《微機(jī)原理與接口技術(shù)》(第3版) ch1

1微機(jī)原理與接口技術(shù)大家好！2課程目標(biāo)掌握：微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計(jì)方法微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力3教材及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書教材：《微機(jī)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書《微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（講義）陳文革，吳寧，夏秦編.西安交通大學(xué)《微機(jī)原理與接口技術(shù)題解及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》（第3版）.吳寧，陳文革編.清華大學(xué)出版社目錄第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論第2章微處理器與總線第3章指令系統(tǒng)第4章匯編語言程序設(shè)計(jì)第5章存儲(chǔ)器系統(tǒng)第6章輸入輸出第7章基本輸入/輸出方法(DMA)第8章中斷技術(shù)第9章模擬量的輸入輸出（D/A轉(zhuǎn)換）第10章模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器5第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論主要內(nèi)容：微機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)中的編碼、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算運(yùn)算中的溢出機(jī)器數(shù)的表示及運(yùn)算基本邏輯門及譯碼器6一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型機(jī)的工作原理微機(jī)系統(tǒng)的基本組成71.

計(jì)算機(jī)的工作原理馮?

諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理存儲(chǔ)程序工作原理8存儲(chǔ)程序原理將計(jì)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(chǔ)器保存指令按其在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行；由控制器控制整個(gè)程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。9馮?諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備10馮?諾依曼機(jī)的工作過程內(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(jì)數(shù)器PC地址CPU取出操作數(shù)11馮?諾依曼機(jī)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(jì)數(shù)器PC；PC內(nèi)容送到地址寄存器AR，PC自動(dòng)加1；把AR的內(nèi)容通過地址總線送至內(nèi)存儲(chǔ)器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中相應(yīng)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?yàn)槿〕龅氖侵噶畹牟僮鞔a，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馮?諾依曼機(jī)的特點(diǎn)和不足特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行屬于順序處理機(jī)，適合于確定的算法和數(shù)值數(shù)據(jù)的處理。不足：與存儲(chǔ)器間有大量數(shù)據(jù)交互，對(duì)總線要求很高；執(zhí)行順序有程序決定，對(duì)大型復(fù)雜任務(wù)較困難；以運(yùn)算器為核心，處理效率較低；由PC控制執(zhí)行順序，難以進(jìn)行真正的并行處理。12典型的非馮?諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)指令具有所需數(shù)據(jù)、且輸出端沒有數(shù)據(jù)時(shí)就可執(zhí)行。13DataflowImageProcessingSystem142.系統(tǒng)組成主機(jī)硬件系統(tǒng)外設(shè)微機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件CPU存儲(chǔ)器輸入/輸出接口總線15微處理器微處理器簡(jiǎn)稱CPU，是計(jì)算機(jī)的核心。主要包括：

運(yùn)算器控制器寄存器組16存儲(chǔ)器定義：用于存放計(jì)算機(jī)工作過程中需要操作的數(shù)據(jù)和程序。17有關(guān)內(nèi)存儲(chǔ)器的幾個(gè)概念內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存容量?jī)?nèi)存的操作內(nèi)存的分類18

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(duì)應(yīng)一個(gè)地址，以方便對(duì)單元的尋址1011011038F04H內(nèi)存地址單元內(nèi)容19內(nèi)存容量?jī)?nèi)存容量：所含存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，以字節(jié)為單位內(nèi)存容量的大小依CPU的尋址能力而定實(shí)地址模式下為CPU地址信號(hào)線的位數(shù)20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。21內(nèi)存儲(chǔ)器的分類隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM）按工作方式可分為22輸入/輸出接口接口是CPU與外部設(shè)備間的橋梁CPUI/O接口外設(shè)23接口的分類串行接口并行接口數(shù)字接口模擬接口輸入接口輸出接口24接口的功能數(shù)據(jù)緩沖寄存；信號(hào)電平或類型的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的運(yùn)行匹配。25總線基本概念分類工作原理常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)及其主要技術(shù)指標(biāo)（具體內(nèi)容見后續(xù)課程）26軟件系統(tǒng)軟件：為運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。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27二、計(jì)算機(jī)中的數(shù)制和編碼數(shù)制和編碼的表示各種計(jì)數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換281.常用計(jì)數(shù)法

十進(jìn)制（D）二進(jìn)制（B）十六進(jìn)制（H）29例：234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H302.各種進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

31非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換按相應(yīng)的權(quán)值表達(dá)式展開例：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=91.532十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：對(duì)整數(shù)：除2取余；對(duì)小數(shù)：乘2取整。到十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：對(duì)整數(shù)：除16取余；對(duì)小數(shù)：乘16取整。33二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)例：25.5=

11001.1B=

19.8H11001010.0110101B=CA.6AH343.

