微處理器與接口技術課程教學目的掌握微型計算機的內部結構和工作原理具備用匯編語言進行程序設計的能力能對基本的微機硬件接口電路進行分析與設計第1章微型計算機系統概述主要內容：微機發展概述計算機中數的表示與編碼微型計算機系統微機發展概述計算機的發展1946年世界上第一臺電子計算機ENIAC在美國設計并研制成功計算機發展歷經幾代：電子管晶體管集成電路超大規模集成電路以微處理器為核心的微型計算機微機發展概述微型計算機核心部件：微處理器系統結構和基本工作原理：馮.諾依曼結構特點：體積小、質量輕、功耗低、結構簡單、可靠性高、使用方便、性能價格比高等應用：科學計算、信息處理、工業控制、輔助設計和輔助制造、人工智能等微機發展概述微處理器的發展微處理器（μP、MPU）在單個芯片上實現的CPU（運算器+控制器）1971年美國Intel公司4004微處理器的誕生發展經歷的幾個階段：4位或低檔8位微處理器：Intel4004、Intel8008中高檔8位微處理器：Intel8080/8085、MC6800、Z8016位微處理器：Intel8086/8088、Z8000、MC68000高性能16位和32位微處理器：Intel80286、Intel80386/486、Z80000、MC68020/30/40高性能32位和64位微處理器：Intel的PentiumX、Itanium、Core、Z380、MC68060微機發展概述RICS（精簡指令集）與CISC（復雜指令集）CISC處理器的特點指令集龐大，指令的長度不相同指令解碼步驟繁瑣集成在片內的晶體管數量大且利用率低RISC處理器的特點有限的簡單指令集，且指令長度固定使用單周期指令，便于流水線操作執行大量使用寄存器，數據處理指令指對寄存器進行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執行效率RISC結構的性能依賴于編譯器的有效性現代處理器融合RISC和CISC的優勢微機發展概述在MPU發展同時，其他相關技術也得到了發展存儲技術總線結構軟件系統微機發展概述微機發展的兩大重要分支面向各種應用的通用微機標準化硬件，配以各種操作系統、軟件完成各式各樣的任務，滿足各種應用個人計算機（IBMPC/AppleMacintosh）面向專門應用的嵌入式系統（EmbeddedSystem）沒有嚴格的軟、硬件標準以完成特定的任務為設計目標，例如智能化儀表，過程控制對計算機的性能要求不高，對體積、成本、功耗、可靠性、實時性等要求高核心器件：單片微型計算機（微控制器Microcontrollor）第一個單片機：MCS-4832位：ARM處理器計算機中數的表示與編碼計算機內所有信息都是用二進制數形式表示容易實現：具有兩種不同狀態、且能相互轉換的器件工作可靠運算規則簡單邏輯判斷方便計算機中數的表示與編碼進位計數制數N用R進制表示,它的值為:ai用0,1,…R-1個數碼表示,數碼的個數稱為基數RRi稱為權值運算時,逢R向更高位進一相鄰位的權值相差R倍計算機中數的表示與編碼常用的數制及表示方法十進制數（日常使用）R=10;數碼0,1,2…9表示方法:(128)10,128,128D二進制數（計算機使用）R=2;數碼0,1表示方法:(1001)2,1001B八進制數（方便閱讀與書寫）R=8;數碼0,1,2…7表示方法:(612)8,200O(200Q)十六進制數（方便閱讀與書寫）R=16;數碼0~9,A,B,C,D,E,F表示方法:(812)16,812H計算機中數的表示與編碼進位計數制之間的轉換R進制數轉換為十進制數

基本方法是：按權展開，并求和舉例：將1011.1010B、DFC.8H轉換為十進制數十進制數轉換為R進制數

整數部分的轉換：除R取余，直至商為0小數部分的轉換：乘R取整，直至小數為0或達到轉換精度要求的位數舉例：將39.625轉換為二進制數二、八和十六進制數之間的轉換一位八進制數用三位二進制數表示一位十六進制數用四位二進制數表示舉例：將10110011.0010101B轉換為八進制、十六進制數將263.124O、B3.2AH轉換為二進制數

計算機中數的表示與編碼帶符號數的表示無符號數：機器中的全部有效位均用來表示數的大小帶符號數：機器中，最高位作符號位(數的符號用“0”、“1”表示)，其余位為數值位機器數：一個二進制數連同符號位在內作為一個數常用的機器數表示方法有原碼、反碼、補碼真值：機器數所代表的實際數值，一般寫成十進制數的形式舉例：寫出下列二進制機器數的真值。

