微機原理課件

第1章微型計算機原理基礎(chǔ)學(xué)問《新編微機原理與應(yīng)用》—中國電力出版社2014/066662微機原理及應(yīng)用

任課老師:王敏

辦公地點:自動化學(xué)院4D507

郵箱:wangmin@

2014/066663課程考核組成和方法考勤5分：每曠課一次扣一分，遲到/早退一次0.5分，扣完為止。作業(yè)5分：每次交1/3左右，不定具體數(shù)量和人，隨機抽查，每周其次次課交作業(yè)，不交者一次扣一分，晚交者一次扣0.5分，扣完為止，發(fā)覺雷同作業(yè)扣0.5分。試驗20分（由試驗老師給出）考試占70%2014/066661.1概述§1.1.1計算機的發(fā)展歷史1、計算機科學(xué)之父、英國著著名數(shù)學(xué)家阿蘭·麥席森·圖靈，于1939年提出著名的“圖靈機”設(shè)想。2、計算機之父馮·諾依曼，于1946年提出“存儲程序限制”的現(xiàn)代計算機體系，即著名的馮.諾依曼計算機體系。計算機發(fā)展，在短短的幾十年里，閱歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和大規(guī)模集成電路計算機。2014/06666電子管計算機1945年第一代電子計算機（ENIAC）在美國研制成功。運用了18800個電子管，重30噸，占地150平方米，耗電150千瓦，每秒完成5000次加法運算。晶體管計算機

集成電路計算機2014/06666大（超大）規(guī)模集成電路計算機人工智能計算機（神經(jīng)計算機，尚在研制）內(nèi)存PCI插槽2014/06666§1.1.2

微型計算機的發(fā)展歷史第一代4位或8位低檔微處理器1970年大規(guī)模集成電路（LSI）研制成功，1971年在美國硅谷第一塊通用微處理器Intel4004誕生，從而開創(chuàng)了微型計算機的新時代。其次代中高檔8位微處理器Intel8085、Z80和MC6809等，均為8位微處理器，具有16位地址總線，可尋址64K個存儲單元。2014/06666第三代8086/8088—16位機8086數(shù)據(jù)線16位8088數(shù)據(jù)線8位（準(zhǔn)16位機）內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣第四代80386/80486—32位機接受HMOS或CMOS工藝，集成度高達(dá)100萬個晶體管/片，具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。段頁式管理，提高內(nèi)存運用率。2014/06666第五代奔騰處理器—32位機（1993年）Pentium“奔騰”廢棄了三總線，接受南北橋芯片組、PCI總線、多媒體信息處理。內(nèi)部接受超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。第六代core系列處理器—雙核32位機（2006年）

雙核技術(shù)，2006年Intel公司推出32位全新Core架構(gòu)的Core型微處理器。2014/06666應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)主機外存儲器（磁帶、磁盤和光盤等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機等）輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)等）外圍設(shè)備系統(tǒng)總線輸入/輸出接口電路內(nèi)存儲器微處理器（CPU）運算器（算術(shù)邏輯部件ALU）控制器（控制部件CU）寄存器陣列（RA）硬件系統(tǒng)1.2微型計算機系統(tǒng)2014/06666微型計算機系統(tǒng)的組成可分為微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)三個層次。運算器限制器寄存器組內(nèi)存儲器總線輸入/輸出接口外部設(shè)備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)§1.2.1

微型計算機主機組成2014/06666存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線DB限制總線CBI/O接口微型計算機的概念結(jié)構(gòu)2014/06666總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中各部件“掛”在總線上。主機結(jié)構(gòu)突出特點是模塊化結(jié)構(gòu)。CPU地址譯碼電路I/O設(shè)備RAMROM地址信息片選信號I/O接口DBABCB2014/066661.微處理器MPU(微處理器)微機的核心部件，主要由運算器、限制器和寄存器組構(gòu)成。

運算器（ALU）—主要負(fù)責(zé)算術(shù)運算和邏輯運算。限制器（CU）—指令寄存器、指令譯碼器和限制電路組成。并按指令的要求對微機各部件發(fā)出相應(yīng)的限制信息。

嵌入系統(tǒng)中與其他電路及芯片組合稱為CPUMPU(微處理器)

工作寄存器組—暫存尋址和計算過程的信息.

