微机原理与通信接口 武汉理工大学信息工程学院 2010年9月.

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1 微机原理与通信接口 武汉理工大学信息工程学院 2010年9月

2 讲课内容: 体系结构、汇编语言、接口技术 总学时: 72学时, 其中: 讲课学时56
本课程是信息类专业的一门专业基础课，通过本课程的学习，掌握微型计算机的组成和功能结构、汇编语言程序设计、工作原理、及微型计算机的接口技术。 讲课内容: 体系结构、汇编语言、接口技术 总学时: 学时, 其中: 讲课学时56 实验学时16 另安排课程设计 1周

3 教材、参考书 西安电子科技大学出版社 教材： 微型计算机原理与接口技术 姚燕南 薛钧义 主编 高等教育出版社出版
教材： 微型计算机原理与接口技术 姚燕南 薛钧义 主编 高等教育出版社出版 参考书：微型计算机原理及应用 王庆利主编，李珍副主编 西安电子科技大学出版社 汇编语言程序设计 沈美明 温冬婵 编著 清华大学出版社出版 微型计算机接口技术及应用 刘乐善 主编 华中科技大学出版社出版

4 第一章 微型计算机基础知识 （4学时） 第二章 微型计算机的组成及微处理器功能结构 （4学时） 第三章 8086寻址方式与指令系统 （6学时） 第四章 汇编语言程序设计 （10学时） 第五章 微处理器外部结构和总线操作时序 （6学时） 第六章 半导体存储器 （4学时） 第七章 CPU的存储器管理 （4学时) 第八章 中断和异常 （8学时） 第九章 输入/输出方法及常用接口电路 （10学时） 第十章 微型计算机系统 （自学） 第十一章 微型计算机系统和网络 （自学）

5 第一章 微型计算机基础知识 1.1 计算机中的数和编码 1.2 二进制数的算术运算 1.3 二进制数的逻辑运算 1.4 微型计算机的发展概述

6 1.1 计算机中的数和编码 1 进位计数制 进位计数制是最常用的数值表示方法。
1.1 计算机中的数和编码 1 进位计数制 进位计数制是最常用的数值表示方法。 一个数由一定数目的数码排列在一起组成，每个数码的位置规定了该数码所具有的数值——权，该位置称为数位，数码的个数称为基数，计数制又称为以基值为进位的计数制，数位的权是基值的幂。

7 基值为r 的数值N的表示方法为： 或： 式中：m、n是正整数，n为整数的位数，m为小数的位数，d是r个数码0,1,…,r-1中的任意一个，r为数位为i的权。 常见的计数制有：十进制、八进制、十六进制、二进制等。

8 十进制 十进制数码为0～9，权为10的幂，逢十进一，借一当十。例如： 二进制 二进制数码为0～1，权为2的幂，逢二进一，借一当二；

9 八进制 八进制数码为0～7，权为8的幂，逢八进一，借一当八。例如： 十六进制 十六进制数码为0～9，A，B，C，D，E，F，权为16的幂，逢十六进一，借一当十六。例如：

10 二进制的特点： 只需两种状态：0、1；实现容易。 共有六种运算规则： 运算规则简单，易应用于逻辑代数。 因此，二进制被广泛应用于计算机。但其书写复杂，不易看出数值大小，故常用八进制、十六进制来縮写，以利阅读。

11 数的表示通常省略十进制的基值表示符号D (decimal)，而二进制则以B (binary)、八进制以O (octad)、十六进制以H (hexa decimal)来表示其进位基值。
例如： = D = B = 365.2O =F5.4H

12 2 进制间的转换 二进制与十六进制数间的转换 二进制数转换为十六进制数，只需从右向左将二进制分为每4个一组，每组用一位十六进制数表示，左边不足4位，应在左边加0，以凑成4位一组。 例： B B = 1FC7H

13 十六进制数和十进制数间的转换 十六进制数转换为十进制数，只需将十六进制数按权展开相加即可。 例： 1F3DH = (4096*1)+(256*15)+(16*3)+(1*13) = = 7997

