微机原理与系统设计

微机原理与系统设计西安电子科技大学内容概要本课程是为电子信息工程等专业学生微机原理与系统设计应用课程设置的。为适应课程内容更新的需要，本书以8086／8088微处理器和IBMPC系列机为例讨论16位微型机。全课程共七章，讨论了计算机中数据和信息的表示方法，微处理器组成原理和如何以微处理器为核心组成微机系统的方法，汇编语言程序设计技术和输入输出接口技术等问题。在讲述微处理器原理和如何以微处理器为核心组成微机系统部分时，以8086微处理器为背景；在讨论汇编语言程序设计和输入输出接口技术时，则以1BMPC／XT系统机为背景。在内容的次序安排上，各章节都由浅入深，突出重点，前后照应。目录序言第1章微型计算机系统概述第2章计算机中的数制与码制第3章微机系统中的微处理器第4章汇编语言程序设计的基本方法第5章系统总线结构和时序第6章存储器系统设计第7章输入输出接口技术序言一、必备知识学习本书的读者，应学习过高级语言程序设计和数字电路系统。高级语言程序设计—学习高级语言程序设计时，同学们已经建立了程序设计的算法思想和设计方法，为学习汇编语言（低级语言）程序设计打下了基础。前四章的重点是汇编语言程序设计以及程序设计中涉及到的相关理论基础知识。数字电路—本课程的内容涉及到软件和硬件的设计。后三章重点讲解硬件设计的相关理论知识。在硬件设计中，用到的基础知识是数字电路，如锁存器、缓冲器等。二、学习微型计算机原理课的必要性计算机的应用按工作特点可分为三类：1.科学计算在科学研究,特别是理论研究中，常会遇到一些用手工运算极其复杂或者无法完成的问题，这时我们可以借助于计算机来完成。但这些运算关心的是运算的精度和结果，对运算的速度（完成的时间）并不十分关心。所以这些运算可借助高级语言完成。用户用高级语言完成这些运算时，只要学会了高级语言的编程方法和计算机的一些简单操作，就可以熟练的掌握。对计算机的工作原理并不关心。科学计算数据处理过程控制二、学习微型计算机原理课的必要性2.数据处理在很多应用中，对运算处理速度有很高的要求，及实时性要强。如雷达的数据处理，送入计算机的数据是某一时刻雷达检测设备录取的飞行目标在某一点上的数据，计算机要根据这些独立的点迹数据，计算出飞行目标的飞行轨迹，即航迹，并将其显示出来，供操作员作各种处理。这就对运算的速度有比较高的要求，及实时性要强。由检测的迟延，计算速度的迟延等误差的累计要符合作战要求。否则，带来的后果不堪设想。二、学习微型计算机原理课的必要性但由高级语言编写的程序做这样的处理时，由于其速度低，占内存大，肯定不能满足要求。所以，就要用汇编语言（机器语言），用汇编语言编写程序，就要对计算机的工作原理搞清。二、学习微型计算机原理课的必要性3.过程控制过程控制和实时数据处理在许多方面有相同的特点。若是控制过程，肯定要求实时。如导弹的发射和制导过程的控制，总是不断地测当前的飞行状态，经过计算和处理，然后再控制飞行的状态。所以，必须对计算机的工作原理有更深入的了解，对计算机的逻辑组成、工作方法，与外界的接口技术以及用机器语言和汇编语言的程序设计方法等需要进一步的学习。这就是开设这门课的必要性。三、课程主要内容本课程的主要内容分两大部分，即汇编语言程序设计和硬件接口电路设计。要掌握汇编语言程序设计，就必须熟练掌握以下内容：1.汇编语言程序设计微处理器的一般结构和寄存器组织存储器的分段与物理地址的形成8086/8088CPU的寻址方式8086/8088CPU的指令系统数制的表示方法及算术逻辑运算规则2.硬件接口电路设计硬件接口电路设计包括存储器电路设计和输入输出（I/O）接口电路设计。要掌握其设计方法，就必须熟练掌握以下内容：三、课程主要内容输入输出的基本方法及常用接口芯片的使用方法存储器的分类及常用存储器芯片的引脚功能存储器与I/O地址的译码方法中断的有关概念及中断的应用8086/8088CPU的引脚功能系统总线结构和时序第1章微型计算机系统概述要求熟悉微型计算机系统的硬件组成和基本工作方法，以及微型计算机的软件和操作系统。