地址寄存器——地址寄存器用于操作數(shù)的尋址。

數(shù)據(jù)寄存器——數(shù)據(jù)寄存器用來暫存操作數(shù)和中間運算結(jié)果。2014/066662．內(nèi)存儲器（主存）例如:0100

1101B用于“記憶”信息的存儲元件，均接受集成度高，容量大，體積小，功耗低的半導(dǎo)體存儲器芯片。1）存儲單元：字節(jié)（Byte)基本單位，8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個字節(jié)。

2）存儲地址

一個字節(jié)數(shù)據(jù)空間稱為一個存儲單元，其中每一位稱為1Bit。微機的存儲器是由很多存儲單元集合而成，每一個存儲單元唯一的對應(yīng)一個單元地址，也稱為存儲器的物理地址，微機中的地址一般都用十六進(jìn)制表示，如30H。2014/06666存儲器：用于存放程序代碼及有關(guān)數(shù)據(jù)AB

地址譯碼器地址

內(nèi)容0001020304

FF00單元01單元02單元03單元FF單元11010011101000100010011010011101::11100001控制CBDB2014/06666

CPU執(zhí)行訪問內(nèi)存的指令時，按指定的單元地址對相應(yīng)存儲單元進(jìn)行“讀、寫”操作。存儲單元讀寫取數(shù)存數(shù)存儲器容量（s）=存儲單元數(shù)（p）×數(shù)據(jù)位數(shù)（i）

1024B=1KB1024KB=1MB1024MB=1GB1024GB=1TB2014/066663.總線依據(jù)傳送信息的內(nèi)容與作用不同，總線分為：傳送信息的公共導(dǎo)線

①

數(shù)據(jù)總線DB：雙向傳輸數(shù)據(jù)信息

其寬度（根數(shù)）與MPU供應(yīng)的數(shù)據(jù)線的引腳數(shù)有關(guān)，表示微機的字長。②限制總線CB：傳送各種限制信號和狀態(tài)信號，單向傳送。③地址總線AB：CPU執(zhí)行指令時，用于單向傳送地址信息。地址信息

操作數(shù)在存儲器中的地址信息指令代碼在存儲器中的地址信息2014/06666AB的寬度確定了微機系統(tǒng)的最大尋址實力最大尋址空間=2N

，其中N為AB的寬度51單片機N=16最大尋址空間=216=65536B=64KB8086/8088CPUN=20最大尋址空間220=1MB例：2014/066664.地址譯碼電路凡是“掛”在總線上部件都被系統(tǒng)支配一個地址域，CPU訪問時，由指令供應(yīng)被訪問部件的地址信息，該地址信息經(jīng)地址譯碼電路譯碼后唯一的產(chǎn)生一個選通信號（稱片選信號），將被選中的部件“門”打開，使得數(shù)據(jù)得以傳輸。5．接口接口是主機與外設(shè)連接的必定通路，是必經(jīng)的“橋梁”。每個接口可包含若干個端口，每個端口對應(yīng)一個端口地址，可由指令按地址訪問端口。2014/066661.字長

8086/8088CPU內(nèi)部寄存器為16位，所以字長為16位，稱為16位機；80386、80486、80586（pentium）字長均為32位，故均稱為32位機。§1.2.2微型計算機的主要性能指標(biāo)

字長越長的微機，其運算速度越快，數(shù)的表示范圍越寬，數(shù)據(jù)的運算精度越高，機器的整體功能越強。

2.存儲器容量

存儲二進(jìn)制信息的基本單位是位（b）。一般把8個二進(jìn)制位組成的基本單元為字節(jié)（B）。微機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量。

1024B=1KB1024KB=1MB（兆字節(jié)）1024MB=1GB（吉字節(jié)）1024GB=1TB（太字節(jié)）2014/066663.運算速度

微機的運算速度一般用每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)來表。4.系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線的性能主要表現(xiàn)為它所支持的數(shù)據(jù)傳送位數(shù)和總線工作時鐘的頻率。數(shù)據(jù)傳送位數(shù)越多，總線工作時鐘頻率越高，則系統(tǒng)總線的信息吞吐率就越高，微機系統(tǒng)的性能就越強。5.外設(shè)擴展實力外設(shè)擴展實力是指微機系統(tǒng)配接各外部設(shè)備的可能性、靈敏性和適應(yīng)性。6.軟件配置狀況2014/06666數(shù)值所運用數(shù)碼的個數(shù)稱為基；每一位所具有的值稱為權(quán)。1.3

微型計算機中數(shù)制和數(shù)的表示§1.3.1數(shù)制十進(jìn)制的基為“10”，即它運用的數(shù)碼為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9共有10個。十進(jìn)制各位的權(quán)是以10為底的冪，用“D”表示。二進(jìn)制的基為“2”，即其運用的數(shù)碼為0、1共兩個，用“B”表示。2014/06666十六進(jìn)制的基為“16”，即其數(shù)碼共有16個：0，1，2，3，4，5，6，7，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)。權(quán)為以16為底的冪，后綴“H”。2014/06666§1.3.2數(shù)制的轉(zhuǎn)換方法1、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)整數(shù)部分與小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換例1-1：57D=111001B=71Q=39H5728…12222214…07…03…11…10…185787…10…71657163…90…3高低2除基數(shù)取余數(shù)2014/06666例1-2：十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)（小數(shù)部分）0.625D=0.101B=0.5Q=0.AH0.625*2=1.25…1

