單片機(jī)與微機(jī)原理及應(yīng)用第二版張迎新習(xí)題答案

單片機(jī)與微機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）習(xí)題答案

第一篇計(jì)算機(jī)的基本原理思考與練習(xí)答案

第1章概述思考與練習(xí)

1.如果按用途分類，計(jì)算機(jī)可以分為哪幾類？

解：如果按用途分類，計(jì)算機(jī)可以分為超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、微型計(jì)

算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)等。

2.單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)的主要異同點(diǎn)是什么？畫出微型計(jì)算機(jī)的典型組成原理圖。

解：?jiǎn)纹瑱C(jī)與微型計(jì)算機(jī)的主要異同點(diǎn)如下：

1）主要相同點(diǎn)

第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)雖然是作為一種計(jì)算工具出現(xiàn)的，然而經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,

不管從構(gòu)成器件、性能和應(yīng)用上都出現(xiàn)了驚人的變化。但是當(dāng)前大多數(shù)計(jì)算機(jī)，它們的基本

組成及工作原理，還是可以用圖1.1來概括。即計(jì)算機(jī)由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接

口及總線等部分組成。這幾大基本組成部分是計(jì)算機(jī)的實(shí)體。

外部中斷輸入/輸出設(shè)備

圖計(jì)算機(jī)基本組成原理框圖

它們的核心部件都是基于計(jì)算機(jī)的基本原理，衡量它們的主要技術(shù)指標(biāo)也是基本相同

的，詳見1.1.4節(jié)。

由圖1.1可見，計(jì)算機(jī)的核心部分是中央處理器（CPU）,它是計(jì)算機(jī)的“大腦”，主要

由運(yùn)算器、控制器組成，由它統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)各部分的工作，其余各部分說明如下：

（1）時(shí)鐘電路用于給計(jì)算機(jī)提供工作時(shí)所需要的時(shí)序信號(hào)。

（2）程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別用于存放計(jì)算機(jī)工作的各種軟件和臨時(shí)數(shù)據(jù),詳見第2

早。

（3）中斷系統(tǒng)用于處理系統(tǒng)工作時(shí)出現(xiàn)的突發(fā)事件，詳見第4章。

（4）總線把計(jì)算機(jī)的各主要部件連接為一體，是CPU與各功能部件信息交換的通道。

按總線的功能可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是為數(shù)據(jù)交換

時(shí)提供地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與

存儲(chǔ)器或I/O接口之間或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間交換信息；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號(hào)

線和外部送入CPU的應(yīng)答信號(hào)線等。

(5)I/O接口是計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備之間的接口。I/O設(shè)備是計(jì)算機(jī)與人或其他設(shè)備交換信

息的裝置，如顯示器、鍵盤和打印機(jī)等。

它們的指令系統(tǒng)功能大部分也是相同的，程序運(yùn)行原理也有很多相似之處，詳見后面章

節(jié)的指令系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)中的CPU、存儲(chǔ)器及中斷系統(tǒng)等部件的詳細(xì)內(nèi)容將在后面章節(jié)陸續(xù)介紹。

2)主要不同點(diǎn)

雖然它們的基本組成看起來是基本相同的，但由于用途不同，技術(shù)要求與發(fā)展方向完全

不同，所以它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)、外形與功能上有很大差別。單片機(jī)在組成結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是把圖

1.1中的所有電路集成在一塊芯片上，通常還包括定時(shí)器等其他輔助功能電路。就其組成和

基本工作原理而言，一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，所以它最初被人們稱為單片微型計(jì)算

機(jī)，其外形就如同一塊普通的電子芯片，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它體積小、可靠性高，其軟件均固化

在內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器中，通常是用于控制，被安裝在控制對(duì)象中。單片機(jī)是向著單芯片化道

路的方向發(fā)展，技術(shù)要求則是不斷提高嵌入性能、控制能力與可靠性。

而微型計(jì)算機(jī)則是把微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)器等不同的芯片組成在

一塊底板上，然后配上機(jī)箱、外設(shè)等。微型計(jì)算機(jī)主要是為滿足高速、海量的數(shù)值計(jì)算、實(shí)

現(xiàn)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，以及辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、文化藝術(shù)創(chuàng)作、智力

競(jìng)賽等。技術(shù)發(fā)展方向是不斷提高計(jì)算速度，不斷擴(kuò)大存儲(chǔ)容量等。

3.計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)有哪幾項(xiàng)？予以簡(jiǎn)要解釋。

解：主要指標(biāo)有如下幾項(xiàng)。

1)字長(zhǎng)

字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)能處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，習(xí)慣上稱為位長(zhǎng)?；咀珠L(zhǎng)一般是指參加

一次運(yùn)算的操作數(shù)的位數(shù)?；咀珠L(zhǎng)可反映寄存器、運(yùn)算部件和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。在

計(jì)算機(jī)中每個(gè)存儲(chǔ)單元存放二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)一般情況下和它的算術(shù)運(yùn)算單元的位數(shù)

是相同的。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算精度越高，速度也越快。

2)主頻

主頻是指計(jì)算機(jī)中的主時(shí)鐘頻率，是CPU工作的頻率，主頻的快慢在很大程度上可

以決定計(jì)算機(jī)運(yùn)算的速度。主頻的常用單位是MHz、GHzo

3)運(yùn)算速度

運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)每秒執(zhí)行指令的條數(shù)，它反映計(jì)算機(jī)運(yùn)算和對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度，

單位通常采用MIPS(百萬條指令/s)。

4)內(nèi)存容量

對(duì)于微機(jī)是指安裝在主板上的內(nèi)存儲(chǔ)器中只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory,

ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory,RAM)的容量總和，對(duì)于單片

機(jī)是指在芯片上的ROM和RAM的容量總和。存儲(chǔ)容量越大能處理的信息量就越大，

整體性能越高。容量的最小存儲(chǔ)單位是二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，以字節(jié)B(Byte)為基本單位。

常用容量單位有KB(1KB=1024B),MB(1MB=1024KB),GB(1GB=1024

MB),TB(1TB=1024GB)。

4.嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是什么？

解：嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

(1)功能專一。只針對(duì)某個(gè)對(duì)象的要求而設(shè)計(jì)。

(2)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)

本身中，因而可靠性要求可達(dá)到工業(yè)級(jí)或者軍品級(jí)以上.

(3)自動(dòng)化程度高。對(duì)于所有的被控對(duì)象，包括工業(yè)產(chǎn)品、航天產(chǎn)品以及家電等，均可

實(shí)現(xiàn)一旦啟動(dòng)即自動(dòng)循環(huán)操作，不需要人工干預(yù)。

(4)體積小。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)通常是安裝在為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的對(duì)象中，而對(duì)象形態(tài)和

大小五花八門，為盡可能不影響對(duì)象的外形與體積，要求嵌入式系統(tǒng)的體積越小越好。

(5)功耗低。因?yàn)橛泻芏鄬?duì)象是便攜式產(chǎn)品，低功耗將延長(zhǎng)它的使用時(shí)間，一般產(chǎn)品均

可達(dá)到毫瓦級(jí)，有的已可達(dá)到微瓦級(jí)。

(6)性能價(jià)格比高。在嵌入式市場(chǎng)，用戶既可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象“量身定做”，也可以

“量身選衣所謂“量身定做”，即根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的實(shí)際要求，請(qǐng)廠家專門定制內(nèi)存、I/O接

口、外設(shè)等符合要求的芯片；所謂“量身選衣”，即根據(jù)它在軟件和硬件上的可選擇性，選擇

最適合對(duì)象要求的芯片，這樣可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最佳性能價(jià)格比。

