Principle & Application of Microcomputer

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1 Principle & Application of Microcomputer
课程名称：微型计算机原理与应用 Principle & Application of Microcomputer   教材：微型计算机原理及应用 郑学坚 周斌编著 清华大学出版社 授课教师：曲英杰 青岛科技大学信息科学技术学院

2 绪论 1、电子计算机发展简史 （1） 第一代:电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），1946年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长12位，运算速度5000次/秒，使用18800个电子管、1500个继电器，功耗150kw，占地170m2，重达30吨，造价100万美元。见下页图。 （2） 第二代:晶体管计算机。磁芯作主存储器, 磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。 （3） 第三代：集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。 （4） 第四代：大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。 （5） 第五代：人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。

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4 绪论 2、计算机发展趋势 微型化─ 便携式、低功耗 高性能─ 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速 度
智能化─ 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力 系列化、标准化─ 便于各种计算机硬、软件兼容和升 级 网络化─ 网络计算机和信息高速公路 多机系统─ 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、 故障分散、资源共享)

5 输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)
绪论 3、微型计算机系统的组成与结构 微型计算机系统 硬件 微型计算机 （主机） 微处理器 (CPU) 软件 外围设备 运算器 控制器 存储器 (内存) RAM ROM 外部设备 辅助设备 输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪…) 输出设备(显示器、打印机、绘图仪、…) 辅助存储器(磁带、磁盘、光盘) 输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…) (I/O接口) 总线 (AB、DB、CB) 系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序…) 应用软件(科学计算，工业控制，数据处理…) 程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言) 电源电路 时钟电路

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7 微处理器、微型计算机、微型计算机系统之间的联系与区别：
运算器 控制器 寄存器组 内存储器 总线 输入输出 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 提问：五大功能部件都是什么？ 是主板、cpu、内存、硬盘、显卡、显示器、键盘、鼠标吗？

8 单片机简介： 单片机即单片微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在 一小块硅片上的微型机。
单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高优势(集成度高、可靠 性高、性价比高)。 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家 用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。 单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件 开发。 运算器、控制器、存储器通常是使用电子线路实现出来的，安装在一个金属机柜内或者印制电路板上，被称为计算机的主机。运算部件和控制部件，合称为中央处理器（CPU，center processing unit），又称其为计算机的处理机（processor）。输入设备和输出设备通常是使用精密机械装置和电子线路共同制作出来的，也可以合称为输入输出设备，又称其为计算机的外围设备。

9 绪论 4、计算机主要技术指标 字长：CPU并行处理二进制的数据位数 如：8位机、16位机、32位机和64位机。
内存容量：内存中能够存储的二进制信息的数量，位/字节/字。 容量单位：1K=210=1024，1M=220=1KK, 1G=230=1KM ，1T=240=1KG。 运算速度：CPU处理速度 相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数 如：100MHz、3.2GHz。 内存存取周期：内存读写速度 如：50nS 、70nS 、200nS 。

10 绪论 5、计算机主要应用领域 计算机应用通常分成如下各个领域 由于微型计算机具有如下特点 所以，微型计算机可以分为两个主要应用方向：
科学计算，数据处理，实时控制，计算机辅助设计，人工智能，…… 由于微型计算机具有如下特点 体积小、价格低，工作可靠、使用方便、通用性强…… 所以，微型计算机可以分为两个主要应用方向： 用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：PC微机 功能越强越好、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器仪表方向 专用微机，例如：单片机、工控机 可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小

11 绪论 6、本门课程的研究内容及其地位与作用 研究内容：微机系统的基本组成与结构、工作原理及应用方法与技术。
本门课程在计算机知识结构中的地位与作用：

12 绪论 7、学习方法建议 8、学习资源 复习并掌握先修课的有关内容 课堂：听讲与理解、适当笔记。 课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。
实验：充分准备、勤于动手实践。 总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩 8、学习资源 钱晓捷之微服网 微机原理远程教学 钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术， 北京：机械工业出版社，1999.1 Barry B.Brey著 陈谊等译， Intel系列微处理器结构、编程和接口技术大全 ——80X86、Pentium和Pentium Pro， 北京：机械工业出版社，1998.1

