微机原理

微机原理 主讲教师方义秋辅导教师易芝

教材《32位微型计算机原理与接口技术》仇玉章主编清华大学出版社

参考文献： • 《微型计算机硬件技术及应用基础》邹逢兴主编国防科技大学出版社 • 《32微型计算机原理接口技术及其应用》史新福等编西北工业大学出版社 • http://oa.gdut.edu.cn/wjyljyy/jiaoan/jiaoan_new.asp 广东工业大学★ • http://www.nciae.edu.cn/excellent_course/fjsjzywjxlkc_wjylyjkjs_course_resume.asp 华北航天工业大学★ • http://jwc.njust.edu.cn/jpkc/weijiyl/web/i3wjsyjx1.htm 南京理工大学★ • http://jwc.seu.edu.cn/jpkc/declare/08wjjk/louyuwu/index.asp 东南大学

《微型机原理与接口技术》课程简介及要求 1. 课程性质及教学目的《微型计算机原理与接口技术》是学习以Intel 80486为背景的32位微型计算机基本知识和应用技能的重要课程。本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计；熟悉各种类型的接口及其应用，树立起微型计算机体系结构的基本概念，为后继计算机课程的学习及应用打好基础。

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 2. 课程教学安排 • 理论教学学时：58学时 • 实验学时：6学时 • 考试形式：以笔试为主占70%，实践占20%，作业占10% 3. 教材主体内容结构 • 基本知识与基本概念 • 计算机中的数据表示：数制与编码 • 计算机的系统组成：硬件、软件 • 存储器的基础知识

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 • 80486微处理器 • 微处理器内部结构 • 80486的工作模式：实地址模式、保护虚地址模式和虚拟86方式 • 80486的外部引脚 • 指令系统与汇编语言 • 指令的概念与寻址方式 • 80486指令系统介绍 • 汇编语言格式、基本表达、伪指令介绍 • 汇编语言源程序的建立、编辑、运行、调试

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 • 汇编语言程序设计及其应用 • 程序设计的方法和步骤 • 顺序程序、分支程序、循环程序、子程序的设计 • DOS和BIOS中断调用 • DOS功能调用 • BIOS中断调用

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 • 输入输出系统 • 输入输出接口概述 • 信息交换方式：无条件方式、查询方式、中断方式及DMA方式 • 可编程定时/计数器8254 • 中断系统 • 中断的概念 • 中断向量及其作用 • 软中断与硬件中断的区别 • 微机系统的中断处理过程 • 可编程中断控制器8259A及其应用

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 • 串行通信 • 1．串行同步通信与异步通信的基本概念 • 2．串行通信接口标准RS-232C • 3．8250接口的内部结构，端口地址分配，分频率系数的计算与初始化步骤。 • 4．8251A的内部结构，同步收/发与异步收/发，初始化方法 • 并行I/0接口芯片 • 1．8255A的内部结构：两组控制电路，三个端口，方式0、方式1与方式2的特点与使用场合。 • 2．8255A方式选择控制字和C口置位/复位控制字的含义及使用。8255A的应用和初始化。

《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求《微型计算机原理与接口技术》课程简介及要求 • DMA控制器 • 1．DMA的工作过程 • 2．8237A的内部结构和基本功能 • 3．8237A各个内部寄存器的作用 • 存储系统 • 1．虚拟存储器的概念 • 2．80486的段式存储器、页式存储器、段页式存储器 • 3．Cache的工作原理

第一章数制和码制 • 1.1计算机中的数制 • 1.2计算机中的码制 • １.3浮点数基本概念

1.1计算机中的数制 计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，二进制数只有两个数字0和1，这与我们日常生活中所使用的十进制数是不同的。　１、１、１计算机中常用的计数制人们最常用的数是十进制数，计算机中采用的是二进制数，同时有的时候为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。 1、十进制数十进制数是大家熟悉的，用0，1，2，…，8，9十个不同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。

2、二进制表示法 基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。二进制表示数值方法如下： NB = ± Ki * 2i 其中：Ki = 0 或 1 n i=-m 例：二进制数1011.1表示如下： (1011.1)B= 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20+1 * 2-1

运算规则： 加法运算： 0+0 = 0 0+1 = 1 1+0 = 1 1+1 =10 （逢二进一）减法运算： 0-0 = 0 10-1 =1 （借位） 1-0 = 1 1-1 =0 乘法运算： 0 * 0 =0 0 * 1 =0 1 * 0 =0 1 * 1 =1 除法运算 0 / 1 =0 1 / 1 =1