5.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成是什么？什么是計(jì)算機(jī)硬件？什么是計(jì)算機(jī)軟件？

解：微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，其組成如圖1.2所示。

硬件系統(tǒng)是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬設(shè)備的總稱，由圖1.2可見它的兩大組成部分是主

機(jī)與外部設(shè)備。

「控制器

「CPU,

主機(jī)1主存儲(chǔ)「運(yùn)算器

「硬件】【輸入/輸出接口

I外部設(shè)備

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)J1系統(tǒng)軟件

I軟件Y

-應(yīng)用軟件

圖1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

軟件系統(tǒng)是微型計(jì)算機(jī)為了運(yùn)行、管理、維護(hù)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)所配置或者用戶自行編制的

各種程序的總稱。這些程序或存在于內(nèi)存儲(chǔ)器中，或存放在外存儲(chǔ)器中。微型計(jì)算機(jī)在沒有

安裝任何軟件之前稱之為“裸機(jī)”裸機(jī)”是不能工作的。因此，硬件和軟件是組成微型計(jì)算

機(jī)系統(tǒng)必不可少的組成部分。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。

6.下面列出計(jì)算機(jī)中常用的一些單位，試指出其用途和含義。

(1)MIPS(2)KB(3)MB(4)GB(5)TB

答：(1)MIPS表示計(jì)算機(jī)每秒執(zhí)行指令的條數(shù)是百萬條指令/s。

(2)KB(3)MB(4)GB(5)TB均為內(nèi)存容量單位。它們之間關(guān)系如下：

KB(1KB=1024B),MB(1MB=1024KB),GB(1GB=1024MB),TB(1TB=1024GB)?

7.什么是計(jì)算機(jī)總線？一般微型計(jì)算機(jī)中有哪些總線？各有什么作用？

答：計(jì)算機(jī)總線是CPU與各功能部件信息交換的通道。按總線的功能可分為地址總線、

數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是為數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址，CPU通過它們將

地址輸出到存儲(chǔ)器或I/O接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間或存儲(chǔ)

器與外設(shè)之間交換信息；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號(hào)線和外部送入CPU的應(yīng)答信號(hào)

線等。

第2章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)思考與練習(xí)

1.將下列各二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

(1)11011110B(2)01011010B(3)101010UB(4)1011111B

解:(1)U01U10B=222D(2)01011010B=90D(3)10101011B=171D(4)1011111B=95D

2.將第一題中各二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。

解:(1)11011110B=DEH(2)01011010B=5AH(3)1010101IB=ABH(4)1011111B=5FH

3.將下列各數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。

224D143D01010011BCD00111001BCD

解：224D=E0H;143D=8FH;01010011BCD=53D=35H;00111001BCD=39D=27H

4.什么叫原碼、反碼及補(bǔ)碼？

解：計(jì)算機(jī)中的帶符號(hào)數(shù)有三種表示法，即：原碼、反碼和補(bǔ)碼。

正數(shù)的符號(hào)位用0表示，負(fù)數(shù)的符號(hào)位用1表示。這種表示法稱為原碼。反碼可由原碼

得到，如果是正數(shù)，則其反碼和原碼相同；如果是負(fù)數(shù)，則其反碼除符號(hào)為1外，其它各數(shù)

位凡是1轉(zhuǎn)換為0,0轉(zhuǎn)換為1.這種表示法稱為反碼。補(bǔ)碼可由反碼得到，如果是正數(shù)，

則其補(bǔ)碼和反碼相同；如果是負(fù)數(shù)，則其補(bǔ)碼為反碼加1。這種表示法稱為補(bǔ)碼。

5.已知原碼如下，寫出其補(bǔ)碼和反碼(其最高位為符號(hào)位)。

(1)[X]原=01011001(3)區(qū)]原=11011011

(2)[X]原=00111110(4)》]原=11111100

解：⑴[X]反=01011001(3)[X]反=10100100

(2)[X]反=00111110(4)[X]反=10000011

(1)[X]補(bǔ)=01011001(3)[X]補(bǔ)=10100101

(2)[X]補(bǔ)=00111110(4)[X]#=10000100

6.當(dāng)計(jì)算機(jī)把下列數(shù)看成無符號(hào)數(shù)時(shí)，它們相應(yīng)的十進(jìn)制值為多少？若把它們看成是

補(bǔ)碼，最高位為符號(hào)位，那么它們相應(yīng)的十進(jìn)制值是多少？

(1)10001110(2)10110000(3)00010001(4)01110101

解：把下列數(shù)看成無符號(hào)數(shù)時(shí)，它們相應(yīng)的十進(jìn)制值如下：

(1)10001110=1420(2)10110000=176D(3)00010001=17D(4)01110101=117D

把它們看成是補(bǔ)碼，最高位為符號(hào)位，那么它們相應(yīng)的十進(jìn)制值如下：

(1)10001110=-112D(2)10110000=-78D(3)00010001=17D(4)01110101=1170

7.觸發(fā)器、寄存器及存儲(chǔ)器之間有什么關(guān)系？

解：觸發(fā)器是計(jì)算機(jī)記憶裝置的基本單元，一個(gè)觸發(fā)器能儲(chǔ)存一位二進(jìn)制代碼，寄存

器是由觸發(fā)器組成的。一個(gè)觸發(fā)器就是一個(gè)一位寄存器。多個(gè)觸發(fā)器就可以組成一個(gè)多位寄

存器。存儲(chǔ)器是由大量寄存器組成的，其中每一個(gè)寄存器就稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。它可存放

一個(gè)有獨(dú)立意義的二進(jìn)制代碼。

8.三態(tài)門有何作用？其符號(hào)如何畫？

解：在多總線的計(jì)算機(jī)電路中為防止信息相互干擾，要求凡掛到總線上的寄存器或存儲(chǔ)

器等的輸出端不僅能呈現(xiàn)0、1兩個(gè)信息狀態(tài)，而且還應(yīng)能呈現(xiàn)第三種狀態(tài)——高阻抗?fàn)顟B(tài)

(又稱高阻狀態(tài))，即此時(shí)好象它們的輸出被開關(guān)斷開，對(duì)總線狀態(tài)不起作用，此時(shí)總線可

由其它器件占用。三態(tài)門即可實(shí)現(xiàn)上述功能，它除具有輸入輸出端之外，還有一控制端，用

于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。下圖為單向三態(tài)門和雙向三態(tài)門的符號(hào)圖。

(a)單向三態(tài)門(b)雙向三態(tài)門

9.除地線公用外,6根地址線和11根地址線各可選多少個(gè)地址？

答：6根地址線可選26=64個(gè)地址，11根地址線可選2"=2048個(gè)地址。

10.存儲(chǔ)器分幾類？各有何特點(diǎn)和用處？

答：存儲(chǔ)器的分類方法較多，例如從其組成材料和單元電路類型上可分為磁芯存儲(chǔ)器、半

導(dǎo)體存儲(chǔ)器(從制造工藝上又可分為MOS型存儲(chǔ)器、雙極型存儲(chǔ)器)、電荷耦合存儲(chǔ)器等;

從其與微處理器的關(guān)系來劃分，又可分為內(nèi)存和外存。通常把直接同微處理器進(jìn)行信息交換

的存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存。其特點(diǎn)是存取速度快，但容量有限。而把通過內(nèi)存間接與CPU進(jìn)行信

息交換的存儲(chǔ)器稱為外存。如磁帶、磁盤、光盤等，其特點(diǎn)是容量大、速度較慢。外存的內(nèi)

