第1章微型计算机基础概述修改
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第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
第一章微型计算机概述2009
二、微型计算机的发展 微型计算机的发展 第 一 章 微 型 计 算 机 概 述
第二阶段（1974－1977） 第二阶段（1974－1977） 8位微处理器。 位微处理器。 典型的微处理器有Intel8080/8085、Zilog公司 典型的微处理器有Intel8080/8085、Zilog公司 Intel8080/8085 Z80及Motorola公司的6800。 公司的6800 的Z80及Motorola公司的6800。微处理器具有较完 整的指令系统和较强的功能；存储器容量达64KB， 整的指令系统和较强的功能；存储器容量达64KB， 64KB 配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备， 配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构 成了独立的台式计算机。 成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统和高 级语言。 级语言。
第 一 章 微 型 计 算 机 概 述
二、CPU的内部结构 的内部结构
1、算术逻辑部件
可以进行算术和逻辑运算。 可以进行算术和逻辑运算。
2、累加器和通用寄存器组
可保存少量数据，能和存储器、外设交换数据。 可保存少量数据，能和存储器、外设交换数据。
3、控制器
指令寄存器： 指令寄存器：存储指令 译码器：对指令进行译码、分析， 译码器：对指令进行译码、分析，并产生控制信号 时序和控制电路： 时序和控制电路：提供整个系统所需要的定时和控制 中断机构：处理异常、 中断机构：处理异常、响应其他部件发来的中断请求
二、微型计算机的发展 微型计算机的发展 第 一 章 微 型 计 算 机 概 述
微型计算机的换代，通常是按CPU字长和功能来划分 来划分。 微型计算机的换代，通常是按CPU字长和功能来划分。 CPU字长 第一阶段（1971－1973） 第一阶段（1971－1973） 4位或低档 位微处理器。 位或低档8位微处理器 位或低档 位微处理器。 典型的微型机以Intel4004和Intel4040为基础。 典型的微型机以Intel4004和Intel4040为基础。 Intel4004 为基础 工作速度很慢;微处理器的指令系统不完整； 工作速度很慢;微处理器的指令系统不完整；存储 器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统， 器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只 有汇编语言。主要用于工业仪表、 有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算 器中。 器中。
第一章微型计算机基础
（2）反码表示法
数的最高位表示数的符号，数值部分对于正数 同真值，对于负数是真值各位取反，这种表示法 就叫反码表示法。
1．对于正数： 符号位用0表示，数字位同真值 2．对于负数： 符号位用1表示，数字位为真值 按位取反。
例 x＝+91＝+10l1011B [x]反=01011011B 例 y＝-91＝-1011011B [y]反=10100100B “0”的表示：[+0]反=00000000B [-0]反 =11111111B 对于8位机，反码可表示的数的范围：-127～ +127。
0⊕1＝1 读作0“异或”1等于1
1⊕0＝1 读作1“异或”0等于1
1⊕1＝0 读作1“异或”1等于0
例：
10101111
⊕11000010
01101101
1.2.2计算机中带符号数的表示方法
几个概念: 无符号数 机器数
带符号数 真值
机器数的三种表示方法: 原码表示法 反码表示法 补码表示法
（1）原码表示法
将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大 规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为微 处理器(CPU),微型计算机是以微处理器为核心，再 配上存储器、接口电路等芯片构成的。
