微机原理与接口技术 课件第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微型计算机原理,-,重庆三峡学院物理与电子工程学院,微型计算机原理,(,第,一,章）,主讲教师 魏祖雪,Email:starwxy94,重庆三峡学院物理与电子工程学院,课程目标,微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：,微型计算机的基本工作原理,汇编语言程序设计,微型计算机接口技术,目的,：建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力。,教学内容,第一章 微机系统与接口技术概述,第二章 微处理器结构,第三章 寻址方式和指令系统,第四章 汇编语言程序设计,第五章 半导体存储器和高速缓冲存储器,第六章 中断技术,第七章 定时,/,计数器,8254,第八章,DMA,技术,第九章 可编程并行接口,8255A,第十章 串行接口,第十一章 模拟接口,教材,熊江主编，微机系统与接口技术，武汉大学出版社，,2007.8,微机原理与接口实验指导书，自编,课程情况,教学：,42,学时,实验：,14,学时,考试：作业,20%,，实验,20%,，期末考试,60%,答疑辅导,网络,：, 国防科技大学出版社,第一章 微机系统与接口技术概述,1.1,微型计算机的发展和特点,1.2,微型计算机的指标和分类,1.3,微处理器、微型计算机和微型计算机系统的基本组成,1.4,计算机中数的表示和编码,1.5,微机系统中的接口问题,1.1,微型计算机的发展和特点,一、计算机的发展简,史,1946,年世界上第一台电子计算机由美国宾夕法尼亚大学研制成功。尽管它重达,30,吨，占地,170,平方米，耗电,140,千瓦，用了,18800,多个电子管，每秒钟仅能做,5000,次加法,.,这台计算机有五个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器和控制器，奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础。,计算机发展经历四代,第一代计算机,：电子管计算机,1946,年以电子管为逻辑元件,第二代计算机,：晶体管计算机,1954,年以晶体管为逻辑元件,第三代计算机,：集成电路计算机,1964,年以中、小规模集成电路为逻辑元件,第四代计算机,：大规模集成电路计算机,1970,年,以超大规模集成电路为逻辑元件,第五代计算机,：智能计算机（非冯,.,罗依曼机）,摩尔定律,（,Moors Law,）,1965,年,集成电路内芯片的晶体管数目，每隔,18,24,个月，其集成,度就要翻一番。（特定大小的芯片内晶体管数加倍。）,四大定律,主导网络时代,贝尔定律,（,Bells Law,）：性能相同的计算机价格将持续下降。,吉尔德定律,（,Gilders law,）：网络的带宽每个月翻一番。,麦特卡夫定律,（,Metcalfes Law,）：对网络投入,N,可以收到的回报是,N,的平方,二、微处理器及微型计算机的发展概况,第一代微处理器,是以,Intel,公司,1971,年推出的,4004,，,4040,为代表的四位微处理机。,第二代微处理机,（,1973,年,1977,年），典型代表有：,Intel,公司的,8080,、,8085,；,Motorola,公司的,M6800,以及,Zlog,公司的,Z80,。,第三代微处理机,第三代微机是以,16,位机为代表，基本上是在第二代微机的基础上发展起来的。其中,Intel,公司的,8088,。,8086,是在,8085,的基础发展起来的；,M68000,是,Motorola,公司在,M6800,的基础发展起来的；,第四代微处理机,以,Intel,公司,1984,年,10,月推出的,80386CPU,和,1989,年,4,月推出的,80486CPU,为代表，,第五代微处理机,的发展更加迅猛，,1993,年,3,月被命名为,PENTIUM,的微处理机面世，,98,年,PENTIUM 2,又被推向市场。