微機與單片機原理及應(yīng)用

教材

?《MCS-51單片機原理與應(yīng)用》閆玉德俞紅編著

；;機加工業(yè)而版在；；；；；；

■《單片微型計算機原理與設(shè)計》補充教材??

；南京理工大學(xué)紫金學(xué)院（新學(xué)期有變動）;；

參考教材；；；；；；；；

?《微型計算機原理及應(yīng)用》王建寧戴躍偉候曉霞編著

:體學(xué)工帆出庶社；；；；；；

《單片機原理及應(yīng)用》李建忠主編IIII

西安電子科技大學(xué)出版社

微機與單片機原理及應(yīng)用

課程安排

；；總共4.5學(xué)分，其中：；；；；

；；；理論琴課,；3學(xué)分；；；

??實驗環(huán)節(jié)，1.5學(xué)分:；

理論內(nèi)容：

；i；微型計算機基礎(chǔ)（第一章）

單片機原理及應(yīng)用（后續(xù)章節(jié)）

第一章微型計算機基礎(chǔ)

-1.1微型計算機概述

?1.2微處理器；

?1.3存儲器；

?1.4微機工作原理

?1.5輸入輸入接口

第一章微型計算機基礎(chǔ)

-1.1微型計算機概述

；計算機的產(chǎn)生是20世紀(jì)重大的科技成果之一。自從第一

臺電子計算機誕生以來，計算機科學(xué)已成為本世紀(jì)發(fā)展最快

的一門科學(xué)。尤其是微型機的出現(xiàn)和計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使

得計算機已應(yīng)用于社會的各行各業(yè)，已進入到我們的家庭與

生活。計算機的飛速發(fā)展大大促進了知識經(jīng)濟的發(fā)展和社會

信息化的進程，引起了社會的深刻變革。也改變了人們的知

識結(jié)構(gòu)，不會使用計算機將無法面對21世紀(jì)的工作、學(xué)習(xí)與

生活。

1946年2月，世界上第一臺計算機〃電子數(shù)字積分式計算

機〃ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAnd

Computer)在美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功。它結(jié)構(gòu)龐大，

占地170平方米，重達(dá)30噸，使用了18000個電子管，耗電

150千瓦。雖然它每秒只能進行5000次加減法運算，在性

能方面與今天的計算機無法相比，但是，ENIAC機的研制成

功，在計算機的發(fā)展史上具有劃時代的意義，它的問世標(biāo)志

著電子計算機時代的到來，它用電子的快速運動代替了機械

的運動。

〈世界上第一臺電子計算機〉

第一代計算機(1946-1958):

1使用電子管作為主要電子器件，主要特點是體積大、耗電

多、重量重、性能低。

在電子管時代，沒有操作系統(tǒng)：用戶在這些計器上的操作

和編程，完全由手工進行，以絕對的機器語言形式(二進制代

碼形式)編程，采用接插板或開關(guān)板控制計算機操作，沒有顯

示設(shè)備，由氮燈或數(shù)碼顯示。在這一階段，幾乎沒有程序設(shè)計

語言，用戶面對的也是一個很不方便的操作環(huán)境。直到50年代

初期，卡片穿孔成為程序編制和記錄的方法，才形成一種可

“閱讀”的程序。在這類早期的計算機系統(tǒng)中，有了程序，但

沒有操作系統(tǒng)。

V第一代計算機的核心部件，真空電子管〉

第二代計算機(1958—1964年)：

;使用晶體管作為主要電子器件。在晶體管時代，監(jiān)控程序

和批處理程序:隨著晶體管的誕生使得計算機產(chǎn)生了一次革命

性的變革，但這一時期用戶與計算機系統(tǒng)之間，仍然存在明顯

的分隔，然而，由于有了計算機語言和相應(yīng)的程序，就產(chǎn)生了

對用戶所提交的程序進行管理的程序，這就是監(jiān)控程序

(monitor)的雛形。雖然此時的監(jiān)控程序僅僅是處理用戶的

批量作業(yè)和簡單的命令解釋，但它畢竟建立了用程序來寒來暑

往控制其他程序的方式。

第二代計算機的重要貢獻：

(1)開創(chuàng)了計算機處理文字和圖形的新階段；

(2)高級語言已投入使用；

(3)開始有了通用機和專用機之分；

(4)開始使用鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備。

V貝爾實驗室研制的世界上第一臺全晶體管計算機TRADIO

第三代計算機(1965—1971年)：

使用小規(guī)模集成電路SSI(smallscaleintegration井口中規(guī)模

額的集成電路MIS(mediumscaleintegration)作為主要電子

元冷；；；；；；；；；'、i

在這一時期中，計算機不僅用于科學(xué)計算，還用于文字處理、

企業(yè)管理、自動控制等領(lǐng)域，出現(xiàn)了計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)

合的信息管理系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)管理、交通管理、情報檢索等領(lǐng)