微处理器按照其功能可以分为两大部分：总线接口单元 （BIU）和执行单元（EU）。 按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变: ➢ 第一代（1971年～1973年）：4位和8位低档微处理器 ➢ 第二代（1974年～1978年）：8位中高档微处理器 ➢ 第三代（1978年～1980年）：16位微处理器 ➢ 第四代（1981年～1992年）：32位微处理器 ➢ 第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理
微型计算机技术及应用第四版_课后题答案
第一章微型计算机概述1.微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者之间有什么不同？答：①微处理器是微型计算机的核心，是微型计算机的一部分。
它是集成在一块芯片上的CPU，由运算器和控制器组成。
②微型计算机包括微处理器、存储器、I/O接口和系统总线，是微型计算机系统的主体。
③微型计算机系统包括微型计算机、外设及系统软件三部分。
第二章 8086微处理器1.总线接口部件有哪些功能？请逐一进行说明。
答：1.总线接口部件的功能是负责与存储器、I/O端口传送数据。
2.具体讲：①总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；② CPU执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。
1.总线周期的含义是什么？8086/8088的基本总线周期由几个时钟组成？如一个CPU的时钟频率为24MHz，那么，它的一个时钟周期为多少？一个基本总线周期为多少？如主频为15MHz呢？答：1.总线周期的含义是总线接口部件完成一个取指令或传送数据的完整操作所需的最少时钟周期数。
2.8086/8088的基本总线周期由4个时钟周期组成。
3.当主频为24MHz时，Tφ=1/24MHz≈41.7ns，T总=4Tφ≈167ns。
4.当主频为15MHz时，Tφ=1/15MHz≈66.7ns，T总=4Tφ≈267ns。
1.CPU启动时，有哪些特征？如何寻找8086/8088系统的启动程序？答：1.CPU启动时，有以下特征：①内部寄存器等置为初值；②禁止中断(可屏蔽中断)；③从FFFF0H开始执行程序；④三态总线处于高阻状态。
2.8086/8088系统的启动程序从FFFF0H单元开始的无条件转移指令转入执行。
1.在中断响应过程中，8086往8259A发的两个信号分别起什么作用？答：第一个负脉冲通知外部设备的接口，它发出的中断请求已经得到允许；外设接口收到第二个负脉冲后，往数据总线上放中断类型码，从而CPU得到了有关此中断请求的详尽信息。
第1章 微型计算机系统概述
1.1.1 微型计算机硬件
通常在一些书中介绍，微型机的硬件由运算 器、控制器、存储器以及输入和输出设备五个部 分组成，这种划分的方法是从组成计算机的功能 模块的角度出发。对于微型机的硬件组成还可以 用另外的分解方法。图1.2给出的微型机系统硬件 组成框图更直观、更切合实际。
1.1.2 微型计算机软件
状态寄存器的6个状态标志位的含义如下： 进位标志位（Carry Flag，CF）：ALU结果的最高 位有进位或借位，CF=1；无进位或借位，CF=0。 奇偶标志位（Parity Flag，PF）：指令执行后， ALU的结果的低8位中1的个数为偶数，PF=1；若为奇数， PF=0。 辅助进位标志位（Auxiliary Carry Flag，AF）：加、 减算术指令执行后，最低4位D 3 D 0位有进位或借位， AF=1；无进位或借位，AF=0。该标志用于系统进行BCD 码的算术运算结果的调整。 零标志位（Zero Flag，ZF）：指令执行后，ALU的 结果为零，ZF=1；结果不为零，ZF=0。 符号标志位（Sign Flag，SF）：该位总是和ALU结 果的最高位相同。因为在带符号数运算时，最高位是符 号位，所以运算结果为负时，SF=1；否则SF=0。 溢出位（Overflow Flag，OF）：在带符号的加、 减算术指令执行后，ALU的结果超出数据的量程，则产生 溢出，OF=1；否则OF=0。一旦OF=1，则运算结果是错 误的。
BIU：负责从存储器或外部设备中读取指令和读/写数
据，即完成总线操作。 这两个单元处于并行工作状态，可以同时进行执行指 令和读/写操作。这样大大提高了CPU的指令执行速度， 从而提高计算机的工作速度。
由图1.3可知，Intel 8086的程序设计模型如图1.5所示。
第一章微型计算机系统概述
2. 字长
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
第一章 微型计算机基础知识
