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微机原理与应用

微机原理与应用. 48 学时 主讲教师：赫亮. 主要内容：. 第一章 微型计算机基础 第二章 微型机指令系统 第三章 汇编语言程序设计 第四章 半导体存储器 第五章 数字量输入输出 第六章 模拟量输入输出. 第一章 微型计算机基础 第一节 概述 一、概述 二、计算机发展简史 三、有关术语 第二节 计算机中数的表示和编码 一、无符号数的表示及运算 二、带符号数的表示及运算 三、二进制编码 第三节 微型计算机的组成、分类和配置 一、微型计算机系统的组成 二、微型计算机的分类

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  1. 微机原理与应用 48学时 主讲教师：赫亮

  2. 主要内容： 第一章 微型计算机基础 第二章 微型机指令系统 第三章 汇编语言程序设计 第四章 半导体存储器 第五章 数字量输入输出 第六章 模拟量输入输出

  3. 第一章 微型计算机基础 第一节 概述 一、概述 二、计算机发展简史 三、有关术语 第二节 计算机中数的表示和编码 一、无符号数的表示及运算 二、带符号数的表示及运算 三、二进制编码 第三节 微型计算机的组成、分类和配置 一、微型计算机系统的组成 二、微型计算机的分类 第四节 微处理器 一、Intel 8086/8088 二、Intel 80286、386、486、586和Pentium

  4. 第一节 概述

  5. ENIAC (1946) 掌上电脑(2000) 按性能可分为：巨型机，大型机， 中型机，小型机，微机 • 现代计算机的结构基础：存储程序控制结构 1945年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出, 诺依曼计算机

  6. 输 入 设 备 输 出 设 备 存储器 运算器ALU 控制器 CPU 诺依曼计算机的工作原理可概述为： • “存储程序” + “程序控制” • 要点： • 1．以二进制表示数据和指令(程序) • 2.先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行

  7. 用机器语言、汇编语言编写程序 • 用于军事和国防尖端技术 • 开始使用高级语言 • 开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域 • 采用微程序、流水线等技术， 提高运行速度 • 出现操作系统、诊断程序等软件 • 采用半导体存储器 • 采用图形界面操作系统 • 器件速度更快, 软件、外设更加丰富 主 要 特 点 电子管计算机 (1946—1956) 晶体管计算机 (1957—1964) 集成电路计算机 (1965—1970) 大规模、超大规模集成电路计算机 (1971—至今) 二、计算机发展简史 1. 根据使用的基本电子器件，计算机经历了四个阶段：

  8. 2．计算机的两个方向发展： • 研制高速度、强功能的巨型机和大型机 • 适应军事和尖端科学的需要。 • 研制价格低廉的超小型机和微型机 • 开拓应用领域和占领更广大的市场。 微型计算机是第四代计算机的典型代表。

  9. 光驱 中央处理器 主板 电源箱 软驱 内存条 硬盘 调制解调器 1. 微型计算机的基本结构 简介 1) 构成部件; 2) 工作过程

  10. 微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成； 输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连； ( 输入/输出接口简称I/O接口 ) 各部件通过总线连接。 构成部件 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB

  11. 二、有关术语 • 1.位 ( bit ) • 2.字节 ( Byte ) • 3.字和字长 (word) • 4.位编号 • 5.指令、指令系统和程序 • 1 Byte = 8 bit

  12. ← 编号 1 0 1 0 0 0 1 0 字节 数据Data 地址Address A7 D7 D6 A6 A5 D5 D4 A4 A3 D3 D2 A2 A1 D1 D0 A0 7 6 5 4 3 2 1 0 • 字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。 不同类型的CPU有不同的字长。 • 如: Intel 4004 是 4 位1 Byte = 8 bit • 8080 是 8 位 • 8088/ 8086/80286 是 16 位 • 80386/80486、Pentium 是 32 位

  13. 指令、指令系统和程序 • 一个CPU能执行什么操作，是工程人员设计和制造好的， • 是固定的，用户不能改变。 • 指令是CPU能执行的一个基本操作。 • 如：取数、加、减、乘、除、存数 等 • 指令系统是CPU所能执行的全部操作。 • 不同的CPU，其指令系统不同。 • 程序是用户在使用计算机时，为要解决的问题， • 用一条条指令编写的指令集合。

  14. 第二节 计算机中的数制和编码

  15. 数制:人们用符号来计数的科学方法。 基：数制所使用的数码的个数。 权：数制每一位所具有的值。 十进制：基为10，数码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 5 3 6 7 5 2 权 105 104 103 102 101 100 二进制：基为2，数码为0、1 1 0 1 1 0 1 权 25 24 23 22 21 20