計(jì)算機(jī)中的編碼BCD碼用二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)ASCII碼西文字符編碼35BCD碼壓縮BCD碼用4位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)每4位之間有一個(gè)空格擴(kuò)展BCD碼用8位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，每4位之間有一個(gè)空格。36BCD碼與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)；反之同樣。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）B37ASCII碼西文字符的編碼，一般用7位二進(jìn)制碼表示。D7位為校驗(yàn)位，默認(rèn)情況下為0。要求：理解校驗(yàn)位的作用熟悉0---F的ASCII碼38ASCII碼的奇偶校驗(yàn)奇校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。例：A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗(yàn)傳送則為C1H（11000001B）偶校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。上例若以偶校驗(yàn)傳送，則為41H。39三、無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算無符號(hào)數(shù)有符號(hào)數(shù)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算40主要內(nèi)容無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算無符號(hào)數(shù)的表達(dá)范圍運(yùn)算中的溢出問題無符號(hào)數(shù)的邏輯運(yùn)算基本邏輯門和譯碼器411.無符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算加法運(yùn)算1+1=0（有進(jìn)位）減法運(yùn)算0-1=1（有借位）乘法運(yùn)算除法運(yùn)算42乘除運(yùn)算例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數(shù)=11B432.無符號(hào)數(shù)的表示范圍：

0≤

X≤2n-1若運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則產(chǎn)生溢出。對(duì)無符號(hào)數(shù)：運(yùn)算時(shí)，當(dāng)最高位向更高位

有進(jìn)位（或借位）時(shí)則產(chǎn)生

溢出。44[例]：

最高位向前有進(jìn)位，產(chǎn)生溢出453.邏輯運(yùn)算與、或、非、異或掌握：與、或、非門邏輯符號(hào)和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門、或非門的應(yīng)用。46“與”、“或”運(yùn)算“與”運(yùn)算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0?！盎颉边\(yùn)算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。&&≥1≥147“非”、“異或”運(yùn)算“非”運(yùn)算按位求反“異或”運(yùn)算相同則為0，相異則為1484.

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）4974LS138譯碼器G1G2AG2BCBAY0Y7????主要引腳及功能50三、機(jī)器數(shù)（有符號(hào)數(shù)）的運(yùn)算51計(jì)算機(jī)中符號(hào)數(shù)的表示機(jī)器數(shù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號(hào)位+真值“0”表示正“1”表示負(fù)52[例]

+52=+0110100=0

0110100

符號(hào)位真值-52=-0110100=1

0110100符號(hào)位真值531.

符號(hào)數(shù)的表示機(jī)器數(shù)的表示方法：原碼反碼補(bǔ)碼54原碼最高位為符號(hào)位（用“0”表示正，用“1”表示負(fù)），其余為真值部分。優(yōu)點(diǎn)：真值和其原碼表示之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，容易理解；缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)中用原碼進(jìn)行加減運(yùn)算比較困難0的表示不唯一。55數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=00000000

-0=10000000即：數(shù)0的原碼不唯一。56反碼對(duì)一個(gè)機(jī)器數(shù)X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)位不變，數(shù)值部分按位求反57[例]X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011580的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。59補(bǔ)碼定義：若X>0，則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補(bǔ)=[X]反+160[例]X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100610的補(bǔ)碼：[+0]補(bǔ)=[+0]原=00000000[-0]補(bǔ)=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對(duì)8位字長(zhǎng)，進(jìn)位被舍掉62特殊數(shù)10000000對(duì)無符號(hào)數(shù):（10000000）B=128在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補(bǔ)碼中定義為：-12863符號(hào)數(shù)的表示范圍對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補(bǔ)碼：-128~+127642.符號(hào)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換對(duì)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：1）求出真值2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換65[例]：補(bǔ)碼數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)[X]補(bǔ)=00101110B

正數(shù)所以：真值=0101110B

X=+46[X]補(bǔ)=11010010B

負(fù)數(shù)所以：真值不等于-1010010B而是：X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[11010010]補(bǔ)=-0101110=-46663.符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算通過引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。即：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)[X-Y]補(bǔ)=[X+(-Y)]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)注：運(yùn)算時(shí)符號(hào)位須對(duì)齊67[例]X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？[X]原=10110100[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100[Y]補(bǔ)=[Y]原=01110100[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[