14 十进制整数和十六进制数间的转换 十进制整数转换为十六进制数，可用除16取余法，即用16不断地去除待转换的十进制数，直到商等于0为止。将所得的各次余数，依倒序排列，即可得到所需转换的十六进制。 例： D = 9823H

15 3 数在计算机中的表示 1. 机器数与真值 在计算机中数用二进制表示。数码“0”和“1”可由二值器件的两个不同的稳态来表示，数的符号也只能用这两种不同的稳态来表示。 在数的最高位之前增设一位符号位，0表示正数，1表示负数。这种符号数码化的数叫机器数，机器数所代表的数的本身叫真值。

16 机器数具有的特点： 机器字长是有限的，字长可决定数的表示范围。 一个字长一般是字节 (8位) 的整数倍，如8位、16位、32位和64位等。
符号数值化，参与运算。 小数点按约定方式标出，而不是以专门器件表示。

17 在计算机执行算术运算时，用原码实现乘、除运算，用补码实现加、减运算。
2. 原码、反码和补码 在计算机执行算术运算时，用原码实现乘、除运算，用补码实现加、减运算。 1) 原码表示法 原码表示法是一种最简单的机器数表示法，用最高位表示符号位，符号位为“0”表示该数为正，符号位为“1”表示该数为负，数值部分就是原来的数值。

18 设定点整数字长为n ，原码定义为： 例： [X]原= X= + 1101001， [X]原= 0 1101001；
[X]原= 2n-1 – X = 28-1 －(－ ) = = ；

19 原码的特点： 数值部分即为该带符号数的二进制值。 “0”有＋0和－0之分，若字长为8位，则： [＋0]原 = , [－0]原 = 8位二进制原码能表示的数值范围为： ～ ，即＋127～－127； 16位二进制原码的数值范围为＋32767～－32767。 原码表示法简单易懂，而且与真值的转换方便，但若是两个异号相加，或两个同号相减，就要做减法，为避免做减法，把减法统一转换为加法，便引入了反码和补码。

20 直接法：把与其绝对值相等的正数按位取反（连同符号位）。
2) 反码表示法 在反码的表示中，正数的反码就等于真值，负数的反码是把其原码除符号位以外的各位按位取反。 设定点整数字长为n ，反码定义为： [X]反= 例： X= ， [X]反= ； X= － ， [X]反= 2n–1+ X = (28－1) + (－ ) = － = ； 直接法：把与其绝对值相等的正数按位取反（连同符号位）。

21 反码的直观解释： 正数：其反码表示与原码相同，最高位为符号位，其余为数字位。 X=+127， [ +127 ]原 = [ +127 ]反 = 0 11…1； 负数：将它的正数连符号位按位取反。即，将它的原码数值部分取反，符号位仍放置“1” 。 X=－127， [－ 127 ]原 = ； [－ 127 ]反 = 注：真值0的反码有两种不同的表示方法： [ + 0 ]反= 0 00…0； [ － 0 ]反= 1 11…1；

22 反码的特点： “0”有＋0和－0之分； 8位二进制反码所能表示的数值范围为＋127～－127； 16位二进制反码的数值范围为＋32767～－32767； 8位带符号的数用反码表示时，若最高位为“0”，则后面的7位即为数值；若最高位为“1”，则后面7位表示的不是此负数的数值，只有把它们按位取反，才是该负数的二进制数值。 如： [X ]反 = ，它是一个负数，其后7位取反得： 。 得到该负数的值： X=－ ＝－107

23 3) 补码表示法 设定点整数字长为n ，补码定义为： 例： 为便于进行加减运算，简化机器硬件结构，目前微机系统都采用补码表示数据。
[X]补= 方法1：把一个正数连同符号位按位取反再加1; 例： X= ， [X]补= ； X= － ， [X]补= 2n+ X = 28+ (－ ) = － = ； 方法2：从最低位向最高位扫描，保留直到第一个“1”的所有位，以后各位按位取反。

24 注：几个特殊值的补码： 正数：其补码的表示与原码相同，其余为数值位。 X=+0; [X]原= [X]反=[X]补= ； X=+127; [X]原= [X]反=[X]补= ； 负数：其补码为其反码在最低位加1。 X=－0; [X]原= ， [X]反= ， [X]补= ； X=－127; [X]原= ， [X]反= ， [X]补= ； X=－128; [X]补=

