(清华大学课件全套)微机原理与接口技术

1、1 微机原理与接口技术 大家好 2 课程目标 掌握 微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术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 3 教材及实验指导书 教材 微机原理与接口技术 第3版 冯博琴 吴宁主编 清华大学出版社实验指导书 微机原理与接口技术实验指导书 讲义 陈文革 吴宁 夏秦编 西安交通大学 微机原理与接口技术题解及实验指导 第3版 吴宁 陈文革编 清华大学出版社 4 第1章微型计算机基础概论 主要内容 微机系统的组成计算机中的编码 数制及其转换无符号二进制数的运算算术运算和逻辑运算运算中的溢出机器数的表示及运算基本逻辑门及译码器 5 一 微型计算机系统 微型机的工作原理微机系统的基本组成 6 1 计算机的工作原理 冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理 7 存储程序原理 将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序 并放入存储器保存指令按其在存储器中存放的顺序执行 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行 8 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 9 冯 诺依曼机的工作过程 内存中的

2、程序 指令1 指令2 指令n 分析 获取操作数 执行 存放结果 程序计数器PC 地址 CPU 取出 操作数 10 冯 诺依曼机的工作过程 取一条指令的工作过程 将指令所在地址赋给程序计数器PC PC内容送到地址寄存器AR PC自动加1 把AR的内容通过地址总线送至内存储器 经地址译码器译码 选中相应单元 CPU的控制器发出读命令 在读命令控制下 把所选中单元的内容 即指令操作码 读到数据总线DB 把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR 指令译码因为取出的是指令的操作码 故数据寄存器DR把它送到指令寄存器IR 然后再送到指令译码器ID 冯 诺依曼机的特点和不足 特点 程序存储 共享数据 顺序执行属于顺序处理机 适合于确定的算法和数值数据的处理 不足 与存储器间有大量数据交互 对总线要求很高 执行顺序有程序决定 对大型复杂任务较困难 以运算器为核心 处理效率较低 由PC控制执行顺序 难以进行真正的并行处理 11 典型的非冯 诺依曼机结构 数据流驱动的计算机结构当指令具有所需数据 且输出端没有数据时就可执行 12 DataflowImageProcessingSystem 13 2 系统组

3、成 主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 14 微处理器 微处理器简称CPU 是计算机的核心 主要包括 运算器控制器寄存器组 15 存储器 定义 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序 16 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类 17 内存单元的地址和内容 内存按单元组织每单元都对应一个地址 以方便对单元的寻址 10110110 38F04H 内存地址 单元内容 18 内存容量 内存容量 所含存储单元的个数 以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址能力而定实地址模式下为CPU地址信号线的位数 19 内存操作 读 将内存单元的内容取入CPU 原单元内容不改变 写 CPU将信息放入内存单元 单元中原来的内容被覆盖 20 内存储器的分类 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 按工作方式可分为 21 输入 输出接口 接口是CPU与外部设备间的桥梁 CPU I O接口 外设 22 接口的分类 串行接口并行接口 数字接口模拟接口 输入接口输出接口 23 接口的功能 数据缓冲寄存 信号电平或类型的转换 实现主

4、机与外设间的运行匹配 24 总线 基本概念分类工作原理常用系统总线标准及其主要技术指标 具体内容见后续课程 25 软件系统 软件 为运行 管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料 系统软件 应用软件 操作系统编译系统网络系统工具软件 软件 26 二 计算机中的数制和编码 数制和编码的表示各种计数制之间的相互转换 27 1 常用计数法 十进制 D 二进制 B 十六进制 H 28 例 234 98D或 234 98 D1101 11B或 1101 11 BABCD BFH或 ABCD BF H 29 2 各种进制数间的转换 非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换 30 非十进制数到十进制数的转换 按相应的权值表达式展开例 1011 11B 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 8 2 1 0 5 0 25 11 755B 8H 5 161 11 160 8 16 1 80 11 0 5 91 5 31 十进制到非十进制数的转换 到二进制的转换 对整数 除2取余 对小数 乘2取整 到十六进制的转换

5、 对整数 除16取余 对小数 乘16取整 32 二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数例 25 5 11001 1B 19 8H11001010 0110101B CA 6AH 33 3 计算机中的编码 BCD码用二进制编码表示的十进制数ASCII码西文字符编码 34 BCD码 压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数每4位之间有一个空格扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数 每4位之间有一个空格 35 BCD码与二进制数之间的转换 先转换为十进制数 再转换二进制数 反之同样 例 00010001 00100101 BCD 11 25 1011 01 B 36 ASCII码 西文字符的编码 一般用7位二进制码表示 D7位为校验位 默认情况下为0 要求 理解校验位的作用熟悉0 F的ASCII码 37 ASCII码的奇偶校验 奇校验加上校验位后编码中 1 的个数为奇数 例 A的ASCII码是41H 1000001B 以奇校验传送则为C1H 11000001B 偶校验加上校验位后编码中 1 的个数为偶数 上例若以偶校验传送 则为41H 38 三 无符号二进制数的运算

