微型计算机原理与接口技术.ppt

1微机原理与接口技术理论学时：48实验学时：16学分：42教材及考核n教材：n《微机计算机原理与接口技术》（第3版）. 冯博琴、吴宁主编. 清华大学出版社.n参考书：n孙力娟等.微型计算机原理与接口技术. 清华大学出版社.2007年2月n《微机原理及应用》.李伯成等编，西安电子科技大学出版社.n考核：n平时成绩30%n期末考试成绩70%n计算机 是能够按照设计者的意图，自动进行算术运算 、逻辑控制和信息处理的电子设备n微型计算机是体积、重量、计算能力都相对比较小的一类 计算机的总称，一般供个人使用，所以也称为 个人计算机（PC，Personal Computer）微型计算机的应用n科学计算n 数据（信息）处理n 过程控制n 办公自动化课程目标n掌握：n微型计算机的基本工作原理n汇编语言程序设计方法n微型计算机接口技术n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56第1章 微型计算机基础概论n主要内容：n微机系统的组成n计算机中常用的数制、编码及其相互间的转换n无符号二进制数的算术运算和逻辑运算n符号数的表示及补码运算n二进制数运算中的溢出问题n基本逻辑门及译码器7一、微型计算机系统n微型计算机的发展史n微型计算机的工作原理n微机计算机系统的基本组成81. 微型计算机的发展史（1）世界上第一台现代意义的电子 计算机是1946年美国宾夕法尼 亚大学设计制造的”ENIAC”n占地170平方米n重量30吨n功耗150千瓦n运算速度每秒5万次n当时价值48万美元微型计算机的发展史（2）n电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）n电子计算机按其性能和体积等综合指标分类：大型计算机/巨型计算机（Mainframe Computer）中型计算机小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-Chip Microcomputer）92. 计算机的工作原理1945年6月美国数学家冯·诺依曼在 一篇论文中第一次提出了计算机三 个主要思想：n 计算机的基本组成n 采用二进制进行信息表示n 存储程序原理从而形成了目前的计算机体系结构 。

John von Neumann1011存储程序原理n计算机的两个基本能力：一是能够存储程序二是能够自动地执行程序n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；n指令按其在存储器中存放的顺序执行；n由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行12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冯 • 诺依曼计算机结构示意图13冯 • 诺依曼机的工作过程内存中的程序指令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取出操作数程序执行过程示意图14冯 • 诺依曼机的工作过程n取一条指令的工作过程：n将指令所在地址赋给程序计数器PCnPC内容送到地址寄存器AR，PC自动加1n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nCPU的控制器发出读命令n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DBn把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DRn取指令的最后一步是指令译码，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 153. 微机系统组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 总线地址总线AB定时电路输入设备输出设备I/O接口ROMRAM数据总线DB控制总线CB微 处 理 器(CPU)微型计算机硬件系统结构总线n总线计算机中各功能部件间传送信息的公共通 道。

n所有的微型计算机系统都采用了总线结构n总线结构的特点是：设计简单、灵活性好、具 有优良的可扩展性、便于故障检测和维修n 根据所传送信息的内容与作用不同，分为三类：① 地址总线 AB 传送 地址信息，单向② 数据总线 DB 传送指令码、数据，双向③ 控制总线 CB 控制信息由 CPU 通过 CB 送往各有关部件，状态或者从有关部件通过 CB 送往CPU或相关部件CB 中每根线的传送方向是一定的. 19微处理器n微处理器（或中央处理器）简称CPU，是计算机的 运算和指挥控制中心n主要包括：运算器控制器寄存器组20存储器n定义：n用于存放数据（包括原始数据、中间结果和 最终结果）和当前执行的程序n主机系统中的存储器也叫内存或主存，是微 型计算机的存储和记忆部件n由于微型机的内存均由半导体材料制成，也 称为半导体存储器21有关内存的几个概念n内存单元的地址和内容n内存容量n内存的操作n内存的分类22内存单元的地址和内容n内存按单元组织n每个单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址1011011038F04H内存地址单元内容23内存容量n内存容量：n所含存储单元的个数，以字节为单位n内存容量的大小依CPU的寻址能力而定n实地址模式下为CPU地址信号线的位数24内存操作n读：n将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；n写：nCPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖 。