25 补码的特点： [＋0]补=[－0]补= 因为“0”无＋0和－0之分，所以 8位二进制补码所能表示的数值范围为＋127～－128；同理，16位二进制反码的数值范围为＋32767～－32768； 一个用补码表示的二进制数，当为正数时，最高位(符号位)为“0”，其余位即为此数的二进制值；当为负数时，符号位为“1”，其余几位不是此数的二进制值，必须把它们按位取反，且在最低位加1，才是它的二进制值。 如： [X ]补 = ，求其真值。 它是一个负数，其后7位取反得： 。 真值： X=－ ＋1＝－108

26 补码加减法的规则： [X+Y]补= [X]补+[Y]补；[X－Y]补= [X]补+[－Y]补； 例： 设 [X]补= ， [Y]补= ； 求： [X+Y]补 和 [X－Y]补 解： [X+Y]补= [X]补+[Y]补= ＝ (-10的补码) [X－Y]补= [X]补+[－Y]补= ＝ (18的补码) 验证： 由 [X]补 和 [Y]补，求得 X＝4，Y＝－ 结果正确

27 附： 原码、反码、补码的关系 [X]原= [X]反= [X]补 当X为正数时： 当X为负数时： [X]补= [X]反＋ 1 [[X]补]补= [X]原 [[X]反]反= [X]原

28 4 有符号数与无符号数 计算机中字长是一定的，因此在表示有符号数与无符号数时，数值范围是有区别的。
4 有符号数与无符号数 计算机中字长是一定的，因此在表示有符号数与无符号数时，数值范围是有区别的。 对无符号数，则机器字长的所有位都参与表示数值。 对有符号数，则要留出机器字长的最高位作为符号位，其余表示数值。

29 例如：对于一个8位二进制数据的表示。 当它为无符号数时，表示格式如图1－3，其表示范围为0～255； 当它为有符号数时，表示格式如图1－4所示，其表示范围为－128～＋127 (负数用补码表示)。 在计算机中，地址码的运算和逻辑数的运算都可看做无符号数。

30 5 定点与浮点表示 在计算机中，对小数点的处理有两种方法：定点数和浮点。 1）定点数：
5 定点与浮点表示 在计算机中，对小数点的处理有两种方法：定点数和浮点。 1）定点数： （1）是指小数点固定在符号位之后。如 ；机器中的所有数均为小数。 （2）小数点固定在最低位之后，如 ；机器中所有数均为整数。

31 2）浮点数： 浮点数由阶码和尾数两部份组成。对任意一个带符号的二进制数N的一般形式可表示为： S：二进制小数，称尾数(尾符包括在内)； J：数的阶码，二进制整数表示(阶符包括在内)； 2：阶码的底

32 阶码和尾数的符号同样用“0”表正，“1”表负
例：一个浮点数－ ×2－00010的表示格式 阶码位数表机器表示的数的范围 尾数位数越多，精度越高 阶符 尾符 阶码和尾数的符号同样用“0”表正，“1”表负 阶码的正负实际上指出了数的小数点的实际位置。正移n位；负移n位。 尾数的正负表示整个数N的正负。如，3位数的阶码范围为：2－7～ 2＋7

33 只要移动浮点数的小数点，改变阶码，即可实现对数的规格化
3）规格化数与“溢出” 为提高浮点数的表示精度，数采用规格化表示法 规格化数：如果尾数的第一位有效数字是1，该数即为规格化数。例如： ， ， 当1/2<S<1时为已规格化的数 只要移动浮点数的小数点，改变阶码，即可实现对数的规格化 非规格化数：当尾数的第一位有效数字是0，该数即为非规格化数。例如： ， ，

34 溢出：当超出机器可能表示的范围时，称为“溢出”。
下溢： 对规格化的浮点数，若阶码超出机器所能表示的最小数时，称为下溢，此时机器将把此数作零处理； 上溢： 对规格化的浮点数，若阶码超出机器所能表示的最大的绝对值时，称为上溢，机器将停止运算，进行处理；