域。另外，微型機算計得到了飛速的發(fā)展，對計算機的普及起到

了決定性的作用。

第三代計算機的主要貢獻：

(1)運算速度已達(dá)到100萬次/秒以上；

(2)操作系統(tǒng)更完善；

(3)序列機的推出，較好地解決了“硬件不斷更新，而軟

件相對穩(wěn)定”的矛盾；

(4)機器可根據(jù)其性能分為巨型機、大型機和小型機。

〈第三代計算機的標(biāo)志性產(chǎn)品，舊M360大型機的局部圖〉

第四代計算機(20世紀(jì)70年代以后)：

使用大規(guī)模集成電路LSI(largescaleintegration)和超

大規(guī)模集成電路VLSI(verylargescaleintegrtion)作為主要

的電子器件。各種性能上都得到了大幅度的提高，對應(yīng)的軟件

也越來越豐富，其應(yīng)用涉及到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，已經(jīng)在辦

公自動化、數(shù)據(jù)庫管理、圖象識別、專家系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中得

到了廣泛應(yīng)用，并且以不可阻礙的勢頭大量進入家庭。

〈早期的第四代計算機，由DEC公司生產(chǎn),

作為第四代計算機的典型代表——微型計算機應(yīng)運而生。

微型計算機由微處理器、半導(dǎo)體存儲器和輸入輸出接口組成。

微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，掀起了計算機大普及的浪潮，微型

機比小型機體積更小、價格更低廉，且通用性強、靈活性好、

可靠性高、使用方便。

20世紀(jì)70年代后期，個人計算機（PC機）問世。它以設(shè)計先

進、功能齊全、軟件豐富、價格便宜等原因很快占領(lǐng)了微型機

的市場，為計算機滲透到各行各業(yè)，進入辦公室和家庭開啟了

方便之門。

計算機的發(fā)展核心部件為CPU,它的發(fā)展經(jīng)歷以下過程：

1971年，Intel推出第一片4位微處理器4004。

1978年，Intel首次推出16位處理器8086,這是80x86系列CPU

的鼻祖，8086的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為20

位IIiiiiIIiiiI

1979年，Intel又推出8088。

19824990年，相繼推出16位80286,32位80386,80486等

1993年，Intel推出了新一代高性能微處理器Pentium（奔騰）。

1981年舊MPC的正式推出，一個全新的個人計算機時代開始了。

計算機發(fā)展趨勢：巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化和多功能化

Centrino8Centrind

inside''inside

.一\_____________

Celeron

insider

Intel公司CPU圖標(biāo)

計算機的分類

;按照綜合性能指標(biāo)，：通用電子計算機可以

分為:III...................................................................

;巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機

'主要區(qū)別是在于運算速度、數(shù)據(jù)存儲容量、輸

入/輸出能力、指令系統(tǒng)規(guī)模和價格等因素。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

■1.1.1微型計算機的硬件

1,計算機的組成

CPU

程序、數(shù)據(jù)

圖1.1計算機的組成結(jié)構(gòu)

運算器

計算機主機控制器

存儲器

計算機組成

輸入設(shè)備

計算機外設(shè)

輸出設(shè)備

第一章微型計算機基礎(chǔ)

2；計或機，字匕v\U彳

計算機內(nèi)所有的信息都是以二進制代碼的形式表示的。

甘算機的柒長；；：；；；；；；

I.L6計算機由用的二進制代碼的位數(shù)I

-l計算機的字長越長，它能代表的數(shù)值就越大，能表示

’的數(shù)值的有效位數(shù)也越多，計算的精度就越高。但是位數(shù)

越長，用來表示進制代碼的邏輯電路也越多，使得計算機

?的結(jié)構(gòu)變得越龐大，電路變得越復(fù)雜，造價也越高。用戶

通常要根據(jù)不同的任務(wù)選擇不同字長的計算機。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

微型計算機的字長有4位、8位、16位、32位、64位等。

目前最為廣泛學(xué)習(xí)的主要是8位微機和16位微機，而當(dāng)前在

市場上購買的主流產(chǎn)品是32位微機和64位微機。:

3.微型￡算機的組琳；；；；；；；

微處理器：運算器、控制器、寄存器集成在一塊硅片上，成

為獨立的芯片，稱為微處理器(MicroProcessor),也稱CPU

或MPU。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

3.微型計算機的組成；；；；；

微型計算機：微處理器芯片、存儲器芯片、輸入/輸出接

口芯片(Input/OutputInterface,簡稱I/O接口)之間由總

線(Bus)連接，就構(gòu)成了微型計算機(MicroComputer)

圖

地址總統(tǒng)

廣

2

微

夕卜國型

設(shè)備計

微處理需

數(shù)

CPU機

的

組

成

結(jié)

構(gòu)

(1)微處理器

微處理器是微型計算機的核心，它由運算器、控制器和寄存器

三大部分組成。

運算器：主要由算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit)構(gòu)

成。ALU是對傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算或邏輯運算

的部件，能夠執(zhí)行加法、減法運算，邏輯與、邏輯或等運算。

控制器：主要包括時鐘電路和控制電路。時鐘電路產(chǎn)生時鐘

脈沖，用于微機各部分電路的同步定時。控制電路產(chǎn)生完成

各種操作所需的控制信號。

寄存器：CPU中有多個寄存器，用來存放操作數(shù)、地址和運

算的中間結(jié)果等。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

(2)存儲器

;計算機有了存儲器才具備記憶功能。;;

存儲器由許多存儲單元組成，在8位微機中，每

個存儲單元存放8位二進制代碼，8位二進制代

碼稱為一個字節(jié)，即8位微機的每個存儲單元能

存放一個字節(jié)(Byte)的代碼。

0000000001101100

0000000110100011

0000001011100101

00000011

00000100

??????

