微型计算机原理 与应用.

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1 微型计算机原理 与应用

2 课程设置 专业基础课，设置本课程主要是为自动控制（计算机控制）的相关专业课打下一定的基础。
课程描述 课程设置 专业基础课，设置本课程主要是为自动控制（计算机控制）的相关专业课打下一定的基础。 后续课程 微机控制技术 相关课程 单片机 PLC DCS等 选用教材 《微型计算机原理与接口技术》 张荣标 机械工业出版社

3 主要参考书目 《微型计算机技术及应用（３）》 戴梅萼 史嘉权 清华大学出版 《微型计算机系统原理及应用（第４版）》
戴梅萼 史嘉权 清华大学出版 《微型计算机系统原理及应用（第４版）》 周明德 清华大学出版社 《微型计算机原理及应用辅导》 李伯成 西安电子科技大学出版社

4 课程特点 内容多 逻辑性差 抽象 需要在理解的基础上记忆 考试难度大

5 学习方法 正确认识《微机原理及应用》的用途、特点及其对专业知识的影响 正确估计课程的难度，提高学习兴趣
注重理解性记忆，加强软件、硬件实验锻炼 充分利用网络，提高自学能力 相互交流，共同提高

6 课程主要内容 本课程主要内容：（微机原理、汇编语言程序设计、接口技术） 微机基础知识 8086/8088CPU结构及原理
存储器 并行接口、定时器技术 中断技术

7 讲课学时及成绩评定 共72学时 其中讲课60学时，实验12学时。 成绩评定 平时成绩 包括作业、实验、课堂表现 考试成绩 闭卷考试。

8 第一章 微型计算机基础知识 本章学习目标 了解微型计算机的发展、应用及其分类 掌握计算机的组成结构 掌握计算机数据的表示
第一章 微型计算机基础知识 本章学习目标 了解微型计算机的发展、应用及其分类 掌握计算机的组成结构 掌握计算机数据的表示 理解微型计算机的基本工作过程

9 §1 微型计算机概述 一、微型机的特点和发展 1、特点 体积小，重量轻，耗电少 可靠性高，结构灵活 价格低廉 应用面广

10 2、微型机的发展 1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒6万次，成本约200美元。 微机概念：以大规模、超大规模集成电路构成微处理器作核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出的计算机。 划分代标志其发展。早期的摩尔定律。

11 第一代 第二代 中高档8位机 第三代 16位机 第四代 32位机 第五代
4位和低档8位机 Intel 4004 （ ） 第二代 中高档8位机 8080/8085、Z80、MC6800 （ ） 第三代 16位机 Intel 8086、Z8000 （ ） 特点： 1、速度越来越快。 2、容量越来越大。 3、功能越来越强。 第四代 32位机 80386、80486 （ ） 第五代 （93后）

12 第五代计算机（新一代） CPU 发展的思路 在CPU上制作存储管理部件 采用指令和数据高速缓存 采用流水线结构以提高系统的并行性
将采用人工智能技术及新型软件，硬件将采用新的体系结构和超导集成电路。分为问题解决与推理机；知识数据库管理机；智能接口计算机。 CPU 发展的思路 在CPU上制作存储管理部件 采用指令和数据高速缓存 采用流水线结构以提高系统的并行性 采用大量的寄存器组成寄存器堆以提高处理速度 具有完善的协处理器接口，提高数据处理能力 在系统设计上引入兼容性，实现高、低档微机间的兼容 （摩尔定律是否还存在？）

13 1、硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、总线
二、微型机基本结构（硬件+软件） 输 入 电 路 控制器 出 CPU 存储器 运算器ALU 1、硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、总线

14 2、软件： 系统软件：由生产厂家配置在机器内。 包括监控、管理、汇编、DOS、应用子程 序库等。 应用软件：用户根据需要开发的程序 如采样、滤波、标度变换、报警显示、 控制输出等。

15 3、总线：总线是连接多个功能部件的一组公共信号线
微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输 微机：片内（CPU内） 单总线结构 片外 三总线结构 地址总线（AB） 、数据总线（DB） 、控制总线 （CB）。

16 数据总线DB 双向 在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。
地址总线AB 单向 输出CPU的地址信号 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 数据总线DB 双向 在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。 CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU CPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部 数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线CB 双向 CPU对存储器、I/O接口进行控制和联络。 协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等 控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等 举例 举例