  16. 一、无符号数 • 1. 无符号数和带符号数 • 二进制数的各位均表示数值大小，最高位无符号意义。 • 例1111 0000 B = F0H = 15×16 = 240D • 1001 0001 B = 91H = 9×16 + 1= 145 D • 应用场合： 处理的数全是正数时，如表示地址的数

  17. 2、带符号数 • 数有正、负 → 带符号数 • 在计算机中符号也用二进制数表示 • 计算机中用补码表示带符号数

  18. 2、无符号数的表示方法 • 十进制数 • 基数10， 遵循逢10进位 • 数码10个 ：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 • 如： (123. 5)10或123. 5D 或 123. 5 • 数值大小计算: • 123. 5 = 1 × 102 + 2 × 101 + 3 × 100 + 5 × 10-1

  19. 二进制数 • 基数2 , 遵循逢2进位 • 数码2个：0，1 • ( 101101．1 ) 2 或 101101．1 B • = 1 × 25 + 0 × 24+ 1 × 23+ 1 × 22 + 0 × 21+ 1 × 20 • + 1 × 2-1 = 45．5D

  20. 十六进制数 A B C D E F 十进制数 10 11 12 13 14 15 • 十六进制数 • 基数16 , 遵循逢16进位 • 数码16个：0，1，　、、、 ，9，A，B，C，D，E，F • ( BF3C．8 )16 　或 BF3C．8 H • =11 × 163 + 15 × 16 2+ 3 × 161+ 12 × 160 +8 × 16-1 • =48956．5D

  21. 3、数制转换 • 1） N进制数与十进制数的转换 • 1) N进制数 → 十进制数 • 方法: 与数值大小计算过程相同。 • 例： 101101．1 B = 1 × 25 + 0 × 24+ 1 × 23+ 1 × 22 +0 × 21 • + 1 × 20 + 1 × 2-1 • = 45．5 D • BF3C．8 H= 11 × 163 + 15 × 16 2+ 3 × 161+ 12 × 160 • + 8 × 16-1 • = 48956．5D

  22. 商为 0 • 十进制数 → 二进制数 • 例1 ：125. 125D →二进制数 整数部分：除N取余，商零为止，结果先低后高 • 2 125 取余 • 2 62 1 低位 • 2 31 0 • 2 15 1 • 2 7 1 • 2 3 1 • 2 1 1 • 0 1 高位 • 先低后高, 故： 125D = 111 1101B

  23. 小数为 0 • 小数部分：乘N取整，到零为止，结果先高后低 • 取整 • 0. 125× 2 = 0. 25 0 高位 • 0. 25 × 2 = 0. 5 0 • 0. 5 × 2 = 1. 0 1 低位 • 先高后低, 故 : 0. 125D =0. 001B • 将整数部分和小数部分结合起来， • 故：125. 125D = 111 1101. 001B

  24. 3. 二进制数与十六进制数的转换 • 1)二进制数与十六进制数间的关系 • 2)二进制数 → 十六进制数 • 3)十六进制数 → 二进制数

  25. 1) 二进制数与十六进制数间的关系 十六进制数的基数 16 = 24 1位十六进制数对应4位二进制数

  26. 2) 二进制数 → 十六进制数 • 方法： • 以小数点为基准，分别向左和向右每4位划为一组， • 不足4位用0补，每一组用其对应的十六进制数代替。 • 例： • 11110. 01B = 0001 1110. 0100 B • = 1 E . 4 H • 1111101. 001B = 0111 1101. 0010 B • = 7 D . 2 H

  27. 3) 十六进制数 → 二进制数 • 方法： • 将每位十六进制数用其对应的4位二进制数代替即可。 • 例 ： • 1E. 4H = 0001 1110. 0100B = 11110. 01B • 7D. 2H = 0111 1101. 0010B = 111 1101. 001B

  28. 思考：计算机采用二进制形式表示数据和指令，思考：计算机采用二进制形式表示数据和指令， 在书写，显示上引进十六进制的意义是什么？ 计算机内部使用十六进制吗？ • 十进制数与二进制数之间的转换需计算，不直观； • 二进制表示的数位多不便于书写、阅读； • 十六进制数与二进制数间转换方便、直观， • 相对于二进制数，十六进制数书写、阅读相对方便。

  29. 4、二进制数和十六进制数的运算 • 1. 算术运算 • 二进制数和十六进制数加、减、乘、除, 与十进制数类似 • 2. 逻辑运算 (第二章逻辑指令中介绍) • 二进制数运算，与、或、非、异或，特点：按位进行

  30. 例 二进制运算(以8位运算器为例） • 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 • + 1 0 0 0 1 1 1 1 - 1 0 1 0 0 1 0 1 • 进位 11 1 1 1 1 1借位 11 1 1 1 11 • 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 8位运算器：参加运算的数及结果均以8位表示, 最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存， 而将其保存到标志寄存器中 • 1. 算术运算 • 1）二进制数 加法 逢2进1 • 减法 借1为2

