微型計算機的基礎知識

主講教師：倪文彬

南京理工大學泰州科技學院

機械工程學院

機械化工樓20786150096(O)

bignwb@163.com

課程性質(zhì)

微機原理是學習和掌握微機硬件知識和匯

編語言程序設計的入門課程：

，微型計算機的基本工作原理

，匯編語言程序設計

，微型計算機接口技術

目的：建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，

形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力。

教學內(nèi)容

第一章微型計算機基礎知識

第二章8086/8088微處理器及其體系結構

第三章8086/8088指令系統(tǒng)

第四章匯編語言程序設計

第五章存儲器系統(tǒng)

第六章輸入輸出

第七章中斷系統(tǒng)

第八章接口技術

教材

許立梓等，微型計算機原理及應用，機械工業(yè)出版社

課程情況

教學：40學時

實驗：8學時

考試：作業(yè)10%,實驗10%,出勤10%,期末考試70%

主要參考書

?王建宇等，微型計算機原理及應用，化學工業(yè)出版社

2001.8

?張恩洲等，微機原理及接口技術，南京理工大學

1997.7

?雷麗文等，微機原理與接口技術，電子工業(yè)出版社

1996.8

?仇玉章主編，32位微型計算機原理與接口技術，清華大學

出版社，2000.8

?80X86IBMPC及兼容計算機：匯編語言、設計與接口技

術，清華大學出版社，2002.6

蓊

第1章微型計算機的基礎知識J

一.計算機基本結構

二、指令系統(tǒng)

三、CPU執(zhí)行過程

四、CPU的主要性能指標

五、微型計算機系統(tǒng)

我想到了這開頭

可是我猜不著這結局

n

第一章微型計算機的基礎知識

主要介紹微型計算機的發(fā)展，基本

組成原理以及運算基礎。

,、微型計算機系統(tǒng)的概論

1、微處理器(Microprocessor》P^PC)

一般指的是由一片或幾片大規(guī)模集成電路芯片組

成的中央處理部件。

(CentralProcessingUnit,俗稱CPU)

①基本組成：算術邏輯單元、控制器、寄存器

組；

微處理器發(fā)展簡況

由上個世紀70年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了五代，

它的劃分是以其數(shù)據(jù)總線的寬度為標志的。

①1971,4位微處理器，典型產(chǎn)品是

Intel4004；

1972,8位微處理器，典型產(chǎn)品是Intel8008；

其集成度是2000個晶體管/片。

②1973,8位微處理器，典型產(chǎn)品是

Intel8080/8085、MC6800、Z80；

其集成度是9000晶體管/片。00圄

微處理器發(fā)展簡況

③1978,16位微處理器，典型產(chǎn)品是

Intel8086/8088,MC68000,Z8000；

集成度為68000個晶體管/片。

@1981,32位微處理器，典型產(chǎn)品是

Z80000,MC68020,Intel80386；

集成度為27.5萬個晶體管/片。

⑤1995年以來，，64位微處理器，PentiumPro

（高能奔騰），PentiumIV,其集成度為

2100萬個晶體管/片。

2、微型計算機(Microcomputer)

是指以微處理器為基礎，配以內(nèi)存儲器以及

輸入/輸出接口電路。(裸機)

"處理器調(diào)

微型計算機區(qū)［內(nèi)存儲器

輸入/輸出接口

2、微型計算機(Microcomputer)

典型的微機硬件系統(tǒng)，CPU通過三組總線將

系統(tǒng)存儲器、I/O接口連接起來。

卜.一\數(shù)據(jù)總線

微

處

理

存儲器接口設備

器I/OI/O

CPU

3地址總線

)控制總線

微型計算機的組成圖

3、微型計算機系統(tǒng)（MicrocompuO

是指由微型計算機酷則應的外部設備（如

打印機、顯示器、鍵盤，硬盤、光盤等）、

一些專用電路、電源和相關的軟件。

微型計算機系統(tǒng)類型

①單片機---又稱“微控制器(Microcontroller)”和

“嵌入式計算機”。它是把構成微型計算機的所有

部件集成在一塊芯片上。其體積小，功耗低，在

智能化儀表及控制領域應用極廣；

②單板機——這是將構成微型計算機的一些功能部

件安裝在一塊印刷電路板上。用于生產(chǎn)過程的實

時控制和教學實驗平臺；

③個人計算機——這是一種通用的微型計算機系

統(tǒng)，廣泛用于辦公室和家庭、個人使用。個人計

算機在商業(yè)、家庭、科學、工業(yè)利教學領域都得

到廣泛的應用；-n

微處理器

機系統(tǒng)的關系

r控制器

算術邏輯單元

uc\寄存器組

r［內(nèi)存儲器

輸入/輸出接口

心

輸入/輸出設備和外存儲器

系統(tǒng)軟件

〔應用軟件

電源

微型計算機系統(tǒng)的特點

1）體積小，重量輕

2）價格低

3）可靠性高，結構靈活

4）功能強，性能高

5）應用面廣

D

微處理器典型結構以全加器為

基礎，輔之

存放運算

數(shù)據(jù)總￡以移位寄存

地址總線操作數(shù)和

墨及相應投

臨時存放單元r鰭果__

制邏輯，完

暫時存放數(shù)據(jù)

