微机原理与接口技术课件.ppt

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1、微机原理及应用微机原理及应用总学时总学时:72实实 验验:18适应专业适应专业:电子电子,自动化自动化主要参考书主要参考书：1.1.微型计算机技术及应用微型计算机技术及应用,戴梅萼编戴梅萼编,清华出版清华出版,1995.1995.2.2.微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用,郑学坚编郑学坚编,清华出版清华出版3.3.微型计算机原理及接口技术微型计算机原理及接口技术,钱晓捷钱晓捷,机械工机械工业出版社业出版社,1999,1999教材教材:微型计算机原理与汇编语言微型计算机原理与汇编语言 潘峰潘峰,电子工业出版社电子工业出版社主要内容主要内容1.概述概述2.8086微处理器微处理器3.80X8

2、6指令系统指令系统4.程序设计程序设计5.汇编与汇编程序汇编与汇编程序6.I/O端口端口7.输入输出接口输入输出接口8.中断控制器中断控制器,DMA控制器控制器9.A/D与与/D/A转换转换10.存储器存储器第一章第一章 概概 述述1.1 1.1 微处理器的发展微处理器的发展1.2 1.2 微计算机系统的组成微计算机系统的组成1.3 1.3 计算机的基本结构计算机的基本结构1.4 1.4 微处理器微处理器,微计算机微计算机1.5 1.5 典型微处理器系统典型微处理器系统1.61.6计算机计算机中的数制和编码中的数制和编码1.1 微处理器的发展微处理器的发展一一.计算机的发展计算机的发展 世界上

3、第一台计算机诞生于美国宾夕法尼亚世界上第一台计算机诞生于美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院大学的莫尔学院.第一代：（第一代：（1946-1957）：电子管）：电子管 第二代：（第二代：（1957-1964）：晶体管）：晶体管 第三代：（第三代：（1965-1971）：中小规模集成电路管）：中小规模集成电路管 第四代：（第四代：（1970-1992）：大规模集成电路）：大规模集成电路二二.微型机的发展微型机的发展第一阶段第一阶段（1971-1973）：PMOS 4004、8008，四位、八位字长低档CPU 指令周期：2毫秒（us）,时钟：2.54MHZ 集成度：2000只晶体管/片第二阶段第二阶段（1

4、973-1978）：8080/8085、Z80，M6800，八位中高档CPU 指令周期：12us,时钟：2.55MHZ 集成度：10000只晶体管/片第三阶段第三阶段（1978-1981）：PMOS 8086，Z8000，M6800，十六位字长CPU.指令周期：0.5us,时钟：510MHZ 集成度：30000只晶体管/片。第四阶段（第四阶段（1981-1993）：）：三十二位微处理器：80386、80486、MC68010、MC68020。指令周期：0.1us，时钟：1620MHZ，集成度:1550万管/片。第五阶段第五阶段1993年以来年以来：32位机位机 Pentium划时代的微处理器投

5、入使用划时代的微处理器投入使用.时钟：60150MHZ，集成度310万只/管以上 内部数据总线是32位，外部数据总线为64位，使一个总线周期的数据传输量提高一倍。1.2 1.2 微计算机系统的组成微计算机系统的组成微计算机微计算机(微处理器微处理器,内存储器内存储器,I/O接口接口)外围设备外围设备电源电源系统软件系统软件(监控程序监控程序,操作系统操作系统O.S,.)程序设计语言程序设计语言应用软件应用软件微微机机系系统统1.3 计算机的基本结构计算机的基本结构内存储器内存储器输入设备输入设备控制器控制器计算机组成结构输出设备输出设备运算器运算器1.4 微处理器微处理器,微计算机微计算机一.

6、微处理器微处理器1.微处理器微处理器(Microprocessor):运算器和控制器集成在一起，称运算器和控制器集成在一起，称微处理器微处理器，简称，简称P或或MP。2.微计算机微计算机(Microcomputer,简称简称C或或MC)包括包括:以以微处理器为核心微处理器为核心;随机存储器随机存储器RAM,只读存储器只读存储器ROM,输入输出接口输入输出接口I/O及辅助电路及辅助电路.通过总线与其它部件相连通过总线与其它部件相连.内存储器内存储器微微处处理理器器IO接口接口外部设备外部设备ABDBCB微处理器微处理器：进行算数：进行算数运算和逻辑运算。运算和逻辑运算。存储器存储器：存储程序、：

7、存储程序、数据、符号等数据、符号等I/O接口接口：使外设：使外设与微机相连。与微机相连。程序计数器程序计数器 PC指令寄存器指令寄存器 IR处理器状态字处理器状态字PSW堆栈指示器堆栈指示器 SP指令译码器指令译码器 IDI/O控制逻辑控制逻辑工作寄存器工作寄存器地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器 ALU 控制器控制器1.微处理器微处理器(CPU)微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分,一般被集一般被集成在一个大规模集成芯片上成在一个大规模集成芯片上,如如80888088、80 x8680 x86等等等等,它是计算机的核它是计算机的核心部