容根據(jù)需要可隨時(shí)調(diào)入內(nèi)存。通常人們習(xí)慣于按存儲(chǔ)信息的功能分類，在單片機(jī)中所使用

的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在功能上的分類方法和各自特點(diǎn)、用處如下：

1)只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)

只讀存儲(chǔ)器在使用時(shí)只能讀出而不能寫入，斷電后ROM中的信息不會(huì)丟失。因此一般用來

存放一些固定程序，如監(jiān)控程序、子程序、字庫及數(shù)據(jù)表等。ROM按存儲(chǔ)信息的方法又可

分為四種。下面逐一進(jìn)行介紹。

(1)掩膜ROM

掩膜ROM也稱固定ROM,它是由廠家編好程序?qū)懭隦OM(稱固化)供用戶使用，用

戶不能更改它。其價(jià)格最便宜。

(2)可編程序的只讀存儲(chǔ)器PROM(ProgrammableReadOnlyMemory)

它的內(nèi)容可由用戶根據(jù)自己所編程序一次性寫入，一旦寫入，只能讀出，而不能再進(jìn)行

更改。這類存儲(chǔ)器現(xiàn)在也稱為OTP(OnlyTimeProgrammable)?

(3)可改寫的只讀存儲(chǔ)器EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)

前二種ROM只能進(jìn)行一次性寫入，因而用戶較少使用。目前較為流行的ROM芯片為

EPROM。因?yàn)樗膬?nèi)容可以通過紫外線照射而徹底擦除。擦除后，又可重新寫入新的程序。

(4)可電改寫只讀存儲(chǔ)器E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableRead

OnlyMemory)

E2PROM可用電的方法寫入和清除其內(nèi)容，其編程電壓和清除電壓均與微機(jī)CPU的5V工

作電壓相同，不需另加電壓，它既有RAM讀寫操作簡(jiǎn)便、又有數(shù)據(jù)不會(huì)因掉電而丟失的優(yōu)

點(diǎn)，因而使用極為方便。現(xiàn)在這種存儲(chǔ)器的使用最廣泛.

2)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)

這種存儲(chǔ)器又叫讀寫存儲(chǔ)器，它不僅能讀取存放在存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，還能隨時(shí)寫入新的數(shù)

據(jù)，寫入后原來的數(shù)據(jù)就丟失了。斷電后RAM中的信息全部丟失，因此RAM常用于存放

經(jīng)常要改變的程序或中間計(jì)算結(jié)果等。

RAM按照存儲(chǔ)信息的方式，又可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。

(1)靜態(tài)SRAM(StaticRAM)

其特點(diǎn)為只要有電源加于存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)就能長(zhǎng)期保留。

(2)動(dòng)態(tài)DRAM(DynamicRAM)

寫入的信息只能保持若干毫秒時(shí)間，因此每隔一定時(shí)間必須重新寫入一次，以保持原來的信

息不變。

3)可現(xiàn)場(chǎng)改寫的非易失存儲(chǔ)器

這種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是從原理上看，它們屬于ROM型存儲(chǔ)器，但是從功能上看，它們又

可以隨時(shí)改寫信息，因而作用又相當(dāng)于RAM,所以ROM、RAM的定義和劃分已逐漸失去

意義。

下面對(duì)這類存儲(chǔ)器中的兩種予以簡(jiǎn)介：

(1)快擦寫存儲(chǔ)器FLASH

這種存儲(chǔ)器是在EPROM和E2PROM的制造基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種非易失存儲(chǔ)器，其集成

度高，制造成本低于DRAM,既具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有ROM

在斷電后可不丟失信息的特點(diǎn)，所以其發(fā)展迅速。

(2)鐵電存儲(chǔ)器FRAM

它是利用鐵電材料極化方向來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，它的特點(diǎn)是集成度高、讀寫速度快、成本低、

讀寫周期短。

11.假定有一個(gè)存儲(chǔ)器，有4096個(gè)存儲(chǔ)單元，其首地址為0,則末地址為多少？

答：其首地址為0,則末地址為FFFH,即4095。

12.什么是存儲(chǔ)單元、位、字節(jié)？存儲(chǔ)芯片的容量如何表示？

答：存儲(chǔ)器是由大量緩沖寄存器組成的，其中每一個(gè)寄存器就稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。

計(jì)算機(jī)中最小的數(shù)據(jù)單元，是一個(gè)二進(jìn)制位。

一個(gè)8位的二進(jìn)制代碼稱為一字節(jié)，這是計(jì)算機(jī)中最基本的計(jì)量單位。

第3章計(jì)算機(jī)基本工作原理思考與練習(xí)

1.什么是計(jì)算機(jī)的時(shí)序？常見時(shí)序定時(shí)單位有哪幾種？

解：計(jì)算機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)各控制信號(hào)之間的時(shí)間順序關(guān)系。為了保證

各部件間協(xié)調(diào)一致同步工作，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格按時(shí)序同步

工作。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需要的時(shí)序信號(hào)，不同的計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘電路的運(yùn)行速度有

很大差別。

在計(jì)算機(jī)中通常按指令的執(zhí)行過程規(guī)定了幾種時(shí)序定時(shí)單位，即時(shí)鐘周期、狀態(tài)周期、

機(jī)器周期和指令周期。

2.什么是計(jì)算機(jī)的指令和指令系統(tǒng)？程序設(shè)計(jì)語言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？

解：指令是規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，CPU就是根據(jù)指令來指揮和控制計(jì)算機(jī)

各部分協(xié)調(diào)地動(dòng)作，完成規(guī)定的操作。指令是由二進(jìn)制代碼表示的，通常指令包括操作碼和

操作數(shù)兩部分，操作碼規(guī)定操作的類型，操作數(shù)給出參加操作的數(shù)據(jù)或存放數(shù)據(jù)的地址(只

有少數(shù)指令是沒有操作數(shù)的)。計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的各種指令的集合稱為指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)

的性能與計(jì)算機(jī)硬件密切相關(guān)，不同的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)不完全相同。

程序設(shè)計(jì)語言是指用來編寫程序的語言，是人和計(jì)算機(jī)之間交換信息的一種工具，指

令只有按工作需求有序地編排為一段完整的程序，才能完成某一特定任務(wù)。計(jì)算機(jī)是按照

給定程序，逐條執(zhí)行指令，完成某項(xiàng)規(guī)定的任務(wù)。因此，使用計(jì)算機(jī)，首先必須編寫出計(jì)

算機(jī)能執(zhí)行的程序。

計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序，可以用很多種語言來編寫，但從語言結(jié)構(gòu)及其與計(jì)算機(jī)的關(guān)系來

看，可分為機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言三大類型。各類特點(diǎn)如下：

機(jī)器語言是一種用二進(jìn)制代碼0和1表示指令和數(shù)據(jù)的最原始的程序設(shè)計(jì)語言。因?yàn)橛?jì)

算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制代碼，因而這種語言與計(jì)算機(jī)的關(guān)系最為直接，計(jì)算機(jī)能夠立即識(shí)別這

種語言，并加以執(zhí)行，響應(yīng)速度最快。但對(duì)于使用者來說，用機(jī)器語言編寫程序非常煩瑣費(fèi)

時(shí)，且不易看懂、不便記憶，容易出錯(cuò)。

匯編語言是一種用助記符來表示的面向計(jì)算機(jī)的程序設(shè)計(jì)語言。不同的計(jì)算機(jī)所使用的

匯編語言一般是不同的，這種語言比機(jī)器語言直觀、易懂、易用，而且易于記憶，對(duì)指令中

的操作碼和操作數(shù)也容易區(qū)分。

用匯編語言書寫程序確實(shí)比用機(jī)器語言方便，但計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別匯編語言，所以程

