第一章微機原理概述及文化基礎

主講教師：楊淑燕微機原理及應用課程說明★課程性質★

課程的目的與任務★

教材★

考核★

答疑與反饋意見課程

說明課程性質

該課程為機械設計及其自動化和測控技術及應用兩個專業(yè)的專業(yè)基礎課，為專業(yè)必修課。課程總學分為3分，總學時：48學時，其中：理論課學時：42學時；實驗學時：6學時。課程

介紹課程的目的與任務本課程以Intel8086CPU為核心，介紹16位微型計算機的系統(tǒng)組成、工作原理，匯編語言程序設計、常用I/O接口芯片的結構、編程及應用舉例，使學生在建立微型計算機工作的整體概念基礎上，掌握基本的微機接口技術、匯編語言程序設計方法，在此基礎上提高其軟硬件開發(fā)能力。教材

該課程教材為中國科學技術大學出版社出版的《微型計算機原理與接口技術》，由周荷琴吳秀清主編。

考核

作業(yè)及平時出勤占總成績的10％實驗占總成績的20％考試成績占總成績的70％答疑與反饋意見

答疑時間為每周三下午，地點為老圖書館樓機械電子與測控教研室；同學若有什么意見或建議請及時反饋，聯(lián)系方式為：Email：whfysy@163.com。主要內容

★第一章微型計算機概述★第二章16位微處理器8086cpu★

第三章存儲器及其擴展★

第四章8086匯編語言程序設計基礎★

第五章可編程I/O接口芯片8255A和8253★第六章中斷及其中斷控制器8259A第一章微型計算機概述1.1計算機的發(fā)展概述1.2微型計算機的特點和應用1.3微型計算機系統(tǒng)1.4計算機基礎知識

第一節(jié)計算機的發(fā)展概述1.1.1微電子器件的發(fā)展史1.1.2計算機的發(fā)展史1.1.3計算機編程語言的發(fā)展1.1微電子器件的發(fā)展史電子管特點：體積大、功耗高、壽命短、速度慢、可靠性差。半導體晶體管特點：體積小、功耗低、可靠性高。包括雙極型晶體管和場效應晶體管。集成電路芯片(IC:IntegratedCircuits)特點：速度快、體積更小、功耗更低、可靠性更高等。IC集成度的分類SSI（小規(guī)模集成電路） 晶體管數(shù)100個以下MSI（中規(guī)模集成電路） 晶體管數(shù)100～3000個LSI（大規(guī)模集成電路） 晶體管數(shù)3000～105個VLSI（超大規(guī)模集成電路） 晶體管數(shù)105～108個ULSI（甚大規(guī)模集成電路） 晶體管數(shù)108個以上 目前的P4集成度超過1081.2計算機的發(fā)展史電子管計算機（1946年到50年代后期）存儲器：延遲線、磁芯無高級語言，甚至沒有匯編器科學計算、為軍事與國防尖端科技服務沒有商業(yè)化晶體管計算機（50年代中期到60年代后期）磁芯存儲器，存儲量從幾千提高到10萬單元以上運算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次軍事與尖端技術、氣象、工程設計、數(shù)據(jù)處理以及其他科學研究等領域中、小規(guī)模集成電路集成電路計算機（從60年代中期到70年代前期）功耗、體積、價格等進一步下降。速度及可靠性相應的提高范圍進一步擴大大、超大規(guī)模集成電路計算機（70年代初至今）20世紀60年代后，半導體存儲器取代了磁芯存儲器，并不斷向大容量、高集成度、高速度發(fā)展。70年代初，出現(xiàn)微型計算機（PC）——以微處理器（MPU，單片IC的CPU）為核心的電子計算機。計算機進入了幾乎所有的行業(yè)。計算機發(fā)展過程中的重要里程碑1.第一臺電子數(shù)字計算機

1946年，ENIAC，美國賓夕法尼亞大學18800個電子管、1500個繼電器，重達30噸，占地170平方米。耗電150千瓦。運算速度為每秒5000次十進制加法運算或者400次乘法運算至多只能存20個10位的十進制數(shù)，無程序存儲器。ENIACENIACENIAC2.存儲程序概念的提出

