微机原理与接口技术,第 1 章 微型计算机概述,教案,第 1 章 微型计算机概述,1.1 微型计算机 1.2 微机的软件基础 1.3 微机的结构特点 习题例,微型计算机 微型化的电子计算机,电子计算机的基本组成,微处理器、微机、微机系统,微处理器（MP，Microprocessor），也称为CPU或MPU。微处理器是由算术逻辑部件（ALU）、控制部件（CU）、寄存器（R）组、片内总线等部分组成的大规模集成电路芯片。 微型计算机（MC，Microcomputer，简称微机）是以微处理器为核心，配上大规模集成电路的半导体存储器、输入和输出接口电路，以及相应的辅助电路。 微型计算机系统（MCS，Microcomputer System）是以微型计算机为主体，配上一定规模的系统软件和外部设备构成。,微型计算机性能指标,字长：微处理器并行处理的最大位数，有8/16/32位等，通常与微处理器的ALU、R、数据总线的位数一致。字长是微机分类的主要依据。 存储容量：微机系统能够直接访问的存储单元字节数，即内存寻址的最大字节数。存储器字节数是由存储器地址的位数决定的 ，通常以KB，MB，GB（分别是210，220，230字节）为单位 。 运算速度：微机通常是以计算机的主频（MHz, 106Hz）速度为运算速度单位 。 系统配置：系统提供的人机联系手段（软/硬件配置越高档，工作效率越高）。 性能/价格比：微机系统性能价格比值的综合指标。,微型计算机的组成,微机的分类及其应用,微机的分类: 微机系统是以微处理器字长作为微机的分类标准。 微机一般分为4位、8位、16位、32位微机等。 微机的应用特点: 形小、体轻、功耗低 性能可靠 价格便宜 结构灵活，适应性强 应用面广,微机中的数制,数制之间的转换, 2# 数和16# 数之间的相互转换 11000001B = 1100 0001B = 0C1H 7F2AH = 0111 1111 0010 1010B = 0111111100101010B 如果有小数，以小数点为界，对整数、小数转换。 01011101.01B = 0101 1101.0100B = 5D.4H 2# /16# 数转换成10# 数 1010110B = 126+124+122+12 = 64 +16 +4 +2 = 86 4D.8H = 416 +13+ 816-1= 64 +13 +0.5 = 77.5,数制之间的转换, 10# 数转换成2# /16#数 10#整数2#/16#数的转换： 采用“除基取余法” ，即除以基数（2/16）取余数法。 233D = 0E9H （除以16取余数） 233D = 11101001B （除以2取余数） 10#小数2#/16#数的转换： 采用“乘基取整法” ，即乘以基数（2/16）取整数法。 0.25D = 0.01B = 0.4H 0.5D = 0.1B = 0.8H 0.625D = 0.101B = 0.AH 0.75D = 0.11B = 0.CH,字符信息编码, BCD码（Binary Coded Decimal） 十进制数 09 的二进制编码，分别用00001001表示。 计算机常用一个字节存放2位BCD码（压缩BCD码）。 例如，10000000B（80H），压缩BCD码数解释为80 01001001B（49H），压缩BCD码数解释为49 ASCII码（American Standard Code for Information Interchange） 计算机字符信息交换标准码，共128个，用7位编码（27）表示。 计算机常用一个字节存放一个ASCII码（D7位恒为0）。 例如，09的ASCII码30H39H；AZ的ASCII码41H5AH； az的ASCII码 61H7AH；空格的ASCII码 20H,机器数（有穷数位）表示 字节（8位） 数，可表示256个数 字（16位） 数，可表示65536个数 无符号数 字节数：0255（00FFH） 字数：065535（ 00FFFFH ） 有符号数（原码/补码表示） 字节数：-128 127 字数： -32768 32767,（整）数的表示,有/无符号数表示,无符号数是正数，无需符号表示，所有数位都是数值数位。n位无符号数N的数值范围是0N2n-1。 有符号数的符号用一位二进制数码（正数0，负数1）表示，即符号数值化表示。 原码（符号-绝对值）表示法： 用其最高有效位作为数的符号位（Sf），其余位为数值位。 补码表示法： 正数补码同原码表示。 负数补码是将它对应的正数，连同符号位一起按位取反，再在最末数位上加1，即“按位取反+1”。,求补码的方法, n位补码数N的数值范围：-2n-1N 2n-1-1 。 例如，字节数（8位）补码范围：-128 127 字数（16位）补码范围： -32768 32767 求X补码（n位）的方法： X为正数：求X的原码（n位）。 X为负数：求X对应正数的原码（n位），然后“按位取反”，并在最末位+1，即，相当于做了一个n位的 0-X 运算。 例如： +127的补码（同原码），01111111 -127的补码，01111111按位取反+1，即10000001,例如： +1000011（+67） -111000（-56） 原码：数符（Sf）绝对值 （8位） 0 1000011（+67） 1 0111000（-56） 反码：正数同原码，负数的数值位“按位取反” （8位） 0 1000011（+67） 1 1000111（-56） 补码：正数同原码，负数的数值位“按位取反+1” （8位） 0 1000011（+67） 1 1001000（-56）,原码，补码表示例,8位二进制数/码表示例,微机的基本运算,计算机的基本运算有算术运算和逻辑运算，由算术/逻辑运算部件ALU完成。 