0.25*2=0.5…0

0.5*2=1…10.625*8=5…50.625*16=10…A乘基數(shù)取整數(shù)57.625D=111001.101B=39.AH高低十進(jìn)制小數(shù)要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)，則要實行“乘2取整法”（乘以基數(shù)正序取整）。2014/066662、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)按權(quán)綻開求和2014/066663、十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)（四位一組）分組時,如位數(shù)不夠，整數(shù)部分在最左邊補零，小數(shù)部分在最右邊補零十六進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)（一位對應(yīng)換成二進(jìn)制數(shù)四位）例：把1101111100011.10010100B轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)1101111100011.100101000001BE3942014/066661、機器數(shù)和真值例：01001100B為機器數(shù)。真值為+76§1.3.3計算機中數(shù)的表示機器數(shù)—一個數(shù)在計算機中的表示形式。真值—即為該機器數(shù)的實際算術(shù)值。2、機器數(shù)的二進(jìn)制表示

機器數(shù)可分為無符號數(shù)和有符號數(shù)。無符號數(shù)只能表示0和正數(shù)，有符號數(shù)能表示正數(shù)、負(fù)數(shù)和0。2014/066661）無符號數(shù)的表示法一個二進(jìn)制數(shù)N可以表示為如下形式：其中，n為二進(jìn)制數(shù)N整數(shù)部分的位數(shù)；m為二進(jìn)制數(shù)N小數(shù)部分的位數(shù)；Bi為二進(jìn)制數(shù)字符號0或1。2）帶符號數(shù)的表示法例如，當(dāng)n=8時，[+1]原=00000001B，[+127]原=01111111B[-1]原=10000001B，[-127]原=11111111B例如：1101.1B=1×23+1×22+0×20+1×2-1。2014/066663、有符號二進(jìn)制數(shù)的定點和浮點表示定點機：用定點表示的微機（51單片機)

定點法表示整數(shù)，浮點法表示實數(shù)。浮點機：用浮點表示的微機（PC機)1）定點表示純整數(shù)形式

純小數(shù)形式

定點機中通常接受純整數(shù)形式，以8位機為例，用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個純整數(shù)，格式如下：符號Pf為符號位：0—正數(shù)，

1—負(fù)數(shù)2014/06666在微機中，對于帶正、負(fù)號的數(shù)，其符號被數(shù)碼化了，這種表示數(shù)據(jù)的形式稱為機器數(shù)。2014/066662）浮點表示（必需帶小數(shù)點）對于隨意一個二進(jìn)制數(shù)N總可以表示為：N=S×2P其中S是數(shù)N的尾數(shù)，P是數(shù)N的階碼。格式如下：Pf為階碼的符號位，0—正，1—負(fù)Sf為尾數(shù)的符號位，0—正，1—負(fù)例：若有二進(jìn)制數(shù)0.0011010B，規(guī)格化后的形式為：注：規(guī)格化后尾數(shù)超出三位小數(shù)部分自動舍去，所以用浮點數(shù)表示有可能產(chǎn)生誤差=0.11010×2–10B2014/066661）原碼數(shù)x的原碼記作[x]原，如機器字長為n，則原碼定義如下：

4、定點數(shù)的三種編碼2）反碼數(shù)x的反碼記作[x]反，如機器字長為n，反碼定義如下：3）補碼

數(shù)x的補碼記作[x]補，如機器字長為n，補碼定義如下：2014/066665、補碼與真值之間的轉(zhuǎn)換

求補運算是將一個二進(jìn)制數(shù)按位求反加1的運算。

例：求下列數(shù)的補碼。①設(shè)x=+127D，求[x]補。x=01111111B。[x]補=[+127]補=01111111B。②設(shè)x=-127D，求[x]補。對[x]補進(jìn)行求補運算便可得到[-x]補。因此，[x]補=[-127]補=+1=+1=10000001B。2014/06666例：求以下補碼的真值。①設(shè)[x]補=01111110B，求x的真值。該補碼的最高位為“0”，該補碼對應(yīng)的真值是正數(shù)。

x=[x]補=01111110B=+126D。②設(shè)[x]補=10000010B，求x。該補碼的最高位為“1”，真值是負(fù)數(shù)，其確定值為：|x|=+1=B+1=01111110B=+126D則x=-126D。2014/06666§1.4.1ASCII碼ASCⅡ碼是美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，有兩種版本。7位二進(jìn)制數(shù)表示一個字符，早期用于電信行業(yè)，后被移植入微機，可表示128個字符。問題：對于一些數(shù)據(jù)、字符、漢字等信息在微機中如何表示？1.4

