1、微機原理與接口技術第1章 微機原理系統概述 l了解計算機的發展史。l正確理解微型計算機的硬件系統和軟件系統。l理解CPU對存儲器的讀寫操作過程，重點掌握馮.諾依曼計算機的設計思想。l著重理解和熟練掌握程序執行的過程。l能熟練掌握與運用各種數制及其相互轉化的綜合表示法。l熟練掌握補碼及其運算，著重理解補碼與溢出的區別。微機原理與接口技術1.1 微機硬件系統的發展2020世紀世紀40405050年代后期年代后期電子管電子管5000-15000-1萬次萬次ENIACENIAC電子數字積分電子數字積分計算機計算機晶體管晶體管1010幾萬次幾萬次 中小規模中小規模ICIC1010幾萬幾萬 數百數百萬次萬

2、次2020世紀世紀50506060年代中期年代中期2020世紀世紀6060中中7070年代初期年代初期2020世紀世紀7070年代初、中期年代初、中期大、超大規模大、超大規模ICIC 數千萬數千萬 百億次百億次計算機發展過程計算機發展過程年代年代此時，半導體存儲器迅速取代磁芯存此時，半導體存儲器迅速取代磁芯存儲器，并大容量、高速度。此后，存儲器，并大容量、高速度。此后，存儲器芯片集成度大體上每三年翻兩番。儲器芯片集成度大體上每三年翻兩番。 19711971年年Intel 4004Intel 4004， 20102010年年Core i7Core i7。 計算機發展以器件更新劃代微機原理與接口技

3、術1.1 微機硬件系統的發展1.1.3 1.1.3 微型計算機的發展微型計算機的發展一代一代7070年代初年代初二代二代7070年代年代三代三代7070年代末年代末8080年代年代初初四代四代8080年代年代微型機發展過程微型機發展過程(Intel)(Intel)時間時間五代五代9090年代年代4004 4004 （8008-88008-8位）位）第一臺個人電腦第一臺個人電腦8080 8080 （Z80,MC6800Z80,MC6800）8 8位位4 4位位32-6432-64位位1616位位3232位位1973-741973-741971-721971-721978197880868086M

4、 6809M 6809和和Z8000Z80008282年年8028680286及及8031803180386803868048680486（M68020M68020）1985198519931993PentiumPentium20052005年年 Pentium D Pentium D20062006年年 Core2 DueCore2 Due20102010年年 Core i7 Core i7 六代六代20002000年后年后微機原理與接口技術2.92.9萬管，萬管，內存內存1MB1MB6 6千管，內存千管，內存64KB64KBDIP-16DIP-16, , 2.32.3千管千管8086-16

5、8086-1680486-3280486-321.1.3 1.1.3 微型計算機的發展微型計算機的發展一代一代7070年代初年代初二代二代7070年代年代三代三代7070年代末年代末8080年代初年代初四代四代8080年代年代微型機發展過程微型機發展過程時間時間五代五代9090年代年代8080-88080-84004440044位位P P-P-P-64-641973-741973-741971-721971-72197819781985-891985-891993-991993-991010m m6 6m m3 3m m120120萬管，集成度萬管，集成度386386的的4 4倍，性能高出倍，

6、性能高出386386的的2-42-4倍。倍。486=386+387+8KBCac486=386+387+8KBCache+he+（CacheCache），），1 1m m19971997年年PII PII ， 750750萬管，萬管，PIII1999PIII1999年。年。32KB L132KB L1和和512KB 512KB L2L2緩存，流水式緩存，流水式浮點單元支持浮點單元支持IEEEIEEE標準的標準的3232位，位，6464位及位及8080位格式。位格式。朝朝1010億管子，億管子，0.090.09m m，多核發，多核發展。展。 0.28-0.01 0.28-0.01m m 4 4層

7、金屬層金屬CMOSCMOS工藝發展工藝發展CPUCPU發展發展集成度與內存集成度與內存每每1818月翻一番月翻一番 286 286于于8282年年13.413.4萬管，萬管，尋尋16MB16MB，可，可虛擬虛擬1GB1GB1.1 微機硬件系統的發展六代六代20002000年后年后微機原理與接口技術1.1 微機硬件系統的發展單片機單片機單板機單板機個人計算機個人計算機多用戶系統多用戶系統微型計算機網絡微型計算機網絡微機的分類微機原理與接口技術1.2 微機系統的組成圖 計算機的基本組成2控制器 是統一調度和控制計算機各部件協調工作的關鍵部件，是指揮控制神經中樞。取指、分析、微時序。1運算器 是對數

