bz十進制數(shù) D Decimal 56返回微機原理及接口技術(shù)z1.二進制數(shù)二進制數(shù)十進制數(shù)十進制數(shù)z方法： 把二進制數(shù)的每一位按權(quán)展開相加z例： (111.101)2 = 122+121+120 +12-1+12-3 = 7.625微機原理及接口技術(shù)z2.十進制整數(shù)十進制整數(shù)二進制整數(shù)二進制整數(shù)z例：

15、215(11010111)2 215 = (Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 = Kn-12n-1+K121+K020z 兩邊除以2 107 = Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0 = 1z 不斷除以2，直到商為0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0微機原理及接口技術(shù)z方法：方法：z 用2除十進制數(shù)，直至商為0，每次余數(shù)為二進制數(shù)碼。z 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是最高有效位MSB微機原理及接口技術(shù)z3.十進制小數(shù)十進制小數(shù)二進制小數(shù)二進制小數(shù)z 0.6875 = (0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1 = K-12-1+K-22-2+K-m

16、2-mz 兩邊乘以2 1.375 = K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1)z 右邊刮號內(nèi)數(shù)1，小數(shù)和整數(shù)部分兩邊應相等 得到K-1 = 1z 剩下的小數(shù)部分再乘2，繼續(xù)下去可得到 0.6875 = (0.1011)2微機原理及接口技術(shù)z方法：方法：z 用2乘十進制小數(shù)，將得到的整(0或1)，作為K-1K-2 。z 若乘積的小數(shù)部分最后為0，則做后一次整數(shù)部分記為K-m。z 若乘積的小數(shù)部分不能為0，根據(jù)精度要求取m位。z 215.6875=(11010111.1011)2微機原理及接口技術(shù)z4.任意進位制數(shù)與十進制數(shù)任意進位制數(shù)與十進制數(shù)z方法： 同二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換微機原理及接

17、口技術(shù)5.十六進制數(shù)與二進制數(shù)十六進制數(shù)與二進制數(shù)z(1)十六進制數(shù)十六進制數(shù)二進制數(shù)二進制數(shù)z方法： 一位16進制數(shù)可表示為四位二進制數(shù)z例： (3AB)16=(1110101011)2 (E.3)16=(1110.0011)23 3 3微機原理及接口技術(shù)z(2)二進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)十六進制數(shù)z方法：z 1)整數(shù)部分從右到左，每四位一組，不足補0，每組化為16進制數(shù)。z 2)小數(shù)部分從左到右，每四位一組，不足補0，每組化為16進制數(shù)。z例： (111100011.100101111)2 =00011000(1E3.978)16微機原理及接口技術(shù)z位權(quán)記憶法 1 1 1 1 1 1 1

18、1 128 64 32 16 8 4 2 11 1 1 1 1 1 1 132768 16384 8192 4096 2048 1024 512 256例： (10100001010)2 = 1024+256+8+2 = 1290 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K返回微機原理及接口技術(shù)z1. 無符號數(shù)無符號數(shù)z N位二進制數(shù)可以表示的無符號數(shù)范圍為：02N -1 z 例：z 8位二進制數(shù)表示 0255z 16位二進制數(shù)表示 065535微機原理及接口技術(shù)z2. 機器數(shù)與真值機器數(shù)與真值z 通常一個數(shù)的最高位為符號位，用0表示正，1表示負

19、z 如：x = (01011011)2 = +91 x = (11011011)2 = -91z D7：符號位 D6D0：數(shù)字位z機器數(shù)：連同符號在一起作為一個數(shù)z真值：機器數(shù)的數(shù)值為該機器數(shù)的真值微機原理及接口技術(shù)z3. 原碼原碼z 上面的表示法稱為原碼。 z X = +105 X原=01101001z X = -105 X原=11101001z特點：z (1) 表示簡單易懂，與真值轉(zhuǎn)換方便。z (2) 減法或兩個數(shù)異號相加，要做減法。微機原理及接口技術(shù)z4. 反碼反碼z 正數(shù)的反碼與原碼相同。 z 負數(shù)的反碼為它的正數(shù)的按位取反(連符號位)。z +4反=00000100 -4反=11111

20、011z +127反=01111111 z -127反=10000000微機原理及接口技術(shù)z特點：特點：(1) 0有兩種表示法。 +0反=00000000 -0反=11111111z(2) 8位二進制反碼所能表示的數(shù)值 范圍：+127-127。z(3) 最高位為符號位 0為正數(shù)，后七位為數(shù)值部分； 1為負數(shù)，后七位按位取反為數(shù)值部分。 例：10010100符號取反為 1101011，數(shù)值為107微機原理及接口技術(shù)z5. 帶符號數(shù)的補碼表示帶符號數(shù)的補碼表示z 正數(shù)的補碼與原碼相同。 z 負數(shù)的補碼為它的反碼且在最低位加1 z +4補 = 00000100 z -4反 = 11111011z -

