微型计算机原理与接口技术第1章.ppt

1,微机原理与接口技术,理论学时：48实验学时：16学分：4,2,教材及考核,教材：微机计算机原理与接口技术（第3版）.冯博琴、吴宁主编.清华大学出版社.参考书：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月微机原理及应用.李伯成等编，西安电子科技大学出版社.考核：平时成绩30%期末考试成绩70%,计算机 是能够按照设计者的意图，自动进行算术运算、逻辑控制和信息处理的电子设备。微型计算机 是体积、重量、计算能力都相对比较小的一类计算机的总称，一般供个人使用，所以也称为个人计算机（PC，Personal Computer）。,微型计算机的应用,科学计算 数据（信息）处理 过程控制 办公自动化,课程目标,掌握：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术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。,6,第1章 微型计算机基础概论,主要内容：微机系统的组成计算机中常用的数制、编码及其相互间的转换无符号二进制数的算术运算和逻辑运算符号数的表示及补码运算二进制数运算中的溢出问题基本逻辑门及译码器,7,一、微型计算机系统,微型计算机的发展史微型计算机的工作原理微机计算机系统的基本组成,8,1.微型计算机的发展史（1）,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC”占地170平方米重量30吨功耗150千瓦运算速度每秒5万次当时价值48万美元,微型计算机的发展史（2）,电子计算机的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）电子计算机按其性能和体积等综合指标分类：大型计算机/巨型计算机（Mainframe Computer）中型计算机 小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）单片计算机（Single-Chip Microcomputer）,2.计算机的工作原理,1945年6月美国数学家冯诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：计算机的基本组成 采用二进制进行信息表示 存储程序原理从而形成了目前的计算机体系结构。,John von Neumann,11,存储程序原理,计算机的两个基本能力：一是能够存储程序 二是能够自动地执行程序将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存；指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,12,冯 诺依曼计算机体系结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,冯 诺依曼计算机结构示意图,13,冯 诺依曼机的工作过程,内存中的程序,指令1,指令2,指令n,分析,获取操作数,执行,存放结果,程序计数器PC,地址,CPU,取出,操作数,程序执行过程示意图,14,冯 诺依曼机的工作过程,取一条指令的工作过程：将指令所在地址赋给程序计数器PC。PC内容送到地址寄存器AR，PC自动加1。把AR的内容通过地址总线送至内存储器，经地址译码器译码，选中相应单元。CPU的控制器发出读命令。在读命令控制下，把所选中单元的内容（即指令操作码）读到数据总线DB。把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR。取指令的最后一步是指令译码，因为取出的是指令的操作码，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器ID,15,3.微机系统组成,主机 硬件系统 外设 微机系统 系统软件 软件系统 应用软件,CPU存储器输入/输出接口总线,微型计算机硬件系统结构,总线,总线计算机中各功能部件间传送信息的公共通道。所有的微型计算机系统都采用了总线结构。总线结构的特点是：设计简单、灵活性好、具有优良的可扩展性、便于故障检测和维修。,根据所传送信息的内容与作用不同，分为三类：地址总线 AB 传送地址信息，单向。数据总线 DB 传送指令码、数据，双向。控制总线 CB 控制信息由 CPU 通过 CB 送往各有关部件，状态或者从有关部件通过 CB 送往CPU或相关部件。CB 中每根线的传送方向是一定的.,19,微处理器,微处理器（或中央处理器）简称CPU，是计算机的运算和指挥控制中心。主要包括：运算器 控制器 寄存器组,20,存储器,定义：用于存放数据（包括原始数据、中间结果和最终结果）和当前执行的程序。主机系统中的存储器也叫内存或主存，是微型计算机的存储和记忆部件。由于微型机的内存均由半导体材料制成，也称为半导体存储器。,21,有关内存的几个概念,内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类,22,内存单元的地址和内容,内存按单元组织每个单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址,10110110,38F04H,内存地址,单元内容,23,内存容量,内存容量：所含存储单元的个数，以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址能力而定实地址模式下为CPU地址信号线的位数,24,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,25,内存储器的分类,随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）,按工作方式可分为,26,输入/输出接口,接口是CPU与外部设备间的桥梁,CPU,I/O接口,外设,27,接口的分类,串行接口并行接口,数字接口模拟接口,输入接口输出接口,28,接口的功能,数据缓冲寄存；信号电平或类型的转换；实现主机与外设间的运行匹配。