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1、微机原理及接口技术微机原理及接口技术 Microcomputer Principle and Interfacing Technologyz 核心课程 64学时 4学分z 实验单独设课z 周二 1，2节 四/102z 周四 3，4节 四/212一、本课程的地位、作用和任务一、本课程的地位、作用和任务z1. 主要介绍16位微处理器原 理及接口技术z2. 是一门微型计算机硬件和软件相结合的专业技术根底课z3. 通过学习，掌握微机原理和接口技术，培养微机应用开发能力。二二、主要内容、主要内容z 计算机根底知识z 微型计算机根本结构z 16位微处理器8086结构z 指令系统，汇编语言程序设计z 存储器
2、与CPU接口z 输入输出技术、中断技术z 并行和串行接口z 计数器和定时器z三、教材三、教材z微型计算机系统原理及应用微型计算机系统原理及应用(第四版第四版)z 周明德 清华大学出版社 四四、参考书参考书z1. 微型计算机原理与接口技术 何小海等，四川大学出版社z2. 微型计算机原理与接口技术 吴秀清，中国科学技术大学出版社五五、成绩成绩z1. 期终考试：80% z2. 平时成绩：20% 期中考试、作业、上课等六六、上海市普通高校非计算机专、上海市普通高校非计算机专业学生计算机应用知识和应用能业学生计算机应用知识和应用能力等级考试三级力等级考试三级( (偏硬偏硬) )z1. 涉及课程z 微机原
3、理及接口技术z 计算机软件根底z 高级语言程序设计根底z 计算机通信和网络z2. 范围z(1) 计算机硬件知识z(2) 软件根底知识z(3) 应用能力z3.目标z(1) 掌握微型计算机系统的组成和工作原理z(2) 具有计算机软件的根底知识以及汇编语言和高级语言的编程能力z(3) 具有微型计算机接口设计能力以及微型机应用系统的分析和初步设计能力第一章第一章 概述概述第一节第一节 引言引言z电子计算机：电子计算机：z 自动地、高速地进行数值运算和信息处理。z 具有记忆、判断和运算功能。z一、电子计算机开展阶段一、电子计算机开展阶段z(1)1946-1956，电子管，电子管z 第一台第一台ENIAC
4、，18000管，管，5千千次次/秒秒z(2)1956-1962，晶体管，晶体管z 数十万次数十万次/秒，程序设计语言秒，程序设计语言z(3)60年代中期，中小规模集成电年代中期，中小规模集成电路路z 数百万次数百万次/秒，软件功能大大提秒，软件功能大大提高高z(4)70年代初，大规模集成电路年代初，大规模集成电路z 巨型机，微型机，数千万次巨型机，微型机，数千万次/秒秒z微型计算机(微机)z 价格低，可靠性高，系统灵活z 数值应用和非数值应用，应用领域广二、微型计算机的开展二、微型计算机的开展z 微机的核心是微处理器(P)，采用LSI和VLSI。z 1971 第一个P Intel I4004
5、z(1) 1971-1973 I4004(4位) 8008(8位)z(2) 1973-1976 Intel 8080 8位 MC6800z(3)1976-1978 Z80 8085z(4) 1978-1981 8086 、 8088 16位 Z8000 、MC68000 1981 IBM公司 IBM-PC(8088)z(5) 1981- 80386 、80486 386机、486机 z(6) 1993- Pentium奔腾(80586) Pentium MMX 、P 、 P 、P4z从8086/8088到P4，形成了IA(Intel Architecture)32结构。第二节第二节 计算机运算
6、根底计算机运算根底计算机中的数制进位制数之间的转换二进制编码定点数和浮点数带符号数的表示法二进制运算一、计算机中的数制一、计算机中的数制z十进制，二进制，十六进制z1.1. 十进制十进制z特点：(1)十个不同数字符号09z (2)逢十进一z如：99.9=9101+9100+910-1zA=An-110n-1+A1101+A0100 +A-110-1+A-m10-m = 基数：10z2.二进制二进制z特点：(1)用二个不同符号0，1表示z (2)逢二进一z如：1001.01=123+120+12-2zB=Bn-12n-1+B121+B020 +B-12-1+B-m2-m =z Bi：0、1 基数
7、：2z3.十六进制十六进制z特点：(1)用16个不同数字符号09， AF表示z (2)逢16进一(3AB.11)16=3162+A161+B16-0 +116-1+116-2 =939.0664zD=Dn-116n-1+D1161+D0160 +D-116-1+D-m16-m =zDi：09，AF 基数：16z总结：总结：z (1) 每一种计数进制都有一个每一种计数进制都有一个基数基数J，z 每一位可取每一位可取J个不同的数个不同的数值。值。z (2) 逢逢“J进位进位z 每一位每一位i，对应，对应Ji为该位为该位的的“权。权。z (3) 小数点向左移一位，那么小数点向左移一位，那么减小了减小
