微機原理與接口技術主講王玉良1信息工程學院信息論教研室教學計劃?課堂教學：51學時?上機實驗：5次（每次一個單元：3.5小時）?課外作業：8~10次?期中考查：第8周?期末考試：第18周?成績：平時（包括上課出勤、交作業）20%，期中考查10%，上機實驗10%，期末考試60%。2信息工程學院信息論教研室教學計劃（續）

?

講授章節?

上機實驗：5次

第一章~第八章DEBUG與

的絕大部分內容

指令練習（2次）

?

不講章節編程設計（3次）

第二章的第6~8節第五章的第5~6節第六章的第4節部分內容

3信息工程學院信息論教研室各章授課學時安排?第一章微計算機機基礎知識4學時?第二章微處理器與系統結構7學時?第三章指令系統8學時?第四章匯編語言及其程序設計8學時?第五章內存儲器及其子系統5學時?第六章總線技術4學時?第七章I/O接口與中斷系統7學時?第八章接口技術8學時?總計51學時4信息工程學院信息論教研室教材及參考書

?

《微機原理與接口技術》王玉良、吳曉非等編著，北京郵電大學出版社

?《微機原理與接口技術復習指導和習題解答》王玉良吳曉非等編著，北京郵電大學出版社

?《微機原理與接口技術學習指導與實驗》雷麗文等編，電子工業出版社5信息工程學院信息論教研室第一章

微機基礎知識6信息工程學院信息論教研室

本章主要介紹：微機的基本概念、組成、工作原理、特點計算機內的信息表示和運算7信息工程學院信息論教研室第一節微機的基本組成8信息工程學院信息論教研室一、微機的基本硬件構成微機的基本硬件由下列幾部分組成：運算器（ALU）控制器（CTRL）存儲器（MEM）輸入設備（INE）輸出設備（OUTE）總線（BUS）9信息工程學院信息論教研室微機的硬件構成框圖

10信息工程學院信息論教研室微機的基本硬件構成（續）運算器（ALU-ArithmeticLogicUnit）

進行算術運算（加、減、乘、除與移位）；進行邏輯運算（與、或、非、異或等）；為了提高存取數據的速度，與ALU有關的部件還有寄存器陣列11信息工程學院信息論教研室微機的基本硬件構成（續）控制器（CTRL-Controller）

它是計算機的控制中心，發布與控制計算機工作的各種命令，協調計算機內部以及主機與外設工作的各種關系。

它有兩個主要功能：一個是控制程序的運行；另一個是對不同的外部事件做出相應響應的能力。（這些外部事件是指：復位、停機、中斷請求、總線請求、總線周期延長等）

上述ALU+CTRL+REG陣列=CPU（中央處理器）12信息工程學院信息論教研室微機的基本硬件構成（續）存儲器（MEM-Memory）

記憶部件。它存儲計算機操作的控制信息及各種命令信息（指令）和被處理加工的信息（數據），包括存儲加工的中間與最終結果。

存儲器內有兩類信息：一類是命令信息（即指令），經譯碼并執行，放在代碼區；另一類是數據，放在數據區。它們都以二進制形式存放。

應注意：內存中的代碼區和數據區中的信息具有不同的性質與功能，兩個區域中的某些單元具有相同的信息，卻具有完全不同的含義。13信息工程學院信息論教研室微機的基本硬件構成（續）輸入設備與輸出設備

稱為外設，其作用是進行信息形式的轉換，即外界的語言、文字、圖像、機械動作等信息轉換成計算機能識別的電信號表示的二進制數形式，或進行相反方向的轉換。

輸入設備如：鍵盤、鼠標、磁盤、光盤、游戲桿、掃描儀、數碼相機、A/D轉換器等

輸出設備如：顯示器、打印機、音響、繪圖機、磁盤、光盤、D/A轉換器等14信息工程學院信息論教研室微機的基本硬件構成（續）總線（BUS）

總線是計算機各部件間傳送信息的公共通路，它把計算機的各個部件連接成為一個整體。

分為內部總線，外部總線。

計算機內部的基本總線分為數據總線（DBUS），地址總線（ABUS），控制總線（CBUS）。通常又稱為三總線。

關于總線技術，將在第六章中專門介紹。15信息工程學院信息論教研室二、中央處理器、微處理器和微控制器中央處理器（CPU-CentralProcessingUnit）ALU+CTRL+REG陣列2.微處理器（MPU-MicroProcessingUnit）

