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1、微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程 课课 程程 简简 介介微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程微机原理与接口技术实用教程第第1章章 微型计算机基础及工作原理微型计算机基础及工作原理第第2章章 微处理器微处理器第第3章章 8086/8088指令系统指令系统第第4章章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第第5章章 半导体存储器及其接口半导体存储器及其接口第第6章章微型计算机微型计算机I/O接口基础接口基础第第7章章 微型计算机总线及微型计算机总线及I/O接口标准接口标准第第8章章 中断中断
2、第第9章章 常用可编程接口芯片常用可编程接口芯片第第10章章 人机交互设备及接口人机交互设备及接口第1章 微型计算机基础及工作原理 1.1 数制数制 1.2 计算机中数的表示计算机中数的表示 1.3 微型计算机的基本组成电路微型计算机的基本组成电路 1.4 微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式 1.5 微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理本章本章目标目标1.1 1.1 1.1 1.1 数制数制数制数制1.1.1 数制的基与权数制的基与权基：数制所使用的数码个数。基：数制所使用的数码个数。例：十进制数使用例：十进制数使用09十个数，所以它的基是十个数，所以它的基是10权：数制每一
3、权：数制每一位位（置置）所具有的值。）所具有的值。例：例：6 8 4 5千千 百百 十十 个个103 102 101 100十进制数各位的权十进制数各位的权是以是以10为底的幂为底的幂二进制数使用二进制数使用0、1两个数，两个数，它的它的“基基”？各各位的位的“权权”又又是是多少呢？多少呢？ 由由0、1二个数码构成，二个数码构成，基数基数为为2，第，第i位的位的权权为为2i，运算规则：逢二进一、借一作二运算规则：逢二进一、借一作二 二进制数（二进制数（Binary ）101011B=125+024+123+022+121+120=43D一个二进制数按权展开求和就转换成了十进制数一个二进制数按权
4、展开求和就转换成了十进制数8 4 2 1牢记牢记！1 0 1 1 B23 22 21 20例：一个二进制数例：一个二进制数各位的权各位的权基数说明符基数说明符 十六进制数十六进制数十六进制数十六进制数（HexadecimalHexadecimalHexadecimalHexadecimal） 由由0、1、29、A、B、C、D、E、F十六个数码构成。十六个数码构成。基数为基数为16，第，第i位的权为位的权为16i 运算规则：逢十六进一、借一作十六运算规则：逢十六进一、借一作十六14AFH=1163+4162+10161+15160=5295D 由由0、1、2、7八个数码构成，基数为八个数码构成，
5、基数为8，第，第i位位的权为的权为8i 运算规则：逢八进一、借一作八运算规则：逢八进一、借一作八八进制数（八进制数（Octal）十六进制数既可以简化书写，又便于记忆十六进制数既可以简化书写，又便于记忆1.1.2 1.1.2 不同进制数间的转换不同进制数间的转换不同进制数间的转换不同进制数间的转换1. 非十进制数转换成十进制数非十进制数转换成十进制数按权按权展开求和展开求和2. 十进制数转换成非十进制数十进制数转换成非十进制数整数部分与整数部分与小数部分分小数部分分别转换别转换例例1：57D=111001B=71Q=39H5728122222140703111018 578 710716 571
6、6 3903高高低低2除基数取余数除基数取余数例例2：十进制数转换成非十进制数（小数部分）：十进制数转换成非十进制数（小数部分）0.625D=0.101B=0.5Q=0.AH0.625*2=1.251 0.25*2= 0.50 0.5*2= 110.625*8=550.625*16=10A乘基数取整数乘基数取整数57.625D=111001.101B=39.AH高低1.1.2 1.1.2 不同进制数间的转换（不同进制数间的转换（不同进制数间的转换（不同进制数间的转换（2 2）3. 十六进制数与二进制数之间的转换十六进制数与二进制数之间的转换二进制数二进制数十六进制数十六进制数 四位一组四位一组
