第1章微机基础知识

/单片机及工业控制计算机电子信息与自动化学院李宗帅AviationAutomationCollege第一章微机基础知识2020/3/12AviationAutomationCollege§1.1微处理器、微机和单片机的概念§1.1.1微处理器的组成§1.1.2存储器和输入/输出接口先要理解的3个基本概念：微处理器微机单片机2020/3/13AviationAutomationCollege微处理器(Microprocessor)是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分。又称中央处理单元CPU（CentralProcessingUnit）。2020/3/14运算器控制器寄存器组AviationAutomationCollege微型计算机（Microcomputer,简称微机）是具有完整运算及控制功能的计算机。包括微处理器(CPU)存储器接口适配器（输入输出接口电路）输入/输出（I/O）设备。2020/3/15AviationAutomationCollege图1-1微机的组成2020/3/16AviationAutomationCollege单片机（Single-ChipMicrocomputer）是将微处理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。微处理器RAMROMI/O口(不是设备)定时器等内部资源单片微型计算机2020/3/17AviationAutomationCollege2020/3/18AviationAutomationCollege算术逻辑单元程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器ACC存储器I/OCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制ccccc数据寄存器AviationAutomationCollege§1.1.1微处理器的组成运算器CPU控制器2020/3/110AviationAutomationCollege（一）、运算器§1.1.1微处理器的组成1、运算器的组成算术逻辑单元(简称ALU）运算器累加器寄存器2020/3/111AviationAutomationCollege2020/3/112AviationAutomationCollege2、运算器的作用是把传送到微处理器的数据进行运算或逻辑运算。ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。2020/3/113AviationAutomationCollege例如：两个数（7和9）相加，在相加之前，操作数9放在累加器中，7放在数据寄存器中，执行两数相加运算的控制线发出“加”操作信号，ALU即把两个数相加并把结果（16）存入累加器，取代累加器前面存放的数9。2020/3/114AviationAutomationCollege3、ALU的两个主要的输入来源输入来源数据寄存器累加器2020/3/115AviationAutomationCollege4、运算器的两个主要功能（1）执行各种算术运算。（2）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。如零值测试或两个值的比较。2020/3/116AviationAutomationCollege控制器的组成程序计数器指令寄存器指令译码器时序产生器操作控制器1、控制器的组成（二）、控制器2020/3/117AviationAutomationCollege2020/3/118AviationAutomationCollege2、控制器的作用它是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个计算机系统的操作。2020/3/119AviationAutomationCollege3、控制器的主要功能对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。2020/3/120AviationAutomationCollege（三）、CPU中的主要寄存器1、累加器（A）2、数据寄存器（DR）3、指令寄存器（IR）4、指令译码器（ID）6、地址寄存器（AR）5、程序计数器（PC）√√√2020/3/121AviationAutomationCollege2020/3/122AviationAutomationCollege算术逻辑单元程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器ACC存储器I/OCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制ccccc数据寄存器AviationAutomationCollege1、累加器（A）在算术和逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。2020/3/124AviationAutomationCollege2、数据寄存器（DR）数据（缓冲）寄存器（DR）是通过数据总线（DBUS）向存储器（M）和输入/输出设备I/O送（写）或取（读）数据的暂存单元。2020/3/125AviationAutomationCollege3、指令寄存器（IR）指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时先把它从内存取到指令寄存器中，然后再传送到指令译码器中。2020/3/126AviationAutomationCollege4、指令译码器（ID）指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。当执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向控制器发出具体操作的特定信号。2020/3/127AviationAutomationCollege5、程序计数器（PC）通常又称为指令地址计数器。