8、據信息進行加工處理的部件，它主要由算術邏輯運算單元（ALU）組成3. 存儲器 存放程序和數據的部件。主存又稱內存，輔助又稱外存4. I/O設備-外設人機交互、輸入輸出微機原理與接口技術l主機CPUIntel 4004Intel 8008Motorola 6800Intel 8086Intel 80286Intel 80386Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium IIIntel Pentium IIIIntel Pentium IVCPU微機原理與接口技術l 主機主板主機箱體內的主板是構成復雜電子系統的中心。主機箱體內的主板是構成復雜電子系統的中心。在面板上

9、密布著各種元件（包括南、北橋芯片在面板上密布著各種元件（包括南、北橋芯片組、組、BIOSBIOS芯片等）、插槽（芯片等）、插槽（CPUCPU插槽、內存條插插槽、內存條插槽和各種擴展插槽等）和接口（串口、并口、槽和各種擴展插槽等）和接口（串口、并口、USBUSB口、口、IEEE1394IEEE1394口等）口等）微機原理與接口技術l 主機主板華碩X58主板微機原理與接口技術l主機內存儲器存儲器單位： b，B，存儲器分為：ROM和RAM微機原理與接口技術l主機 總線按總線傳送信息類別分類：按總線傳送信息類別分類：地址總線（地址總線（ABAB）、數據總線（）、數據總線（DBDB）、控制總線（）、控制

10、總線（CBCB）按信息傳送方向分類：按信息傳送方向分類： 單向總線、雙向總線單向總線、雙向總線按總線層次結構分類：按總線層次結構分類：CPUCPU總線、存儲總線、系統總線和外部總線總線、存儲總線、系統總線和外部總線為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置以為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。路被稱為總線。 微機原理與接口技術顯示器接口、打印機接口、顯示器接口、打印機接口、PS/2PS/2、USBUSBl主機 I/O接口l輸入設備輸入設備

11、l輸出設備輸出設備微機原理與接口技術軟件系統軟件系統微機原理與接口技術1.3 1.3 微機硬件系統結構微機硬件系統結構硬件系統結構：按照總體布局的設計要求如何將微機內各部件掛接在總線上以構成某個系統的連接方式。微機原理與接口技術1.3 1.3 微機硬件系統結構微機硬件系統結構微機原理與接口技術1.4 微處理器結構模型的組成1.運算器 ALU（Arithmetic Logic Unit）2.控制器IR（Instruction Register）指令寄存器ID（Instruction Decoder）指令譯碼器PLA（ProgrammableLogic Array）可編程邏輯陣列3、內部寄存器組A

12、（Accumulator） 累加器DR（Data Register）數據寄存器PC（Program Counter）程序計數器AR（Address Register）地址寄存器FR（Flag Register） 標志寄存器RA (Register Array) 寄存器組微機原理與接口技術1.4 微處理器結構模型的組成微機原理與接口技術1.5 1.5 存儲器的組成與讀寫操作存儲器的組成與讀寫操作微機原理與接口技術1.5 1.5 存儲器的組成與讀寫操作存儲器的組成與讀寫操作微機原理與接口技術計算機的工作原理：計算機的工作原理：“存儲程序存儲程序”“程序控制程序控制”，即先把處，即先把處理問題的步驟

13、和所需的數據轉換成計算機理問題的步驟和所需的數據轉換成計算機能識別的指令和數據送入存儲器中保存起能識別的指令和數據送入存儲器中保存起來；工作時，由計算機的處理器將這些指來；工作時，由計算機的處理器將這些指令逐條取出執行。令逐條取出執行。1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程開始開始程序程序 結束結束 指令指令1 1 指令指令n n 指令指令2 2。 取出指令取出指令 指令譯碼指令譯碼 操作數讀出操作數讀出 指令執行指令執行指令格式指令格式操作碼操作碼 操作數操作數微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程舉

14、例：微機處理器如何實現3+2=？名稱名稱助記符助記符機器碼機器碼說明說明立即數取立即數取入累加器入累加器MOV AMOV A，n n1011000010110000n n雙字節指令，把立即雙字節指令，把立即數取入累加器數取入累加器A A中中加立即數加立即數ADD AADD A，n n0000010000000100n n雙字節指令，把立即雙字節指令，把立即數與數與A A中數值相加暫存中數值相加暫存A A中中暫停暫停HLTHLT1111010011110100CPUCPU停止所有操作停止所有操作模型機指令集模型機指令集微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程1011 000

