第1章微機原理與應(yīng)用 緒論

微機原理與應(yīng)用周杰英張萍郭雪梅中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2微機原理是學(xué)習(xí)和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程，包括以下幾個方面的內(nèi)容：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計微型計算機接口技術(shù)通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)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。課程目標3第1章緒論第2章微處理器的結(jié)構(gòu)第3章80x86指令系統(tǒng)第4章匯編語言程序設(shè)計第5章微機總線技術(shù)第6章存儲系統(tǒng)第7章輸入輸出及接口第8章常用接口技術(shù)課程安排第1章緒論主要內(nèi)容微型計算機的發(fā)展及應(yīng)用微型計算機組成原理數(shù)據(jù)的表示方法45§1.1

微型計算機的發(fā)展及應(yīng)用世界上第一臺電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的”ENIAC”。占地上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦

6電子計算機的發(fā)展：第一代：電子管計算機（1946-1956）第二代：晶體管計算機（1957-1964）第三代：中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）第四代：超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）7四個階段計算機的主要特點：電子管計算機(1946—1956)晶體管計算機(1957—1964) 集成電路計算機(1965—1970)

超大規(guī)模集成電路計算機(1971—至今)

用機器語言、匯編語言編寫程用于軍事和國防尖端技術(shù) 開始使用高級語言開始用于工程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和其它科學(xué)領(lǐng)域采用微程序、流水線等技術(shù)，提高運行速度出現(xiàn)操作系統(tǒng)、診斷程序等軟件采用半導(dǎo)體存儲器采用圖形界面操作系統(tǒng)器件速度更快,軟件、外設(shè)更加豐富主要特點8電子計算機按其性能分類：大型計算機/巨型計算機（MainframeComputer）中型計算機小型計算機（Minicomputer）微型計算機（Microcomputer）單片計算機（Single-ChipMicrocomputer）微型計算機的應(yīng)用：科學(xué)計算；數(shù)據(jù)處理和管理；計算機控制；計算機輔助設(shè)計／計算機輔助制造(CAD/CAM)；智能模擬。9由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成§1.2微型計算機的組成原理運算器和控制器集成在一塊芯片上，稱為中央處理單元（CentralProcessUnit，CPU），也稱為微處理器。存儲器分為內(nèi)存和外存。內(nèi)存又分為隨機訪問存儲器（RandomAccessMemory,RAM)和只讀存儲器(ReadOnlyMemory,ROM)。RAM是易失性的，掉電后信息丟失。ROM是非易失性的，掉電后信息不丟失。CPU和內(nèi)存在主板上。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備通過接口與系統(tǒng)總線相連。外存也是一種外設(shè)。系統(tǒng)總線實現(xiàn)各部件間信息的傳輸。微機的組成原理圖如下一頁圖所示。圖1-1微型計算機的組成基本的微型計算機的硬件由微處理器、內(nèi)存儲器、系統(tǒng)總線、I/O接口和外部設(shè)備等構(gòu)成。微處理器由運算器和控制器兩部分組成，是計算機的核心，負責(zé)對數(shù)據(jù)的處理及對整個計算機的控制。內(nèi)存用來存儲數(shù)據(jù)、程序、運算的中間結(jié)果和最后結(jié)果。內(nèi)存按單元尋址。內(nèi)存也稱為主存。輸入/輸出接口電路將外圍設(shè)備連接到系統(tǒng)總線上，起到主機和外設(shè)之間信息傳遞時的匹配和緩沖的作用。微型計算機的系統(tǒng)總線則用來實現(xiàn)各部件間的信息傳遞?？偩€可分為數(shù)據(jù)總線（DataBus,DB）、地址總線（AddressBus,AB）和控制總線（ControlBus,CB）。地址總線AB：用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址總線的條數(shù)決定微處理器的尋址能力數(shù)據(jù)總線DB：用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳送的數(shù)據(jù)寬度控制總線CB：用來傳送各種控制信號。14計算機中的數(shù)值單位：位bit（b）兆位1Mb=10241024bit=220bit千兆位1Gb=230bit=1024Mb兆兆位1Tb=240bit=1024Gb字節(jié)Byte（B）1Byte=8bit，1KB=1024Byte字Word：表示字長，有1bit,4bit,8bit,16bit等一般情況下為2Byte(16bit)典型的8位微處理器的基本結(jié)構(gòu)8位微處理器主要包括運算器和控制器兩大部件。運算器是對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件，主要完成算術(shù)運算和邏輯運算；由算術(shù)邏輯單元（ArithmeticalandLogicalUnit，ALU）、累加器、寄存器組、多路轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)總線等邏輯部件組成?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)先存放在存儲器中的程序?qū)τ嬎銠C進行控制?？刂破饕话阌芍噶罴拇嫫?、指令譯碼器和控制電路組成，它根據(jù)程序中每一條指令的要求，對微型計算機各部件發(fā)出相應(yīng)的控制信息，使這些部件協(xié)調(diào)地工作，實現(xiàn)程序指定的功能。微機主要是以CPU的發(fā)展而升級換代。但微機的升級換代并不僅僅取決于CPU的換代，是由多方面技術(shù)的發(fā)展所決定的，包括存儲技術(shù)、總線技術(shù)、接口技術(shù)等。17以Intel公司生產(chǎn)的80x86微處理器的發(fā)展18

