微机原理与接口技术-郭兰英-第1章

微机原理与接口技术第1章微型计算机系统概述教学重点●计算机中数的表示方法●微型计算机的系统组成●微型计算机的工作过程H-表示16进制Q-表示8进制B-表示2进制D(或不加标识)-10进制1.1计算机中数的表示方法数的表示●计算机的数制●常用编码数制之间的转换（整数、小数）书写BCD码ASCII码汉字编码1.1计算机中数的表示方法BCD码BCD(binary-codeddecimal)一种用4位二进制数字来表示一位十进制数字的编码。组合BCD码（或压缩BCD码）未组合BCD码（或未压缩BCD码）用4个二进制位表示1个十进制位42560100001001010110用8个二进制位表示1个十进制位,高4位为0425600000100000000100000010100000110十进制数和8421BCD码的对应关系十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001BCD码的运算4＋3＝?0100+）001101114＋8＝?0100+）10001100十进制调整十进制调整规则•若两个BCD数相加，结果大于1001，则在本位做加0110调整；•若两个BCD数相加，结果在本位上并不大于1001，但低四位向高位产生了进位，也要做加0110调整；•两个BCD数相减，若低4位向高位有借位，在低4位要做减0110调整。调整举例4＋8＝?0100+）10001100+）01100001001054＋48＝?01010100+）0100100010011100+）011010100010+）0110000100000010ASCII码ASCII(Americannationalstandardcodeforinformationinterchange)7位二进制数表示,第8位常用作奇偶校验位。汉字编码国标码国家标准《信息交换用汉字编码》(GB2312-80)用两个7位表示一个汉字、符号或图形输入码拼音、五笔、区位内码不同的输入方法，但内码是统一的；台湾的内码不同（BIG5）带符号数的表示无符号数不带正负符号的数。计算机如何表示数的正负号？习惯上约定最高位是符号位，0表示正数，1表示负数。其余位称为数值位。机器数与真值机器数•正负符号进行数字化的数,计算机能直接识别。•如01001011、10001001。真值•用+、-表示的数，数的真实意义。•如＋87，－24。原码、反码、补码正数•[x]原＝[x]反＝[x]补•最高位为符号位,用0表示,其余各数值位不变。负数•最高位为符号位，用1表示。•原码：其余各数值位不变。•反码：其余各数值位按位取反。•补码：其余各数值位按位取反再加1。对于同一个机器数，如果编码方式不同，则对应的真值可能不同。关于原码、反码、补码的说明带符号数的表示,都是针对特定字长的。如8位二进制原码，16位二进制补码。带符号数的表示都是有确定范围的,超出范围叫溢出。大多数计算机采用补码来表示带符号数,如8086/8088。1.2微型计算机的系统组成重要里程碑1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004。1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC。人类第一台计算机ENIACIntel4004和计算器发展历程第1代，4位和低档8位微机4004→4040→8008第2代，中高档8位微机Z80、I8085、M6800、Apple-II微机第3代，16位微机8086→8088→80286,IBMPC系列机第4代，32位微机80386→80486→Pentium→PentiumII/III/432位PC机第5代，64位微机64位RISC微处理器芯片苹果电脑Apple-IApple-IIIBMPC系列机8088CPUIBMPC机IBMPC/AT机IBMPC/XT机Intel系列处理器80386Pentium基本概念位(bit)计算机所能表示的最小的数据单元。每个位有两种状态,即0和1。字(word)计算机内部进行数据处理的基本单位。字长(wordlength)每个字所包含的二进制位数。通常与计算机内部寄存器、运算器、总线的宽度一致。字节(byte)相邻8位二进制位，即1byte=8bit。基本概念单板机(SingleBoardComputer)将CPU、ROM、RAM、I/O等电路全部安装到一块电路板上。单片机(SingleChipComputer)将CPU、ROM、RAM、I/O电路全部集成到一块芯片上。微机(Microcomputer)微型计算机的简称。嵌入式系统(EmbeddedSystem)以应用为中心，软硬件可剪裁的专用计算机系统。计算机系统层次结构应用软件硬件层硬件驱动层操作系统图1.1计算机系统的层次微机系统的启动和操作系统的装载•相关的两个概念–系统BIOS：BIOS是直接与硬件打交道的底层代码，它为操作系统提供了控制硬件设备的基本功能。BIOS一般被存放在ROM之中，占用的地址空间为F0000H～FFFFFH。–复位地址：FFFF0H。1.1.4•启动过程–第一步：当我们按下电源开关时，CPU得到的启动地址为FFFF0H，CPU就会从FFFF0H处开始取指令、执行指令。系统BIOS放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动程序处。–第二步：系统BIOS的启动程序首先要做的事情就是进行加电后自检（Power－OnSelfTest，POST）。–第三步：系统BIOS的启动程序进行的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱装载操作系统。微型计算机系统的三个层次微处理器存储器I/O接口总线输入/输出设备硬件系统软件系统微型计算机系统微型计算机(主机)外设ALU(运算器)寄存器组控制器键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪系统软件应用软件计算机系统组成运算器控制器寄存器组内存储器总线输入输出设备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微型计算机组成框图微处理器存储器总线输入输出设备接口微处理器组成运算器控制器寄存器组•用来进行算术逻辑运算和位移、循环等操作。