  31. 例 十六进制运算 • B 5 H 4 4 H • + 8 F H - A 5 H • 进位 1 1借位 1 1 • 4 4 H 9 F H 结果与二进制计算相同： • 1 0 1 1 0 1 0 1 B 0 1 0 0 0 1 0 0 B • + 1 0 0 0 1 1 1 1 B - 1 0 1 0 0 1 0 1 B • 进位 1 1 1 1 1 1 1借位 11 1 1 1 11 • 0 1 0 0 0 1 0 0 B 1 0 0 1 1 1 1 1 B 2) 十六进制数 加法 逢16进1 减法 借1为16

  32. 2. 逻辑运算 • 1）“与”运算（AND） • 2）”或”运算（ OR ） • 3） “非”运算（NOT） • 4） “异或”运算（XOR） P5~6 5分钟

  33. 二、带符号数 1、带符号数的表示方法 *原码：最高位为 0 表示一个正数； 最高位为 1 表示一个负数。 *反码：对于正数，反码 = 原码； 对于负数，反码是将其对应的正数按位求反。 *补码：对于正数，补码 = 反码 = 原码； 对于负数，补码 = 反码+1。 P8 表1-2-1

  34. 在计算机中采用补码表示法，可将减法运算转变为加法运算，简化计算机的处理过程。在计算机中采用补码表示法，可将减法运算转变为加法运算，简化计算机的处理过程。 X – Y = X + （Y）补 = X + （Y）反 + 1

  35. 三、二进制编码 • 计算机处理的信息：数值、字符(字母、汉字等) • 各字符在计算机中由若干位的二进制数表示 • 二进制数与字符之间一一对应的关系，称字符的二进制编码。

  36. 二进制编码的十进制数（BCD码）

  37. ASCII（美国标准信息交换码）： • 微机中普遍采用的字符编码，如键盘、打印机、显示器等

  38. ASCII（美国标准信息交换码）

  39. 第三节微型计算机系统的组成、 分类和配置

  40. ALU 寄存器 控制部件 微 处 理 器 CPU 存储器(RAM,ROM) I/O接口 总线 微 型 计算机 (主机) 硬 件 软 件 键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 微 型 计算机 系 统 外 设 系统软件：DOS、Windows 95/98/2000 应用软件：WPS 、 Word、Photoshop 1．微处理器、微型计算机、微型计算机系统

  41. 2. 微型计算机的分类 • 1)按构成分类 • 2)按CPU的字长分类 • 3)按主机装置分类 • 4)按应用分类

  42. 1)按构成分类 单片机、单板机、多板机 • 单片机 • 将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上， • 构成具备基本功能的计算机，称单片机。 • 特点：超小型、高可靠性、价廉 • 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等 • 产品：Intel 的8051、8096系列 (有选修课) • Motorola 的6801、6805系列 • Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列 (有选修课)

  43. 单板机 • 将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路 • 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。 • 特点：结构简单、价廉 • 应用：过程控制、数据处理 • 产品：TP-801 以Z80CPU为核心的单板机 • 80年代各院校“微机原理”的实验机

  44. 多板机 • 把CPU、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上， • 各印刷板插在主机板的总线插槽上， • 通过系统总线连接起来，构成多板机。 • 特点：结构灵活，便于扩展 • 产品：IBM PC/XT、486机、 • Pentium机 • 90年代以来各院校 • “微机原理”和计算机 • 硬件的实验机

  45. CPU的性能可以用两个主要参数来描述： 速度：用CPU的工作频率表示，单位MHz • CPU内部寄存器宽度：寄存器的位数 • 宽度： 外部数据总线宽度：数据线的根数 • 地址总线宽度：地址线的根数 CPU内部的寄存器宽度可用字长描述 • 按CPU 的字长，微机可分为： 4位机、8位机、16位机、32位机、64位机 2) 按CPU的字长分类

  46. 2000.11 Pentium 4 32 64 2G

  47. 3) 按主机装置分类 • 桌上型：台式电脑 • 便携型：笔记本、掌上电脑等

  48. 4) 按应用分类 • 通用计算机： “非嵌入式应用” • 独立使用的计算机系统。 • 如：个人计算机，工作站等 • 嵌入式计算机： “嵌入式应用” • 作为其它系统组成部分的计算机， • 以嵌入的形式“隐藏”在各种装置，产品和系统中。 • 如：家电产品, 通信产品, 汽车, 航空航天设备, • 过程控制，智能仪器仪表等

  49. IBM PC机的发展简史

  50. 第四节 微处理器

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