微機原理與接口技術(shù)第1章概述

微機原理及應(yīng)用信息工程系張?zhí)祜w第1章概述1.1微型計算機的發(fā)展及特點1.2微型計算機系統(tǒng)1.3微型計算機中數(shù)據(jù)信息的表示1.1微型計算機的發(fā)展及特點1.1.1計算機的發(fā)展過程按構(gòu)成計算機的邏輯元件類型來分類：第1代(1946-1957)：采用電子管為基本邏輯元件，使用機器語言；第2代(1957-1965)：采用晶體管為基本邏輯元件，使用高級語言；第3代(1965-1971)：采用中、小規(guī)模集成電路為主要部件，使用操作系統(tǒng)；第4代(1971-現(xiàn)在)：采用大規(guī)模(LSI)和超大規(guī)模(VLSI)集成電路產(chǎn)生了微型計算機。20世紀(jì)40～50年代后期電子管

5000-1萬次ENIAC電子數(shù)字積分計算機晶體管10幾萬次中小規(guī)模IC10幾萬~數(shù)百萬次20世紀(jì)50～60年代中期20世紀(jì)60中～70年代初期20世紀(jì)70年代初、中期大、超大規(guī)模IC

數(shù)千萬~百億次計算機發(fā)展過程年代所謂微型計算機是指以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以微處理器為核心，配以存儲器、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線所制造出的計算機系統(tǒng)。微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征。1.第一代(1971～1973)---４位和低檔８位微處理器4004、8008

2.第二代(1974～1977)---中、高檔８位微處理器8080、8085、MC6800、Z80

3.第三代(1978～1981)---16位微處理器8086、M68000、Z8000

4.第四代(1981～1992)---32位微處理器80386、M68020、80486，Z80000

5.第五代(1993以后)---64位微處理器Pentium一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型機發(fā)展過程時間五代90年代4004

（8008--8位）第一臺個人電腦8080（Z80,MC6800）8位4位32-64位16位32位1973-741971-7219788086M6809和Z800082年80286及80318038680486（M68020）1993Pentium準(zhǔn)64位1995年11月PentiumPro。1997年1月PentiumMMX此后PⅡ/Ⅲ/419851993Pentium一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型機發(fā)展過程時間五代90年代8位4位64位16位32位1973-741971-72197819851993

80386(80586)4004→8008→8080→8086→80286→80486→PⅡ→PⅢ→PⅣ

微機的發(fā)展以CPU更新劃代Intel的CPU發(fā)展史Intel4004，intel的發(fā)展史就是從這塊CPU起步的80088085808680286，Intel最后一塊16位CPU80386，Intel第一代32位CPU80486，這是Intel最后一代以數(shù)字編號的CPUPentium，傳說中的586PentiumproPentiummmxPentiumⅱCeleron，引發(fā)超頻熱潮pentiumⅲ_katmaiPentiumⅲIntelPentiumⅲtualatin/coppermineIntelpentiumⅳ_423Intelpentiumⅳ_4781、按字長分類：4位機/8位機/16位機/32位機/64位機2、按結(jié)構(gòu)分類：單片機/單板機/多板機/微型計算機3、按制造工藝分類：MOS型微機/雙極型微機1.1.2微型計算機的分類與特點微型計算機的分類微型計算機的特點1．體積小、重量輕、功耗低2．可靠性高3．價格比高4．應(yīng)用面廣一臺完整的計算機必須由硬件和軟件這兩大部分組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，二者缺一不可：微型計算機硬件系統(tǒng)是機器的實體部分，主要包括主機和外圍設(shè)備。微型計算機軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件、各種程序設(shè)計語言、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫等。1.2微型計算機系統(tǒng)1.2.1微型計算機系統(tǒng)的組成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外部設(shè)備電源、機箱、輔助電路微型計算機系統(tǒng)

微處理器

內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線算術(shù)邏輯單元控制單元寄存器組ROMRAM地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線輸入/輸出設(shè)備外存儲器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)服務(wù)型程序語言處理程序三、微型計算機的組成AB地址總線8255、8250（8251）8253、8259鍵盤、打印機顯示器、軟硬盤A/D、D/A等I/O設(shè)備CPU運算器控制器內(nèi)存RAMROMI/O接口DB數(shù)據(jù)總線CB控制總線AB地址總線1.2.1微型計算機圖