•又称算术逻辑单元ALU,核心是累加器。•参加运算的操作数来自累加器和内部数据总线。•控制器是整个计算机的控制、指挥中心。•主要功能是控制指令执行的过程与顺序。•主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和控制逻辑PLA等部件组成。•通常由多个寄存器组成,主要用来暂存CPU执行程序时的常用数据或地址。控制器程序计数器PC控制器指令寄存器IR指令译码器ID控制逻辑部件PLA时序电路地址寄存器AR数据寄存器DR微处理器ALUoI2I1ARDRPC256字节RAMRAPLAIDIRALF标志寄存器程序指针累加器地址寄存器地址总线AB内存寄存器组运算器控制逻辑指令译码器指令寄存器数据寄存器数据总线DB系统总线总线（bus）•总线是指传递信息的一组公用导线。•总线是传送信息的公共通道。•微机系统采用总线连接系统功能部件。•总线信号可分成三组：–地址总线AB：传送地址信息–数据总线DB：传送数据信息–控制总线CB：传送控制信息•总线还有电源、地线等其他辅助信号系统总线总线信号•地址总线AB(addressbus)–用于传送CPU输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址–地址线的多少决定系统直接寻址存储器的范围•数据总线DB(databus)–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–数据线的多少决定一次能够传送数据的位数•控制总线CB(controlbus)–协调系统中各部件的操作,用于传送自CPU发出的控制信息或送到CPU的状态信息。–控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等注意：通常将数据总线位数小于字长的计算机（如8088）称为准字长计算机•注意：数据总线的位数通常和CPU中运算器的位数（即字长）相一致，但有时也不一致。数据总线：16位8086地址总线：20位16位字长数据总线：8位8088地址总线：20位总线的特点•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。•优点–可以减少机器中的信息传送线的根数，从而简化了系统结构，提高了机器的可靠性。–可以方便地对存储器芯片及I/O接口芯片进行扩充。存储器•遵循冯.诺依曼体系结构–存储程序，即将程序和数据事先写入存储器中–程序控制，即由计算机按照程序的要求自动进行工作•存储器作用：用来存放程序和数据的•分类–内存（主存，简称为存储器）、外存（辅存）–RAM、ROM•CPU对存储器的访问约占CPU时间的70%左右，所以存储器对微机的工作效率影响很大。输入输出接口及外部设备CPUI/O接口I/O外部设备•输入设备–键盘、鼠标、扫描仪、摄像机、触摸屏等•输出设备–显示器、打印机、绘图仪、音响设备等软件系统的组成•操作系统–MS-DOS、Windows、Linux/Unix•计算机语言及其编译处理系统–机器语言、汇编语言、高级语言–汇编程序、解释程序、编译程序•应用软件和工具软件–科学计算、财会软件、绘图、办公、网络等指令的工作过程•基本思想–存储程序、程序控制•指令–是指定计算机完成某一特定操作的命令，由二进制编码组成。→机器码–为方便记忆，常用英文缩写为指令的助记符号。→汇编指令•过程–读取指令→取指–执行指令→执指模拟机存储结构•存储单元–内容（指令、数据）–地址：从0开始的无符号整数02H单元存放有一个数据34H，表示为[02H]＝34H两个完全不同的概念准备•举例：7＋10＝？•准备工作–编写汇编源程序。–翻译（汇编）成机器语言指令。–将数据和程序通过输入设备送至存储器中。–程序一共3条指令,5个字节。假设它们存放在从00H单元开始的连续5个存储单元中。第1条指令的取指过程第1条指令的执行过程第2条指令的取指过程第2条指令的执行过程8086/8088微处理器内部结构•8086CPU由两个独立的处理部件组成：–执行部件EU（ExecutionUnit）–总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）8086/8088微处理器内部结构•负责指令的译码、执行和数据的运算•EU负责全部指令的执行；•向BIU输出数据(操作结果)；•对寄存器和标志寄存器进行管理；•16位运算（数据运算和操作数偏移地址的运算），数据传送和处理；EU的作用8086/8088微处理器内部结构•BIU负责执行所有的“外部总线”周期，提供系统总线控制信号。•根据EU计算出来的16位地址和16位段地址计算20位物理地址，•负责访问内存或输入/输出接口,取出数据送指令队列,供EU执行/将EU的结果送到指定位置。BIU的作用8086/8088微处理器内部结构•EU和BIU两个单元在大多数情况下独立操作，还可以并行执行，实现指令预取（指令读取和执行的流水线操作）指令队列122333445取指令取指取指取指取指…EU等待执行1执行2执行3…时间BIU1.2.2寄存器介绍•通用寄存器•控制寄存器•段寄存器寄存器介绍1.2.2.1通用寄存器•8088有8个通用的16位寄存器（1）数据寄存器:AXBXCXDX（2）变址寄存器:SIDI（3）指针寄存器:BPSP•4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器AX：AHALBX：BHBLCX：CHCLDX：DHDL（1）数据寄存器•AX称为累加器（Accumulator）–使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等•BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）–常用做存放存储器地址•CX称为计数器（Counter）–作为循环和串操作等指令中的隐含计数器•DX称为数据寄存器（Dataregister）–常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址数据寄存器（2）指针寄存器•指针寄存器用于