就是微型計算機的CPU

微控制器（MCU-McroControllerUnit）

即MPU+MEM+I/O接口+BUS集成在一個芯片上，又稱單片機

MCU+適當外設和相應的軟件，可構成微控制系統，用在自控、儀器儀表、通信設備、家電、兒童玩具等嵌入式應用領域。

16信息工程學院信息論教研室三、微機系統微型計算機系統指由硬件、軟件組成的微機系統硬件：主機、外設、電源等軟件：操作系統、編譯程序、連接程序、調試程序、診斷程序、應用軟件、數據庫等。17信息工程學院信息論教研室第二節微機的工作原理18信息工程學院信息論教研室一、工作原理微型計算機是采用“程序存儲控制”的原理工作的。這一原理是馮.諾依曼1946年提出的，它構成了計算機系統的結構框架。因此，計算機體系結構又稱為馮.諾依曼結構。1946年第一臺計算機（ENIAC)誕生，（電子數值集成計算機），就是采用馮.諾依曼結構框架。投資150萬美元，占地150平米，重30噸，用了18800個電子管，耗電150KW，2KBytes內存，5000次/s，幾小時出一次故障。19信息工程學院信息論教研室二、工作過程計算機的工作過程，一般來說可分為下述4步：1、輸入程序和數據到內存2、翻譯成機器碼（自動或人工匯編）3、控制器控制程序運行4、輸出結果20信息工程學院信息論教研室二、工作過程（續）例子：計算Z=X+Y

X在內存2000H中，Y在內存2001H中，

Z在內存2002H中。

程序在內存2100H中，A為CPU內的寄存器。

PC指向程序的首地址，每取出一條指令，PC自動加1或2，4；

從內存取出指令MOVA，[2000H]分析執行后再取下一條指令，重復直至CPU暫停。

執行程序的過程即CPU

不停的取指令、分析指令、執行指令。21信息工程學院信息論教研室第三節微機的特點、應用及發展方向22信息工程學院信息論教研室微機特點運算速度快（每秒幾兆條指令到幾千兆條指令或每秒幾十億次運算。MIPS（106），GIPS（109））處理能力強（如各種管理、計算、決策）能連續不間斷地工作（多任務、高效、高質量）能干幾乎所有的工作23信息工程學院信息論教研室應用各行各業，無所不用科技、生產、學習、日常生活等各個方面24信息工程學院信息論教研室發展方向性能：運行速度不斷提高，處理器字長不斷增加（摩爾定律指出，每18個月計算機的運算速度就大體提高一倍，而價格則大約降低一半）功能：支持多媒體技術，并與網絡技術全面結合體系結構：向多處理器和網絡化過渡；向以通信為中心的體系結構發展；由馮.諾依曼體系結構向數據流結構發展可用性：從面向過程的機制向面向對象的機制轉變，向智能化方向發展制造工藝：向超高集成度發展，制造光集成芯片、生物芯片，設計超導、量子、生物、光計算機25信息工程學院信息論教研室第四節計算機運算基礎26信息工程學院信息論教研室一、進位計數制計算機中全部信息（包括指令和數據）都是采用二進制數，為了書寫方便，又經常采用十六進制。而人們在日常生活中又廣泛采用十進制。二進、十六進、十進制都是進位計數制。27信息工程學院信息論教研室一、進位計數制（續）十進計數制5188.888

