微型計算機系統概述學時

微型計算機系統概述學時第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日教材參考書《微型計算機原理與接口技術》（第2版）

尹建華主編高等教育出版社2008.1《微機原理與接口技術》

徐惠民主編高等教育出版社2007.8第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日考核方式：考查成績構成：

試卷成績（60%）平時成績（40%）包括考勤、作業(yè)、提問等

課程考核方式第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日微型計算機系統概述微處理器半導體存儲器微型機總線及輸入/輸出接口中斷控制器（8259A）

DMA控制器（8237A）定時計數控制器（8253-5/8254-2）并行接口（8255A）串行接口（8251A）課程內容第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一章

微型計算機系統概述

本章學習目標了解微型計算機的發(fā)展、應用及其分類掌握計算機數據的表示掌握計算機的組成結構理解微型計算機的工作過程第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1微型計算機的發(fā)展、應用及其分類

1、1、1微機計算機的發(fā)展1971年，美國Intel公司研究并制造了4004微處理器芯片。該芯片能同時處理4位二進制數，集成了2300個晶體管，每秒可進行6萬次運算，成本約為200美元。它是世界上第一個微處理器芯片，以它為核心組成的MCS-4計算機，標志了世界第一臺微型計算機的誕生。微機概念：以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路構成的微處理器作為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路及系統總路線所組成的計算機。劃分階段的標準：以字長和微處理器型號。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一代4位和低檔8位機Intel4004第二代中高檔8位機8080/8085、Z80、MC6800第三代16位機Intel8086、Z8000、MC6800第四代32位機80386、80486第五代64位機IntelPentium（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-1992）（1993后）發(fā)展特點：1、速度越來越快。2、容量越來越大。3、功能越來越強。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1、2微型計算機的應用1、科學計算和科學研究計算機主要應用于解決科學研究和工程技術中所提出的數學問題（數值計算）。

2、數據處理

（信息處理）主要是利用計算機的速度快和精度高的特點來對數字信息進行加工。3、工業(yè)控制

用單板微型計算機實現DDC級控制，用衛(wèi)星計算機實現監(jiān)督管理控制，用高檔微型計算機實現SCC或底層MIS管理已屢見不鮮。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、計算機輔助系統

計算機輔助系統主要有計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機集成制造（CIMS）等系統。

5、人工智能

人工智能主要就是研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學科，包括智能機器人，模擬人的思維過程，計算機學習等等。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能行為的計算系統。其研究領域主要包括：機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、1、3微型計算機的分類按應用對象分為：1、單片機：又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括的講：它主要是將微處理器、部分存儲器、輸入輸出接口都集成在一塊集成電路芯片上，一塊芯片就成了一臺計算機2、單板機：將計算機的各個部分都組裝在一塊印制電路板上，包括微處理器/存儲器/輸入輸出接口，還有簡單的七段發(fā)光二極管顯示器、小鍵盤、插座等。功能比單片機強，適于進行生產過程的控制?？梢灾苯釉趯嶒灠迳喜僮鳎m用于教學。

3、PC機（PersonalComputer）:面向個人單獨使用的一類微機，實現各種計算、數據處理及信息管理等。第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2計算機中數據的表示和編碼

計算機中的數據都是采用二進制形式存儲和處理的，二進制數只有兩個數字0和1，這與我們日常生活中所使用的十進制數是不同的。

1、2、1計算機中常用的進制數

人們最常用的數是十進制數，計算機中采用的是二進制數，同時有的時候為了簡化二進制數據的書寫，也采用八進制和十六進制表示方法。下面將分別介紹這幾種常用的進制。

1、十進制數

十進制數是大家熟悉的，用0，1，2，…，8，9十個不同的符號來表示數值，它采用的是“逢十進一，借一當十”的原則。

第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、二進制表示法

基數為10的記數制叫十進制；基數為2的記數制叫做二進制。二進制數的計算規(guī)則是“逢二進一，借一當二”。

二進制表示數值方法如下：

NB=±Ki*2i其中：Ki=0或1ni=-m例：二進制數1011.1表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20

