微型计算机原理及应用-第四版清-华大学出版社-郑学坚编

微型计算机原理及应用微机原理及接口技术课程介绍典型机型：IBMPC系列机基本系统：8086CPU和半导体存储器I/O接口电路及与外设的连接硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法专业技术基础课课程特点微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术目的：建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力。先修课程1.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。2.数字电路—本课程的内容涉及到软件和硬件的设计。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。先修课程学习方法很重要作为一门工程技术课程，能够用“工程”的态度和思维来学习，做到：1.软件和硬件相结合。2.课本知识和实验相结合。学习方法第1章第1章微型计算机系统概述教学目的•补充必要的基本知识，如数制、编码等知识，为后面的学习作准备。主要内容•了解微型计算机的发展、应用及其分类•数制•逻辑电路•布尔代数•二进制运算及加法电路•计算机中的信息表示1.1微型计算机的发展、应用及其分类1.1.1微机计算机的发展1971年，美国Intel公司研究并制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。第一代4位和低档8位机Intel4004第二代中高档8位机8080/8085、Z80、MC6800第三代16位机Intel8086、Z8000、MC6800第四代32位机80386、80486第五代64位机（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-2000）（2001后）特点：1、芯片的发展遵循摩尔定律2、速度越来越快。3、容量越来越大。4、功能越来越强。图片示例1.1.2微型计算机的应用1、科学计算和科学研究计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。2、数据处理（信息处理）主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。3、工业控制用单板微型计算机实现DDC级控制等。4、计算机辅助系统计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。5、人工智能人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。1.2数制数制是人们利用符号来记数的科学方法。1.2.1数制的基与权–基：数制所使用的数码的个数–权：数制每一位所具有的值通常使用进制：十进制、二进制、八进制和十六进制•十进制十进制(decimalsystem)的基为“10”，即它所使用的数码为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，共有10个。十进制各位的权是以10为底的幂。十万万千百十个•二进制二进制(binarysystem)的基为“2”，即其使用的数码为0，1，共两个。二进制各位的权是以2为底的幂•八进制与十六进制八进制(octavesystem)的基为“8”，即其数码共有8个：0，1，2，3，4，5，6，7。八进制的权为以8为底的幂，有时也顺次称其各位为0权位、1权位、2权位等。十六进制(hexadecimalsystem)的基为“16”，即其数码共有16个：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。十六进制的权为以16为底的幂，有时也称其各位的权为0权、1权、2权等。例：二进制数1011.1表示如下：(1011.1)B=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-111011125242322212032168421二进制十进制1.2.2各种数制的表示方法为了区分不同数制的表示，通常在数据的后面用括号加上该数据的数制。如：1111(2)，48(10)，30(8)，FFAB9（16）1111(2)=F(16)(即15(10))110000(2)=30(16)(即48(10))也有用字母符号来表示这些数制的，B－二进制，H－十六进制，D－十进制，O－八进制1.2.3数制间的转换1、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。例:11101.101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875（2）、十进制数转换为二进制数方法1：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。B、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小数部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。例：将（136）D转换为二进制数。2136----------0余数（结果）低位268----------0234----------0217----------128----------024----------022----------01高位转换结果：（136）D=（10001000）B例：将（0.625)D转换为二进制数。