3、八进制表示法 八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，…，7这八个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。八进制表示数值方法如下： NO = ± Ki * 8i 其中：Ki = 0 、1、2、3、4、5、6、7 n i=-m 例：（467.6)O=4 * 82+ 6 * 81+ 7 * 80 + 6 * 8-1

4、十六进制表示法 基数为16，用0 - 9 、A - F 十五个字符来数值，逢十六进一。各位的权值为 16i 。二进制表示数值方法如下： NH= ± Ki * 16i 其中：Ki = 0 - 9 、A - F n i=-m 例：（56D.3)H = 5 * 162+ 6 * 161 + 13 * 160 + 3 * 16-1

计数制 基数数码进位关系表示方法二进制 2 0、1 逢二进一 1010B或（1010）2 八进制 8 0、1、2、3、4、5、6、7 逢八进一 247O或（247）8 十进制 10 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 逢十进一 598D或（598）10 十六进制 16 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F 逢十六进一 7C2F H或（7C2F）16 下表给出了计算机中不同计数制的基数、数码、进位关系和表示方法。

1、１、2 数制间的转换 1、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加即可。例:11101.101 =1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3 =16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125 =29.875

（2）、十进制数转换为二进制数 方法： A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。 B、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。 C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。

例：将（136）D转换为二进制数。 2 136 余数（结果）低位 2 68 ---------- 0 2 34 ---------- 0 2 17 ---------- 0 2 8 ---------- 1 2 4 ---------- 0 2 2 ---------- 0 2 1 ---------- 0 0 ---------- 1 高位转换结果：（136）D=（10001000）B

例：将（0.625)D转换为二进制数。 0.625 * 2 1.25 * 20.5 * 21.0 取整：高位低位转换结果：(0.625)D = (0.101)B

2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换 A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。 B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。 1000 110 . 01 001000 110 . 010 ( 1 0 6 . 2 )O

二进制数到十六进制数的转换： （1000110.01）B = 100 0110 . 01 0100 0110 . 0100 (4 6 . 4)H （2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用“一位化三位（四位）”的方法。按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。例：将(352.6)o转换为二进制数。 3 5 2 . 6 011 101 010 110 =(11 101 010 . 11)B

1.1.3 计算机中常用的编码 计算机除了用于数值计算之外，还要进行大量的文字信息处理，也就是要对表达各种文字信息的符号进行加工。计算机中目前最通用的两种字符编码分别是美国信息交换标准代码（ASCII码）和二—十进制编码（BCD码）。 1. 美国信息交换标准代码（ASCII码） ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码是美国信息交换标准代码的简称，用于给西文字符编码，包括英文字母的大小写、数字、专用字符、控制字符等。这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128种字符，目前在国际上广泛流行。（见书 P.3 表1.2）

2. 二—十进制编码——BCD码 BCD（Binary-Coded Decimal）码又称为“二—十进制编码”，专门解决用二进制数表示十进数的问题。 “二—十进制编码”最常用的是8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数，自左至右每一位对应的位权是8、4、2、1。由于4位二进制数有0000~1111共16种状态，而十进制数0~9只取0000~1001的10种状态，其余6种不用。

通常，BCD码有两种形式，即压缩BCD码和非压缩BCD码。通常，BCD码有两种形式，即压缩BCD码和非压缩BCD码。（1）压缩BCD码：压缩BCD码的每一位数采用4位二进制数来表示，即一个字节表示两位十进制数。例如：十进制数59D，采用压缩BCD码表示为二进制数是01011001B。（2）非压缩BCD码：非压缩BCD码的每一位数采用8位二进制数来表示，即一个字节表示1位十进制数。而且只用每个字节的低4位来表示0~9，高4位为0。例如：十进制数87D，采用非压缩BCD码表示为二进制数是00001000 00000111B。

3. 汉字编码 具有汉字信息处理能力的计算机系统，除了配备必要的汉字设备和接口外，还应该装配有支持汉字信息输入、输出和处理的操作系统。（1）汉字输入码：用于外部输入汉字，也称为外码。有顺序码——将汉字按一定顺序排好，然后逐个赋予1个号码作为该汉字的编码，例如区位码；音码——根据汉字的读音进行编码，例如拼音码；形码——根据汉字的字形进行编码，例如五笔字型；音形码——根据汉字的读音和字形进行编码，例如双拼码。（2）汉字机内码：是汉字处理系统内部存储、处理汉字而使用的编码，简称内码。内码与国家标准GB2312-80汉字字符集有简明的一一对应关系。

