第1章微型计算机概述_软件开发

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1. 教员信息姓名：李卓函单位：电信学部控制科学与工程学院办公室：创新院大厦A714 Email： ladaola@dlut.edu.cn 课程资源：论坛：碧海青天BBS电脑空间微机原理及应用课程PPT：百度网盘
2. 期末成绩计算期末总成绩 = 期末考试卷面成绩 × 90% + 平时成绩（10%）期末考试时间：期末考试周三次无故缺席者将取消考试资格！
3. 参考教材课程名称：计算机原理参考教材：《微型计算机技术及应用》（第4版），戴梅萼、史嘉权，清华大学出版社《IBM-PC汇编语言程序设计》沈美明、温冬禅，清华大学出版社《16/32位微机原理、汇编语言及接口技术》钱晓杰，机械工业出版社本课主要围绕PC机，分析微机的原理以及设计方法如何学习计算机原理这门课？
4. 目录第一章微型计算机概述第二章 16位微处理器8086 第三章指令系统第四章汇编语言程序设计第五章存储器第六章输入/输出接口设计第七章中断系统第八章可编程接口芯片第九章 AD/DA 转换第十章串行通信
5. 概述第一章微型计算机概述
6. 微机基本组成微型计算机（Micro-Computer) CPU (中央处理单元)ALU (算术逻辑单元)控制器Memory(存储器)RAM (读写存储器)ROM (只读存储器)I/O接口－主机与外设的匹配连接BUS (总线)AB (地址总线)DB (数据总线)CB (控制总线)CPU - Central Processing Unit ALU - Arithmetic Logic Unit
7. 总线总线定义：计算机用来传输信息的一组通信线。按传输内容分类：地址总线 (AB-Address Bus) 用于传递地址信息，单向，成组使用地址总线的宽度决定了CPU直接寻址内存的范围如：8086有20根地址线，即地址总线宽度为20位，可寻址2^20B = 1MB 数据总线（DB-Data Bus) 用于传递数据信息，双向，成组使用计算机的位一般是指数据总线的宽度如：8086有16根数据线，因此8086为16位机
8. 总线控制总线 (CB-Control Bus) 用于传输控制信号，以便控制计算机各部件协调工作各自独立使用，有发出，也有接收如：CPU向存储器发出的读信号、写信号地址数据复用总线地址总线与数据总线共用一组通信线，分时传送地址信息和数据信息（由同步信号区分），节省CPU引脚
9. 微型计算机系统微型计算机系统（MCS -- Micro-Computer System）以微型计算机为主体，配上系统软件就构成微型计算机系统。系统软件包括操作系统和一系列系统应用程序如编辑程序、编译程序、调试程序等有了系统软件才能发挥微机的硬件功能外设输入设备：鼠标、键盘、扫描仪输出设备：显示器、打印机、投影仪
10. 计算机主机图片
11. 计算机主板图片
12. IBM PC/XT系统板框图CPU 80888284A 时钟发生器扩展插槽 62芯总线地址锁存器数据收发器8288 总线控制器8087 协处理器8259 中断控制器8253 计数器/定时器8255 并行接口RAMROM键盘接口扬声器接口8237 DMA控制器地址总线数据总线控制总线键盘IBM PC/XT：基于8088 CPU，准16位机，16位CPU内部DB，8位外部DB，10MB硬盘IBM PC/AT：基于80286 CPU，配置16位ISA总线
13. 微处理器、单板机和单片机概念微处理器专指中央处理器(CPU)，是将计算机的运算器(ALU)和控制器集成在一个芯片上。如：8086，80386，Pentium，PII等单板机将CPU、存储器、I/O口以及简单的外设集成在一块板上，是一个简单的计算机系统。如：TP801A等。单片机将CPU、存储器、I/O口集成在一个芯片上。如：Intel MCS-48，MCS-51，MCS-96等
14. 微型计算机发展年代型号位数集成度（万）特点1971404040.21974808080.519788086162.919828028616101985803863227.5198880486321001个定点处理器，1个浮点处理器198980860321001993Pentium323102个定点处理器，1个浮点处理器 CPU片内32位DB，片外64位DB1995P. Pro645504个定点处理器，2个浮点处理器1997Pentium II64750片内集成2级Cache1999Pentium III6428102000Pentium Ⅳ644200