+1*2-1第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日運算規(guī)則：加法運算：0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二進一）減法運算：0-0=010-1=1（借位）1-0=11-1=0乘法運算：0*0=00*1=01*0=01*1=1除法運算0/1=01/1=1第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、八進制表示法

八進制數是基數為八的計數制。八進制數主要采用0，1，2，…，7這八個阿拉伯數字。八進制數的運算規(guī)則為“逢八進一，借一當八”。八進制表示數值方法如下：

NO=±Ki*8i其中：Ki=0、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（467.6)O=4*82

+6*81

+7*80+6*8-1第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、十六進制表示法

基數為16，用0-9、A-F十五個字符來數值，逢十六進一。各位的權值為16i。二進制表示數值方法如下：

NH=±Ki*16i其中：Ki=0-9、A-Fni=-m例：（56D.3)H=5*162

+6*161+13*160+3*16-1第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、2進制間的轉換1、二進制數和十進制數之間的轉換（1）、二進制數轉換為十進制數方法：按二進制數的位權進行展開相加即可。例:11101.101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875

第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）、十進制數轉換為二進制數方法：A、將整數部分和小數部分分別進行轉換，然后再把轉換結果進行相加。B、整數轉換采用除2取余法：用2不斷地去除要轉換的數，直到商為0。再將每一步所得的余數，按逆序排列，便可得轉換結果。C、小數轉換采用乘2取整法：每次用2與小數部分相乘，取乘積的整數部分，再取其小數部分乘2直到小部分為0。將所取整數順序放在小數點后即為轉換結果。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（136）D轉換為二進制數。

2136余數（結果）低位

268----------0234----------0217----------028----------124----------022----------021----------00----------1高位轉換結果：（136）D=（10001000）B第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（0.625)D轉換為二進制數。0.625*2

1.25*2

0.5*2

1.0

取整：高位低位轉換結果：(0.625)D=(0.101)B第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、二進制數和八進制數、十六進制數間的轉換（1）、二進制數到八進制數、十六進制數的轉換A、二進制數到八進制數轉換采用“三位化一位”的方法。從小數點開始向兩邊分別進行每三位分一組，向左不足三位的，從左邊補0；向右不足三位的，從右邊補0。B、二進制數到十六進制數的轉換采用“四位化一位”的方法。從小數點開始向兩邊分別進行每四位分一組，向左不足四位的，從左邊補0；向右不足四位的，從右邊補0。例：將(1000110.01)B轉換為八進制數和十六進制數。

1

000110.01001

000110.010

(106.2)O第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日二進制數到十六進制數的轉換：（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100(46.4)H（2）、八進制、十六進制數到二進制數的轉換方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按順序寫出每位八進制（十六進制）數對應的二進制數，所得結果即為相應的二進制數。例：將(352.6)o轉換為二進制數。

352.6011101010110=(11101010.11)B第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、3數的定點與浮點表示對R進制數NR=±S*R±E，可以有很多表示方法。如：十進制數：256.78可以有：256.78、2567.8*10-1、0.25678*103

、2.5678*102等。1、定點數表示法一般采用兩種簡單的約定：定點整數和定點小數。

（1）、定點整數A、帶符號整數：某個N位二進制數，其最高位為符號位，其它N-1位為數值部分：

NfNn-2Nn-3……N2N1N0符號位

數值部分

小數點第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日B、無符號整數：所有的數位都用來表示數值。

Nn-1Nn-2Nn-3……N3N2N1N0

數值部分小數點（2）、定點小數用最高位表示符號，其它N-1位表示數值部分，將小數點定在數值部分的最高位左邊。

NfNn-2Nn-1……N2N1N0符號位

數值部分

小數點

第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、浮點數表示浮點數：小數點在數據中的位置可以左右移動。

N=±S*R±E在計算機內，存儲的格式：

EfE(m位)

SfS(n位)

