山大微機原理與應(yīng)用課件01微型計算機基礎(chǔ)概論

1、課程目標掌握：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計方法微型計算機接口技術(shù)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1教材及實驗指導(dǎo)書教材：微機原理與接口技術(shù)（第3版）. 馮博琴，吳寧主編. 清華大學(xué)出版社實驗指導(dǎo)書微機原理與接口技術(shù)實驗指導(dǎo)書（講義） 陳文革，吳寧，夏秦編. 西安交通大學(xué)微機原理與接口技術(shù)題解及實驗指導(dǎo)（第3版）. 吳寧，陳文革編. 清華大學(xué)出版社2第1章 微型計算機基礎(chǔ)概論主要內(nèi)容：微機系統(tǒng)的組成計算機中的編碼、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換無符號二進制數(shù)的運算算術(shù)運算和邏輯運算運算中的溢出機器數(shù)的表示及運算基本邏輯門及譯碼器3一、微型計算機系統(tǒng)4微型機的工作原理微機系

2、統(tǒng)的基本組成1. 計算機的工作原理馮 諾依曼計算機的工作原理 存儲程序工作原理5存儲程序原理將計算過程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲器保存指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。6馮 諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)運算器7存儲器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備馮 諾依曼機的工作過程8內(nèi)存中的程序指令1指令2指令n分析獲取操作數(shù)執(zhí)行存放結(jié)果程序計數(shù)器PC地址CPU取出操作數(shù)馮 諾依曼機的工作過程取一條指令的工作過程：將指令所在地址賦給程序計數(shù)器PC；PC內(nèi)容送到地址寄存器AR，PC自動加1；把AR的內(nèi)容通過地址總線送至內(nèi)存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中相應(yīng)

3、單元。CPU的控制器發(fā)出讀命令。在讀命令控制下，把所選中單元的內(nèi)容（即指令操作碼）讀到數(shù)據(jù)總線DB。把讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器DR。指令譯碼因為取出的是指令的操作碼，故數(shù)據(jù)寄存器DR把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器ID 9馮 諾依曼機的特點和不足特點：程序存儲，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行屬于順序處理機，適合于確定的算法和數(shù)值數(shù)據(jù)的處理。不足：與存儲器間有大量數(shù)據(jù)交互，對總線要求很高；執(zhí)行順序有程序決定，對大型復(fù)雜任務(wù)較困難；以運算器為核心，處理效率較低；由PC控制執(zhí)行順序，難以進行真正的并行處理。10典型的非馮 諾依曼機結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流驅(qū)動的計算機結(jié)構(gòu)當指令具有所需數(shù)據(jù)、且輸出端沒有數(shù)

4、據(jù)時就可執(zhí)行。11Dataflow Image Processing System2. 系統(tǒng)組成 主機 硬件系統(tǒng) 外設(shè) 微機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件 軟件系統(tǒng) 應(yīng)用軟件12CPU存儲器輸入/輸出接口總線微處理器微處理器簡稱CPU，是計算機的核心。主要包括： 運算器 控制器 寄存器組13存儲器定義：用于存放計算機工作過程中需要操作的數(shù)據(jù)和程序。14有關(guān)內(nèi)存儲器的幾個概念內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量內(nèi)存的操作內(nèi)存的分類15內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存按單元組織每單元都對應(yīng)一個地址，以方便對單元的尋址161011011038F04H內(nèi)存地址單元內(nèi)容內(nèi)存容量內(nèi)存容量：所含存儲單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位內(nèi)存容量的大小依

5、CPU的尋址能力而定實地址模式下為CPU地址信號線的位數(shù)17內(nèi)存操作讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變；寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來的內(nèi)容被覆蓋。18內(nèi)存儲器的分類隨機存取存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）19按工作方式可分為輸入/輸出接口接口是CPU與外部設(shè)備間的橋梁20CPUI/O接口外設(shè)接口的分類串行接口并行接口21數(shù)字接口模擬接口輸入接口輸出接口接口的功能數(shù)據(jù)緩沖寄存；信號電平或類型的轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)主機與外設(shè)間的運行匹配。22總線基本概念分類工作原理常用系統(tǒng)總線標準及其主要技術(shù)指標 （具體內(nèi)容見后續(xù)課程）23軟件系統(tǒng)軟件：為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或為實現(xiàn)某一

6、功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。24系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工具軟件軟件二、計算機中的數(shù)制和編碼25數(shù)制和編碼的表示各種計數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換1. 常用計數(shù)法 十進制（D） 二進制（B） 十六進制（H）26例：234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD . BFH或（ABCD . BF） H272. 各種進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換非十進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進制到非十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 28非十進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換按相應(yīng)的權(quán)值表達式展開例：1011.11B=123+022+121+120+12-1+ 12-2 =8+2+1

