原理第1章.ppt

1、微型计算机原理 与接口技术,Email：164020620,1,本课程的考试要求,1. 卷面成绩和平时成绩按7:3的比例，即 卷面成绩占70%，平时成绩占30%。 2. 平时成绩采用百分制，包括课堂出勤(8分/次，共4次)、习题作业（2分/次，共6次）和实验（14分/次，共4次）。,主要的知识结构：,基础知识部分 软件部分 硬件及软硬结合部分,第三章 8086/8088指令系统 第四章 汇编语言及其程序设计,第五章 存储器（地址译码） 第六章 输入/输出与中断技术 第七章 可编程接口芯片（8253、8255）,课程目标,掌握： 微机的基本工作原理 汇编语言程序设计方法 微机接口技术 建立微机系

2、统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,4,教学目的 了解微型计算机的工作原理 了解微型计算机的系统构成 掌握计算机的数制及编码,第1章 微型计算机基础知识,5,1.1 微型计算机系统,1.1.1 微型计算机的发展史 1946年第一台计算机诞生 可分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机等六大类型 微型计算机诞生于20世纪70年代。,微型计算机基础知识,6,单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器随机存储器、只读存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器

3、等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 目前最常用的单片机为MCS-51 。,第一代：电子管计算机（1946年） 第二代：晶体管计算机（ 1958-1964年） 第三代：集成电路计算机（ 1964年-70年代中期） 第四代：大规模集成电路计算机（ 70年代开） 摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。,7,1.2 微型计算机系统,1.2.1 微型计算机的工作原理,“存储程序”是指程序和数据采用二进制存放在存储器中，计算机工作时只要给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令依次取出指令、分析指令、执行指令，直到执行完

4、全部指令为止。 计算机的五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。,计算机的这五大部件在控制器的统一控制指挥下，实现有条不紊的自动工作。,8,冯诺依曼计算机以运算器为中心， 各部件的功能是： 输入设备用来将计算机外部各种信息输入转换为计算机所能识别的二进制信息。 存储器用来存放指令和数据。 运算器用来完成算术运算和逻辑运算。 控制器用来控制指令和数据的输入、运行以及处理运算结果。 输出设备负责将计算机处理结果转换输出为外部的各种信息形式。,冯诺依曼提出的体系结构设计方案,1.2.2 微型计算机的系统构成,存 储 器,I/O 接 口,输 入 设 备,I/O 接 口,地址总线 AB,输

5、 出 设 备,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus,微型计算机的系统结构图,9,CPU是计算机系统的核心部件，是计算机的控制中心，提供运算、判断能力。 CPU的构成（见下图）： 运算器 控制器 寄存器组,微处理器(或中央处理器，CPU),图1-3 微处理器的典型结构,11,运算器,控制器,寄存 器组,2. 存储器（内存或主存）,定义： 存储器又叫内存或主存,是微型计算机的存储和记忆部件。 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和当前执行的程序。,有关内存的几个概念： 内存单元的地址和

6、内容 内存的操作 内存的分类,12,图1-4 内存单元的地址和内容,（1）内存单元的地址和内容,（2）内存的操作-读/写,存储器读操作,（3）内存分类-RAM & ROM,13,按工作方式不同，内存可分为两大类：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）,RAM 与 ROM的区别,RAM （随机存储器）可以被CPU随机地读写。机器断电后，所存信息消失。主要用来存放用户装入的程序、数据及部分系统信息。 ROM（只读存储器）中的信息只能被CPU随机读取，而不能由CPU写入。机器断电后，信息并不丢失。主要用来存放各种系统程序，如汇编程序、各种高级语言的解释或编译程序、基本I/O程序等。,3. 输入输

7、出设备和输入输出接口,输入输出设备和输入输出接口是微型计算机的重要组成部分 输入输出接口是CPU与输入输出设备间的桥梁（由于I/O设备的工作速度、所用信号类型格式等于主机不同，I/O设备一般不能直接与主机进行连接） 接口的功能： 数据缓冲寄存 信号电平或类型的转换 实现主机与外设间的运行匹配,CPU,I/O接口,I/O设备,15,总线由一组导线和相关控制电路组成，是各种公共信号线的集合，用作微机系统各大部件之间的信息传送。在CPU、存储器、I/O接口之间传送信息的总线称为系统总线。 （1）地址总线(Address Bus) 地址总线用来传送地址信息，CPU访问存储器或输入输出接口时所需的地址，