（3）汉字交换码：是汉字信息处理系统之间或通信系统之间传输信息时，对每个汉字所规定的统一编码。我国已指定了汉字交换码的国家标准“信息交换用汉字编码字符集——基本集”，代号GB2321-80，又称“国标码”。国标码字符集共收录汉字和图形符号7445个。其中：一级常用汉字3755个；二级非常用汉字和偏旁部首3008个；图形符号682个。国标码是所有汉字编码都应该遵循的标准，自公布这一标准后，汉字机内码的编码、汉字字库的设计、汉字输入码的转换、输出设备的汉字地址码等，都以此标准为基础。（3）汉字交换码：是汉字信息处理系统之间或通信系统之间传输信息时，对每个汉字所规定的统一编码。我国已指定了汉字交换码的国家标准“信息交换用汉字编码字符集——基本集”，代号GB2321-80，又称“国标码”。国标码字符集共收录汉字和图形符号7445个。其中：一级常用汉字3755个；二级非常用汉字和偏旁部首3008个；图形符号682个。国标码是所有汉字编码都应该遵循的标准，自公布这一标准后，汉字机内码的编码、汉字字库的设计、汉字输入码的转换、输出设备的汉字地址码等，都以此标准为基础。返回

1.2 计算机中的码制 1. 基本概念在计算机内部表示二进制数的方法通常称为数值编码，把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化，这样的数称为机器数。机器数所代表的数称为该机器数的真值。

（1）机器数的符号：在算术运算中，数据是有正有负的，称之为带符号数。为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为符号位，并用“0”表示正数，用“1”表示负数。例如：字长为8位二进制时，D7为符号位，其余D6~D0为数值位；字长为16位二进制数时，D15为符号位，其余D14~D0为数值位。（1）机器数的符号：在算术运算中，数据是有正有负的，称之为带符号数。为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为符号位，并用“0”表示正数，用“1”表示负数。例如：字长为8位二进制时，D7为符号位，其余D6~D0为数值位；字长为16位二进制数时，D15为符号位，其余D14~D0为数值位。 ·如： 01100000B，10110000B称机器数，对应有符号的数：+1100000B ，-0110000B 称真值数，值为+96，-48 无符号的数：01100000B，10110000B 其十进制数为96，176

（2）机器数的范围：由计算机的CPU字长来决定。（2）机器数的范围：由计算机的CPU字长来决定。当使用8位寄存器时，字长为8位，所以一个无符号整数的最大值是：（11111111）B=（255）D，此时机器数的范围是0~255。当使用16位寄存器时，字长为16位，所以一个无符号整数的最大值是：（1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D，此时机器数的范围是0~65535

（3）机器数中小数点的位置： 在机器中，小数点的位置通常有两种约定，一种规定小数点的位置固定不变，这时的机器数称为“定点数”；另一种规定小数点的位置可以浮动，这时的机器数称为“浮点数”。

2. 机器数的原码、反码、补码 （1）原码：规定正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码。例如：当机器字长为8位二进制数时： X＝＋1011011 [X]原码＝01011011 Y＝－1011011 [Y]原码＝11011011 X＝＋0000000 [X]原码＝00000000 Y＝－0000000 [Y]原码＝10000000 原码表示的整数范围是－（2n-1－1）~＋（2n-1－1），其中n为机器字长。通常：8位二进制原码表示的整数范围是－127~＋127， 16位二进制原码表示的整数范围是－32767~＋32767。

（2）反码：对于一个带符号的数来说， [正数]反=[正数]原，既正数的反码与其原码相同； [负数]反=其原码除符号位以外的各位按位取反。例如：当机器字长为8位二进制数时： X＝＋1011011 [X]原码＝01011011 [X]反码＝01011011 Y＝－1011011 [Y]原码＝11011011 [Y]反码＝10100100 X＝＋0000000 [X]原码＝00000000 [X]反码＝00000000 Y＝－0000000 [Y]原码＝10000000 [Y]反码＝11111111 反码表示的整数范围是－（2n-1－1）~＋（2n-1－1），其中n为机器字长。负数的反码与负数的原码有很大的区别，反码通常用作求补码过程中的中间形式。

（3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。（3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。例如： X＝＋1011011X＝＋0000000 [X]原码＝01011011 [X]原码＝00000000 [X]补码＝01011011 [X]补码＝00000000 Y＝－1011011Y＝－0000000 [Y]原码＝11011011 [Y]原码＝10000000 [Y]反码＝10100100 [Y]反码＝11111111 [Y]补码＝10100101 [Y]补码＝00000000 补码表示的整数范围是－2n-1~＋（2n-1－1），其中n为机器字长。则：8位二进制补码表示的整数范围是－128~＋127， 16位二进制补码表示的整数范围是－32768~＋32767。负零的补码和正零的补码相同。

