微机原理及接口技术 第1章

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1、微机原理与接口技术大家好！1课程目标掌握：l微型计算机的基本工作原理l汇编语言程序设计方法l微型计算机接口技术l建立微型计算机系统的整体概念，形成微机 系统软硬件开发的初步能力2教材及实验指导书l教材：l微机原理与接口技术（第2版）. 冯博琴，吴宁 主编. 清华大学出版社l实验指导书l微机原理与接口技术题解及实验指导（第2版 ）. 吴宁，陈文革编. 清华大学出版社3第1章 微型计算机基础概论主要内容：l微机系统的组成、发展l计算机中的常用计数制、编码及其相互间的转 换l无符号二进制数的算术运算和逻辑运算l符号数的表示及补码运算l二进制数运算中的溢出l基本逻辑门及译码器4第一章 微型计算机系统概

2、述本章学习目标l了解微型计算机的发展、应用及其分类l掌握计算机数据的表示l掌握计算机的组成结构l理解微型计算机的工作过程51.1 1.1 微型计算机系统微型计算机系统 1.1.1 1.1.1 微型计算机的发展微型计算机的发展 1 1第一台电子计算机第一台电子计算机19461946年年2 2月，美国月，美国宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台诞生了世界上第一台 电子数字计算机：电子数字计算机：“埃尼阿克埃尼阿克”（ENIACENIAC，即，即Electronic Electronic Numerical Integrator and CalculatorNumerical Integr

3、ator and Calculator，电子数字积分计算，电子数字积分计算 机）。机）。重量重量3030吨，占地吨，占地170170平方米，每小时耗电平方米，每小时耗电150150千瓦，价值千瓦，价值 约约4040万美元。万美元。 采用采用1800018000只电子管，只电子管，7000070000个电阻，个电阻，1000010000支支 电容，研制时间近三年，运算速度为每秒电容，研制时间近三年，运算速度为每秒50005000次加减法运算。次加减法运算。ENIACENIAC的不足的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没：运算速度慢、存储容量小、全部指令没 有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定

4、性差有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。62 2冯冯诺依曼结构计算机诺依曼结构计算机19461946年年6 6月，美籍匈牙利科学家冯月，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（诺依曼（Johe Von Johe Von NeummanNeumman）提出了）提出了“存储程序存储程序”的计算机设计方案的计算机设计方案。其特点是其特点是：采用二进制数形式表示数据和计算机指令采用二进制数形式表示数据和计算机指令。指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指 令令。由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出

5、设备5 5大部分组大部分组 成计算机硬件。成计算机硬件。工作原理的核心是工作原理的核心是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”。按照这一原理设计的计算机称为冯按照这一原理设计的计算机称为冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机。冯冯诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的 基础，被誉为计算机发展史上的里程碑基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。 7冯诺依曼计算机结构运算器存储器控制器输出设备输入设备原始数据原始数据 和指令和指令计算结果计算结果计算机的基本结构框图计算机的基本结构框图8冯诺依曼计算机结构l数据和程序以二进制代码形式不加区别地存 放在

6、存储器中，存放位置由地址指定，地址 码也为二进制uu 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设 备备五部分五部分组成组成uu 控制器控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序是根据存放在存储器中的指令序列即程序uu 来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计 数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力， 能根据指令，选择不同的动作流程能根据指令，选择不同的动作流程 uu 微处理器微处理器包括运算器和控制器。以其为核心，通过包括运算器和控制器。以其为核心，通过 地址地址(

7、AB)(AB)、数据数据(DB)(DB)、控制控制(CB)(CB)三总线连接存储器三总线连接存储器 、输入、输入/ /输出接口，进而连接输入设备和输出设备。输出接口，进而连接输入设备和输出设备。93按逻辑部件化分的计算机发展阶段按电子部件的演变经历了四代：（1）第一代（1946年 - 1958年）：电子管计算机特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2）第二代（1959年 - 1964年）：晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提 高，运算速度可达每秒百万次。（3）第三代（1965年 - 1970年）：中小规模集成电路计算 机特点：存储容量1 - 4兆字节。运算速度

