微机原理 第一章 微机基础知识

信息工程学院信息论教研室1微机原理与接口技术主讲王玉良信息工程学院信息论教研室2教学计划•课堂教学：64学时•上机实验：6次（每次一个单元：3.5小时）•课外作业：8~10次•期中考查：第9周•期末考试：第18周•成绩：平时作业10%，期中考查10%，上机试验10%，期末考试70%。•辅导答疑：待定信息工程学院信息论教研室3教学计划（续）•讲授章节•上机实验：6次第一章~第八章DEBUG与的大部分内容指令练习（2次）•不讲章节编程设计（3次）第二章的第4~6节中断实验（1次）第五章的第5~6节第六章的第4节第九章~第十一章信息工程学院信息论教研室4各章授课学时安排•第一章微计算机机基础知识6学时•第二章微处理器与系统结构8学时•第三章指令系统8学时•第四章汇编语言及其程序设计10学时•第五章内存储器及其子系统6学时•第六章总线技术6学时•第七章I/O接口与中断系统8学时•第八章接口技术12学时•总计64学时信息工程学院信息论教研室5教材及参考书•《微机原理与接口技术》王玉良戴志涛杨紫珊编著，北京邮电大学出版社•《微机原理与接口技术考研指导》王玉良杨紫珊编，北京邮电大学出版社•《微机原理与接口技术》雷丽文等编著，电子工业出版社•《微机原理与接口技术学习指导与实验》雷丽文等编，电子工业出版社信息工程学院信息论教研室6第一章微机基础知识信息工程学院信息论教研室7本章主要介绍：•微机的基本概念、组成、工作原理、特点•计算机内的信息表示和运算信息工程学院信息论教研室8第一节微机的基本组成信息工程学院信息论教研室9一、微机的基本硬件构成微机的基本硬件由下列几部分组成：•运算器（ALU）•控制器（CTRL）•存储器（MEM）•输入设备（INE）•输出设备（OUTE）•总线（BUS）信息工程学院信息论教研室10微机的硬件构成框图信息工程学院信息论教研室11微机的基本硬件构成（续）•运算器（ALU-ArithmeticLogicUnit）进行算术运算（加、减、乘、除与移位）；进行逻辑运算（与、或、非、异或等）；为了提高存取数据的速度，与ALU有关的部件还有寄存器阵列信息工程学院信息论教研室12微机的基本硬件构成（续）•控制器（CTRL-Controller）它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系。它有两个主要功能：一个是控制程序的运行；另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力。（这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求、总线周期延长等）上述ALU+CTRL+REG阵列=CPU（中央处理器）信息工程学院信息论教研室13微机的基本硬件构成（续）•存储器（MEM-Memory）记忆部件。它存储计算机操作的控制信息及各种命令信息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加工的中间与最终结果。存储器内有两类信息：一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区；另一类是数据，放在数据区。它们都以二进制形式存放。应注意：内存中的代码区和数据区中的信息具有不同的性质与功能，两个区域中的某些单元具有相同的信息，却具有完全不同的含义。信息工程学院信息论教研室14微机的基本硬件构成（续）•输入设备与输出设备称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界的语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识别的电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换。输入设备如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码相机、A/D转换器等输出设备如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、D/A转换器等信息工程学院信息论教研室15微机的基本硬件构成（续）•总线（BUS）总线是计算机各部件间传送信息的公共通路，它把计算机的各个部件连接成为一个整体。分为内部总线，外部总线。计算机内部的基本总线分为数据总线（DBUS），地址总线（ABUS），控制总线（CBUS）。通常又称为三总线。关于总线技术，将在第六章中专门介绍。信息工程学院信息论教研室16二、中央处理器、微处理器和微控制器1.中央处理器（CPU-CentralProcessingUnit）ALU+CTRL+REG阵列2.微处理器（MPU-MicroProcessingUnit）就是微型计算机的CPU3.微控制器（MCU-McroControllerUnit）即MPU+MEM+I/O接口+BUS集成在一个芯片上，又称单片机MCU+适当外设和相应的软件，可构成微控制系统，用在自控、仪器仪表、通信设备、家电、儿童玩具等嵌入式应用领域。信息工程学院信息论教研室17三、微机系统•微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统•硬件：主机、外设、电源等•软件：操作系统、编译程序、连接程序、调试程序、诊断程序、应用软件、数据库等。信息工程学院信息论教研室18第二节微机的工作原理信息工程学院信息论教研室19一、工作原理•微型计算机是采用“程序存储控制”的原理工作的。这一原理是冯.诺依曼1946年提出的，它构成了计算机系统的结构框架。因此，计算机体系结构又称为冯.诺依曼结构。•1946年第一台计算机（ENIAC)诞生，（电子数值集成计算机），就是采用冯.诺依曼结构框架。•投资150万美元，占地150平米，重30吨，用了18800个电子管，耗电150KW，2KBytes内存，5000次/s，几小时出一次故障。信息工程学院信息论教研室20二、工作过程•计算机的工作过程，一般来说可分为下述4步：1、输入程序和数据到内存2、翻译成机器码（自动或人工汇编）3、控制器控制程序运行4、输出结果信息工程学院信息论教研室21二、工作过程（续）•例子：计算Z=X+YX在内存2000H中，Y在内存2001H中，Z在内存2002H中。程序在内存2100H中，A为CPU内的寄存器。