微机原理与接口技术

1. 微机原理与接口技术 武汉大学电子信息学院

2. 并口连接器 鼠标键盘 USB 接口 串口连接器 ROM BIOS CPU插槽 主板 电源 插座 ISA插 槽 北桥 芯片组 PCI插槽 AGP插 槽 内存插槽 南桥 芯片组 软驱接口 IDE接口

3. 课程性质： 专业技术必修课程。 课程的特点：前后知识相互关联，互为基础。偏重硬件，实用性强。 基础要求： 数字电路、计算机算法语言等 特点：内容多,学时少, 进度快，难度大，应用广。 讲课内容: 汇编语言、接口技术。 讲课学时: 共72学时。 考试成绩：由期终考试成绩和平时成绩综合评定。

4. 教材：微型计算机原理与接口技术 吴秀清等 编著 中国科学技术大学出版 参考教材：IBMPC汇编语言程序设计 沈美明等 编著 清华大学出版社出版 微机计算机技术及应用 戴梅萼 编著 清华大学出版社出版 微机原理与接口技术 龚尚福等编著 西安电子科技大学出版

5. 微机原理与接口技术 I/O接口电路及与外设的连接 典型机型：IBM PC系列机 基本系统：8086（8088）CPU 硬件：接口电路原理 软件：接口编程方法

6. 第1章 微型计算机基础 1.1 微型计算机概述 1.2 微型计算机系统 1.3 计算机中的数制及其转换 1.4 计算机中数与字符的编码

7. 1.1微型机算机概述1.1.1计算机的发展 ENIAC (1946) 掌上电脑(2000) 世界上第一台电子计算机是1943-1946年美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)。

8. 根据计算机所采用的逻辑器件的发展，将其分为四代： 第一代：电子管计算机时代（1946-20世纪50年代后期） 第二代：晶体管计算机时代（20世纪50年代中期到60年代中后期） 第三代：集成电路计算机时代（20世纪60年代中期到70年代前期） 第四代：大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代开始） *微型计算机是第四代计算机的典型代表。

9. 用机器语言、汇编语言编写程 • 用于军事和国防尖端技术 • 开始使用高级语言 • 开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域 • 采用微程序、流水线等技术， 提高运行速度 • 出现操作系统、诊断程序等软件 • 采用半导体存储器 • 采用图形界面操作系统 • 器件速度更快, 软件、外设更加丰富 主 要 特 点 电子管计算机 (1946—1956) 晶体管计算机 (1957—1964) 集成电路计算机 (1965—1970) 大规模集成 电路计算机 (1971—至今)

10. 现代计算机的结构基础：存储程序控制结构 1945年，由美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出, 称为冯•诺依曼计算机。其工作原理可概述为： “存储程序” + “程序控制” 要点： 1．以二进制表示数据和指令(程序)。 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行。

11. 1.1.2 微型计算机的特点 • 功能强 • 可靠性高 • 价格低 • 适应性强 • 周期短见效快（研制周期短，产品系列化，便于组建系统） • 体积小，重量轻，耗电小 • 维护方便 • 应用面广 科学计算，数据处理，事务管理，教学培训 • 计算辅助设计和制造，家庭娱乐，网络通信

12. 了解微型计算机的应用，明确学习本课程的目的！了解微型计算机的应用，明确学习本课程的目的！ 早期：科学计算。 特点：没有很强的实时性要求，不需要专用I/O设备。 60年代后重点转移：信息处理、过程控制。 特点：实时性强，需要专用I/O设备。 因此，需掌握： （1）汇编语言编程——实时性强，要求程序精练，运行快。 （2）接口技术——专用I/O设备与计算机的连结和程控。

13. 1.1.3 微型计算机的指标 1、字长 微机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。它与微处理器内部寄存器及CPU内部数据总线宽度是一致的，字长越长，所表示的数据精度就越高。当精度相等时，字长较长的微处理器运算速度快。 * 字长是衡量CPU工作性能的一个重要参数。 不同类型的CPU有不同的字长。 • 如: Intel 4004 是 4 位 • 8080 是 8 位 • 8088/ 8086/80286 是 16 位 • 80386/80486、Pentium 是 32 位

14. 1010 1100 0110 0101 1001 1000 0100 0011 被加数 • + 1100 0011 1100 0011 0001 0101 0101 1000 加数 • 进位 1 1 1111 1 111 1 1 • 0111 0000 0010 1000 1010 1101 1001 1011 和 4位 8次 8位 4次 16位 2次 32位 1次

15. 2、存储容量 存储容量是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。 下面是几个常用概念： 位：( bit) 指计算机能表示的最基本最小的单位。在计算机中采用二进制表示数据和指令，故：位就是一个二进制位，有两种状态，“0” 和 “1” • 字节：( Byte )8位二进制数称为一个字节 1 Byte = 8 bit • 字：(Word) 16位二进制数称为一个字 1 Word = 2 Byte • 双字：（Dword) 32位二进制数称为一个双字 • 1 DWord = 2 Word= 4 Byte

