微機原理與接口技術第1章

1主講:沈勇

2課程目標微機原理是學習和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設計的入門課程：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設計微型計算機接口技術目的：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。3周次月/日時數教學形式教學內容實施情況12.242講課1基礎知識(數制、進制轉換)23.32講課2.1微機基本結構、8086引腳定義及功能33.102講課2.28086微處理器內部結構和系統(tǒng)總線43.172講課3.18086尋址方式53.242講課3.28086指令系統(tǒng)(1)63.312講課3.28086指令系統(tǒng)(2)74.72講課4.1匯編語言基礎、偽指令84.142講課4.2DOS功能調用、匯編語言程序設計基礎(1)94.212講課4.3匯編語言程序設計基礎(2)104.282講課5.1概述、隨機存儲器、只讀存儲器115.52講課5.2高速緩沖存儲器、存儲器管理125.122講課6.1輸入輸出接口、輸入輸出的控制方式135.192講課6.2中斷技術145.262講課7.1可編程定時計數器8253156.22講課8.1模擬量輸入輸出通道的組成166.92講課8.2A/D轉換器0809、復習考試176.162隨堂考試教學內容4教材馮博琴主編，微機原理與接口技術，清華大學出版社，2002.2微機原理與接口實驗指導書課程情況教學：34學時考試：平時40%，期末考試60%答疑輔導地點：工程中心406Email:公共郵箱：密碼：weijiyuanli電話：69583794時間：每周二下午4:00~5:005第1章基礎知識主要內容：發(fā)展概述各種常用記數制和編碼以及它們相互間的轉換；無符號數的算術運算和邏輯運算；帶符號數的表示及運算；帶符號數運算中的溢出問題6§1.1概述世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學設計制造的“ENIAC”占地上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦7計算機的發(fā)展及分類計算機的發(fā)展：電子管計算機（1946-1956）晶體管計算機（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）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（puter）微型計算機（puter）單片計算機（Single-Chipputer）8ENIACAppelIIIBMPC/XT現(xiàn)代微機馮.諾依曼莫奇利9代發(fā)表年份字長(bits)型號線寬(m)晶體管數(萬個)時鐘頻率(MHz)速度(MIPS)一197119724840048008500.20.3<10.05二197488080200.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16<11-2四198519893280386804861-227.512016-3325-666-1220-40五199332Pentium0.6-0.833060-200100-200六1995199619971999200132P/ProP/MMXPIIPIIIP5.25-.13.18-.135504507508501000133-200166-233233-450450-12001300-2400>300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20條指令/時鐘周期)>300010WhoamI?AMD:AdvancedMicroDevices專門為計算機、通信和消費電子行業(yè)設計和制造各種創(chuàng)新的微處理器（CPU、GPU、APU、主板芯片組、電視卡芯片等)、閃存和低功率處理器.Intel:全球最大的半導體芯片制造商ARM:全球第一大半導體設計IP（知識產權）公司

(AdvancedRISCMachines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和OEM廠商。利用這種合伙關系，ARM很快成為許多全球性RISC標準的締造者。MIPS:全球第二大半導體設計IP公司和全球第一大模擬IP公司。

MIPSR系列微處理器用于構建SGI的高性能工作站、服務器和超級計算機系統(tǒng)。在嵌入式方面，MIPSK系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。索尼的數字電視和娛樂系統(tǒng)、先鋒的DVD刻錄設備、摩托羅拉的數字機頂盒、思科的網絡路由器、Microchip的32位微控制器和惠普的激光打印機。各種形式處理器CPU（centralprocessunit）中央微處理單元MPU（microprocessoruint）微處理單元 MPU=CPU+運算器+控制器+寄存器+…… 主要功能是數據處理和轉接，專門的數據處理功能單位SOC=CPU+運算模塊+控制模塊+寄存模塊+前端模擬A/D模塊+射頻模塊…… 功能十分強大，單一芯片集合多種功能模塊，就是芯片中的功能全面的“超人”。DSP數字信號處理（DigitalSignalProcess） 內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數字信號處理算法。13§1.2常用計數制了解特點；表示方法；相互間的轉換。14§1.2.1常用計數法

