微型计算机技术及应用3概要

微型计算机原理及应用技术清华大学出版社微型计算机概述8086微处理器8086的寻址方式和指令系统微型计算机和外设的数据传输串并行通信和接口技术中断控制器、DMA控制器和计数器/定时器模/数和数/模转换键盘和LED显示第1章微型计算机概述1.1微型计算机的特点和发展1.1.1微型计算机的特点1.1.2微型计算机的发展1.2微型机的分类1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统1.3.1微处理器1.3.2微型计算机1.3.3微型计算机系统1.4微型计算机的应用1.5计算机的主要技术指标1.6计算机中数的表示方法1.6.1进位计数制1.6.2计算机中的编码系统1.6.3带符号数的表示1.6.4数的定点和浮点表示微型计算机的特点和发展1.11.1.1微型计算机的特点应用面广可靠性高结构灵活价格低廉体积小重量轻特点1.1.2微型计算机的发展时段数据处理代表产品制造工艺集成度(管/片)时钟频率执行时间第一代1971—4位低档8位Intel4004Intel4040、8008PMOS20001MHz20us第二代1974—高档8位Intel8080、8085Z80MC6800、6802NMOS84002~4MHz1~2us第三代1978—16位Intel8086、8088Z8000MC68000HMOS20000~600004~8MHz0.5us1980—高档16位Intel80286MC6801010000010MHz0.2us第四代1980—32位Intel80386、80486Z80000MC68020150000~50000016~100MHz0.1us第五代1993—Pentium系列5000000以上150MHz以上1.2微型机的分类从工艺上双极型ＭＯＳ型从结构上从用途上专用计算机通用计算机从字长上4位、8位、16位机32位、64位机位片机单片机、单板机微机系统等1.3微处理器、微型计算机和微型计算机系统算术逻辑部件累加器、寄存器控制器内部总线内部存储器输入/输出接口系统总线外围设备系统软件微处理器微型计算机微型计算机系统图1-1微处理器、微型计算机和微型计算机系统1.3.1微处理器微处理器也称CPU，是由大规模集成电路组成的,本身具有运算能力和控制能力，能执行一定的指令系统的器件，是微型计算机的核心。一般具有下列功能：可以进行算术和逻辑运算可以保存少量数据能和存储器、外设交换数据能对指令进行译码并执行指令规定的动作提供整个系统所需要的控制信号和定时时钟完成程序流向控制运算器和控制器●在微型机中存储单元通常以8bit即1字节为单位。为了能唯一确定并找到任一个存储单元，计算机对每一存储单元都指定一个唯一的编号，称之为存储单元的地址，地址通常从0开始顺序编排。即图1-2所示。2031-18...186012...n地址内容图1-2存储单元的地址与内容运算器主要包括能完成加、减、乘、除算术运算及逻辑运算的电路以及多个寄存器。在控制信号的指挥下，运算器完成诸如算术运算、逻辑运算、暂存操作数或运算结果以及数据传送等工作。算术逻辑部件（ALU）专门用来处理各种数据信息，可进行加、减、乘、除算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算。累加器功能：作为ALU的一个操作数输入端。用于存放ALU的运算结果。输入/输出指令一般也通过累加器来完成。通用寄存器功能：用来暂时存放参加运算的操作数、中间结果或地址。暂存寄存器（TMP）功能：用来暂存从数据总线或通用寄存器送来的操作数，并将该数据送入ALU进行运算，同时，它也能将数据送到内部数据总线。标志寄存器（F）功能：用来保存ALU操作结果的特殊状态。运算器和控制器指令指针寄存器(IP)指令寄存器（IR）指令译码器（ID）控制信号发生器控制器运算器和控制器指令部件指令指针寄存器IP(PC)功能：存放指令地址。程序执行过程中，首先由PC指出当前要执行指令的地址，当该指令取出后，PC的内容会自动加1（除转移指令外），指向按顺序排列的下一条指令的地址。指令寄存器IR功能：存放当前要执行的指令的内容。包括操作码和地址码两部分。操作码送往指令译码器，地址码送至操作数地址形成电路。指令译码器ID功能：分析指令功能，产生相应操作的控制电位。堆栈指示器（堆栈指针）SP运算器和控制器时序部件:用来产生计算机各部件所需的定时信号。时钟系统脉冲源功能：产生具有一定频率和脉宽的脉冲信号（主脉冲）。一般采用石英晶体振荡器，因为它频率稳定。时钟启停逻辑功能：控制启停主脉冲信号开关，按指令要求，开启或关闭时钟脉冲序列。脉冲分配器功能：产生计算机各部分所需要的能按一定顺序逐个出现的节拍电位或节拍脉冲的定时信号，以控制和协调计算机各部分有节奏的动作。运算器和控制器微操作控制部件计算机在执行一条指令时，总是把一条指令分成若干基本操作，称为微操作。根据指令产生计算机各部件所需要的控制信号。这些控制信号是由指令译码器的输出电位、脉冲发生器产生的节拍电位、节拍脉冲以及外部的状态信号等进行组合而产生的。微操作控制部件按一定的时间顺序发出一系列微操作控制信号，以完成指令所规定的全部操作。运算器和控制器1.3.2微型计算机ACC通用寄存器组专用寄存器组IP读/谢控制电路地址译码器存储单元暂存器1暂存器2指令寄存器IR指令译码器ID控制信号发生器算术逻辑单元ALU地址总线AB内部控制信号外部控制信号数据总线DB控制总线CB图1-3微型计算机的硬件电路结构示意图由CPU、存储器、I/O接口电路和系统总线等构成的一个完整的计算机。总线是微型机中连接各功能部件并传送信息的一组信号线，分为三类，即地址总线AB（AddressBus）、数据总线DB（DataBus）和控制总线CB（ControlBus）。总线结构是微型机的独特结构，如图1-5所示。CPU存储器存储器I/O接口I/O接口外部设备ABDBCB图1-4微型机的外部结构特点有了总线结构，系统中各功能部件之间的相互关系就变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，从而使系统很容易得到扩展。