17 在某一时刻，只能由一个总线主控设备（例如CPU）来控制总线
总线使用特点 在某一时刻，只能由一个总线主控设备（例如CPU）来控制总线 在连接系统总线的各个设备中，某时刻只能有一个发送者向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获取信号 微机系统采用“总线结构”，具有组态灵活、扩展方便的优势

18 4、关于微机需要区别的概念 微处理器即CPU 是计算机的核心部件 利用集成技术将运算器、控制器集成在一片芯片上。其功能如下： 对指令译码并执行规定动作；能与存储器及外设交换数据；可响应其它部件的中断请求；提供系统所需的定时和控制 微型计算机 在CPU的基础上配置存储器、I/O接口电路、系统总线 微型计算机系统 以微机为主体，配置系统软件和外设

19 运算器 控制器 寄存器组 内存储器 总线 输入输出输出 接口电路 外部设备 软件 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 区别3个概念

20 三、微型计算机的应用 1、科学计算和科学研究 （数值计算）， 如国防、航空航天、建筑设计等可取代大、中型计算机。 2、数据处理 （信息处理） 如财务管理、财政预算、挡案管理、库房管理等可以很方便的对各种信息和数据统计、分类、检索、转换、制表等

21 3、工业控制 （过程控制） 主要应用于各工矿企业自动控制和自动生产流水线等 用微型计算机实现DDC控制，SCC监督控制、分布控制 4、仪器、仪表控制（智能仪表） 5、家电及民用产品 全自动产品 6、人工智能 机器人、机械手

22 四、计算机的主要性能指标 字长：表示精度 一次可以并行处理的数据的位数既数据线的条数。 运算速度：平均执行指令的时间（单位us）或每秒执行指令数。 内存容量：表示计算机可存储的信息量 常用单位： K、M、G

23 §2 计算机的数值和编码 一、常用术语 1、位（bit）： 是计算机能表示的最小单位，每位只有两种状态0、1。 2、字节（Byte）：8位（bit）为一个字节 是内存的基本单位。 3、字和字长 （word）：字是CPU内部进行数据处理的基本单位。字长即字的长度，常与CPU内部的寄存器、 运算装置、总线宽度一致。 常用微机字长分别是4位、8位、16位、32位。

24 4、 K、KB ：K是数量单位，KB表示内存容量。
1K= KB=1024byte 1M=210K=1024K 1G=210M=1024M 5、 ASCⅡ码： 美国标准信息交换码，用7位二进制数表示数字、字母及计算机所能识别的各种符号。 6、BCD码 ： 十进制数的二进制表示，用4位二进制数表示0-9十个数字。 7、 指令：计算机所能识别的规定计算机进行某种操作的命令。

25 8、程序：程序是许多指令的有序集合。是用户在使用计算机时，为要解决的问题编写的指令序列。
9、指令系统：是一台计算机所能识别的全部指令的集合。 10、地址：是计算机存储单元的编号，通常8bit为一个单元，每个单元有独立的编号。 内存地址的最大编号（容量）有限，由地址线的条数决定。

26 二、数制及其相互转换 1、常用的进位计数制 计算机采用二进制表示所有的信息。 原因：易于构造2个稳定状态的电子器件 易于和十进制数相互转换
运算规则简单 易于和逻辑运算统一 十进制 0~9 十个不同的基数 逢十进一 用D表示或省略 二进制 只有0、1两个不同的基数 逢二进一 用B表示 十六进制 0~9、A、B、C、D、E、F十六个不同的基数 逢十六进一 用H表示

27 2、不同进制之间的相互转换 二进制转换为十进制 方法：按权展开相加 例1（101011）B=1  25+0  24+1  23+0  22 +1   20 =（43）D 例2：（ ）B=1  26+1  25+1 23 +1 21 +1   2-3 =（ ）D 十进制转换为二进制 整数部分采用除2取余法，直到商为0 为止。 小数部分采用乘2取整法，直到满足精度要求 为止。

