微机原理与接口技术第1章.ppt

微型计算机原理与接口技术,本门课的参考书,凡与汇编程序设计、与80X86硬件接口有关的书 与资料 1.戴梅萼.微型计算机技术及应用(第3版）.清华大学出版社.2003年 2沈美明，温冬婵IBM-PC汇编语言程序设计北京：清华大学出版社，2001 3周明德微型计算机系统原理及应用北京：清华大学出版社，2007,教材,孙力娟等.微型计算机原理与接口技术. 清华大学出版社.2007年2月,本门课的课程与实验安排,考试与成绩,序 言,课程内容,本课程讲述了位微型机的硬件、软件的基本知识，其中：,硬件： 位微处理器的指令系统，微处理器结构，中断系统，I/O系统与常规I/O接口电路及其应用,软件：汇编语言程序设计,本课程涉及到的基础知识有：数字电路,DOS操作命令，数制和码制。,学习微机原理与接口技术课程的目的: 1.从应用的角度出发,了解微机的工作原理,建立微机工作的整体概念; 2.从理论与实践上掌握微型机的硬件及各部件的功能与组成原理; 3.学会用汇编语进行计算机底层软件设计,以及掌握计算机与其它辅助设备的接口技术的基本能力 4.为培养学生具有微机系统软硬件开发的能力打下必要的基础.,汇编语言具有如下一些优点： 能够直接访问与硬件相关的存储器或 I/O 端口； 能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码 进行完全的控制； 能够根据特定的应用对代码做最佳的优化， 提高运行速度； 能够最大限度地发挥硬件的功能。,汇编语言具有如下一些缺点： .编写的代码非常难懂，不好维护； .很容易产生 bug，难于调试； .只能针对特定的体系结构和处理器进行优化； .开发效率很低，时间长且单调。,第1章计算机基础,解决微型机领域中数的不同表示方法 一常用计数制 1. 十进制数：编程时使用（D） 2. 二进制数：计算机内部信息存储，运算， 输入/ 输出都是二进制数（B）,1.1 计算机中的数制,（） 权：,每位代码非即 高位权是低位权的倍 加减运算法则：逢二进一，借一当二,1 0 1 1 1 1,1 1 0 1 1 0 1 0,特点：,3.十六进制数：,人们最常用的是十进制，但在计算机中为了物理实现的方便，采用的是二进制。 人们为了书写阅读方便，又常常采用十六进制数来表示二进制数。 十六进制的基数是16，权值为160、161、，数码有0、1、9、A、B、C、D、E、F。 十六进制用H表示，二进制数用B表示,十六进制与二进制的关系： 每4位二进制数用1位十六进制数来表示,所以，（10，1001， 1010 ，1111）（29AF）16,十六进制数特点： （ A F）16 权：,每位代码，A F 高位权是低位权的16倍 加减运算法则：逢十六进一，借一当十六,4.BCD码: 计算机中采用二进制，但二进制书写、阅读不便，所以在输入输出时人们仍习惯使用十进制。 采用二进制数对每一位十进制数字进行编码来表示一个十进制数，这种数叫做BCD码。 BCD码有多种形式，最常用的是8421BCD码，它是用4位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值。,BCD码在计算机中的存储分为紧凑型和非紧凑型两种：,紧凑型BCD码： （37）D = 0011，0111B 非紧凑型BCD码： （37）D = 0000，0011B 0000，0111B,二数制转换, 二、八、十六进制数十进制数 算法:每位的代码和该位的权值相乘，再求累加和 如：（）（？）,解： 123122 021 120121122 = 8 4 0 1 0.5 0.25 =(13.75 )10,如： （A F）16=( ? )10 解： 21639162 10161 15160 = 8192 2304 160 15 =(10671)10,. 二进制数十六进制数 四位二进制数为一组，每组用等值的十六进制代换 如：(101011.11)(10,1011.1100)2=(2B.C)16,3十六进制数二进制数 一位十六进制数用等值的四位二进制数代换 如: (17E.58)16（0001,0111,1110.0101,1000)2,4 . 十进制数二进制数 十进制整数二进制数 算法：除取整，直到商为零为止 ，倒排,1 1,2,2,2,1,2,0,所以，(11)10=(1011)2,5,2,十进制数纯小数二进制数 算法:乘2取整,直到乘积的小数部分为0时止，顺排, (0.8125)10=(0.1101)2,十进制带小数 二进制数 整数、纯小数分别计算,再合并 (11.8125)10=(1011.1101)2,例:设 X =(01010110)2 Y =(5 A)16 问: X,Y谁大?,解: 转换成同一数制比。等值的十进制数谁最大。 X=(01010110)2=26242221=(86)10 Y=(5A) 16= 516110160=(90) 10 Y大,不同数制的数比大小,可看它等值的十进制数谁大。,1.2计算机中数据的编码,解决不同信息在计算机中的具体表示,一.字符的编码ASCII码 在计算机中除了数值之外，还有一类非常重要的数据，那就是字符，计算机常用的输入输出设备有键盘、显示器、打印机，它们处理的数都是人熟悉的字符,有英文的大小写字母，数字符号（0，1，9）以及其他常用符号（如：%、+等）。 