3．整数补码的运算 （１）模——某一计量器的最大单位。如：时钟１２点；８位寄存器，可表达00000000~11111111共256个数，，故模为28 N位寄存器，模为2n （2）有模的运算凡是用器件进行的运算都是有摸运算。当运算结果大于摸时，超出的部分被运算器自动“丢弃”（保存在进位标志寄存器中）。

如：时钟拨准，现是3点，而时针指向5点，拨准的方法有二：如：时钟拨准，现是3点，而时针指向5点，拨准的方法有二：５－２＝３（逆时针拨２小时）５＋１０＝３，１２丢失（顺时针拨１０小时）　（mod 12）有 X+12=X 若Ｘ＝－５，则－５＋１２＝—５，即 7＝－５　称７是（－５）对模１２的补码。在摸12的意义下，负数可以转化为正数，而正负数相加也可转化为正数间的相加。如： 4＋（－5）=４＋（１２－５）＝４＋７

（3）求补运算——按位取反，末位加１ 例如： X＝+75=＋1001011X＝-75= - 1001011 [+X]补码＝01001011 [-X]补码＝10110101 按位取反： 10110100 01001010 末位加1： 10110101 01001011 对［＋Ｘ］补码按位取反末位加１，就得到［－Ｘ］补码对［－Ｘ］补码按位取反末位加１，就得到［＋Ｘ］补码

补码与真值之间的转换：给定机器数的真值可以通过补码的定义来完成真值到补码的转换，若已知某数的补码求其真值，计算方法如下：补码与真值之间的转换：给定机器数的真值可以通过补码的定义来完成真值到补码的转换，若已知某数的补码求其真值，计算方法如下： • 正数补码的真值等于补码的本身； • 负数补码转换为其真值时，利用“求补运算”，即可得到该负数补码对应的真值。

（4）整数补码的运算 补码的加法规则：　　　［Ｘ＋Ｙ］补码＝［Ｘ］补＋［Ｙ］补码补码的减法规则：　　［Ｘ－Ｙ］补码＝［Ｘ］补＋［－Ｙ］补码其中X，Y为正负数皆可，符号位参加运算。当满足－２ｎ－１ ≤（X，Y，X±Y）<　２ｎ－１条件时，可得正确结果。（n为字长，以２ｎ为模）例1．2．1 （P. 6）例1．2．2（P.6）

4．无符号数 8位寄存器的内容　11111111B，若是无符号数。其值等于255；若是补码数，其真值等于－１；若是反码数，其真值等于－０；一个数的物理意义，由程序员却决定。

5．进位和溢出 • （１）进位——运算之后，最高位向更高位的进位。被运算器“丢弃”，保存在“进位标志触发器”中（C标志=1）。 • 有符号数，不能统计在运算结果中。 • 无符号数，进位值是结果的一部分，不能丢弃。 • （２）溢出——运算结果超出了寄存器所能表示的范围，此时，“溢出触发器”置1（O标志=1）

（3）溢出判断——双高位判别法 设：Ｃs——表征符号位进位，有进位Cs=1，否则，Cs=0； Cp——表征数值部分的进位（进入到符号位），有进位Cp=1，否则Cp=0； l当Cs=0，Cp=1时，溢出为“正溢出”，（两个正数相加）。例yl1-5 l当Cs=1，Cp=0时，溢出为“负溢出”，（两个负数相加）。例YL1-6 l当Cs=0，Cp=0时，无溢出，例YL1-7 l当Cs=1，Cp=1时，无溢出，例YL1-8 l一个正数和一个负数相加，和肯定不溢出。例 YL1-9 微机中用“异或”线路来判断有无溢出，即Cs⊕Cp=1，溢出标志O为1。对无符号数，只要有进位，即溢出。返回

l当Cs=0，Cp=1时，溢出为“正溢出”，（两个正数相加）l当Cs=0，Cp=1时，溢出为“正溢出”，（两个正数相加）例yl1-5 返回

l当Cs=1，Cp=0时，溢出为“负溢出”， （两个负数相加）例YL1-6 返回

l当Cs=0，Cp=0时，无溢出，例YL1-7 返回

l当Cs=1，Cp=1时，无溢出，例YL1-8 返回

l一个正数和一个负数相加，和肯定不溢出。 例 YL1-9 返回

１.3浮点数基本概念 1.浮点数浮点数的统一格式：Ｓ——尾数；尾符；Ｊ——阶码，表示小数点的实际位置；阶符；纯小数： S=0.1011010101 规格化的浮点真值数满足的条件： • 尾数为纯小数，且小数点后是1不是0。 • 阶码为整数

微机原理

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