35 6 数的编码方法 计算机采用的是二进制数，因此，在计算机中表示的数、字母、符号等都以特定的二进制码来表示。
6 数的编码方法 计算机采用的是二进制数，因此，在计算机中表示的数、字母、符号等都以特定的二进制码来表示。 二进制编码：以若干位二进制位的不同组合来表示一组数、字母和字符的方法。

36 1. BCD码：是以4位二进制数编码的不同组合来表示十进制数0～9。
常用的BCD码是8421BCD码，即每位十进制数码用4位二进制数来表示。4位二进制数从高到低的权值分别为：23 、 22 、 21 、 20 ，即8421。又因为它们与二进制数位权一样，故又称为自然的BCD码。 BCD码与十进制数0～9的对应关系 十进制 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BCD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 剩余的6个二进制编码1010～1111为非法码

37 BCD码在计算机中的两种存储格式：组合型和拆开型
例：56D的两种 BCD码表示 组合型(压縮型)： 拆开型(非压縮型)： BCD码主要用于十进制数的运算、二进制数与十进制数之间的转换。

38 2. ASCII码：是又称美国信息交换标准码 (American Standard Code for Information Interchange) ,是7位二进制编码。它总共可表示128个符号，包括26个英文大写字母， 26个英文小写字母，0～9共十个数字，32个通用控制字符和34个专用字符。 ASCII码字符编码见教材P.4 . 表中，行表示字符的低4位二进制编码，列表示字符的高3位二进制编码。在计算机中用一个字节存放字符编码，故在ASCII的最高位补0。因此ASCII可表示8位二进制或两位16进制数。 例如，字母B可表示为： 或42H

39 3. 汉字编码：1981年公布的国家标准《信息交换用汉字编码》(GB2312-80)规定了汉字的编码，即国际码。
共收录汉字6763个，其中一级汉字3775个，二级汉字3008个，700多个西文字母、数字和图形符号。 国际码中规定，每个汉字由两个字节的编码表示，每个字节用7位二进制码，最高位为0。编码格式如图所示。 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 X 例如，字符“大”的国际码为：

40 为了使汉字编码和常用的ASCII码相区别，汉字编码在机器内的表示与国际码不同，形成汉字内码。通常内码是由国际码的两个字节最高位置“1”构成。
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 1 X 例如，字符“大”的国际码为： 内码为：

41 1.2 二进制数的算术运算 计算机把机器数均当作无符号数进行运算，即符号位也参与运算，运算的结果要根据运算结果的符号，运算有无进(借)位和溢出等来判别。计算机中设置有这些标志位，标志位的值由运算结果自动设定。

42 无符号数实际上是指参加运算的数均为正数，且整个数位全部用于表示数值。N位无符号二进制数的范围为：0~(2n-1)
1. 无符号数的运算 无符号数实际上是指参加运算的数均为正数，且整个数位全部用于表示数值。N位无符号二进制数的范围为：0~(2n-1) 1) 两个无符号数相加，由于两个加数均为正数，因此，其和也是正数。当和超过其位数所允许的范围时，就向更高位进位。如： 127＋160 = 7FH + 0A0H = 11FH = =287 为了区分数字和符号，大写字母开头的十六进制数，前面应添加1个0

43 1) 两个无符号数相减，被减数大于或等于减数，无借位，结果为正；被减数小于减数，有借位，结果为负。如：
192 －10 = 0C0H － 0AH － = 0B6H = =182

44 反过来相减，即： 10 －192 = 0AH － 0C0H － = － B =－0B6H =－ 182 由此可见，对无符号数进行减法运算，其结果的符号用进位来判别：CF=0 (无借位)，结果为正； CF=1 (有借位)，结果为负。

45 若把结果9BH视为无符号数，为155，结果正确。若将结果视为符号数，其符号位为1，结果为－101，这显然是错误的。
1. 符号数的加减运算 n位二进制数，除去一位符号位，还有n-1位表示数值，所能表示的补码的范围为：－ 2n-1 ~(2n-1-1)。如果运算结果超过此范围就会产生溢出。如： 105＋50 ＝69H +32H = 9BH =155 或 =－65H=－101 取反加1(还原)， 若把结果9BH视为无符号数，为155，结果正确。若将结果视为符号数，其符号位为1，结果为－101，这显然是错误的。