11111110

11111111

圖1.3存儲器單元地址

容量：假如存儲器有256個單元，每個單元存放一個字節(jié)代

碼，那么該存儲器容量為256字節(jié)，或256X8位。在容量

較大的存儲器中，存儲容量以KB或MB為單位，

1KBH024個存儲單元，1MB==1024KBo

第一章微型計算機基礎(chǔ)

存儲器“寫”：微機工作時，CPU將數(shù)碼存入存儲器的過程

稱為“寫”操作；寫入存儲單元的數(shù)碼取代了原有的數(shù)碼，

而且在下一個新的數(shù)碼寫入之前一直保留著，即存儲器具有記

憶數(shù)硬的功能。IIIIIIIII

存儲器“讀”：CPU從存儲器中取數(shù)碼的過程為“讀”；

操作。;

在執(zhí)行讀操作后，存儲單元中原有的內(nèi)容不變，即存儲器的

讀出是非破壞性的。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

存儲單元的地址：對存儲器所有單元按順序進行的編號，

這種編號就是是存儲的地址。每個單元都有唯一的地址。

地址用二進制數(shù)表示，地址的二進制位數(shù)N與存儲容量Q的關(guān)

系是Q=2N,01?Iiiiiii

例如：................................

:在8086微機系統(tǒng)中，地址的位數(shù)是20,則存儲器的容量為

c20=1MBo

第一章微型計算機基礎(chǔ)

⑶輸入/輸出接口

1I/O接口是溝通CPU與外部設(shè)備的重要部件。外部設(shè)

備種類繁多，其運行速度、數(shù)據(jù)形式、電平等可能存在差

異，常常與CPU不一致，所以要用I/O接口作為橋梁，起到

信息轉(zhuǎn)換與協(xié)用的作用；；；；；；；

例如：III......................

P打印機打印一行字符需1s左右，而微機輸出一行字符

只需1ms左右，要使打印機與微機同步工作，必須采用相

應(yīng)的接口芯片來協(xié)調(diào)連接。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

(4)總線

總線：是在微型計算機各芯片之間或芯片內(nèi)部各部

件之間傳輸信息的一組公共線路。；；；

前者稱為系統(tǒng)總線(片間總線)，后者稱為片內(nèi)總線。

如圖1,4所示，為芯片之間的一組系統(tǒng)總線，該總線由8根導(dǎo)線

組成，可以在芯片之間并行傳送8位二進制數(shù)據(jù)。

圖1.48位系統(tǒng)總線

常見的微機采用三總線結(jié)構(gòu)，即

數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)在芯片之間傳送數(shù)據(jù)信息；?

地址總線AB(AddressBus)傳送地址信息；

控制總線CB(ControlBus)傳送控制信息。

有的微機則采用一組總線分時傳送地址和數(shù)據(jù)信息，稱為地

址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線。

地址總線

外圍

設(shè)備

與微機相關(guān)的幾個概念：

單板機：若將微處理器、存儲器、I/O接口以及簡單的I/O設(shè)備

組裝在一塊印制電路板(PCB)上，則稱為單板微型計算機，簡

稱單板機。例如，如SDK-86、Z?80等都是常用的單板機

單片機：若將微處理器、存儲器和I/O接口集成在一塊芯片上,

則稱為單片微型計算機，簡稱單片機。II

例如MCS?51、MCS-96系列等都是常見的單片機。

微型計算機系統(tǒng)：微型計算機與外圍設(shè)備、電源構(gòu)成了硬件

1

總體，配合軟件一起則構(gòu)成了微型計算機系統(tǒng)。1||A1

如圖1.6所示，概括了微處理器、微型計算機、微型計算機

系統(tǒng)三者之間的關(guān)系。

運算器

微處理器

控制器

微型計算機存儲器：ROM、RAM

（主機）I/O接口：并行接口、串行接口

硬件，總線：DB、AB、CB

外設(shè)：鍵盤、顯示器、打印機等

微型計算機系統(tǒng)電源

系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、匯編、編譯等

軟件

.應(yīng)用軟件

圖1.6微型計算機系統(tǒng)

第一章微型計算機基礎(chǔ)

■1.1.2微型計算機的軟件

軟件是使用和管理計算機的各種程序(Program),而程序是由

一條條的指令(Instruction)組成的。

1.指令

指令是指控制計算機進行各種操作的命令。；；；；

指令主要由操作碼和操作數(shù)兩大部分組成。操作碼表示該指令

執(zhí)行何種操作，操作數(shù)表示參加運算的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所在存儲器

單元的地址。

例如，將立即數(shù)29傳送(Move)到累加器A的指令稱為傳送

指令，書寫形式為

MOVA#291A)629

其中“(A)629”是用符耳表示豺該指令功能。?