7、分组时分组时,如位数如位数不够，整数部分不够，整数部分在最左边补零，在最左边补零，小数部分在最右小数部分在最右边补零边补零十六进制数十六进制数二进制数二进制数一位对应换成二进制数四位一位对应换成二进制数四位1100100.11011B= .010001101101 1000 =64. D8H46D81.1.2 1.1.2 不同进制数间的转换不同进制数间的转换不同进制数间的转换不同进制数间的转换1.2 1.2 计算机中数据的表示计算机中数据的表示计算机中数据的表示计算机中数据的表示机器数与真值机器数与真值机器数：机器数： 一个二进制数连同一个二进制数连同符号位符号位在内作为一个数叫机器数在内作为
8、一个数叫机器数真真 值：机器数所代表的数值（如值：机器数所代表的数值（如-1001011B）正数、负数的符号位分别用正数、负数的符号位分别用0和和1表示，这种表示法称为原码表示，这种表示法称为原码例：设机器字长为例：设机器字长为8位，二进制数位，二进制数+10010B和和-100001B 其原码为：其原码为：00010010，10100001原码原码连连符号一起数符号一起数字化了的数字化了的数最高有效位最高有效位反码：对于二进制正数，反码等于该数原码反码：对于二进制正数，反码等于该数原码 对于二进制负数，符号位为对于二进制负数，符号位为1，其余各位取反，其余各位取反例：设机器字长为例：设机器字
9、长为8位，二进制数位，二进制数+1100101和和-1010001 其反码为：其反码为：01100101，10101110补码：对于二进制正数，补码等于该数原码补码：对于二进制正数，补码等于该数原码 对于二进制负数，符号位为对于二进制负数，符号位为1，其余各位取反，末位加，其余各位取反，末位加1例：设机器字长为例：设机器字长为8位，二进制数位，二进制数+1100101和和-1010001 其补码为：其补码为：01100101，101011111.2.2 1.2.2 机器数的定点表示与浮点表示机器数的定点表示与浮点表示机器数的定点表示与浮点表示机器数的定点表示与浮点表示 定点数：小数点在数中的位
10、置是固定不变的定点数：小数点在数中的位置是固定不变的1.定点小数定点小数符号位符号位小数点小数点2.定点整数定点整数符号位符号位小数点小数点 浮点数：小数点在小数中的位置是浮动的浮点数：小数点在小数中的位置是浮动的任意一个数任意一个数N均可表示为：均可表示为：N= bemb 为基数为基数 e 为阶码为阶码 m 为尾数为尾数例：例：123.456=1030.123456123.456=1021.23456阶符阶符阶码阶码数符数符尾数尾数阶码部分阶码部分尾数部分尾数部分基数是基数是2一个二进一个二进制浮点数制浮点数1.2.3 1.2.3 非数值数据的表示非数值数据的表示非数值数据的表示非数值数据的
11、表示 ASC码：码： 美国标准通信编码，一般用美国标准通信编码，一般用7bit组合编码来表组合编码来表 示数字示数字 、英文字母、符号等可以打印的字符、英文字母、符号等可以打印的字符字符的表示字符的表示汉字的表示汉字的表示（1）汉字国标码）汉字国标码1981年国家标准总局公布了年国家标准总局公布了GB231280，即即信息交换用汉字编码字符集基本集信息交换用汉字编码字符集基本集，简称，简称GB码。码。 （2）汉字区位码）汉字区位码将汉字编码将汉字编码GB231280中的中的6763个汉字分为个汉字分为94个区，每个区中个区，每个区中包含包含94个汉字（位），这样每个汉字所在的区和位就组成了一个
12、汉字（位），这样每个汉字所在的区和位就组成了一个二维数组，这就是区位码。个二维数组，这就是区位码。 1.3 1.3 微型计算机的基本组成电路微型计算机的基本组成电路1.3.1 触发器触发器SRQQRS触发器触发器SCLKRQQ时钟时钟RS触发器触发器SR触发器：是由基本门电路组成的具有记忆功能的器件触发器：是由基本门电路组成的具有记忆功能的器件 D触发器触发器DQQSRD触发器触发器QQDCLK边沿触发的边沿触发的D触发器触发器QQDCLK时钟时钟D触发器触发器SRD Q QPRESET（置位）置位）CLEAR（清除）清除）CLK D触发器触发器正边沿触发正边沿触发D触发器触发器CLKD Q
13、Q负边沿触发负边沿触发D触发器触发器CLKD Q Q低电平预置及清低电平预置及清除的除的D触发器触发器JK触发器触发器CLKS QR QJKJ K Q0 0 保持原态保持原态0 1 01 0 121 1 翻转翻转J Q K QCLKPRCLR1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 寄存器寄存器寄存器寄存器(Register)(Register)(Register)(Register)寄存器寄存器：是由触发器组成的，可以保存二进制数。：是由触发器组成的，可以保存二进制数。寄存器寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器用于暂存数据用于暂存数据移位寄存器移位寄存器能够将其所存数据一位一位能够将其所存数据一