8、了J倍倍z 小数点向右移一位，那小数点向右移一位，那么增加了么增加了J倍倍z十六进制数 H Hexadecimal 3EH，3ABH，7FFFHz二进制数 B Binary 1011B，11110111Bz十进制数 D Decimal 56二、进位制数之间的转换二、进位制数之间的转换z1.二进制数二进制数十进制数十进制数z方法： 把二进制数的每一位按权展开相加z例： (111.101)2=122+121+120 +12-1+12-3 =7.625z2.十进制整数十进制整数二进制整数二进制整数z例：215(11010111)2 215=(Kn-1Kn-2K1K0)2 Ki：0,1 =Kn-12n
9、-1+K121+K020z 两边除以2 107= Kn-12n-2+ Kn-22n-3 +K120 得到K0=1z 不断除以2，直到商为0，就可得到 Kn-1Kn-2K1K0z方法：方法：z 用2除十进制数，直至商为0，每次余数为二进制数码。z 最初得到的是最低有效位LSB 最后得到的是最高有效位MSBz3.十进制小数二进制小数z 0.6875=(0.K-1K-2K-m)2 Ki：0,1z =K-12-1+K-22-2+K-m2-mz 两边乘以2z 1.375= K-1+(K-22-1 +K-m2-m+1)z 右边刮号内数1，小数和整数局部两边应相等z 得到K-1=1z 剩下的小数局部再乘2，
10、继续下去可得到 0.6875=(0.1011)2z方法：方法：z 用用2乘十进制小数，将得乘十进制小数，将得到的整到的整(0或或1)，作为，作为K-1K-2 。z 假设乘积的小数局部最后假设乘积的小数局部最后为为0，那么做后一次整数局，那么做后一次整数局部记为部记为K-m。z 假设乘积的小数局部不能假设乘积的小数局部不能为为0，根据精度要求取，根据精度要求取m位。位。z 215.6875=(11010111.1011)2 1z4.任意进位制数与十进制数任意进位制数与十进制数z方法： 同二进制数与十进制数的转换5.十六进制数与二进制数十六进制数与二进制数z(1)十六进制数二进制数z方法： 一位1
11、6进制数可表示为四位二进制数z例： (3AB)16=(1110101011)2 (0.7A53)162(E.3)16=(1110.0011)2z(2)二进制数十六进制数z方法：z 1)整数局部从右到左，每四位一组，缺乏补0，每组化为16进制数。z 2)小数局部从左到右，每四位一组，缺乏补0，每组化为16进制数。z例：z2 =00011000(1BE3.978)16z位权记忆法 1 1 1 1 1 1 1 1 128 64 32 16 8 4 2 11 1 1 1 1 1 1 132768 16384 8192 4096 2048 1024 512 256例：2=2048+512+256+8+2
12、 =2826 28=256 210=1024=1K 211=2048=2K 216=65536=64K三三、二进制数的运算二进制数的运算z乘法乘法z 00=0z 01=0z 10=0z 11=1 1111 1101 1111 0000 1111+ 1111 110000111. 被乘数左移法被乘数左移法z 乘数 被乘数 局部积z 1101 1111 0000z(1)乘数为1z 被乘数加局部积+ 11111111 被乘数左移 11110z(2)乘数为0，不加 被乘数左移 111100z(3)乘数为1，加1111+ 111100 1001011 被乘数左移 1111000z(4)乘数为1，加+11
13、11000110000112.局部积右移法z乘数1101 被乘数1111 局部积 0000z(1)乘数为1z 被乘数加局部积 局部积右移 0111 1(2)乘数为0，不加 局部积右移+ 11111111+ 111110010 11 局部积右移0011 111001 011z(3)乘数为1，加z(4)乘数为1，加 + 111111000 011 局部积右移1100 0011四、四、二进制编码二进制编码z1.BCD码码z Binary-Codad Decimal 二进制编码的十进制数，用四位二进制数表示一位十进制数。 z十进制数 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 9 1001 1
14、0 0001 0000zBCD 4 9 7 8 . 1 4 9z(1) 压缩BCD码z 一个单元八位二进制存放两位十进制数，如十进制数29的压缩BCD码表示为z 0010 1001 B即29Hz(2) 非压缩BCD码z 一个单元八位二进制存放一位十进制数，低4位与压缩BCD码相同，高4位无意义。z 如十进制数29的非压缩BCD码表示为： xxxx0010B xxxx1001B z2.ASCII码码 (American Standard Code for Information Interchange)z 美国标准信息交换码z 用七位二进制数，表示数字(09)，大小写英文字母，符号等，共128个