8、件心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能它直接决定了计算机的主要性能.ALU ALU 运算器的核心部件是算逻单元运算器的核心部件是算逻单元ALUALU，所有的算术运算所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由逻辑运算和移位操作都是由ALUALU完成的完成的.控制器控制器 CPU CPU的指挥机关的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。完成指令的读入、寄存、译码和执行。程序计数器程序计数器 PC 用于保存下一条要执行的指令的地址。用于保存下一条要执行的指令的地址。指令寄存器指令寄存器 IR 保

9、存从存储器中读入的当前要执行的指令。保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器指令译码器 ID 对指令寄存器对指令寄存器 IR中保存的指令进行译码分析。中保存的指令进行译码分析。堆栈指示器堆栈指示器 SP 对堆栈进行操作时提供地址。对堆栈进行操作时提供地址。处理器状态字处理器状态字PSW 暂存处理器当前的状态。暂存处理器当前的状态。工作寄存器组工作寄存器组 暂存寻址和计算过程的信息暂存寻址和计算过程的信息.地址寄存器地址寄存器 地址寄存器用于操作数的寻址。地址寄存器用于操作数的寻址。数据寄存器数据寄存器 数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。I/O

10、 I/O控制逻辑控制逻辑 包括包括CPUCPU中输入中输入/输出操作有关的逻辑，其作输出操作有关的逻辑，其作 用是处理输入用是处理输入/输出的操作。输出的操作。2.存储器存储器 用于存放程序代码及有关数据用于存放程序代码及有关数据.地地 址址 译译 码码 器器地址地址 内容内容00 01 02 03 04 FF00单元单元01单元单元02单元单元03单元单元FF单元单元11010011101000100010011010011101 :11100001ABDB控制控制CB3.输入输出接口电路输入输出接口电路 由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、由于外部设备如键盘、显示

11、器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与运行速度等方面与 CPU CPU 不匹配，故在连接时，需通过不匹配，故在连接时，需通过 输入输出接口电路输入输出接口电路使外部设备与之相连。使外部设备与之相连。4.总线总线 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。对微机而言，总线可以对微机而言，总线可以分为以下四类：分为以下四类：片内总线片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接这种总线是微处理器的内总线，

12、在微处理器内用来连接ALU、CU和和 寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂 家自己确定。家自己确定。片间总线片间总线微处理器、存储器芯片、微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的连接总线。片间总接口芯片等之间的连接总线。片间总 线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。内总线内总线 内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线，内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线，内总线有不同的总线标准，如内总线有不同的总线标准，如 S-100总线总线(IEEE-696标标),STD

13、总线总线,IBM-PC总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在 一起。一起。外总线外总线 用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通 信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准棵遵循。信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准棵遵循。如并行总线如并行总线IEEE-488IEEE-488标准，串行总线标准，串行总线RS-232RS-232标准等。标准等。CPU 片内总线片内总线MI/O片间总线片间总线I/O接口板接口板外部设备外部设备内总线内总线外总线外总线二、指令系统二

14、、指令系统 上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。例如：例如：10+2 10+2 这种简单运算这种简单运算,需要以下几个步骤需要以下几个步骤:把第一个数从它所在的存储单元中取出来把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;相加相加;把加完的结果送至存储器中指定的存储单元把加完的结果送至存储器中指定的存储单

15、元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.指令指令-我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式些下来我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式些下来,就就 是指令是指令.通常一条指令对应着一种基本操作通常一条指令对应着一种基本操作,但是计算机怎么能够辨但是计算机怎么能够辨 别和执行这些操作呢别和执行这些操作呢?这是由设计这是由设计时设计人员赋予它的指令系统时设计人员赋予它的指令系统 决定的决定的.一个计算机能执行什么样的操作一个计算机能执行什么样的操作,能做多少种操作能做多少种操作,是是 由设计计算机时所规定的指令系统决定的由设计计算机时

16、所规定的指令系统决定的.指令系统指令系统-一条指令对应着一种基本操作一条指令对应着一种基本操作,计算机所能执行的全部计算机所能执行的全部 指令指令,就是计算机的指令系统就是计算机的指令系统.这是计算机所固有的这是计算机所固有的.程序程序-我们在使用计算机时我们在使用计算机时,必须把我们要解决的问题编成一条条指必须把我们要解决的问题编成一条条指 令令,这些指令的集合就称为程序这些指令的集合就称为程序.(这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指 令令,也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中

17、 具有的指令具有的指令.).)源程序源程序-用户为解决自己的问题所编的程序用户为解决自己的问题所编的程序,称为源程序称为源程序.指令形式指令形式-指令通常分成操作码指令通常分成操作码(Opcode)(Opcode)和操作数和操作数(Operand).(Operand).操作操作 码表示计算机执行什么操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作的数操作数指明参加操作的数 本身或操作数所在的内存中的位址本身或操作数所在的内存中的位址.因为计算机只认得二进制数码因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统所以计算机指令系统 中的所有指令中的所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示都必须以二进制