以美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼為首的研制小組與參與研制ENIAC主要人員聯(lián)名發(fā)表了一篇長達101頁紙的報告，即計算機史上著名的“101頁報告”，提出了“存儲程序控制”的計算機結構(即馮·諾依曼機），奠定了現(xiàn)代計算機的體系結構。馮·諾依曼體系結構能把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中。（輸入）必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結果及最終運

算結果的能力。（存儲）能夠完成各種算術、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加

工處理的能力。（運算）能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機

器的各部件協(xié)調操作。（控制）能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。（輸出）

簡單講，微型計算機系統(tǒng)的工作過程是取指令(代碼)→分析指令(譯碼)→執(zhí)行指令的不斷循環(huán)的過程。馮·諾依曼體系結構組成3.第一臺存儲程序計算機

1949年在英國劍橋大學問世的EDSAC，由3000只電子管為主要元件的存儲結構的計算機。

1951年馮·諾依曼的EDVAC問世，總共只采用了2300個電子管，但運算速度卻比擁有18000個電子管的ENIAC提高了10倍。4.晶體管計算機的誕生1954年，貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的計算機（TRADIC），裝有800個晶體管。1958年，IBM公司制成了第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501型。計算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，主存儲器的存儲量，從幾千提高到10萬以上。1959年，IBM公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計算機IBM7090。5.第三代計算機的的著名代表

1964年，第一個采用集成電路的通用計算機系列IBM360系統(tǒng)研制成功，該系列有大、中、小型，共6個型號。

在1967年和1977年，分別出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。美國的ILLIAC-IV計算機，是第一臺全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計算機。6.使用超大規(guī)模集成電路的第四代計算機Intel系列CPU的發(fā)展，特別是1978年推出的808616位CPU，為微機的出現(xiàn)奠定了硬件基礎。1980年，IBM實行“開放”政策；采用Intel8088MPU、委托獨立軟件公司為它配置各種軟件。1981年8月12日，IBM在紐約宣布IBMPC個人電腦出世。7.微型計算機的出現(xiàn)計算機的發(fā)展方向計算機發(fā)展的四個方向：巨、微、網(wǎng)、智微型計算機的發(fā)展摩爾定律微處理器的發(fā)展摩爾定律

歌登·摩爾（GordonMoore）是Intel公司奠基者之一，他在1964年提出一個摩爾定率，摩爾定律說每18個月半導體集成電路里面晶體管的個數(shù)會翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18個月其性能會提升一倍。這個非常著名的摩爾定率，從1964年提出以來（盡管當時計算機集成電路芯片還沒有出現(xiàn)），到1971年Intel公司首次做出第一塊CPU4004芯片，再到現(xiàn)在，發(fā)展了大概三十多年?？梢园l(fā)現(xiàn)，CPU一直是遵循摩爾定理在發(fā)展的，后來到1995年歌登·摩爾對摩爾定理稍微修改了一下，原來是每一年半（18個月）后來改成兩年，也就是說每兩年芯片的集成度會提升一倍，特性提升一倍，但價格不變。