將寄存器A的內(nèi)容與數(shù)38相加的指令稱為加法(Additive)指

令，書寫形式為

ADDA,#38;(A)^(A)+38

該指令將運算結(jié)果送回累加器A保存。

率程序??????????

為了計算一個數(shù)學(xué)式，或者要控制一個生產(chǎn)過程，需要事先制

定計算機的計算步驟或操作步驟。計算步驟或操作步驟是由一

條條指令來實現(xiàn)的。這種一系列指令的有序集合稱為程序。

例如，計算63+56+36+14二?編制的程序如下。

MOVA,#63數(shù)63送入累加器A。

ADDA,#56A的內(nèi)容63與數(shù)56相加，其和119送回A。

ADDA,#36A的內(nèi)容119與數(shù)36相加，其和155送回A。

ADDA,#14A的內(nèi)容155與數(shù)14相加，運算結(jié)果169保存

在A中。

3.編程語言

編制程序可以采用的程序設(shè)計語言分為三類：機器語言、匯編

語言和IWJ級語言。

匯編語言

匯編指令：用助記符（通常是指令功能的英文縮寫）表示操

作碼，用字符（字母、數(shù)字、符號）表示操作數(shù)的指令。

;用匯編指令編制的程序稱為匯編語言程序。III

特點：占用存儲器單元較少、執(zhí)行速度較快、能夠準(zhǔn)確掌

握執(zhí)行時間，可實現(xiàn)精細(xì)控制，因此特別適用于實時控制。

但，匯編語言是面向機器的語言，各種計算機的匯編語言是不

同的，必須對所用機器的結(jié)構(gòu)、原理和指令系統(tǒng)比較清楚才能

編寫出匯編語言程序，I而且不能通用于其它機器。III

高級語有1111111111

高級語言是面向過程的語言，常用的高級語言有BASIC,

FORTRAN,PASCAL,C等等。

特點：用高級語言編寫程序時主要著眼于算法，而不必了解計

算機的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，因此易學(xué)易用。適用于科學(xué)計算、

數(shù)據(jù)處理等方面。

高級語言是獨立于機器的，同一個程序可在其它機器中使用。

機器語言;;;;;;;;;

計算機中只能存放和處理二進制數(shù)據(jù)，所以，無論匯編語言程序

還是高級語言程序，都必須轉(zhuǎn)換成二進制代碼形式后才能送入計

算機。這種二進制代碼形式的程序就是機器語言程序。相應(yīng)的二

進制代碼形式的指令稱為機器指令或機器碼。

采用匯編語言或高級語言編寫的程序又稱為源程序，而機器語

言程序則稱為目標(biāo)程序。

機器語言只有0、1兩種符號，用它來直接編寫程序十分困難。

因此，往往先用匯編語言或高級語言編寫源程序，然后再轉(zhuǎn)換

成目標(biāo)程序。將匯編語言程序翻譯成目標(biāo)程序的過程稱為匯編。

實現(xiàn)“匯編”的兩種方式

匯編指令與機器指令具有一一對應(yīng)的關(guān)系，用匯編語言編寫源

程序，再經(jīng)過匯編得到機器指令表示的目標(biāo)代碼，將目標(biāo)程序

存入容量為256的程序存儲器，

從地址為00000000的單元開始存放，如圖1.7所示。

地址目標(biāo)代碼匯編語言備注

0000000001110100

MOVA,#63第1條指令

0000000100111111

0000001000100100

ADDA,#56第2條指令

0000001100111000

0000010000100100

ADDA,#36第3條指令

0000010100100100

0000011000100100

ADDA,#14第4條指令

0000011100001110

圖1.7存儲器中的目標(biāo)代碼

4.軟件

軟件是指根據(jù)解決問題的思想、方法和過程而編寫的程序的有

序集合。軟件按其功能分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。

應(yīng)用軟件是用戶為解決某種具體問題而編制的程序，如科學(xué)

計算程序、自動控制程序、數(shù)據(jù)處理程序等。隨著計算機的

廣泛應(yīng)用，應(yīng)用軟件的種類及數(shù)量將越來越多。

系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等，

其目的是方便用戶，提高計算機使用效率，擴充系統(tǒng)的功能。

系統(tǒng)軟件分成以下幾類：

⑴操作系統(tǒng)(2)語言處理程序⑶標(biāo)準(zhǔn)庫程序(4)服務(wù)性程序

第一章微型計算機基礎(chǔ)

