清华大学出版社微机原理与接口技术(第3版)第1章

因为取出的是指令的操作码，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器 IR，然后再送到指令译码器ID 10
冯 • 诺依曼机的特点和不足

特点：

程序存储，共享数据，顺序执行 属于顺序处理机，适合于确定的算法和数值数据的 处理。 与存储器间有大量数据交互，对总线要求很高； 执行顺序有程序决定，对大型复杂任务较困难； 以运算器为核心，处理效率较低； 由PC控制执行顺序，难以进行真正的并行处理。

ห้องสมุดไป่ตู้
机器数

计算机中的数据
构成：

符号位 + 真值
“0” “1”
表示正 表示负
50
[例]
+52 = +0110100 = 0 0110100
符号位 真值
-52 = -0110100 = 1 0110100
符号位
真值
51
1. 符号数的表示

机器数的表示方法：

原码
反码
补码
52
原码

最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表 示负），其余为真值部分。
2. 符号二进制数与十进制的转换
对用补码表示的二进制数：
1）求出真值
2）进行转换
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[例]：补码数转换为十进制数

[X]补=0 0101110B
正数
所以：真值=0101110B X=+46

[X]补=1 1010010B
负数
所以：真值不等于-1010010B 而是：X=[[X]补]补=[11010010]补= - 0101110 = - 46

写：

CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。
19
内存储器的分类
随机存取存储器（RAM）
按工作方 式可分为
只读存储器（ROM）
20
输入/输出接口

接口是CPU与外部设备间的桥梁
I/O
CPU 接口
外 设
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接口的分类
串行接口 并行接口 数字接口 输入接口
输出接口
模拟接口
22
接口的功能

数据缓冲寄存； 信号电平或类型的转换；

实现主机与外设间的运行匹配。
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总线


基本概念
分类
工作原理
常用系统总线标准及其主要技术指标 （具体内容见后续课程）
24
软件系统

软件：

为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能 而编写的各种程序的总和及其相关资料。 操作系统 编译系统 网络系统 工具软件
系统软件
软件
应用软件
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二、计算机中的数制和编码

数制和编码的表示 各种计数制之间的相互转换
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1. 常用计数法
十进制（D） 二进制（B） 十六进制（H）
27
例：

234.98D或（234.98）D
1101.11B或（1101.11）B ABCD . BFH或（ABCD . BF）

机器数的表示及运算 基本逻辑门及译码器
4
一、微型计算机系统

微型机的工作原理 微机系统的基本组成
5
1. 计算机的工作原理
冯
•
诺依曼计算机的工作原理
存储程序工作原理
6
存储程序原理

将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组 成的程序，并放入存储器保存
指令按其在存储器中存放的顺序执行；


11

不足：

典型的非冯 • 诺依曼机结构

数据流驱动的计算机结构

当指令具有所需数据、且输出端没有数据时就可执 行。
主处理机
控制通道
数据通道
磁盘存储器
高速数据总线 数据流处理机 存储器
Dataflow Image Processing System
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2. 系统组成
主机 硬件系统
CPU 存储器 输入/输出接口 总线

优点：

真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；

缺点：

计算机中用原码进行加减运算比较困难 0的表示不唯一。
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数0的原码

8位数0的原码：+0=0 0000000
-0=1 0000000 即：数0的原码不唯一。
54
反码
对一个机器数X：

若X>0 ，则 [X]反=[X]原

若X<0， 则 [X]反= 对应原码的符号位不变， 数值部分按位求反
55
[例]

X= -52 = -0110100
[X]原=1 0110100
[X]反=1 1001011
56
0的反码：
[+0]反=00000000
[-0]反 =11111111 即：数0的反码也不是唯一的。
57
补码
定义：

若X>0， 则[X]补= [X]反= [X]原

若X<0， 则[X]补= [X]反+1
H
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2. 各种进制数间的转换
非十进制数到十进制数的转换
十进制到非十进制数的转换
二进制与十六进制数之间的转换
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非十进制数到十进制数的转换


按相应的权值表达式展开
例：

1011.11B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+ 1×2-2
=8+2+1+0.5+0.25 =11.75
37
三、无符号二进制数的运算
算术运算
无符号数 二进 制数的运算 有符号数
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逻辑运算
主要内容

无符号二进 制数的算术运算
无符号数的表达范围 运算中的溢出问题 无符号数的逻辑运算 基本逻辑门和译码器
39
1. 无符号数的算术运算

加法运算

1+1=0（有进位）

减法运算

0-1=1（有借位）
[X]补= [X]反+1=11001100 [Y]补= [Y]原=01110100 [X+Y]补= [X]补+ [Y]补 =11001100+01110100
=01000000

X+Y=+1000000
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符号数运算中的溢出问题

两个带符号二进制数相加或相减时，若运算结
果超出可表达范围，则产生溢出

第1章难点：
补码的概念及其运算
69
58
[例]

X= – 52= – 0110100
[X]原=10110100 [X]反=11001011 [X]补= [X]反+1=11001100
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0的补码：

[+0]补= [+0]原=00000000

[-0]补= [-0]反+1=11111111+1
=1 00000000
对8位字长，进位被舍掉
由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序 的执行。
7
冯 • 诺依曼计算机体系结构
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器
8
冯 • 诺依曼机的工作过程
内存中的程序 CPU 取出 指令1 指令2 分析 获取操作数 执行 存放结果
程序计 数器PC
地址
┇
指令n
┇
操作数
9
冯 • 诺依曼机的工作过程

