微機原理與接口技術信息技術學院微機原理及接口技術-課程特點專業技術基礎課硬件系列課程之一計算機組成原理微機原理及接口技術計算機體系結構特色以技術為主面向應用軟硬件相結合課程特點區別微機原理及接口技術-先修課程電子技術提供硬件基礎計算機組成原理確立計算機部件功能掌握計算機工作原理高級語言程序設計熟悉DOS環境程序設計的方法掌握基本程序設計思想先修課程微機原理及接口技術-課程介紹微機：Pentium機原理：Pentium指令系統和匯編語言程序設計接口技術：半導體存儲器及其接口

I/O接口電路及其與外設連接硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法微機原理及接口技術-參考文獻戴梅萼,史嘉權.微型機原理與技術（第2版），

北京：清華大學出版社，2009.2錢曉捷,陳濤.微型計算機原理及接口技術，

北京：機械工業出版社，2008.1戴梅萼.微型計算機技術與應用（第4版），

北京：清華大學出版社，2008微機原理及接口技術-課程內容目錄第1章計算機系統概述 第4章32位微處理器Pentium

第5章存儲器、存儲管理和高速緩存技術 第6章計算機和外設的數據傳輸第7章串/并行通信及其接口技術 第8章中斷控制器的編程結構、工作方式及編程第9章DMA控制器的編程結構及編程 第10章計數器/定時器和多功能接口芯片第15章A/D、D/A轉換及其綜合應用第1章計算機系統概述第1章：1.0.1微型計算機發展及特點1946年，世界上出現第一臺數字式電子計算機ENIAC（電子數據和計算器）。計算機發展：電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路四代，出現微型計算機。1971年，Intel公司設計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，開創了一個全新的計算機時代。硅谷微型計算機的特點：體積小、重量輕、功耗和價格低、可靠性高、使用方便、軟件豐富。以大規模、超大規模集成電路為主要部件,以集成了計算機主要部件——控制器和運算器的微處理器為核心所構造出的計算機系統第1章：1.0.2微型計算機的分類：按CPU字長分第1代：4位和低檔8位微機（1971-1973年）Intel4004→MCS-4，Intel8008→MCS-8，

Busicom141-PFCalculator第2代：中高檔8位微機（1973-1977年）Z80、Intel8080/8085、M6800，Apple-II微機第3代：16位微機（1978-1985年）Intel8086/8088/80286，Z8000，MC68000，IBMPC系列機第4代：32位微機（1985-1992年）80386→80486→Pentium→PentiumII/III/432位PC機第5代：64位微機（1992-至今）Itanium、64位RISC微處理器芯片網絡服務器、辦公自動化單片機將CPU、內存、I/O接口電路全部集成一塊芯片上，構成具備基本功能的計算機。應用：智能儀表、工業實時控制、家用電器等。例Intel8051、DSP、ARM。單板機將CPU、內存、I/O接口及其它輔助電路裝在一塊印刷電路板上，組成單板機。應用：過程控制、數據處理。例TP-801

以Z80CPU為核心的單板機。第1章：1.0.2微型計算機的分類：按構成分多板機把CPU、內存、I/O接口芯片裝在多塊電路板上，各印刷板插在主機板的總線插槽上，通過系統總線連接起來，構成多板機。產品：IBMPC/XT、486機、Pentium機等辦公自動化、網絡服務器、工業控制第1章：1.0.2微型計算機的分類：按構成分第1章：1.0.2微型計算機的分類：按主機裝置分臺式機筆記本工作站掌上電腦平板電腦工作站筆記本掌上電腦臺式機第1章：1.1微型計算機的系統組成與結構運算器

控制器寄存器組

內存儲器總線輸入輸出輸出接口電路外部設備微處理器微型計算機微型計算機系統區別3個概念軟件：系統軟件

應用軟件1.1.1硬件系統計算機硬件是指與計算機有關的各種部件和設備，是計算機完成各項工作的物質基礎。1.硬件組成2.體系結構存儲器光驅接口鍵盤接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB顯示器接口CPU硬驅接口打印機接口（1）總線地址總線AB(AddressBus)：單向用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址總線的條數決定CPU的尋址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根

→23222×2304G36根→

23626×23064G控制總線CB(ControlBus)：用于傳送各種控制信號。

由CPU發出：如讀控制信號、寫控制信號；發向CPU：如外設向CPU發出的中斷申請信號。單向單向（1）總線數據總線DB(DataBus)：雙向

用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數據傳送。

數據總線的條數決定一次可最多傳送數據的寬度。8根→一次傳送8位數據16根→一次傳送16位數據32根→一次傳送32位數據64根→一次傳送64位數據（2）中央處理器CPU(Centralprocessingunit)