,29,总线,基本概念分类工作原理常用系统总线标准及其主要技术指标,30,软件系统,软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。,系统软件,应用软件,操作系统编译系统网络系统工具软件,软件,31,二、计算机中的数制和编码,数制和编码的表示各种计数制之间的相互转换,32,1.常用计数法,十进制（D）二进制（B）十六进制（H）,十进制,特点：以十为底，逢十进一；有0-9十个数字符号。用D表示。权值表达式：,二进制,特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。用B表示。权值表达式：,十六进制,特点：有0-9及A-F共16个数字符号，逢16进位。用H表示。权值表达式：,36,例：,234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H,37,2.各种进制数间的转换,非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换,38,非十进制数到十进制数的转换,按相应的权值表达式展开例：1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2=8+2+1+0.5+0.25=11.755B.8H=5161+11160+816-1=80+11+0.5=91.5,39,十进制到非十进制数的转换,到二进制的转换：对整数：除2取余；对小数：乘2取整。到十六进制的转换：对整数：除16取余；对小数：乘16取整。注意：也可以将十进制数先转换为二进制数，再将二进制数转换为十六进制数。,举例（十进制转换成二进制）,例：将112.25转换成二进制数。整数部分（除2取余）：112/2=56余数0B0（低位）56/2=28余数0B128/2=14余数0B214/2=7余数0B37/2=3余数1B43/2=1余数1B51/2=0余数1B6（高位）,小数部分（乘2取整）：0.252=0.5整数=0（高位）0.52=1整数=1,举例（十进制转换为十六进制）,43,二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数，从小数点开始向左每四位一组，最后不足四位的前面补0，向右每四位一组，最后不足四位的后面补0。例：25.5=11001.1B=19.8H 11001010.0110101B=CA.6AH,44,3.计算机中的编码,BCD码用二进制编码表示的十进制数BCD有多种表示方法，最常用的8421码8421 BCD码每一位用四位二进制数表示ASCII码,45,BCD码,压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数每4位之间有一个空格扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数，每4位之间有一个空格。,46,BCD码与二进制数之间的转换,先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。例：（0001 0001.0010 0101）BCD=11.25=（1011.01）B,47,ASCII码,计算机既要处理数值数据，还要处理字母、数字和符号（简称字符），而计算机内部只能识别二进制代码，所以必须将字符进行编码目前微型计算机普遍采用的是美国国家信息交换标准字符码ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）ASCII码采用7位二进制代码对字符编码，故可表示128个字符，包括控制符号、阿拉伯数字、英文大小写字母及专用符号。如09的ASCII码为30H39H，英文大写字母AZ的ASCII码为41H5AH一个字节为8位，在用一个字节表示一个ASCII码时，通常认为最高位为0，有时根据需要也用最高位作为奇偶校验位。,48,ASCII码的奇偶校验,奇校验加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。例：A的ASCII码是41H（1000001B）以奇校验传送则为 C1H（11000001B）偶校验加上校验位后 编码中“1”的个数为偶数。上例若以偶校验传送，则为 41H。,49,三、无符号二进制数的运算,算术运算逻辑运算,无符号数有符号数,二进制数的运算,50,主要内容,无符号二进制数的算术运算无符号数的表达范围运算中的溢出问题无符号数的逻辑运算基本逻辑门和译码器,51,1.无符号数的算术运算,加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（有进位）减法：0-0=0 0-1=1（有借位）1-0=1 1-1=0乘法：00=0 01=0 10=0 11=1除法：乘法的逆运算，可用减法和右移运算实现,52,乘除运算例,000010110100=00101100B 000010110100=00000010B 即：商=00000010B 余数=11B,53,2.