[X1]機=01010100[X2]機=11010100計算機中數的表示與編碼原碼正數的符號位用0表示,負數的符號位用1表示,數值部分用真值的絕對值來表示的二進制機器數舉例：寫出±1010100B、±105原碼表示的機器數（真值？）數0的原碼有兩種不同的形式：＋0的原碼：00000000－0的原碼：10000000原碼表示簡單易懂，與真值轉換方便，但加、減法運算復雜計算機中數的表示與編碼反碼正數的反碼與其原碼相同，最高位為0表示正數，其余位為數值位；負數反碼符號位為1，數值位為其原碼數值位按位取反舉例：寫出±4、±

105、±

127反碼表示的機器數數0的反碼有兩種不同的形式：＋0的原碼：00000000－0的原碼：11111111計算機中數的表示與編碼補碼數的補碼與模有關.若機器字長為n，它的模為2n正數的補碼與其原碼相同，最高位為0表示正數，其余位為數值位；負數補碼為其反碼加1，定義：[X]補=2n+X

當X≥0時，2n

丟掉，得[X]補=[X]原所以正數的補碼與其原碼相同。當X<0時，[X]補=2n+X=2n-｜X｜舉例：推導負數補碼與反碼的關系舉例：寫出±

4、±

105、±

127、-128的8位補碼機器數小技巧：對負數求補碼時，可將求反進行到最后一個‘1’之前，其余不變。計算機中數的表示與編碼補碼的特點0的補碼只有唯一的一個，即（0）補=00000000加、減法運算方便。即負數用補碼表示時，可以把減法運算轉化為加法若機器字長為n，則補碼表示的整數范圍為－2n-1～＋（2n-1－1）由補碼求真值：當為負數時，即最高位為1，其絕對值所對應的二進制數應為各數值位“按位求反加1”的和舉例：已知[X]補=D9H，求X的真值計算機中數的表示與編碼補碼運算對于補碼運算，可以證明具有關系：

[A+B]補=[A]補+[B]補

兩數和的補碼等于兩數補碼的和。在進行補碼加法時，可以不必考慮加數的正負，直接進行加法即可舉例：用補碼計算-70+55，-70+（-55），

65+96，-70+（-60）溢出：如果帶符號數運算的結果超出了給定長度二進制數可以表示的范圍，則產生不正確的答案計算機中數的表示與編碼補碼運算步驟將被加數、加數用補碼表示進行加法得到兩數和的補碼（符號位作為數的一部分參加運算）判斷是否發生溢出。若沒有溢出，則可以進一步求和的真值。如果和為正數可直接求出；和為負數時，則需要再次“求反加1”，得到真值。計算機中數的表示與編碼溢出而兩個同符號的數相加有可能出現溢出，兩個不同符號的數相加，不可能出現溢出正向溢出負向溢出溢出的判斷兩個正數的補碼相加后得到負數的補碼，兩個負數之和卻產生了正的結果雙進位法：V=Cp⊕CsCs：符號位運算中向上的進位Cp：其它運算位向符號位的進位V：溢出標志，1：溢出，0：不溢出計算機中數的表示與編碼溢出溢出的解決可以通過擴大數的表示范圍防止溢出數的擴展不能改變數的大小，只能改變數的位數正數擴展：高位全部加0負數擴展：高位全部加1舉例：（-70）+（-60）計算機中數的表示與編碼小結機器數常用表示方法原碼、反碼和補碼（計算機中使用）對于正數，三種編碼相同；對于負數，三種編碼互不相同，求真值的方法也不同二進制位數相同的三種編碼所能表示的數值范圍不完全相同（字長為n位？）三種編碼對0的表示不盡相同當為純小數時，對8位二進制數，只需除以27即可舉例：求（+12/128）和（-12/128）的補碼計算機中數的表示與編碼移碼定義：[x]移＝2n-1+x，[x]移為機器數，x為真值移碼是將真值在數軸上往正方向平移了2n-1