15. 微型计算机发展CPU位数不断增加，集成度不断提高，频率不断提高计算机的位 CPU片内数据总线的宽度决定了计算机的位数如：8位，16位，32位，64位，128位准16位机：CPU片内数据线宽度为16位，片外数据线宽度为8位如：8088，8098 由单处理器向多处理器发展指令系统由复杂指令集向精简指令集发展复杂指令集计算机（CISC – Complex Instruction Set Computer）精简指令集计算机（RISC – Reduced Instruction Set Computer） Intel在Pentium之前的CPU均属于CISC体系，从Pentium开始将CISC和RISC相结合，Pentium大多数指令是精简指令，但仍保留了一部分复杂指令
16. 计算机中的信息表示计算机中的信息表示计算机使用二进制存储，但书写时常用16进制计算机内所有代码以二进制表示，机器码又称二进制码 1位16进制数对应半个字节（4位二进制码）例 1000 0101 B 二进制 8 5 H 16进制注：书写16进制数时，若最高位是字母，则前面加0，表示是数据如0FEH 一些进制的简化符号: 2进制 - B(Binary)、 16进制－ H(Hex) 8进制 - O(Octal)、 10进制 - D(Decimal)
17. 无符号数表示无符号数表示二进制无符号数 — 码值与数值相等一个n位二进制无符号数表示的范围是0～(2^n - 1) 例：8位二进制无符号数表示的范围是0～255 16位二进制无符号数表示的范围是0～65535 BCD码(Binary Coded Decimal) 用半个字节表示1位十进制数压缩BCD码: 用1个字节表示2位BCD码，又称8421BCD码非压缩BCD码：用1个字节的低四位表示1位BCD码，高四位忽略例 0011 1001 b 在压缩格式下表示：39 在非压缩格式下表示：9
18. 有符号数表示有符号数表示原码将最高位作为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1，余下的其他位为数值位反码正数的反码与原码相同；负数的反码由该负数的原码按位取反(符号位除外)得到补码正数的补码与原码相同。负数的补码由该负数的原码按位取反(符号位除外)加1得到计算机内有符号数默认用补码表示
19. 有符号数范围一个字节有符号数范围原码表示： -127～+127 有+0，-0 1111 1111b – 1000 0000b - 0000 0000b – 0111 1111 -127 -0 +0 +127 反码表示：-127～+127 有+0，-0 1000 0000b – 1111 1111b – 0000 0000b – 0111 1111b -127 -0 +0 +127 补码表示：-128～+127 只有一个0 1000 0000b – 1111 1111b - 0000 0000b – 0111 1111b -128 -1 0 127 一个字的补码表示范围: -32768 ~ +32767 (只有一个0) 1000 0000 0000 0000 ~ 1111 1111 1111 1111 -32768 -1 0000 0000 0000 0000 ~ 0111 1111 1111 1111 0 +32767
20. 举例说明计算机内一个字节为 81H 1000 0001b 二进制 129 （二进制无符号数） BCD码 81 （压缩格式BCD码）原码 -1 反码 -126（1111 1110b —> 1000 0001b）补码 -127（1111 1111b —> 1000 0000b—>1000 0001b）一个代码，赋予不同类型，其数值不一样。而类型要由人编程指定数码表示举例取反取反加1原码反码补码
21. 溢出判断数学运算时，结果超出运算数所表示范围则会产生“溢出” 无符号数：通过进位或借位标志C标记“溢出”，避免产生错误结果有符号数：用标志O标记“溢出”，表示运算结果错误字节运算，结果超出-128～127，则为溢出字运算，结果超出-32768～32767，则为溢出双高位判别法最高位（符号位）是否有进位Cs异或次高位（数值的最高位）是否有进位Cp。溢出=Cs Cp例1：31-17=？ 0001 1111 b (31补码) + 1110 1111 b (-17补码) 1 0000 1110 b =+14 (无溢出）。。例2：127+127=？ 0111 1111 b (127补码) + 0111 1111 b (127补码) 1111 1110 b = -2 (溢出)。小数的定点和浮点表示，请查看相关书籍