10+310-3

該數中有5位都是8，但由于其位置不同，其值也不同，即“位值”不同。該數可看成兩部分組成：

數字值如5，1，8

位值（權值），隱含著，如10-3上面的十進數可表示為：5188.888=103

5+102

1+101

8+100

8+10-1

8+10-2

8+10-3

8

對于有n位整數和m位小數的十進制數N可表示為：

n-1

N=

di

10ii=-m28信息工程學院信息論教研室一、進位計數制（續）十進制數有如下特點

※每位數字di可取0，1，2，3,…,9十個值之一；※逢10進1，即每位達到10向高位進1，本位回0，相鄰高位的權值是本位權值的10倍。對于任意R進制表示的數N，可寫成n-1

N=

di

Rii=-m

其中※

di

可取0，1，2，…，R-1個值之一；※逢R進1（R為進位計數制的基數（Radix))；※R是大于或等于2的整數，Ri稱為di的權值或位值。

29信息工程學院信息論教研室一、進位計數制（續）當R=10為十進制數（Decimal，書寫后綴D或省略）當R=2為二進制數（Binary，書寫后綴B）當R=3為三進制數（Trinary，書寫后綴T）當R=8為八進制數（Octal，書寫后綴O或Q）當R=16為十六進制數（Hexa-decimal,書寫后綴H）30信息工程學院信息論教研室一、進位計數制（續）2.二進計數制101.11特點：①只有兩個數字符號0，1

222–2②

逢2

進1

計算機中廣泛采用二進制的原因

容易實現，每位只取兩個值，易用兩個邏輯狀態的器件表示；運算規則簡單，只有三種加法和乘法；（運算規則為：R(R+1）/2）工作可靠，不同狀態之間的轉換是質變而非量變；電路設計可借助布爾代數進行設計。

31信息工程學院信息論教研室一、進位計數制（續）八進制和十六進制八進制每位可取0，1，2，…，7八個值之一，逢八進一。十六進制每位可取0，1，2，…，9，A,B,…F十六個值之一，逢十六進一，大于9的數字借助于字母A~F表示。

在編程時，為了書寫方便，常用十六進制表示。32信息工程學院信息論教研室二、進位計數制間的轉換P進制數N→R進制數通常把N分為整數與小數部分分別轉換1、整數部分轉換

①把R表示成P進制數②對P進制數N按P進制作除R取余方法進行例1.把八進制數N=303Q表示成十進制數（P=八進數，R=十進數）解：①把R=10表示成八進數為12Q

②對N=303Q按八進制作除12Q取余運算33信息工程學院信息論教研室二、進位計數制間的轉換（續）12Q303Q23Q2443365QD0=5余數12Q23Q1Q1211QD1=9余數12Q1Q0Q01Q

D2=1余數303Q=195D上述除法與十進制除法沒有什么不同。每次除12Q之后取余數，而商再除以12Q，直到商為0停止。34信息工程學院信息論教研室

例2.把10進制數29轉換成二進制數

解：①由于2是十進制數集內之數，不必作變換；

②對于N=29D作除2取余運算。29214余數1（B0）

72232120余數0（B1）余數1（B2）余數1（B3）余數1（B4）

∴29D=11101B

35信息工程學院信息論教研室二、進位計數制間的轉換（續）2.小數部分的轉換

P進制純小數→轉換為R進制小數用乘R取整①把R表示成P進制數②把數N按P進制乘R取整例1把0.625轉換成二進制數解：①二進制數（0，1）都在十進制數內

②把0.625乘2取整0.625×2———1.250ˉb-1=1

0.25×2———0.50ˉb-2=00.5×2———1.0ˉb-3=1

0.625=0.101B36信息工程學院信息論教研室二、進位計數制間的轉換（續）用計算法和其他方法也可進行轉換例1.二進制

→八進、十六進制

10100101.0001B=245.04Q=A5.1H例2.十六進制→二進制；十六進制→十進制

ABCF.587H=1010101111001111.010110000111BA5.1H=10161+5160+116-1=160+5+0.0625=165.062537信息工程學院信息論教研室38信息工程學院信息論教研室三、無符號數的表示與運算無符號數（純數值）：只表示數值的大小，不涉及數的正負號符號數：既表示數的大小，又要表示數的正負計算機中的二進制數可以分為符號數和無符號數，它們的表示與運算是不同的。39信息工程學院信息論教研室三、無符號數的表示與運算（續）加法運算