第一章微型计算机基础知识第一章微型计算机基础知识第一章微机基础知识1.1计算机中的数和编码1.1.1计算机中的数制计算机最初是作为一种计算工具出现的，所以它最基本的功能是处理和处理对数。
数字由机器中设备的物理状态表示。
具有两种不同稳定状态和相互转换的设备可用于表示1位二进制数。
二进制数具有操作简单、物理实现方便、节省设备等优点。
因此，目前，几乎所有的二进制数都用计算机来表示。
然而，二进制数太长，无法写入，不容易阅读和记忆；此外，目前大多数微机是8位、16位或32位，是4的整数倍，4位二进制数是1位十六进制数；因此，在微型计算机中，二进制数被缩写为十六进制数。
十六进制数使用16个数字，例如0~9和a~F来表示十进制数0~15。
8位二进制数由2位十六进制数表示，16位二进制数由4位十六进制数表示。
这便于书写、阅读和记忆。
然而，十进制数是最常见和最常用的。
因此，我们应该熟练掌握十进制数、二进制数和十六进制数之间的转换。
表1-1列出了它们之间的关系。
表1-1十进制数、二进制数及十六进制数对照表十进制二进制十六进制012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101 111011110123456789abcdef为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，可在数的右下角注明数制，或者在数的后面加一字母。
如b(binary)表示二进制数制；d(decimal)或不带字母表示十进制数制；h(hexadecimal)表示十六进制数制。
1.二进制数和十六进制数之间的转换根据表1-1所示的对应关系即可实现它们之间的转换。
二进制整数被转换成十六进制数。
方法是将二进制数从右（最低位）到左分组：每4位为一组。
如果最后一组少于4位，则在其左侧加0以形成一个4位组。
每组由一位十六进制数表示。
例如：1111111000111b→1111111000111b→0001111111000111b=1fc7h要将十六进制数转换为二进制数，只需使用4位二进制数而不是1位十六进制数。
第1章微型计算机控制系统概述
PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 常规外部设备可分为输入设备，输出设备和存储设备，并根据控制系统的规 模和要求来配置。
第一章 微型计算机控制系统概述
1.1 微型计算机控制系统的结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。
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二、微型计算机的发展
计算机技术是20世纪发展最为迅速、普 及程度最高、应用最为广泛的科学技术之一。
经过六十多年的发展，计算机已渗透到 国民经济和社会生活的各个领域，极大地改变 着人们的工作方式和生活方式，并成为推动社 会发展的巨大生产力。
2020年11月26日星期四
中北大学《微机原理及接口技术》
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运算速度每秒5000次
2020年11月26日星期四
中北大学《微机原理及接口技术》
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2.1微型计算机的发展
电子计算机的发展：
○ 电子管计算机（1946-1956） ○ 晶体管计算机（1957-1964） ○ 中小规模集成电路计算机（1965-1970） ○ 超大规模集成电路计算机（1971-今）
一、微型计算机的特点
1. 体积小、质量轻
由于采用大规模集成电路和超大规模集成电 路，使微型计算机所含器件的数目大为减少， 体积也大为缩小，早期计算机要占地上百平 米、耗电上百千瓦的计算机实现的功能，在 现在已被内部只含几十片集成电路的微型机 所取代，一个与小型机CPU功能相当的16位 微处理器MC68000，由13,000个标准门电 路组成，其芯片面积仅为42.25mm2，功耗 为1.25W，芯片的重量仅十几克。近年来， 微型机从台式发展到便携式笔记本电脑。
参考文献
戴梅萼,史嘉权.微型计算机技术及应用.北 京:清华大学出版社(第二版),1996.2
杨素行等编著 . 微型计算机系统原理及应 用 . 北京:清华大学出版社,1995
沈美明，温冬婵 . IBM-PC汇编语言程序设 计 . 北京:清华大学出版社,1991
王永山等编著 . 微型计算机原理与应用 . 陕 西:西安电子科技大学出版社，1998
微型计算机原理与应用
主讲教师：张鹏军
基本情况介绍