15、0000 00110000 01000000 00101111 0100存儲器中的指令存儲器中的指令地址地址0001020304MOV A ,3ADD A,2HLT程序實現程序實現微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程微機原理與接口技術1.6 1.6 微機的工作過程微機的工作過程微機原理與接口技術1.7 1.7 微機的運算基礎微機的運算基礎1.7.11.7.1進位計數制進位計數制數制數制 二進制二進制 十進制十進制 八進制八進制 十六進制十六進制

16、用途用途 計算機內用計算機內用 現實生活用現實生活用 用于壓縮書寫二進制數，轉換更用于壓縮書寫二進制數，轉換更直觀、更簡潔、更方便直觀、更簡潔、更方便數碼數碼 0 0，1 1 0 0，1 1，9 9 0 0，1.7 1.7 0 0，1.91.9，A A，B.F B.F 基數基數 2 2 10 10 8 8 16 16 位權位權 2 2i i 1010i i 8 8i i 1616i i 規則規則 逢逢2 2進進1 1 逢逢1010進進1 1 逢逢8 8進進1 1 逢逢1616進進1 1 表示形式表示形式 (XXX)(XXX)2 2 XXXB XXXB (XXX)(XXX)10 10 XXXD

17、XXXD (XXX)(XXX)8 8 XXXQ XXXQ (XXX)(XXX)1616 XXXHXXXH微機原理與接口技術1. k1. k進制數進制數十進制數十進制數 各位數字按位權展開后相加各位數字按位權展開后相加例例1 1：二進制數：二進制數1101111011十進制數十進制數 nn-1iiiiiii=-mi=0i=-mN=x r =x r +x r1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數制之間的轉換微機原理與接口技術例例2 2：八進制數：八進制數2765127651十進制數十進制數 1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數制之間的轉換微機原理與接口技術2.

18、 十進制數 k進制數 整數部分：除k倒取余數 小數部分：乘k順取整數例3：512.75D = 1000.6Q （10進制 8進制，K=8）1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數制之間的轉換微機原理與接口技術2. 2. 十進制數十進制數 k k進制數進制數 整數部分：除整數部分：除k k取余（倒取）取余（倒取） 小數部分：乘小數部分：乘k k取整（順取）取整（順取）例例4 4：130.625D = 10000010.101B ; (10130.625D = 10000010.101B ; (10進制進制 2 2進制）進制）1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數

19、制之間的轉換微機原理與接口技術3. 3. 二二八八 十六進制特殊關系十六進制特殊關系 以小數點為基點，分別向左、向右以小數點為基點，分別向左、向右3 3（4 4）位）位二進制數用二進制數用1 1位八（十六）進制數取代（不足三位八（十六）進制數取代（不足三位零補）位零補） 即：三合一（四合一）即：三合一（四合一） 反之則：反之則： 一拉三（一拉四）一拉三（一拉四）例例5 5：（：（1000000000.01)1000000000.01)2 2= =（1000.2)1000.2)8 8 001001 000000 000000 000000. .010010 1 0 0 0 . 2 1 0 0 0

20、 . 2 同樣：寫成同樣：寫成1616進制形式則為：進制形式則為： 200.4H200.4H1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數制之間的轉換微機原理與接口技術例例6 6：101111.001111B101111.001111B = 2F.3CH = 2F.3CH 00100010 11111111. .00110011 11001100 2 F . 3 C 2 F . 3 C 反向轉換：反向轉換：1 1拉拉4 4口令口令2F.3CH = 2F.3CH = 0000101111.0011101111.0011 11110000B B 1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的

21、轉換各種進位數制之間的轉換微機原理與接口技術1.7.2 1.7.2 各種進位數制之間的轉換各種進位數制之間的轉換4. 4. 數制轉換的幾點快速技巧數制轉換的幾點快速技巧 1 1）轉換到二進制整數時，除）轉換到二進制整數時，除8 8最快。最快。 除除2 2太慢，且篇幅巨大；除太慢，且篇幅巨大；除1616是二位數，速度也慢。是二位數，速度也慢。利用除利用除8 8以后一拉三速度最快。以后一拉三速度最快。2 2）利用最大拆分原則分解十進制數）利用最大拆分原則分解十進制數 權位值：權位值：256256、128128、6464、3232、1616、 8 8、4 4、2 2、1 1 例如例如103D 103

