微型計算機原理與接口技術.ppt

1、微型計算機原理與接口技術,楊 立 鄧振杰 荊淑霞等 制作 歡迎使用,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,1. 課程性質(zhì)及教學目的 微型計算機原理與接口技術是學習微型計算機基本知識和應用技能的重要課程。本課程幫助學生掌握微型計算機的硬件組成及使用；學會運用指令系統(tǒng)和匯編語言進行程序設計；熟悉各種類型的接口及其應用，樹立起微型計算機體系結構的基本概念，為后繼計算機課程的學習及應用打好基礎。,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,2. 課程教學安排 教學參考學時：8090學時 其中實驗學時：1620學時 考試形式：筆試+實踐操作 3. 教材主體內(nèi)容結構 基本知識與基本概念 計算機的基本結構與工

2、作原理 微處理器與微型計算機的概念 微型計算機系統(tǒng)組成及其應用 計算機中的數(shù)據(jù)表示、數(shù)制與編碼的應用,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,8086微處理器 微處理器內(nèi)部結構 存儲器和I/O組織 總線周期與操作時序 高檔微處理器簡介 指令系統(tǒng)與匯編語言 指令的概念與尋址方式 8086指令系統(tǒng)介紹 匯編語言格式、基本表達、偽指令介紹 匯編語言源程序的建立、編輯、運行、調(diào)試,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,匯編語言程序設計及其應用 程序設計的方法和步驟 順序程序、分支程序、循環(huán)程序、子程序的設計 DOS和BIOS中斷調(diào)用 DOS功能調(diào)用 BIOS中斷調(diào)用,微型計算機原理與接口技術課程簡介

3、及要求,微型計算機的總線技術 STD、ISA、EISA系統(tǒng)總線 VESA、PCI、AGP局部總線 USB、IEEE1394、I2C總線介紹 存儲器系統(tǒng) 隨機存取存儲器RAM 只讀存儲器ROM 存儲器擴展接口 輔助存儲器及新型存儲器技術,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,輸入輸出接口技術 輸入輸出接口概述 輸入/輸出控制方式 可編程DMA控制器8237A 中斷技術 中斷技術概述 8086的中斷結構 微機系統(tǒng)的中斷處理過程 可編程中斷控制器8259A及其應用,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,通用可編程接口芯片 并行接口芯片8255A 可編程串行輸入/輸出接口芯片8251 可編程定時器

4、/計數(shù)器接口芯片8253 人機交互設備及接口 鍵盤與鼠標 視頻顯示接口 打印機接口 其它外設簡介,微型計算機原理與接口技術課程簡介及要求,D/A及A/D轉換器 典型D/A轉換器芯片 典型A/D轉換器芯片 DAC及ADC應用實例,本章主要教學內(nèi)容 l 微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展、微處理器系統(tǒng) l微型計算機分類、性能指標、微型計算機的應用 l 微型計算機系統(tǒng)的組成情況 l 計算機中數(shù)制的基本概念、數(shù)制之間的相互轉換 l 無符號數(shù)和帶符號數(shù)的表示方法 l 計算機中常用的ASCII碼、BCD碼、漢字編碼,第1章 微型計算機概述,第1章 微型計算機概述,本章教學目的及要求 l熟悉微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展，掌握微型

5、計算機的分類、性能指標 l掌握計算機的基本結構及工作原理 l掌握計算機中常用的數(shù)制及其轉換、帶符號數(shù)的表示、字符編碼和漢字編碼的基本知識,1.1 微型計算機的發(fā)展與應用,第1章 微型計算機概述,1.2 微型計算機的系統(tǒng)組成,1.3 計算機中的信息表示,1.1 微型計算機的發(fā)展與應用 1.1.1 微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展 自從1946年推出世界上第一臺電子數(shù)字計算機以來，計算機共經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路5個時代的發(fā)展。而在50多年的發(fā)展歷程中，計算機技術突飛猛進，特別是進入20世紀70年代以后，微型計算機的出現(xiàn)為計算機的廣泛應用開拓了更加廣闊的前景。 隨著大規(guī)