14、位一位 地向左或向右移地向左或向右移计数器计数器一个脉冲到达时，会按二进制数一个脉冲到达时，会按二进制数 的规律累计脉冲数的规律累计脉冲数累加器累加器用以暂存每次在用以暂存每次在ALU中计算的中中计算的中 间结果间结果1. 缓冲寄存器（缓冲寄存器（Buffer）Q3 D3Q2 D2Q1 D1Q0 D0X3 X2 X1 X0CLKCLRX3 X2 X1 X04位位缓冲寄存器电路原理图缓冲寄存器电路原理图Y3 Y2 Y1 Y0Y3 Y2 Y1 Y0数据在时钟信号的作用下由数据在时钟信号的作用下由X端写到端写到Y端端Q0 D0+CLRCLKLOADY0X0X0=0Q0 1Q0Q0 LOAD CLK
15、CLR 可控缓冲寄存器的符号可控缓冲寄存器的符号XQ0X0X0=1=X0控制门（控制门（L门）门）控制数据的装入控制数据的装入Q3 D3Q2 D2Q1 D1Q0 D0X3 X2 X1 X0CLKCLRX3 X2 X1 X0可控可控4位位缓冲寄存器电路原理图缓冲寄存器电路原理图Y3 Y2 Y1 Y0Y3 Y2 Y1 Y0L L L L L2. 计数器（计数器（Counter）Q3 J3 K3Q2 J2 K2Q1 J1 K1Q0 J0 K0CLKCLR行波计数器的工作原理行波计数器的工作原理（1）行波计数器（）行波计数器（Traveling Wave Counter）0 0 0 00 0 0 10
16、 0 1 10 1 0 0COUNT控制计数端控制计数端 COUNT CLK CLR可控计数器符号可控计数器符号0 0 1 0Q3 D3CLR0 1 0 01 0 0 00 0 0 1（2） 环形计数器（环形计数器（Ring Counter）Q2 D2CLRQ1 D1CLRQ0 D0CLRCLRCLK环形计数器环形计数器CLKCLR=10 0 0 1PR0 0 1 0环形计数器在系统时钟信号的环形计数器在系统时钟信号的作用下产生顺序的控制信号作用下产生顺序的控制信号（3）程序计数器（）程序计数器（Program Counter） COUNT LOAD CLK CLRXY（4） 累加器（累加器（
17、Accumulator） LOAD SHL SHR CLK CLRXYX1.3.3 1.3.3 加法电路与算数逻辑单元加法电路与算数逻辑单元 1 0 1 1+）0 0 1 0 1 1 0 10 1 01. 二进制加法电路二进制加法电路例：例： A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0+) C3 C2 C1S4 S3 S2 S1 S0A+B=S0 半加器电路半加器电路A0 B0 C1 S00 0 0 00 1 0 11 0 0 11 1 1 0真值表真值表A0B0C1S0HAA0 B0S0C1异或门异或门与门与门Ai Bi Ci Ci+1 Si 全加器电路全加器电路真值表真值表Ai+Bi+
18、Ci=Si0 0 0 0 0 0 0 1 0 10 1 0 0 10 1 1 1 01 0 0 0 11 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 1 FAAi BiCiCi+1Si异或异或两两先两两先“与与”后后“或或” 二进制数的加法器二进制数的加法器C4FAA3B3S3C3FAA2B2S2FAA1B1S1HAA0B0S0C2C1四位二进制加法电路四位二进制加法电路A+B=S=1=0=1=1=1=0=1=0=1=0=0=1=1=0=0=12. 可控反相器及加法可控反相器及加法/减法电路减法电路C3C2C1C0FAFAFAFAA3A2A1A0B3B2B1B0S3S2S1S0SUBC44
19、位二进制加法器位二进制加法器/减法器减法器B0Y0SUB=1=0=1=1=0=0=0=0=1=11 0 0 1=01100=100113. 3. 算术逻辑单元算术逻辑单元 ( ALU )( ALU )ControlABSALUArithmetic Logical Unit一组线一组线1.3.4 1.3.4 1.3.4 1.3.4 三态输出电路三态输出电路三态输出电路三态输出电路EAB01011高阻高阻高阻高阻010BAE三态输出电路的逻辑表三态输出电路的逻辑表ENABLE=1数据由数据由DB 总线结构总线结构总线结构总线结构LACLKEA ALBCLKEB BLCCLKECCLDCLKEDDW