計算機的核心部件用來實現指令的自動裝入和自動執行，實現計算機本身的自動化。功能：保存少量數據算術與邏輯運算對指令譯碼及執行規定的操作和存儲器、外設交換數據提供系統定時及控制響應中斷請求CPU結構示意圖地址信號標志寄存器FLAGS指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針IPR1R2R3R4通用寄存器組GR運算器數據信號控制信號ALU+1（3）內存CPU地址總線AB數據總線DB控制總線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111內存結構示意圖內存是存儲程序和數據的部件，由地址譯碼器、內存單元等構成。（4）外設和輸入/輸出接口（I/O接口）存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU外設的電信號、運行速度與CPU不匹配，不能與CPU直接相連，必須通過I/O接口與CPU相連。I/O接口結構示意圖CPU通過對I/O端口進行讀/寫操作，實現對外設的控制。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU

端口？1.1.2軟件系統

計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及其處理的數據和相關的文檔，是計算機的“靈魂”。1.系統軟件（基礎軟件和支撐軟件）操作系統、程序設計語言及語言處理程序、網絡通訊管理軟件、實用程序及開發工具、數據庫管理系統。2.應用軟件面向各種應用的軟件。1.1.3層次結構應用軟件數據庫管理系統使用程序和開發工具程序設計語言及語言處理程序操作系統硬件系統軟件和硬件的邏輯等價性：

采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。1.2系統配置與主要指標（略）系統配置：

指一臺具體的計算機系統配備了哪些硬件和軟件。1.3基本原理和工作過程1.3.1馮·諾依曼型計算機

馮·諾依曼型計算機的主要特征：計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成。其中運算器和控制器是計算機的核心。數據（包括地址）和指令在機器中均用二進制表示。計算機的最基本功能是執行指令。指令有操作碼和操作數組成。程序和數據一起放在存儲器中，可以由計算機進行修改。程序按指令順序存放，并按照順序由程序控制執行。1.3基本原理和工作過程1.3.2數制及其轉換常用的三種數制：二進制、十六進制和二-十進制數制之間的轉換1.3.3算術與邏輯運算算術運算：補碼表示范圍、加法和減法運算、溢出邏輯運算：與、或、非、異或運算1.3.4指令執行過程計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”CPU總線內存標志寄存器FLAGS地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……指令1指令2指令3指令4…………數據1數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP+1微機的工作過程分三個階段：取指、譯碼、執行

對IR中的操作碼進行譯碼，產生控制信號序列

對IR中地址碼進行譯碼，產生操作數地址由IP給出指令所在內存的地址

地址經地址寄存器→地址總線→地址譯碼器,選中指令所在的內存單元CPU發出內存讀控制信號

指令從內存→數據總線→數據暫存器→指令寄存器（1）取指令階段（CPU讀內存操作）（2）譯碼階段（3）執行階段

按照控制信號序列完成相應操作IP加1CPU總線內存標志寄存器FLAGS地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……指令1指令2指令3指令4…………數據1數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP+1不同的指令，CPU的具體執行過程不同。CPU可執行的操作通常有數據傳送、算術、邏輯運算等。當一條指令需要從內存或I/O端口取得或存放數據時，CPU在執行階段，需對指令指定的內存單元或I/O端口進行讀/寫操作。例

指令1：將寄存器R1與R3的內容相加，結果存在R3中。

指令1在CPU內部即可完成CPU總線內存標志寄存器FLAGS地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……指令1指令2指令3指令4…………數據1數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP+1例

指令2：將內存中的數據2送至CPU的寄存器R2中指令2的執行階段包括一個到內存取數(即讀內存)的過程。CPU總線內存標志寄存器FLAGS地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……指令1指令2指令3指令4…………數據1數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP+1例

指令3：將寄存器R3的內容送至數據3所在的內存單元中指令3的執行階段包括一個向內存存數(即寫內存)的過程。CPU總線內存標志寄存器FLAGS地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……指令1指令2指令3指令4…………數據1數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP+1當一條指令取走后，指令指針寄存器會被修改成下一條要執行指令的地址，這樣，當一條指令執行后，又進入取指令階段，如此不斷的重復。CPU總線內存地址標志寄存器地址總線AB數據總線DB控制總線CB地址譯碼器……0110001100001010指令3指令4…………00100100數據2數據3……指令寄存器IR數據寄存器DR控制信號生成部件指令譯碼器ID地址寄存器AR指令指針IP+1AXBXCXDX寄存器組ALU100H20AH200H100H【例】ADDAX，[BX+DISP]機器碼為：011000110000101040H101H計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”（1）存儲程序

編輯加工

翻譯轉換

連接裝配（2）程序控制

開機，系統測試

讀取引導程序

裝配操作系統

等待用戶命令

裝配應用程序

執行應用程序

返回操作系統

退出，關機1.3.5系統運行過程1.3.5系統運行過程ROMBIOS硬盤RAM②執行自舉程序⑥執行引導程序序讀出引導程④CPU①執行加電自檢程序⑤裝入引導程序⑦裝入操作系統CMOS？從何處啟動③⑧運行操作系統顯示初始界面4.常用數據類型（自學）80x86系列微機中，常用數據類型包括：帶符號整數、無符號整數、BCD數、字符串、位、浮點數數據在內存儲器中的存儲方式內存的作用用來存儲參加運算的操作數、運算的中間結果和最后結果。數據在內存中的存儲常以字節Byte為單位進行存儲兩個相鄰字節組成一個字Word，4個相鄰字節為雙字DWord多字節數據的存儲采用高位字節在地址高的存儲單元中，低位字節在地址號低的存儲單元中的規則