對Intel而言，IA-64是其下一個10~15年的架構。新的IA-64將使Intel擺脫x86架構的限制，從而設計出超越所有現(xiàn)有RISCCPU和x86CPU的新型處理器。IA-64處理器，具有64位尋址能力和64位寬的寄存器，所以被稱為64位CPU。芯片的容量每18-24個月增加一倍YearofIntroductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,000Intel386?processor1985275,000Intel486?processor19891,180,000Intel?Pentium?processor19933,100,000Intel?Pentium?IIprocessor19977,500,000Intel?Pentium?IIIprocessor199924,000,000Intel?Pentium?4processor200042,000,000Intel?Itanium?processor2002220,000,000Intel?Itanium?2processor2003410,000,000微處理器的發(fā)展4004(0.23萬個晶體管/50μ)/80088080(0.8萬/2μ)/80858086(2.9萬/1.5μ)/808880286/80386/80486(120萬/1μ)Pentium/PentiumPro/PentiumⅡPentiumⅢ/PentiumⅣ(4200萬/0.13μm)集成電路技術的發(fā)展是基礎高性能、低能耗、高速度、低成本Intel4004Intel8088IntelPentiumIntelPentiumⅡIntel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentiumIIIntelPentiumIIIIntelPentiumIV1.機器語言；2.編譯語言；3.高級語言；4.面向對象語言；5.基于規(guī)則的智能化語言。1.3計算機編程語言的發(fā)展微型計算機的特點和應用微型計算機的特點微型計算機的應用微型計算機的特點體積小、功耗低可靠性高、使用環(huán)境要求低系統(tǒng)外部芯片配套，系統(tǒng)設計靈活性能優(yōu)良、價格低廉微型計算機的應用無處不在科學計算信息處理計算機控制智能儀器計算機通訊家用電器CAD/CAM/CAI第二節(jié)微型計算機系統(tǒng)的三個層次微處理器內存I/O接口系統(tǒng)總線硬件軟件微型計算機系統(tǒng)微型計算機外設ALU控制部件寄存器鍵盤、鼠標顯示器軟驅、硬盤、光驅打印機、掃描儀系統(tǒng)軟件應用軟件微處理器嚴格講，微處理器≠CPUCPU指的是計算機中執(zhí)行運算和控制功能的區(qū)域，由算術邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要部分組成把CPU和一組稱為寄存器(Registers)的特殊存儲器集成在一片大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路封裝之中，這個器件才被稱為微處理器微型計算機以微處理器為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM）、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線等所組成的計算機，稱為微型計算機。將這些組成部分集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為中心，配以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構成了完整的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。運算器寄存器組控制器內部總線

內存儲器系統(tǒng)總線輸入輸出接口電路外圍設備系統(tǒng)軟件應用軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)運算器寄存器組控制器ROMIO端口IO端口系統(tǒng)軟件IO設備IO設備RAM系統(tǒng)總線微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)基本構成微處理器總線內存儲器輸入/輸出接口輸入/輸出設備及外存儲器8086計算機系統(tǒng)組成8086微處理器8087協(xié)處理器8288總線控制器62芯總線8259中斷控制器隨機存儲器RAM只讀存儲器ROM8253定時控制器8237DMA控制器8255并行接口控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址鎖存器數(shù)據(jù)收發(fā)器揚聲器接口8284時鐘發(fā)生器鍵盤接口系統(tǒng)配置開關4.1幾種進位計數(shù)制4.2各種數(shù)制之間的相互轉換4.3二進制數(shù)及其運算規(guī)則4.4計算機中數(shù)據(jù)的表示方法第四節(jié)計算機文化基礎

返回本章首頁4.1幾種進位計數(shù)制凡是按進位的方式計數(shù)的數(shù)制叫做進位計數(shù)制。數(shù)據(jù)無論使用哪種進位制都涉及到基數(shù)(Radix)與各數(shù)位的“權”(Weight)。例如：543.2＝5×102+4×101+3×100+2×10-1返回本節(jié)a：二進制(BinaryNotation)二進制的權為2，有兩個記數(shù)符號0和1例如：10110.11B＝1×24+0×23+1×22+1×101+0×100+1×10-1+1×10-2＝

22.75Db：八進制(OctalNotation)八進制的權為8，有8個記數(shù)符號0到7例如：35.71O＝3×81+5×80+7×8-1+1×8-2＝

Dc：十六進制(HexadecimalNotation)十六進制的權為16，可用數(shù)字符為0到9十個數(shù)字符，另外從A到F表示10到15這6個數(shù)值；例如：4CF1.0DEH＝4×163+12×162+15×161+1×160+0×16-1+13×16-2+15×16-3＝