在计算机中，这些符号都是用二进制编码的形式表示，每一个字符被赋予一个惟一固定的二进制编码。目前，一般都是采用美国标准信息交换码（ASCII），它使用七位二进制编码来表示一个符号。由于用七位码来表示一个符号，故该编码方案中共有128个符号（27=128）。,如：键入“”，实际写入键盘存储区的是31H 即 00110001B 键入“A”， 实际写入键盘存储区的是41H 即 01000001B,又如：欲显示“0”，应把 30H 即 00110000B 显示存储区 欲显示“F ”，应把 46H 即 01000110B 显示存储区,要求同学们要牢记以下18个字符的ASC码： 09的ASC码为 30H 39H AF的ASC码为 41H 46H 回车符的ASC码为 0DH 换行符的ASC码为 0AH,二. 码制,解决在微型机领域中如何表示有符号数？,（一） 真值和机器数的概念,计算机只能识别0和1组成的数或代码，所以有符号数的符号也只能用0和1来表示，,1真值：一个数的数值。 用“”表示正数，用“”表示负数 如：+101 -101,把符号数值化，用0表示“+”，用1表示“-”，这 样，连同符号位在一起作为一个数，称为机器数。,2机器数：在计算机中如何表示正负?,由于数值部分的表示方法不同，有符号数可有三种表示方法，即机器数有三种形式，分别叫做原码、反码和补码。,3字长：包括符号位在内，一个二进制数占有的位数 如：字长n=8的二进制数，除了符号位，数值部 分为7位,1. 原码： 原码表示的有符号数，最高位为符号位，数值位部分就是该数的绝对值。 例如：假设某机器为8位机，即一个数据用8位（二进制）来表示，则： +23(17H)的原码机器数为00010111 - 23(-17H)的原码机器数为 10010111 其中最高位是符号位，后7位是数值位。,2. 反码： 反码表示的有符号数，也是把最高位规定为符号位，但数值部分对于正数是其绝对值，而对于负数则是其绝对值按位取反（即1变0，0变1）。 例如：+23的反码机器数为00010111 - 23的反码机器数为11101000 数字0的反码有2种表示： (+0)10=(00000000)2 (- 0)10=(11111111)2,3. 补码： 补码表示的有符号数，对于正数来说同原码、反码一样，但负数的数值位部分为其绝对值按位取反后末位加1所得。 例如：+23的反码为00010111 -23的反码为11101000 - 23的补码为 11101001,小结： 机器数比真值数多一个符号位。 正数的原、反、补码与真值数相同。,负数原码的数值部分与真值相同；负数反码的数 值部分为真值数按位取反;负数补码的数值部分为真值 数按位取反末位加1。,没有负零的补码，或者说负零的补码与正零的补 码相同。,补码机器数的数值范围 设机器数字长=n位,用来表示整数,则n位补码数,其 真值范围为 -2n-1 +2n-1 - 1,由于补码表示的机器数更适合运算，为此，计算机 系统中负数一律用补码表示。,设：8位补码数为1000,0000 0111,1111 则：十进制真值数为 - 128 +127,设：16位补码数为 1000,0000,0000,00000111,1111,1111,1111 则：十进制真值数为 -32768 +32767,（1）设X补=(96)16,则x=( ? )10 解: x补=(96)16=10010110 则 x= -1101010=(-106)10,（2）设x=(-120)10,则x补=( ? )16 解：x=(-120)10=(-1111000)2 则 x补=(1000,1000) =(88)16,（3）设x=(100)10,则x补=( ? )16 解: x=(100)10=(+110,1100)2 则 x补=(0110,1100)2 =(6C)16,真值与机器数的转换(设字长n=8),（4）设X补=(96)16,则x=( ? )10,一,二,若已知一个负数的补码，再取一次补，则 x补补= x原,（二）整数补码的运算 关于“模”的概念 一个计量器的最大容量称为该计量器的“模”,四位计数器能存00001111共十六个数, 模24,八位计数器能存0000,00001111,1111共256个数， 模 28,十六位计数器能存 0000,0000,0000,00001111,1111,1111,1111共65536个数， 模 216,2 四位的加法器（由四个全加器组成）模 2416,在上述加法器上进行: 7+6=13,进位为0 8+8=0,进位为1 进位为“1”，其值为16，就是四位加法器的“模”， 它被运算器“丢失”了。,0,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,3.整数补码的加减运算 补补补 补补 补 条件： (1) 符号位参加运算 (2) 以2n为模（为字长） (3) 当真值满足下列条件时，结果是正确的，否则结果错误 2n-1 x, y, x+y ,xy +2n-1,x补= 01000010 y补= 00110011, x+y=+117，进位=0， x-y=+15，进位=1,被运算器丢失，保存 在进位标志寄存器中,x+y补=001110101,x-y补=100001111,x补= 01000010 -y补= 11001101,例1.