成加、減、

地址緩沖器和地址數(shù)據(jù)緩沖

乘、除四則

運算和各種

邏輯運算

指令寄存器

(IR)通用寄存器I累加器(ACC)

存器

堆棧指針(SP)

指令譯碼器(ID)累加鎖存器

程序計數(shù)器(PC)

存

(RS)奇

賺

結

A作L

操作控制器(0C)

的

果

狀

態(tài)

V根據(jù)指令發(fā)

出控制信號

VVV存放下一條要執(zhí)》標志寄存器(FR)

控制總線行的指令的地址

4、微型計算機系統(tǒng)的主要技術指@

(1)字長

計算機的字長是指CPU與輸入/輸出設備或內(nèi)

存儲器之間一次傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。

通常CPU的數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與計算機的字長

是一致的。

(2)運算速度

是以每秒鐘能執(zhí)行多少條指令來表示的，用

來衡量計算機運算的快慢程度。

以MIPS(MillionInstructionPerSecond,每秒

百萬條指令)為單位。

（3）存儲容量

是衡量計算機系統(tǒng)中存儲能力的一個指標，

包括內(nèi)存容量和外存容量。

①內(nèi)存容量以字節(jié)為單位，分裝機容量和最

大容量。最大容量由CPU的地址總線的位數(shù)

決定。

如：8088是20條地址線，則最大內(nèi)存容量為

220=1O24X1O24=1M；

②裝機容量按所用軟件環(huán)境決定，如采用

Window95,內(nèi)存必須在8MB以上。

③外存容量是指硬盤、光盤及軟盤等容物叵

(4)主頻

指計算機工作時CPU的時鐘頻率，單位為

MHz,是計算機工作的時間基準，用于協(xié)

調(diào)整機的操作。

主頻的高低在很大程度上決定了計算機的運

算速度。

(5)指令系統(tǒng)

是計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合。

指令系統(tǒng)功能的是否齊全、尋址方式是否方

便，直接影響計算機的工作能力。

(6)外部設備的配置

是粵量一個計算機系統(tǒng)的綜合性能的重要指

標。

一是允許配置的外設數(shù)量，一般所配的外設

越多，系統(tǒng)功能越強；

另一是外設接口的標準和類型，接口性能的

好壞直接影響系統(tǒng)的功能。

（7）軟件的配置

軟件和硬件是計算機系統(tǒng)中兩大資源，軟件

配置情況直接影響計算機系統(tǒng)的使用和性

能的發(fā)揮。

必須配置的軟件：系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、診

斷程序、編輯程序等），程序設計語言

（機器語言、匯編語言，高級語言），應

用軟件（軟件包、數(shù)據(jù)庫）。

操作：將兩個數(shù)7和10相加.

指令：moval,7

addal,10

mov[20h],al

hit

機器指令：10110000BOh(moval,7)

0000011107h

0000010004h(addal,10)

00001010OAh

10100010A2h(mov[20h],

al)

0010000020h

11110100F4h

地

數(shù)

址o0

據(jù)

總

地o1

總

線

址o2

線

AB譯o3

碼

o4DB

器

O5

存儲器2°h

5、微型計算機的應用概況

(1)科學計算(數(shù)值計算)

(2)信息處理

(3)過程控制

(4)計算機輔助技術

(5)人工智能

(6)計算機仿真

(1)科學計算(數(shù)值計算)

科學研究和工程技術領域中有大量復雜的數(shù)