舉例：xx3412xx地址數據1234M+2M+1MM-17E5D3Cxx地址數據3C5D7E9FM+4M+3M+2M+1M9F4.常用數據類型（自學）數的進位制表示約定進位計數制常用進位制有二進制、十六進制、十進制、八進制不同進制的數常用后綴字母區別。H/h表示十六進制，B/b表示二進制，沒有或D/d表示十進制，Q/q表示八進制。如1011B=(1011)2，A8H=(A8)16，61Q=(61)8基數某種進位計數制中所包含的數碼個數就是該數的基數，如二進制為2，N進制為N。基數體現了該數制中進位和借位的原則：當在某一位數上計夠一個基數時需要向上進1，反之，從上位借1在下位當一個整基數來使用4.常用數據類型（自學）權表示進位計數制中各個數位上的單位值。權一般以基數冪的形式來表示，如：十進制數1111.11D，其中的各個1有不同的權重，從左到右分別為：103、102、101、100、10-1、10-2。整數整數分帶符號數和無符號數兩種無符號數指字節、字、雙字的二進制位都用來表示數值本身，沒有用來表示符號的位，因而為正整數。其中0位為最低有效位，7、15、31分別為最高有效位。4.常用數據類型（自學）無符號整數圖示70701587015823163124字節字雙字MSBMSBMSBmm+1m+2m+3地址100000001281000000000000000327681000000000000000000000000000000021474836484.常用數據類型（自學）帶符號整數帶符號整數表示法有4種：原碼、反碼、補碼及移碼原碼最高位表示數的符號位，常以0表示正數，1表示負數，其余各位表示數值本身，則稱為原碼表示法。例如X=+1011100，Y=-1011100，則[X]原=01011100，[Y]原=11011100。是符號數值化的數，可在計算機中使用，稱為機器數。原來的帶符號數稱為相應機器數的真值。原碼與真值之間的關系：4.常用數據類型（自學）正數的原碼表示設X=+Xn-2Xn-3…X1X0，[X]原=0Xn-2Xn-3…X1X0負數的原碼表示設X=-Xn-2Xn-3…X1X0，[X]原=1Xn-2Xn-3…X1X0=2n-1+Xn-2Xn-3…X1X0=2n-1-（-Xn-2Xn-3…X1X0

）=2n-1-X零的原碼表示在二進制數原碼表示中有正零和負零之分，即[+0]原=000…000，[-0]原=100…000綜上所述，有如下公式：4.常用數據類型（自學）補碼和反碼補碼：一個二進制數，若以2n為模，他的補碼叫做2補碼，簡稱補碼，即反碼：一個二進制數，若以2n-1為模，他的補碼叫做1補碼，也稱反碼。即補碼和反碼之間的關系X為正數時，[X]補=

[X]反=[X]原=XX為負數時，

[X]反是將[X]原的符號位保持不變，其余各位變反；[X]補是將

[X]原的符號位保持不變，其余各位變反加1。或采用帶借位0減。例如：4.常用數據類型（自學）若=+1010011B，X2=-1010011B，則

[X1]補=[X1]反=[X1]原=01010011B；

[X2]原=11010011B，[X2]反=10101100B，

[X2]補=10101101B當X為+0時，則

[+0]補=2n+00…00=0[+0]反=[+0]原=00…00=0當X為-0時，則

[-0]補=2n-00…00=0[+0]反=111…114.常用數據類型（自學）移碼移碼是在數的真值上加一個偏移量形成的，他的定義為：[X]移=2n-1-1+X2n-1≥X＞-2n-1其中X表示二進制數真值，n表示包括符號位和數值部分在內的二進制數位數，2n-1-1為偏移量。例如：若X=+10010B=+18，Y=-10010B=-18，則[X]移=110001B，[Y]移=001101B。1000001011111+100101100011000001011111-10010001101運算過程：4.常用數據類型（自學）舉例假設數的原碼、反碼、補碼表示形式均為10000010B，計算它們所對應的真值分別是多少？其為原碼表示時是：-2其為反碼表示時是：-125其為補碼表示時是：-126。即：減1變反5.算術運算（自學）補碼運算[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補-[Y]補[X-Y]補=[X]補+[-Y]補（1）87-73=？（2）87+（-73）=？01010111[+87]補

01010111[+87]補-01001001[+73]補

+10110111[-73]補

00001110[+14]補

100001110[+14]補（3）87-（-73）=？（4）-87+（+73）=？01010111[+87]補

10101001[-87]補-10110111[-73]補

+01001001[+73]補-