转换结果：(0.625)D=(0.101)B方法2：（十进制数转换为二进制数）•降幂法首先写出要转换的十进制数，其次写出所有小于此数的各位二进制数值，然后用要转换的十进制数减去与它最相近的的二进制权值，够减则此位记为1，否则记为0，如此反复。•如：N=123.8125D•小于123的二进制权2625242322212064321684211235927113311111011•小于0.8125小数部分的二进制权2－12－22－32－40.50.250.1250.06250.81250.31250.06250.06251101•所以：123.8125D＝1111011.1101B注意事项：(1)一个二进制数可以准确地转换为十进制数，而一个带小数的十进制数不一定能够准确地用二进制数来表示。(2)带小数的十进制数在转换为二进制数时，以小数点为界，整数和小数要分别转换。2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。1000110.01001000110.010(106.2)O二进制数到十六进制数的转换：（1000110.01）B=1000110.0101000110.0100(46.4)H（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。例：将(352.6)o转换为二进制数。352.6011101010110=(11101010.11)B1.3逻辑电路逻辑电路由其3种基本门电路(或称判定元素)组成。基于这3个基本门电路，可发展成许多复杂的逻辑电路。如：异或门ABYY=AB+=AB+AB&000=1000ABY=1000&000•异或非门ABYY=AB+=AB+AB&000=1000ABY=000&000基本门电路可以扩展成以下的扩展逻辑电路最后一个叫作缓冲器(buffer)，为两个非门串联以达到改变输出电阻的目的。可以提高带负载的能力。1.4布尔代数布尔代数也称为开关代数或逻辑代数，可以写成下面的表达式：Y=f(A,B,C,D)特点：(1)其中的变量A，B，C，D等均只有两种可能的数值：0或1。布尔代数变量的数值并无大小之意，只代表逻辑关系。(2)函数f只有3种基本运算方式：“或”运算，“与”运算及“反”运算。下面分别讲述这3种运算的规律。1.4.1真值表及布尔代数式的关系•当人们遇到一个因果问题时，常常把各种因素全部考虑进去，然后再研究结果。•真值表就是将输入的全部可能取值加以考虑，列表，研究结果取值，形成的一种表格形式。•例如，考虑两个一位的二进制数A和B相加，其和S及向高一位进位C的结果如何?•真值表，逻辑函数式和逻辑图–同一逻辑函数可以用三种不同的方法描述，三种方法可以相互转换–真值表转换为逻辑表达式•真值表中每一组使函数值为1的输入变量都对应一个乘积项，在这些乘积项中，若对应变量取值为1，则写成原变量；若对应变量取值为0，则写成反变量。将这些乘积相加就得到了逻辑函数式。–现在可以由真值表写出上面的逻辑表达式•S0=A0B0+A0B0=A0B0•C1=A0B0从真值表写出布尔代数式的方法可用下面两段话表示：1）写布尔代数式先看真值表中结果为1的项，有几项就有几个或项2）每一项个因数之间是“与”的关系，写该项时每个因素都写上，输入为0的因素取“反”。ABCY00000011010101101001101011011110练习：写出右面真值表所具有的逻辑函数式Y=A·B·C+A·B·C+A·B·C+A·B·C1.5.1二进制数的相加•例1，1.5二进制数的运算及其加法电路–算术的基本运算共有4种：加、减、乘和除。在微型计算机中常常只有加法电路，这是为了使硬件结构简单而成本较低。不过，只要有了加法电路，也能完成算术的4种基本运算。–现在的嵌入式微处理器中，可以包含十分复杂的算术处理部件。通过以上例子，可以总结如下：(1)两个二进制数相加时，可以逐位相加。如二进制数可以写成：A=A3A2A1A0B=B3B2B1B0则从最右边第1位(即0权位)开始，逐位相加，其结果可以写成：S=S3S2S1S0其中各位是分别求出的：S0=A0+B0→进位C1S1=A1+B1+C1→进位C2S2=A2+B2+C2→进位C3S3=A3+B3+C3→进位C4最后所得的和是：C4S3S2S1S0=A+B(2)右边第1位相加的电路称为半加器(halfadder)。输入量为两个，即A0及B0；输出量为两个，即S0及C1。(3)从右边第2位开始，各位可以对应相加，并有进位参与运算，称为全加器(fulladder)。输入量为3个，即Ai,Bi,Ci；输出量为两个，即Si,Ci+1。其中i=1,2,3，…，n。1.5.2半加器电路具有两个输入端，两个电位输入（A0B0），有两个输出端，用以输出总和S0和进位C1，也就是前面所写的：S0=A0+B0--〉C1即：A0+B0=C1S01.5.3全加器电路全加器电路的要求是：有3个输入端，以输入Ai，Bi和Ci，有两个输出端，即Si及Ci+1。其真值表如下图所示：•1.5.4半加器与全加器的符号•1.5.5二进制数的加法电路学到这里就可以利用学过的半加器和全加器电路来组织加法电路了例：设A=1010=10(10)B=1011=11(10)，求加法电路•A与B相加，写成竖式算法如下：A：1010B：1011(+S：10101即其相加结果为S=10101。•从加法电路，可看到同样的结果：S=C4S3S2S1S0=101011.5.6二进制数的减法电路•微型计算机中，没有专用的减法器，而是将减法运算转换为加法运算，其原理为：将减数