13 第1章 计算机基础知识 1.1 数制 1.1.1数制的基本概念 数制是人们利用符号来记数的科学方法，计算机科学中经常使用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。 （1）十进制(decimal system):有十个数码0～9、逢十进一。 十进制是人们最熟悉的计数体制。 （2）二进制(binary system):两个数码:0、1, 逢二进一。 二进制为计算机中的数据表示形式。 （3）八进制(octave system)有八个数码0～7、逢八进一。 （4）十六进制(hexadecimal system)十六个数码:0～9, A～F, 逢十六进一。 八进制和十六进制能够简化二进制数的表示。 不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。 如:101、101D、101B、101O、101H

14 第1章 计算机基础知识 十进制数据表达式 例 1234.5=1×103 +2×102 +3×101 +4×100 +5×10-1
加权展开式以10为基数，各位系数为0～9。 一般表达式： ND= dn-1×10n-1+dn-2×10n-2 +…+d0×100 +d-1×10-1+… 二进制数据表达式 例 =1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 NB = bn-1×2n-1 + bn-2×2n-2 +…+b0×20 +b-1×2-1+…

15 第1章 计算机基础知识 十六进制数据表达式 例：DFC.8=13×162 +15×161 +12×160 +8×16-1
展开式以16为基数，各位系数为0～9，A～F。 一般表达式： NH= hn-1×16n-1+ hn-2×16n-2+…+ h0×160+ h-1×16-1+… 进位计数制的一般表达式： an-1an-2…a1a0●a-1…a-m= an-1×rn-1+an-2×rn-2+…+a1×r1＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-m 其中r称为数制的基，rn-1、rn-2、…、r1、r0、r-1、…、r-m称为 各位的权，an-1、an-2、…、a1、a0、a-1、…、a-m称为各位的 系数。

16 第1章 计算机基础知识 1.1.2数制之间的转换 （1）二、十六进制数转换成十进制数 各位的系数乘以各位的权，然后全部加起来。 举例：
B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625 DFC.8H =13×162+15×161+12×160+8×16-1 = （2）二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。 3AF.2H = = B 3 A F 2 B = = 7D.CH 7 D C 说到这里，我们可以把计算机想象为一个加工处理数据的“工厂”，则数据运算部件就是数据加工车间，数据存储部件就是存放原材料、半成品和最终产品的库房，输入设备相当于运入原材料的运货卡车，输出设备相当于发出最终产品的运货卡车，控制部件则相当于承担领导指挥功能的厂长和各个职能办公室。在“领导”的正确指挥下，如果能够源源不断地取得原材料，工厂内又有存放的场所，车间能够对这些原材料进行指定的加工处理，加工后的产品可以畅通地运出去销售，则这个工厂（计算机）就纳入正常运行的轨道。

17 第1章 计算机基础知识 例题1：39转换成二进制数 例题2：208转换成十六进制数 39 =100111B 208 = D0H
1.1.2数制之间的转换 （3）十进制数转换成二、十六进制数 整数、小数分别转换 1.整数转换法 “除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次 取一个余数，从低位排向高位。 例题1：39转换成二进制数 39 =100111B （ b0） （ b1） （ b2） （ b3） （ b4） （ b5） 例题2：208转换成十六进制数 208 = D0H 余 0 余 13 = DH

18 第1章 计算机基础知识 2.小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 例1：0.625转换成二进制数 0.625 × 2 (b-1) 0.25 × 2 (b-2) 0.50 (b-3) 所以0.625 = 0.101B

19 第1章 计算机基础知识 0.625 = 0.AH 例2：0.625转换成十六进制数 0.625 × 16 = 10.0
例3： 转换成十六进制数 = D0.AH

20 第1章 计算机基础知识 1.2 逻辑电路 非门 与门 与非门 异或门 或门 或非门 同或门
逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路，计算机对于信息数据的处理都是由逻辑电路实现的，因此逻辑电路是计算机的硬件基础。 常用的基本逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门、缓冲器等，这些基本门电路是构成逻辑电路的基本成分，利用它们可以搭建多种多样的复杂的逻辑电路。基本逻辑门电路符号及表达式如下 非门 与门 与非门 异或门 或门 或非门 A X B X=A•B X= A•B X=A+B X=A B X=A X=A⊙B 同或门

