《微機原理與接口技術》(第3版)ch1

1、1微機原理與接口技術微機原理與接口技術大家好大家好！2課程目標n掌握：掌握：n微型計算機的基本工作原理微型計算機的基本工作原理n匯編語言程序設計方法匯編語言程序設計方法n微型計算機接口技術微型計算機接口技術n建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力硬件開發(fā)的初步能力3教材及實驗指導書n教材：教材：n微機原理與接口技術（第微機原理與接口技術（第3版）版）. 馮博琴，吳寧馮博琴，吳寧主編主編. 清華大學出版社清華大學出版社n實驗指導書實驗指導書n微機原理與接口技術實驗指導書微機原理與接口技術實驗指導書（講義）（講義） 陳文革，吳寧，

2、夏秦編陳文革，吳寧，夏秦編. 西安交通大學西安交通大學n微機原理與接口技術題解及實驗指導（第微機原理與接口技術題解及實驗指導（第3版）版）. 吳寧，陳文革編吳寧，陳文革編. 清華大學出版社清華大學出版社v目錄v第第1 1章章 微型計算機基礎概論微型計算機基礎概論v第第2 2章微處理器與總線章微處理器與總線v第第3 3章指令系統(tǒng)章指令系統(tǒng)v第第4 4章匯編語言程序設計章匯編語言程序設計v第第5 5章章 存儲器存儲器系統(tǒng)系統(tǒng)v第第6 6章章輸入輸出輸入輸出v第第7 7章章基本輸入/輸出方法(DMA)v第第8 8章章中斷技術中斷技術v第第9 9章章模擬量的輸入輸出（模擬量的輸入輸出（D/AD/A轉換

3、）轉換）v第第10 10章模章模/ /數（數（A/DA/D）轉換器）轉換器5第1章 微型計算機基礎概論n主要內容主要內容：n微機系統(tǒng)的組成微機系統(tǒng)的組成n計算機中的編碼、數制及其轉換計算機中的編碼、數制及其轉換n無符號二進制數的運算無符號二進制數的運算n算術運算和邏輯運算算術運算和邏輯運算n運算中的溢出運算中的溢出n機器數的表示及運算機器數的表示及運算n基本邏輯門及譯碼器基本邏輯門及譯碼器6一、微型計算機系統(tǒng)n微型機的工作原理微型機的工作原理n微機系統(tǒng)的基本組成微機系統(tǒng)的基本組成71. 計算機的工作原理馮馮 諾依曼計算機的工作原理諾依曼計算機的工作原理 存儲程序工作原理存儲程序工作原理8存儲程

4、序原理n將計算過程描述為由許多條指令按一定順序組將計算過程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲器保存成的程序，并放入存儲器保存n指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；n由控制器控制整個程序和數據的存取以及程序由控制器控制整個程序和數據的存取以及程序的執(zhí)行。的執(zhí)行。9馮 諾依曼計算機體系結構運算器運算器存儲器存儲器控制器控制器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備10馮 諾依曼機的工作過程內存中的程序內存中的程序指令指令1指令指令2指令指令n分析分析獲取操作數獲取操作數執(zhí)行執(zhí)行存放結果存放結果程序計程序計數器數器PC地址地址CPU取出取出操作數操作數11馮

5、諾依曼機的工作過程n取一條指令的工作過程：取一條指令的工作過程：n將指令所在地址賦給程序計數器將指令所在地址賦給程序計數器PC；nPC內容送到地址寄存器內容送到地址寄存器AR，PC自動加自動加1；n把把AR的內容通過地址總線送至內存儲器，經地址譯碼器譯碼，的內容通過地址總線送至內存儲器，經地址譯碼器譯碼，選中相應單元。選中相應單元。nCPU的控制器發(fā)出讀命令。的控制器發(fā)出讀命令。n在讀命令控制下，把所選中單元的內容（即指令操作碼）讀到數在讀命令控制下，把所選中單元的內容（即指令操作碼）讀到數據總線據總線DB。n把讀出的內容經數據總線送到數據寄存器把讀出的內容經數據總線送到數據寄存器DR。n指令