8、单向。 （2）数据总线(Data Bus) 数据总线用来数据信息，CPU与内存或输入输出设备之间传输数据，双向。 （3）控制总线(Control Bus) 控制总线传送的是控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存或I/O接口发出的信息，有的则是内存或I/O接口向CPU发出的信息。控制总线的每一根线是单向的。,4. 总线,16,17,1.2.3 微型计算机的主要性能指标,1. 字长 字长是指计算机所能允许参与运算数的位数。 一般为字节(Byte,即8位二进制)的整数倍。目前微型计算机从8位、16位、32位到64位各档次都有。 2. 运算速度 运算速度是指计算机进行数值计算或信息处理

9、的快慢程度。 微型计算机的速度指标可用主频及执行指令的速度来评价。 主频也称时钟频率，以MHz或GHz为单位。主频越高，表明运算速度越快。目前微机的主频已达到4GHz以上。运算速度单位为MIPS(每秒百万条指令) 。 3. 主存容量 主存储器所能存储信息的最大容量称为主存容量。主存容量一般以“存储单元个数 存储字长”来表示，其中存储单元个数所用单位如下：,18,1.3 计算机中的数制与编码,了解：各种计数制与编码的特点及表示方法 掌握：各种计数制之间的相互转换及常用编码,1.3.1 数制,十进制 二进制 十六进制,常用计数法,19,1. 十进制,特点：以十为底，逢十进一；共有09十个数码。用D

10、代表。 可以用权展开式表示为： 注：Di 是D的第i位的数码，可以是0-9，n、m为正整数，n表示小数点左边的位数，m表示小数点右边的位数，10为基数，10i称为十进制权,2. 二进制,特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个数码。用B表示。 权展开式表示为：,20,3. 十六进制,特点：以16为底，逢16进位；有16个数码，09及AF。用H表示。 权展开式表示为：,4. 其它进制,从以上介绍可见，各种进制数具有以下共同特点： 1. 每种进制数都有一个确定的基数R，每一位的系数K有R种可能的取值。 2.遵循“逢R进一”原则。 一个R进制数可用其权表达式表示为：,21,1.3.2 各种数制之间的

11、转换,1. 非十进制数到十进制数的转换 按相应的权表达式展开，再按十进制运算规则求和，即可得到它们对应的十进制数,例：(1101.101)2=123+122+021+12-1+02-2+12-3=(13.625)10,2. 十进制到非十进制数的转换 对二进制的转换： 对整数：除2取余； 对小数：乘2取整。 对十六进制的转换： 对整数：除16取余； 对小数：乘16取整。,22,3. 二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数,举例：二进制与十六进制数的转换。,23,1.3.3 编码,1. BCD码-二进制编码的十进制数,压缩BCD码8421码 用4位二进制码表示一位十进制数 扩展

12、BCD码 用8位二进制码表示一位十进制数,BCD码与十进制制数的对应关系,计算机存储BCD码有两种方式：压缩BCD码与非压缩BCD码。前者在一个字节中存放两个4位的BCD码，后者在一个字节中存放一个4位的BCD码，字节的高四位置0.,24,BCD码与十进制数、二进制数的转换 BCD码与十进制数之间的转换很简单，只需根据表中的对应关系把4位BCD码与1位十进制数相互转换即可。 例1 将(1001 0111 1000)BCD转换为对应的十进制数。 解：(1001 0111 1000)BCD= (978)10 例2 将875转换为对应的BCD码。 解：(875)10=(1000 0111 0101)

13、BCD BCD码与二进制数之间的转换一般需要把十进制数作为中间桥梁来进行转换。 例3 将二进制数00110101转换为对应的BCD码。 解：(00110101)2=(53)10=(0101 0011)BCD 例4 将BCD码(0001 0110.0010 0101)BCD转换为二进制数。 解：(0001 0110.0010 0101)BCD=(16.25)10=(10000.01)2,25,2. 字符编码,字符包括字母、数码、运算符号、标点符号等。计算机存储字符也需要采用二进制进行编码。目前普遍采用的字符编码系统是ASCII码（American Standard Code for Inform

14、ation Interchange，美国国家标准信息交换码）,行,列,高位,低位,回顾,1.微型计算机的系统构成 2.计算机中的数制与编码 十进制、二进制、十六进制及其之间的相互转换 BCD码(8421码) ASCII码（30H、41H、61H）,微处理器（CPU）,存储器（内存、主存）,I/O接口,总线,运算器 控制器 寄存器组,RAM ROM,地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB,27,1.3.4 数值型数据在计算机中的表示方法,1. 无符号数的算术运算 包括：加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算。,（1）加法运算 无符号数的加法运算遵循以下法则： 000 011 101 110（有