階碼部分

尾數部分其中：Ef：階碼，表示階碼的符號

E：階碼，指出小數點的位置

Sf：數碼，數值的符號位

S：尾數，決定數值的精度第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：將（-320)D表示成浮點數。N=-320=2^6*(-5)，浮點描述為：N=2^(110)*(-101);若浮點數的階碼和位數都規(guī)定用4位定點整數原碼表示，則-320的浮點數為：01101101EfESfS第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、4機器數的表示機器數：數值數據在計算機中的編碼。機器數的真值：機器數所代表的實際數值。常用的編碼方案：原碼、反碼、補碼。1、原碼表示碼原碼：用最高位表示符號，其中：0----正、1----負，其它位表示數值的絕對值。2、反碼表示法反碼：最高一位表示符號，數值位是對負數取反。[+1100111]反=01100111[-1100111]反=10011000第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、補碼表示法正數的補碼和原碼相同。負數的補碼=反碼+1。補碼的重要性質：一個數的補碼，經過兩次求補運算可以還原，即：[X]補，取反加1后得到[-X]補，再取反加1后得到[X]補。

補碼的這個性質在加減運算中很有用，可以將補碼減法變成加法，使加減運算進一步簡化為僅僅只有加法運算。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日一個例子：X=34-68=-34[X]補=[34]補+[-68]補

=00100010B+10111100B=11011110B=[-34]補第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、2、5計算機中常用的編碼1、ASCII碼

美國標準信息交換（AmericanStandardCardforInformationInterchange，ASCII碼）。它是計算機中使用最普遍的7位字符編碼，可以表示128個字符，包括數字、運算符、大/小寫英文字母等可打印字符，以及回車、換行、響鈴等控制字符。

2、BCD碼

BCD碼是一種用4位二進制數字來表示一位十進制數字的編碼，也成為二進制編碼表示的十進制數（BinaryCodeDecimal），簡稱BCD碼。第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

BCD碼有兩種格式：（1）壓縮BCD碼格式（PackedBCDFormat）

用4個二進制位表示一個十進制位，就是用0000B-1001B來表示十進制數0-9。例如：十進制數4256的壓縮BCD碼表示為：0100001001010110B（2）非壓縮BCD碼格式（UnpackedBCDFormat）

用8個二進制位表示一個十進制位，其中，高四位無意義，我們一般用xxxx表示，低四位和壓縮BCD碼相同。例如：十進制數4256的非壓縮BCD碼表示為：

xxxx0100xxxx0010xxxx0101xxxx0110B

1、3微型計算機的一般概念

第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、1中央處理器的組成中央處理器（CPU）由運算器、控制器、寄存器組、片內總線等組成。1、運算器：計算機中加工和處理數據的功能部件。功能：（1）、對數據進行加算術和邏輯運算，如加、減、乘、除、與、或、非、異或運算等。 （2）、暫時存放參與運算的數據和中間結果。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、控制器：控制和指揮計算機內各功能部件協同動作，完成計算機程序功能。由程序計數器（IP）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）和時序信號發(fā)生器組成。（1）、程序計數器（IP）：程序指令所在單元地址。（2）、指令寄存器（IR）：保存當前正在執(zhí)行的一條指令。（3）、指令譯碼器（ID）：將指令的操作碼翻譯成機器能識別的命令信號。（4）、時序信號發(fā)生器：根據指令譯碼器（ID）產生的命令信號產生具體的控制信號。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.寄存器陣列

包括一組通用寄存器組（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI）和專用寄存器(CS、SS、DS、ES、IP、FR)。通用寄存器用于暫存參加運算的一個操作數，例如數據寄存器可以用來存放8位或16位的二進制操作數。這些操作數可以是參加操作的數據，操作的中間結果，也可以是操作數的地址，大部分算術和邏輯運算指令都可以使用這些數據寄存器。專用寄存器通常有指令指針I(yè)P或程序計數器PC和堆棧指針SP等