序不能執(zhí)行，故用匯編語言編寫的源程序，在交由計(jì)算機(jī)執(zhí)行之前，必須將它翻譯成機(jī)器語

言程序，這一翻譯過程稱為匯編。

高級(jí)語言是一種面向過程而獨(dú)立于計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的通用計(jì)算機(jī)語言，如C、FORTAN、

PASCAL>C++、JAVA等，這些語言是參照數(shù)學(xué)語言而設(shè)計(jì)的近似于日常會(huì)話的語言。用

戶不必了解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，它比匯編語言更易學(xué)、易懂，而且通用性強(qiáng)，易于移

植到不同類型的計(jì)算機(jī)上去。

高級(jí)語言不能被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別和執(zhí)行，也需要翻譯為機(jī)器語言。

高級(jí)語言的語句功能強(qiáng)，它的一條語句，往往需要多條指令來完成其功能，因而用于翻

譯的程序要占用較多存儲(chǔ)空間，而且執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，且不易精確掌握，故在高速實(shí)時(shí)控制中一

般是不適用的。

3.CPU內(nèi)部主要由哪些部件組成？試說明它們的主要功能。

解：CPU主要是由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。

控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制計(jì)算機(jī)工作的部件，它的功能是從存儲(chǔ)器中逐條取指令，

進(jìn)行指令譯碼，并通過定時(shí)和控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部?jī)?nèi)部控制信

息及CPU外部所需的控制信號(hào)，使各部分按照一定節(jié)拍協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各種

操作。

運(yùn)算器是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作的執(zhí)行部件，包括算術(shù)/邏輯部件、累加器、

暫存寄存器、程序狀態(tài)字寄存器、BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等，為了提高位操作功能還增加了

位處理邏輯電路。

4.如何理解計(jì)算機(jī)的工作過程？它的實(shí)質(zhì)是什么？

解：在計(jì)算機(jī)工作前必須事先編制好要求計(jì)算機(jī)完成某種功能的相應(yīng)程序，然后通過

輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)（均為二進(jìn)制形式）存放到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)中的控制

器根據(jù)存放在存儲(chǔ)器中的指令序列（程序）自動(dòng)工作，并由一個(gè)程序計(jì)數(shù)器控制指令執(zhí)行順

序。在程序指令的控制下逐步進(jìn)行處理，完成指令規(guī)定的操作，直到程序執(zhí)行結(jié)束，通過輸

出設(shè)備輸出結(jié)果。

計(jì)算機(jī)的工作過程實(shí)質(zhì)就是存儲(chǔ)程序、執(zhí)行程序的過程，即逐條執(zhí)行指令的過程。計(jì)算

機(jī)每執(zhí)行一條指令都可分為三個(gè)階段進(jìn)行，即取指令、譯碼分析指令和執(zhí)行指令。

5.什么叫I/O端口？為什么需要有I/O接口電路？

解：I/O端口通常是一個(gè)可以由CPU直接訪問的寄存器。

因?yàn)楦鞣N外設(shè)與計(jì)算機(jī)之間在其傳輸速率、信號(hào)類型、信號(hào)電平和傳輸格式等方面是不

完全相同的。為解決計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間以及計(jì)算機(jī)之間連接與數(shù)據(jù)通信的硬件及軟件問

題設(shè)計(jì)了I/O接口電路，所以，接口電路是CPU與外設(shè)連接的紐帶，用于協(xié)調(diào)它們之

間的工作。

6.在計(jì)算機(jī)中，常用的I/O尋址方式有哪兒種？試比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

解：常用的1/0尋址方式有統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址方式。

統(tǒng)一編址方式也稱為存儲(chǔ)器映像方式，是從存儲(chǔ)器空間劃出一部分地址給I/O端口。I/O

端口空間就是存儲(chǔ)空間的一部分，把一個(gè)I/O端口看成是一個(gè)存儲(chǔ)單元。采用I/O端口和存

儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的CPU,所有訪問存儲(chǔ)器單元的指令都可用來訪問端口，沒有設(shè)置專門的I/O

指令，但這種方式占用存儲(chǔ)器地址空間。

獨(dú)立編址是指I/O端口和存儲(chǔ)器單元各占一種空間，各自單獨(dú)編址。在此方式下，CPU

的指令系統(tǒng)中設(shè)置了專用訪問I/O端口的指令，在CPU執(zhí)行這些指令時(shí)，會(huì)產(chǎn)生專門的選

通信號(hào)，確定地址總線上傳送的是I/O地址還是存儲(chǔ)器地址。

7.接口電路的功能是什么？試用圖的形式說明接口電路的基本組成。

解：接口電路的基本功能如下：

1）信號(hào)形式的變換

例如，把各種非數(shù)字信號(hào)（這些信號(hào)可以是開關(guān)量、模擬電壓量及脈沖信號(hào)等）轉(zhuǎn)換為

計(jì)算機(jī)能識(shí)別的統(tǒng)一的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

2）電平轉(zhuǎn)換

計(jì)算機(jī)內(nèi)部通常采用的電平范圍是0?5V（目前，在一些單片機(jī)中甚至可以低到0?

2V）,而外部設(shè)備的電平通常并不完全符合要求，所以，需要有電平轉(zhuǎn)換功能的外設(shè)或者器

件。

3）數(shù)據(jù)傳輸格式轉(zhuǎn)換

外設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式可能是并行的，也可能是串行的，此時(shí)需要I/O接口電路把CPU

輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行，或者把外設(shè)輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行。

4）鎖存與緩沖

由于CPU與I/O設(shè)備在時(shí)序上通常不一定匹配，因而在工作時(shí)一般不同步，于是通過

在接口電路中設(shè)置鎖存與緩沖器，使CPU在執(zhí)行輸出指令時(shí)把數(shù)據(jù)置入鎖存器，以后I/O

接口設(shè)備可按自己的時(shí)序從鎖存器取得數(shù)據(jù)。

對(duì)于外設(shè)準(zhǔn)備輸入到CPU中的數(shù)據(jù)可以先接到三態(tài)緩沖器的輸入端，等CPU執(zhí)行輸入

指令時(shí)緩沖器就通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入CPU。

接口電路的基本組成如圖示：

接口電路的基本組成示意圖

圖中的DB、AB、CB分別是數(shù)據(jù)、地址和控制總線，對(duì)于有中斷功能的接口芯片，

還包括中斷請(qǐng)求和中斷響應(yīng)線。地址譯碼主要用于對(duì)CPU的地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖

中端口的尋址，控制邏輯主要用于接收CPU的讀/寫控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各端口的讀/寫操作。

1/0端口通常是一個(gè)可以由CPU直接訪問的寄存器，端口一般以字節(jié)為單位組織，例如，控

制端口、數(shù)據(jù)端口和地址端口各1字節(jié)，也可以用2個(gè)地址相鄰的8位端口構(gòu)成一個(gè)16位

寬度的端口。

8.微型計(jì)算機(jī)的I/O控制方式常有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？

解：微型計(jì)算機(jī)的I/O控制方式常有如下幾種：程序控制方式、中斷控制方式和直接存

儲(chǔ)器存取方式。

程序控制方式又分為直接傳送方式（乂稱為無條件傳送方式）和查詢方式。直接傳送方

式指CPU在需要和數(shù)據(jù)端口進(jìn)行傳送時(shí)，直接對(duì)其執(zhí)行I/O指令，即CPU認(rèn)為數(shù)據(jù)端口和

