1 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

1、1,微機(jī)原理與接口技術(shù),大家好！,上課教師：劉玉淑所在學(xué)院：電氣學(xué)院電子系電子信箱：lysh_qlu@163.com,,課堂要求,必須到課。以隨機(jī)抽點(diǎn)方式考勤，3次以上不到者取消期末考試資格。作業(yè)必須按時(shí)、認(rèn)真、獨(dú)立完成。缺作業(yè)3次以上者取消期末考試資格。實(shí)驗(yàn)為4次，任缺一次者取消考試資格。期末總成績(jī) = 期末卷面成績(jī)*70% + 平時(shí)成績(jī)(20%) + 實(shí)驗(yàn)成績(jī)(10%)；其中平時(shí)成績(jī)包括考勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括實(shí)

2、驗(yàn)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)操作等。,,,第一章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論第二章 微處理器與總線第三章 8086/8088指令系統(tǒng)第四章 匯編語(yǔ)言 程序設(shè)計(jì)第五章 存儲(chǔ)器系統(tǒng)第六章 輸入/輸出和中斷技術(shù)第七章 常用數(shù)字接口電路,理論學(xué)時(shí)：40,,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8,匯編程序、鏈接程序、編輯程序及調(diào)試程序的基本使用方法分支程序設(shè)計(jì)循環(huán)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單子程序的編寫與調(diào)試,,6,課程目標(biāo),掌握：微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法微型計(jì)算機(jī)接

3、口技術(shù)建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力,7,教材及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,教材：《微機(jī)原理與接口技術(shù)》（第3版）. 馮博琴，吳寧主編. 清華大學(xué)出版社實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書《微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（講義） 陳文革，吳寧，夏秦編. 西安交通大學(xué)《微機(jī)原理與接口技術(shù)題解及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》（第3版）. 吳寧，陳文革編. 清華大學(xué)出版社,8,第1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論,主要內(nèi)容：微機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)中的編碼、數(shù)制

4、及其轉(zhuǎn)換無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算運(yùn)算中的溢出機(jī)器數(shù)的表示及運(yùn)算基本邏輯門及譯碼器,9,一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),微型機(jī)的工作原理微機(jī)系統(tǒng)的基本組成,10,1. 計(jì)算機(jī)的工作原理,馮 ? 諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理 存儲(chǔ)程序工作原理,,11,存儲(chǔ)程序原理,將計(jì)算過程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲(chǔ)器保存指令按其在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行；由控制器控制整個(gè)程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。,1

5、2,,馮 ? 諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),運(yùn)算器,,存儲(chǔ)器,,控制器,,輸入設(shè)備,,輸出設(shè)備,,,,,13,馮 ? 諾依曼機(jī)的工作過程,內(nèi)存中的程序,指令1,,指令2,指令n,┇,,,分析,獲取操作數(shù),執(zhí)行,存放結(jié)果,,,┇,程序計(jì)數(shù)器PC,,地址,CPU,取出,操作數(shù),,,,,,,14,馮 ? 諾依曼機(jī)的工作過程,取一條指令的工作過程：將指令所在地址賦給程序計(jì)數(shù)器PC；PC內(nèi)容送到地址寄存器AR，PC自動(dòng)加1；把AR的內(nèi)容通過地址總線

6、送至內(nèi)存儲(chǔ)器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中相應(yīng)單元。CPU的控制器發(fā)出讀命令。在讀命令控制下，把所選中單元的內(nèi)容（即指令操作碼）讀到數(shù)據(jù)總線DB。把讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器DR。指令譯碼因?yàn)槿〕龅氖侵噶畹牟僮鞔a，故數(shù)據(jù)寄存器DR把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器ID,馮 ? 諾依曼機(jī)的特點(diǎn)和不足,特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行屬于順序處理機(jī)，適合于確定的算法和數(shù)值數(shù)據(jù)的處理。不足：與存儲(chǔ)器間有大量數(shù)據(jù)

7、交互，對(duì)總線要求很高；執(zhí)行順序由程序決定，對(duì)大型復(fù)雜任務(wù)較困難；以運(yùn)算器為核心，處理效率較低；由PC控制執(zhí)行順序，難以進(jìn)行真正的并行處理。,15,典型的非馮 ? 諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) —1972，MIT， Jack Dennis當(dāng)指令具有所需數(shù)據(jù)、且輸出端沒有數(shù)據(jù)時(shí)就可執(zhí)行。,16,Dataflow Image Processing System,17,

8、2. 系統(tǒng)組成,主機(jī) 硬件系統(tǒng) 外設(shè) 微機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件 軟件系統(tǒng) 應(yīng)用軟件,,,,,CPU存儲(chǔ)器

