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16位微机原理及接口技术1微机原理课1讲教案主讲人许文丹绪论§1-1计算机的发展概况及分类§1-1-1计算机的发展概况1946年，第一台计算机在美国诞生，至今已有近60年的历史。60年来，计算机经历了迅猛的发展，得到了广泛的普及，对整个社会的进步和科学的发展产生了极其深远的影响。在此期间，计算机经历了电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时代、大规模及超大规模集成电路计算机时代。计算机的功能已经从早期的数值计算、数据处理发展到可以进行知识处理的人工智能阶段，不仅可以处理文字、字符、图形图象信息，而且可以处理音频、视频信息，形成了智能化的多媒体计算机。在推动计算机技术发展的诸多因素中，除了计算机的系统结构和计算机的软件技术发展起到了重要的作用之外，电子技术特别是微电子技术的发展也起到了决定性的作用。70年代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器（CPU）电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片，称为微处理器（MPU）。微处理器的出现，开创了微型计算机的新时代。以微处理器为核心，再配上半导体存储器（RAM、ROM）、输入/输出接口电路（I/O接口电路）、系统总线以及其他支持逻辑，这样组成的计算机，称为微型计算机。微型计算机的出现，是计算机技术发展史上的一个新的里程碑，为计算机技术的发展和普及开辟了崭新的途径。由于微型计算机具有体积小、重量轻、价格便宜、耗电少、可靠性高、通用性和灵活性好等特点，加上超大规模集成电路工艺技术的迅速发展和成熟，使微型计算机技术得到了极其迅速的发展和广泛的应用。从1971年美国INTEL公司首先研制成功世界上第一块微处理器芯片4004以来，在头十年中，差不多每隔2～3年就推出一代新的微处理器芯片，如今已经推出了多代微处理器产品。微处理器是计算机的核心部件。它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能，因此，微型计算机的发展是以微处理器的发展来更新换代的。第一代（1971～1973）微处理器和微型计算机是4位微处理器和低档8位微处理器时代。在这一时期，典型的产品有INTEL4004、INTEL8008。其中INTEL8008是第一个8位通用微处理器，以4004、8008为CPU构成的微型计算机分别是MCC-4和MCS-8。主要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域。第二代（1973～1978）微处理器和微型计算机是成熟的8位微处理器时代。1973年INTEL公司推出了性能更好的8位微处理器8080。它的出现，加速了微处理器和微型计算机的发展。MOTOROLA公司的MS6800，ZILOG公司的Z80，INTEL公司的8085等。广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域。第三代（1978～1983）是16位微处理器时代。70年代后期，超大规模集成电路的成熟，进一步推动了微处理器和微型计算机生产技术向更高层次发展。1978年，INTEL公司率先推出了新一代16位微处理器8086，随后，INTEL16位微机原理及接口技术2公司的8086/8088，MOTOROLA公司的MC68000和ZILOG公司的Z8000，这些高性能的16位微处理器成为当时国内外市场上流行的典型产品，集成度高达29000管/片。INTEL8086/8088内部采用流水线结构，设置了指令预取队列，使处理速度大大提高。INTEL公司推出了十六位微处理器中的高档芯片80286，它具有多任务系统所必须的任务切换功能、存储器管理功能和多种保护功能，支持虚拟存储体系结构，地址总线从20位增加到24位，存储器直接寻址空间达到16MB，时钟频率提高到5MHZ～25MHZ。从80年代中、后期到90年代初，80286一直是个人计算机IBMPC/AT机的主流型CPU。同期的产品还有MOTOROLA的MC68010。第四代（从1983年起）是32位微处理器时代。这一时期的典型产品有ZILOG公司推出的Z80000、MOTOROLA公司推出的MC68020、INTEL公司推出的80386、80486、MOTOROLA公司推出的68040等。第五代（1993）是INTEL推出的Pentium微处理器（简称P5或586）。Pentium微处理器的推出，使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段，标志着微处理器完成从CISC向RISC时代的过度，也标志着微处理器向工作站和超级小型机冲击的开始。同期的产品还有AMD公司的K5，IBM、APPLE、MOTOROLA三家联合推出的POWORPC。继PentiumPRO之后，Intel公司又推出了PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ等微处理器的极品，成为PC机的主流CPU。随着LSI和VLSI技术的进一步发展，微处理器的集成度越来越高，芯片功能越来越强。从微型机总的发展情况看，为了使微处理器获得高性能，一方面提高集成度，另一方面在系统设计上追求综合性能的提高，更加全面的采用中大型计算机体系结构中的先进技术，如流水线技术、高速缓存技术、虚拟存储管理技术、RISC技术、并行处理技术，更好地支持多处理器运行环境、多媒体技术和计算机网络应用等。§1-1-2计算机的分类微处理器的字长也就是微型机的字长，字长是最能反映机器性能的技术指标之一。按照微处理器的字长分类，一般可分为4位、8位、16位、32位和64位机等几种。如果将微型计算机按照其组装形式来分，可将其分为单片机、单板机和多板微型计算机。§1-2微型计算机的特点及应用§1-2-1微型计算机的特点电子计算机通常按照体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。