自己完全同步，CPU可用輸出接口驅(qū)動(dòng)它們，不需要判斷它們的狀態(tài)。這種方式接口也最

簡(jiǎn)單，只需要數(shù)據(jù)端口，但其應(yīng)用范圍有局限性。

程序查詢方式是在進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，由CPU先輸入I/O設(shè)備狀態(tài)端口信號(hào)，在I/O

設(shè)備準(zhǔn)備好傳送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)出“準(zhǔn)備好”信號(hào)，CPU查詢狀態(tài)信號(hào)確認(rèn)后再傳送數(shù)據(jù)。這

些"準(zhǔn)備好''信號(hào)一般由I/O設(shè)備自己建立，由CPU完成傳送后清除。由于I/O設(shè)備的速度相

對(duì)較慢，所以這種方式效率很低。

中斷控制方式由需要傳送的I/O設(shè)備主動(dòng)發(fā)起。當(dāng)某個(gè)I/O設(shè)備需要傳送時(shí)，先向CPU

發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)。CPU完成當(dāng)前指令后，響應(yīng)申請(qǐng)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷方式

傳送提高了效率，消除了查詢方式中的等待時(shí)間，CPU對(duì)I/O設(shè)備的請(qǐng)求響應(yīng)較快，因此中

斷方式得到廣泛應(yīng)用。

直接存儲(chǔ)器存取方式不需要CPU干預(yù)傳輸操作，而是利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，由DMA

控制器直接在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行讀出、寫入操作，可以達(dá)到極高的傳送速率，因而越來

越廣泛地用于高速I/O設(shè)備的接口。

9.簡(jiǎn)述直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）方式的主要特點(diǎn)。

解：直接存儲(chǔ)器訪問方式的主要特點(diǎn)是：不需要CPU干預(yù)傳輸操作，而是利用系

統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，由DMA控制器直接在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行讀出、寫入操作，可以達(dá)到極

高的傳送速率，因而越來越廣泛地用于高速I/O設(shè)備的接口?，F(xiàn)在也實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器

之間，外設(shè)與外設(shè)之間的DMA傳輸。

10.試說明并行通信與串行通信在數(shù)據(jù)傳輸上的主要區(qū)別？

解：在并行通信中，所傳輸數(shù)據(jù)的各位同時(shí)發(fā)送或接收。一個(gè)并行數(shù)據(jù)有多少位二進(jìn)

制數(shù)，就要多少根傳輸線，這種方式的特點(diǎn)是通信速度快，但所需傳輸線多，價(jià)格較貴，適

合近距離傳輸；而串行通信所傳輸數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位地發(fā)送或接收。僅需1?3根

傳輸線即可，故在長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，比較經(jīng)濟(jì)，但由于它每次只能傳輸1位，所以傳輸?shù)?/p>

速度較慢。

11.串行通信有幾種方式？說明它們各自的特點(diǎn)及主要區(qū)別。

解：串行通信有異步通信和同步通信二種方式。

異步通信指在通信的信息流中，字符與字符間的傳輸是異步的，即字符間傳輸時(shí)間間隔

是隨機(jī)的，不固定的，而在一個(gè)字符內(nèi)各位的時(shí)間間隔是固定的，即每個(gè)字符內(nèi)部各位間還

是基本同步傳輸?shù)摹?/p>

在同步通信中，信息流中的字符與字符間和字符內(nèi)部位與位之間都需要有一個(gè)同步時(shí)鐘

CLK實(shí)現(xiàn)同步，在這種方式下可以把許多字符組成一個(gè)信息組，也稱一幀。數(shù)據(jù)或字符開

始處是用同步字符啟動(dòng)（常約定1?2個(gè)），以實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步，一旦檢測(cè)到約定同

步字符，下面就可連續(xù)按順序接收數(shù)據(jù)，同步通信傳輸信息的位數(shù)幾乎不受限制，通常一次

通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有幾十到幾千字節(jié)。

他們的主要區(qū)別如下：

因?yàn)橥酵ㄐ艛?shù)據(jù)塊傳輸時(shí)去掉了字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，所以其傳輸效率高于異步通

信，但這種方式要求通信時(shí)時(shí)鐘嚴(yán)格保持同步，所以收、發(fā)雙方必須采用同一個(gè)精確的同步

時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其發(fā)送器和接收器比較復(fù)雜，軟件編寫也較復(fù)雜。

由于異步通信每傳輸一幀有固定格式，通信雙方只需按約定的幀格式來發(fā)送和接收數(shù)

據(jù)，每接收一個(gè)字符，接收方與發(fā)送方都要重新同步一次，這樣傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就沒有時(shí)間累積

誤差，通信雙方的時(shí)鐘頻率可以不完全一樣，發(fā)送與接收時(shí)鐘誤差在5%以內(nèi)就可以正確接

收數(shù)據(jù)，所以硬件結(jié)構(gòu)比同步通信方式簡(jiǎn)單。

12.以11位的幀格式舉例說明異步通信的幀格式中各位的作用是如何定義的？

解：在異步通信中字符是一幀一幀地傳輸?shù)?。幀定義為一個(gè)字符的完整的通信格式，通常也

稱為幀格式，每個(gè)字符都要獨(dú)立地確定起始和結(jié)束位。最常見的幀格式一般是先用一個(gè)起始

位0表示字符的開始，然后是5?8位數(shù)據(jù)，最后是停止位。

圖3.7所示是一種11位異步通信的幀格式，圖中各位作用如下所述。

圖3.7一種11位異步通信的幀格式

（1）起始位。通信線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，保持高電平（邏輯1）,當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先要

發(fā)一個(gè)低電平（邏輯0）,此信號(hào)稱為“起始位”，表示開始傳輸一幀信息。

（2）數(shù)據(jù)位。起始位之后的位即數(shù)據(jù)位，通常是5?8位（不同計(jì)算機(jī)規(guī)定不同），圖3.7所

示為8個(gè)數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，即先傳輸?shù)臀唬呶辉谧詈蟆?/p>

（3）奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)位之后的位即奇偶校驗(yàn)位，此位通過對(duì)數(shù)據(jù)奇偶性的檢查，可用于判

別字符傳輸?shù)恼_性，它有三種可能的選擇，即用于奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或者無校驗(yàn)，用戶可根

據(jù)需要選擇，在有的格式中這位可省略。

（4）停止位。字符的最后一位是停止位，用于表示一幀結(jié)束，采用高電平（邏輯1）。停止位

可以是1位、1.5位、2位，不同的計(jì)算機(jī)規(guī)定有所不同。從起始位開始到停止位結(jié)束就構(gòu)成

完整的一幀。

13.串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸率是如何定義的？已知在一次傳輸中數(shù)據(jù)的幀格式為11

位，數(shù)據(jù)傳輸率是4800b/s,計(jì)算其每位的傳輸時(shí)間。

解：串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸率定義為每秒鐘傳輸多少位二進(jìn)制數(shù)，稱為比特率。

已知數(shù)據(jù)傳輸速率4800b/s,則每1位的傳輸時(shí)間即為波特率的倒數(shù)，即

7d=l/4800s=0.208ms

14.串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸方式有哪幾種？圖示說明。

解：在串行通信中，數(shù)據(jù)傳輸方式按照數(shù)據(jù)傳輸方向，可分為單工（Simplex）＞半雙工

（HalfDuplex）和全雙工（FullDuplex）方式,示意圖如圖3.9所示。

1）單工方式

在單工方式下，甲機(jī)和乙機(jī)之間只允許單方向傳輸，例如，只允許甲機(jī)發(fā)送乙機(jī)接收，因而

兩機(jī)之間只需一條數(shù)據(jù)線。此時(shí)甲機(jī)稱為發(fā)送器，乙機(jī)稱為接收器。

2）半雙工方式

在半雙工方式下，甲機(jī)和乙機(jī)之間允許雙方向傳輸，但它們之間只有一個(gè)通信回路，接收和

發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行，只能分時(shí)發(fā)送和接收，即甲機(jī)發(fā)送乙機(jī)接收，或者乙機(jī)發(fā)送甲機(jī)接收，