设x=(66)10，y=(51)10,以28 为模，补码运算x+y,解：x=(66)10= +1000010， y=(51)10= +0110011, 66+99=-1011011 = -91 -66-99=+01011011= +91,结果都是错的？,66+99补=0 10100101,-66-99补=1 01011011,-66补= 10111110 -99补= 10011101,例2以28为模，补码运算, 求66+99， -66-99,解：66补= 01000010 99补= 01100011,错误原因： 因为字长n=8，8位字长的补码数， 其真值 范围是： -128+127 而66+99 165， 真值超过127， -66-99 -165，真值小于-128,总之，运算器位数不够，不能表示165和-165， 出错。,（三）无符号数的概念 计算机处理的数值数据，包括有符号数和无符号数两类。 有符号数用补码表示，其最高位代表符号。,如：编程统计某班级单科的及格人数。 学生成绩没有负数，所以成绩应视为无符号数。 如：编程统计某科室工资总额 工资是无符号数 如：数N=（1111，1111）2 若它是有符号补码数，则其值=1 若它是无符号数，则其值=255,什么是无符号数？ 即数的最高位不代表符号，而是数值的一部分。,某数是无符号数，还是有符号数，其物理意义是由程序员定义,（四）溢出和进位的概念 1进位：运算后，最高位向更高位的进位值。 溢出：运算结果超出了运算器所能表示的范围。,下列情况就发生了溢出： 8位加法器，运算无符号数，结果 256 8位加法器，运算有符号数，结果 +127， 215-1,-215,2计算机怎样表示进位和溢出,CF,OF,加数,被加数,进位标志,溢出标志,和的最高位, 运算器对有符号数和无符号数同样对待 最高位的进位值保存在“进位标志寄存器”中 如加数与被加数的最高位相同，却与结果的最高 位相异，则将溢出标志置为1,如果参与运算的数是无符号数，则判进位标志， 进位标志=1，表示溢出错。,如果参与运算的数是有符号数，则判溢出标志， 溢出标志=1，表示溢出错。,3程序员如何判断溢出错？,例： 加数= 01000010 被加数= 01100011,再如：加数= 10111110 被加数= 10011101,若加数、被加数为无符号数，则结果=10100101=165 若加数、被加数有符号数，则结果=91,若它们是无符号数，结果=+91 (CF=1) 它们是有符号数，结果=+91 (OF=1),CF=0，OF=1,和 = 010100101,和= 101011011,CF=1，OF=1,结果都错,一. 计算机系统组成： 硬件：泛指设备而言 软件：泛指程序而言,1.3 计算机系统的基本组成,硬件：,软件： 系统软件 应用软件,计算机发展,第一代（19461957）采用电子管作为逻辑部件 第二代（19571965）采用晶体管作为逻辑部件 第三代（19651971）采用中、小规模集成电路为主要部件 第四代（1971现在）采用大、超大规模集成电路为主要部件,存储器,按照冯.诺依曼的计算机体系结构思想,什么是微型计算机？,计算机按体积、性能和价格等分类，可分为： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机,存储器,输入/输出 接口电路,运算器控制器,CPU,微型计算机的发展,微型计算机以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件-控制器和运算器的微处理器为核心所构成的计算机系统。 第一代（19711972） 4位和低档8位微机 4004、8008 第二代（19731977） 中、高档8位微机 8080/8085 第三代（19781984） 16位微机 8086/8088 第四代（19851999） 32位微机 80386、80486、 Pentium、 Pentium Pro MMX Pentium、 Pentium 、 Pentium Pentium 4 第五代（2000至今）Itanium,微型计算机的特点： 体积小、重量轻、价格低廉 简单灵活、可靠性高 功耗低、对使用环境要求不高 结构灵活 、应用面广,微型计算机的发展方向,并行化运算速度更高、存储容量更大、功能更强、并行处理。 微型化减小体积、重量、价格，便于携带。 网络化将分布在各区域的计算机和外部设备连成一个功能强大的网络系统，共享软硬件和数据信息资源。 多媒体化具有处理文本、图形图像、音频、视频及网络等功能，实现电脑、电视、电话的“三电一体”。 智能化模拟人的感觉和思维，具有逻辑推理和学习能力，能会“看、听、说、想、做”。,C P U,存储器,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,I/O接口,I/O设备,微机系统的硬件结构, 以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口,二.