對8位數，平移了27=128移碼符號位為1時表示正數，為0時表示負數求一個數的移碼時只需將其二進制補碼的符號位取反即可舉例：由+5、+127、0和-128的補碼，寫出其相應的移碼在A/D、D/A外圍電路中，常用到移碼計算機中數的表示與編碼數的定點表示與浮點表示一個二進制數可以表示成N=2P×SP：指明了小數點的位置，稱之為N的階碼S：表示了N的全部有效數字，稱之為N的尾數舉例：-18.75小數點不能直接標出,需要按一定方式約定小數點的位置定點表示法就是小數點位置在數中固定不變浮點表示法小數點的位置是浮動的同樣的字長,浮點數表示的數的范圍大,精度高，但運算復雜計算機中數的表示與編碼定點表示：小數點在數中的位置是固定不變、人為約定的定點整數P=0小數點固定在最低數值位右邊定點小數P=0小數點固定在最高數值位左邊舉例：寫出定點數+0.1011010和-0.1011001在機器中的表示形式計算機中數的表示與編碼浮點表示小數點的位置是浮動的，當處理的數既有整數又有小數時采用階碼P不為0，并且可在一定范圍內取值規格化表示：使數值最高位為有效數值位浮點數的格式、字長因機器而異。大多數機器浮點數采用ＩＥＥＥ754標準PfPSfS階符階碼尾數符號尾數計算機中數的表示與編碼浮點表示舉例：(-18.75)10=(-10010.11)2,采用上述形式,假定尾數用8位二進制表示,階碼用4位二進制表示,均采用原碼計算機中數的表示與編碼計算機中常用的編碼BCD碼二-十進制編碼，用于計算機中直接進行十進制運算字符的編碼ASCII碼Unicode統一各種文字、字符的編碼方案2字節16位編碼體系漢字的編碼計算機中數的表示與編碼二-十進制編碼（Binary-CodedDecimal）用4位用二進制數表示1位十進制數最常用的8421BCD碼（0000-1001）舉例：寫出十進制數876的BCD碼BCD碼與二進制數之間不能直接進行轉換BCD碼在計算機中的表示方法壓縮BCD碼：用一個字節表示2位十進制數非壓縮BCD碼：用一個字節表示1位十進制數舉例：寫出56的壓縮和非壓縮的BCD碼BCD碼運算及其十進制調整舉例：用BCD碼計算7+5計算機中數的表示與編碼ASCII碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange標準ASCII碼長度為一個字節，其中最高為置“0”，指采用后7位編碼，可表示128種字符表示的字符：字母、數字、專用符號、控制字符等需要時可在D7位加奇偶校驗位計算機中數的表示與編碼ASCII碼ASCII碼字符表計算機中數的表示與編碼漢字編碼漢字處理過程漢字輸入碼（外碼）：從外部輸入漢字時使用漢字內碼：計算機存儲、處理漢字時使用漢字輸出碼：漢字輸出使用國標碼：漢字編碼應該遵循的標準，采用兩字節表示，每個字節采用7位編碼表示內碼是將國標碼兩字節的最高位都置“1”形成的，以便與西文ASCII碼相區別舉例：漢字“啊”的國標碼為00110000，00100001，請寫出它的內碼輸入碼機器內碼字形碼微型計算機系統微型計算機的三個層次結構微處理器：利用超大規模集成電路技術把運算器和控制器集成在一塊硅片上微型計算機：以微處理器為核心，配上存儲器、I/O接口電路及系統總線組成的計算機單片機：集成在一塊芯片上的單芯片式微型計算機特點：體積小、指令系統簡單、性價比高應用：工業控制、智能儀器、儀表等領域微型計算機系統：以微型計算機為核心，配以相應的外圍設備、電源、輔助電路以及控制微型計算機工作的軟件所構成的系統微型計算機系統微型計算機系統的組成只有微型計算機系統才是完整的計算系統，才可以正常工作，具有實際意義微型計算機系統微機的主要組成部分的結構及功能微處理器運算和指揮控制中心存儲器（內存）存儲和記憶部件，用以存放數據和程序I/O設備接口微機與I/O設備間的橋梁總線上述各部分通過總線聯系到一起的微型計算機系統微機主要組成部分的結構及功能微型計算機系統微處理器內部結構運算器（算術邏輯單元ALU）控制器（指令處理單元）寄存器組內部總線及緩沖器微型計算機系統微處理器結構微型計算機系統算術邏輯單元ALU和累加器A完成各種算術和邏輯運算累加器A提供送入ALU的兩個操作數之一，并存放運算后的結果操作結果的某些重要狀態或特征存于標志寄存器（FR）微型計算機系統控制器主要功能：按照程序邏輯要求，控制程序中指令的執行順序根據指令寄存器中的指令馬控制每一條指令的執行過程組成：指令寄存器（IR）：存放從存儲器中取出的各條指令的操作碼指令譯碼器（ID）：對IR中存放的指令進行分析，確定應該進行什么操作時序和邏輯控制電路：產生出各種操作電位、不同節拍 的信號、時序脈沖等執行此條命令所需的 全部控制信號。