22. 字符代码－ASCII码字符代码 ASCII码 — 美国标准信息交换码用7位二进制数表示128个字符包含26个英文大、小写字母，数字0～9，符号和命令符等 ASCII码在计算机内用一个字节表示，最高位一般为0，计算机与外设交换信息一般都用ASCII码如：字符显示器，字符打印机等注：需牢记字符 ‘0’～‘9’,‘A’～‘F’，‘a’～‘f’的ASCII码分别为30H～39H, 41H～46H， 61H～66H 汉字内码 GB2312定义了6763个汉字，其中一级字库3755字，二级字库3008字
23. 硬件基础知识硬件基础知识补充计算机硬件主要由逻辑门、触发器（D触发器）和三态门构成，使用器件为CMOS、TTL和NMOS。 TTL和CMOS电平范围如下表所示：单位(V)GNDVoLViLVtViHVoHVCC5V TTL00.40.81.522.453.3V CMOS00.40.81.522.43.35V CMOS00.41.52.53.54.445
24. 硬件基础知识要了解逻辑电平的内容，首先要知道以下几个概念的含义： 1 输入高电平（ViH）：保证逻辑门输入为高电平时所允许的最小输入电压，当输入电平高于ViH时，则认为输入电平为高电平。 2 输入低电平（ViL）：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入电压，当输入电平低于ViL时，则认为输入电平为低电平。 3 输出高电平（VoH）：保证逻辑门的输出为高电平时的最小输出电压，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此VoH。 4 输出低电平（VoL）：保证逻辑门的输出为低电平时的最大输出电压，逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此VoL。 5 阀值电平(Vt)：数字电路芯片都存在一个阈值电平，就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于ViL、ViH之间的电压值，对于CMOS电路的阈值电平，基本上是二分之一的电源电压值，但要保证稳定的输出，则必须要求输入高电平> ViH，输入低电平
25. 逻辑门一. 逻辑门与逻辑与门输入同时有效时，输出有效小圆圈为状态符号，代表低电平有效，可加在输出或输入端或逻辑或门输入任一有效，输出有效输出门或门可实现负逻辑的‘与’操作
26. 二. 三态缓冲器 1. 三态门 OE为低电平，F=A OE为高电平，F浮空可以由与F相连的其他输出器件输出三态缓冲器74LS125
27. 74LS12574LS125三态门内部电路
28. 单向三态缓冲器2. 单向三态缓冲器 — 74LS244 74LS244为TTL的单向三态缓冲器，有两个三态控制使能引脚G1和G2分别控制4个三态门当G1为低电平，1A输出到1Y 当G2为低电平，2A输出到2Y 当G1、G2为高电平时，输出为三态
29. 双向三态缓冲器3. 双向三态缓冲器 — 74LS245或INTEL 8286 74LS245为TTL双向三态缓冲器，有控制引脚DIR和EN 当EN为低电平，三态门导通: DIR为高电平，由A传输到B DIR为低电平，由B传输到A EN为高电平时，A、B均为三态
30. 锁存器三. 锁存器 1. D触发器1) 电平锁存2) 上升沿锁存3) 带异步清0的上升沿锁存74LS74内部电路
31. 74LS2732. 具有异步清零的TTL上升沿锁存器－74LS273 当CLK上升沿到来时，将输入端的数据D0～D7锁存到输出端Q0～Q7，当CLR为低电平时将锁存器输出清零
32. 电平锁存器3. 具有缓冲输出的TTL低电平锁存器－74LS373或INTEL8282 OE为低电平时，输出三态门打开，此时 LE为高电平，Q7～Q0跟随D7～D0 LE为低电平，数据锁存 OE为高电平时，输出Q7～Q0为三态
33. 74LS373内部电路74LS373功能框图74LS374内部电路74LS374为具有缓冲输出的上升沿锁存器
34. 计算机内的总线连接计算机内的总线连接为减少计算机内各部件之间的连线，采用总线结构，使各部件共用一组数据线。输入数据到总线的部件，一定要使用三态电路作缓冲需输出数据时，打开三态门，占用总线，传输信息不输出时，关闭三态门，使输出处于高阻状态，让出总线，不影响其它部件使用总线从总线输出数据的部件，常采用D触发器锁存总线数据常用总线技术时分技术：计算机内各部件之间的信息传送分时进行频分技术：CATV 有线电视，分频复用
35. 分时传送原理第1时刻—信息A传送给锁存器C：使TACLKC有效，即一个负脉冲，且TB和CLKD应保持无效；第2时刻—信息B传送给锁存器D：使TBCLKD有效，即一个负脉冲，且TA和CLKC应保持无效；