總之，軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效地使用計算機

而配備的。沒有系統(tǒng)軟件，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)就無法正常地、有

效地運行。沒有應(yīng)用軟件，計算機就不能發(fā)揮效能。

LL3微型計算機的數(shù)制

數(shù)制是指利用符號來計數(shù)的科學(xué)方法。；；；；

數(shù)制有很多種，在微型計算機中經(jīng)常使用的是十進制、二進制

和十六進制。

1.數(shù)制的種類

「數(shù)制所使用的數(shù)碼的個數(shù)稱為基，數(shù)制每一位所具有的值稱

為權(quán)。

[(1)+進制；；；；；；；；；

十進制的基為“10”，即它所使用的數(shù)碼為0到9共10個數(shù)字。

每位數(shù)字的值都是以該位數(shù)字乘以基數(shù)的塞次來表示，通常將

基數(shù)的塞次稱為權(quán)，即以10為底的0次塞、1次幕、2次幕等。

.i(2)二進制|||||II||

二進制的基為“2",即其使用的數(shù)碼為0、1共2個。二進制

各位的權(quán)是以2為底的哥。

(3)十六進制

十六進制的基為“16”,即其使用的數(shù)碼為0?9、A?F共16

個，其中A?F相當(dāng)于十進制數(shù)的10?15。十六進制的權(quán)是以16

為底的事。

(4)二-十進制

二-十進制數(shù)稱為二進制編碼的十進制數(shù)(BinaryCoded

Decimal),簡稱BCD碼。在BCD碼中是用四位二進制數(shù)給0?9這

十個數(shù)字......................................

為了區(qū)別以上四種數(shù)制，在數(shù)的后面加寫英文字母來區(qū)

別，B、D、H、BCD分別表示為二進制數(shù)、十進制數(shù)、十六進

制數(shù)、二-十進制數(shù)，通常對十進制可不加標(biāo)志。若十六進制

數(shù)是字母A?F打頭，則前面需加一個0。

2.數(shù)制的轉(zhuǎn)換；；；；；；；；；

(1)二進制、十六進制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)?I??I

只需將二進制、十六進制數(shù)按權(quán)展開后相加即可。

例如，十六進制的7BDH轉(zhuǎn)化為十進制，表示為

=1792+176+13=1981Do

(2)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制、十六進制數(shù)

;通常采用除基取余法。例如，十進制數(shù)45678D轉(zhuǎn)化為十六進

制數(shù)，表示為0B26EH。

(3)二進制、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

1位十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為4位二進制數(shù)。

(4)BCD碼與十進制的相互轉(zhuǎn)換

按照BCD的十位編碼與十進制的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換。

3.常用的編碼

(1)BCD碼

BCD碼是一種具有十進制權(quán)的二進制編碼，即它是一種既能為

計算機所接受，又基本上符合人的十進制數(shù)運算習(xí)慣的二進制

編碼。1,111111111

BCD碼的種類較多，常用的有8421碼、2421碼、余3碼和格雷碼

等,其中最為常用的是8421BCD編碼。?Illi

因十進制數(shù)有10個不同的數(shù)碼0?9,必須要有4位二進制數(shù)來

表示，而4位二進制數(shù)可以有16種組合，因此取4位二進制數(shù)順

序編碼的前10種，即0000B?1001B為8421碼的基本代碼，

1010B?1H1B未被使用,如下表1.1所示。

表1.18421BCD碼表

十進制數(shù)8421BCD碼十進制數(shù)8421BCD碼

00000B50101B

10001B60110B

20010B70111B

30011B81000B

40100B91001B

(2)ASCH編碼

ASCH碼是“美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼”的簡稱年，是一種較完

善的字符編碼，現(xiàn)已成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)編碼，廣泛用于微型

計算機與外設(shè)的通信。

i它是用七位二進制數(shù)碼來表示的，七位二進制數(shù)碼共有：

128種組合，包括圖形字符96個和控制字符32個。

96個圖形字符包括十進制數(shù)字符10個、大小寫英文字母52

個和其它字符34個，這類字符有特定形狀，可以顯示在顯示器

上或打印出來。

32個控制字符包括回車符、換行符、退格符、設(shè)備控制符

和信息分隔符等，這類字符沒有特定形狀，字符本身不能在顯

示器上顯示或打印。

4.數(shù)在計算機中的表示

數(shù)在計算機中的表示形式統(tǒng)稱為機器數(shù)，機器數(shù)有兩個基本

特點，一是數(shù)的符號數(shù)值化，通常以“0”代表號，以

“1”代表“一”號。二是機器數(shù)的位數(shù)受計算機硬件（字長）

..............................................?

E翻號融；；；；；；；；；

.把計算機字長的所有二進制位都用來表示數(shù)值，稱為無

符號數(shù)。例如8位機中的無符號數(shù)

23+2°

000010016==9

1；\\平+中+2：；；；；；

100010016==137

(2)有符號數(shù)

有符號數(shù)一般有三種表示方法，即源碼、反碼和補碼，8位二進

制的數(shù)表示如表1.2所.；；；；；；；

原碼就是用符號為“0”表示正數(shù)，“1”表示負(fù)數(shù)，后面再加上

數(shù)值位的二進制鳴。；?；；；；；；

例如：+4的8位原碼表示為［+4］原=00000100B

—4的8位原碼表示為［—4］原=10000100B

正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是原碼符號位不變、數(shù)