46 上述视结果为符号数产生错误的原因为：和数155大于8位符号数所能表示的最大值127，使数值部分占据了符号位的位置，从而导致结果出错（采用补码相加）。
例，两负数相加： －105 －50 ＝ －155 ＋ = － B =-155 取补相加 进位，视作符号位 取补 两负数相加，和应为负数，而结果 B为正数，显然错误。原因为：和数－155小于8位符号数所能表示的最小值－128，产生了溢出。应将最高位0看作数值位，将进位看作符号位。

47 小结：应注意溢出与进位及补码运算中的进位丢失间的区别：
(1) 进位和借位是指无符号数运算结果的最高位向更高位进位或借位，通常多位二进制数将其拆成二部分或三部分或更多部分进行运算时，数的低位部分均为无符号数，只有最高部分数才为符号数。由此可知： 进位主要用于无符号数的运算，这与溢出主要用于符号数的运算是有区别的。

48 (2)溢出与补码运算中的进位丢失也应加以区别。
例，两负数相加： －50 －5 ＝ －55 ＋ = － B =-55 取补相加 无溢出，进位丢失 取补 两负数相加，结果为负数正确。这里虽然出现了补码运算中的进位，但由于和数并没有超出8位二进制数－128～127的范围，因此无溢出，应将进位位丢失，最高位作为符号位。

49 设符号位向进位位的进位为CY，数值部分向符号位的进位为CS ，则溢出：
2. 判别溢出与进位的方法： 设符号位向进位位的进位为CY，数值部分向符号位的进位为CS ，则溢出： O = CY CS O=1，有溢出； O=0，无溢出； ＋ ＋ ＋ CY =1, CS =0，有溢出 CY =1, CS =0，无溢出 CY =0, CS =1，有溢出 O = = O = = O = =0

50 3. 乘除运算 实现乘除运算，一般有两种方法。一种是用程序来实现，另一种是采用硬件直接完成(即由执行乘、除法指令实现)。但二者原理一致。
乘除运算一般采用原码。在乘除运算中，由于同号相乘(除)为正，异号相乘(除)为负，因此，在计算机中采用二进制的按位加便可确定乘积(或商)的符号。 被乘(除)数符号 乘(除)数符号 积(商)的符号 1 =0 =1 =1 =0

51 (1). 乘法运算 例： X=0 1101, Y=0 1011，X*Y数值部分算法为： 1101
×1011 0000 该算式从乘数的高位往低位乘，乘数Yi的每一位只可能为0和1，当Yi＝0，则各位为0；当Yi＝1，乘积为1101。各位乘完后，将所有积对齐相加，即可得乘积。

52 该算式从从低位往高位乘，各位乘完后，将所有积对齐相加，即可得乘积。与十进制乘法过程类似。
也可以从低位往高位算。 例： X=0 1101, Y=0 1011，X*Y： 1101 × 1011 0000 该算式从从低位往高位乘，各位乘完后，将所有积对齐相加，即可得乘积。与十进制乘法过程类似。 但上述算法不便于机器运算。 01101(+13)*01011(+11)=1000,1111(143)

53 例： X=0 1101, Y=0 1011，X*Y部分积左移、右对齐算法：
× 部分积初值 ＋ 部分积 部分积左移 0000 部分积 部分积左移 部分积 部分积左移 机器实际运算中，一次只能两个数相加。因此，必须记忆中间结果，即，一次只能根据乘数的当前位与被乘数相乘，其积与中间结果相加。这里，称中间结果为部分积。以乘数高位起作乘法为例： 例： X=0 1101, Y=0 1011，X*Y部分积左移、右对齐算法： 01101(+13)*01011(+11)=1000,1111(143)

54 上述过程归纳后，可作为机器的运算步骤： (1) 乘数左移一位，从高到低判断乘数Yi是1还是0； (2) 部分积（初值为0）左移一位； (3) 部分积加上新的乘积。 当Yi =1时，部分积被加上被乘数；当Yi =0时，部分积被加上0。 (4) 重复上述规律，即移位、按位加，直到乘数的各位都乘过为止。对应n位的两数相乘，则重复n次运算，最后的部分积即为结果。