Dd：二－十進制(Binary-CodedDecimal)這是一種用二進制編碼的十進制數(shù)，用二進制的記數(shù)符號的特殊組合來表示十進制數(shù)。例如：一個BCD數(shù)為01101001，該數(shù)從形式上看與二進制數(shù)沒有什么區(qū)別，如果將BCD數(shù)01101001按二進制位權展開為105D，而實際上它表示的是十進制數(shù)69。4.2幾種進位計數(shù)制之間的轉換4.2.1十進制整數(shù)到任意進制整數(shù)的轉換4.2.2任意進制整數(shù)到十進制整數(shù)的轉換3.2.3二進制與十六進制之間的轉換A：十進制整數(shù)轉換成二進制整數(shù)例如：將113.8125轉換成二進制整數(shù)

a.整數(shù)部分—除2取余逆排法（1110001）

b.小數(shù)部分—乘2取整順排法（1101）4.2.1．十進制數(shù)到任意進制數(shù)的轉換B：十進制整數(shù)轉換成八進制整數(shù)例如：將113.8125轉換成八進制整數(shù)a.整數(shù)部分—除8取余逆排法（161）

b.小數(shù)部分—乘8取整順排法（64）C：十進制整數(shù)轉換成16進制整數(shù)例如：將113.8125轉換成16進制整數(shù)a.整數(shù)部分—除16取余逆排法（71）

b.小數(shù)部分—乘16取整順排法（D）D：十進制整數(shù)轉換成BCD碼例如：將113.8125轉換成BCD碼依次將各位上的數(shù)值轉變成BCD碼即可，也不必考慮小數(shù)點113.8125＝000100010011.1000000100100101BCDa：二進制數(shù)轉換成十進制數(shù)b：八進制數(shù)轉換成十進制數(shù)c：十六進制數(shù)轉換成十進制數(shù)d：BCD數(shù)碼轉換成十進制數(shù)4.2.2任意進制數(shù)到十進制數(shù)的轉換

在計算機中，任何信息都必須用0和1的數(shù)字組合形式，即計算機存儲和處理的僅僅是二進制信息。一個二進制位稱為1個位bit；8個二進制位稱為1個Byte，也稱1個字節(jié)（8位）；2個字節(jié)稱為1個字Word（16位）。3.3二進制的表示與運算規(guī)則

算數(shù)運算

邏輯運算邏輯非（NOT）邏輯與（AND）邏輯或（OR）邏輯異或（XOR）

加法規(guī)則減法規(guī)則乘法規(guī)則二進制的運算2、二進制數(shù)的運算（1）、算術運算 加法規(guī)則：“逢2進1” 減法規(guī)則：“借1當2” 乘法規(guī)則：“逢0出0，全1出1”（2）、邏輯運算 邏輯非（NOT）運算： 0—1，1—0

邏輯與（AND）運算

0AND0=0 0AND1=0 1AND0=0 1AND1=1

邏輯或（OR）運算 0OR0=0 0OR1=1 1OR0=1 1OR1=1

邏輯異或（XOR）運算，又稱“模2和”運算 0XOR0=0 0XOR1=1 1XOR0=1 1XOR1=0日常生活中遇到的數(shù)除上述的無符號數(shù)外，還有帶符號數(shù)。數(shù)的符號在計算機中也用二進制表示，通常用二進制的最高位表示數(shù)的符號。把一個數(shù)及其符號在機器中的表示加以數(shù)值化，這樣的數(shù)稱為機器數(shù)，而機器數(shù)所代表的數(shù)稱為該機器數(shù)的真值。返回本節(jié)3.4計算機中數(shù)據(jù)的表示方法例如：N1=+1011011B＝91N2=-1011011B=-91機內表示：

N1=01011011N2=11011011機器數(shù)常用的有原碼、反碼和補碼表示法。返回本節(jié)3.4計算機中數(shù)據(jù)的表示方法數(shù)據(jù)的最高位用來表示符號,稱為符號位,符號位為0表示正數(shù),符號位為1表示負數(shù),其余位為數(shù)值位,用數(shù)據(jù)的絕對值表示。舉例：(1)X=+85,X原=01010101(2)X=-85,X原=11010101返回本節(jié)1.原碼D7

D6D5D4D3D2D1D0符號位數(shù)的大小0 正數(shù)1 負數(shù)原碼的特點：(1)數(shù)值部分即為帶符號的二進制數(shù)的絕對值(2)“0”有+0

