微机原理与接口技术(清华大学课件,全套)

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


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
CPU
I/O
接口
外 设
21
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


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
41
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。
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。
系统软件
软件
应用软件
25
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
26
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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）
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
12
2. 系统组成
主机 硬件系统
CPU 存储器 输入/输出接口 总线
66
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

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
67
[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）
57
补码
定义：

若X>0， 则[X]补= [X]反= [X]原

若X<0， 则[X]补= [X]反+1
58
[例]

X= – 52= – 0110100
[X]原=10110100 [X]反=11001011 [X]补= [X]反+1=11001100
59
0的补码：

[+0]补= [+0]原=00000000
42
[例]：
最高位向前有进位，产生溢出
43
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。
44
“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
H
28
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
29
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

‚非‛运算

按位求反

‚异或‛运算

相同则为0，相异则为1
46
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

47
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
外设
微机系统
系统软件
软件系统 应用软件
13
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
14
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。
15
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
16
内存单元的地址和内容

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；



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
33
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。
理解校验位的作用 熟悉0---F的ASCII码
36
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。
负数
所以：真值不等于-1010010B 而是：X=[[X]补]补=[11010010]补= - 0101110 = - 46
64
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

[-0]补= [-0]反+1=11111111+1
=1 00000000
对8位字长，进位被舍掉
60
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
61
符号数的表示范围
对8位二进制数：


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

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。
31
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：

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。
23
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
最高位为符号位（用‚0‛表示正，用‚1‛表 示负），其余为真值部分。

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。
53
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
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
38
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）


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。
68
结束语：

第1章难点：
补码的概念及其运算
69
第2章
微处理器与总线
70
主要内容：

微处理器的功能和结构

8088/8086微处理器

特点


主要引线功能和内部结构
内部寄存器 实地址模式下的存储器寻址 总线时序
71

总线
一、微处理器及8088/8086CPU
72
1. 微处理器
运算器 微处理器 控制器 内部寄存器
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

73
2. 程序和指令

程序：

具有一定功能的指令的有序集合

指令：

由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。
74
3. 指令执行的一般过程

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
17
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
18
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
65
[例]

X=-0110100，Y=+1110100，求X+Y=？


[X]原=10110100
[X]补= [X]反+1=11001100 [Y]补= [Y]原=01110100 [X+Y]补= [X]补+ [Y]补 =11001100+01110100
=01000000

X+Y=+1000000
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：
原码： -127 ~ +127
反码： -127 ~ +127 补码： -128 ~ +127
62
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
63
[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
34
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
35
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：