6、模集成電路的發(fā)展，其作為計算機的主要功能部件，為計算機的微型化打下了良好的物質(zhì)基礎，20世紀70年代初在美國硅谷誕生了第一片微處理器。這種將計算機的運算器和控制器等部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器（Microprocessor）。微型計算機就是以微處理器為核心，再配上存儲器、接口電路等芯片構成的。,微型計算機的特點是體積小、重量輕、價格低廉、可靠性高、結構靈活、適應性強和應用面廣。 按照微型計算機的CPU字長和功能劃分，它經(jīng)歷了6代的演變。 1. 第一代（1971年1973年）：4位和8位低檔微處理器 2. 第二代（1974年1977年）：8位中高檔微處理器

7、3. 第三代（1978年1984年）：16位微處理器 4. 第四代（1985年1992年）：32位微處理器 5. 第五代（1993年1999年）：超級32位Pentium微處理器 6. 第六代（2000年以后）：新一代64位微處理器Merced,1.1.2 微型計算機的分類 1. 按照CPU的字長來分類 可分為4位、8位、16位、32位、64位微型計算機。 2. 按照微型計算機的利用形態(tài)來分類 可分為單片微型計算機、單板微型計算機、位片式微型計算機、微型計算機系統(tǒng)。 1.1.3 微型計算機的應用 1.辦公自動化 辦公自動化簡稱為OA（Office Automation）。是計算機、通信與自動化

8、技術相結合的產(chǎn)物，也是當前最為廣泛的一類應用。如：電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)EDP（Electronic Data Process）；管理信息系統(tǒng)MIS（Management Information System）；決策支持系統(tǒng)DSS（Decision Supporting System）等。,2.生產(chǎn)過程自動化 包括：計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）；計算機輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）；計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。 3.數(shù)據(jù)庫應用 數(shù)據(jù)庫是

9、在計算機存儲設備中按照某種關聯(lián)方式存放的一批數(shù)據(jù)。借助數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS（Database Management System），可對其中的數(shù)據(jù)實施控制、管理和使用。如科技情報檢索系統(tǒng)、銀行儲戶管理系統(tǒng)、飛機票訂票系統(tǒng)等。,4. 計算機網(wǎng)絡應用 計算機網(wǎng)絡是利用通信設備和線路等與不同的計算機系統(tǒng)互連起來，并在網(wǎng)絡軟件支持下實現(xiàn)資源共享和傳遞信息的系統(tǒng)。有局域網(wǎng)LAN、廣域網(wǎng)WAN、城市網(wǎng)CAN和因特網(wǎng)。5. 人工智能 人工智能研究目前最具有代表性的兩個領域是專家系統(tǒng)和機器人。 6.計算機仿真 計算機仿真也稱為模擬（Simulation），這是采用編制好的程序和配備相關環(huán)境在計算機上進行的模

10、型試驗，能夠大大減少投資、避免風險。 7.遠程教育 遠程教育是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一種教學環(huán)境。它以現(xiàn)代化的信息技術為手段，以適合遠程傳輸和交互式學習的教學資源為教材構成開放式教育網(wǎng)絡。,1.2 微型計算機的系統(tǒng)組成 1.2.1 微型計算機的基本結構,各組成模塊及其功能：,1中央處理單元 中央處理單元CPU（Control Processing Unit）是微型計算機的核心部件，是包含有運算器、控制器、寄存器組以及總線接口等部件的一塊大規(guī)模集成電路芯片，俗稱微處理器。 2主存儲器 主存儲器是微型計算機中存儲程序、原始數(shù)據(jù)、中間結果和最終結果等各種信息的部件。 按其功能和性能，可以分為： 隨機存儲器