PC指向程序的首地址，每取出一条指令，PC自动加1或2，4；从内存取出指令MOVA，[2000H]分析执行后再取下一条指令，重复直至CPU暂停。执行程序的过程即CPU不停的取指令、分析指令、执行指令。信息工程学院信息论教研室22第三节微机的特点、应用及发展方向信息工程学院信息论教研室23微机特点•运算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或每秒几十亿次运算。MIPS（106），GIPS（109））•处理能力强（如各种管理、计算、决策）•能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量）•能干几乎所有的工作信息工程学院信息论教研室24应用•各行各业，无所不用•科技、生产、学习、日常生活等各个方面信息工程学院信息论教研室25发展方向•性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加（摩尔定律指出，每18个月计算机的运算速度就大体提高一倍，而价格则大约降低一半）•功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结合•体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信为中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结构向数据流结构发展•可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制转变，向智能化方向发展•制造工艺：向超高集成度发展，制造光集成芯片、生物芯片，设计超导、量子、生物、光计算机信息工程学院信息论教研室26第四节计算机运算基础信息工程学院信息论教研室27一、进位计数制•计算机中全部信息（包括指令和数据）都是采用二进制数，为了书写方便，又经常采用十六进制。而人们在日常生活中又广泛采用十进制。二进、十六进、十进制都是进位计数制。信息工程学院信息论教研室28一、进位计数制（续）1.十进计数制5188.88810+310-3该数中有5位都是8，但由于其位置不同，其值也不同，即“位值”不同。该数可看成两部分组成：数字值如5，1，8位值（权值），隐含着，如10-3上面的十进数可表示为：5188.888=1035+1021+1018+1008+10-18+10-28+10-38对于有n位整数和m位小数的十进制数N可表示为：n-1N=di10ii=-m信息工程学院信息论教研室29一、进位计数制（续）•十进制数有如下特点※每位数字di可取0，1，2，3,…,9十个值之一；※逢10进1，即每位达到10向高位进1，本位回0，相邻高位的权值是本位权值的10倍。•对于任意R进制表示的数N，可写成n-1N=diRii=-m其中※di可取0，1，2，…，R-1个值之一；※逢R进1（R为进位计数制的基数（Radix))；※R是大于或等于2的整数，Ri称为di的权值或位值。信息工程学院信息论教研室30一、进位计数制（续）•当R=10为十进制数（Decimal，书写后缀D或省略）•当R=2为二进制数（Binary，书写后缀B）•当R=3为三进制数（Trinary，书写后缀T）•当R=8为八进制数（Octal，书写后缀O或Q）•当R=16为十六进制数（Hexa-decimal,书写后缀H）信息工程学院信息论教研室31一、进位计数制（续）2.二进计数制101.11特点：①只有两个数字符号0，1222–2②逢2进1计算机中广泛采用二进制的原因容易实现，每位只取两个值，易用两个逻辑状态的器件表示；运算规则简单，只有三种加法和乘法；（运算规则为：R(R+1）/2）工作可靠，不同状态之间的转换是质变而非量变；电路设计可借助布尔代数进行设计。信息工程学院信息论教研室32一、进位计数制（续）3.八进制和十六进制八进制每位可取0，1，2，…，7八个值之一，逢八进一。十六进制每位可取0，1，2，…，9，A,B,…F十六个值之一，逢十六进一，大于9的数字借助于字母A~F表示。在编程时，为了书写方便，常用十六进制表示。信息工程学院信息论教研室33二、进位计数制间的转换•P进制数N→R进制数通常把N分为整数与小数部分分别转换1、整数部分转换①把R表示成P进制数②对P进制数N按P进制作除R取余方法进行例1.把八进制数N=303Q表示成十进制数（P=八进数，R=十进数）解：①把R=10表示成八进数为12Q②对N=303Q按八进制作除12Q取余运算信息工程学院信息论教研室34二、进位计数制间的转换（续）12Q303Q23Q2443365QD0=5余数12Q23Q1Q1211QD1=9余数12Q1Q0Q01QD2=1余数303Q=195D上述除法与十进制除法没有什么不同。每次除12Q之后取余数，而商再除以12Q，直到商为0停止。信息工程学院信息论教研室35例2.把10进制数29转换成二进制数解：①由于2是十进制数集内之数，不必作变换；②对于N=29D作除2取余运算。29214余数1（B0）72232120余数0（B1）余数1（B2）余数1（B3）余数1（B4）∴29D=11101B信息工程学院信息论教研室36二、进位计数制间的转换（续）2.小数部分的转换P进制纯小数→转换为R进制小数用乘R取整①把R表示成P进制数②把数N按P进制乘R取整例1把0.625转换成二进制数解：①二进制数（0，1）都在十进制数内②把0.625乘2取整0.625×2———1.250¯b-1=10.25×2———0.50¯b-2=00.5×2———1.0¯b-3=10.625=0.101B信息工程学院信息论教研室37二、进位计数制间的转换（续）•用计算法和其他方法也可进行转换例1.二进制→八进、十六进制10100101.0001B=245.04Q=A5.1H例2.十六进制→二进制；十六进制→十进制ABCF.587H=1010101111001111.010110000111BA5.1H=10161+5160+116-1=160+5+0.0625=165.0625信息工程学院信息论教研室38三、无符号数的表示与运算无符号数（纯数值）：只表示数值的大小，不涉及数的正负号符号数：既表示数的大小，又要表示数的正负计算机中的二进制数可以分为符号数和无符号数，它们的表示与运算是不同的。信息工程学院信息论教研室39三、无符号数的表示与运算（续）•加法运算（若运算器为8位）例1.计算78H+87H=FFH例2.计算78H+98H=10H78H78H+87H+98H—————·—·—