微型計算機系統寄存器組寄存器分為專用寄存器和通用寄存器兩大類通用寄存器：沒有特殊用途一組高速的存儲單元，實質是微處理器的內部RAM用來保存參加運算的數據和運算的中間結果，可以高效存取數據還可作為地址指針專用寄存器：作用是特定的，必有以下幾個程序計數器PC標志寄存器FR堆棧指針SP微型計算機系統程序計數器PC維持微處理器有序地執行程序的關鍵性寄存器，是任何微處理器不可缺少的PC用于存放下一條要執行的指令的地址如果程序順序執行時，每取出一字節指令后，PC的內容自動加1如果程序發生轉移時，必須把新的目的地址裝入PC，使PC指向轉移的目標地址微型計算機系統標志寄存器FR用于寄存ALU操作結果的某些重要狀態或特征FR中的狀態標志常為CPU執行后續指令時使用有些FR中還存放控制處理器工作方式的控制標志每種微處理器的標志寄存器是不同的微型計算機系統堆棧指針SP使用堆棧作為數據的一種暫存結構，主要用于中斷處理和子程序調用/返回堆棧由棧區和堆棧指針構成棧區是一組按先進后出（FILO）或后進先出（LIFO）方式工作的存儲單元堆棧指針用來指示棧頂地址的寄存器，它的初值由程序員設定堆棧操作（PUSH/POP）后，SP的值會自動變化棧區的編址方式：向下增長型、向上增長型微型計算機系統內部總線及緩沖器內部總線把CPU內各寄存器和ALU連接起來，以實現各單元之間的信息傳送。內部總線分為內部數據總線和地址總線，它們分別通過數據緩沖器和地址緩沖器與芯片外的系統總線相連緩沖器用來暫時存放信息(數據或地址)，它具有驅動放大能力微型計算機系統存儲器（內存）內存又分為ROM和RAM內存由一個個內存單元組成的每個內存單元有兩個屬性它對應有一個地址編碼（二進制編碼）它所存放的內容（二進制編碼）CPU對內存的操作讀操作：從內存單元取數到CPU內部寫操作：從CPU內部送數到內存單元微型計算機系統地址譯碼器控制地址總線控制信號數據總線000102FF單元存儲體內容24671299讀數據：CPU在地址總線上給出指定單元地址；地址譯碼器選中指定的存儲單元CPU給出“讀”控制信號指定的存儲單元內容放到數據總線上寫數據：重復上述1，23.CPU將要寫入的數據放入數據總線上4.CPU給出“寫”控制信號微型計算機系統輸入輸出（I/O）設備接口除主機（CPU和內存）以外的其它機電或電子設備統稱外部設備（輸入、輸出設備、外存儲器）微機與I/O設備間的連接與信息交換不能直接進行（速度、信息格式、信號形式等）為適應不同外部設備的需要，必須在CPU和外設之間增加I／O接口（I／O適配器）微型計算機系統總線是計算機系統各功能模塊間傳遞信息的一組公用導線/公共通道三總線結構：上述各部分硬件通過地址（AB）、數據（DB）和控制（CB）三大總線聯系到一起總線的分類采用總線結構形式的優點：微機的系統構造更方便具有更大的靈活性和更好的可擴充性、可維修性微型計算機系統數據總線（DataBus）：用來傳輸數據信息的信號線是雙向三態總線雙向：既可通過DB從內存/輸入設備讀入數據，又可通過DB將內部數據送至內存或輸出設備三態：DB通過三態門和CPU、存儲器和I/O接口連接其位數和微處理器的位數相對應，是微機的一個重要指標微型計算機系統地址總線（AddressBus）來傳送地址信息的信號線是單向三態總線地址總線的位數決定了CPU可以直接尋址的內存空間微型計算機系統控制總線（ControlBus）用來傳送控制信號、時序信號和狀態信號控制總線中每一根線的方向是確定的，作為一個整體是雙向的輸出信號：包括CPU送往其它部件的控制信號（如讀信號、寫信號）輸出信號：包括其他部件送往CPU的（如中斷請求信號、總線請求信號）少數雙向信號：微型計算機系統微型計算機的工作過程微機工作的過程本質就是執行程序的過程程序：為解決某一問題而編寫在一起的一個指令序列指令：規定計算機執行特定操作的命令，任何一條指令都包括：操作碼和操作數指令系統：計算機全部指令的集合，規定了計算機的處理能力，不同型號的計算機有不同的指令系統馮.諾依曼存儲程序工作原理先把程序和數據送到存儲器中保存給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據存儲程序中的指令順序完成全部指令操作微型計算機系統微型計算機的工作過程指令執行的過程分三階段進行取指令：控制器將程序計數器中的地址送至地址寄存器MAR，并發出讀命令。存儲器根據此地址取出一條指令，經過數據總線送入指令寄存器IR分析指令：指令譯碼器對IR中的指令進行譯碼，分析指令性質執行指令：由控制邏輯陣列向存儲器、運算器等部件發出操作命令，執行指令操作碼規定的操作三階段操作并非在各種微機中都是串行完成的8位微機：串行完成16位、32位：并行處理，流水線結構微型計算機系統微型計算機的工作過程程序執行的過程開始執行程序時，程序計數器中保存第一條指令的地址周而復始地完成：取指、分析、執行三個階段操作的過程遇到停機指令時結束整個機器的運行舉例：求出5+9的值，并將結果存放在累加器中程序：LD A,5ADD A,9HALT程序存入存儲器中，將程序的起始地址賦給PC微型計算機系統