11、RAM（Random Access Memory） 只讀存儲器ROM（Read Only Memory）,3系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線是CPU與其他部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通道。根據(jù)傳送內(nèi)容可分成以下3種： 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）：用于CPU與主存儲器、CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。 地址總線AB（Address Bus）：用于CPU訪問主存儲器和外部設備時，傳送相關的地址。 控制總線CB（Control Bus）：用于傳送CPU對主存儲器和外部設備的控制信號。 4輸入輸出接口電路 輸入/輸出接口電路也稱為I/O（Input /Output）電路，即通常所說的適配器、適配卡或

12、接口卡。它是微型計算機外部設備交換信息的橋梁。,5主機板 主機板也稱為系統(tǒng)主板或簡稱主板。主機板上有CPU芯片、內(nèi)存槽、擴展槽、各種跳線和一些輔助電路。 6外存儲器 分為軟磁盤、硬磁盤、光盤存儲器。 磁盤存儲器由磁盤、磁盤驅(qū)動器和驅(qū)動器接口電路組成，統(tǒng)稱為磁盤機。 光盤存儲器是由光盤、光盤驅(qū)動器和接口電路組成。 7輸入/輸入設備 計算機最常用的輸入設備是鍵盤和鼠標。 計算機最常用的輸出設備是顯示器和打印機。,1.2.2 微型計算機系統(tǒng)的組成 微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成 ：,硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體。 硬件的基本功能是接受計算機程序，并在程序的控制下完

13、成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結果等任務。 軟件系統(tǒng)是指為計算機運行工作服務的全部技術資料和各種程序。 軟件系統(tǒng)基本功能保證計算機硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個寬松的工作環(huán)境。 計算機的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作 。,1.3 計算機中的信息表示 計算機的基本功能是對數(shù)據(jù)進行加工，在計算機內(nèi)，不論是數(shù)字、字符、指令還是狀態(tài)，都采用了二進制編碼形式來表示，包括圖形和聲音等信息，也必須轉換成二進制數(shù)的形式，才能存入計算機中。為了書寫和使用方便，計算機中還采用了其它的數(shù)制，比如：八進制、十進制、十六進制等。 1.3.1 計算機中的數(shù)制及其轉換 1. 數(shù)制的基本概念 對于任何一種數(shù)制

14、表示的數(shù)，我們都可以寫成按位權展開的多項式之和，其一般形式為： Ndn1bn1dn2bn2dn3bn3dmbm 式中：n整數(shù)的總位數(shù)。 m小數(shù)的總位數(shù)。 d下標表示該位的數(shù)碼。 b表示進位制的基數(shù)。 b上標表示該位的位權。,為了區(qū)分各種計數(shù)制的數(shù)據(jù)，經(jīng)常采用以下兩種方法進行書寫表達。 （1）在數(shù)字后面加寫相應的英文字母作為標識。如： B（Binary）表示二進制數(shù)； O（Octonary）表示八進制數(shù)； D（Decimal）表示十進制數(shù)，通常其后綴可以省略； H（Hexadecimal）表示十六進制數(shù)。 （2）在括號外面加數(shù)字下標，此種方法比較直觀。 如：二進制的11010011可以寫成（11

15、010011）2。,下表給出了計算機中不同計數(shù)制的基數(shù)、數(shù)碼、進位關系和表示方法。,數(shù)制之間的轉換 【例1.1】將十進制整數(shù)（103）10轉換為二進制整數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“除2倒取余”的方法，過程如下： 2 103 2 51 余數(shù)為1 2 25 余數(shù)為1 2 12 余數(shù)為1 2 6 余數(shù)為0 2 3 余數(shù)為0 2 1 余數(shù)為1 0 余數(shù)為1 所以，（103）10（1100111）2,【例1.2】將十進制小數(shù)（0.8125）10轉換為二進制小數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“乘2順取整”的方法，過程如下： 0.812521.625 取整數(shù)位1 0.62521.25 取整數(shù)位1 0.2520.5 取整數(shù)