,二、微处理器及微型计算机的发展概况,三、微型计算机的特点,1,、体积小、重量轻、功耗低,2,、价格便宜,3,、可靠性高,4,、功能强、使用方便,5,、维护方便,1.2,微型计算机的指标和分类,1.2.1,微型计算机的主要性能指标,(1),运算速度,(2),字长, 存储容量, 存取速度, 系统总线, 外部设备配置, 可靠性、可用性、兼容性和可维护性, 输入输出数据传输速率, 系统软件配置,1.2.2,微型计算机的分类, 按,微机的结构形式分类, 按微处理器的位数分类, 按应用对象分类, 微型机按其应用领域分类, 按微型计算机的档次分类, 按使用形式分为独立使用式和嵌入式,1.3,微处理器、微型计算机和微型计算机系统的组成,运算器,控制器,寄存器组,内存储器 总线,输入输出,接口电路,外部设备 软件,微处理器,微型计算机,微型计算机系统,一、 微型计算机系统的基本结构,二、,主机,的硬件系统,微处理器,系统的核心,存储器,记忆设备，内存,/,外存,总线,信息的传输设备（,CPU,总线、系统总线）,I/O,接口,与外设进行信息交换的“桥梁”,微型计算机的概念结构,存,储,器,I/O,接,口,输,入,设,备,I/O,接,口,地址总线,AB,输,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,微机硬件系统组成框图,CPU,北桥,南桥,RAM,Cache,AGP,CRT,BIOS,KBD,，,Mouse,串行,/,并行接口,HDD/CDROM(IDE),FDD,USB,PCI,ISA,前端总线,/CPU,总线,接口卡,外设,总线扩展槽,主机板,CPU,插座,芯片组,内存插槽,高速缓存（,Cache,）,CMOS,存放硬件系统参数,系统,BIOS,POST,SysInit, Setup,系统服务,总线扩展槽,串,/,并行接口,主板结构,Intel 845GE,三、软件系统,系统软件,应用软件,操作系统,系统应用软件,存储器管理,进程管理,设备管理,文件管理,用户界面,GUI,网络软件,编译系统,系统维护程序,工具软件,系统增强软件,办公,数据库,图形图像,游戏,娱乐,。,四、冯,诺依曼计算机结构,以运算器为核心、以,存储程序原理,为基础,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令驱动,指令流,控制命令,数据流,五、,程序,的执行过程,程序,指令,1,指令,2,指令,3,指令,4,指令,n, ,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,指令执行过程,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,问题：,1,。,CPU,如何知道从哪里取出程序的第一条指令？,操作系统,2,。,CPU,如何按程序控制流执行指令？,程序计数器,3,。,CPU,如何知道从哪里取操作数？,地址、寻址方式,指令,执行过程,(,取指,/,译码,/,执行,),地址寄存器,AR,累加器,A,加法器,数据寄存器,DR,指令寄存器,IR,指令译码器,ID,时序逻辑电路,时序控制信号（控制命令）,1011 0000,0000 0101,0000 0100,0000 1000,1111 0100,内部总线,存储器,0,1,2,3,4,程序计数器,PC,地址,MOV A, 5,ADD A, 8,HLT,地址总线,+1,地,址,译,码,器,读写控制电路,输出地址,1011 0000,锁存指令,锁存数据,置初值,输出指令地址,锁存地址,读写命令,指令译码,锁存,输出,微机启动的过程（,DOS,）,打开电源,CPU,从固定地址处,执行一条跳转指令,系统自检,POST,中断初始化,初始化,BIOS,数据区,从磁盘装入引导程序,检查操作系统文件,加载设备驱动程序,并初始化设备,加载,DOS,内核,加载用户界面,BIOS,OS,1.4,计算机中数的表示和编码,1.4.1,进位计数制,进位计数制 基数 位权,如：,10011101B 1234/1234D,572Q 2F0AH,123.45=110,2,210,1,310,0,410,-1,510,-2,1.4.2,二进制,计算机内部,采用二进制,因为,:,.,容易实现,.,算术四则运算规则简单,.,可进行二值逻辑运算,1.4.3,各进制之间的转换举例,1,、任意进制数,十进制数,例,：,11001B=1,2,4,12,3,02,2,02,1,110,0,=25,325.7Q=38,2,28,1,58,0,78,-1,4F5.C2H=,4,16,2,1516,1,516,0,1216,-1,216,-2,2,、,十进制数,任意进制数,例：,将十进制数,25.625,转换为,二,进制数。