9、輸入/輸出接口總線,18,微處理器,微處理器簡(jiǎn)稱CPU，是計(jì)算機(jī)的核心。主要包括： 運(yùn)算器 控制器 寄存器組,,19,存儲(chǔ)器,定義：用于存放計(jì)算機(jī)工作過程中需要操作的數(shù)據(jù)和程序。,20,有關(guān)內(nèi)存儲(chǔ)器的幾個(gè)概念,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量?jī)?nèi)存的操作內(nèi)存的分類,21,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容,內(nèi)存按單元組織每單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)地

10、址，以方便對(duì)單元的尋址,10110110,38F04H,內(nèi)存地址,單元內(nèi)容,,,22,內(nèi)存容量,內(nèi)存容量：所含存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，以字節(jié)為單位內(nèi)存容量的大小依CPU的尋址能力而定實(shí)地址模式下為CPU地址信號(hào)線的位數(shù),23,內(nèi)存操作,讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變；寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來的內(nèi)容被覆蓋。,24,內(nèi)存儲(chǔ)器的分類,隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM）,,按工作方式可分為,

11、25,輸入/輸出接口,接口是CPU與外部設(shè)備間的橋梁,,,,CPU,I/O接口,外設(shè),,,26,接口的分類,串行接口并行接口,,,數(shù)字接口模擬接口,,輸入接口輸出接口,27,接口的功能,數(shù)據(jù)緩沖寄存；信號(hào)電平或類型的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的運(yùn)行匹配。,28,總線,基本概念分類工作原理常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)及其主要技術(shù)指標(biāo) （具體內(nèi)容見后續(xù)課程）,29,軟件系統(tǒng),軟件：為運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)某一功能

12、而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。,系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工具軟件,,,軟件,30,二、計(jì)算機(jī)中的數(shù)制和編碼,數(shù)制和編碼的表示各種計(jì)數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換,31,1. 常用計(jì)數(shù)法,十進(jìn)制（D） 二進(jìn)制（B） 十六進(jìn)制（H）,,32,例：,234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD . BFH或（ABCD . BF） H,33,2

13、. 各種進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換,非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換,,34,非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換,按相應(yīng)的權(quán)值表達(dá)式展開例：1011.11B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+ 1×2-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.755

14、B.8H=5×161+11×160+8×16-1 =80+11+0.5 =91.5,35,十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換,到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換： 對(duì)整數(shù)：除2取余； 對(duì)小數(shù)：乘2取整。到十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換： 對(duì)整數(shù)：除16取余； 對(duì)小數(shù)：乘16取整。,36,二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換,用4位二

15、進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)例：25.5 = 11001.1B = 19.8H 11001010.0110101B =CA.6AH,37,3. 計(jì)算機(jī)中的編碼,BCD碼用二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)ASCII碼西文字符編碼,38,BCD碼,壓縮BCD碼用4位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)每4位之間有一個(gè)空格擴(kuò)展BCD碼用8位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，每4位之間有一個(gè)空格。

16、,39,BCD碼與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換,先轉(zhuǎn)換為十進(jìn) 制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進(jìn) 制數(shù)；反之同樣。例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） B,40,ASCII碼,西文 字符的編碼，一般用7位二進(jìn) 制碼表示。D7位為校驗(yàn)位，默認(rèn)情況下為0。要求：理解校驗(yàn)位的作用熟悉0---F的ASCII碼,41,ASCII碼的奇偶校驗(yàn),奇校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。例：

17、A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗(yàn)傳送則為 C1H（11000001B）偶校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后 編碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。上例若以偶校驗(yàn)傳送，則為 41H。,42,三、無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算,算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算,,,無符號(hào)數(shù)有符號(hào)數(shù),二進(jìn) 制數(shù)的運(yùn)算,43,主要內(nèi)容,無符號(hào)二進(jìn) 制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算無符號(hào)數(shù)的表達(dá)范圍運(yùn)算中的溢出問題無符號(hào)數(shù)的邏輯運(yùn)算基本邏輯門和譯碼器,44,1. 無符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算,加法運(yùn)算1

18、+1=0（有進(jìn)位）減法運(yùn)算0-1=1（有借位）乘法運(yùn)算除法運(yùn)算,45,乘除運(yùn)算例,00001011×0100 =00101100B 00001011÷0100=00000010B 即：商=00000010B 余數(shù)=11B,46,2. 無符號(hào)數(shù)的表示范圍：,0 ≤ X ≤ 2n-1若運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則