值位取用。IIiIIIIIII

例如：+4的8位反碼表示為［+4］反=00000100B

—4的8位反碼表示為［—4］反=11111011B

正數(shù)的補碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補碼是反碼加1，即原碼符號

位術(shù)變、坂值位取后加1可II?IIVI

例如：+4的8位補碼表示為［+4］反=00000100B

—4的8位補碼表示為［—4］反=11111100B

表1.28位二進制數(shù)的原碼、反碼和補碼表示

二進制數(shù)碼無符號數(shù)原碼反碼補碼

000000000+0+0+0

000000011+1+1+1

000000102+2+2+2

01111111127+127+127+127

10000000128-0-127-128

10000001129-1-126-127

10000010130-2-125-126

11111101253-125-2-3

11111110254-126-1-2

11111111255-127-0-1

1.2微處理器

微處理器是微型計算機的核心，不同型號微處理器的結(jié)構(gòu)有所不同。

圖1.8是典型的8位微處理器的結(jié)構(gòu)框圖，包括運算器、控制器、

寄存器三部分。

該微處理器的外部采用三總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是單總線結(jié)構(gòu)。

指指

令令

寄譯控制總線

邏輯時序

存碼---------------------?

器器和控制

PC程序計數(shù)器

地址總線

緩沖器

---------------------?

通用

A

SP堆棧指示器

地址總線

寄存器組

變址寄存器

數(shù)據(jù)總線

緩沖器

數(shù)據(jù)總線

圖1.8微處理器的

標(biāo)志寄存器

結(jié)構(gòu)

ALU

1.2.1運算器

運算器由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A、暫存寄存器TR、標(biāo)志寄

存器F等部分組成。

算術(shù)邏輯單元ALU是微型計算機執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算的

王要部件。

它有兩個輸入端，一個輸入端與累加器A(Accumulatorj相連，

另一個輸入端與暫存寄存器TR相連。輸出端則與內(nèi)部總線相

連。

累加器A是一個8位寄存器。很多8位雙操作數(shù)運算一個操作

數(shù)來自A,運算結(jié)果又送回A,所以累加器A是使用最頻繁的

寄存器。

另一個操作數(shù)可以來自CPU內(nèi)部的寄存器，也可以來自存儲

器或I/O接口，它總是通過內(nèi)部總線送來的，由于總線只能分時傳

送數(shù)據(jù)，故用暫存寄存器在內(nèi)部總線與ALU之間起緩沖作用。3

「在執(zhí)行運算指令時，內(nèi)部總線先傳送一個操作數(shù)至TR,然

后在控制器的控制下，由ALU對A和TR中的內(nèi)容進行運算，運

算結(jié)果再通過內(nèi)部總線傳送到累加器A。；；

；微機的運算器可執(zhí)行加法、減法等算術(shù)運算，有些微機還可

以執(zhí)行乘法、除法運算，運算器執(zhí)行的邏輯運算有與、或、求反、

異或、清零、移位等。

1.2.2控制器

控制器由指令寄存器舊、指令譯碼器ID及時序與控制電路三部分

組恤。\]

微機工作時，由時序與控制電路按照一定的時間順序發(fā)出一系

列控制信號，使微機各部件能按一定的時間節(jié)拍協(xié)調(diào)一致地工

作，從而使指令得以執(zhí)行。iiiiiii

一條指令的執(zhí)行分成取指令和執(zhí)行指令兩個階段。

具體步驟如下：

(1)從存儲器中取回該指令的機器碼，送指令寄存器IR寄存，

直至該指令執(zhí)行完畢。

(2)由指令譯碼器ID譯碼，以識別該指令需要執(zhí)行何種操作。

(3)由時序與控制電路產(chǎn)生一系列控制信號，送到計算機各部

件以完成這一指令。

時序與控制電路除了接收譯碼器送來的信號外，還接收

CPU外部送來的信號，如中斷請求信號、復(fù)位信號等，這些信

號由控制總線送入。

時序與控制電路產(chǎn)生的控制信號一部分用于CPU內(nèi)部，控

制CPU各部件的工作，另一部分通過控制總線輸出，用于控制

存儲器和I/O接口的工作。

1.2：3核/；；；；；；；；；

寄存器用于暫存數(shù)據(jù)，暫存存儲器或I/O端口的地址，暫存程序

運行中的狀態(tài).....................................II

:由于寄存器的存取速度遠(yuǎn)比存儲器快，所以寄存器用于暫

存程序重復(fù)使用的數(shù)據(jù)、地址和中間結(jié)果，不必每次都送入存

儲器存放，從而提高程序的運行速度，同時還能簡化指令的機

器代碼。

通常寄存器分為三大類：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器和狀態(tài)寄存器。

1.數(shù)據(jù)寄存器

數(shù)據(jù)寄存器用于存放經(jīng)常操作的數(shù)據(jù)、I變量和中間結(jié)果。飛

2；地電寄湍器；；；；；；；；；

地址寄存器用于存放存儲器或I/O端口地址，以縮短指令長度，

加快指令運行速度，并能靈活修改地址，以便循環(huán)程序處理。

其中較為重要的如程序計數(shù)器PC(ProgramCounter),

也稱指令指針I(yè)P(lnstructionPointer)是管理程序執(zhí)行次序的

特殊功能寄存器。

程序的執(zhí)行有兩種情況，即順序執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)，程序計數(shù)器具