28 例1：将（136）D转换为二进制数。 余数（结果） 低位 向 上 写 高位 （136）D= B

29 原理 ：(136)D=(Kn-1Kn-2………K1K0)B
=Kn-1  2n-1+ Kn-2 2n-2 +……+K1  21 + K0  20 两边同除以2， Kn-1Kn-2………K1中均含有2的因子，余数为K0， 同理继续除下去可以找到K1 、K2直到Kn-1

30 例2：将(0.613) D转换为十进制 (0.613)10  2= k—1= 高位 (0.226)10  2= k—2=0 (0.452)10  2= k—3=0 (0.904)10  2= k—4=1 (0.808)10  2= k—5=1 (0.616)10  2= k—6= 低位 (0.613)D=（ ）B

31 原理 (0.613)D=（0.k—1k—2… k—m ）B =k—1 2-1+ k—2 2-2 + ….+ k—m 2-m 两端同乘以2，则等式右端的整数为k—1， 不断乘下去可以找到k—2…….. k—m 。

32 十六进制于二进制之间的互相转换 二进制不方便书写、记忆、查错、纠错，用十六进制将其缩短。 4位二进制数和一位十六进制数具有一一对应的关系。 十六进制 二进制 十六进制 二进制 A B C D E F

33 思考：转换是否可以用不同的方法实现？ 例1： （F3.A）H=(11110011.1010)B
例2（ ）B=（593D.6）H 十进制与十六进制之间的互相转换 十六进制 十进制： 按权威展开相加 十进制 十六进制：整数 除十六取余 小数 乘十六取整 思考：转换是否可以用不同的方法实现？

34 微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片
明确3个概念的区别 微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片 微型计算机（Microcomputer） 通常指微型计算机的硬件系统 还有一般的说法：微机、微型机 微型计算机系统（Microcomputer system） 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统 链接1.1===3 链接1.1 返回

35 Intel 80x86 地址条数 存储容量 8086 20 1MB 8088 20 1MB 80286 24 16MB
Intel 80x86CPU的地址线条数 Intel 80x86 地址条数 存储容量 MB MB MB 80386~Pentium GB 链接1.1===3 链接1.1 返回

36 Intel 80x86CPU的数据线位数 Intel 80x86 数据位数 8088 8 80386~Pentium 4 32 链接1.1===3 链接1.1 返回

37 三、二进制编码 一般微机采用TTL电子元件，使用5V电源 通常规定: 0V~0.3V 为0 （低电平） 2.7V~5V 为1 （ 高电平） 0.3V~2.7V 为高阻（浮空） 计算机中所有的数字、字母、符号、指令等必须用固定的二进制数表示，这种方法叫二进制编码。

38 = （010010010101.00111000 ）BCD 1、二进制编码的十进制数 （BCD码）常用8421BCD码
2 、ASCⅡ码 采用七位二进制编码，可以表示128个字符。 bit7作奇偶校验位，在机器中表示时，常认为“0”， 用一个字节（8位）表示一个ASCⅡ字符。 常用的ASCⅡ字符： 0—9 的ASCⅡ码30H—39H A—Z 的ASCⅡ码41H—5AH a—z 的ASCⅡ码61H—7AH

39 BCD码在计算机内运算时，运算器仍按二进制原则进行，则结果有偏差，我们要求结果仍是正确的BCD码，则需要进行调整。
以加法为例说明 ： 例1： A=31 B=56 A+B=87 结果正确无需调整

40 例2： A= B= A+B=81 结果不正确需加06H调整 得到正确结果

41 例3： A= B= A+B=127 结果不正确需加66H调整 得到正确结果

42 总之加法修整的方法是： 低半字节大于9或向高半字节有进位（半进位），则加06H调整。 高半字节大于9或有进位，则加60H调整。 以上两种情况交叉组合，则加66H调整。 同理，减法、乘法、除法分别由相应的调整方法。 在计算机中有专用指令完成调整。

43 一、8086中的三种数据 §3 计算机中数值的表示 1、无符号二进制数 8位 数值范围 0~255 16位 数值范围 0~65535
§3 计算机中数值的表示 一、8086中的三种数据 1、无符号二进制数 8位 数值范围 0~255 16位 数值范围 0~65535 2、有符号的二进制数 S为符号位，其余为数值位（0或1）。 8位 数值范围 ~+127 16位 数值范围 ~+32767 S X