16、位0 0.521.0 取整數(shù)位1 所以，（0.8125）10（0.1101）2 若出現(xiàn)乘積的小數(shù)部分一直不為“0”，則可以根據(jù)計算精度的要求截取一定的位數(shù)即可。,【例1.3】將十進制整數(shù)（1685）10轉換為八進制整數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“除8倒取余”的方法，過程如下： 8 1685 8 210 余數(shù)為5 8 26 余數(shù)為2 8 3 余數(shù)為2 0 余數(shù)為3 所以，（1685）10（3225）8,【例1.4】將十進制整數(shù)（2347）10轉換為十六進制整數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“除16倒取余”的方法，過程如下： 16 2347 16 146 余數(shù)為11（十六進制數(shù)為B） 16 9 余數(shù)為2 0 余數(shù)

17、為9 所以，（2347）10（92B）16,【例1.5】將十進制小數(shù)（0.7125）10轉換為八進制小數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“乘8順取整”的方法，過程如下： 0.712585.7 取整數(shù)位5 0.785.6 取整數(shù)位5 0.684.8 取整數(shù)位4 0.886.4 取整數(shù)位6 若數(shù)據(jù)的計算精度取小數(shù)點后4位數(shù)，則其后的數(shù)可以不再計算。 所以，（0.7125）10（0.5546）8,【例1.6】 將十進制小數(shù)（0.8129）10轉換為十六進制小數(shù)。按照轉換規(guī)律，采用“乘16順取整”的方法，過程如下： 0.81291613.0064 取整數(shù)位13（十六進制數(shù)為D） 0.0064160.1024 取整

18、數(shù)位0 0.1024161.6384取整數(shù)位1 0.63841610.2144取整數(shù)位10（十六進制數(shù)為A） 取數(shù)據(jù)的計算精度為小數(shù)點后4位數(shù)。 所以,（0.8129）10 （0.D01A）16,【例1.7】將二進制數(shù)（1011001.101）2 轉換為十進制數(shù)。采用按位權展開求和的方法，過程如下： （1011001.101）2 126124123120121123 6416810.50.125 （89.625）10,【例1.8】將八進制數(shù)（14B6.A2）8 轉換為十進制數(shù)，過程如下： （14B6.A2）8 18348211816801081282 5122568861.250.03125

19、（863.28125）10 【例1.9】將十六進制數(shù)（2D7.A）16 轉換為十進制數(shù)，過程如下： （2D7.A）16216213161716010161 51220870.625 （727.625）10,1.3.2 計算機中數(shù)值數(shù)據(jù)的表示,1. 基本概念 在計算機內(nèi)部表示二進制數(shù)的方法通常稱為數(shù)值編碼，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)。機器數(shù)所代表的數(shù)稱為該機器數(shù)的真值。 （1）機器數(shù)的范圍：由計算機的CPU字長來決定。 當使用8位寄存器時，字長為8位，所以一個無符號整數(shù)的最大值是： （11111111）B=（255）D，此時機器數(shù)的范圍是0255。 當使用16位

20、寄存器時，字長為16位，所以一個無符號整數(shù)的最大值是： （1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D，此時機器數(shù)的范圍是065535。,（2）機器數(shù)的符號：在算術運算中，數(shù)據(jù)是有正有負的，稱之為帶符號數(shù)。為了在計算機中正確地表示帶符號數(shù)，通常規(guī)定每個字長的最高位為符號位，并用“0”表示正數(shù)，用“1”表示負數(shù)。例如：字長為8位二進制時，D7為符號位，其余D6D0為數(shù)值位；字長為16位二進制數(shù)時，D15為符號位，其余D14D0為數(shù)值位。 （3）機器數(shù)中小數(shù)點的位置：在機器中，小數(shù)點的位置通常有兩種約定，一種規(guī)定小數(shù)點的位置固定不變，這時的機器數(shù)稱為“定點數(shù)”；另一種規(guī)定