逻辑运算：有反（非）运算、与（）运算、或（）运算、异或（）运算。对于多位二进制变量的逻辑运算是“按位”运算的，即各对应位分别进行逻辑运算。 算术运算：计算机中的四则运算最终简化为加/减法运算。ALU的核心电路是加法器，实现的是补码加法运算（不需要判断正/负号，符号位和数值位一起参加运算，能自动得到正确的补码结果，除非出现数值溢出错误 ）。 XY补码 =X补码 +Y补码,补码加/减法运算例, 41+27= 68 00101001 + 00011011= 01000100 41- 27= 41 +（-27）= 14 00101001 + 11100101= 00001110 -41+27=（-41）+ 27= -14 11010111 + 00011011= 11110010 -41-27= （-41）+（-27）= -68 11010111 + 11100101= 10111100,指令和指令系统,指令计算机能直接执行的基本操作命令。 指令系统计算机能执行的全部指令的集合，称为该计算机的指令系统。 程序能实现一定功能的指令序列。用汇编语言/高级语言描述的程序为源程序。 汇编语言源程序的一条指令语句对应着一条执行指令。 汇编语言指令语句由操作（码）符和操作数两部分组成。 操作符指出所要执行的操作功能，用英文词缩写描述。 操作数指出指令操作的数据（操作对象）。,汇编语言程序,计算机程序设计的语言系统: 机器语言（2#代码语言，执行指令序列） 汇编语言（符号机器语言） 高级语言 汇编语言程序是用助记符号描述的，一一对应机器语言的符号指令序列，便于阅读、书写和记忆。 汇编语言程序必须 经过“汇编过程”，变成机器语言程序（目标程序）才能被执行。 汇编过程是“一对一”的翻译过程。 通过汇编语言程序设计，可以直接利用“硬件”，高效地使用计算机实现控制。,汇编语言程序设计过程,汇编语言程序设计的系统软件,编辑程序 EDIT.EXE / 记事本 汇编程序 MASM.EXE / TASM.EXE 连接程序 LINK.EXE / TLINK.EXE 调试程序 DEBUG.EXE / TD.EXE *上述系统软件是在MS-DOS环境下使用！,微机的总线结构, 微机的核心部件是微处理器。 微机的总线是指微机主板或单板机上以微处理器芯片为核心的、芯片与芯片之间的连接总线，称为系统总线。 系统总线好似微机系统的“中枢神经”，把微处理器、存储器和I/O接口电路（外部设备与微型计算机相连的协调电路）有机地连接起来，所有的地址、数据和控制信号都经过总线传输。 系统总线分为三类总线，即数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。,微机总线结构示意图,引脚的功能复用,随着微机字长和寻址能力的增加，微处理器的引脚需要的越来越多。又由于工艺技术和生产成本的考虑，大规模集成电路芯片的封装尺寸和引脚数目受到限制。 微机采用引脚功能复用技术，即把一个引脚设计成由多个功能“共用”的引脚，即让各个功能“分时”使用该引脚，所以也称为引脚分时复用。 为了区分引脚各个功能，需要有相应的辅助电路，实现分时控制逻辑。所以，引脚功能复用技术是以延长信息传输时间，增加系统的复杂性为代价的。,流水线技术,流水线技术就是一种同步进行若干操作的处理方式。这种方式的操作过程类似于工厂的流水线作业装配线，故形象地称之为流水线技术。 流水线技术的实现除了必须增加硬部件外，要保证流水线有良好性能，必须要有一系列有效的技术支持，如，流水线协调管理技术和避免阻塞技术等。 流水线技术已广泛应用于16位以上的微机系统，主要目的是加快取指令和访问存储器等操作，有指令流水线技术、运算操作流水线技术、寻址流水线技术等一系列应用。,微机中常用的数字部件,三态门电路：微机总线结构中广泛采用三态门电路把部件与总线相连，使挂接在系统总线上的功能部件既要“共享”总线通道，又要避免总线冲突和信息串扰。 数据缓冲器：由双向三态门构成的数据缓冲器，也称为数据驱动器，或数据收/发器。 数据锁存器：由D触发器和单向三态门构成的带缓冲的数据锁存器。 译码器：是根据输入的组合状态得到惟一的输出有效信号的电路，广泛运用在存储器单元和I/O设备的寻址选择中。n位2#数有2n个编码组合，所以，有n个输入端的译码电路，有2n个输出端，称为n - 2n译码器。,三态门电路,挂接在微机系统总线上的功能部件既要“共享”总线通道，又要避免总线冲突和信息串扰。微机总线结构中广泛采用三态门电路把部件与总线相连。 三态门有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，可以改善传输特性，故对传输数据起到缓冲作用，同时能对传输的数据进行功率放大，具有一定的增强数据驱动能力。,E=1 B=A E1=1 B=A E=0 B高阻态 E2=1 A=B （断开） E1=E2=0 A、B断开 单向三态门 双向三态门,数据缓冲/驱动器,Intel 8286（74LS245）是由8位双向三态门构成的双向数据缓冲/驱动器（数据收/发器）。 A0A7，B0B7：双向数据端口。 OE：输出允许信号，低电平有效。 T：传送方向控制信号。当T=1，数据AB传送，当T=0，数据BA传送。,数据锁存器,Intel 8282（74LS373）是8位带有单向三态缓冲器的数据锁存器。 DI0DI7、DO0DO7：分别是8位数据输入、输出端。 STB：输入选通信号，高电平有效。 OE：输出允许信号，低电平有效。,译 码 器,Intel 8205（74LS138）是微机系统广泛运用在存储器和I/O设备寻址的3-8 译码器。 A2, A1, A0 (C, B, A)：3个输入端，有000111的8种输入组合状态。 Y0Y7：8个输出端，译