6、 算术运算逻辑运算 无符号数有符号数 二进制数的运算 39 主要内容 无符号二进制数的算术运算无符号数的表达范围运算中的溢出问题无符号数的逻辑运算基本逻辑门和译码器 40 1 无符号数的算术运算 加法运算1 1 0 有进位 减法运算0 1 1 有借位 乘法运算除法运算 41 乘除运算例 00001011 0100 00101100B00001011 0100 00000010B即 商 00000010B余数 11B 42 2 无符号数的表示范围 0 X 2n 1若运算结果超出这个范围 则产生溢出 对无符号数 运算时 当最高位向更高位有进位 或借位 时则产生溢出 43 例 最高位向前有进位 产生溢出 44 3 逻辑运算 与 或 非 异或掌握 与 或 非门逻辑符号和逻辑关系 真值表 与非门 或非门的应用 45 与 或 运算 与 运算 任何数和 0 相 与 结果为0 或 运算 任何数和 1 相 或 结果为1 46 非 异或 运算 非 运算按位求反 异或 运算相同则为0 相异则为1 47 4 译码器 掌握74LS138译码器各引脚功能输入端与输出端关系 真值表 48 74LS138译码器 主要

7、引脚及功能 49 三 机器数 有符号数 的运算 50 计算机中符号数的表示 机器数计算机中的数据构成 符号位 真值 0 表示正 1 表示负 51 例 52 0110100 00110100符号位真值 52 0110100 10110100符号位真值 52 1 符号数的表示 机器数的表示方法 原码反码补码 53 原码 最高位为符号位 用 0 表示正 用 1 表示负 其余为真值部分 优点 真值和其原码表示之间的对应关系简单 容易理解 缺点 计算机中用原码进行加减运算比较困难0的表示不唯一 54 数0的原码 8位数0的原码 0 00000000 0 10000000即 数0的原码不唯一 55 反码 对一个机器数X 若X 0 则 X 反 X 原若X 0 则 X 反 对应原码的符号位不变 数值部分按位求反 56 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 57 0的反码 0 反 00000000 0 反 11111111即 数0的反码也不是唯一的 58 补码 定义 若X 0 则 X 补 X 反 X 原若X 0 则 X 补 X 反 1 59 例 X 52 01

8、10100 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 60 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉 61 特殊数10000000 对无符号数 10000000 B 128在原码中定义为 0在反码中定义为 127在补码中定义为 128 62 符号数的表示范围 对8位二进制数 原码 127 127反码 127 127补码 128 127 63 2 符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数 1 求出真值2 进行转换 64 例 补码数转换为十进制数 X 补 00101110B正数所以 真值 0101110BX 46 X 补 11010010B负数所以 真值不等于 1010010B而是 X X 补 补 11010010 补 0101110 46 65 3 符号数的算术运算 通过引进补码 可将减法运算转换为加法运算 即 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 注 运算时符号位须对齐 66 例 X 0110100 Y 11101

9、00 求X Y X 原 10110100 X 补 X 反 1 11001100 Y 补 Y 原 01110100 X Y 补 X 补 Y 补 11001100 01110100 01000000X Y 1000000 67 符号数运算中的溢出问题 两个带符号二进制数相加或相减时 若运算结果超出可表达范围 则产生溢出溢出的判断方法 最高位进位状态 次高位进位状态 1 则结果溢出 68 例 若 X 01111000 Y 01101001则 X Y 次高位向最高位有进位 而最高位向前无进位 产生溢出 事实上 两正数相加得出负数 结果出错 69 结束语 第1章难点 补码的概念及其运算 谢谢大家 70 第2章微处理器与总线 71 主要内容 微处理器的功能和结构8088 8086微处理器特点主要引线功能和内部结构内部寄存器实地址模式下的存储器寻址总线时序总线 一 微处理器及8088 8086CPU 72 1 微处理器 运算器控制器内部寄存器 73 微处理器 74 2 程序和指令 程序 具有一定功能的指令的有序集合指令 由人向计算机发出的 能够为计算机所识别的命令 75 3 指令执行的一般过程 取指

10、令 取指部件 分析部件 执行部件 指令译码 读取操作数 执行指令 存放结果 76 4 顺序执行和并行流水线 顺序执行方式 各功能部件交替工作 按顺序完成指令的执行过程 并行流水线方式 各功能部件并行工作 77 顺序工作方式 78 并行流水线工作方式 EU CPU 79 5 8088 8086CPU的特点 采用并行流水线工作方式 通过设置指令预取队列实现对内存空间实行分段管理 将内存分为4个段并设置地址段寄存器 以实现对1MB空间的寻址支持多处理器系统 CPU内部结构 存储器寻址部分 工作模式 80 6 8088CPU的两种工作模式 8088可工作于两种模式下最小模式最大模式最小模式为单处理器模式 最大模式为多处理器模式 81 两种工作模式的选择方式 8088是工作在最小还是最大模式由MN MX引线的状态决定 MN MX 0 工作于最大模式MN MX 1 工作于最小模式 82 二 8088 8086的引线及功能 83 1 主要引线 最小模式下的8088引线 地址线和数据线 AD0 AD7 低8位地址和低8位数据信号分时复用 在传送地址信号时为单向 传送数据信号时为双向 A16 A19 高

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