計算機的基本組成2．控制器

是統(tǒng)一調(diào)度和控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵部件，是指揮控制神經(jīng)中樞。取指、分析、微時序。1．運算器

是對數(shù)據(jù)信息進行加工處理的部件，它主要由算術(shù)邏輯運算單元（ALU）組成3.存儲器存放程序和數(shù)據(jù)的部件。主存又稱內(nèi)存，輔助又稱外存4.I/O設(shè)備--外設(shè)人機交互、輸入／輸出存儲器內(nèi)存（主存）外存（輔存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM軟盤、U盤硬盤（移動硬盤）光盤硬件1、微處理器

微處理器（CPU）也稱中央處理器，是微型計算機的核心部件，芯片內(nèi)集成有控制器、運算器和寄存器等相關(guān)部件，完成對計算機系統(tǒng)內(nèi)各部件進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。2、存儲器功能：存放程序和數(shù)據(jù)。3、系統(tǒng)總線（1）總線：傳遞信息的一組公用導(dǎo)線。（2）系統(tǒng)總線：從處理器引出的若干信號線，CPU通過它們與存儲器或I/O設(shè)備進行信息交換。（A）地址總線：傳遞地址信息的總線，即AB。CPU在地址總線上輸出將要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址，該總線為單向總線。內(nèi)存容量的計算：16位地址線可訪問內(nèi)存空間216=64KB。20位地址線可訪問內(nèi)存空間220=1MB。（B）數(shù)據(jù)總線：傳遞數(shù)據(jù)信息的總線，即DB。在CPU進行讀操作時，內(nèi)存或外設(shè)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往CPU；在CPU進行寫操作時，CPU數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送往內(nèi)存或外設(shè)，數(shù)據(jù)總線是雙向總線。（C）控制總線：傳遞控制信息的總線，即CB?？刂瓶偩€的方向：一部分是從CPU輸出：通過對指令的譯碼，由CPU內(nèi)部產(chǎn)生，由CPU送到存儲器、輸入/輸出接口電路和其它部件。如時鐘信號、控制信號等。另一部分是由系統(tǒng)中的部件產(chǎn)生，送往CPU，如：中斷請求信號、總線請求信號、狀態(tài)信號。4、I/O設(shè)備和I/O接口（1）I/O設(shè)備：微機配備的輸入/輸出設(shè)備（外設(shè)）標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出設(shè)備（控制臺）：鍵盤和顯示器（CRT）。I/O設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)掃描儀、數(shù)碼相機顯示器打印機繪圖儀（2）I/O接口：連接外設(shè)備和系統(tǒng)總線，完成信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖、與CPU進行信號聯(lián)絡(luò)等工作。顯示器卡：完成顯示器與總線的連接。聲卡：完成聲音的輸入/輸出。網(wǎng)卡：完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。掃描卡：連接掃描儀到計算機。調(diào)制解調(diào)器卡：模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換。鍵盤接口、打印機接口等。232接口：串行數(shù)據(jù)接口。USB接口：通用串行接口?！褴浖浅绦?、數(shù)據(jù)和相關(guān)文檔的總稱?！裼嬎銠C的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。▲系統(tǒng)軟件：用于計算機自身的管理、維護、控制和運行，以及對應(yīng)用軟件的解釋和執(zhí)行。▲操作系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)軟件。

▲應(yīng)用軟件：用戶為解決各類實際問題而編制的各種程序，它是建立在系統(tǒng)軟件之上的。

軟件1.2.2微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點總線結(jié)構(gòu)流水線技術(shù)構(gòu)成微機的各功能部件之間通過總線相連接同時進行若干操作的并行處理方式1、字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位、32位和64位等等。1.2.3微型計算機的性能指標(biāo)2、速度