15、字符，见P.416附录。z例：数字09：30H39Hz 字母AZ：41H5AHz 字母az： 61H7AHz 空格：20Hz 回车CR：0DHz 换行LF：0AH 五五、定点、定点数和浮点数数和浮点数z1. 浮点数浮点数 (110011.101)2=2110(0.110011101)2基数阶码尾数z N=2j Sz 规格化浮点数，0.5S1z 数的表示范围大，如：阶符1位，阶码2位，数符1位，尾数4位。 - 23 (1-2-4) +23 (1-2-4)z例：三字节规格化浮点数，阶符1位，阶码6位，数符1位，尾数16位。z- 263 (1-2-16) +263 (1-2-16)z 参加运算的操作
16、数，要乘上一固定的阶化成所要求的格式。z 表示的数值不如浮点数大。z例：三字节定点数，1位符号，23位数据。z - 223 +223 2z2.定点数定点数六、带符号数的表示法六、带符号数的表示法z1. 无符号数无符号数z N位二进制数可以表示的无符号数范围为：02N -1 z 例：z 8位二进制数表示 0255z 16位二进制数表示 065535z2. 机器数与真值机器数与真值z 通常一个数的最高位为符号位，用0表示正，1表示负 z 如：x=(01011011)2=+91 x=(11011011)2=-91z D7：符号位 D6D0：数字位z机器数：连同符号在一起作为一个数z真值：机器数的数值
17、为该机器数的真值z3. 原码原码z 上面的表示法称为原码。 z X=+105 X原=01101001z X=-105 X原=11101001z特点：z (1) 表示简单易懂，与真值转换方便。z (2) 减法或两个数异号相加，要做减法。z4. 反码反码z 正数的反码与原码相同。 z 负数的反码为它的正数的按位取反(连符号位)。z +4反=00000100 -4反=11111011z +127反=01111111 z -127反=10000000z特点：特点：(1) 0有两种表示法。有两种表示法。z +0反反=00000000 -0反反=11111111z(2) 8位二进制反码所能表示的数值位二进
18、制反码所能表示的数值z 范围：范围：+127-127。z(3) 最高位为符号位最高位为符号位z 0为正数，后七位为数值局部；为正数，后七位为数值局部；z 1为负数，后七位按位取反为数为负数，后七位按位取反为数值局部。值局部。z 例：例：10010100符号取反为 1101011，数值为107z5. 带符号数的补码表示带符号数的补码表示z 正数的补码与原码相同。 z 负数的补码为它的反码，且在最低位加1。 z +4补=00000100 z -4反=11111011z -4补=11111100 z +127补=01111111z -127反=10000000z -127补=10000001z特点：
19、(1) +0补= -0补= 00000000z (2) 8位二进制补码所能表示的数值z 范围： +127 -128z (3) 最高位为符号位z 0为正数，后七位为数值局部；z 1为负数，后七位按位取反，且在最低 z 位加1，才是数值局部。z 例：10010100符号取反加1: 1101100，数值为108z6. 补码的特性补码的特性z 求补 z(1) x补 -x补 z 例1：10补=00001010Bz求补后 -10补=11110110B z(2) x + y补= x补+ y补z(3) x - y补= x补+ -y补 z说明：说明：在计算机内部，补码减法是通过对减数求补后将减法转换为加法进行的
20、。 z例2：X=64-10=64+(-10)=54 X补=64补+-10补 =01000000+11110110=00110110 01000000 + 11110110 1 00110110进位，自然丧失3z例3：X=34-68=34+(-68)=-34 X补=34补+-68补 =00100010+10111100= 11011110 00100010 +10111100 11011110负z7.溢出溢出z 计算机字长有一定限制，所以一个带符号数是有一定范围的。z如：8位二进制补码所能表示的数值范围： +127 -128z 运算结果超出这范围称为溢出溢出。z 例4：120+105=01111
21、000+01101001 01111000 + 01101001 11100001负z例5：-80+(-64)=10110000+11000000 进位丧失 10110000 + 11000000 1 01110000表示正z (1) D6向D7的进位z (2) D7向进位位的进位。z 当两个进位只有一个时，溢出溢出z 当两个进位都有或都没有时，无溢出无溢出z8. 符号扩展与零扩展符号扩展与零扩展z 符号扩展符号扩展z 将原符号位填入扩展的每一位，使得在带符号数意义下取值不变。z零扩展零扩展z 将0填入扩展的每一位，使得在无符号数意义下取值不变。z 例6： X补=7FEDH， Y补=D6H X