22、D 拆分為拆分為 64 +32+4+2+1=1100111B64 +32+4+2+1=1100111B3 3）利用）利用k=1024=2k=1024=21010快速決定位數與容量的關系快速決定位數與容量的關系 1k=21k=21010=10=10位；位； 1k1k1k=1M=201k=1M=20位；位； 1M1M1k=1G=301k=1G=30位；位； 64G=3664G=36位位微機原理與接口技術1.7.31.7.3二進制編碼二進制編碼BCD碼碼不同碼制所對應的十進制不同碼制所對應的十進制 8421碼碼2421碼碼余余3碼碼0000000001110010220011330010044101

23、0152011063011174100085100196101071011581100691101711108111191.1.二進制編碼的十進制數二進制編碼的十進制數微機原理與接口技術1.7.31.7.3二進制編碼二進制編碼2.2.字母與字符的編碼字母與字符的編碼ASCIIASCII字符編碼字符編碼 每個字符用每個字符用7 7位基位基2 2碼表示碼表示，其排列次序為，其排列次序為B B6 6 B B5 5 B B4 4 B B3 3 B B2 2 B B1 1 B B0 0。在計算機內部，每個字符是用在計算機內部，每個字符是用8 8位（即一個位（即一個字節）表示的。一般情況下，將最高位置字節

24、）表示的。一般情況下，將最高位置為為0 0，即，即B B7 7為為0 0。需要奇偶校驗時，最高位。需要奇偶校驗時，最高位用作校驗位。用作校驗位。微機原理與接口技術1.7.31.7.3二進制編碼二進制編碼表1-6 ASCII字符編碼 B6B5B4 B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0Pp00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB7GWg

25、w10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;Kk1100CFFFSNn1111FSIUS/?OoDEL微機原理與接口技術1.7.4 二進制數的運算二進制數的加法、減法、乘法、除法，與、或、非、異或見例題1-14至1-24微機原理與接口技術1.7.4 二進制數的運算二進制乘法的運算規則是：000；010；100；111。例1.19 計算1111乘以1101。微機原理與接口技術1.7.4 二進制數的運算微機原理與接口技術除法是乘法的逆運算。因此，它是確定一個數（除數）可以從另一個數（被除數）中連減多少次的過程。例1.20

26、計算100011除以101。1.7.4 二進制數的運算微機原理與接口技術1.8 數的定點與浮點表示定點與浮點表示（小數點固定還是浮動）定點與浮點表示（小數點固定還是浮動）1.1.定點數定點數 N = SN = S2 2P P 小數點位置固定的機器數；具有運算簡便小數點位置固定的機器數；具有運算簡便, ,表示范表示范圍小的特點圍小的特點; ;其中其中S S表示了表示了N N的全部有效數字，稱之為的全部有效數字，稱之為N N的的尾數，一般用原碼來表示；尾數，一般用原碼來表示；P P指明小數點的位置，對于指明小數點的位置，對于定點數定點數P=0P=0。 1)1)定點整數：小數點固定在數值位之后。定點

27、整數：小數點固定在數值位之后。 2) 2)定點小數：小數點固定在數值位之前符號位之后。定點小數：小數點固定在數值位之前符號位之后。 小數點在機器中不占位置，機器中的定點數具體代表定小數點在機器中不占位置，機器中的定點數具體代表定 點整數還是定點小數，由程序員預先約定好。點整數還是定點小數，由程序員預先約定好。微機原理與接口技術1.8 數的定點與浮點表示11010111-0.101011101010111+0.1010111n位定點小數能表示的數值范圍2-n|N|1-2-n例：微機原理與接口技術二進制數浮點表示：二進制數浮點表示：B=B=S S2 2P P P Pf f P S P Sf f S

28、 S 階苻階苻 階碼階碼 尾數尾數 尾數尾數 符號符號2 2、浮點數、浮點數1 1）小數點位置不固定。表示范圍大，運算復雜。）小數點位置不固定。表示范圍大，運算復雜。1.8 數的定點與浮點表示 例如：例如： 2+1000.1011101010001011101階符階符階碼階碼尾符尾符尾碼尾碼微機原理與接口技術2 2）浮點數的規格化表示）浮點數的規格化表示 規格化表示：使數值最高位為有效數值位。規格化表示：使數值最高位為有效數值位。 尾數用原碼表示時，使其最高位為尾數用原碼表示時，使其最高位為1 1。 尾數用補碼表示時，應滿足尾數最高數值位與符尾數用補碼表示時，應滿足尾數最高數值位與符號位不同，