21 另外一套常用的基本门电路的图形符号： & 非门 与门 与非门 或门 异或非门 即同或门 异或门 或非门 1 ≥1 =1 X=A X=A•B

22 第1章 计算机基础知识 1.3 布尔代数 布尔代数又称为开关代数或逻辑代数，是在1847年由英国数学家乔治.布尔(George Boole)首先创立的，布尔代数研究逻辑变量之间的相互关系和变化规律，它是分析和设计数字逻辑电路的理论基础和基本工具。 布尔代数的特点： (1)变量只有两种可能的取值：0或1。 (2)只有3种基本的逻辑运算：“与”、“或”、“非”。 1.3.1 基本逻辑运算 最基本的逻辑操作：“与”（逻辑乘，符号A·B或AB或A×B）、“或”（逻辑加，符号A+B）、“非”（逻辑非或逻辑反，符号A，或A’）。 与操作的定义：A=1且B=1 AB=1 或操作的定义：A=1或B=1 A+B=1 非操作的定义：若A=1则A=0，若A=0则A=1 类似地可以定义多个变量的与操作和或操作。 多位二进制数的逻辑运算定义为各对应位分别进行相应的逻辑运算。 见P6-7例1.5-例1.7 其它常用的逻辑操作：与非、或非、与或非、异或、同或等。

23 第1章 计算机基础知识 1.3.2 基本运算规律 0-1律： A•0=0 A+1=1 自等律：A•1=A A+0=A
交换律：A•B=B•A A+B=B+A 结合律：(A•B)•C=A•(B•C) (A+B)+C=A+(B+C) 分配律：A•(B+C)=A•B+A•C A+B•C=(A+B)•(A+C) 吸收律：A•(A+B)=A A+A•B=A A+A•B=A+B A•(A+B)=A•B 反演律(De. Morgan定理)：A•B=A+B A+B=A•B 双重否定律(还原律)：A=A

24 第1章 计算机基础知识 1.3.3 逻辑函数的表示方法 A B X 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 A B X 0 0 1
逻辑函数可以选用布尔代数式表示，真值表表示，或卡诺图表示 。例： 真值表 布尔代数式 A B X X=A•B A B X X= A•B

25 第1章 计算机基础知识 1.3.4 真值表与逻辑表达式之间的相互转换 用与逻辑写出真值表中每一横行中输出为 1 的逻辑表达式；
用或逻辑汇总真值表中全部输出为 1 的逻辑。 不必理睬那些输出为 0的各行的内容，它们已经隐含在通过 1、2 两步写出的表达式中。 A B X X = A •B A X B 与门 A B X X = A • B X A B 与非门 X= A * B + A * B + A * B

26 第1章 计算机基础知识 1.3.5逻辑函数的化简 将一个逻辑函数变成一个形式更简单，与之等效的逻辑函数，称为化简。由于每个逻辑表达式是和一个电路相对应的，因此表达式的化简就能减少实现它的电路所用的元器件。常用的两种化简方法为：代数化简法和卡诺图化简法。 代数化简法：利用布尔代数的基本公式和规则，进行化简的方法。 例如：A•B+A•B+A•B = A•(B+B) +A•B=A+A•B = A + B

27 第1章 练习题(1) 1、将16进制的0-F用4位2进制表达出来，并熟记。 2、(111)X=273，基数X=？
3、有一个二进制小数X=0.X1X2X3X4X5X6 (1)若使X≥1/2，则X1……X6应满足什么条件? (2)若使X＞1/8，则X1……X6应满足什么条件? 4、十进制数转换为二进制数：56,36.875,59,0.6875,58.75 二进制数转换为十进制数、八进制数、十六进制数: , , , 八进制数253.74转换成二进制数 十六进制数1CB.D8转换成二进制数 5、一个用十六进制表示的两位整数，如果改用十进制数表示，顺序正好颠倒，该数是多少？

28 第1章 练习题(1) 6、选择题 (1)与十进制数56等值的二进制数是 。
(1)与十进制数56等值的二进制数是 。 A） B） C） D）110110 (2)十进制数36.875转换成二进制数是 。 A） B) C) D) (3)十进制数59转换成八进制数是 。 A）73Q B）37Q C）59Q D）112Q (4)将十进制小数0.6875转换成八进制小数是 。 A）0.045Q B)0.054Q C)0.54Q D)0.45Q (5)与十进制数58.75等值的十六进制数是 。 A）A3.CH B)3A.CH C)3A.23H D)C.3AH (6)二进制数10101转换成十进制数是 。 A） B） C） D）22