15、进位） 【例1】计算01101010B10110101B( ? )B。 解： 进位 111000000 被加数 01101010 加数 ） 10110101 100011111,即： 01101010 B + 10110101B 100011111 B,28,（2）减法运算 无符号数的减法运算遵循以下法则： 000 101 110 011（有借位） 【例2】计算10010101B01101010B( ? )B。 解： 借位 11010100 被减数 10010101 减数 ）01101010 00101011,即：10010101B01101010B00101011B,29,（3）乘法运算 无

16、符号数的乘法运算遵循以下法则： 000 100 010 111,分析笔算乘法 例3计算1010B1001B ( ? )B。 1010 被乘数 1001 乘 数 1010 部分积 0000 0000 1010 1011010 乘 积 即1010B1001B1011010B。,（4）除法运算 除法运算是乘法运算的逆运算，无符号数的除法运算可以转换为减法和右移运算。,无符号数的乘法运算可以转换为加法和左移位运算。,30,2.无符号数的表示范围及运算溢出判断 一个n位无符号二进制数X，其表示数的范围为： 0 X 2n-1 例如一个8位的无符号二进制数，即n=8，其表示范围为028-1，即00HFFH（

17、0255）。可见如果无符号数的运算结果超出数的可表示范围，则会产生溢出，得到不正确的结果。 【例4】计算10101011B11010010B( ? )B。 解： 10101011 11010010 101111101 运算结果101111101B是9位，超出了8位二进制数，所以结果产生溢出。,31,3. 带符号数的表示方法 （1）机器数与真值 机器数是一个数在计算机中的表示形式，一个机器数所表示的数值称为真值。 在计算机中，通常将一个数的最高位作为符号位，最高位为0，表示符号位为正；最高位为1，表示符号位为负。 【例5】 真值 机器数 79 = 0 1001111 79 = 1 1001111

18、 式中等号左边的79和79分别是等号右边的机器数所代表的实际数，即真值。 （2）带符号数的表示方法 符号数在计算机中有三种表示方法，即原码、反码和补码。它们均把最高位作为符号位，其他位存放数值。,32,原码的几个特点： 数值部分即为该带符号数的二进制值。 “0”有0和0之分，若字长为8位， 故+0原=0 0000000， -0原=1 0000000 8位二进制原码表示数据的范围为： 1111111101111111，即127127。 原码简单，与真值转换方便，但运算时避免不了减法，为了把减法运算统一转换为加法运算，即用一个加法器来实现加减运算，便引入了反码和补码。 一个n位二进制数X，其原码表

19、示的严格定义为,1）原码 真值X的原码记为X原 。原码表示中的数值位与真值相同。 【例6】已知真值 X=+33，Y=-33 ，求X 原和Y原 。 解：因为(+33)10=+0100001B，(-33)10=-0100001B ，根据原码表示法，有 X原= 0 0100001 Y原= 1 0100001 符号位 数值部分 符号位 数值部分,33,2）反码 对于正数，其反码形式与原码相同，最高位（符号位）为0表示正数，其余位为数值位。 对于负数，将其原码除符号位之外的其余各位按位取反，既可得到其反码表示形式。 【例7】已知真值X=+0，Y=-0，求X反和Y反。 解：因为(+0)=+0000000B

20、，(-0)=-0000000B 根据反码表示法，有 X反=00000000，Y反=11111111B 反码的几个特点： “0”有0和0之分，即数值0的表示不唯一。 8位二进制反码所能表示的数值范围为127127。 在反码表示法中，最高位是符号位，0表示正号；1表示负号。 一个n位二进制数X，其反码表示的严格定义为,34,3)补码 正数的补码与其原码相同，最高位为符号位，其他各位为数值位。 负数的补码即为它的反码在最低位加上1。 【例8】已知真值X=+0，Y=-0，求X补和Y补。 解：X补=X原=00000000B，Y补=Y反+1=11111111+1=00000000B 从以上例子可以归纳出补

21、码的几个特点： 在补码表示法中，最高位是符号位，0表示正号；1表示负号 0的补码表示是唯一的。 正因为补码中没有0和0之分，所以8位二进制补码所能表示的数值范围为128127。 一个n位二进制数X，其补码表示的严格定义为,对于有符号数 10000000,无符号二进制数10000000表示128 1.在原码中，10000000表示0 2.在反码中，10000000表示-127 3.在补码中，10000000表示-128,35,对于无符号数 10000000,36,4. 补码的运算 补码与十进制数的转换 十进制数到补码的转换，可以先把其转换为二进制数，接着再用上面介绍的求补码的方法求得其补码。 要