十進制——符合人們的習慣二進制——便于物理實現(xiàn)十六進制——便于識別、書寫八進制15二進制、八進制、十進制、十六進制，都是進位計數制： 即按進位的原則進行記數。共同的特點：都使用位置表示法兩個要素：位權，基數數制中每一固定位置對應的單位值稱為“位權”用基數表示數制；16十進制特點：以十為基數，逢十進一；

共有0-9十個數字符號。表示：3436.12

=3*104-1+4*104-2+3*104-3+6*104-4+1*10-1+2*10-2權表達式172.二進制特點：以2為基數，逢2進一；只有0和1兩個符號。表示：183.十六進制特點：以16為基數，逢16進一； 有0--9及A--F共16個數字符號。表示：19例1：（1101101.0101）B

＝1×26＋1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2＋0×2－3＋1×2－4

＝（109.3125）D例3：（3AF.2A）H

＝3×162＋10×161＋15×160＋2×16－1＋10×16－2

＝（943.1640625）D20進位計數制的一般表示一般地，對任意一個K進制數S都可表示為:其中：Si

--

S的第i位數碼，可以是K個符號中任何一個；n,m--

含義同前；K

--

基數；Ki

--K進制數的權21§1.2.2各進制數間的轉換1.非十進制數轉換為十進制數按相應進位計數制的權表達式展開，再按十進制求和。

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)10222.十進制到非十進制數的轉換十進制→二進制的轉換： 整數部分：除2取余；小數部分：乘2取整。十進制→十六進制的轉換：整數部分：除16取余；小數部分：乘16取整。以小數點為開始點求得整數和小數的各個位。23

十進制數轉換成二進制數1、整數轉換：除2取余法。除2取余直到商是0或1為止,第一個余數是二進制數的最低位。2、小數轉換：乘2取整法。 乘2取整數直到小數部分為0或達到要求的精度為止，首次取得的整數最左。3、整數和小數部分合并在一起。例如：將（112.25）D轉換為二進制數；1110000.01B243.二進制與十六進制間的轉換用4位二進制數表示1位十六進制數

例：10110001001.110=(?)H

0101

1000

1001.1100

589.C25§1.3二進制數的運算

無符號數算術運算

有符號數邏輯運算261、二進制數的算術運算加法運算：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0減法運算：0-0=0，0-1=1，1-0=1，1-1=0乘法運算：0x0=0，0x1=0，1x0=0，1x1=1 1100Bx1001B=?除法運算：轉換為減法和右移位運算 10010000÷1100=?若乘數位為0，則中間結果加0；若乘數位為1，則照抄被乘數，在與中間結果相加時要將被乘數的最低位與相應的乘數位對齊；27移位加 1100Bx1001B=?被乘數部分積乘數100111000000乘數為1：部分積加被乘數；將被乘數左移1位；乘數為0：部分積不加被乘數；被乘數左移1位；乘數為0；部分積不加被乘數；被乘數左移1位；乘數為1：部分積加被乘數；11000110011000011000001100000110000乘法運算轉換為加法和左移位的運算除法運算轉換為減法和右移位的運算28

規(guī)則加法：1+1=0（有進位）,…減法：0-1=1（有借位）,…乘法：…,乘以2相當于左移一位；除法：…,除以2則相當于右移1位。

例：00101110×0000010=?

00101110/00000010=?

292、無符號數的表示范圍一個n位的無符號二進制數X，其表示范圍為

0≤

X≤2n-1若運算結果超出這個范圍，則產生溢出。無符號二進制數的溢出判斷：加減運算時，當最高位Di向更高位有進位Ci（或借位）時,即Ci=1則產生溢出。30[例]：

10110111 183

+01001101 77

100000100 4結果超出８位（最高位有進位），發(fā)生溢出。（結果為260，超出８位二進制數所能表示的范圍255）313、邏輯運算與(∧)、或(∨)、非(▔)、異或(⊕)特點：按位運算，無進借位運算規(guī)則