,2 25,余数 整数,2 12 K,0,=1 0.6252=1.25 k,-1,=1,2 6 K,1,=0 1.252=0.5 k,-2,=0,2 3 K,2,=0 0.52=1 k,-3,=1,2 1 K,3,=1,0 K,4,=1,故,25.625,对应的二进制数为,11001.101B,3,、二进制、八进制、十六进制之间的转换,例,：,1,100,010,.110,111,1B=142.674Q,110,0010,.1101,111,B=62.DEH,142.674Q=001,100,010.,110,111,100,B,4F5.C2H=,0100,1111,0101,.1100,0010,B,1.4.4,计算机中带符号数的表示方法,几个概念,:,无符号数 带符号数,机器数 真值,机器数的三种表示方法,:,原码表示法,反码表示法,补码表示法,一、原码表示法,数的最高位表示数的符号，数值部分是数的绝对值，也称真值，这种表示法称为原码表示法。,1,对于正数： 符号位用,0,表示，数字位同真值。,2,对于负数： 符号位用,1,表示，数字位同真值。,例,x,+91,+10l1011B,x,原,=01011011B,例,y,-91,-1011011B,y,原,=11011011B,“,0”,的表示：,+0,原,=00000000B -0,原,=10000000B,对于,8,位机，原码可表示的数的范围：,-127,+127,二、反码表示法,数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法就叫反码表示法。,1,对于正数： 符号位用,0,表示，数字位同真值。,2,对于负数： 符号位用,1,表示，数字位为真值按位取反。,例,x,+91,+10l1011B,x,反,=01011011B,例,y,-91,-1011011B,y,反,=10100100B,“,0”,的表示：,+0,反,=00000000B -0,反,=11111111B,对于,8,位机，反码可表示的数的范围：,-127,+127,三、补码表示法,1,对于正数： 符号位用,0,表示，数字位同真值。,2,对于负数： 符号位用,1,表示，数字位为它的反码末位加,1,。,例,x,+91,+10l1011B,x,补,=01011011B,例,y,-91,-1011011B,y,补,=10100100B+1=10100101B,例,x,+8,+0001000B,x,补,=00001000B,例,y,-8,-0001000B,y,补,=11110111B+1=11111000B,从这两个例子中得到如下规律：对一个数的补码连同符号位在内求反加,1,，即为其相反数的补码。,例 已知,+X,补,=01000110B,，,则,-X,补,=?,-X,补,=10111010B,“,0”,的表示：,+0,补,=00000000B -0,补,=00000000B,对于,8,位机，补码可表示的数的范围：,-128,+127,使用机器数要注意,:,机器数是二进制数，由于符号位占据一位，因此有符号的数的形式值不等于真正的数值。,特别对于负数的表示形式，原码形式最高位的,1,表示负号，不是数，数值部分是数的真正值；而反码和补码就连数值部分也不是数本身了。,所以，若要计算一个负数的机器数为十进制的多少时，只有负数的原码的数值部分才可展开按权相加。,四、计算机引入补码的好处,引入补码,可以使减法运算转化为加法运算，简化了运算器的线路设计。,在计算机中，,减法可以通过加补码来实现；,乘法可以通过一系列移位相加来实现；,除法则可以通过一系列移位加补码来实现。,因此，计算机中只需要一个加法器就可完成运算。,五、补码运算,补码加法规则：,X+Y,补,=X,补,+Y,补,补码减法规则：,X-Y,补,=X,补,+-Y,补,例：已知,X,补,=11101011B,，,Y,补,=11001010B,，,求,X+Y,补和,X-Y,补,解：,-Y,补,=00110110B,X+Y,补,=X,补,+Y,补,=11101011B+11001010B=10110101B,X-Y,补,=X,补,+-Y,补,=11101011B+00110110B=00100001B,X+Y,补和,X-Y,补均无,溢出,.,判断是否溢出的方法,:,正负判断法 与 双高法,1.4.5,计算机中数的小数点表示方法,一个二进制数,1010.01B,可表示为,:,1010.01B=2,4,0.101001B,那么,任意一个二进制数,N,可表示为,:,N=2,j,S j-,阶码,指明小数点的位置。