值計算問題，是計算機應用最早的領域。

如：①人造衛(wèi)星的軌跡計算；

②建筑設計中房屋抗震強度的計算；

③氣象預報中描述大氣運動規(guī)律的微分

方程的求解等。

特點：計算過程復雜，精度要求高。

(2)信息處理

用計算機對信息及時地加以記錄、整理和計

算，并加工為人們所要求的形式。

數(shù)據(jù)處理、事務處理、企業(yè)管理和情報檢索

等都屬于信息處理的范疇。

特點：數(shù)據(jù)量很大，計算過程比較簡單。

(3)過程控制

是指將計算機應用于自動控制系統(tǒng)。

所謂自動控制系統(tǒng)是一種不需要人工干預而

能對過程(包括機械加工過程、熱力學過

程和化學過程等)和對象進行控制的系統(tǒng)。

特點：實時性——要求及時采集檢測數(shù)據(jù)，

經(jīng)過計算機計算后及時對被控對象進行自

動控制和調(diào)節(jié)。

(4)計算機輔助技術

包括計算機輔助設計(CAD,Computer

AidedDesign)、計算機輔助制造(CAM,

ComputerAidedManufacturing)和計算機輔

助教育(CALComputerAssisted

Instruction)。

特點：綜合利用計算機的計算、邏輯判斷、

信息處理的功能，并有很強的人機交互特

性。

(5)人工智能

是研究如何制造出智能機器和智能系統(tǒng)來模

擬人類的智能活動，以延伸人的智能的科

學。

研究領域包括計算機學習、計算機證明、景

物分析、模擬人的思維過程、自然語言理

解、自動程序設計、及機器人學等。

（6）計算機仿真

是一門建立仿真模型和進行仿真實驗的技術。

系統(tǒng)仿真是根據(jù)實際系統(tǒng)建立模型系統(tǒng)，并

通過對模型系統(tǒng)的研究實驗，以達到研制

和開發(fā)實際系統(tǒng)為目的的過程。

應用范圍包括航空、航天、核能及其他工業(yè)

控制等領域。目前還推廣到社會、經(jīng)濟、

生物等領域。利用計算機仿真可以方便、

有效地對系統(tǒng)進行分析、設計、操作、預

測和統(tǒng)籌等控制。

:、數(shù)制及轉(zhuǎn)換

1、數(shù)制

(1)十進制數(shù)

①具有10個數(shù)字符號0，1,2,???，9；

②由低位向高位進位是按“逢10進廠的規(guī)則進

行的；

③基數(shù)為10,第i位的權為10%

其中i=n,n-L???，2,1,0,-L-

2,,??

規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0

例：(6543.21)10

=6543.21D

=6X103+5X102+4X101+3X100+

2X10-1+1X10-2題國

(2)二進制數(shù)

①具有2個數(shù)字符號0,1；

②由低位向高位進位是按“逢2進產(chǎn)的規(guī)則進

行的；

③基數(shù)為2,第i位的權為21。

其中i=n,n-L???，2,1,0,-1,-

2,,??

規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0

例：(1010.101)2

=1010.101B

=1X23+0X22+1X21+OX20+1\2-1+

0X2-2+1X2-3

(3)十六進制數(shù)

1、具有16個數(shù)字符號0,1,2,3,4,5,

6,7,8,9,A,B,C,D,E,F；

2、由低位向高位進位是按“逢16進式的規(guī)則進行

的；

3、基數(shù)為16,第i位的權為(16)工

其中i=n,n-1,???，2,1,0,-L-2,???

規(guī)定整數(shù)最低位的位序號i=0

例：(19BF.ABE)16

T9BF.ABEH

=IX163+9X162+11X161+15X160+10X16,+

llX16-2+14X16-3BE

2、各種數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換

(17/3)

(1)二進制、十六進制轉(zhuǎn)換為十珍

制

按權展開求和。如：

①1010L101B

=1X24+1X22+1X2°+1X24+1X2-3

=16+4+1+0.5+0.125

=2L625D

②19B.ABH

=1X162+9*161+11X161+10X16-1+

11X16-2

=256+144+176+0.625+0.04296875

=576.66796875D

(2)十進制轉(zhuǎn)換為二進制

（3）二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)

11111B

--------1(1X27)

1----------2(IX26)

----------4(1X22=4)

-----------8(1X23=8)

-----------16(1X24=16)

四位二進制數(shù)正好等于一位十六進制數(shù)

應關系

四位二進制數(shù)一位十六進制數(shù)四位二進制數(shù)一位十六進制數(shù)

0000B0H1000B8H

0001B1H1001B9H

0010B2B1010BAH

0011B3H1011BBH

0100B4H1100BCH

0101B5H1101BDH

0110B6H1110BEH

0111B7H1111BFH

二進制轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)

例：1110110101100.10101B=?H

1110110101100.10101

0001110110101100.10101000

1DAC.A8

1110110101100.10101B=1DAC.A8H

十六進制轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)