无符号数的表示范围：,0 X 2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生 溢出。,54,例：,最高位向前有进位，产生溢出,55,3.逻辑运算,与、或、非、异或掌握：与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；与非门、或非门的应用。,56,“与”、“或”运算,“与”运算：任何数和“0”相“与”，结果为0。“或”运算：任何数和“1”相“或”，结果为1。,57,“非”、“异或”运算,“非”运算按位求反“异或”运算相同则为0，相异则为1,58,4.译码器,掌握74LS138译码器各引脚功能输入端与输出端关系（真值表）,59,74LS138译码器,主要引脚及功能,60,三、机器数（有符号数）的运算,61,计算机中符号数的表示,机器数计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也是用二进制表示的。通常一个数的最高位为符号位，若字长为8位的计算机，则则D7为符号位，D6D0为数值位。构成：符号位+数值位,62,例,+52=+0110100=0 0110100 符号位,-52=-0110100=1 0110100 符号位,63,1.符号数的表示,将符号数值化的数称为机器数，如01000001B。原来的数值称为机器数的真值，如+1000001。机器数可以用不同的码制来表示，常用的表示方法：原码反码补码,【例】X=65在机器中表示为：X=01000001B,64,原码,原码：以数值的符号加上数值的二进制表示组成的编码。最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表示负），其余为真值部分。例：X1010011 X原01010011 X1010011 X原11010011当n=8时，原码表示的范围：127127,n位原码可表示的数X的范围是：2n-1+1X2n-1-1,65,数0的原码,8位数0的原码：+0=0 0000000-0=1 0000000优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难；0的原码表示不唯一。,66,反码,对一个机器数X：若X0，则 X反=X原若X0，则 X反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反,67,例,X=-52=-0110100 X原=1 0110100 X反=1 1001011,68,0的反码：,8位数0的反码：0反=00000000 0反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。所能表示的数值范围是127127 127反=01111111 127反=10000000,69,补码,定义：若X0，则X补=X反=X原若X0，则X补=X反+1,70,例,X=52=0110100 X原=10110100 X反=11001011 X补=X反+1=11001100,71,0的补码：,+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=1 00000000 对8位字长，进位被舍掉0的补码表示是唯一的所能表示的数值范围是：2n-1X2n-11 若n=8，则8位二进制补码所能表示的数值范围为128127。,72,特殊数10000000,对无符号数:（10000000）B=128在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128,73,2.符号二进制数与十进制的转换,对用补码表示的二进制数：1）求出真值 2）进行转换,74,符号数的表示范围,对8位二进制数：原码：-127+127反码：-127+127补码：-128+127,75,例：补码数转换为十进制数,对于一个用补码表示的负数，如果将X补再求一次补，即将X补除符号位外取反并在最末位加1就可得到 X原，即为该数的真值。用下式表示为：X补补=X原例：-15 补补=10001111补补=11110001补=10001111=-15原,76,3.符号数的算术运算,通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。即：X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补,注：运算时符号位须对齐,77,例,X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？X原=10110100 X补=X反+1=11001100Y补=Y原=01110100X+Y补=X补+Y补=11001100+01110100=01000000X+Y=+1000000,78,符号数运算中的溢出问题,当两个有符号数进行加减运算时，如果运算结果超出可表示的有符号数的范围时，就会发生溢出，使计算结果出错。显然，只有两个同符号数相加或两个异号数相减时，才会产生溢出。例：设机器字长为8位，以下运算都会发生溢出(88)(65)=153 127(88)(65)=153 127(83)(80)=163 128溢出的判断方法：最高位进位状态次高位进位状态1，则结果溢出,79,例：,若：X=01111000，Y=01101001 则：X+Y=次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）,80,结束语：,第1章难点：补码的概念及其运算,谢谢大家！,