19、產(chǎn)生溢出。對(duì)無符號(hào)數(shù)：運(yùn)算時(shí)，當(dāng)最高位向更高位 有進(jìn)位（或借位）時(shí)則產(chǎn)生 溢出。,47,[例]：,最高位向前有進(jìn)位，產(chǎn)生溢出,,,48,3. 邏輯運(yùn)算,與、或、非、異或掌握：與、或、非門邏輯符號(hào)和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門、或非門的應(yīng)用。,49,“與”、“或”運(yùn)算,“與”運(yùn)算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0。“或”運(yùn)算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。,50,“非”、“

20、異或”運(yùn)算,“非”運(yùn)算按位求反“異或”運(yùn)算相同則為0，相異則為1,51,4. 譯碼器,掌握74LS138譯碼器各引腳功能輸入端與輸出端關(guān)系（真值表）,52,74LS138譯碼器,主要引腳及功能,53,四、機(jī)器數(shù)（有符號(hào)數(shù)）的運(yùn)算,54,計(jì)算機(jī)中符號(hào)數(shù)的表示,機(jī)器數(shù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號(hào)位 + 真值,,,“0” 表示正“1” 表示負(fù),55,[例],+52 = +0110100 = 0

21、0110100 符號(hào)位 真值,,,,,-52 = -0110100 = 1 0110100 符號(hào)位 真值,56,1. 符號(hào)數(shù)的表示,機(jī)器數(shù)的表示方法：原碼反碼補(bǔ)碼,57,原碼,最高位為符號(hào)位（用“0”表示正，用“1”表示負(fù)），其余為真值

22、部分。優(yōu)點(diǎn)： 真值和其原碼表示之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，容易理解；缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)中用原碼進(jìn)行加減運(yùn)算比較困難0的表示不唯一。,58,數(shù)0的原碼,8位數(shù)0的原碼：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：數(shù)0的原碼不唯一。,59,反碼,對(duì)一個(gè)機(jī)器數(shù)X：若X>0 ，則 [X]反=[X]原若X<0， 則 [X]反= 對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)位不變，數(shù)

23、值部分按位求反,60,[例],X= -52 = -0110100 [X]原=1 0110100 [X]反=1 1001011,61,0的反碼：,[+0]反=00000000 [-0]反 =11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。,62,補(bǔ)碼,定義：若X>0， 則[X]補(bǔ)= [X]反= [X]原若X<0， 則[X]補(bǔ)= [X]反+1,63,[例],X

24、= – 52= – 0110100 [X]原=10110100 [X]反=11001011 [X]補(bǔ)= [X]反+1=11001100,64,0的補(bǔ)碼：,[+0]補(bǔ)= [+0]原=00000000[-0]補(bǔ)= [-0]反+1=11111111+1 =1 00000000 對(duì)8位字長(zhǎng)，進(jìn)位被舍掉,,65,

25、特殊數(shù)10000000,對(duì)無符號(hào)數(shù):（10000000）B=128在原碼中定義為： -0在反碼中定義為： -127在補(bǔ)碼中定義為： -128,66,符號(hào)數(shù)的表示范圍,對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)：原碼： -127 ~ +127反碼： -127 ~ +127補(bǔ)碼： -128 ~ +127,67,2. 符號(hào)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,對(duì)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)： 1）求出真值 2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換,內(nèi)容回顧,微機(jī)系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)：主機(jī)（CP

26、U，存儲(chǔ)器，輸入/輸出接口，總線）；外設(shè)軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件；應(yīng)用軟件各種數(shù)制間轉(zhuǎn)換編碼BCD碼ASCII碼無符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，表示范圍機(jī)器數(shù)（有符號(hào)數(shù)）的表示：原碼，反碼，補(bǔ)碼,68,69,[例]：補(bǔ)碼數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù),[X]補(bǔ)=0 0101110B 正數(shù)所以：真值=0101110B X=+46[X]補(bǔ)=1 1010010B 負(fù)數(shù)所以：真值

27、不等于-1010010B而是：X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[11010010]補(bǔ)= - 0101110 = - 46,,,70,3. 符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算,通過引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。即：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ) [X-Y]補(bǔ)=[X+(-Y)]補(bǔ) =[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ),注：運(yùn)算時(shí)符號(hào)位須對(duì)齊,71,[例],X=-0110100，Y=+1110100，求X+

28、Y=？[X]原=10110100 [X]補(bǔ)= [X]反+1=11001100[Y]補(bǔ)= [Y]原=01110100[X+Y]補(bǔ)= [X]補(bǔ)+ [Y]補(bǔ) =11001100+01110100 =01000000X+Y=+1000000,72,符號(hào)數(shù)運(yùn)算中的溢出問題,兩個(gè)帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)相加或相減時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果超出可表達(dá)范圍，則產(chǎn)生溢出溢出的判