有以下功能：

(1)復(fù)位功能。微機通電時有上電復(fù)位，運行時有操作復(fù)位。

復(fù)位時微機進入初始狀態(tài)，PC的內(nèi)容將自動清零。如果用戶

主程序的首地址不是0000H,那么，只要在0000H單元中安

排一條無條件轉(zhuǎn)移指令，而用戶主程序從跳轉(zhuǎn)地址處開始存

放，微機復(fù)位后就轉(zhuǎn)去執(zhí)行用戶主程序。

(2)計數(shù)功能。微處理器讀取一條指令時，總是將PC的內(nèi)容

作為指令地址，并經(jīng)地址總線送到存儲器，從該地址單元中

取回指令的機器碼，送到指令寄存器。同時，每取回指令代

碼的一個字節(jié)，PC的內(nèi)容自動加1。因此，在執(zhí)行指令的階

段，PC的內(nèi)容已是按順序排列的下一條指令的地址。

(3)置位功能。PC能直接接收內(nèi)部總線送來的數(shù)據(jù)，并用該

數(shù)據(jù)取代其原有的內(nèi)容，程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)必須借助這一功能來

實現(xiàn)。

3.狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器用于存放指令(處理器)的運行狀態(tài)，如：

微處理器工作狀態(tài)(監(jiān)控態(tài)或用戶態(tài))、存儲器工作狀態(tài)(或管理模

式)、指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)(比如是否溢出等)、中斷狀態(tài)(如是否

允許中斷)等。

由于各微機的應(yīng)用場合和功能強弱不同，其狀態(tài)寄存器的內(nèi)

容也不同。

:其中較為重要的標(biāo)志寄存器F(Flag)又稱；

處理器狀態(tài)字PSW(ProcessorStatusWord),用來存放ALU

運算結(jié)果的一些特征，如溢出(0V)、進位(C)、輔助進位(AC)、

奇偶(P)、結(jié)果為零(Z)等。

8086、8088微處理器含有13個16位的寄存器和1個9位的標(biāo)