計算機中的常見編碼96個圖形字符10個十進(jìn)制數(shù)字52個英文字符34個其他字符ASCⅡ碼表中:

A～Z

的ASCⅡ編碼是41H～5AH

a～z

的ASCⅡ編碼是61H～7AH

0～9

的ASCⅡ編碼是30H～39H

2014/066662014/06666在微機中用二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)制數(shù)的方法很多，常用的有8421BCD碼，即用四位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)，因組成它的4位二進(jìn)制數(shù)碼的權(quán)為8、4、2、1而得名?！?.4.2BCD碼8421BCD編碼表

2014/066661.壓縮BCD碼是一個字節(jié)中存放兩個十進(jìn)制數(shù)字位。如：將十進(jìn)制數(shù)8962用壓縮BCD碼表示

1000100101100010

在主存中存放形式：2.非壓縮BCD碼是指每個字節(jié)中只存放一個十進(jìn)制數(shù)字位。如：將十進(jìn)制數(shù)8962用非壓縮BCD碼表示00001000000010010000011000000010

在主存中存放形式：2014/066663.BCD碼加法運算BCD加法就是按“逢十進(jìn)位”的原則進(jìn)行相加，其和也是一個BCD數(shù)。但微機只能進(jìn)行二進(jìn)制加法，在相鄰BCD碼字之間只能“逢十六進(jìn)位”。導(dǎo)致出現(xiàn)非BCD碼。因此須要對結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，做到“逢十進(jìn)位”。96

34+62=例：結(jié)果仍為BCD碼[34]BCD=00110100B+[62]BCD=01100010B10010110B2014/06666低位向高位產(chǎn)生進(jìn)位，高位出現(xiàn)非BCD碼均應(yīng)作加6調(diào)整相加結(jié)果為無符號數(shù)，最高位進(jìn)位有效進(jìn)位結(jié)果仍為BCD碼117例：48+69=

[48]BCD=01001000B+[69]BCD=01101001B10110001B100010111B01100110B+2014/06666減法運算的調(diào)整原則：在運算過程中某位出現(xiàn)借位或非BCD碼，相應(yīng)位作減6調(diào)整，減去多借的6。也是有特地的指令來完成的。例：58-25=

[58]BCD=01011000B

[25]BCD=00100101B-00110011B結(jié)果仍為BCD碼334.BCD碼減法運算

2014/06666例：35-28=←低四位向高四位借位←運算結(jié)果的低4位出現(xiàn)非BCD碼700001101B[35]BCD=00110101B_

[28]BCD=00101000B

00000111B00000110B_←個位做減6調(diào)整←結(jié)果仍為BCD碼2014/066661.5

計算機補碼運算及運算電路§1.5.1

補碼運算微機中的機器數(shù)一律用補碼的形式表示。1）兩個數(shù)加法運算時，應(yīng)將參與運算的數(shù)化成補碼形式，相加后的結(jié)果仍為補碼。2）對于有符號數(shù)來說，符號位無須單獨處理，符號位可干脆參與運算，不影響最終結(jié)果。[X]補+[Y]補=[X+Y]補[X]補

-[Y]補=[X-Y]補[X-Y]補=[X]補+[-Y]補2014/06666微機中的運算都是在運算器中運行的，運算器是由加法器構(gòu)成的，只會做二進(jìn)制加法運算，一位二進(jìn)制全加器電路如圖所示：§1.5.2

計算機中的運算電路FASiAi

BiCi+1Ci全加器真值表2014/06666SUB=0SUB=1b0b7b0b7C1C2C3C4C5C6C7C8為加法運算中低位向高位的進(jìn)位SUB為加減限制信號2014/06666a0a1a2a3a4a5a6a7為被加數(shù)/被減數(shù)b0b1b2b3b4b5b6b7為加數(shù)/減數(shù)S0S1S2S3S4S5S6S7為和或差

當(dāng)執(zhí)行減法運算指令時，SUB=1，圖中各異或邏輯門均為反相邏輯門，則Si=ai-bi+ci=

ai+bi+ci，并且FA連同SUB的狀態(tài)一起做加法運算。

當(dāng)執(zhí)行加法運算指令時，SUB=0，圖中各異或邏輯門均為同相邏輯門，對加數(shù)沒有任何影響，則Si=ai+bi+ci。

結(jié)論：減法運算是一個數(shù)減去另一個數(shù)，等于加上另一個數(shù)的反碼并加1，這個運算過程稱為補運算。減法：[X]補-[Y]補=[X]補+[-Y]補=[X-Y]補2014/06666圖中OV是溢出標(biāo)記位，運算結(jié)果有溢出時，OV=1，否則OV=0，溢出的緣由是運算結(jié)果超出了微機中數(shù)的表示范圍。