因而兩機(jī)之間只需一條數(shù)據(jù)線。此時(shí)甲機(jī)和乙機(jī)均稱為收發(fā)器。

3）全雙工方式

在全雙工方式下，甲、乙兩機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行，稱為全雙工傳輸，全雙

工形式的串行通信必須使用兩根數(shù)據(jù)線。此時(shí)甲機(jī)和乙機(jī)均稱為收發(fā)器。

第4章計(jì)算機(jī)的中斷思考與練習(xí)

1.什么是中斷？在計(jì)算機(jī)中中斷能實(shí)現(xiàn)哪些功能？

解：中斷是通過硬件來改變CPU程序運(yùn)行方向的一種技術(shù)，它既和硬件有關(guān)，也和軟

件有關(guān)。在執(zhí)行程序的過程中，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部或外部的某種突發(fā)原因，有必要盡快中止當(dāng)

前程序的執(zhí)行，去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被中止了的原程序,

這種程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而被中間打斷的情況稱為中斷。

中斷系統(tǒng)一般具有如下功能。

1）能實(shí)現(xiàn)中斷及返回

當(dāng)某一個(gè)中斷源發(fā)出中斷申請(qǐng)時(shí)，CPU決定是否響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求，當(dāng)CPU在執(zhí)行更

急、更重要的工作時(shí)，可以暫不響應(yīng)中斷，若允許響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU必須在現(xiàn)行的

指令執(zhí)行完后，把斷點(diǎn)處的程序計(jì)數(shù)器PC值（下一條應(yīng)執(zhí)行的指令地址）推入堆棧保留下

來，這稱為保護(hù)斷點(diǎn)，這一步是硬件自動(dòng)執(zhí)行的。同時(shí)用戶在編程時(shí)，要注意把有關(guān)的寄存

器內(nèi)容和狀態(tài)標(biāo)志位推入堆棧保留下來，這稱為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)之后即可執(zhí)行中

斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢，需恢復(fù)原保留寄存器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，稱為恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并執(zhí)

行中斷返回指令，這個(gè)過程由用戶編程實(shí)現(xiàn)。

2）能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)排隊(duì)

通常，在系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求的情

況。這就要求計(jì)算機(jī)既能區(qū)分各個(gè)中斷源的請(qǐng)求，又能確定首先為哪一個(gè)中斷源服務(wù)。為了

解決這一問題，通常給各中斷源規(guī)定了優(yōu)先級(jí)別，稱為優(yōu)先權(quán)。當(dāng)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的中斷

源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)首先為優(yōu)先權(quán)最高的中斷源服務(wù)，服務(wù)結(jié)束后，再響應(yīng)級(jí)別

較低的中斷源。計(jì)算機(jī)按中斷源級(jí)別高低逐次響應(yīng)的過程稱優(yōu)先權(quán)排隊(duì)。這個(gè)過程可以通過

硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可以通過程序查詢來實(shí)現(xiàn)。

3）能實(shí)現(xiàn)中斷嵌套

當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷的請(qǐng)求，正在進(jìn)行中斷處理時(shí)，若有優(yōu)先權(quán)級(jí)別更高的中斷源發(fā)

出中斷申請(qǐng)，則CPU能中斷正在進(jìn)行的中斷服務(wù)程序，并保留這個(gè)程序的斷點(diǎn)（類似于子

程序嵌套），響應(yīng)高級(jí)中斷，在高級(jí)中斷處理完以后，再繼續(xù)執(zhí)行被中斷的中斷服務(wù)程序。

這個(gè)過程稱中斷嵌套，其示意圖如圖4.2所示。如果發(fā)出新的中斷申請(qǐng)的中斷源的優(yōu)先權(quán)級(jí)

別與正在處理的中斷源同級(jí)或更低時(shí)，則CPU暫時(shí)不響應(yīng)這個(gè)中斷申請(qǐng)，直至正在處理的

中斷服務(wù)程序執(zhí)行完以后才去處理新的中斷申請(qǐng)。

圖4.1中斷流程圖圖4.2中斷嵌套流程圖

2.什么是中斷優(yōu)先級(jí)？中斷優(yōu)先級(jí)處理的原則是什么？

解：通常，在系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)中斷源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求

的情況。這就要求計(jì)算機(jī)既能區(qū)分各個(gè)中斷源的請(qǐng)求，又能確定首先為哪一個(gè)中斷源服務(wù)。

為了解決這一問題，通常給各中斷源規(guī)定了優(yōu)先級(jí)別，稱為優(yōu)先權(quán)。

當(dāng)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的中斷源同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)首先為優(yōu)先權(quán)最高的中斷源

服務(wù)，服務(wù)結(jié)束后，再響應(yīng)級(jí)別較低的中斷源。計(jì)算機(jī)按中斷源級(jí)別高低逐次響應(yīng)的過程稱

優(yōu)先權(quán)排隊(duì)。

3.CPU響應(yīng)中斷的條件是什么？

解：一般情況下CPU響應(yīng)中斷的條件主要有以下幾點(diǎn)。

（1）有中斷源發(fā)出中斷申請(qǐng)。

（2）中斷總允許位為1（不同的計(jì)算機(jī)該標(biāo)志位符號(hào)不同，例如，在80C51單片機(jī)中為

EA,在8086處理器中為IF等），此時(shí)CPU允許所有可屏蔽中斷源申請(qǐng)中斷。

（3）申請(qǐng)中斷的中斷源的中斷允許位為1,即此中斷源可以向CPU申請(qǐng)中斷。

以上是CPU響應(yīng)中斷的基本條件。如果滿足，CPU一般會(huì)響應(yīng)中斷，但如果有下列任何一

種情況存在，則中斷響應(yīng)會(huì)受到阻斷。

4.引進(jìn)中斷技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？

解：計(jì)算機(jī)引進(jìn)中斷技術(shù)之后主要有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）分日瞳作

在計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息時(shí)，存在高速的CPU和慢速的外設(shè)（如打印機(jī)等）之間

的矛盾，若采用軟件查詢的方式，則不但占用了CPU操作時(shí)間，而且響應(yīng)速度慢。有了中

斷功能就解決了快速的CPU與慢速的外設(shè)之間的矛盾。此時(shí)，CPU在啟動(dòng)外設(shè)工作后，繼

續(xù)執(zhí)行主程序，同時(shí)外設(shè)也在工作，每當(dāng)外設(shè)做完一件事，就發(fā)出中斷申請(qǐng)，請(qǐng)求CPU中

斷它正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序（一般情況是處理I/O數(shù)據(jù)），中斷處理完之

后，CPU恢復(fù)執(zhí)行主程序，外設(shè)仍繼續(xù)工作。這樣CPU可以命令多個(gè)外設(shè)（如鍵盤、打印

機(jī)等）同時(shí)工作，從而大大提高了CPU的工作效率。

2）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理

在實(shí)時(shí)控制中，現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)、信息是隨時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)情況不斷變化的。有了中斷功能,

外界的這些突發(fā)變化量可以根據(jù)要求，隨時(shí)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，要求CPU及時(shí)處理，