例：39F.E1DH=?B

39F.E1A

001110011111.111000011010

39F.ElDH=001110011111.111000011010B

=1110011111.11100001101B

①整數(shù)部分除2取余法

例：例D=?B

余數(shù)低

21+2=10...1

10+2=5...0

5+2=2...1

24-2=1...o

14-2=0…1高

所以我們可以得到：

21D=10101B

②小數(shù)部分乘2取整法

例：0.625D二？B

整數(shù)高

0.625X2=1.250...1

0.25X2=0.5...0

0.5X2=1.0...1低

所以我們可以得到：

0.625D=0.101B

3、計算機中的數(shù)及編碼

1、機器數(shù)與真值

（1）在計算機中數(shù)是用二進制來表示的。

（高電平代表“1”，低電平代表“0”）

（2）數(shù)的符號在“算機中也是用數(shù)字表示的。

“十”用“0”表示,“一”用“1”表示。

例：有兩個數(shù)：N^+11010011真值

N2=-1101001

在計算機中的表示形式：］

卜機器數(shù)

N1：01101001

N2：11101001

2、帶符號數(shù)、無符號數(shù)

(1)帶符號數(shù)

用o表示正數(shù)，用1表示負數(shù)，這種表示數(shù)的

方法，稱為帶符號數(shù)的表示方法，所表示

的數(shù)稱為帶符號數(shù)。

在計算機中的表示形式：

①+22

00010110

Y

符

符數(shù)值部分數(shù)值部分

號

號

位

位

2、帶符號數(shù)、無符號數(shù)

(2)無符號數(shù)

如果把全部有效位都用來表示數(shù)的大小，即

沒有符號位，這種方法表示的數(shù)，叫無符

號數(shù)。

在計算機中的表示形式:

①22lolololllolllllol②150

8位全部用來表示數(shù)值大小8位全部用來表示數(shù)值大小

3、原碼、反碼及補碼

：在計算機中一個數(shù)的大小和符號都

用二進制來表示，那么在計算機中是如何

進行運算的？

(1)

(2)儂

(3)

(1)原碼

定義：一個數(shù)的原碼就是該數(shù)的機器數(shù)。

①對正數(shù)X=+X6X5X4X3X2X1X0(Xi=0或1)

則：［X］原碼=OX6X5X4X3X2X1X0

②對負數(shù)x=—X6X5X4X3X2X1X0(Xi=0或

1)

則：［X］原=1X6X5X4X3X2X1X°

(2)反碼

定義：正數(shù)的反碼就等于它的原碼；

負數(shù)的反碼就是它的原碼除符號位

夕卜，各位取反。

①對正數(shù)X=+X6X5X4X3X2X1X0(Xi=0或

1)

反碼［X］反碼=OX6X5X4X3X2X］Xo

②對負數(shù)X=-XXXXXXX(Xi=0或

1)6—5—4—3—21—0―-

反碼因反二1X6X5X4X3X2X1X0(若Xj=O則Xi

=1;

(2)反碼

例：

X1=+1001001X2=-1001001

則：

[XJ原=01001001[Xj原=11001001

[XJ反=01001001[X/反=10110110

(3)補碼

定義：正數(shù)的補碼就等于它的原碼；

負數(shù)的補碼就是它的反碼加1。

①對正數(shù)X=+X6X5X4X3X2X1X0(%=0或1)

補碼［X］補=0X6X5X4X3X2X1X0

②對負數(shù)X=-X6X5X4X3X2X1X0(%=0或

1)-------------------

補碼兇補=［X］反+1

=1X6x5x4x3x2x1xo+1

(3)補碼

例：

X^+1001001X2=-1001001

則：

[X]]原=01001001[X4原=11001001

[X]]反=01001001[X4反=10110110

[XJ補=01001001[XJ補=[X]反+1

=10110111

4、真值與補碼之間的轉(zhuǎn)換

例1已知X=+0101010,Y=-0101010

求它們的原碼、反碼和補碼。

解：［X］原=［X］反=［X］補=00101010

［Y］原=10101010

［Y］反=11010101

［Y］補=［Y］反+1

=11010101+1

=11010110

4、真值與補碼之間的轉(zhuǎn)換

例2［X］補=10101101,求真值X。

解首位是1,真值X即為負數(shù)

［不反=［X］補T

=10101101-1

=10101100

［X］原=11010011（除了符號位，按位取反）

所以，X=-1010011

5、補碼的運算

補碼的運算就是計算機中數(shù)的運算。

(1)補碼的加法規(guī)則

規(guī)則[X+Y]補=[X]補+[Y]補

例X=+0110110,Y=-m1001,求

X+Y=?