55 同理，可得出乘数从最低位开始的乘法运算的步骤：
(1) 乘数右移一位，从低到高判断乘数Yi是1还是0； (2) 部分积（初值为0）加上新的乘积。当Yi =1时，部分积被加上被乘数；当Yi =0时，部分积被加上0。 (3) 部分积右移一位。 (4) 重复上述规律，即移位、按位加，直到乘数的各位都乘过为止。对应n位的两数相乘，则重复n次运算，最后的部分积即为结果。

56 从该算式的运算过程可见，二进制除法与十进制的除法类似。
(1). 除法运算 例： X= , Y=0 101，X÷Y的算法为： 000111 － 101 0111 － 101 － 从该算式的运算过程可见，二进制除法与十进制的除法类似。

57 计算机实现的除法运算步骤为： (1) 余数(开始为被除数)左移一位； (2) 若余数>除数，则商1，且余数－除数＝新余数； 若余数<除数，则商0，且余数＝新余数； (3) 重复上述规律，每次进行移位、比较、上商，对应两个n位的数相除，则重复进行n次运算。

58 1.3 二进制数的逻辑运算 计算机除了可进行基本的算术运算外，还可对两个或一个无符号二进制数进行逻辑运算。计算机中的逻辑运算，主要是指“逻辑非”、“逻辑乘”、“逻辑加”和“逻辑异或”等四种基本运算。

59 1. 逻辑非 也称“求反”。对某二进制数进行逻辑非运算，即按位求反，常用变量上方加一横来表示。 例：A= , B= , 求 、 解： = , = 实现逻辑非运算的电路称为非门，又称反相器。它只有一个输入和一个输出，其国标符和国外符如图所示：

60 2. 逻辑乘 对两个二进制数进行逻辑乘运算，即按位求与，常用记号 或 表示。其运算规则为： 例：A= , B= , 求 解： = 实现逻辑乘运算的电路称为与门，其国标符和国外符如图所示：

61 3. 逻辑加 对两个二进制数进行逻辑加，即按位求 “或”，常用记号 或 表示。其运算规则为： 例：A= , B= , 求 解： = 实现逻辑加运算的电路称为或门，其国标符和国外符如图所示：

62 对两个二进制数进行逻辑异或，即按位求 它们的模2和，常用记号 表示。其运算规则为：
4. 逻辑异或 模2加，不考虑进位 对两个二进制数进行逻辑异或，即按位求 它们的模2和，常用记号 表示。其运算规则为： 例：A= , B= , 求 解： = 实现逻辑异或运算的电路称为异或门，其国标符和国外符如图所示：

63 1.4 微型计算机的发展概述 微型计算机的发展 微型计算机软件的发展 微型计算机的特点

64 1. 微型计算机的发展 微型计算机自20世纪70年代问世以来伴随着微电子学的 发展，按CPU的字长和功能划分，它大致经历了5代演变：
第一代( )：4位和8位低档微机，以INTEL公司的4004微处理器组成的微机为代表。

65 第二代(1974-1978): 8位中档微机，以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的MC 6800,　Zilog公司的Z80微处理器组成的微机为代表。

66 第四代(1985-1992): 32位微机。典型产品如80386、80486、MC68020 CPU组成的微型计算机。
第五代（1993年以来）：以Intel公司推出的64位微处理器芯片Pentium为代表。它采用了全新的体系架构，性能大大高于80x86系列CPU和其他微处理器，由它组成的微型计算机的性能也大大提高。

67 微型计算机软件的发展 50年代：汇编语言 1957年：FORTRAN语言，使用公式解决数学问题；稍晚类似功能的ALGOL语言
COBOL语言：面向商业计算机的算法语言 BASIC、C、C/C++、Pascal等，用于教学、游戏和控制等 软件系统中，以操作系统为例：DOS1.0~6.2、MS Windows的Windows 3.1/ 98/ NT/ 2000/ XP

68 3. 微型计算机的特点 功能强 可靠性高 价格低 适应性强 体积小、重量轻、耗电省 维护方便

69 本章作业 P36 2，5，6，9，10，11