21、4補 = 11111100 z +127補 = 01111111z -127反 = 10000000z -127補 = 10000001微機原理及接口技術(shù)z特點：(1) +0補= -0補= 00000000z (2) 8位二進制補碼所能表示的數(shù)值 范圍： +127 -128z (3) 最高位為符號位 0為正數(shù)，后七位為數(shù)值部分； 1為負數(shù)，后七位按位取反，且在最低 位加1，才是數(shù)值部分。 例：10010100符號取反加1: 1101100，數(shù)值為108微機原理及接口技術(shù)z6. 補碼的特性補碼的特性z 求補 z(1) x補 -x補 z 例1：10補 = 00001010Bz求補后 -10補 =

22、11110110B z(2) x + y補= x補+ y補z(3) x - y補= x補+ -y補 微機原理及接口技術(shù)z說明：說明：在計算機內(nèi)部，補碼減法是通過對減數(shù)求補后將減法轉(zhuǎn)換為加法進行的。 z例2：X=64-10=64+(-10)=54 X補=64補+-10補 =01000000+11110110=00110110 01000000 + 11110110 1 00110110進位自然丟失微機原理及接口技術(shù)z例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X補=34補+-68補 =00100010+10111100= 11011110 00100010 +10111100 1101111

23、0負微機原理及接口技術(shù)z7.溢出溢出z 計算機字長有一定限制，所以一個帶符號數(shù)是有一定范圍的。z如：8位二進制補碼所能表示的數(shù)值范圍： +127 -128z 運算結(jié)果超出這范圍稱為溢出溢出。z 例4：120+105=01111000+01101001 01111000 + 01101001 11100001負微機原理及接口技術(shù)z例5：-80+(-64)=10110000+11000000 進位丟失 10110000 + 11000000 1 01110000表示正z (1) D6向D7的進位z (2) D7向進位位的進位。z 當兩個進位只有一個時，溢出溢出z 當兩個進位都有或都沒有時，無溢出無

24、溢出4 4 4微機原理及接口技術(shù)z8. 符號擴展與零擴展符號擴展與零擴展z 符號擴展符號擴展z 將原符號位填入擴展的每一位，使得在帶符號數(shù)意義下取值不變。z 零擴展零擴展z 將0填入擴展的每一位，使得在無符號數(shù)意義下取值不變。z 例6： X補=7FEDH， Y補=D6H X+Y補= X補+ Y補 = 7FEDH+FFD6H=7FC3H 微機原理及接口技術(shù)z例7: 符號擴展z 8位 16位 32位z 80H 0FF80H 0FFFFFF80Hz 26H 0026H 00000026H z例8: 零擴展，針對無符號數(shù)z 8位 16位 32位z 80H 0080H 00000080Hz 26H 00

25、26H 00000026H 返回微機原理及接口技術(shù)z1. 浮點數(shù)浮點數(shù) (110011.101)2=2110(0.110011101)2基數(shù)階碼尾數(shù)z N=2j Sz 規(guī)格化浮點數(shù)，0.5S1z 數(shù)的表示范圍大，如：階符1位，階碼2位，數(shù)符1位，尾數(shù)4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4)微機原理及接口技術(shù)z例：三字節(jié)規(guī)格化浮點數(shù)，階符1位，階碼6位，數(shù)符1位，尾數(shù)16位。z- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16)微機原理及接口技術(shù)z 參加運算的操作數(shù)，要乘上一固定的階化成所要求的格式。z 表示的數(shù)值不如浮點數(shù)大。z例：三字節(jié)定點數(shù)，1位符號，23位數(shù)據(jù)。z -

26、 223 +223z2.定點數(shù)定點數(shù)返回微機原理及接口技術(shù)z1.BCD碼碼z Binary-Codad Decimal 二進制編碼的十進制數(shù)，用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。 微機原理及接口技術(shù)z十進制數(shù) BCD碼 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 10 0001 0000z (0100100101111000.000101001001)BCD 4 9 7 8 . 1 4 9微機原理及接口技術(shù)z(1) 壓縮壓縮BCD碼碼z 一個單元八位二進制存放兩位十進制數(shù)，如十進制數(shù)29的壓縮BCD碼表示為z 0010 1001 B（即29H）z(2) 非壓縮非壓縮BCD碼碼z 一個單元八位二進制存放一位十進制數(shù)，低4位與壓縮BCD碼相同，高4位無意義。z 如十進制數(shù)29的非壓縮BCD碼表示為： xxxx0010B xxxx1001B 微機原理及接口技術(shù)z2.ASCII碼