在程序开始执行前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送到PC。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，所以修改的过程通常是简单的加1操作。2020/3/128AviationAutomationCollege6、地址寄存器（AR）地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。因为内存（I/O设备）和CPU之间存在着速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到内存（I/O设备）读/写操作完成为止。2020/3/129AviationAutomationCollege§1.1.2存储器和输入/输出接口2020/3/130AviationAutomationCollege算术逻辑单元程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器ACC存储器I/OCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈取指控制执行控制ccccc数据寄存器AviationAutomationCollege一、存储器地址总线、数据总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来。存储器从CPU接收控制信号，以确定存储器执行读/写操作。§1.1.2存储器和输入/输出接口2020/3/132AviationAutomationCollege地址总线将8位地址信息送入地址译码器，地址译码器的输出可以确定唯一的存储单元。数据总线用来传送存储器到CPU或CPU到存储器的数据信息。2020/3/133AviationAutomationCollege2020/3/134AviationAutomationCollege二、I/O接口及外设每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器（I/O接口）。每个I/O接口及其对应的外设都有一个固定的地址，在CPU的控制下实现对外设的输入（读）和输出（写）操作。2020/3/135AviationAutomationCollege一.二进制、十进制、十六进制1.二进制：是“0”和“1”这样的数、逢2进位。按权展开时权的基数为2。用后缀字母“B”表示。如：1001=1×23+0×22+0×21+1×20=9（十进制数）2.十进制：是“0”—“9”之间的数、逢10进位。按权展开时权的基数为10。用后缀字母“D”表示。如：1135=1×103+1×102+3×101+5×1003.十六进制：是“0”—“9”，“A,B,C,D,E,F”之间的数、逢16进位。按权展开时权的基数为16。用后缀字母“H”表示。如：1C5H=1×162+12×161+5×160=453D§1.2常用数制和编码2020/3/136AviationAutomationCollege二、不同进制之间相互转换4、二进制转换成十六进制数：将二进制数以小数点为界四位一分，不足补0，用一位十六进制数代替四位二进制数。如：100111100B=000100111100B=13CH5、十六进制转换成二进制数：将十六进制数以小数点为界，用四位二进制数代替一位十六进制数。如：D4EH=110101001110B211余数2512212100116100余数1664061、二进制、十六进制转化成十进制：将二、十六进制数按权展开相加即为相应的十进制数。如：1101B=1×23+1×22+0×21+1×20=13D如：1FH=1×161+15×160=31D2、十进制转换成二进制数：将十进制数除2取余，商为0止，余数倒置。如：11D=1011B3、十进制转换成十六进制数：将十进制数除16取余，商为0止，余数倒置。如：100D=64H2020/3/137AviationAutomationCollege三.原码、反码及补码1、原码：一个二进制数同时包含符号和数值两部分。它的最高位为符号位，其余位表示数值。符号位为0时，表示正数，为1时，表示负数。如：X1=+4D则：[X1]原=00000100B如：X2=-4D则：[X2]原=10000100B2、反码：正数：它的反码与原码相同。负数：它的反码为它的原码除符号位外，其余各位按位取反。1→0，0→1。如：X1=+4D则：[X1]反=[X1]原=00000100B如：X2=-4D则：[X2]原=10000100B[X2]反=11111011B2020/3/138AviationAutomationCollege三.原码、反码及补码3、补码：正数：它的补码与原码相同。负数：它的补码为它的反码+1。如：X1=+4D则：[X1]补=[X1]原=[X1]反=00000100B如：X2=-4D则：[X2]原=10000100B[X2]反=11111011B+1[X2]补=11111100B2020/3/139AviationAutomationCollege三.原码、反码及补码4、求真值：在计算机中都是用补码表示一个带符号的数据。机器数最高位是0：正数。最高位是1：负数。有符号数求真值：（1）正数：因为：正数它的补码与原码相同，所以：直接将其按权展开相加。例如：有符号数：00010101B（最高位0：正数）=+21D（2）负数：将补码表示的负数，按位取反，再+1，再按权展开相加，在得到对应的十进制数前加负号。或者除符号位外，其余取反加1例如：有符号数：10001010B(最高位1：负数）所以：取反：01110101B加1：+1B=1110110B=118D因此：为-118D2020/3/140AviationAutomationCollege四.八位计算机的数值范围无符号数：00000000B～11111111B00H～FFH0D～255D有符号数：正数：00000000B～01111111B00H～7FH0D～127D负数：10000000B～11111111B80H～FFH-128D～-1D2020/3/141AviationAutomation