8位模型機程序運行示例例：計算1+2=?匯編語言程序 對應(yīng)的機器指令 對應(yīng)的操作

MOVAL,1 10110000 將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中

00000001 ADDAL,2 00000100 計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中

00000010 MOV[0008],AL 10100010 將AL中的數(shù)傳送到地址單元0008 00001000 00000000 HLT 11110100 停機 19000000000001101100001011000010110000101100000001000200000001000000018位模型機的工作過程20§1.3

數(shù)據(jù)的表示方法重點理解特點；表示方法；相互間的轉(zhuǎn)換；二進制運算21一、進位計數(shù)制

十進制——符合人們的習(xí)慣二進制——便于物理實現(xiàn)十六進制——便于識別、書寫八進制22進位計數(shù)制的一般表示按進位的方法進行計數(shù)，稱為進位計數(shù)制。在進位制中每個數(shù)規(guī)定使用的數(shù)碼符號的數(shù)量，稱為進位基數(shù)，用R表示。使用R為基數(shù)的計數(shù)制稱為R進制數(shù)，常用的有十進制數(shù)、二進制數(shù)、十六進制數(shù)、八進制數(shù)等。若每位數(shù)碼用ai來表示（下標i指示位數(shù)），則進位計數(shù)制表示的方法如下：

N=（an-1,an-2,…,ai,…,a1,a0

）R（數(shù)碼）

Rn-1,Rn-2,…,Ri,…,R1,R0

（權(quán)值）23進位計數(shù)制的一般表示建立了權(quán)值的概念后，對任意一個R進制數(shù)N都可表示為:其中：ai

--

N的第i位數(shù)碼，可以是R個符號中任何一個；n,m--

含義同前；R

--

基數(shù)；Ri

--K進制數(shù)的權(quán)241.十進制(標識：后綴D或省略)特點：以十為底，逢十進一；

共有0-9十個數(shù)字符號(數(shù)碼)表示:（權(quán)展開式）252.二進制(標識：后綴B)特點：以2為底，逢2進位；只有0和1兩個數(shù)字符號表示：（權(quán)展開式）263.十六進制(標識：后綴H)特點：以16為底，逢16進位； 有0--9及A--F共16個數(shù)字符號注：數(shù)據(jù)以字母（A~F）開頭時，須在前面加“0”表示：（權(quán)展開式）27二、各進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換1.非十進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換按該數(shù)制的權(quán)表達式展開，再按十進制求和