6、譯碼指令譯碼n因為取出的是指令的操作碼，故數據寄存器因為取出的是指令的操作碼，故數據寄存器DR把它送到指令寄存器把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器，然后再送到指令譯碼器ID 馮 諾依曼機的特點和不足n特點：特點：n程序存儲，共享數據，順序執(zhí)行程序存儲，共享數據，順序執(zhí)行n屬于順序處理機，適合于確定的算法和數值數據的屬于順序處理機，適合于確定的算法和數值數據的處理。處理。n不足：不足：n與存儲器間有大量數據交互，對總線要求很高；與存儲器間有大量數據交互，對總線要求很高；n執(zhí)行順序有程序決定，對大型復雜任務較困難；執(zhí)行順序有程序決定，對大型復雜任務較困難；n以運算器為核心，處理效率較低；

7、以運算器為核心，處理效率較低；n由由PC控制執(zhí)行順序，難以進行真正的并行處理?？刂茍?zhí)行順序，難以進行真正的并行處理。12典型的非馮 諾依曼機結構n數據流驅動的計算機結構數據流驅動的計算機結構n當指令具有所需數據、且輸出端沒有數據時就可執(zhí)當指令具有所需數據、且輸出端沒有數據時就可執(zhí)行。行。13數據流處理機存儲器主處理機數據通道控制通道高速數據總線磁盤存儲器Dataflow Image Processing System142. 系統(tǒng)組成 主機主機 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 外設外設 微機系統(tǒng)微機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 應用軟件應用軟件CPU存儲器存儲器輸入輸入/輸出接口輸出接口總線總線

8、15微處理器n微處理器簡稱微處理器簡稱CPU，是計算機的核心。是計算機的核心。n主要包括：主要包括： 運算器運算器 控制器控制器 寄存器組寄存器組16存儲器n定義：定義：n用于存放計算機工作過程中需要操作的數據用于存放計算機工作過程中需要操作的數據和程序。和程序。17有關內存儲器的幾個概念n內存單元的地址和內容內存單元的地址和內容n內存容量內存容量n內存的操作內存的操作n內存的分類內存的分類18內存單元的地址和內容n內存按單元組織內存按單元組織n每單元都對應一個地址，以方便對單元的尋址每單元都對應一個地址，以方便對單元的尋址1011011038F04H內存地址內存地址單元內容單元內容19內存容

9、量n內存容量：內存容量：n所含存儲單元的個數，以字節(jié)為單位所含存儲單元的個數，以字節(jié)為單位n內存容量的大小依內存容量的大小依CPUCPU的尋址能力而定的尋址能力而定n實地址模式下為實地址模式下為CPUCPU地址信號線的位數地址信號線的位數20內存操作n讀：讀：n將內存單元的內容取入將內存單元的內容取入CPUCPU，原單元內容不改變；原單元內容不改變；n寫：寫：nCPUCPU將信息放入內存單元，單元中原來的內容被覆蓋。將信息放入內存單元，單元中原來的內容被覆蓋。21內存儲器的分類隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAMRAM）只讀存儲器（只讀存儲器（ROMROM）按工作方按工作方式可分為式可分為2

10、2輸入/輸出接口n接口是接口是CPUCPU與外部設備間的橋梁與外部設備間的橋梁CPUI/OI/O接口接口外外設設23接口的分類串行接口串行接口并行接口并行接口數字接口數字接口模擬接口模擬接口輸入接口輸入接口輸出接口輸出接口24接口的功能n數據緩沖寄存；數據緩沖寄存；n信號電平或類型的轉換；信號電平或類型的轉換；n實現主機與外設間的運行匹配。實現主機與外設間的運行匹配。25總線n基本概念基本概念n分類分類n工作原理工作原理n常用系統(tǒng)總線標準及其主要技術指標常用系統(tǒng)總線標準及其主要技術指標 （具體內容見后續(xù)課程）（具體內容見后續(xù)課程）26軟件系統(tǒng)n軟件：軟件：n為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或為實現

11、某一功能為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或為實現某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關資料。而編寫的各種程序的總和及其相關資料。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)編譯系統(tǒng)網絡系統(tǒng)網絡系統(tǒng)工具軟件工具軟件軟件軟件27二、計算機中的數制和編碼n數制和編碼的表示數制和編碼的表示n各種計數制之間的相互轉換各種計數制之間的相互轉換281. 常用計數法 十進制（十進制（D D） 二進制（二進制（B B） 十六進制（十六進制（H H）29例：n234.98D或（或（234.98）Dn1101.11B或（或（1101.11）BnABCD . BFH或（或（ABCD . BF） H302. 各