和

0之分(+0)原=00000000B(0)原=10000000B(3)n位二進制原碼數(shù)表示的范圍1111,1111B~01111111B即127~+127－2n－1＋1~+2n－1－1若n=8，即8位二進制原碼數(shù)表示的范圍為[+4]原=[+4]反=00000100B[4]原=10000100B正數(shù)的反碼與其原碼相同。負數(shù)的反碼：符號位不變，數(shù)字位按位取反。[4]反=11111011B[+127]原=[+127]反=01111111B[127]原=11111111B[127]反=10000000B2.反碼反碼的特點：(1)反碼的真值（以八位二進制反碼為例）：[X]反=1000,0000BX=

127＝11111111[X]反=0111,1111BX=+127＝01111111例：正數(shù)的真值與原碼相同。負數(shù)的真值：先將反碼連同符號位求反，求得 的值前加一負號。D7=0,真值為+(D6D5D4D3D2D1D0)即：D7=1,真值為(D7D6D5D4D3D2D1D0)

(2)“0”有0和0之分[+0]反=00000000B,[0]反=11111111B(3)n位二進制反碼數(shù)表示的范圍10000000B~01111111B即127~+127－(2n－1－1)~+2n－1－1若n=8，即8位二進制反碼數(shù)表示的范圍為3.補碼

引入補碼的概念是在于將加、減運算簡化為單純的相加運算。正數(shù)的補碼與其原碼相同。負數(shù)的補碼：符號位不變，數(shù)字位取反最低位加1，也即反碼+1。[+4]原=[+4]補=00000100B[4]原=10000100B[4]反=11111011B[127]原=11111111B[127]反=10000000B[4]補=11111100B[127]補=10000001B補碼的特點：(1)補碼的真值（以八位二進制補碼為例）：[X]補=10000001BX=-(01111110+1)B=127=11111111B

[X]補=01111111BX=+127＝01111111B例：正數(shù)的真值與原碼相同。負數(shù)的真值：連同符號位求反加1，在求得 的值后，加一負號。(2)對0，補碼只有一種表示方法(3)n位二進制補碼數(shù)表示的范圍10000000B~01111111B即128~+127[+0]補=[0]補=00000000B－2n－1~+2n－1－1若n=8，即8位二進制補碼數(shù)表示的范圍為例:計算x=34683468=34+(68)[x]補=[34]補+[68]補0010001010111100+11011110[34]補[68]補[34]補若用原碼計算x=3468x=34+(68)0010001011000100+11100110[34]原[68]原[x＝102]原

可以看出，補碼運算可以把減法轉化為加法，而且符號位與數(shù)字位一起參加運算，并能自動獲得正確結果。因此，在微機中，帶符號數(shù)都是用補碼表示的，運算結果也用補碼表示。錯誤!!!返回本節(jié)3.5計算機中字符的表示方法ASCII碼表

所謂ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），即美國標準信息交換碼。它將數(shù)字0－9，字母A-Z和a-z以及一些運算符號等(共128個，ASCII值從00H到7FH)字符按標準進行二進制編碼。返回本節(jié)第1章教學要求1.

了解微處理器及微機的發(fā)展及應用

；1.

掌握計算機系統(tǒng)的三個層次

；3.掌握計算機中數(shù)據(jù)的表示方法及數(shù)制之間的相互轉換。習題1.試用框圖解釋微型計算機系統(tǒng)的三個層次。2.將下列十進制數(shù)分別轉換成二進制、八進制、十六進制數(shù)和BCD數(shù)：113.8125351.518完成下列運算（要求結果用十進制數(shù)表示）

101B+1.01B＝？-1011.01101B-1.1001B＝？

11.AH+8D2.8FH=?4C.1DH-E2D.FH=?習題4.按大小排列下面幾個數(shù)的大小是____________(01A5)H、(110101010)B、(259)D、(3764)O

5.試寫出下列十進制數(shù)的原碼、反碼和補碼（要求用8位二進制數(shù)表示，最高位為符號位）。13、120、-35、-127習題6.

11000110為二進制原碼，該數(shù)的真值為______A：-70B：+70C：-198D：+1987.

11000110為二進制補碼，該數(shù)的真值為______A：+198B：-198C：+58D：-58習題8.在機器數(shù)的三種表示方法中，哪種方式零的表示形式是唯