志寄存器。如圖1.9所示。其中三組可編程的寄存器，分別是

通用寄存器、段寄存器以及指針和變址寄存器。

D15D8D7DOD15DO

AXAHAL累加器CS代碼段寄存器

BXBHBL基址寄存器DS數(shù)據(jù)段寄存器

CXCHCL計數(shù)寄存器SS堆棧段寄存器

DXDHDL數(shù)據(jù)寄存器?ES附加寄存器

(a)通用寄存器(b)段寄存器

D15D0D15D0

SP堆棧指針I(yè)P指令指針

BP基址指針(d)指令指針

SI,源變址寄存器DllD0

DI目的變址寄存器F0DITSZAPC標(biāo)志寄存器

(c)指針和變址寄存器(e)標(biāo)志寄存器

圖1.98086、8088微處理器的寄存器

(1)通用寄存器AX、BX、CX和DX,主要用來保存算術(shù)和邏輯

運算的操作數(shù)和運算結(jié)果。8086、8088每個通用寄存器既可

以作為一個16位寄存器使用，也可以分別作為2個8位寄存器使

用。每個通用寄存器的高8位和低8位都有各自的名稱，低8位

寄存器名稱分別為AL、BL、CL和DL,高8位寄存器的名稱則

為AH、BH、CH和DH。這些寄存器的雙重性使得8086很容易

地處理字節(jié)數(shù)據(jù)和字?jǐn)?shù)據(jù)。IIIIIII

(2)段寄存器CS、DS、SS和ES,用來指定相應(yīng)段的起始地址。

為了解決1MB的存儲空間尋址問題，8086、8088系統(tǒng)采用存

儲器分段技術(shù)。段寄存器都是16位寄存器，CS為代碼段寄存

器保存當(dāng)前代碼段的起始地址，DS為數(shù)據(jù)段寄存器保存當(dāng)前

數(shù)據(jù)段的起始地址，SS為堆棧段寄存器保存當(dāng)前堆棧段的起

始地址，ES為附加段寄存器保存當(dāng)前附加段的起始地址。

(3)指針和變址寄存器SP、BP、SI和DL通常用于存放某一個段

內(nèi)的偏移量。

8086微處理器中，SP和BP稱為指針寄存器，SI和DI稱為變址寄

存露||；；|；|；|>|

(4)指令指針I(yè)P,用于存放即將讀取的下一條指令的偏移地址。

用戶不能對其進行直接的讀寫操作，而由8086的總線接口部

件BIU負(fù)責(zé)修改，以保證它總是包存下一條要取的指令在現(xiàn)行代

碼段中的地址偏移量，即IP總是指向下一條待取的指令。；

(5)標(biāo)志寄存器F,用來記錄微處理器運行的狀態(tài)信息，或者控制

微處理器操作。包含有9個位，其中狀態(tài)標(biāo)志6位，在算術(shù)或邏輯

運算指令執(zhí)行之后自動設(shè)置。控制標(biāo)志3位，由用戶編程設(shè)定。

狀態(tài)標(biāo)志：

進位標(biāo)志位(CF)：反映上次運算是否在最高位產(chǎn)生一個進位或

借位。；；；；；；；；；\I

輔助進位標(biāo)志位(AF)：反映上次運算是否在低4位產(chǎn)生了一個

進位或借位。

溢出標(biāo)志位(OF)：反映上次運算是否產(chǎn)生一個超出范圍的帶符

號數(shù)結(jié)果。

零標(biāo)志位(ZF)：反映上次運算的結(jié)果是否為零。

符號標(biāo)志位(SF)：反映上次運算的結(jié)果是否為負(fù)數(shù)。

奇偶標(biāo)志位(PF)：反映上次運算結(jié)果的低8位中“1”的個數(shù)是

否為偶數(shù)。

控制標(biāo)志：

方向標(biāo)志位(DF)：控制串操作指令對字符串操作的方向。

中斷允許標(biāo)志位(IF)：表示是否允許CPU響應(yīng)外部可屏蔽中斷

請求。??II?????II

跟蹤標(biāo)志(TF)：為方便程序的調(diào)試，使處理器的執(zhí)行進人單步

方式而設(shè)置的控制標(biāo)志位。

第一章微型計算機基礎(chǔ)

■1.3存儲器

；存儲器是微機的重要組成部分。由于存儲器存

儲了需要處理的數(shù)據(jù)和程序，使微機具有了“記

憶功能”，微機才能脫離人的直接干預(yù)而自動地

工作。

衡量存儲器的性能指標(biāo)主要有三個，即容量、

速度和成本。

存儲器系統(tǒng)的容量越大，表明其能夠保存的信

息量越多，相應(yīng)計算機系統(tǒng)的功能就越強，因此

存儲容量是存儲器系統(tǒng)的第一性能指標(biāo)。

為了在一個存儲器系統(tǒng)中兼顧以上三個

方面的指標(biāo)，目前在計算機系統(tǒng)中通常采

用三級存儲器結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲

器、主存儲器和輔助存儲器，由這三者構(gòu)

成一個統(tǒng)一的存儲系統(tǒng)。從整體看，其速

度接近高速緩存的速度，其容量接近輔存

的容量，而位成本則接近廉價慢速的輔存

平均價格。

?1.3.1存儲器分類

隨著計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和器件的發(fā)展,

存儲器的種類日益繁多，分類的方法也有很

多種，可按存儲器的存儲介質(zhì)劃分，按存取

方式劃分，按存儲器在計算機中的作用劃分

等。

?7.按存儲介質(zhì)分類；；；；；

按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)的不同主

要可分為半導(dǎo)體存儲器、光電存儲器、磁表

面存儲器以及光盤存儲器等。目前，絕大多

數(shù)計算機使用的都是半導(dǎo)體存儲器。

?2.按存取方式分類

按對存儲器的存取方式可分為隨機存取存

儲器、只讀存儲器等。

?(1)隨機訪問存儲器RAM

隨機訪問存儲器(RandomAccess

Memory)又稱讀寫存儲器，指通過指令可以

隨機地對各個存儲單元進行訪問。

按照存放信息的方式不同，隨機存儲器又

可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM是以雙

穩(wěn)態(tài)元件作為基本的存儲單元來保存信息，

因此，其保存的信息在不斷電的情況下，

是不會被破壞的。而動態(tài)RAM是靠電容來

存放信息的，由于電容的充放電功能，使

得這種存儲器中存放的信息會隨著時間的

流逝而丟失，因此必須定時進行刷新。

■(2)只讀存儲器ROM

只讀存儲器(ReadOnlyMemory)指在微機系

統(tǒng)在線工作過程中，對其內(nèi)容只能讀出不能寫入

的存儲器。它通常用來存放固定不變的程序，漢

字字型庫、字符等不變的數(shù)據(jù)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，只讀存儲器也出現(xiàn)了

不同的種類，如掩膜型只讀存儲器MROM

(MaskedROM),可編程序只讀存儲器PROM

(ProgrammableROM),可擦除可編程只讀存儲

器EPROM(ErasablePROM),電可擦除可編程

只讀存儲器EEPROM(ElectricalEPROM),以

及近年迅速發(fā)展的快擦寫型存儲器(Flash

Memory)o

■3.按在微機中的作用分類

按在微機中的作用可以分為主存儲器（內(nèi)

存）、輔助存儲器（外存）、緩沖存儲器等。

主存儲器速度快，但容量較小，位價格較

高。輔存速度慢，容量大，位價格較低。

緩沖存儲器用在兩個不同工作速度的部件

之間，在交換信息過程中起緩沖作用。

存儲器分類如下圖所示

11EJ雙極型半導(dǎo)體存儲器一0，

隨機訪問存儲器］［六/比里地太…f夫DAM

［MOS型存儲器：靜態(tài)R