MIPS是MillionsofInstructionPerSecond的縮寫，用來表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令。通常也用主頻來描述運算速度，主頻越高，運算速度越快。3、容量包括外存和內(nèi)存的容量。主存容量一般以字節(jié)為單位。如256MB、512MB，4G。4、外設(shè)配置5、軟件配置1.3.1計算機中的數(shù)制1.3微型計算機中數(shù)據(jù)信息的表示進位計數(shù)制基數(shù)：某計數(shù)制中數(shù)碼的個數(shù)，如十進制的基數(shù)為10數(shù)碼為0，1，2，3，…9。進位原則：逢n進一如十進制中逢10進1。位權(quán)：某計數(shù)制中,數(shù)位中數(shù)碼所代表數(shù)值的大小。數(shù)制二進制十進制八進制十六進制用途計算機內(nèi)用現(xiàn)實生活用用于壓縮書寫二進制數(shù)，轉(zhuǎn)換更直觀、更簡潔、更方便數(shù)碼0，10，1，…，90，1.......70，1....9，A，B....F基數(shù)210816位權(quán)2i

10i

8i

16i

規(guī)則逢2進1逢10進1逢8進1逢16進1表示形式(XX…X)2

XX…XB(XX…X)10XX…XD(XX…X)8XX…XQ

(XX…X)16

XX…XH1.十進制數(shù)→N進制數(shù)

整數(shù)部分：除N倒取余數(shù)小數(shù)部分：乘N順取整數(shù)不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換例1：130.625D=10000010.101B;(10進制→2進制）例2：將（136）D轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。2136余數(shù)（結(jié)果）低位268----------0234----------0217----------028----------124----------022----------021----------00----------1高位轉(zhuǎn)換結(jié)果：（136）D=（10001000）B例3：512.75D=1000.6Q（10進制→8進制，K=8）2、N進制數(shù)→十進制數(shù)各位數(shù)字按位權(quán)展開后相加例1：二進制數(shù)11011→十進制數(shù)

例2：八進制數(shù)27651→十進制數(shù)

3、二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

“四位一并”：將二進制數(shù)從小數(shù)點開始，分別向左向右4位分成一組，不足4位補0，然后寫出對應(yīng)的十六進制數(shù)即可例1：將二進制數(shù)11001011.01011轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù) 11001011.01011000 ↓↓ ↓↓ CB .58因此(11001011.01011)2＝(CB.58)16“一分為四”：將每位十六進制數(shù)寫出對應(yīng)的4位二進制數(shù)，然后去掉前導(dǎo)0和尾數(shù)0即可。例2：3A.6H=？B

3

A.6H=111010.011B00111010.0110“三位一并”：例1：(11001011.01011)2=(313.26)8“一分為三”：想一想A思考題4、二進制數(shù)與八進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換例2：將(352.6)o轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。352.6011101010110=(11101010.11)B下列各數(shù)中，最大的一個數(shù)是___?___。A.(11011001)2B.(75)10C.(37)8D.(A7)161.加法運算遵循法則：0+0=00+1=11+0=11+1=0（有進位）例1：10110110B+01101100B=?B進位:11111100010110110被加數(shù)+01101100加數(shù)結(jié)果為:100100010和______________________1.3.2二進制數(shù)的運算與帶符號數(shù)的表示二進制數(shù)的運算a算數(shù)運算：逢二進一2.減法運算

遵循法則：0-0=01-0=11-1=00-1=1（有借位）

例2：11000100B-00100101B=?B

借位:0111111011000100被減數(shù)-00100101減數(shù)結(jié)果為：10011111差______________________3.乘法運算