25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26输入/输出接口n接口是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口外 设27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28接口的功能n数据缓冲寄存；n信号电平或类型的转换；n实现主机与外设间的运行匹配29总线n基本概念n分类n工作原理n常用系统总线标准及其主要技术指标30软件系统n软件：n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31二、计算机中的数制和编码n数制和编码的表示n各种计数制之间的相互转换321. 常用计数法十进制（D）二进制（B）十六进制（H）十进制特点：n以十为底，逢十进一；有0-9十个数字符号用D表示 权值表达式：33二进制特点：n以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号用B表 示权值表达式：34十六进制特点：n有0--9及A--F共16个数字符号，逢16进位用H 表示权值表达式：3536例：n234.98D或（234.98）Dn1101.11B或（1101.11）BnABCD . BFH或（ABCD . BF） H372. 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 38非十进制数到十进制数的转换n按相应的权值表达式展开n例：n1011.11B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+ 1×2-2=8+2+1+0.5+0.25=11.75n5B.8H=5×161+11×160+8×16-1=80+11+0.5=91.539十进制到非十进制数的转换n到二进制的转换：对整数：除2取余；对小数：乘2取整。

n到十六进制的转换：对整数：除16取余； 对小数：乘16取整n注意：也可以将十进制数先转换为二进制数，再将二 进制数转换为十六进制数举例（十进制转换成二进制）例：将112.25转换成二进制数整数部分（除2取余）：n112/2=56…余数0→B0（低位）n56/2=28…余数0→B1n28/2=14…余数0→B2n14/2=7…余数0→B3n7/2=3…余数1→B4n3/2=1…余数1→B5n1/2=0…余数1→B6（高位） 40小数部分（乘2取整）：n0.25×2=0.5…整数=0（高位）n0.5×2=1…整数=141举例（十进制转换为十六进制）43二进制与十六进制间的转换n用4位二进制数表示1位十六进制数，从小数点开始向 左每四位一组，最后不足四位的前面补0，向右每四位 一组，最后不足四位的后面补0n例：n25.5= 11001.1B= 19.8H n11001010.0110101B=CA.6AH443. 计算机中的编码nBCD码n用二进制编码表示的十进制数nBCD有多种表示方法，最常用的8421码n8421 BCD码每一位用四位二进制数表示nASCII码45BCD码n压缩BCD码n用4位二进制码表示一位十进制数n每4位之间有一个空格n扩展BCD码n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。

46BCD码与二进制数之间的转换n先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样 n例：n（0001 0001 .0010 0101）BCD=11 .25=（1011 .01） B47ASCII码n计算机既要处理数值数据，还要处理字母、数字和符号（简称 字符），而计算机内部只能识别二进制代码，所以必须将字符 进行编码n目前微型计算机普遍采用的是美国国家信息交换标准字符码－ ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）nASCII码采用7位二进制代码对字符编码，故可表示128个字符， 包括控制符号、阿拉伯数字、英文大小写字母及专用符号如0 ～9的ASCII码为30H～39H，英文大写字母A～Z的ASCII码为 41H～5AHn一个字节为8位，在用一个字节表示一个ASCII码时，通常认为 最高位为0，有时根据需要也用最高位作为奇偶校验位48ASCII码的奇偶校验n奇校验n加上校验位后编码中“1”的个数为奇数n例：A的ASCII码是41H（1000001B）n以奇校验传送则为 C1H（11000001B）n偶校验n加上校验位后 编码中“1”的个数为偶数。

n上例若以偶校验传送，则为 41H49三、无符号二进制数的运算算术运算逻辑运算无符号数有符号数二进制数的运算50主要内容n无符号二进制数的算术运算n无符号数的表达范围n运算中的溢出问题n无符号数的逻辑运算n基本逻辑门和译码器511. 无符号数的算术运算n加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（有进位）n减法： 0-0=0 0-1=1（有借位） 1-0=1 1-1=0n乘法： 0×0=0 0×1=0 1×0=0 1×1=1n除法：乘法的逆运算，可用减法和右移运算实现52乘除运算例n00001011×0100=00101100Bn00001011÷0100=00000010B即：商=00000010B余数=11B532. 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54[例]：最高位向前有进位，产生溢出553. 逻辑运算n与、或、非、异或n掌握：n与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；n与非门、或非门的应用56“与”、“或”运算n“与”运算：n任何数和“0”相“与”，结果为0。

n“或”运算：n任何数和“1”相“或”，结果为1≥1≥157“非”、“异或”运算n“非”运算n按位求反n“异或”运算n相同则为0，相异则为1584. 译码器n掌握74LS138译码器n各引脚功能n输入端与输出端关系（真值表）5974LS138译码器G1 G2A G2BC BAY0Y7••••n主要引脚及功能60三、机器数（有符号数）的运算61计算机中符号数的表示n机器数n计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也是用二进制表示 的通常一个数的最高位为符号位，若字长为8位的计算机， 则则D7为符号位，D6～D0为数值位n构成：n符号位 + 数值位 “0” 表示正 “1” 表示负D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符号位 数值位 62[例]+52 。