CPU就可以馬上響應(yīng)（若中斷響應(yīng)條件滿足）加以處理。這樣的及時(shí)處理在查詢方式下是

做不到的，從而大大減少了CPU的等待時(shí)間。

3）故障處理

計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中，難免會(huì)出現(xiàn)一些事先無法預(yù)料的故障，如存儲(chǔ)出錯(cuò)，運(yùn)算溢出，

電源突跳等。有了中斷功能，計(jì)算機(jī)就能自行處理，而不必停機(jī)處理。

5.在中斷響應(yīng)過程中，為什么通常要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)？如何保護(hù)？

解：因?yàn)橐话阒鞒绦蚝椭袛喾?wù)程序都可能會(huì)用到累加器、狀態(tài)標(biāo)志寄存器及其他一些

寄存器。CPU在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，用到上述寄存器時(shí)，就會(huì)破壞它原來存在寄存器中

的內(nèi)容，一旦中斷返回，將會(huì)造成主程序的混亂。因此，在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，一般要先

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，通常是把這些需要保護(hù)的內(nèi)容壓入稱為堆棧的存儲(chǔ)區(qū)（有關(guān)堆棧的內(nèi)容詳見5.3

節(jié)），然后再執(zhí)行中斷處理程序，在返回主程序以前，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，即把保護(hù)的內(nèi)容再?gòu)亩?/p>

棧中彈出到累加器或者寄存器等。對(duì)于要保護(hù)的內(nèi)容一定要全面考慮，不能遺漏。

第二篇單片機(jī)原理及應(yīng)用思考與練習(xí)答案

第5章單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理思考與練習(xí)

1.AT89S51單片機(jī)內(nèi)部包含哪些主要邏輯功能部件？各有什么主要功能？

答:80C51單片機(jī)內(nèi)部主要包含有CPU、存儲(chǔ)器、可編程I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口

等，各部分通過內(nèi)部總線相連。各部分主要功能如下：

中央處理器（CPU）

中央處理器是單片機(jī)最核心的部分,是單片機(jī)的大腦和心臟,主要完成運(yùn)算和控制功能。

80C51的CPU是一個(gè)字長(zhǎng)為8位的中央處理單元，即它對(duì)數(shù)據(jù)的處理是以字節(jié)為單位進(jìn)行

的。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）

80C51中共有256個(gè)RAM單元，但其中能作為寄存器供用戶使用的僅有前面128個(gè)，

后128個(gè)被專用寄存器占用。其可存儲(chǔ)程序在運(yùn)行時(shí)的變量和數(shù)據(jù)。

內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部ROM）

80c51共有4KB掩膜ROM,用于存放程序、原始數(shù)據(jù)等。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器

80C51共有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。

并行I/O口

80c51共有4個(gè)8位的I/O口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入、輸出。

串行口

80C51有1個(gè)全雙工的可編程串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。

時(shí)鐘電路

80C51單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。使計(jì)算機(jī)在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)

下，按照嚴(yán)格的節(jié)拍順序執(zhí)行各種操作。

2.簡(jiǎn)述ALE/樂55和運(yùn)/VPP引腳的功能。

解：ALE/而55：該引腳有兩種功能，即地址鎖存允許輸出/編程脈沖輸入端。

在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE作為鎖存擴(kuò)展地址低位字節(jié)的輸出控制信號(hào)（稱允許鎖存地址）,

在一個(gè)指令周期中將丟失一個(gè)脈沖。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該端也以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率

固定輸出正脈沖，可供定時(shí)或其他需要使用，還可檢測(cè)CPU是否已經(jīng)工作。ALE端的負(fù)載

驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LSTTL（低功耗高速TTL）。

在固化片內(nèi)存儲(chǔ)器的程序（也稱為燒錄程序）時(shí)，此引腳用于輸入編程負(fù)脈沖。

EA/VPP：該引腳有兩種功能，即內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器選擇/編程電源輸入端。

當(dāng)云端接高電平時(shí)，CPU從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?/p>

4KB（AT89s52為8KB）時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)直端接低電平時(shí)，CPU

僅訪問片外程序存儲(chǔ)器。即CPU直接從片外程序存儲(chǔ)器0000H單元開始執(zhí)行程序。

在對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，此引腳用于施加編程電壓VPP。80c51系列單片機(jī)不同型號(hào)單

片機(jī)的編程電壓不同，有12V和5V等幾種。

3.如何認(rèn)識(shí)80c51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間在物理結(jié)構(gòu)上可劃分為四個(gè)空間，而在邏輯上又

可劃分三個(gè)空間？

答：80C51存儲(chǔ)器是采用將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開尋址的結(jié)構(gòu)，其存儲(chǔ)器空間在物理

結(jié)構(gòu)上可劃分為如下四個(gè)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

邏輯上又劃分如下三個(gè)空間：片內(nèi)256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，片外64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

器地址空間，和64KB程序存儲(chǔ)器。因?yàn)槠瑑?nèi)、片外的程序存儲(chǔ)器地址編排是連續(xù)統(tǒng)一的，

因而在邏輯上把它作為一個(gè)空間，

在訪問三個(gè)不同的邏輯空間時(shí);應(yīng)采用不同形式的指令，以產(chǎn)生不同存儲(chǔ)空間的選通信

號(hào)。

4.開機(jī)復(fù)位后，80C51單片機(jī)CPU使用的是哪組工作寄存器？它們的地址是什么？

CPU如何確定和改變當(dāng)前工作寄存器組？

答：開機(jī)復(fù)位后，CPU使用的是第0組工作寄存器。它們的地址是00?07。CPU通過對(duì)

程序狀態(tài)字PSW中RSI、RS0的設(shè)置來確定和改變當(dāng)前工作寄存器組。

5.什么是堆棧？堆棧有何作用？在程序設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)為什么要對(duì)堆棧指針SP重新賦

值？如果CPU在操作中要使用兩組工作寄存器，SP的初值應(yīng)為多大？

答：堆棧是個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，主要功能是暫時(shí)存放數(shù)據(jù)和地址，通常用來保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)。

它的特點(diǎn)是按照“先進(jìn)后出”的原則存取數(shù)據(jù)，這里的“進(jìn)與出''是指進(jìn)棧與出棧操作。

系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H,使得堆棧事實(shí)上由08H開始。因?yàn)?8H?1FH單元為工作

寄存器區(qū)1?3,20H?2FH為位尋址區(qū)。在程序設(shè)計(jì)中很可能要用到這些區(qū)，所以用戶在編

程時(shí)要對(duì)堆棧指針SP重新賦值，最好把SP初值設(shè)為2FH或更大值，當(dāng)然同時(shí)還要顧及其

允許的深度。在使用堆棧時(shí)要注意，由于堆棧的占用，會(huì)減少內(nèi)部RAM的可利用單元，如

設(shè)置不當(dāng)，可能引起內(nèi)部RAM單元沖突。如果CPU在操作中要使用兩組工作寄存器，SP

的初值應(yīng)大于10H?