44 3、BCD码（只能在一个字节中表示，无符号） 两种形式： 压缩型 数值范围 0~99
压缩型 数值范围 ~99 非压缩型 数值范围 ~9 十位 个位 D7 D6 D5 D D3 D2 D1 D0 个位 D7 D6 D5 D D3 D2 D1 D0

45 二、码制（有符号数的表示方法） 用二进制数的最高位表示符号0为正，1为负。 常用三种表示法：原码、反码、补码。 1、原码表示法： 定义：[X]原= 0X X≥0 [X]原= 2n-1-X X≤0 （n包括符号位在内） 例： X=105= [X]原= X=-105= [X]原= 利用定义求解 n=8 2n-1 = 2n-1-X= （ ） =

46 原码的特点： 在原码中0有两种表示法 [+0]原=00H [-0]原=80H 8位原码表示数的范围是 -127~+127（FFH~7FH） 2、反码表示法：正数的反码与原码相同，负数的反码是负数原码符号位不变，其余位取反。 定义：[X]反= 0X X≥0 [X]反= 2n-1+X X≤0 （n包括符号位在内）

47 例： X= [X]反= X= [X]反= 利用定义求解 n=8 2n-1 = 2n-1+X = （ ） = 反码的特点： 在反码中0有两种表示法 [+0]反=00H [-0]反=FFH 8位反码表示数的范围是 -127~+127（80H~7FH）

48 3、补码表示法：正数的补码与原码相同，负数的补码是反码加1 。
定义：[X]补= 0X X≥0 [X]补= 2n+X X≤0 （n包括符号位在内） 例： X= [X]补= X= [X]补= 利用定义求解 n=8 2n = 2n+X = （ ）=

49 补码的特点： 在补码中0的表示是唯一的 [0]补=00H 8位补码表示数的范围是 -128~+127（80H~7FH） 补码中符号位可以和数值位一同参与运算。 补码可以将减法运算变为加法运算。

50 小结：原码 正数0X 负数1X 反码 正数0X 负数1X 补码 正数0X 负数1X+1 （不必利用定义求） 原码 反码 补码 真值 取反
加1 求补

51 补码在运算时符号位与数值位同等对待，只要结果不溢出，则结果是正确的（仍为补码）。
4、 补码的应用 补码在运算时符号位与数值位同等对待，只要结果不溢出，则结果是正确的（仍为补码）。 例：X= =-78 Y= =99 [X]补= [Y]补= [ X+Y]补= [X]补+ [Y]补 = = [X+Y]原= X+Y=21 练习： X= Y=-99 求 X+Y

52 原理：在求补码的过程中已经作了减法（ 2n是n位二进制数的模）。 应用：X=+65 Y=+10
将减法变为加法（可以简化运算器的设计） 原理：在求补码的过程中已经作了减法（ 2n是n位二进制数的模）。 应用：X= Y=+10 [X]补= [X]原= [-X]补= [Y]补= [Y]原= [-Y]补= X+Y=75 [ X+Y]补= =[+75]补 X-Y=55 [ X-Y]补= [X]补+ [-Y]补= = =[+55]补 Y-X=-55 [Y-X]补= [Y]补+ [-X]补= =[-55]补

53 §4 简易微型机的工作过程 一、基本结构： CPU 总线 内存 程序 数据 PC 寄存 地 地址总线 AB 计数器 址 译 码
§4 简易微型机的工作过程 一、基本结构： CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程序 数据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、、、 指令1 指令2 指令3 指令4 数据1 数据2 数据3 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 寄存 PC 计数器 寄存器组 累加器A 运 算 微操作发生器

54 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。
1、中央处理器的组成 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器：计算机中加工和处理数据的功能部件。 功能:（1）对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。 （2）暂时存放参与运算的数据和中间结果。 主要包括： ALU：算术逻辑单元 进行算术、逻辑运算。 A：累加寄存器(存放操作数或运算结果)。 其它寄存器。 F：标志寄存器 存放运算结果的标志（零、正负、进位、溢出等）。

55 控制器 控制和指挥计算机内各功能部件协调动作，完成计算机程序功能。 （1）程序计数器（PC）：存放将要取出的指令地 址，指令取出后，其内容自动加1。 （2）指令寄存器（IR）：存放指令的操作码。 （3）指令译码器（ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。 （4）微操作控制信号发生器（PLA）：产生一系 列微操作控制信号。 （5）地址寄存器（AR）：存放操作数或结果单元的地址。