18、编码的形式来表示.机器语言机器语言-计算机发展的初期计算机发展的初期,就是用指令的机器码直接来编制用就是用指令的机器码直接来编制用 户的源程序户的源程序,这就是机器语言阶段这就是机器语言阶段.汇编语言汇编语言-由于机器码是由一连串的由于机器码是由一连串的 0 0 和和 1 1 组成的组成的,不好记忆不好记忆,容容 易出错易出错,因而后来人们用一些助记符因而后来人们用一些助记符(Mnem0nic)(Mnem0nic)来代替来代替 操作码操作码,如上所示如上所示.这样这样,每条指令有明显的特征每条指令有明显的特征,易于理易于理 解记忆解记忆,这便是汇编语言阶段这便是汇编语言阶段.程序的存放程序的存

19、放-要求机器能自动执行这些程序要求机器能自动执行这些程序,就必须把这些程序存就必须把这些程序存 放到存储器的某个区域放到存储器的某个区域.计算机在执行时把这些指令计算机在执行时把这些指令 一条条取出来加以执行一条条取出来加以执行.三、三、CPUCPU执行过程执行过程操作操作：将两个数将两个数 10 和和 2 相加相加.指令：指令：mov al,2000 add al,2 hlt机器指令：机器指令：A0 00 20 MOV AL,2000H 04 02 ADD AL,2 F4 HALT1.5 典型微处理器系统及工作原理典型微处理器系统及工作原理一一.典型微处理器的结构典型微处理器的结构1.6 计

20、算机中的数制和编码计算机中的数制和编码1 1、常用进位制、常用进位制 10、12、16、60进位制 1)、十进制、十进制 特点：十个数09 逢十进一例例：二、二进制的表示二、二进制的表示 特点：特点：1）、两个数：）、两个数：0，1 2）、逢二进一）、逢二进一 例：例：三、十六进制三、十六进制 特点：特点：1）、十六个数：）、十六个数：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。2）、逢十六进一）、逢十六进一十六进制的表示：十六进制的表示：0 1 2 3 4 5 6 7 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 2.数的表示方法数的表示

21、方法1)、原码原码：最高位为符号位，：最高位为符号位，0表示正数，表示正数，1表示负数。表示负数。例：例：X=+111 0010B Y=-111 0010B X原=0111 0010 B Y原=1111 0010 B 缺点：零有两个：0 0000000 +0 1 0000000 -02)、反码反码：正数的反码与原码相同，负数正数的反码与原码相同，负数的反码，符号位不变，数值位取反。的反码，符号位不变，数值位取反。例：例：X=+000 0100B Y=-000 0100B X原原=X反反=0 000 0100B Y原原=1 000 0100B Y反反=1 111 1011B3)、补码补码：正数的

22、补码与原码相同，正数的补码与原码相同，负数的补码，等于反码加一负数的补码，等于反码加一。例：例：X=-=-1=1 000 0001B X原原=1000 0001B X反反=1111 1110B X补补=X反反+1=1111 1110B+1 =1111 1111B=FFH X=X ;X0 2n -X ;X0补码相加：补码相加：X=11-6=5 X补补=11补补+-6补补 0000 1011 =0000 1011+1111 1010 +1111 1010 =0000 0101 1 0000 0101 补码的扩展：补码的扩展：符号位的值扩展到高八位上。符号位的值扩展到高八位上。数值数值 八位表示八位

23、表示 十六位表示十六位表示 +1 0000 0001B 0000 0000 0000 0001B -1 1111 1111B 1111 1111 1111 1111B 3.3.加法运算的溢出判断加法运算的溢出判断溢出的判别：溢出的判别：双高位判别法双高位判别法符号位有进位，符号位有进位，CS=1；否则；否则CS=1。数值部分最高位有进位，数值部分最高位有进位，CP=1，否则，否则 CS=1利用利用“异或异或”电路判别：电路判别：，有溢出。，有溢出。CS CP CS CP 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1八位补码运算八位补码运算：（：（-128 +127）0101 1010 +90

24、+0110 0011 +99 1011 1101 -67 CS=0，CP=1，CS CP=1，产生溢出，产生溢出，运算出错。运算出错。1001 0010 -110 +0010 0110 +54 1100 1000 -564.十进制数的二进制编码十进制数的二进制编码 BCD码码:0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 95.符号的二进制编码符号的二进制编码 ASCII码码:七位二进制数作符号代码七位二进制数作符号代码.汉字编码汉字编码:十六位二进制数作图形符号编十六位二进制数作图形符号编码码.例例:1

25、)2的BCD码:非压缩:0000 00102)2的ASCII码:32H=0011 00103)-127的8位二进制数补码:-127原=1111 1111B -127补=1000 0001B=81H -1补=FFH (256-1=255)-128补=1 000 0000B=80H (256-128=128)思考题思考题:1.简述微处理器简述微处理器MP:运算器.控制器2.微型计算机微型计算机MC组成组成.以微处理器为核心以微处理器为核心;存储器存储器;输入输出接口输入输出接口I/O及辅助电路及辅助电路.通过总线与其它部件相连通过总线与其它部件相连.3.微型计算机系统微型计算机系统MCS的组成的组成:硬件硬件:微型计算机微型计算机MC,外围设备外围设备软件软件:系统软件系统软件;应用程序应用程序