从系统结构和基本工作原理上说，微型机和其它几类计算机并没有本质上的区别，所不同的是微型机广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此带来以下一系列特点：体积小、重量轻、功耗低由于微型计算机中广泛采用了大规模和超大规模集成电路，从而使构成微型机所需要的器件和部件数量大为减少，使之体积大大缩小。可靠性高、使用环境要求低微机计算机采用大规模和超大规模集成电路以后，使得系统内使用的器件数量大大减少，器件、部件间的连线大大减少，接插件数目减少，加上MOS电路本身工作所需的的功16位微机原理及接口技术3耗就很低，这些都使微型机的可靠性大大提高，因而，也就降低了对使用环境的要求。结构简单、系统设计灵活、适应性强、使用方便由于微型计算机多采用规模化的硬件结构，特别是采用总线结构后，使微机系统真正成为一个开放的体系结构，构成系统的各功能部件和各种适配卡通过标准的总线插槽相连。相互间的关系变为面向总线的单一关系，大大增加了系统扩充的灵活性和方便性。软件配置丰富计算机的优良硬件性能是通过丰富多彩的软件体现在人们面前的。因此，软件是计算机的灵魂。如今，微型计算机之所以得到如此空前的普及和广泛应用，是与它能配置丰富的软件密切相关，从系统软件到应用软件应有尽有，而且功能强、使用方便，这就加速了微型机在人类社会的普及。性能价格比高性能价格比是指机器性能与售价之比。它是衡量计算产品成本性能优劣的一个综合指标，性能包括字长、主频、速度、配置、可靠性、可操作性等；价格指售价。微处理器最突出的优点之一就是价格低廉、性能优良。§1-2-2微型计算机的应用1．工业控制2．事物处理3．计算机辅助设计和辅助制造CAD/CAMCAD是指用计算机帮助设计画图，可使得设计过程走向半自动化和自动化。CAM的中心设备是数控机床，围绕数控机床有一组自动化设备，用以完成加工件的运输、组装、加工、测量、检查等功能。CAD/CAM能大量节省人力，提高效率。更重要的是提高质量，并使以往人工难以完成的任务成为可能。4．教学培训5．家庭娱乐和家政事物管理6．科学和工程计算§1-3计算机的基础知识§1-3-1计算机中的数据表示及编码一．进位计数制及数制转换人类在长期的生产劳动实践中创造了我们最熟悉的十进制，而生活中还有十二和十六进制等多种数系，其共同之处是采用进位计数制。1．进位计数制进位计数制是采用位置表示法，即处于不同位置的同一数字符号，所表示的数字不同。一般说来，如果数制只采用R个基本符号，则称为基R数制，R称为数制的“基数”或简称“基”；而数制中每一固定位置对应的单位值称为“权”。进位计数制的编码符合“逢R进位”的规则，各位的权是以R为底的幂，一个数可以按权展开成多项式，例如“逢十进一”的十进制数1992.5可写为16位微机原理及接口技术41992.5=1×103+9×102+9×101+2×100+5×10-1对R进制数N，若用n+m个代码Di(-m≤i≤n-1)表示，从Dn-1到D-m自左至右排列，其按权展开多项式为：N=Dn-1Rn-1+Dn-2Rn-2+…+D0R0+D-1R-1+…+D-mR-m其中Di为第i位代码，它可取0～（R-1）之间的任何数字符号；m和n均为正整数，n表示整数部分的位数，m表示小数部分的位数；Wi表示Di位的权，它是以R为底的幂。下面是计算机常用的进位计数制：二进制R=2基本符号0，1八进制R=8基本符号0，1，2，3，4，5，6，7十进制R=10基本符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十六进制R=16基本符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F其中，十六进制中的数符A～F字母，分别对应十进制的10～15，例如一个十六进制数8AE6可以写为：8AE6H=8×163+10×162+14×161+6×160在数8AE6后面加H是为了识别十六进制数而加的标识字母。由于二进制数书写长，难读难懂，为书写方便，计算机中经常使用8进制或16进制。人们又习惯于十进制，而计算机内必须采用二进制，故上面四种进制是经常要用的。为了识别起见，二进制数尾加B作标识，十进制数尾加D或省略，八进制数尾加Q，十六进制数尾则加H。使用四种进制必然产生各种数制间的相互转换问题。2．进位计数制间的相互转换不同进位计数制数据转换，其实质是进行基数的转换，转换原则是根据：两个有理数相等，其整数部分和小数部分分别相等。故要分别进行转换。(1)二进制与十进制转换a.二进制转换为十进制其转换规则为“按权相加”，即只要把二进制数中位数是1的那些位的权值相加，其和就是等效的十进制数。二进制数整数与小数部分各位权值对应的十进制数值为：…210292827262524232221202-12-2……102451225612864321684210.50.25…例1．1将10101101.101B转换为十进制数10101101.101B=27+25+23+22+20+2-1+2-3=128+32+8+4+1+0.5+0.125=173.625D该转换规则同样适用于将八进制数和十六进制数转换为十进制数，只是相加各项是八进制或十六进制数符与数位权值之和。例1.2将312Q和2A.68H转换为十进制数312Q=3×82＋1×81＋2×80=3×64＋8＋2=202D2A.68H=2×161＋10×160＋6×16-1＋8×16-2=32＋10＋0.375＋0.03125=42.40625Db.十进制转换为二进制整数部分转换——将十进制数连续用基数2去除，直到商数到0为止，每次除得的余数16位微机原理及接口技术5依次为二进制数由低到高的各位值，简称“除2取余”法。例1．3将47D转换为二进制数472232112522212高位低位所以，47D=101111B。同理，将十进制数转换为R进制数，按照“除R取余”规则即可。例1．4十进制数725D转换为十六进制数。按“除16取余”方法进行。16725余数51645余数13（D）162余数20转换结果：725D=2D5H小数转换——将十进制小数部分连续乘以2，每次所得乘积的整数部分，依次为二进制数从高到低的各位值。转换规则简称“乘2取整法”。例1．5将0.6875D转换为二进制数。0.68750.37500.75000.500022221.37500.75001.50001.0000高位低位所以，0.6875D=0.1011B需要注意的是