16. 位 1 或 0 1位 • 字节 1100 0011 8位 • 字 1100 0011 0011 1100 16位 • 双字 1100 0011 0011 1100 1100 0011 0011 1100 32位 高字节 低字节 高 字 低 字 例： *存储器容量以字节为最基本的计量单位。 1字节——1B 1024B——1KB 1024KB——1MB 1024MB——1GB

17. ← 编号 1 0 1 0 0 0 1 0 字节 数据Data 地址Address A7 D7 D6 A6 A5 D5 D4 A4 A3 D3 D2 A2 A1 D1 D0 A0 7 6 5 4 3 2 1 0 位编号 为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。 从低位开始，从右到左依次为 0、1、2．．．

18. 字的编号为15 ~ 0 15 8 7 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 D15 D8 D7 D0 A15 A8 A7 A0 双字的编号依此类推，为31 ~ 0

19. 3、指令执行时间 指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机执行一条指令运行速度的快慢。 该项指标与微处理器工作主频、指令系统设计、CPU体系结构等有关。 4、系统总线 系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道。 其性能表现为数据传送位数和总线工作时钟频率（外频）。系统总线的信息吞吐率越高，微机系统的性能就越强。目前采用的总线标准如：PC总线、ISA、EISA、VESA、PCI总线等。 5、外部设备配置：显示器、打印机、网卡等 6、系统软件配置：DOS、Windows

20. 1.1.4 微型计算机的分类 1、按微处理器的位数分类 8位机、 16位机、32位机、 64位机 2、按微型计算机的用途分类 通用机、专用机 3、按微型计算机的档次分类 低档机、中档机、高档机（按微处理器档次分如：8086机、386机、586-Pentium机、Pentium4机) 以Intel公司生产的80x86为例列出微机性能指标表如下：

21. 80x86微机性能指标表

22. 单片机 • 将CPU、内存、I/O接口电路全部集成一块芯片上， • 构成具备基本功能的计算机，称单片机。 • 特点：超小型、高可靠性、价廉 • 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等 • 产品：Intel 的8051、8096/8098系列 (有限选课) • Motorola 的6801、6805系列 • Hitachi (日立) 的 H8S、SH系列 4、按微型计算机的组装形式和系统规模分类 单片机、单板机、个人计算（PC)机

23. 单板机 • 将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路 • 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。 • 特点：结构简单、价廉 • 应用：过程控制、数据处理 • 产品：TP-801 以Z80CPU为核心的单板机 • 80年代各院校“微机原理”的实验机

24. 个人计算（PC）机 PC机是将一块主机板（包括微处理器、内存储器、输入输出接口等芯片）和若干接口卡、外存、电源等部件组装在一个机箱内，并配置显示器、键盘、鼠标等外设和系统软件构成的微机系统。 • 桌上型：台式电脑 便携型：笔记本

25. 1.2 微型计算机系统1.2.1 微型计算机 微型计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，并以微处理器（CPU: central processing unit）芯片为核心，通过总线连接成一个整体。 输 入 设 备 输 出 设 备 存储器 接口 接 口 运算器ALU 控制器 微处理器CPU 主 机 图1.1 计算机硬件系统组成

26. 微处理器（CPU）：运算器加控制器（包括寄存器组）微处理器（CPU）：运算器加控制器（包括寄存器组） 运算器 对数据信息进行加工处理的部件（完成算数、逻辑运算和其他操作）。 控制器 微机的指挥控制中心，控制各部件协调工作。 存储器 存放程序和数据的部件，分主存储器和辅助存储器。 输入/输出（I/O)设备 输入/输出（I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连。

27. 微型计算机各部件通过总线连接 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB

28. 1.2.2 微型计算机系统 微型计算机的硬件系统称为裸机，裸机配上系统软件，加上电源和合适的外设，就构成了一个可以使用的微型计算机系统。 软件是指为运行、维护、管理和应用计算机所编制的所有程序的集合，一般分为系统软件和应用软件两大类。 *参见：微型计算机系统层次结构示意图

29. 微型计算机系统的组成 • 微处理器(Microprocessor) • 微型计算机(Microcomputer) • 微计算机系统(Microcomputer system)

30. ALU 寄存器 控制部件 微 处 理 器 CPU 存储器(RAM,ROM) I/O接口 总线 主 机 硬 件 软 件 键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 微 型 计算机 系 统 外 设 系统软件：DOS、Windows 95/98/2000 应用软件：Word、Photoshop *微机系统硬件、软件互为基础，互相支持。

31. 1.2.3 总线 CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 总线 BUS 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线， 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输的。

32. 按总线的使用角度可分为以下几类 内部总线：是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路。 元件级（微处理器级）总线：连接计算机中两个主要部件的总线。——主体是微处理器，通过微处理器与其它逻辑部分连接构成主机板。 板级（系统级）总线：微机系统都采用模块结构，各模块、板之间连接的总线。——主体是主机板，通过主机板与其它部件连接组成微机系统。 总线标准：国际上正式公布或推荐的系统各个模块互连的标准，包括插座的尺寸、引线的数目、含义和时序等。例：8086系列微机中的标准总线有：PC总线、ISA总线、EISA总线等。 局部总线：多总线结构，可减少总线竞争，提高系统效率。例：PCI局部总线，完全实现即插即用（Pnp)。