22、把一个补码转换为对应的十进制数，应先求出其对应的二进制值，之后再进行二十转换即可。 正数补码转换为十进制数 由于正数的补码即是它的原码，所以把数值部分转换为十进制数即可。【例9】已知X补=01101010 ，求X的真值。 解： 因为补码01101010的符号位为0，是一个正数，它的数值部分即为 真值，即：X=+1101010=(+106)10,37,负数补码转换为十进制数 负数补码转换为十进制数的方法是将该负数补码再求一次补，即把其数值部分按位取反再加1，所得结果即为它的真值。 【例10】已知X补=11101010，求X的真值。 解： X=X补补=11101010补=-0010110=(-22

23、)10 补码运算有如下规则： 补码的加法规则：X+Y补=X补+Y补 。 补码的减法规则： X-Y补=X补-Y补 =X补+-Y补 通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。 5. 带符号数的溢出判断 从补码的介绍可知，8位二进制补码所能表示的数值范围为128127。当运算结果超出这个表达范围时，便产生溢出。 判断方法总结为：两个带符号二进制数相加或相减时，若 最高位进（借）位 次高位进（借）位1 则结果产生溢出。,例：,1 0 1 1 0 1 0 1 + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0,0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0

24、 1 0 0 1 0 1,0 1 0 0 0 0 1 0 + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1,CASE1:,CASE2:,CASE3:,溢出,溢出,溢出：C7 C6=1,39,1.4.1 基本逻辑运算 基本逻辑运算有四种：“与”运算、“或”运算、“非”运算、“异或”运算。,1.4 逻辑运算及常用逻辑部件,“与”运算（Y=AB） “与”运算也称为逻辑乘法运算，通常用符号“”或“”或“”表示。 它的运算规则为 Y=00=0 Y=10=0 Y=01=0 Y=11=1,10110110 10010011 10010010,“或”运算（Y=AB） “或”运算也称逻辑加

25、法，常用符号“+”或“”表示。它的运算规则为 Y=00=0 例如： Y=01=1 Y=10=1 Y=11=1,10110110 10010011 10111111,40,“非”运算（ ） 非运算又称反运算，逻辑否定。其运算规则为 1 读成非0等于1 0 读成非1等于0,“异或”运算（Y=AB） 异或运算通常用符号“”表示。它的运算 规则为 Y=00=0 Y=01=1 Y=10=1 Y=11=0,10110110 10010011 00100101,41,1.4.2 基本逻辑门及常用逻辑部件,与门 与门是实现“与”运算的电路。若输入的逻辑变量为A和B，则通过与门输出的结果F可表示为： FAB,与

26、门真值表,含义：仅当A和B都是高电平（1）时，输出Y才是高电平；受低电平（0）控制，只要将任意输入端接低电平（0），该与门就被封锁，输出低电平（0）.,42,或门 或门是实现“或”运算的电路。若输入的逻辑变量为A和B，则通过或门输出的结果F可表示为： FAB,或门真值表,特点：受高电平控制，只要将任意输入端接高电平，该或门就被封锁，输出高电平。,43,非门 非门是实现“非”运算的电路，又称反相器。它只有一个输入端和一个输出端。若输入的逻辑变量为A，则通过非门输出的结果F可表示为： F,非门真值表,44,与非门 与非门是实现先“与”运算再“非”运算的电路。若输入的逻辑变量为A和B，则通过与非门输出的结果F可表示为： F=,与非门真值表,逻辑规则是：只有当全部输入端均为逻辑1时，输出才为逻辑0，否则输出为逻辑1。,45,或非门 或非门是实现先“或”运算再“非”运算的电路。若输入的逻辑变量为A和B，则通过或非门输出的结果F可表示为：,或非门真值表,逻辑规则是：当一个或多个输入端为逻辑1时，输出为逻辑0， 只有当全部输入端均为逻辑0时，输出才为逻辑1。,46,译码器 译码是编码的逆过程。它是对输入的不同信号给出具体的逻辑关系定义从而转换成为一个特定的输出信号。实现这种功能的电路，称为译码器。 74LS138译码器,47,74LS138真值表,48,作 业： 教材P24P25 ： 17题,