第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、2微型計算機的硬件組成ABDBCBCPU

存儲器I/O接口外設（微型計算機硬件組成框圖）第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、微處理器微處理器（CPU）是大規(guī)模集成電路技術做成的芯片，芯片內集成有控制器、運算器和寄存器等相關部件，完成對計算機系統內各部件進行統一協調和控制。2、存儲器功能：存放程序和數據。存儲器內存（主存）外存（輔存）RAMROMSRAMDRAMROMEPROME2PROM軟盤、硬盤、光盤第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、I/O設備和I/O接口（1）、I/O設備：微機配備的輸入/輸出設備（外設）。標準輸入/輸出設備（控制臺）：鍵盤和顯示器（CRT）。I/O設備輸入設備輸出設備鍵盤鼠標掃描儀、數碼相機顯示器打印機繪圖儀第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）、I/O接口：連接外設備和系統總線，完成信號轉換、數據緩沖、與CPU進行信號聯絡等工作。顯示器卡：完成顯示器與總線的連接。聲卡：完成聲音的輸入/輸出。網卡：完成網絡數據的轉換。掃描卡：連接掃描儀到計算機。調制解調器卡：模擬信號與數字信號相互轉換。鍵盤接口、打印機接口等。232接口：串行數據接口。USB接口：通用串行接口。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、系統總線（1）、總線：傳遞信息的一組公用導線。（2）、系統總線：從處理器引出的若干信號線，CPU通過它們與存儲器或I/O設備進行信息交換。系統總線分為：（A）、地址總線：傳遞地址信息的總線，即AB。CPU在地址總線上輸出將要訪問的內存單元或I/O端口的地址，該總線為單向總線。內存容量的計算：16條地址線可訪問216=64KB。

20條地址線可訪問220=1MB。

1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB

第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日（B）、數據總線：傳遞數據信息的總線，即DB。在CPU進行讀操作時，內存或外設的數據通過數據總線送往CPU；在CPU進行寫操作時，CPU數據通過數據總線送往內存或外設，數據總線是雙向總線。（C）、控制總線：傳遞控制信息的總線，即CB。控制總線的方向：一部分是從CPU輸出：通過對指令的譯碼，由CPU內部產生，由CPU送到存儲器、輸入/輸出接口電路和其它部件。如時鐘信號、控制信號等。另一部分是由系統中的部件產生，送往CPU，如：中斷請求信號、總線請求信號、狀態(tài)信號。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日控制總線的部件（總線主控設備）：

CPU和DMA控制器。被總線控制的部件（總線控制設備）：

存儲器和I/O設備?？偩€的使用特點：1、在某一時刻，只能由一個總線主控設備來控制總線，其它總線主控設備此時必須放棄對總線的控制。2、在連接系統的各個設備中，在某一時刻只能有一發(fā)送者發(fā)送信號，但可以有多個設備從總線上同時獲得信號。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、3微型計算機系統的組成一個微型計算機系統包括硬件系統和軟件系統。硬件和軟件的結合，才能使計算機正常工作運行。

計算機硬件系統是一個為執(zhí)行程序建立物質基礎的物理裝置，稱為硬件或裸機。

計算機軟件系統指為運行、管理、應用、維護計算機所編制的所有程序及文檔的總和。依據功能的不同，軟件分為系統軟件（操作系統、程序設計語言、語言處理程序、數據庫管理程序、系統輔助處理程序等）和應用軟件（Office、Photoshop、QQ、Matlab等）兩大類。

第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、3、4微型計算機的工作過程在進行計算前，應做如下工作：（1）、用助記符號指令（匯編語言）編寫程序（源程序）；（2）、用匯編軟件（匯編程序）將源程序匯編成計算機能識別的機器語言程序；（3）、將數據和程序通過輸入設備送入存儲器中存放。完成5+6=？的程序：MOVAX，05H/B0H05H

；把05送入累加器AXADDAX，06H/04H06H

；06與AX中內容相加，結果存入累加器AHLT/F4H

；停止所有操作。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、取指令階段的執(zhí)行過程：（設程序從00H開始存放）（1）、將程序計數器（PC或IP）的內容送地址寄存器AR。（2）、程序計數器PC的內容自動加1變?yōu)?1H，為取下一條指令作好準備。（3）、地址寄存器AR將00H通過地址總線送至存儲器地址譯碼器譯碼，選中00H單元。（4）、CPU發(fā)出“讀”命令。（5）、所選中的00單元的內容B0H讀至數據總線DB上。（6）、經數據總線DB，讀出的B0H送至數據