解[為原=[

X]s=[X]#=00110110

[Y]原=11111001

[Y]反=10000110

[丫]補=[Y]反+1=10000110+1=1000

0111

-------[X]補=oonoiio——----

+)[Y]#=10000111(-121D)

[X]補+[丫]補=10111101(-67D)■

(1)補碼的加法規(guī)則

例(續(xù))根據(jù)規(guī)則：［X+Y］補=［X］補+［Y］補

所以，

［乂+丫］補=10111101

［*+丫］反=10111101—1=10111100

［X+Y/=11000011

貝小X+Y=-1000011(-67D)

(2)補碼的減法規(guī)則O

規(guī)則[X-Y]#=[X+(-Y)]補=[溝補+[—_

丫]補

例X=+1010101,Y=+110000L求x—

Y=?

解小]原=[X]s=[X]#=01010101

—Y=-1100001

[-Y]原=11100001

[-Y]反=1001nio

[-Y]補=10011111

[X]補=01010101(85D)

+)[―Y]補=1001nil(-97111^

rxK.-kr-YK.=1111nmnr-1

(2)補碼的減法規(guī)則

例(續(xù))根據(jù)規(guī)則：［X—Y］補=［X］補+［—丫］補

得［x—Y］補=nnoloo

［X—丫］反=11110100-1=11110011

［X—Y］原=10001100

所以

x—Y=-0001100B(-12D)

特殊數(shù)

10000000

?該數(shù)在原碼中定義為：-0

?在反碼中定義為：-127

?在補碼中定義為：-128

?對無符號數(shù)，(10000000)B=128

帶符號數(shù)的表示范圍:

對8位二進制數(shù)：

?原碼：-127~+127

?反碼：-127-+127

?補碼：-128?+127

符號二進制數(shù)與十進制的轉(zhuǎn)換

對用補碼表示的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制：

1）求出真值

2）進行二一一十轉(zhuǎn)換

6、二進制編碼

是指用二進制代碼來表示計算機中所要處理

的數(shù)值、數(shù)字、字母和符號等，一般表示

為若干位二進制碼的組合。

(1)

(2)

(1)二進制編碼的十進制數(shù)

二進制編碼的十進制數(shù)就是BCD碼(Binary

CodedDecimal)。

①壓縮BCD碼—是用4位二進制數(shù)表示一位

十進制數(shù)。一個字節(jié)表示兩位十進制數(shù)。

如：10010110B表示96D

②非壓縮BCD碼—是用一個字節(jié)表示一位

十進制數(shù)。高4位總是0。

如：00001001B表示7D

兩種BCD碼的編碼對照表

十進制數(shù)壓縮BCD碼非壓縮BCD碼

0000000000000

1000100000001

2001000000010

3001100000011

9100100001001

10000100000000000100000000

11000100010000000100000001

12000100100000000100000010

(2)字母和字符的編碼

計算機不僅要處理數(shù)值問題，還要處理大量

的非數(shù)值問題，這就必須引入文字、字

母，某些專用的符號，這就是目前應用最

廣泛的字符編碼系統(tǒng)ASCII碼。

(AmericanStandardCodeforInformation

)

例大寫字母“A”的ASCH碼就是41H;

小寫字母“n”的ASCII碼就是6FH;

數(shù)字“8”的ASCII碼就是38H;

AmericanStandardCodeforInformation陵

------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________e

Interchange

美國信息交換標準碼

b#6b5

00000001001000110100010101100111

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC1]1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC33CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQANK%5EUe11

0110ACKSYN&6FVfV

.

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

**

1010LFSUB■JZJz

1011VTESC+9■KIk(

1100FFFS9<L11

1101CRGS-=M]m)

1110SORS■>NA.n.

1111SIUS/?OoDEL

四、計算機中數(shù)的運算方法.

1、

2、

3、

1、補碼的加減法運算

規(guī)則

補+補

[X+Y]#=[X][Y]

]補=[蜀補+[—丫]補

[X-Y]#=[X+(-Y)

即

無論加法或減法都可以用補碼的加法來進行

運算。

2、溢出判斷

例X=+1000101,Y=+1100111,求

X+Y=?

解[X]原=[X]反=[X]補=01000101

[Y]M=[Y]^=[Y]^=01100111

[X]補=01000101(69D)

+)[Y]補=01100111---------

[X]#+[Y]#=10101100(172D)

得[x+Y]補=loionoo

符號位是1,表明X+Y的真值是負數(shù)，這顯然與實際

情況不符合，出錯？HK1

2、溢出判斷

例(續(xù)上頁)

分析：8位字長的計算機可以表示的數(shù)據(jù)范

圍？

(1)不帶符號數(shù)，8位全部是數(shù)據(jù)，

M=2S=256D

(2)帶符號數(shù)，1位是符號，7位是