33. 微机系统的组织方式： CPU 元件级总线主板系统级总线外设（多个）

34. 并口连接器 鼠标键盘 USB 接口 串口连接器 ROM BIOS CPU插槽 主板 电源 插座 ISA插 槽 北桥 芯片组 PCI插槽 AGP插 槽 内存插槽 南桥 芯片组 软驱接口 IDE接口

35. Pentium III L2 Cache 550MHz 550MHz L1 Cache 处理机总线 100MHz 显 示 器 100MHz 内存条 AGP 北桥 440BX 显卡 66MHz PCI 插槽 PCI 总线 33MHz USB IDE1 MODEM 硬盘 光驱 软驱 键盘鼠标 打印机 南桥 PIIX4E IDE2 CMOS & RTC ISA总线 8MHz ISA 插槽 COM1 超级I/O COM2 LPT1 ROM BIOS

36. 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 按信号的作用总线分为三类: 地址总线（Address Bus)、 数据总线(Data Bus)、 控制总线 (Control Bus)

37. 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB • 地址总线 AB ( Address Bus) ：单向 • 用来传送CPU输出的地址信号， • 确定被访问的存储单元、I/O端口。

38. 地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。 • 10根 → 210 1024 1K • 16根 → 216 65536 64K • 20根 → 220 1024K 1M • 32根 → 232 22× 230 4G • 36根 → 236 26× 230 64G

39. 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB • 数据总线 DB ( Data Bus )：双向 • 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。

40. 数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。 8 根 → 一次传送 8位 16 根 → 一次传送 16位 32 根 → 一次传送 32位 64 根 → 一次传送 64位

41. 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB 控制总线CB ( Control Bus ) ： 用于传送各种控制信号。 有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。

42. 1.3 计算机中的数制及其转换1.3.1 数与数制 （一）、进位计数制及其要素： 进位计数制：按进位原则进行计数的方法。 例：十进制数有 : 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十种状态。 我们说：十进制数基数10，变化范围0~（10-1）,逢十进一。 看一个十进制数： 4 0 9 4 每一位十种数码的状态(0~9) 千 百 十 个 本位绝对值的大小=数×位权 103102101100 如：千位= 4×103=4000

43. 十进制数有二个要素： 1. 基数：10 逢 十 进 一 2. 位权：10i 某一位数绝对值大小 = 数×位权. 二个要素: 适用于二、八、十六进制。 二进制数：基数2 位权2i 八进制数：基数8 位权8i 十六进制数: 基数16 位权16i

44. （二）、 进位计数制的表示方法： 1234．56= 1  103+2  102+3  101+4  100+5  10-1+6  10-2 推广到任意十进制： N=±[k n 10n+k n-1 10 n-1+……+k0 100 +k-1 10-1+…… +k-m 10-m] = ±  [ k i 10i] (i= -m~n) 任何某一位数大小 = k i 10i 对于任意进制:N= ±  [k i  R i] (i=-m~n) R — 基数 ， 逢R进一. Ri— 位权

45. 例如：二进制数 B=10011101 B=1  27+1  24+1  23+1  22+1  20 =（157）10 在计算机里进行运算和处理均是按二进制数处理的。 而二进制数写起来麻烦; 写时又以八进制或十六进制表示； 日常生活中又常用十进制， 因此就有：二 十 八  十 二  八 数制之间转换问题 十六  十 二  十六

46. 1.3.2 不同数制之间的转换（一） 十  二 • 整数 十 → 二 （除2取余法） • 方法： • 整数除2取余，直到商为0为止， 读数由后向前。

47. 例：将（217）10 转化为二进制形式。 余数： 按照相反的方向写下来。 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 /2 217  108  54  27  13  6  3  1  0 ----商         1 0 0 1 1 0 1 1 ---- 余数 (217) 10=（11011001）2 书写方向

48. 小数十→二: 乘2取整 • 方法：对十进制数逐次乘2， • 即乘2取整法，位数取决于要求精度。

49. 例： (0.613)10 2=1.226 k-1=1 (0.226)10 2=0.452 k-2=0 (0.452)10 2=0.904 k-3=0 (0.904)10 2=1.808 k-4=1 （0. 1001）2 =（0. 5625）10 (0.808)10 2=1.616 k-5=1 （0.10011）2=（0. 609375）10 (0.616)10 2=1.232 k-6=1 (0.613)10=(0.100111)2 既有整数又有小数部分的，可分别转换，再组合起来。

50. 3. 二→十 按权展开，求累加和。 例： （0. 1001）2 =1  2-1+1  2-4=0. 5+0. 0625=（0. 5625）10 （1001）2=1  23+0  22+0  21+1  20 =（9）10 *下页是常用的几种数制写法： （八位二进制数）