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)1028將基數(shù)為R的數(shù)（R進制數(shù)）轉(zhuǎn)換成基數(shù)為10的數(shù)（十進制數(shù)）的過程是根據(jù)下式中已知的ai求dj：

這一過程比較簡單，只要將Ri和ai用十進制表示，然后作十進制運算即可得到需要的結(jié)果。29例1：例2：（2A4)16=2×162+10×161+4 =512+160+4=676302.十進制到非十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進制→二進制的轉(zhuǎn)換： 整數(shù)部分：除2取余；小數(shù)部分：乘2取整。十進制→十六進制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除16取余；小數(shù)部分：乘16取整。以小數(shù)點為起點求得整數(shù)和小數(shù)的各個位313.二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)

以小數(shù)點為起點分別向左(整數(shù))、向右(小數(shù))進行四位分組

例：10110001001.110B=(?)H

0101

1000

1001.1100

589.C左補0右補032三、二進制數(shù)的運算算術(shù)運算無符號數(shù)邏輯運算有符號數(shù)：算術(shù)運算331、無符號數(shù)的運算（1）算術(shù)運算：

加法運算減法運算乘法運算除法運算34規(guī)則加法：1＋1=0（有進位）,…減法：0－1=1（有借位）,…乘法：…,乘以2相當于左移1位；除法：…,除以2則相當于右移1位。例：00101110B×0000010B=?

00101110B/00000010B=?

35[例]：00001011×0100=00101100B00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數(shù)=11B36（2）無符號數(shù)的表示范圍一個n位的無符號二進制數(shù)X（Xn-1Xn-2……X1X0）其表示范圍為：

0≤

X≤2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。判別方法：運算時，當最高位（Xn-1）向更高位有進位（或借位）時則產(chǎn)生溢出。37[例]：

11111111

+00000001

100000000結(jié)果超出８位（最高位D7有進位），發(fā)生溢出（結(jié)果為256，超出８位二進制數(shù)所能表示的范圍0~255）

38（3）邏輯運算與(∧)、或(∨)、非(▔)、異或(⊕)特點：按位運算，無進借位運算規(guī)則

…..39邏輯運算的運用已知：數(shù)據(jù)D(D7D6……D0)與(∧)字節(jié)操作——數(shù)據(jù)清0：D∧00H位操作——D5位清0，其它位不變：D∧11011111B或(∨)字節(jié)操作——數(shù)據(jù)置1：D∨0FFH位操作——D5位置1，其它位不變：D∨00100000B非(▔)

字節(jié)操作——數(shù)據(jù)取反：D異或(⊕)字節(jié)操作——數(shù)據(jù)取反：D⊕0FFH位操作——D5位取反，其它位不變：D⊕00100000B402、有符號數(shù)的運算（1）計算機中有符號數(shù)的表示：把二進制數(shù)的最高位定義為符號位，其余為數(shù)值位

符號位為0

表示正數(shù)，符號位為

1

表示負數(shù)連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機器數(shù)機器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值（在以下講述中，均以８位二進制數(shù)為例）41[例]：

+52=+0110100B=0

0110100B

符號位

數(shù)值位

-52=-0110100B=1

0110100B

真值機器數(shù)42有符號數(shù)的機器表示對于有符號數(shù)，機器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種

數(shù)X（真值）的原碼記作[X]原反碼記作[X]反補碼記作[X]補

注意：對于正數(shù)，三種表示法均相同，它們的差別僅在于對負數(shù)的表示43原碼[X]原定義 符號位：0表示正，1表示負；數(shù)值位：真值的絕對值。

二進制數(shù)：原碼：44原碼的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼[X]原

=0

0010010[X]原

=10010010符號符號位n位原碼表示數(shù)值的范圍是：對應(yīng)的原碼是1111～0111。45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。46反碼[X]反定義