…..321、“與”運算

11=1，10=0，01=0，00=0計算 10110110B10010011B=?2、“或”運算：

00=0，01=1，10=1，11=1計算 11011001B10010110B=？333、“非”運算：按位取反計算 （11011001B）=？4、“異或”運算：相異為1，相同為0， 00=0，11=0，01=1，10=1計算 11010011B10100110B=?344.邏輯門掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關系（真值表）；與非門、或非門的應用。35與門（ANDGate）A∧B=YABY000010100111&ABYABY含義：僅當A和B都是高電平時，輸出Y才是高電平；受低電平控制，只要將任意輸入端接低電平時，該與門就被封鎖，輸出低電平；36或門A∨B=YABY000011101111YAB≥1AB國際符號Y特點：受高電平控制，只要將任意輸入端接高電平時，該或門就被封鎖，輸出高電平。37非門（NOTGate）1AYY=AAY0110AY38異或門（exclusiveORGate）A⊕B=YYAB⊕ABY000011101110“異或”門電路是實現(xiàn)二進制加法的邏輯門電路，也叫半加器。它是ALU部件的基本電路。39“與非”門電路由“與”門電路和“非”門電路組合而成的電路。邏輯規(guī)則是：只有當全部輸入端均為邏輯1時，輸出才為邏輯0，否則輸出為邏輯1。邏輯功能：Y=A

B邏輯符號：“與非”門真值表：ABY輸入輸出AB Y0 0 101 10 111 040“或非”門電路由“或”門電路和“非”門電路組合而成的電路。邏輯規(guī)則是：當一個或多個輸入端為邏輯1時，輸出為邏輯0，只有當全部輸入端均為邏輯0時，輸出才為邏輯1。邏輯功能：Y=AB邏輯符號：“或非”門真值表：ABY輸入輸出AB Y00 101 010 011 0YAB≥1415.譯碼器74LS138譯碼器：G1G2AG2BCBAY0Y7????譯碼輸出譯碼輸入譯碼使能4274LS138真值表

使能端輸入端輸出端G1G2AG2B

CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

01

10

11

0

100100100100100100100100

000

001010011100101110111

11111111

11111111

11111111

11111111

01

111111

1

01

111111

1

01

1111

1

1

101

1111

1

1

1

01

11

1

1

1

1

1

01111111

10

111111

1

10

43ABC3:8譯碼器輸出端3－8譯碼器Y0Y3Y4Y5Y6Y7Y1Y2G1G2AG2B(AB)=A+B44§1.4帶符號二進制數的表示及運算計算機中有符號數的表示把二進制數的最高位定義為符號位符號位為0

表示正數，符號位為1

表示負數把符號數值化了的數，稱為機器數。機器數所表示的真實的數值，稱為真值。（在以下講述中，均以８位二進制數為例）45[例]：

+52==00110100

符號位數值位

-52=-0110100=10110100

真值機器數461.帶符號數的表示方法對于帶符號數，常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補碼記作[X]補。

注意：對正數，三種表示法均相同。它們的差別在于對負數的表示。47原碼[X]原原碼：最高位為符號位，數值部分為原數的絕對值。已知真值X=+42,Y=-42,求[X]原和[Y]原[X]原=00101010B[Y]原=10101010B[X]原48原碼的例子真值X=+18=X=-18=-0010010原碼[X]原=00010010[X]原=10010010符號符號位n位原碼表示數值的范圍是對應的原碼是1111～0111。49數0的原碼8位數0的原碼：+0=00000000-0=10000000

即：數0的原碼不唯一。優(yōu)點：數的真值和原碼表示之間的對應關系簡單,相互 轉化容易。用原碼實現(xiàn)乘除運算規(guī)則簡單。缺點：數值0有兩個編碼值，+0和-0，不利于運算。 尤其是加減運算。