12、種進制數間的轉換非十進制數到十進制數的轉換非十進制數到十進制數的轉換十進制到非十進制數的轉換十進制到非十進制數的轉換二二進制與十六進制數之間的轉換進制與十六進制數之間的轉換 31非十進制數到十進制數的轉換n按相應的權按相應的權值表達式展開值表達式展開n例：例：n1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1+0.5+0.25 =11.75n5B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.532十進制到非十進制數的轉換n到二進制的轉換：到二進制的轉換： 對整數：除對整數：除2取余；取余； 對小數：乘對小數：乘2取整。取整。n到十六

13、進制的轉換：到十六進制的轉換： 對整數：除對整數：除16取余；取余； 對小數：乘對小數：乘16取整。取整。33二進制與十六進制間的轉換n用用4位二進制數表示位二進制數表示1位十六進制數位十六進制數n例：例：n25.5 = 11001.1B = 19.8H n11001010.0110101B =CA.6AH343. 計算機中的編碼nBCD碼碼n用二進制編碼表示的十進制數用二進制編碼表示的十進制數nASCII碼碼n西文字符編碼西文字符編碼35BCD碼碼n壓縮壓縮BCD碼碼n用用4位二進制碼表示一位十進制數位二進制碼表示一位十進制數n每每4位之間有一個空格位之間有一個空格n擴展擴展BCD碼碼n用用

14、8位二進制碼表示一位十進制數，每位二進制碼表示一位十進制數，每4位之間有一位之間有一個空格。個空格。36BCD碼與二進制數之間的轉換n先轉換為十進先轉換為十進 制數，再轉換二進制數，再轉換二進 制數；反之同制數；反之同樣。樣。n例例：n（0001 0001 .0010 01010001 0001 .0010 0101）BCDBCD =11 .25 =11 .25 = =（1011 .011011 .01） B B37ASCII碼n西文西文 字符的編碼，一般用字符的編碼，一般用7位二進位二進 制碼表示。制碼表示。nD D7 7位為校驗位，默認情況下為位為校驗位，默認情況下為0。n要求：要求：n理

15、解校驗位的作用理解校驗位的作用n熟悉熟悉0-F的的ASCII碼碼38ASCII碼的奇偶校驗n奇校驗奇校驗n加上校驗位后編碼中加上校驗位后編碼中“1”的個數為奇數。的個數為奇數。n例：例：A的的ASCII碼是碼是41H（1000001B）n以奇校驗傳送則為以奇校驗傳送則為 C1H（11000001B）n偶校驗偶校驗n加上校驗位后加上校驗位后 編碼中編碼中“1”的個數為偶數。的個數為偶數。n上例若以偶校驗傳送，則為上例若以偶校驗傳送，則為 41H。39三、無符號二進制數的運算算術運算算術運算邏輯運算邏輯運算無符號數無符號數有符號數有符號數二進二進 制數的運算制數的運算40主要內容n無符號二進無符號

16、二進 制數的算術運算制數的算術運算n無符號數的表達范圍無符號數的表達范圍n運算中的溢出問題運算中的溢出問題n無符號數的邏輯運算無符號數的邏輯運算n基本邏輯門和譯碼器基本邏輯門和譯碼器411. 無符號數的算術運算n加法運算加法運算n1+1=0（有進位）（有進位）n減法運算減法運算n0-1=1（有借位）（有借位）n乘法運算乘法運算n除法運算除法運算42乘除運算例n000010110100 =00101100B n000010110100=00000010B 即：商即：商=00000010B 余數余數=11B432. 無符號數的表示范圍： 0 0 X 2X 2n n-1-1若運算結果超出這個范圍，則