了解计算机的硬件组成结构、Intel微处理器的主要成员、系统总线的概念。理解微型计算机的基本操作过程以及指令、程序等基本概念。理解操作系统的重要作用，掌握DOS基本命令的使用。§1.1微型计算机系统组成微型计算机系统有两大部分组成，二者相辅相承，缺一不可。软件部分硬件部分§1.1微型计算机系统组成（2）早期的计算机组成早期的计算机组成从硬件角度可划分为五大部分：1.系统的硬件组成（1）硬件—组成计算机系统的物理实体，是看的见摸的着的部分。同学们上机时展现在眼前的主机箱、键盘、显示器以及机箱中的电子元件等都属硬件。§1.1微型计算机系统组成运算器：（算术/逻辑运算单元ALU）计算机的一切运算均由ALU完成。控制器：指挥机关，用来控制程序的执行及各部件之间的协调工作。存储器：存放数据/程序的记忆装置。输入设备：用来输入数据/程序。输出设备：用来显示/打印数据/程序运行的结果供操作者观察。其硬件组成框图如下：算术逻辑运算单元ALU输出设备I/O存储器控制器输入设备I/O数据信息控制信息集成在一块电路芯片中，形成中央处理单元CPU，即微处理器。图（1-1）§1.1微型计算机系统组成（3）微型计算机系统组成随着集成电路技术的飞速发展，将早期计算机系统中的ALU和控制器两大部分集成在一片IC中，出现了CPU。而微型计算机系统组成就是以微处理器CPU为核心，采用总线结构，在系统总线上配置一定容量的存储器和一定数目的I/0接口电路以及相对应的I/O设备而成的。如下图（1-2）所示。§1.1微型计算机系统组成系统总线形成与控制逻辑定时器微处理器(CPU)微处理器级总线存储器RAM/ROMDBABCB系统（级）总线I/O设备1I/O接口电路（1）DBABCBI/O接口电路（2）I/O设备2DBABCB图（1-2）§1.1微型计算机系统组成§1.1微型计算机系统组成a.微型计算机系统组成的特点：总线结构；b.总线、微处理器级总线、系统级总线的概念，微处理器级总线的特点；c.CPU与存储器之间的信息可直接传输；CPU与I/O设备之间的信息不能直接传输，在CPU（或者系统总线）与I/O设备之间必须设计一接口电路，把二者连接起来；d.存储器\I/O接口地址、字节、字以及字长的概念；学习微型计算机系统硬件组成必须掌握以下概念：§1.1微型计算机系统组成e.INTELCPU的主要成员：8088/808680286803868048680586P5即PentiumP6即PentiumPROP55C即PentiumMMXPentiumⅡPentiumⅢPentiumⅣ向上兼容§1.1微型计算机系统组成2.系统的软件组成（1）微型计算机系统的软件由两大类组成：应用软件（用户软件）系统软件（如DOS、WINDOWS）（2）如何理解软件是微机系统的组成部分。（3）学习汇编语言程序设计必须掌握以下概念：§1.2微型计算机的基本工作方法1.指令—一组二进制代码。这组二进制代码能告诉CPU做什么，如何去做。2.指令系统—CUP能认识的所有指令的集合。CPU型号不同，其指令系统就不同。3.程序—由指令系统提供的指令，按照用户所要完成的功能书写的一段指令体。4.运行方法—假定程序已在存储器中。CPU首先从存储器取指令，然后对指令代码译码、分析并加以执行，最后由控制器发出所需控制信号。取指令执行指令产生控制信号§1.3DOS/WINDOWS的常用命令和基本操作自学课后练习题1.简述微型计算机系统的组成。2.简述计算机软件的分类。3.简述存储器\I/O接口地址、字节、字以及字长的概念。第2章计算机中的数制与码制要求掌握计算机中的数制与码制的基础知识，主要包括各种进制数的表示方法及相互转换、二进制数的运算、有符号二进制数的表示方法及运算时的溢出问题、实数的二进制表示法、BCD编码和ASCII字符代码等内容。重点掌握各种进制数的表示及相互转换、有符号数的补码表示及补码运算。§2.1二进制数的基础知识一、任意进制数的表示任意一个数N可以表示成P进制数：∑−−==1)(NMiiiPPKN式中i表示数的某一位，表示第i位的数字，P为基数，为第i位的权，M、N为正整数。