（若運算器為8位）例1.計算78H+87H=FFH

例2.計算78H+98H=10H78H78H+87H+98H

—————·—·———FFH10H

說明：

因為是8位運算器，例2的結果就溢出了，原因是結果只能存放8位數。為了表示最高位的進位，計算機中可用一個進位標志CF（CarryFlag）=1來表示（若把CF=1考慮在內，結果為110H，這樣結果就正確了）。40信息工程學院信息論教研室三、無符號數的表示與運算（續）減法運算

（若運算器為8位）例1.計算78H-87H=FFH

例2.計算A8H-98H=10H`78HA8H-87H-98H

—————————F1H10H

說明：

因為是8位運算器，例1的結果就是錯誤的了，原因是高位有借位。為了表示最高位的借位，計算機中可用一個借位標志BW（BorrowFlag）=1來表示（通常計算機中把CF與BW用同一標志來指示）。41信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算計算機中的符號數也是用二進制數表示和運算的。數值與符號都是用二進制數表示。一般規定，0表示正號，1表示負號，約定在數的最高位表示符號位。符號數通常有三種機器碼表示法。即原碼、反碼和補碼。42信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）原碼表示（1）定義[x]原=

X(X>=0)2N-1–X(X<=0)表示范圍:(–2N-1+1）~（+2N-1–1）4位二進制原碼表示的整數范圍為：–7~+78位二進制原碼表示的整數范圍為：–127~+127（2）舉例用八位二進數寫出X=+32和Y=–32的原碼表示如下[X]原=00100000B=20H[Y]原=10100000B=A0H符號位數值符號位數值43信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）（3）0的原碼有兩種表示[+0]原=00000000B[–0]原=10000000B

原碼表示簡單直觀，但運算時符號位與數值位要區別對待，不宜作加減運算。

例1：[X]原+[Y]原=20H+A0H=C0H=11000000B顯然是錯誤的結果。因為兩個數異號應做減法，所得的結果的符號就取決于絕對值大的數的符號。例2：[X]原+[Y]原=21H+A0H（+33與-32相加）(把符號位單獨處理，數值部分相減）=01H44信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）反碼表示與運算（1）定義[X]反=

X(X>=0)(mod2N–1)(2N–1)+X(X<=0)（2）舉例：用八位二進制數寫出X=+32與Y=–32的反碼表示

[X]反=00100000B（正數的反碼是其自身）[Y]反=11011111B(負數的反碼是其對應正數求反）45信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）

（3）0的反碼有兩種表示[+0]反=00000000B[–0]反=11111111B

N位反碼可表示的整數范圍為：–（2N-1–1）~（2N-1–1）8位二進制反碼表示范圍：–127~+127（4）反碼運算規則[X+Y]反=[X]反+[Y]反+循環進位[X–Y]反=[X]反+[–

Y]反+循環進位例1.用反碼計算33-32=？33的反碼為(00100001B=21H)-32的反碼為對32求反（對00100000B求反=11011111=DFH)21H00+.D.FH

+1（循環進位）

000146信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）反碼宜作加、減運算，但一次加法要通過兩次加法運算來完成，降低了計算機的運算速度。計算機中常用補碼表示符號數。補碼表示與運算（1）定義[X]補=X（X>=0）2N+X（X<=0）（2N為模數）

補碼的求法：根據定義，正數的補碼是其自身；負數的補碼是用模數加上該負數，或者用其對應的正數（連同符號位）求反加1得到。47信息工程學院信息論教研室四、符號數的表示與運算（續）（2）舉例用八位二進制數寫出X=+32和Y=–32的補碼表示[X]補=00100000B[Y]補=11100000B（對應正數32=20H求反加1）求負數的補碼有兩種方法

其一是：對應正數求反加1

其二是：模數–對應的正數（如[Y]補=100H-20H=E0H)（3）0的補碼只有一種表示

[+0]補=00000000B[–0]補=11111111+1=00000000BN位二進制補碼表示的整數范圍為：-2N~2N-1-1N=8時，表示范圍：-128~+1