22、+Y补= X补+ Y补 = 7FEDH+FFD6H=7FC3H z例7: 符号扩展z 8位 16位 32位z 80H 0FF80H 0FFFFFF80Hz 26H 0026H 00000026H z例8: 零扩展，针对无符号数z 8位 16位 32位z 80H 0080H 00000080Hz 26H 0026H 00000026H 七、七、注解注解 z(1) 同一个二进制数可以表示多种含义，其具体含义由使用者解释。z 例如：二进制数00110000B，即30H，可以当作z 十进制数48的二进制表示z 字符0的ASCII码z 30的压缩BCD码等等。 z(2) 带符号数的二进制补码表示与位数密
23、切相关。 z例：z0FFH，假设作为8位带符号数，那么表示-1； z 假设作为16位带符号数，那么表示255。 z0FFFFH，假设作为16位带符号数，那么表示-1； z 假设作为32位带符号数，那么表示65535。 第三节第三节 微型计算机的根本结构微型计算机的根本结构微型计算机的功能部件微型计算机结构微处理器的简单工作过程一、微型计算机的功能部件一、微型计算机的功能部件z冯诺依曼结构：z(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大局部组成。z(2) 数据程序以二进制形式存于存储器，位置由地址指示，数制为二进制。z(3) 由一个指令计数器控制指令的执行。控 制 器 算术逻辑
24、运算单元ALU存 储 器输入设备输出设备zCPU(Central Processing Unit)zALU和控制器CPU输出设备存储器输入设备z面向总线1.中央处理器中央处理器CPUz(1) 组成z 算术逻辑运算单元ALUz 存放器阵列z 定时与控制局部z 三组总线内部结构外部结构z(2)根本功能z 1)算术逻辑运算：+，-，与，或z 2)发送和接收数据给存储器和外设z 3)暂存少量数据z 4)对指令进行译码并执行z 5)定时和控制信号提供z 6)可响应其它部件提出的中断请求z 返回2.存储器存储器z记忆装置，存放数据程序。z(1)存储地址 存储器的每一个单元有一个地址，CPU根据这地址将所需
25、数据存入或取出。z(2)存储内容 存储单元存放的内容，长度由CPU字长决定。z 存储地址由CPU的地址总线决定，地址线的根数决定了存储器芯片的存储容量。z 存储单元的数据位数由存储器芯片的数据总线决定。z例如：有一存储芯片的容量是2K8位z 那么 地址线11根，211=2048z 数据线8根 返回 43.输入设备输入设备z功能功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。z 输入原始数据，程序，采集资料信息。z 如： 键盘，纸带读入机，A/D4.输出设备输出设备z功能功能 沟通计算机与外界之间的信息联系。z 如： 显示器，打印机，D/A 返回二、微型计算机结构二、微型计算机结构zCPU受引脚芯片面积工
26、艺的限制zCPU结构特点：z (1) 总线结构z (2) 引脚功能复用z (3) 广泛采用三态电路1.外部结构外部结构z地址总线：传送地址，决定CPU直接 寻址的内存容量范围。 单向三态 A0A15z数据总线：传送数据，双向三态 D0D7z控制总线：传送各种控制信号 RD，INTR2.内部结构内部结构 D0D7 内部数据总线输出信号 输入信号 RESET A0A15数据总线缓冲指令存放器指令译码器通用存放器阵列堆栈指示器SP程序计数器PC地址缓冲器定时与控制运算器z存放数据(8位或16位) 存放操作数地址(16位)z16位，存放下一条指令的存储地址。z CPU根据PC内容自动取指令，取出一条指
27、令后，PC自动加1。堆栈是一块存储区域，所有操作对栈顶单元进行，SP指示堆栈顶部。接收存放指令对指令译码，确定指令操作产生相应控制信号，控制CPU内其它部件工作。通过总线与外界进行信息交换。返回三、微处理器的简单工作过程三、微处理器的简单工作过程z(1) 取出指令z PC送出指令地址，CPU从内存中取得指令送指令存放器。z(2) 分析指令z 由指令译码器对指令译码，确定该指令干什么。z(3) 执行指令z 假设需要再从存储器中取出操作数，送运算器，各功能部件根据控制信号序列完成操作。 AR ALU 内存 0000H 0001H DR 5 定时与控制指令1指令1ArPC0000H0001H0000H指令1指令1指令2PC值(0000H)地址存放器ARPC自动加10001HAR内存发读控制信号内存0000H单元内容CPU的DBIRID定时与控制根据指令译码给出相应的控制信号送功能部件执行指令对于双字节指令。第一字节是操作码，第二字节是操作数。指令译码后，取指令的第二字节：DR 存放器或ALUDRIR