,s-,尾数,表示数,N,的全部有效数字。（,1/2S,1,）,对任何一个数，若阶码,j,总是固定不变的，则把这种表示法称为数的定点表示。,如果阶码,j,可以取不同的值，则把这种表示称为数的浮点表示。,1.,定点表示,若定点计算机的阶码,j,0,，,则该定点数只能是小数，其表示的格式为,:,数符,.,数值,小数点的位置在符号位与尾数部分最高位之间。,若为,8,位机,其能表示的数的范围,:,0.1111111B,0.1111111B,即 ,(1-2,7,) X1- 2,7,还以,8,位机为例,若定点计算机的阶码,j,7,，,则该定点数只能是整数，其表示的格式为,:,数符,数值,.,小数点的位置在符号位与数值位之后。,8,位机能表示的数的范围,:,1111111B,1111111B,即 ,(2,7,1,) X2,7,1,2.,浮点表示,阶符 阶码 数符,.,数码,若浮点计算机的字长为,13,位，阶符为,1,位，阶码为,3,位，数符为,1,位，数码为,8,位，则所能表示数的范围是：,01111,11111111,01110,1111llll,即,2,7,（,1-2,8,） ,2,7,（,1-2,8,）,若阶符,1,位、阶,码,m,位、数符,1,位、数码,n,位，则表示范围：,2,111,(,0.1111),2,111,(,0.1111),m,个,1,n,个,1,m,个,1,n,个,1,应当注意，浮点数的正负号是由尾数的正负号决定的，而阶码的正负号只决定小数点的位置，即决定浮点数的绝对值大小。,80x86,中使用的,IEEE,标准浮点数,数符,阶E(11位),尾数,F(52,位,),，整数部分默认为,1,小数点位置,数符,阶E(8位),尾数,F(23,位,),，整数部分默认为,1,小数点位置,31 30 23 22 0,63 62 52 51 0,单精度浮点数（阶码偏移,7FH,）,双精度浮点数（阶码偏移,3FFH,）,1.4.6,常用的二进制编码,一、,BCD,码,（二进制编码的十进制数）,每一位十进制数用,4,位二进制编码来表示。,如：,(12),BCD,=00010010B,*BCD,码,不是二进制数，比如,12=00001100B,二、,ASCII,码,（二进制编码的符号）,采用,7,位二进制码对一个字符进行编码，可表示,128,个字符，每个,ASCII,码在机器中占,1,个字节，最高位常为,0,。,当作符号的数字,0,9,的,ASCII,码：,30H,39H,字母,A,Z,的,ASCII,码：,41H,5AH,字母,a,z,的,ASCII,码：,61H,7AH,三、国标码,（二进制编码的汉字）,1.4.7,基本逻辑电路,逻辑函数：,Y=F,（,A,，,B,）,（,一）基本逻辑门电路,（高电平表示逻辑“,1”,，低电平表示逻辑“,0”,）,（,二）多位逻辑运算,例： 与 或 异或,11010,11010,11010,10110 10110,10110,10010 11110 01100,*,按位进行逻辑运算，不存在进位或借位问题。,1.5,微机系统中的接口问题,1,、,I/O,接口的概念：,负责将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。,实现外设与主机之间的,信息交换。,信号不兼容（功能定义、逻辑定义、时序关系）,速度不兼容,为了提高,CPU,的效率,为了利于外设自身的发展,2,、为什么要在,CPU,与外设之间设置接口,3,、接口的功能,1,）执行,CPU,命令的功能,CPU,对外设的控制通过接口电路完成,命令口,2,）返回外设状态的功能,正常工作状态、故障状态,状态口,3,）数据缓冲功能,输入,/,输出缓冲；三态特性,数据口,4,）设备选择功能,地址代码,I/O,设备选择信号,端口地址译码电路,5,）信号转换功能,信号的功能定义、逻辑关系、电平高低、工作时序,6,）数据宽度与数据格式转换功能,串行通信：串 并转换、串行数据格式化,基本功能,