20、3W2W1W0（W总线）总线）LAEALBEBLCECLDED=1=0=0=1=0=0=0=0数据由数据由BA00100001控制字控制字CONLACLKEA CLBCLKEB BLACLKEA ALACLKEA D控制器控制器数数据据总总线线控控制制总总线线总线结构总线结构符号图符号图1.3.5 1.3.5 1.3.5 1.3.5 存储器（存储器（存储器（存储器（MemoryMemoryMemoryMemory）Register0 1 1 0 0 0 1 0单元的单元的内容内容 1个字节（个字节（Byte）=8 bitR0R1R2D7D6D5D4D3D2D1D0译译码码器器A0A1A2A3R
21、14R15 168的存储器的存储器1.4 1.4 1.4 1.4 微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式PCIRCONMAR168PROMAALUBOD448888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKERCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO8PCMAR168PROMIRCONA88ALUODBCPUMI/OW1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 模型机的指令系统模型机的指令系统模型机的指
22、令系统模型机的指令系统LDA将数据装入累加器将数据装入累加器AADD进行加法运算进行加法运算SUB进行减法运算进行减法运算OUT输出结果输出结果HLT停机停机指令系统：编制计算程序的指令集合指令系统：编制计算程序的指令集合1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 模型机的程序设计模型机的程序设计模型机的程序设计模型机的程序设计程序设计程序设计编制汇编语言程序编制汇编语言程序存储器的分配存储器的分配助记符的翻译助记符的翻译汇编语言源程汇编语言源程序序汇编汇编LDA R9ADD RAADD RBSUB RCOUT HLT编写编写3个数相加减个数相加减去一个数的程序去一个数的程序存储器的分配存
23、储器的分配1H0H0FH0EH0DH0CH0BH0AH 9H 8H 7H 6H 5H 4H 3H 2HRFRERDRCRBRAR9R8R7R6R5R4R3R2R1R0数数据据区区指指令令区区1CH18H14H10H助记符助记符 操作码操作码LDA 0 0 0 0ADD 0 0 0 1SUB 0 0 1 0OUT 1 1 1 0HLT 1 1 1 1助记符与操作码表助记符与操作码表LDA R9ADD RAADD RBSUB RCOUT HLT源程序源程序0 0 0 00 0 0 10 0 0 10 0 1 01 1 1 01 1 1 1操作码操作码1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1
24、 0 0操作数地址操作数地址目的程序目的程序09H1AH1BH2CHE0HF0H1H0H0FH0EH0DH0CH0BH0AH 9H 8H 7H 6H 5H 4H 3H 2HRFRERDRCRBRAR9R8R7R6R5R4R3R2R1R01CH18H14H10HF0HE0H2CH1BH1AH09H程序和数据都写到了存储器中程序和数据都写到了存储器中1.4.4 1.4.4 1.4.4 1.4.4 执行指令的过程执行指令的过程执行指令的过程执行指令的过程指令周期：执行一条指令所需要的时间指令周期：执行一条指令所需要的时间指令周期指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期1. 环形计数器及机器节拍环形计
25、数器及机器节拍Q5Q4Q3Q2Q1Q0CLKCLRT5 T4 T3 T2 T1 T0复习环形计数器复习环形计数器复习环形计数器复习环形计数器机机器器节节拍拍T0 T1T2T3T4T5CLK周期周期4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8 程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0T0=10H440执行下面程序执行下面程序LDA
26、 R9ADD RA注意观察取指注意观察取指周期和执行周期周期和执行周期4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0T1=1809H8409HLDA R9的指令码的指令码4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR
27、EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8 程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0T3=194491 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0T2=101H完成了取指完成了取指周期周期4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8 程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER
28、 LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0T4=110H8810H4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8程序的执行过程程序的执行过程10H0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0T5=1空节拍空节拍CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO执行完了执行完了LDA R9指令指令将数据将数据装入了装入了累加器累加器A4PCIRCONMAR168
29、PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0T0=11H441进入第二条指令进入第二条指令的取指周期的取指周期10H4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCL
30、KER8程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0T1=181AH841AH10HADD RA的指令码的指令码4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0T3=1A44A1 0 0 0 0
31、 0 0 0 0 0 0 0T2=102H完成了取指完成了取指周期周期10H4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLKEA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0T4=1810H814H24H4PCIRCONMAR168PROMAALUBOD48888488888412 CPCLKCLR EP LICLKCLR EI LA CLK
32、EA SU EULBCLK LO CLKCLKCLR LMCLKER8 程序的执行过程程序的执行过程CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0T5=124H8824H完成了完成了ADD RA指令指令的执行的执行相加的结果相加的结果装入了装入了累加器累加器A再看一遍再看一遍再看一遍再看一遍1.4.5 1.4.5 控制器控制器1.环形计数器（环形计数器（RC）2.指令译码器（指令译码器（LD）3.控制矩阵控制矩阵 （CM）4.其它控制电路其它控制电路控制器控制器1. 指令译码器指令译码器I7 I6 I5 I4LDAADDSU
33、BOUTHLT0 0 0 0110 0 0 110 0 1 011 1 1 011 1 1 1来自指来自指令寄存令寄存器的操器的操作码作码+T0T1T2T3T4T5+T5T4T3T2T1T0CPEP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOLDAADDSUBOUTCLKCLR2. 控制矩阵（控制矩阵（CM）3. 其它控制电路其它控制电路启动和清除按钮运行/停止触发器时钟震荡器射极跟随器环形环形计数器计数器指令指令译码器译码器控制控制矩阵矩阵 指令字段指令字段（高（高4位）位）HLTCONCLRCLK控控 制制 器器 控控制制部部件件结结构构图图CLRCLKCLRCLKCLRCLK时钟时钟震荡器震荡器射极射极跟随器跟随器启动和清除按钮运行运行/停止停止触发器触发器1 1 1 1. . . .5 5 5 5 微型计算机的微型计算机的微型计算机的微型计算机的工作原理工作原理工作原理工作原理1.5.1 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构工作原理：存工作原理：存储程序，按地址顺序执行储程序，按地址顺序执行微型计算机微型计算机算数逻辑单元算数逻辑单元控制器控制器存储器存储器输入输入/输出设备输出设备习题习题1、3