遵循法則：0×0=00×1=01×0=01×1=14.除法運算

遵循法則：0÷1=01÷1=1b邏輯運算與運算規(guī)則：或運算規(guī)則：

0與0=00或0=00與1=00或1=11與0=01或0=11與1=11或1=1

異或運算規(guī)則：非運算規(guī)則：

0異或0=0非0=10異或1=1非1=01異或0=11異或1=0遵循法則：按位運算，各位之間沒有進位和借位數(shù)值型數(shù)據(jù)：無符號數(shù)、帶符號數(shù)二進制帶符號數(shù)的符號位表示：使用二進制編碼的最高位，“0”表示“正”，“1”表示“負(fù)”機器數(shù)：將符號位與數(shù)值位一起予以數(shù)值化的數(shù)真值：機器數(shù)所代表的數(shù)值為該機器數(shù)的真值常用帶符號數(shù)編碼：原碼、反碼、補碼等帶符號數(shù)的表示1、原碼最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，其余各位表示數(shù)值的絕對值大小以機器字長為8位為例：[+1]原=00000001B=01H[+127]原=01111111B=7FH[+0]原=00000000B=00H[-1]原=10000001B=81H[-127]原=11111111B=FFH[-0]原=10000000B=80H2、反碼最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，正數(shù)的反碼與原碼的表示相同，負(fù)數(shù)的反碼為其原碼除符號位之外的其余各位按位取反以機器字長為8位為例：[+1]反=00000001B=01H[+127]反=01111111B=7FH[+0]反=00000000B=00H[-1]反=10000001B=11111110B=FEH[-127]反=11111111B=10000000B=80H[-0]反=10000000B=11111111B=FFH3、補碼正數(shù)的補碼與原碼的表示相同，負(fù)數(shù)的補碼為其原碼除符號位之外的各位按位取反后再加1以機器字長為8位為例：[+1]補=00000001B=01H[+127]補=01111111B=7FH[+0]補=00000000B=00H[-1]補=10000001B+1=11111110B+1=FFH[-127]補=11111111B+1=10000000B+1=81H[-0]補=10000000B+1=11111111B+1=00H例1：機器字長n=8位，X=-68D，求X原、反、補碼。解：字長8位，符號1位，數(shù)值占7位。[-68]原=11000100B[-68]反=10111011B[-68]補=[10111011B]反+1=10111100B規(guī)則①[X+Y]補=[X]補+[Y]補②[X－Y]補=[X]補+[－Y]補減法運算通常變成加法運算[X]補-[Y]補=[X]補+[-Y]補由[Y]補求[-Y]補：[Y]補包括符號在內(nèi)的所有位都取反，末位加1，即得[-Y]補。（注意包括符號位變反）4、

補碼的運算00100110B01100000B00111010B110111001B11100100B11010101B++例1：(+38)+(+58)

[+38]補=00100110B[+58]補=00111010B例2：(-28)+(-43)[-28]補=11100100B[-43]補=11010101B正數(shù)補碼就是原碼[-28]原=1

0011100B[-28]補=11100100B[-43]原=1

0101011B[-43]補=11010101B101000111B-（64+7）=-71進位位“1”屬“自然丟失”本身補碼-185再求補1.進位與溢出所謂進位，是指運算結(jié)果的最高位向更高位的進位，用來判斷無符號數(shù)運算結(jié)果是否超出了計算機所能表示的最大無符號數(shù)的范圍。

溢出是指帶符號數(shù)的補碼運算溢出，用來判斷帶符號數(shù)補碼運算結(jié)果是否超出了補碼所能表示的范圍。例如，字長為n位的帶符號數(shù)，它能表示的補碼范圍為-2n-1+2n-1-1，如果運算結(jié)果超出此范圍，就叫補碼溢出，簡稱溢出。2.溢出的判斷方法判斷溢出的方法很多，常見的有：①通過參加運算的兩個數(shù)的符號及運算結(jié)果的符號進行判斷。②單符號位法。該方法通過符號位和數(shù)值部分最高位的進位狀態(tài)來判斷結(jié)果是否溢出。③雙符號位法，又稱為變形補碼法。它是通過運算結(jié)果的兩個符號位的狀態(tài)來判斷結(jié)果是否溢出。上述三種方法中，第一種方法僅適用于手工運算時對結(jié)果是否溢出的判斷，其他兩種方法在計算機中都有使用。限于篇幅，本節(jié)僅通過具體例子對第②種方法做簡要介紹。若符號位進位狀態(tài)用CF來表示，當(dāng)符號位向前有進位時，CF=1，否則，CF=0；數(shù)值部分最高位的進位狀態(tài)用DF來表示，當(dāng)該位向前有進位時，DF=1，否則，DF=0。單符號位法就是通過該兩位進位狀態(tài)的異或結(jié)果來判斷是否溢出的。