8、每秒几百万至 千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一 步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。10（4）第四代（1971年-）：大规模和超大规模集成电路计算机大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存 储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了 微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性 能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。4按计算机应用划分的计算机发展阶段 （1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年 - 1980年）采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能 够解决较复杂的数学计算和数据处理。 （2）微型计算机阶段（1981年 -

9、1990年）微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科 技和经济的发展起到了重要的推动作用。 （3）计算机网络阶段（1991年至今）计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从 而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共 享。115 微型计算机的发展1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯 片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶 体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是 世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4 计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核 心，配以存储

10、器、输入/输出接口电路及系统总路线所 制造出的计算机。划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。 12第一代 4位和低档8位机 Intel 4004 第二代 中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800 第三代 16位机Intel 8086、Z8000、MC6800 第四代 32位机80386、80486 第五代 64位机Intel Pentium（1971-1973 ）（1974-1978 ）（1978-1981 ）（1981-1992 ）（1993后）特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。136微型计算机的应用1、科学计算和科学研究 计算机主要应用于解决科学研究和

11、工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、数据处理 （信息处理）主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业控制 用单板微型计算机实现DDC级控制，用卫星计算机实 现SCC级监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC 或低层MIS管理已屡见不鲜。 144、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设 计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT ）、计算机集成制造（CIMS）等系统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其 规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计 算机学习等等

12、。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而 设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。 151.1.2微型计算机的工作过程1.冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理16冯 诺依曼机的特点：l将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程 序，并放入存储器保存l程序中的数据和指令必须采用二进制编码，且能够被 执行该程序的计算机所识别；l指令按其在存储器中存放的顺序执行；l由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行 ；l以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。17冯 诺依曼计算机体系结构运算 器存储器控制器输入设备输出设备182. 微型计算机的工作过程在进行计算前，应做如下工作：（1）、

13、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）；（2）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别 的机器语言程序；（3）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。完成5+6=？的程序：MOV A，05H /B0H 05H ；把05送入累加器AADD A，06H /04H 06H ；06与A中内容相加， 结果存入累加器AHLT /F4H ；停止所有操作。 191）、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存 放）（1）、将程序计数器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令 作好准备，AR内容不变。（3）、地址寄存器AR将00H

14、通过地址总线送至存储器地址译码 器译码，选中00H单元。（4）、CPU发出“读”命令。（5）、所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。（6）、经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。（7）、数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码 CPU“识别”出这个操作码为“MOV A，05H”指令，于是控制器 发出执行这条指令的各种控制命令。 20PCARALUABDRIRIDPLA00H100H200 B0H 01 05H 02 04H 03 06H04 F4H34读命令B0H56B0H7控制信号（取第一条指令操作示意图） 212）、执行指令阶段的执行过程：（1）、将程序计数

15、器（PC或IP）的内容送地址寄存器AR。（2）、程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指 令作好准备。（3）、地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译 码器译码，选中01H单元。（4）、CPU发出“读”命令。（5）、所选中的01H单元的内容05H读至数据总线DB上。（6）、经数据总线DB，读出的05H送至数据寄存器DR。（7）、由控制码已知计算机读出的是立即数，并要求将它送 入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将05H送入累 加器A中。22PCARALUABDRIRIDPLA02H101H200 B0H 01 05H 02 04H 03 06H04 F4H34读命

16、令05H567控制信号05H（执行第一条指令操作示意图 ）231.1.3微机系统的构成微型计算 机硬件系统外设微机系统系统软件软件系统 应用软件CPU 存储器 输入/输出接口 总线24硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算 机实体。硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程 序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果 等任务。软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术 资料和各种程序。软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得 以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境 。计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不 能正常工作 。25微处理器 CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线1.硬件系统26微型计算机（Micro Co