36. 总线的分类（按位置分）一个计算机系统包含多种类型总线，按所处位置可分为： 1. 内部总线位于CPU芯片内，用于连接片内各功能部件的总线内部总线的对外引线叫做CPU总线 2. 局部总线位于主机板上，用于连接主机板上各个主要部件，并通过扩展槽连接各种适配器（显卡、网卡、声卡）常见的有ISA、EISA、PCI总线 ISA — Industry Standard Architecture EISA — Extension Industry Standard Architecture PCI — Peripheral Component Interconnect 3. 系统总线位于机箱底板，多个CPU插件板以此互相连接在PC机中，一般不用，常见的有MULTIBUS、VME等
37. 总线的分类（按位置分）4. 外部总线是微机与外部设备之间或几个微机系统之间的通信总线，如： IDE (Integrated Drive Electronic)总线，专用于连接硬盘 SCSI (Small Computer System Interface)，专用于连接硬盘 Centronics总线，用于与并行打印机连接 USB (Universal Serial Bus)总线，用于连接USB设备
38. 总线性能指标总线性能主要从三方面来衡量 1. 总线宽度：指总线一次可以同时传输的数据位数如：ISA为16位总线，一次可传输16位二进制数 EISA、PCI为32位总线 2. 总线频率：指总线每秒能传输数据的次数如：ISA、EISA的频率为8MHz PCI的频率为33MHz，PCI-2的频率为66MHz 3. 传输率：指每秒钟能够传输的字节数，用MB/s表示传输率 = 宽度/8 ×频率例：PCI总线宽度为32位，频率为33MHz，则传输率 = 32b / 8 ×33 = 132MB/s 即PCI总线每秒能够传输132M字节
39. 微机的层次化总线CPU协处理器二级CachePCI总线控制器（PCI桥）主存储器高速图形卡显示器PCI转换桥 PCI-ISA/EISAPCI总线控制器PCI卡PCI卡PCI卡PCI卡ISA卡ISA卡EISA卡CPU总线PCI总线AGPPCI总线ISA/EISA总线CPU总线：CPU芯片内部总线的对外引线，连接与CPU最密切、速度最快的部件，如二级Cache
40. 微机的层次化总线说明1. CPU总线 CPU芯片内部总线的对外引线连接与CPU最密切、速度最快的部件，如二级Cache 2. PCI总线控制器像桥梁一样，一边连接CPU总线，一边连接CPU访问相对频繁、速度相对较快的部件，又称“PCI桥” 如：通过PCI总线连接主存储器，通过AGP总线连接高速图形卡可级联下一级PCI总线控制器，形成多级PCI总线，容纳更多PCI卡 3. PCI转换桥完成PCI总线与ISA或EISA总线的连接转换
41. 微机的层次化总线说明4. ISA总线：总线宽度16位，总线频率8MHz，传输率16MB/s 24位地址线，16位数据线由主槽和扩展槽两部分组成，主槽为62脚，对应早期IBM PC/XT系统的62芯总线槽，扩展槽为36脚为和大量ISA适配卡兼容，目前计算机仍然通过“桥”来扩展ISA总线 5. EISA总线：是ISA的扩展，总线宽度32位，总线频率8MHz，传输率32MB/s 32位地址线，32位数据线，能自动进行8位、16位、32位数据访问共198条信号线，98条为ISA原有的，扩展了100条信号线 6. PCI总线：目前微机中应用最广泛的局部总线总线宽度32位，总线频率33MHz，传输率为132MB/s 支持即插即用功能
42. PCI-X总线面对更大数据量传送的需求，传统PCI总线已无法满足应用要求，因此现在的设计对其进行扩展，称作PCI-X总线： PCI-X 66 64位 66MHz Hot Plugging, 3.3 V 533MB/s PCI-X 133 64位 133MHz Hot Plugging, 3.3 V 1.06GB/s PCI-X 266 64/16位 133MHz Double Data Rate Hot Plugging, 3.3 & 1.5 V, ECC supported 2.13GB/s （主要应用到DDR内存） PCI-X 533 64/16位 133MHz Quad Data Rate Hot Plugging, 3.3 & 1.5 V, ECC supported 4.26GB/s （主要应用在DDR2内存）说明： PCI-X 266用上Double Data Rate技术，让每一个时钟脉冲的上升与下降边缘都可以传输数据，所以有多出了一倍的机会来传输数据 PCI-X 533规格更进一步采用每一个时钟脉冲可以传送四次（Quad Data Rate）的技术

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