微型机硬件结构,存储器,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,I/O接口,I/O设备,微机系统的硬件结构, 以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口,存储器:指系统的主存储器，简称为内存。 用来存放程序、数据,存储器,存储器,C P U,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,I/O接口,I/O设备,微机系统的硬件结构, 以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口,I/O接口:是CPU和外部设备交换信息的“中转站”,I/O接口,存储器,C P U,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,I/O设备,微机系统的硬件结构, 以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口,I/O设备:如键盘、显示器、打印机,I/O设备,存储器,C P U,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,I/O接口,微机系统的硬件结构, 以CPU为核心通过3条总线连接存储器、I/O接口,C P U,AB地址总线,DB数据总线,CB控制总线,存储器,存储器,I/O接口,I/O设备,微机系统的硬件结构,总线:总线是CPU与存储器、I/O接口交换信息的公共通道。,传输CPU访问存储器， 访问I/O端口的地址信号。 传输CPU读/写内存， 读写I/O端口时的数据。 CPU发出的控制命令， 或外部向CPU提出的请求。,地址总线： 数据总线： 控制总线：,地址总线通常是单向总线， 数据总线通常是双向总线， 大部分控制线是单向，少数是双向。 “3条”是习惯说法,其实每一条都有若干根。,按总线上信息传输的物理意义，总线分为:,术语： “读”：即输入,信息从外部CPU “写”：即输出,信息从CPU外部 “读内存”：从存储器取信息CPU “写内存”：信息写入存储器,存储器基础知识,1. RAM：随机存储器,习惯上称为“内存”，CPU执 行指令可对其进行“读”、“写” 操作。 静态RAM：集成度低，信息稳定，读写速度快。 动态RAM：集成度高，容量大，缺点是信息存储不稳定，只能保持几个毫秒，为此要不断进行“信息再生”，即进行 “刷新”操作。,一.分类:,存储器,内存条:由于动态RAM集成度高，价格较便宜，在微机系统中使用的动态RAM组装在一个条状的印刷板上。系统配有动态RAM刷新控制电路，不断对所存信息进行“再生”。 2.ROM:只读存储器 只读存储器是指：所存信息只能读出,不能写入。 掩模式ROM：初始信息是在芯片制造时写入的。 EPROM：初始信息是在专门的写入器上写入的。,3.ROM / EPROM在微机系统中的应用: 存放“基本输入/输出系统程序”(简称BIOS)。 BIOS是计算机最底层的系统管理程序,操作系统和用户程序均可调用。 4.高速缓冲存储器Cache: Cache位于CPU与主存储器之间，由高速静态RAM组成。容量较小，为提高整机的运行速度而设置, 应用程序不能访问Cache，CPU内部也有Cache。,二. 存储器容量: 存储器由若干“存储单元”组成，每一单元存放一个“字节”的信息。,1字节即为8位二进制数 2字节即为1个“字” 4字节即为1个“双字”,1K容量为1024个单元 1M=1024K=1024*1024单元 1G=1024M 1T=1024G,三.存储器地址与读写操作: 系统为每一单元编排一个地址，地址码为二进制数，习惯上写成16进制。 1. 存储器容量由地址线“宽度”决定：,16M容量的存储器 地址范围：000000HFFFFFFH 由24根地址线提供地址码。,1M容量的存储器 地址范围：00000HFFFFFH 由20根地址线提供地址码。,4G容量的存储器 地址范围：0000,0000HFFFF,FFFFH 由32根地址线提供地址码。,2.存储器读写示意: 为了读写存储器，由地址译码电路对地址码进行“翻译”，从而“选中”某一单元，在CPU的存储器读命令的控制下读出某一单元的内容数据线。在存储器写命令的控制下把数据线信息某一个存储单元。下面以动画方式演示读写过程：,读出某一单元的内容数据线。,读存储器：,由地址译码电路对地址码进行“翻译”,从而“选中”某一单元,在CPU的存储器读命令的控制下,12345H,把数据线信息某存储单元。,写存储器：,由地址译码电路对地址码进行“翻译”,从而“选中”某一单元,在CPU的存储器写命令的控制下,12345H,XXH,熟练掌握二进制数，十进制数，十六进制数和BCD码数 之间的转换方法。 熟练掌握真值数和补码数之间的转换方法。 牢记0，回车符，换行符的ASC码。 熟练掌握整数补码的运算方法，并对结果进行分析，深入理解有关进位和溢出的概念。 掌握微型计算机的硬件基本结构,第1章 学习重点,今后，在用汇编语言进行程序设计的时候，二进制数用后缀“B”表示，十六进制数及BCD码数用后缀“H”表示。 如:(1010)2 应写成1010B (5A )16 应写成5AH (0111 ,1000)BCD 应写成78H (123)10 应写成123,