29、即號位不同，即0.10.1 和和 1.0 1.0 。 規格化操作：相應地調整尾數和階碼的大小，使規格化操作：相應地調整尾數和階碼的大小，使其滿足要求。其滿足要求。1.8 數的定點與浮點表示m位階碼，n位尾數浮點數的表示范圍2-（m-1）2-n|N| 2+（m-1）（1-2-n）微機原理與接口技術1.9 帶符號數的表示方法 二進制數值數據的編碼及運算二進制數值數據的編碼及運算 （ 原碼、反碼、補碼及運算原碼、反碼、補碼及運算） 常用二進制數編碼有原碼、反碼、補碼，常用二進制數編碼有原碼、反碼、補碼，大多微機數字采用補碼編碼運算。大多微機數字采用補碼編碼運算。 機器數：帶符號的二進制數值在機器內機

30、器數：帶符號的二進制數值在機器內的編碼，即符號位數值化。的編碼，即符號位數值化。 （符號位：（符號位：0 0表示正數，表示正數，1 1表示負數）表示負數） 真值：機器數所代表的實際值。真值：機器數所代表的實際值。微機原理與接口技術 nn-1nn-12 +x 2x0 x=2 -1 +x 0 x-2反 (1) (1) 原碼、反碼、補碼的數學表達原碼、反碼、補碼的數學表達 nn-1n-1n-12 +x 2x0 x=2-x 0 x-2原 nx=2 +x補注意三式對比注意三式對比1.9 帶符號數的表示方法+微機原理與接口技術 (2) (2) 原碼、反碼、補碼的實際求法原碼、反碼、補碼的實際求法由式可知：

31、正數的原、反、補碼完全一樣！由式可知：正數的原、反、補碼完全一樣！ ( (也可以理解為正數無反碼、補碼也可以理解為正數無反碼、補碼) ) 原碼求法原碼求法 （設機器字長為（設機器字長為n n位）位） 當當X0X0時，時，XX原原的最高位為的最高位為0 0，其余，其余n-1n-1位填位填X X的各數值位的位值，超出數據范圍的最高位自然的各數值位的位值，超出數據范圍的最高位自然丟失。丟失。 當當X0X0時，時，XX原原的最高位填的最高位填1 1，其余，其余n-1n-1位填位填X X的各數值位的位值。的各數值位的位值。 1.9 帶符號數的表示方法微機原理與接口技術 (2) (2) 原碼、反碼、補碼的

32、實際求法原碼、反碼、補碼的實際求法 反碼求法反碼求法： 負數的反碼就是原碼的符號位保持不變，其負數的反碼就是原碼的符號位保持不變，其余按位取反。余按位取反。 補碼求法補碼求法： 負數的補碼就是原碼的符號位保持不變，其負數的補碼就是原碼的符號位保持不變，其余按位取反余按位取反+1+1。也可以直接由負數原碼寫出負。也可以直接由負數原碼寫出負數的補碼：兩個數的補碼：兩個1 1之間的所有的位均取反之間的所有的位均取反1.9 帶符號數的表示方法微機原理與接口技術 (2) (2) 原碼、反碼、補碼的實際求法原碼、反碼、補碼的實際求法例如例如 機器字長機器字長n=8n=8位，位，X=-68DX=-68D，求

33、，求X X原、反、原、反、補碼。補碼。 解：字長解：字長8 8位，符號位，符號1 1位，數值占位，數值占7 7位。位。 -68-68原原=-(64+4)=-(64+4)=1 11000100B1000100B -68 -68反反= = 1 10111011B0111011B -68 -68補補= = 1 101110111011011BB反反+1=10111+1=10111100100B B 由原碼由原碼11000100B11000100B直接寫出直接寫出10111100B10111100B1.9 帶符號數的表示方法微機原理與接口技術規則規則 X+YX+Y補補= X= X補補+ Y+ Y補補

34、XXYY補補= X= X補補+ + YY補補 減法運算通常變成加法運算減法運算通常變成加法運算 XX補補-Y-Y補補=X=X補補+-Y+-Y補補由由YY補補求求-Y-Y補：補：從從YY補補最低位開始第一個最低位開始第一個“1”1”不變，不變，其余包括符號在內的所有位都變反，即得其余包括符號在內的所有位都變反，即得-Y-Y補補。 （注意包括符號位變反）（注意包括符號位變反）(3) (3) 補碼的運算補碼的運算1.9 帶符號數的表示方法微機原理與接口技術00100110B00100110B01100000B 01100000B 00111010B00111010B1 110111001B10111001B11100100B11100100B11010101B11010101B+ + +