17、產生溢出。若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。對無符號數：運算時，當最高位向更高位對無符號數：運算時，當最高位向更高位 有進位（或借位）時則產生有進位（或借位）時則產生 溢出。溢出。44例： 最高位向前有進位，產生溢出最高位向前有進位，產生溢出00000000 100000001 11111111 453. 邏輯運算n與、或、非、異或與、或、非、異或n掌握：掌握：n與、或、非門邏輯符號和邏輯關系（真值表）；與、或、非門邏輯符號和邏輯關系（真值表）；n與非門、或非門的應用。與非門、或非門的應用。46“與”、“或”運算n“與與”運算：運算：n任何數和任何數和“0”相相“與與”，結果為，結果為0。n

18、“或或”運算：運算：n任何數和任何數和“1”相相“或或”，結果為，結果為1。&1147“非”、“異或”運算n“非非”運算運算n按位求反按位求反n“異或異或”運算運算n相同則為相同則為0，相異則為，相異則為1484. 譯碼器n掌握掌握74LS138譯碼器譯碼器n各引腳功能各引腳功能n輸入端與輸出端關系（真值表）輸入端與輸出端關系（真值表）4974LS138譯碼器G1G2AG2BCBAY0Y7 n主要引腳及功能主要引腳及功能50三、機器數（有符號數）的運算51計算機中符號數的表示n機器數機器數n計算機中的數據計算機中的數據n構成：構成：n符號位符號位 + 真值真值 “0” 表示正表示正“1

19、” 表示負表示負52例 +52 = +0110100 = 0 0110100 符號位符號位 真值真值-52 = -0110100 = 1 0110100 符號位符號位 真值真值531. 符號數的表示n機器數的表示方法：機器數的表示方法：n原碼原碼n反碼反碼n補碼補碼54原碼n最高位為符號位（用最高位為符號位（用“0”表示正，用表示正，用“1”表表示負），其余為真值部分。示負），其余為真值部分。n優(yōu)點：優(yōu)點： n真值和其原碼表示之間的對應關系簡單，容易理解；真值和其原碼表示之間的對應關系簡單，容易理解；n缺點：缺點：n計算機中用原碼進行加減運算比較困難計算機中用原碼進行加減運算比較困難n0的表示

20、不唯一。的表示不唯一。55數0的原碼n8位數位數0的原碼：的原碼：+0=0 0000000 - -0=1 0000000 即：數即：數0的原碼不唯一。的原碼不唯一。56反碼對一個機器數對一個機器數X：n若若X0 ，則則 X反反=X原原n若若X0， 則則X補補= X反反= X原原n若若X0， 則則X補補= X反反+160例nX= 52= 0110100 X原原=10110100 X反反=11001011 X補補= X反反+1=11001100610的補碼：n+0補補= +0原原=00000000n-0補補= -0反反+1=11111111+1 =1 00000000 對對8 8位字長，進位被舍掉

21、位字長，進位被舍掉62特殊數10000000n對無符號數對無符號數:（10000000）B=128n在原碼中定義為：在原碼中定義為： -0n在反碼中定義為：在反碼中定義為： -127n在補碼中定義為：在補碼中定義為： -12863符號數的表示范圍對對8位二進制數：位二進制數：n原碼：原碼： -127 +127n反碼：反碼： -127 +127n補碼：補碼： -128 +127642. 符號二進制數與十進制的轉換對用補碼表示的二進制數：對用補碼表示的二進制數： 1）求出真值）求出真值 2）進行轉換）進行轉換65例：補碼數轉換為十進制數nX補補=0 0101110B 正數正數所以：真值所以：真值=

22、0101110B X=+46nX補補=1 1010010B 負數負數所以：真值不等于所以：真值不等于-1010010B而是：而是：X=X補補補補=11010010補補= - 0101110 = - 46663. 符號數的算術運算n通過引進補碼，可將減法運算轉換為加法運算。通過引進補碼，可將減法運算轉換為加法運算。n即：即：X+Y補補=X補補+Y補補 X-Y補補=X+(-Y)補補 =X補補+-Y補補注：運算時符號位須對齊注：運算時符號位須對齊67例nX=-0110100，Y=+1110100，求求X+Y=？nX原原=10110100 nX補補= X反反+1=11001100nY補補= Y原原=01110100nX+Y補補= X補補+ Y補補 =11001100+01110100 =01000000nX+Y=+1000000為什么補碼可以把減法變成加法？n從從10進制來說：進制來說：減一，和加減一，和加99，效果相同嗎？，效果相同嗎？在在100之內，