=0,1…P-1。iKiPiK§2.1二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意十进制数N，有：∑−−==11010NMiiiKNiK=0（，1，…9）=10)32.357(21012102103107105103−−×+×+×+×+×=357.32如:§2.1二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意二进制数，有：2N∑−−==122NMiiiKNiK=0（或1）如:2)011.1101(321012321212021202121−−−×+×+×+×+×+×+×=10)375.13(=§2.1二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意十六进制数有：∑−−==11616)(NMiiiKNiK（=0，1，…9，A，B，C，D，E，F）如:16)4.3(C1011641612163−×+×+×=10)25.60(=以上方法称为位置计数法或位置加权法§2.1二进制数的基础知识二、各种进制间的相互转换1.十进制任意进制数（设为P进制）的转换规则（1）整数部分：N除以P取余数1618……余数为：D=0K161……余数为：2=1K163012K0……余数为：1=例1.十进制数301十六进制数转换过程如下：∴301=12DH§2.1二进制数的基础知识例2.十进制数301二进制数转换过程如下：23012150……余数为：1=0K275……余数为：0=1K237……余数为：1=2K218……余数为：1=3K29……余数为：0=4K22……余数为：0=6K24……余数为：1=5K21……余数为：0=7K8K0……余数为：1=低位高位∴301=100101101B§2.1二进制数的基础知识（2）纯小数部分：N乘以P取整数例1.十进制小数0.6875二进制小数转换过程如下：∴0.6875=0.1011B例2.十进制小数十六进制小数转换过程如下：∴0.6875=0.BH低位高位4−K0.5∉2=1.0=13−K0.75∉2=1.5=12−K0.375∉2=0.75=01−K0.6875∉2=1.375=11−K0.6875∉16=11.0=B§2.1二进制数的基础知识2.任意进制数十进制数的转换规则按权展开，即位置加权法1001001011010.101001111B125A.A78H如：3.二进制十六进制数的转换规则§2.1二进制数的基础知识三、二进制数的算术运算二进制计数制不仅物理实现容易，且运算方法也比十进制计数制大为简单，所以计算机中均采用二进制数。二进制数的算术运算包括加、减、乘、除。例：10110101B+00001111B、、、、、、11000100B、、10110101B-00001111B10100110B§2.1二进制数的基础知识四、二进制数的逻辑运算二进制数的逻辑运算包括与、或、异或、非四种运算。10110101B00001111B10111111B∨10110101B例：00001111B00000101B∧10110101B00001111B10111010B∀X=10110101B=01001010BX§2.2有符号二进制数的表示方法及溢出问题一、有符号二进制数的表示方法前面我们接触的二进制数均为无符号数，即所有二进制数位均为数值位，很多情况下都是这样对待的。但在有些情况下，有些数值是带符号的，即可能是正数，也可能是负数。这样就存在一个有符号二进制数的表示方法问题。1.数的符号表示方法为了表示一个有符号数，除了数值位以外，还应制定符号位，通常以这个数的最高位表示符号位。§2.2有符号二进制数的表示方法及溢出问题我们假定讨论的数为整数，对8位有符号二进制整数，用下表示：01234567DDDDDDDD数值部分符号位7D0：表示正数1：表示负数这种表示方法称为机器数表示法。有符号二进制数的真值为