21、小數(shù)點的位置可以浮動，這時的機器數(shù)稱為“浮點數(shù)”。,2. 帶符號數(shù)的原碼、反碼、補碼表示 （1）原碼：規(guī)定正數(shù)的符號位為0，負數(shù)的符號位為1，其它位按照一般的方法來表示數(shù)的絕對值。用這樣的表示方法得到的就是數(shù)的原碼。 例如：當機器字長為8位二進制數(shù)時： X1011011 X原碼01011011 Y1011011 Y原碼11011011 原碼表示的整數(shù)范圍是（2n-11）（2n-11），其中n為機器字長。 通常：8位二進制原碼表示的整數(shù)范圍是127127， 16位二進制原碼表示的整數(shù)范圍是3276732767。,（2）反碼：對于一個帶符號的數(shù)來說，正數(shù)的反碼與其原碼相同，負數(shù)的反碼為其原碼除符號

22、位以外的各位按位取反。 例如：當機器字長為8位二進制數(shù)時： X1011011 X原碼01011011 X反碼01011011 Y1011011 Y原碼11011011 Y反碼10100100 負數(shù)的反碼與負數(shù)的原碼有很大的區(qū)別，反碼通常用作求補碼過程中的中間形式。反碼表示的整數(shù)范圍與原碼相同。,（3）補碼：正數(shù)的補碼與其原碼相同，負數(shù)的補碼為其反碼在最低位加1。 例如： X1011011 X原碼01011011 X補碼01011011 Y1011011 Y原碼11011011 Y反碼10100100 Y補碼10100101 補碼表示的整數(shù)范圍是2n-1（2n-11），其中n為機器字長。 則：8

23、位二進制補碼表示的整數(shù)范圍是128127， 16位二進制補碼表示的整數(shù)范圍是3276832767。,（4）補碼與真值之間的轉換：給定機器數(shù)的真值可以通過補碼的定義來完成真值到補碼的轉換，若已知某數(shù)的補碼求其真值，計算方法如下：正數(shù)補碼的真值等于補碼的本身；負數(shù)補碼轉換為其真值時，將補碼按位求反末位加1，即可得到該負數(shù)補碼對應的真值。,【例1.14】 給定 X補碼01011001B，求真值X； 給定X補碼11011010B，求真值X。 （1）由于X補碼代表的數(shù)是正數(shù)，則其真值： X1011001B （126124123120） （641681） （89）D （2）由于X補碼代表的數(shù)是負數(shù)，則其真

24、值： X（1011010求反1）B （01001011）B （0100110）B （125122121） （3242） （38）D,1.3.3 計算機中常用的編碼 計算機除了用于數(shù)值計算之外，還要進行大量的文字信息處理，也就是要對表達各種文字信息的符號進行加工。計算機中目前最通用的兩種字符編碼分別是美國信息交換標準代碼（ASCII碼）和二十進制編碼（BCD碼）。,1. 美國信息交換標準代碼（ASCII碼） ASCII（American Standard Code for Information Interchange）碼是美國信息交換標準代碼的簡稱，用于給西文字符編碼，包括英文字母的大小寫、數(shù)

25、字、專用字符、控制字符等。 這種編碼由7位二進制數(shù)組合而成，可以表示128種字符，目前在國際上廣泛流行。,2. 二十進制編碼BCD碼 BCD（Binary-Coded Decimal）碼又稱為“二十進制編碼”，專門解決用二進制數(shù)表示十進數(shù)的問題。 “二十進制編碼”最常用的是8421編碼，其方法是用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，自左至右每一位對應的位權是8、4、2、1。 由于4位二進制數(shù)有00001111共16種狀態(tài)，而十進制數(shù)09只取00001001的10種狀態(tài)，其余6種不用。,通常，BCD碼有兩種形式，即壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。 （1）壓縮BCD碼：壓縮BCD碼的每一位數(shù)采用4位二進制數(shù)來表示，即一個字節(jié)表示兩位十進制數(shù)。例如：十進制數(shù)59D，采用壓縮BCD碼表示為二進制數(shù)是01011001B。 （2）非壓縮BCD碼：非壓縮BCD碼的每一位數(shù)采用8位二進制數(shù)來表示，即一個字節(jié)表示1位十進制數(shù)。而且只用每個字節(jié)的低4位來表示09，高4位為