[+0]原=00000000B

[-0]原=10000000B50反碼[X]反正數的反碼和原碼相同；負數的反碼是對其原碼除符號位外的逐位求反。真值X的反碼記為[X]反[X]反51[例]：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=1100101152反碼的例子真值X=+18=X=-18=-0010010反碼[X]反=00010010[X]反=11101101符號符號位n位反碼表示數值的范圍是:530的反碼：[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數0的反碼也不是唯一的。54補碼補碼：正數的補碼和原碼相同，負數的補碼是在其反碼的基礎上加1。已知真值X=B，Y=-0110100B求[X]補和[Y]補 [X]補=00110100B [Y]補=[Y]反+1=11001011B+1=11001100B55[例]：X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100n位補碼表示數值的范圍是:560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=0000000057特殊數10000000該數在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-128對無符號數：(10000000)２=128588位有符號數的表示范圍：對8位有符號二進制數：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127想一想：16位有符號數的表示范圍是多少？592.有符號二進制數與十進制的轉換將一個用補碼表示的二進制數轉換為十進制數。1)[X]補=00101110B真值為：B正數所以：X=+462)[X]補=11010010B負數X=[[X]補]補=[11010010]補=-0101110B所以：X=-46603補碼運算在計算機中，二進制數的四則運算是補碼運算，結果是補碼。補碼運算的規(guī)則如下：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補-[Y]補[X-Y]補=[X]補+[-Y]補[-Y]補=對[Y]補的每一位包括符號位在內，按位取反并加一；61[例]：X=-0110100，Y=，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=01000000-52+116=6462例：設X=+66，Y=+51，求[X-Y]補=？根據[X-Y]補=[X]補+[-Y]補首先求 X=B， [X]補=01000010 Y=B， [Y]補=00110011 [-Y]補=11001101所以 [X-Y]補=01000010 01 100001111B在字長為8位的機器中，該進位自然丟失。-Y=-51=-110011B，[-Y]補=11001101634.符號數運算中的溢出問題8位帶符號二進制數的取值范圍： 原碼 （-127~+127） 反碼 （-127~+127） 補碼 （-128~+127）十六位帶符號二進制數的取值范圍： 原碼 （-32767~+32767） 反碼 （-32767~+32767） 補碼 （-32768~+32767）當二進制數的運算結果超出以上范圍時，就會產生溢出。64溢出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，結果符號與加數符號相反——溢出；異號相減時，結果符號與減數符號相同——溢出。運算結果超出計算機部件所容納的數值范圍，數值部分上擴充到符號位、改變了符號的性質、導致運算結果錯誤。65[例]：

01001000

+01100010

10101010

01001000

+01100010 10101010

10101101

+10110000

101011101CASE1:72-(-98)=?CASE2:72+98=？CASE3:-(83)-(+80)=?66例27用二進制補碼計算（-83）+（-80）=（？）解：（-83）10=-1010011B，(-83)補=10101101（-80）10=-1010000B，(-80)補=10110000 10101101 +10110000

101011101=93C6=0，C7=1; 自然丟失67如何判斷溢出如果次高位D6向最高位D7有進位C6=1，而最高位D7向前無進位C7=0，則結果發(fā)生溢出；反過來，如果次高位D6向最高位D7無進位C6=0，而最高位D7向前有進位C7=1，則結果也發(fā)生溢出；Ci-1

Ci-2=1利用CPU中狀態(tài)標志寄存器中的溢出標志位OF來判斷:

OF=1,溢出；OF=0無溢出。68§1.5二進制編碼1)十進制數的表示——BCD碼用4位二進制數表示一位十進制數。(387.24)D=（001110000111.00100100）BCD有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼的一個字節(jié)表示兩位十進制數。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進制數，高4位總是0000，低4位0000~1001表示0~9。69二進制數轉換為BCD碼例如：1、將（00010001.00100101）BCD轉換為二進制數。

(00010001.00100101)BCD=(11.25)10=(1011.01)22、將二進制數00010001轉換為BCD碼。

(00010001)2=(71)10=(01110001)BCD2)格雷碼（GrayCode）1880年法國工程師Jean-Maurice-EmlleBaudot曾用過的一種二進制循環(huán)編碼，因FrankGray申請專利而得名。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。格雷碼的特點是每次變化只改變一位，例如從7到8，用純二進制碼，同時改變了4位，編碼器內部讀數時，很難保證4位的讀數完全同時，這樣在數據刷新過程中就有可能有先后，而造成錯碼。如用格雷碼，無論何時刷新數據，只改變一位，沒有先后，就沒有錯碼了。格雷碼轉換快速方法:（假設以二進制為0的值做為格雷碼的0）

G：格雷碼B：二進位碼

G(N)=B(n+1)XORB(n)十進制數

二進制數

格雷碼

十進制數

二進制數

格雷碼

0

0000

0000

8

1000

1100

1

0001

0001

9

1001

1101

2

0010

0011

10

1010

1111

3

0011

0010

11

1011

1110

4

0100

0110

12

1100

1010

5

0101

0111

13

1101

1011

6

0110

0101

14

1110

1001

7

0111

0100

15

1111

1000

格雷碼與二進制對照：723)非數值數據的表示計算機中除了能夠處理數值數據以外，還可以處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息統(tǒng)稱為非數值數據。非數值數據在計算機中也必須以二進制形式表示，非數值數據的表示本質上是編碼的過程。73ASCII碼—美國標準信息交換代碼74