取一条指令的工作过程：

5B.8H=5×161+11×160+8×16-1 =80+11+0.5 =91.5
30
十进制到非十进制数的转换

到二进制的转换： 对整数：除2取余；
对小数：乘2取整。

到十六进制的转换：
对整数：除16取余；
对小数：乘16取整。
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二进制与十六进制间的转换

用4位二进制数表示1位十六进制数 例：

溢出的判断方法：

最高位进位状态次高位进位状态＝1，则结果溢出
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[例]：

若：X=01111000， Y=01101001
则：X+Y=
01111000
01101001 11100001

次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生 溢出。 （事实上，两正数相加得出负数，结果出错）
68
结束语：

25.5 = 11001.1B = 19.8H 11001010.0110101B =CA.6AH
32

3. 计算机中的编码

BCD码

用二进制编码表示的十进制数

ASCII码

西文字符编码
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BCD码

压缩BCD码

用4位二进制码表示一位十进制数 每4位之间有一个空格

扩展BCD码

用8位二进制码表示一位十进制数，每4位之间有一 个空格。

内存按单元组织 每单元都对应一个地址，以方便对单元的寻址
单元内容
38F04H
内存地址
10110110
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内存容量

内存容量：

所含存储单元的个数，以字节为单位

内存容量的大小依CPU的寻址能力而定

实地址模式下为CPU地址信号线的位数
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内存操作

读：

将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；
《微机原理与接口技术实验指导书》（讲义） 陈文革，吴宁，夏秦编. 西安交通大学 《微机原理与接口技术题解及实验指导》（第3版）. 吴宁，陈文革编. 清华大学出版社
3

第1章 微型计算机基础概论

主要内容：


微机系统的组成
计算机中的编码、数制及其转换 无符号二进制数的运算

算术运算和逻辑运算 运算中的溢出
外设
微机系统
系统软件
软件系统 应用软件
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微处理器

微处理器简称CPU，是计算机的核心。
主要包括： 运算器 控制器
寄存器组
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存储器

定义：

用于存放计算机工作过程中需要操作的数据 和程序。
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有关内存储器的几个概念

内存单元的地址和内容 内存容量


内存的操作
内存的分类
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内存单元的地址和内容

“非”运算

按位求反

“异或”运算

相同则为0，相异则为1
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4.

译码器
各引脚功能
输入端与输出端关系（真值表）
掌握74LS138译码器

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74LS138译码器

主要引脚及功能 G1 G2A G2B C B Y0
• • • •
A
Y7
48
三、机器数（有符号数）的运算
49
计算机中符号数的表示


乘法运算
除法运算
40
乘除运算例

00001011×0100
=00101100B

00001011÷0100=00000010B 即：商=00000010B
余数=11B
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2. 无符号数的表示范围：
0 ≤ X ≤ 2n-1
若运算结果超出这个范围，则产生溢出。
对无符号数：运算时，当最高位向更高位 有进位（或借位）时则产生 溢出。

将指令所在地址赋给程序计数器PC； PC内容送到地址寄存器AR，PC自动加1； 把AR的内容通过地址总线送至内存储器，经地址译码器译码， 选中相应单元。

CPU的控制器发出读命令。
在读命令控制下，把所选中单元的内容（即指令操作码）读到数 据总线DB。 把读出的内容经数据总线送到数据寄存器DR。 指令译码
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[例]：
最高位向前有进位，产生溢出
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3. 逻辑运算

与、或、非、异或 掌握：


与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；
与非门、或非门的应用。
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“与”、“或”运算

“与”运算：

任何数和“0”相“与”，结果为0。

“或”运算：

任何数和“1”相“或”，结果为1。
&
&
≥1
≥1
45
“非”、“异或”运算
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BCD码与二进制数之间的转换

先转换为十进 制数，再转换二进 制数；反之同 样。 例：


（0001 0001 .0010 0101）BCD =11 .25 =（1011 .01）
B
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ASCII码

西文 字符的编码，一般用7位二进 制码表示。
D7位为校验位，默认情况下为0。
要求：

微机原理与接口技术
大家好！
1
课程目标

掌握：

微型计算机的基本工作原理


汇编语言程序设计方法
微型计算机接口技术 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
2
教材及实验指导书

教材：

《微机原理与接口技术》（第3版）. 冯博琴，吴宁 主编. 清华大学出版社

实验指导书

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3. 符号数的算术运算

通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。 即：[X+Y]补=[X]补+[Y]补
[X-Y]补=[X+(-Y)]补
=[X]补+[-Y]补 注：运算时符号位须对齐
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[例]

X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？


[X]原=10110100
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特殊数10000000


对无符号数:（10000000）B=128
在原码中定义为： -0
在反码中定义为： -127
在补码中定义为： -128
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符号数的表示范围
对8位二进制数：

原码： -127 ~ +127
反码： -127 ~ +127 补码： -128 ~ +127
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理解校验位的作用 熟悉0---F的ASCII码
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ASCII码的奇偶校验

奇校验

加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。 例：A的ASCII码是41H（1000001B）

以奇校验传送则为 C1H（11000001B）

偶校验

加上校验位后 编码中“1”的个数为偶数。

上例若以偶校验传送，则为 41H。