若X>0，則[X]反=[X]原

若X<0，則[X]反=對應(yīng)原碼的符號位不變，數(shù)值部分按位取反二進制數(shù)：反碼：47[例]：X=-52=-0110100[X]原

=10110100[X]反

=1100101148反碼的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010反碼[X]反

=00010010[X]反

=11101101符號符號位n位反碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的反碼是1000～0111。49數(shù)0的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。50補碼定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+1=2n+X二進制數(shù)：補碼：51[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100n位補碼表示數(shù)值的范圍是對應(yīng)的補碼是1000～0111。52數(shù)0的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進位被舍掉∴[+0]補=[-0]補=00000000即：數(shù)0的補碼是唯一的。53特殊數(shù)10000000該數(shù)在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數(shù)：(10000000)２=128548位有符號數(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~+127想一想：16位有符號數(shù)的表示范圍是多少？55（2）有符號二進制數(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56[例]：將一個用補碼表示的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)

1)

[X]補=00101110B真值為：+0101110B

正數(shù)

所以：X=+462)[X]補=11010010B

負數(shù)

X=[[X]補]補=[11010010]補=-

0101110B所以：X=

-

4657（3）補碼加減法的運算規(guī)則通過引進補碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。規(guī)則如下：和：[X+Y]補=[X]補+[Y]補

差:[X-Y]補=[X]補-[Y]補或[X-Y]補=[X]補+[-Y]補其中X，Y為正負數(shù)均可，符號位參與運算58補碼的運算原理模（module）就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的冪。凡是用器件進行的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分被運算器自動丟棄。因此，當器件為n位時，有:

X=2n+X(mod2n)不難驗證，

[X]補=2n+X(mod2n)因此，

[XY]補=2n+(XY)(mod2n)

=(2n+X)+(2n+X)(mod2n) =[X]補+[Y]補59[例]：X=-0110100，Y=+1110100，求[X+Y]補[X]原=10110100[X]補=[X]反+1=11001100[Y]補=[Y]原=01110100所以：[X+Y]補=[X]補+[Y]補=11001100+01110100=0100000060（4）有符號數(shù)運算中的溢出問題進(借)位——在加法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生進位；在減法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生借位。溢出——運算結(jié)果超出運算器所能表示的符號數(shù)范圍61溢出的判斷方法方法１：同號相減或異號相加——不會溢出。同號相加或異號相減——可能溢出：兩種情況： 同號相加時，結(jié)果符號與加數(shù)符號相反——溢出；異號相減時，結(jié)果符號與減數(shù)符號相同——溢出。方法２：兩個帶符號二進制數(shù)相加或相減時，若

C7C6＝1，則結(jié)果產(chǎn)生溢出。C7為最高位的進(借)位；C６為次高位的進(借)位。62[例]：有符號數(shù)運算，有溢出表示結(jié)果是錯誤的無符號數(shù)運算，有進位表示結(jié)果超出范圍

10110101

+10001111

101000100

01000010

+0110001110100101

01000010

+11001101

100001111CASE1:CASE2:CASE3:63四、十進制數(shù)的運算

1、十進制數(shù)的機器表示——BCD碼用4位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼的每一位用4位二進制表示，0000~1001表示0~9，一個字節(jié)表示兩位十進制數(shù)。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進制數(shù)，高4位總是0000，低4位的0000~1001表示0~9。642、BCD碼運算無論十進制數(shù)采用什么樣的機器編碼方式，計算機自動按照二進制運算，須編程對結(jié)果進行十進制調(diào)整（有的CPU直接提供十進制運算指令，自動完成調(diào)整）BCD碼加法調(diào)整方法：當?shù)停ɑ蚋撸?位數(shù)值超過9或向前有進位（或借位）時，該4位數(shù)值補（加）665

十進制二進制八進制十六進制BCD

00 0 0 0 1 01 1 1 1 2 10 2 2 10 3 11 3 3 11 4 100 4 4 100 5 101 5 5 101 6 110 6 6 110 7 111 7 7 111 8 1000 10

8 1000 9 1001 11 9 1001

10 1010 12 A

10000 11 1011 13 B 10001 12 1100 14 C 10010 13 1101 15 D