若OF=1，說明結(jié)果溢出；若OF=0，則結(jié)果未溢出。也就是說，當(dāng)符號位和數(shù)值部分最高位同時有進位或同時沒有進位時，結(jié)果沒有溢出，否則，結(jié)果溢出。例2.13設(shè)有兩個操作數(shù)x=01000100B，y=01001000B，將這兩個操作數(shù)送運算器做加法運算，試問：①若為無符號數(shù)，計算結(jié)果是否正確？②若為帶符號補碼數(shù)，計算結(jié)果是否溢出？解

無符號數(shù)帶符號數(shù)0100010068[+68]補+)01001000+)72+)[+72]補10001100140[+140]補DF=1CF=0①若為無符號數(shù)，由于CF=0，說明結(jié)果未超出8位無符號數(shù)所能表達(dá)的數(shù)值范圍(0255)，計算結(jié)果10001100B為無符號數(shù)，其真值為140，計算結(jié)果正確。②若為帶符號數(shù)補碼，由于=1，結(jié)果溢出；這里也可通過參加運算的兩個數(shù)的符號及運算結(jié)果的符號進行判斷，由于兩操作數(shù)均為正數(shù)，而結(jié)果卻為負(fù)數(shù)，因而結(jié)果溢出；+68和+72兩數(shù)補碼之和應(yīng)為+140的補碼，而8位帶符號數(shù)補碼所能表達(dá)的數(shù)值范圍為?128+127，結(jié)果超出該范圍，因此結(jié)果是錯誤的。例2.14設(shè)有兩個操作數(shù)x=11101110B，y=11001000B，將這兩個操作數(shù)送運算器做加法運算，試問：①若為無符號數(shù)，計算結(jié)果是否正確？②若為帶符號補碼數(shù)，計算結(jié)果是否溢出？解

無符號數(shù)帶符號數(shù)11101110238[-18]補+)11001000+)200+)[-56]補10110110438[-74]補DF=1CF=11自動丟失①若為無符號數(shù)，由于CF=1，說明結(jié)果超出8位無符號數(shù)所能表達(dá)的數(shù)值范圍(0255)。兩操作數(shù)11101110B和11001000B對應(yīng)的無符號數(shù)分別為238和200，兩數(shù)之和應(yīng)為438>255，因此，計算結(jié)果是錯誤的。②若為帶符號數(shù)補碼，由于=0，結(jié)果未溢出。兩操作數(shù)11101110B和11001000B分別為?18和?56的補碼，其結(jié)果應(yīng)為?74的補碼形式，而計算結(jié)果10110110B正是?74的補碼，因此結(jié)果正確。1、ASCII碼（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）

ASCII碼表包括52個大小寫英文字母、0～9數(shù)字、一些運算符號、標(biāo)點符號、其它專用符號、控制符號等128個字符。一個ASCII碼由7位二進制編碼組成，在一個字節(jié)中最高一位空閑，用0補充5AH……42H41HASCII碼z……ba字符7AH……62H61HASCII碼Z39H920H空格………………0DH回車B31H10AH換行A30H007H響鈴字符ASCII碼字符ASCII碼字符常用ASCII碼1.3.3信息的編碼表ASCII字符編碼B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS?<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDELSP間隔字符(20H)（也稱空格字符）DEL（7FH）刪除控制碼這34個編碼不可見32個控制符00~1FH用于通信控制或?qū)τ嬎銠C外設(shè)的功能控制表ASCII字符編碼B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS?<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDEL共94個可印刷的有形字符10個數(shù)字0~9編碼為30H~39H52個大小寫英文字母32個標(biāo)點及常用符號（表中黑色編碼）2、BCD碼

用4位二進制數(shù)來表示1位十進制數(shù)的編碼方法稱為二進制編碼的十進數(shù)或稱為二—十進制數(shù)，簡稱BCD碼。由于十進制數(shù)共有0、1、2、……、9十個數(shù)碼，因此，至少需要4位二進制碼來表示1位十進制數(shù)。4位二進制碼共有2^4=16種碼組，在這16種