6.AT89s51的時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期是如何分配的？當(dāng)振蕩頻率為8MHz時(shí)，

一個(gè)單片機(jī)周期為多少微秒？

答：80C51的時(shí)鐘周期是最小的定時(shí)單位，也稱為振蕩周期或節(jié)拍。一個(gè)機(jī)器周期包含

12個(gè)時(shí)鐘周期或節(jié)拍。不同的指令其指令周期一般是不同的，可包含有1、2、3、4個(gè)機(jī)器

周期。當(dāng)振蕩頻率為8MHz時(shí)，一個(gè)單片機(jī)時(shí)鐘周期為0.125微秒。

7.在AT89S51擴(kuò)展系統(tǒng)中，片外程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共處同一地址空間為什

么不會(huì)發(fā)生總線沖突？

答：在訪問片外程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器邏輯空間時(shí)，因?yàn)椴捎昧瞬煌问降闹噶睿a(chǎn)

生不同的存儲(chǔ)空間的選通信號(hào)，所以不會(huì)發(fā)生總線沖突。

8.程序狀態(tài)寄存器PSW的作用是什么？常用狀態(tài)標(biāo)志有哪幾位？作用是什么？

答：PSW是8位寄存器，用于作為程序運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志。

當(dāng)CPU進(jìn)行各種邏輯操作或算術(shù)運(yùn)算時(shí)，為反映操作或運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)，把相應(yīng)的標(biāo)

志位置1或清0。這些標(biāo)志的狀態(tài)，可由專門的指令來測(cè)試，也可通過指令來讀出。它為計(jì)

算機(jī)確定程序的下一步運(yùn)行方向提供依據(jù)。PSW寄存器中各位的名稱及位置如上所示，下

面說明各標(biāo)志位的作用。

P：奇偶標(biāo)志，該位始終跟蹤累加器A內(nèi)容的奇偶性。如果有奇數(shù)個(gè)力”，則置P為1,否

則置0。在80c51的指令系統(tǒng)中，凡是改變累加器A中內(nèi)容的指令均影響奇偶標(biāo)志位P。

F1：用戶標(biāo)志，由用戶置位或復(fù)位。

OV：溢出標(biāo)志，有符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)，如果發(fā)生溢出時(shí)，OV置“1”，否則清“0”。對(duì)于一個(gè)字節(jié)

有符號(hào)數(shù)，如果用最高位表示正、負(fù)號(hào)、則只有7位有效位，能表示一128?+127之間的

數(shù)，如果運(yùn)算結(jié)果超出了這個(gè)數(shù)值范圍，就會(huì)發(fā)生溢出，此時(shí)，OV=1,否則OV=0。例

如下面所示兩個(gè)正數(shù)相加超過+127范圍時(shí)，使其符號(hào)由正變負(fù)，由于溢出得負(fù)數(shù)，結(jié)果是

錯(cuò)誤的，這時(shí)OV=1；兩個(gè)負(fù)數(shù)相加，和小于一128,由于溢出得正數(shù)，OV=1。

此外，在乘法運(yùn)算中，OV=1表示乘積超過255；在除法運(yùn)算中，OV=1表示除數(shù)為0。

表RSO、RS1對(duì)工作寄存器組的選擇

RSIRS0寄存器組片內(nèi)RAM地址

0第0組OOH~07H

1第1組08H~0FH

0第2組10H?17H

11第3組18H~1FH

RSO、RS1：工作寄存器組選擇位，用以選擇指令當(dāng)前工作的寄存器組。由用戶用軟件改變

RS0和RS1的組合，以切換當(dāng)前選用的工作寄存器組，其組合關(guān)系如表3-5。

單片機(jī)在復(fù)位后，RS0=RSl=0,CPU自然選中第0組為當(dāng)前工作寄存器組。根據(jù)需

要，用戶可利用傳送指令或位操作指令來改變其狀態(tài)，這樣的設(shè)置為程序中快速保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)提

供了方便。

F0：用戶標(biāo)志位，同F(xiàn)1。

AC：半進(jìn)位標(biāo)志，當(dāng)進(jìn)行加法（或減法）運(yùn)算時(shí)，如果低半字節(jié)（位3）向高半字節(jié)

有進(jìn)位（或借位），AC置“I”，否則清“0”。AC亦可用于BCD碼調(diào)整時(shí)的判別位。

CY：進(jìn)位標(biāo)志，在進(jìn)行加法（或減法）運(yùn)算時(shí)，如果操作結(jié)果最高位（位7）有進(jìn)位,

CY置“1”，否則清“0”。在進(jìn)行位操作時(shí)，CY又作為位操作累加器C。

9.位地址7cH與字節(jié)地址7cH有何區(qū)別？位地址7cH具體在內(nèi)存中什么位置？

答：位地址7cH表示7cH這一二進(jìn)制位的地址，字節(jié)地址7cH表示地址為7cH的單元地

址。位地址7cH在內(nèi)存中2FH單元的第4位。

10.AT89s51單片機(jī)4個(gè)I/O端口的作用是什么？AT89S51的片外三總線是如何分配的？

答：AT89s51單片機(jī)有4個(gè)I/O端口，每個(gè)端口都是8位雙向口，共占32根引腳。每

個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器（即專用寄存器P0?P3）、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把

4個(gè)端口稱為P0?P3。在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)端口的每一位都可以作為雙

向通用I/O端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口分

時(shí)作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。

11.AT89S51單片機(jī)4個(gè)I/O端口在結(jié)構(gòu)上有何異同？使用時(shí)有何注意事項(xiàng)？

答：P0口既可以作為通用I/O口使用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線使用，所以在P0口的電路中

有一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX。P0口的輸出級(jí)與P1?P3口的輸出級(jí)在結(jié)構(gòu)上是不同的，主要

不同點(diǎn)是無內(nèi)部上拉電阻，因此它們的負(fù)載能力和接口要求也各不相同，P1?P3口也被稱

作準(zhǔn)雙向口。

P0口的每一位可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P0既可做I/0端口使用，也可作地址/數(shù)據(jù)總

線使用。當(dāng)把它作通用口輸出時(shí)，只有外接上拉電阻，才有高電平輸出；作地址/數(shù)據(jù)總線

時(shí)，無需外接電阻，此時(shí)不能再作I/O口使用。

P1?P3口輸出級(jí)接有內(nèi)部上拉負(fù)載電阻，每位可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載，能向外提

供拉電流負(fù)載，所以不必再外接上拉電阻。

P2口的位結(jié)構(gòu)比P1多了一個(gè)轉(zhuǎn)換控制部分。當(dāng)P2口作通用I/O口時(shí)，多路開關(guān)MUX

倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成輸出驅(qū)動(dòng)電路。

在系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，由P2口輸出高8位地址（低8位地址由P0口輸出）。

此時(shí)MUX在CPU的控制下，轉(zhuǎn)向內(nèi)部地址線的一端。

P3口是多功能端口。若第二輸出功能端保持“1”電平，打開“與非”門，鎖存器輸出可通

過“與非，，門送至FET輸出到引腳端，這是作通用I/O口輸出使用情況。輸入時(shí)，仍通過三

態(tài)緩沖器讀引腳信號(hào)。

當(dāng)端口用于第二功能情況下輸出時(shí)，鎖存器輸出Q為1,打開“與非”門，第二輸出功

能端內(nèi)容通過“與非”門和FET送至端口引腳，從而實(shí)現(xiàn)第二功能信號(hào)輸出；輸入時(shí)，端口

引腳的第二功能信號(hào)通過緩沖器送到第二輸入功能端。

P0?P3口都是雙向I/O口，作輸入時(shí)，必須先在相應(yīng)端口鎖存器上寫“1”，使驅(qū)動(dòng)管

FET截止。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，端口鎖存器全為T”。

12.復(fù)位的作用是什么？有幾種復(fù)位方法？復(fù)位后單片機(jī)的狀態(tài)如何？

答：復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，它的作用是使

CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。

單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種。

上電復(fù)位利用電容器充電來實(shí)現(xiàn)，上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，

只要RST引腳端保持2個(gè)機(jī)器周期以上高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。為了可靠地復(fù)