1.3.3微型计算机系统以微型计算机为主体，配上系统软件和外设，就构成了微型计算机系统。微型计算机的组成系统软件各种语言的汇编或解释、编译程序机器的监控管理程序、操作系统、调试程序、故障诊断程序程序库系统软件●计算机系统硬件、软件与用户之间的关系中，软件可看做是用户与计算机硬件系统的接口。软件之间又是逐层依赖的。●总之，硬件建立了计算机的物质基础，而各种软件则扩大了计算机的功能。硬件和软件只有结合起来，才能完成各种功能，才是一个完整的计算机系统。图1-1给出了微处理器、微型计算机和微型计算机系统的结构关系。用户用各种语言编制的解决各种问题的软件统称为应用软件财务管理软件银行管理软件等文字处理软件应用软件航空航天科学研究家用电器1.4计算机的应用常用的名词术语位位是计算机所能表示的最基本最小的数据单位。它只有两种状态“0”和“1”，即二进制位。字计算机中作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，是计算机中信息的基本单位。字长计算机中每个字所包含的二进制位数称为字长。字长通常等于数据总线的位数和通用寄存器的位数。字节8位二进制数称为一个字节。指令指挥计算机进行基本操作的命令。指令系统计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统。程序完成某一任务的指令（或语句）的有序集合称为程序。1.1.5计算机的主要技术指标主要技术指标主要性能指标字长内存储器容量运算速度外部设备配备2.计算机中数的表示方法1.6一个R进制数具有以下主要特点具有R个不同数字符号：0、1、·······、R-1逢R进一S=an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m=an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+…+a1×R1+a0×R0+…+a-mR-m上述R进制数S可用多项式（称为按权展开式）表示为：1.6.1进位计数制十进制数具有十个不同的数字符号，即0-9逢十进一特点一个十进数可以用它的按权展开式表示。例如：（758.75）10=7×102+5×101+8×100+7×10-1+5×10-21.二进制数一个二进制数可以用它的按权展开式表示。例如：(10110.101)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(22.625)10具有两个不同的数字符号，即0和1逢二进一特点2.(1AF.4)16=1×162+10×161+15×160+4×16-1=(430.25)10一个十六进制数可以用它的按权展开式表示。例如：具有十六个不同的数字符号，即0-9和A-F逢十六进一特点3.十六进制数十进制二进制16进制十进制二进制16进制000000910019100011101010A200102111011B300113121100C401004131101D501015141110E601106151111F701117161000010810008171000111表1-1三种数制对照表【例1-1】十进制数22.625转换为二进制数222112…余0（低位）52…余122…余112…余00…余1（高位）0.625×21.25…取整数1（高位）×20.5…取整数0×21.0…取整数1（低位）（0.625）10=（0.101）2所以:（22）10=(10110)2结果:（22.625）10=(10110.101)2整数部分：小数部分：4.各种数制之间的转换十进制数430.25转换为十六进制数430162616…余14→E（低位）116…余10→A…余1(高位)整数部分：0小数部分：0.25×164.0…取整数4结果：（430.25）10=（1AE.4）16【例1-2】注意①整数部分转换，每次只求整数商，将余数作为转换结果的一位，重复对整数商除基数，一直除到商为0为止。②小数部分转换，每次把乘积的整数取走作为转换结果的一位，对剩下的小数继续进行乘法运算。对某些数可以乘到积的小数为0（如上述两例），这种转换结果是精确的；对某些数（如0.3）永远不能乘到积的小数为0，这时要根据精度要求，取适当的结果位数即可，这种转换结果是不精确的。：十六进制数1AE40001101011100100即（1AE.4）16=（110101110.01）2若要将二进制数转换为十六进制数，只要以小数点为分界，分别向左和向右每四位二进制位分为一组（若最高位或最低为不够四位则补0），对应转换为十六进制数即可。例如：二进制数110101110.01000110101110.0100十六进制数1AE.4即（110101110.01）2=（1AE.4）16例如二进制数的运算【例1-3】10100+1101=100001【例1-4】100001-10100=110110100100001+1101-110101000011101【例1-5】1101×1011=10001111【例1-6】11100÷101=101┅┅111101101┅┅商×1011111001101101110110000000101+110111┅┅余数100011115.计算集中的编码系统1.6.2BCD码是十进制数，有10个不同的数字符号，且是逢十进位的；但它的每一位是用4位二进制编码来表示的，因此称为二进制编码的十进制数。BCD码比较直观，例如十进制数65用BCD码书写为01100101，BCD码01001001.0111表示的十进制数为49.7。1.二进制编码的十进制数虽然BCD码是用二进制编码方式表示的，但它与二进制之间不能直接转换，要用十进制作为中间桥梁，即先将BCD码转换为十进制数，然后再转换为二进制数；反之亦然。表1-2BCD编码表十进制8421BCD码十进制8421BCD码0000060110100017011120010810003001191001401001000010000501011100010001字母与字符的编码2.另外，在计算机中，汉字编码采用国标码（GB18030-2000）,它采用单