7、+0.5+0.25 =11.755B.8H=5161+11160+816-1 =80+11+0.5 =91.529十進制到非十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換到二進制的轉(zhuǎn)換： 對整數(shù)：除2取余； 對小數(shù)：乘2取整。到十六進制的轉(zhuǎn)換： 對整數(shù)：除16取余； 對小數(shù)：乘16取整。30二進制與十六進制間的轉(zhuǎn)換用4位二進制數(shù)表示1位十六進制數(shù)例：25.5 = 11001.1B = 19.8H 11001010.0110101B =CA.6AH313. 計算機中的編碼BCD碼用二進制編碼表示的十進制數(shù)ASCII碼西文字符編碼32BCD碼壓縮BCD碼用4位二進制碼表示一位十進制數(shù)每4位之間有一個空格擴展BCD碼用8位二進制碼

8、表示一位十進制數(shù)，每4位之間有一個空格。33BCD碼與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換先轉(zhuǎn)換為十進 制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進 制數(shù)；反之同樣。例：（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01） B34ASCII碼西文 字符的編碼，一般用7位二進 制碼表示。D7位為校驗位，默認情況下為0。要求：理解校驗位的作用熟悉0-F的ASCII碼35ASCII碼的奇偶校驗奇校驗加上校驗位后編碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。例：A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗傳送則為 C1H（11000001B）偶校驗加上校驗位后 編碼中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。上例若以偶校驗傳送，則為 41H。

9、36三、無符號二進制數(shù)的運算37算術(shù)運算邏輯運算無符號數(shù)有符號數(shù)二進 制數(shù)的運算主要內(nèi)容無符號二進 制數(shù)的算術(shù)運算無符號數(shù)的表達范圍運算中的溢出問題無符號數(shù)的邏輯運算基本邏輯門和譯碼器381. 無符號數(shù)的算術(shù)運算加法運算1+1=0（有進位）減法運算0-1=1（有借位）乘法運算除法運算39乘除運算例000010110100 =00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余數(shù)=11B402. 無符號數(shù)的表示范圍： 0 X 2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。對無符號數(shù)：運算時，當最高位向更高位 有進位（或借位）時則產(chǎn)生 溢出。41例： 最高

10、位向前有進位，產(chǎn)生溢出423. 邏輯運算與、或、非、異或掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門、或非門的應(yīng)用。43“與”、“或”運算“與”運算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0?！盎颉边\算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。44&11“非”、“異或”運算“非”運算按位求反“異或”運算相同則為0，相異則為1454. 譯碼器掌握74LS138譯碼器各引腳功能輸入端與輸出端關(guān)系（真值表）4674LS138譯碼器主要引腳及功能47G1G2AG2BCBAY0Y7 三、機器數(shù)（有符號數(shù)）的運算48計算機中符號數(shù)的表示機器數(shù)計算機中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號位 + 真值 49“0” 表示正“1” 表示

11、負例 +52 = +0110100 = 0 0110100 符號位 真值50-52 = -0110100 = 1 0110100 符號位 真值1. 符號數(shù)的表示機器數(shù)的表示方法：原碼反碼補碼51原碼最高位為符號位（用“0”表示正，用“1”表示負），其余為真值部分。優(yōu)點： 真值和其原碼表示之間的對應(yīng)關(guān)系簡單，容易理解；缺點：計算機中用原碼進行加減運算比較困難0的表示不唯一。52數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=0 0000000 -0=1 0000000 即：數(shù)0的原碼不唯一。53反碼對一個機器數(shù)X：若X0 ，則 X反=X原若X0， 則X補= X反= X原若X0， 則X補= X反+157例X= 5

12、2= 0110100 X原=10110100 X反=11001011 X補= X反+1=11001100580的補碼：+0補= +0原=00000000-0補= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 對8位字長，進位被舍掉59特殊數(shù)10000000對無符號數(shù):（10000000）B=128在原碼中定義為： -0在反碼中定義為： -127在補碼中定義為： -12860符號數(shù)的表示范圍對8位二進制數(shù)：原碼： -127 +127反碼： -127 +127補碼： -128 +127612. 符號二進制數(shù)與十進制的轉(zhuǎn)換對用補碼表示的二進制數(shù)： 1）求出真值 2）進行轉(zhuǎn)換62例：補碼數(shù)

13、轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)X補=0 0101110B 正數(shù)所以：真值=0101110B X=+46X補=1 1010010B 負數(shù)所以：真值不等于-1010010B而是：X=X補補=11010010補= - 0101110 = - 46633. 符號數(shù)的算術(shù)運算通過引進補碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。即：X+Y補=X補+Y補 X-Y補=X+(-Y)補 =X補+-Y補64注：運算時符號位須對齊例X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？X原=10110100 X補= X反+1=11001100Y補= Y原=01110100X+Y補= X補+ Y補 =11001100+01110100 =01