56 2、存储器的基本结构 地址译码器、存储单元、控制逻辑 读操作 AR的内容 地址总线 AB 地址译码器 选通相应单元 存储单元内容 数据总线 数据寄存器（DR） 写操作 AR的内容 地址总线 AB 地址译码器 数据总线 相应的存储单元

57 3、执行指令的过程 取指令、分析指令、执行指令、存结果周而复始。 4、微型计算机的工作过程 在进行计算前，应做如下工作： （1）用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； （2）用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序； （3）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

58 例：完成7+10=? 结果在A中 MOV A，07H /B0H 07H ；07送入累加器A
ADD A，0AH /04H 0AH ；10与A中内容相加 结果在A中 HLT /F4H ； 暂停 00H 01H 02H 03H 04H B0 07 04 0A F4

59 取指令阶段的执行过程（设程序从00H开始存放）
（1）将程序计数器PC的内容送地址寄存AR。 （2）程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。 （3）地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00H单元。 （4）CPU发出“读”命令。 （5）所选中的00单元的内容B0H读至数据总线DB上。

60 （6）经数据总线DB，读出的B0H送至数据寄存器DR。
（7）DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码CPU“识别”出此操作码为“MOV A，07H”指令，于是控制器发出执行这条指令的控制命令。

61 PC AR ALU A B DR IR ID PLA 01H 1 00H 2 00 B0H 01 07H 02 04H 03 0AH
04 F4H 3 4 读命令 B0H 5 6 7 控制信号 （取第一条指令操作示意图）

62 执行指令阶段的执行过程： （1）将程序计数器（PC）的内容送地址寄存器AR。 （2）程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。 （3）地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。 （4）CPU发出“读”命令。

63 （5）所选中的01H单元的内容07H读至数据总线DB上。
（6）经数据总线DB，读出的07H送至数据寄存器DR。 （7）由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将07H送入累加器A中。

64 PC AR ALU A B DR IR ID PLA 02H 1 01H 2 00 B0H 01 07H 02 04H 03 0AH
04 F4H 3 4 读命令 07H 5 6 7 控制信号 （执行第一条指令操作示意图）

65 执行第二条指令的取指过程与第一条相同，只是指令码地址不同。
经过对第二条指令操作码的分析得知第二条指令为加法指令。则执行过程如下： （1）（PC）的内容送AR。 （2）PC+1送 PC （3）AR经AB送存储器地址译码器。 （4）CPU发出“读”命令。

66 （5）所选中的03H单元的内容0AH送DB。 （6）DB上数据送数据寄存器DR。 （7） DR经B送ALU的一端。 （8）A的内容送ALU的另一端。 （9）ALU相加的结果输出到A。

67 2 控制信号 PC AR ALU A B DR IR ID PLA 03H 1 02H 00 B0H 01 07H 02 04H
04 F4H 3 4 读命令 04H 5 6 7 （取第二条指令操作示意图）

68 PC AR ALU A B IR ID PLA 04H 1 03H 2 00 B0H 01 07H 02 04H 03 0AH 04 F4H
读命令 DR 0AH 5 6 7 07H （执行第二条指令操作示意图） 11H

69 习 题 1、微型计算机的特点是什么？主要性能指标有哪些？字节和字长有什么区别？ 2、微型计算机是由哪几部分组成的？简述各部分的作用。 3、微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间有什么联系和区别。 4、微型计算机内部、外部的结构特点是什么？总线结构的优点是什么？

70 5、完成下列数制之间的转换 （48）D=（ 　　 ）H=（ 　 ）B （6DB）H=（ ）D=（ 　 ）B （ ）B=（ 　 ）H=（ ）D （98）D=（ ）BCD=（ 　 ）B （ ）BCD=（　　　　　） D ＝（　　　　　　） B

71 6、完成下列码制之间的转换 　[X]原=BDH 　　[X]补、[X]反、Ｘ真值= ？ 　[X]反=3CH 　　 [X]补、[X]原、Ｘ真值= ？ 　[X]补=8AH 　　 [X]反、[X]原、Ｘ真值= ？ 7、已知　　X=72 　Y=35 　求 X+Y=? 　X-Y=?　　Y-X=?