ASCII碼采用7位二進制代碼對字符進行編碼數字0~9的編碼是0110000~0111001，它們的高3位均是011，后4位正好與其對應的二進制代碼（BCD碼）相符。英文字母A~Z的ASCII碼從1000001（41H）開始順序遞增，字母a~z的ASCII碼從1100001（61H）開始順序遞增，這樣的排列對信息檢索十分有利。最高位通常總為0，有時也用作奇偶校驗位。4)數的定點與浮點表示A、定點數

計算機中對小數點位置采用固定位置的方法來表示小數。運算簡便,表示范圍小。

1)定點整數：小數點固定在數值位之后。

2)定點小數：小數點固定在數值位之前符號位之后

格式

符號位數值部分（尾數）

小數點在此為小數點在此為定點小數定點整數定點數的運算參與運算的數據要事先確定比例因子，將數據轉換為定點小數或定點整數后，進行計算。比例因子既不能太大也不能太小，否則可能造成數據的溢出或損失精度例：010.01+001.100=（0.1001+0.0110）*22B、浮點數小數點位置不固定。表示范圍大，運算復雜。PfP1P2P3…PmSfS1S2…Sn

階符階碼數符尾數二進制數的浮點數表示格式:階碼P尾數S二進制浮點數表示：N=2p×SS－N的尾數，表示N的有效數值。

Sf－尾數的符號位，Sf=0正，Sf=1負

P－N的階碼，表示小數點的位置，決定N的范圍。

2－階碼的底，與尾數基數相同。例：0001101011N=2+11×

0.1011

規(guī)格化浮點數：使尾數數值部分的最高位為有效數值位。尾數滿足0.5<=|S|<1N1=211×

0.01011(錯)N2=210×

0.1011（對）注意：浮點數的運算存在對階問題，階碼不同的浮點數不能參與運算3)浮點數與定點數的比較（1）數值的范圍（2）浮點數的運算比定點數的運算復雜浮點數的運算存在對階問題，階碼不同的浮點數不能直接參與運算。

§1.6計算機系統(tǒng)的組成及程序執(zhí)行過程計算機系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成一)計算機的硬件系統(tǒng)及程序執(zhí)行過程1)計算機硬件的基本結構

馮·諾依曼型計算機

它主要由5個基本部分組成，即：運算器，控制器，存儲器，輸入設備和輸出設備。圖1.1用來實現(xiàn)算術、邏輯等各種運算的部件對整個運算過程進行有規(guī)律控制協(xié)調的部件（指令指針寄存器IP,指令寄存器IR,指令譯碼器ID,控制信號發(fā)生器）實現(xiàn)計算結果輸出的設備實現(xiàn)計算程序和原始數據輸入的設備外存是擴大計算機存儲信息能力的設備主機外設或I/O設備CPU

內存是用來存放原始數據、中間數據及計算程序的部件2)運算器、存儲器和控制器注意內存單元的地址和內容每個單元都對應一個地址，以實現(xiàn)對單元內容的尋址1011011008F04H內存地址單元內容讀操作寫操作讀：將內存單元的內容取入CPU，原單元內容不改變寫：CPU將信息放入內存單元，單元中原來的內容被覆蓋控制器主要由指令指針寄存器（IP）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）和控制信號發(fā)生器組成。3)程序的執(zhí)行過程下面以一個簡單的例子來說明計算機執(zhí)行程序的主要過程。

圖1-4示例程序和數據4)控制器的設計（1）控制器的作用：根據指令譯碼結果，嚴格按時間節(jié)拍產生各種微操作控制信號。（2）分類：組合邏輯控制器：把產生每個微操作控制信號的所用條件綜合在一起，列出邏輯表達式并簡化，用組合電路實現(xiàn)。微程序控制器：把執(zhí)行每一條指令的微操作按步驟編成微程序，并存到位于控制器內的控制存儲器中。二)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應用軟件軟件

計算機系統(tǒng)的軟、硬件與用戶的關系

在微機中，一塊集成芯片可包括控制器和運算器兩大部分，也稱為微處理器（centerprocessingunit，CPU）。一臺微型計算機由處理器、存儲器、I/O接口以及若干I/O設備所組成。各部分之間通過總線連接在一起，實現(xiàn)信息的交換。微型計算