➢ 本课程总学时：64（包括10学时实验） ➢答疑:主楼1100办公室 ➢联系方式 13994237757
课程的目的
本课程是工科类专业的硬件技术基础课 程，主要讲解微型计算机系统内部各部 分的逻辑结构、组成原理及其外部的接 口技术，汇编语言程序设计技术。要求 学生通过课堂教学和实验训练后，初步 具有微机应用系统硬件、软件的开发能 力。
存储器
中北大学《微机原理及接口技术》
指令流 控制命令 数据流
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1946年2月10日，美国陆军军机械部和摩尔学院共同举行新
闻发布会，宣布了第一台电子计算机“爱尼亚克”研制成功 的消息。它有 5种功能：1、每秒5000次加法运算；2、每秒 50次乘法运算；3、平方和立方计算；4、sin和cos函数数值 运算；5、其他更复杂的计算。出现在人们面前的“爱尼亚克”
1954～1957年，导弹顾问委员会主席。
冯·诺依曼计算机
约翰·冯·诺依曼 John Von Neumann，1903－1957
1946年6月美籍匈牙利科学家冯诺依曼教授发表了“电子计算机装 置逻辑结构初探”的论文。并设计出了第一台“存储程序”计算机 EDVAC（埃德瓦克），即离散变量自动电子计算机（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer）.这种结构的计算机为现代 计算机体系结构奠定了基础，成为“冯诺依曼体系结构”。
2. 价格低廉
目前计算机从科研用途逐渐走向家庭，其价格已经 可以被大多数普通家庭能够接受。
3. 可靠性高、结构灵活
由于所含元件数目较少，所以连线较少，这样使微 型机的可靠性提高，结构灵活方便，计算机的各个 功能元件采用模块化设计，使计算机在功能上易于 扩展，结构灵活。
4. 应用面广
从大型的科学计算到各种控制设备、测量仪器、仪 表、教学、家庭娱乐设备都可以看到计算机的身影， 如今计算机与人们的生活越来越紧密。
装启运，运往阿伯丁军械试验场的弹道实验室。开始了它的
计算生涯，除了常规的弹道计算外，它后来还涉及诸多的领
域，如天气预报、原子核能、宇宙结、热能点火、风洞试验 设计等。
世界上第一台现代意义的 电子计算机是1946年美国 宾夕法尼亚大学设计制造 的“ENIAC”。
占地150平方米
重量30吨
功耗150千瓦
第一章 微型计算机概述（2学时）
内容提要：微型机的特点、发展、分类及 应用；工作过程，微处理器、微型机算机 和微型机算机系统。
基本要求
微型机的特点、发展、分类及应用；理解 微型计算机系统的硬件组成和基本工作方 式；理解软件的作用及其与硬件的相依关 系；知道微处理器、微型机算机和微型机 算机系统关系
冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该 按照程序顺序执行。
其主要内容
1.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大
部分组
2.程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存
放位置由地址确定。
ห้องสมุดไป่ตู้
3.控制器根据存放在存储器中地指令序列（程序）进行工作，并
由一个程序计数器控制指令地执行。控制器具有判断能力，能根据计
约翰•冯•诺依曼
1940～1957年任马里兰阿伯丁试验弹 道研究实验室科学顾问；
1941～1955年在华盛顿海军军械局；
1943～1955年任洛斯·阿拉莫斯实验 室顾问；1950～1955年，陆军特种武 器设计委员会委员；
1951～1957年。美国空军华盛顿科学 顾问委员会成员；
1953～1957年，原子能技术顾问小组 成员；
不是一台机器，而是一屋子机器，密密麻麻的开关按钮，东
缠西绕的各类导线，忽明忽暗的指示灯，人们仿佛来到一间 控制室，它就是“爱尼亚克”。这一庞然大物有8英尺高，3 英尺宽，100英尺长，装有16种型号的18000个真空管， 1500个电磁继电器，70000个电阻器，18000个电阻器， 18000个电容器，总重量有30吨之巨。起初，军方的投资预 算为15万美元，但事实上，连翻跟斗，总耗资达48.6万美元， 合同前前后后修改过二十余次。1946年底，“爱尼亚克”分
算结果选择不同的工作流程
人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到
当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是
当之无愧的数字计算机之父。
冯诺依曼存储程序工作原理
以运算器为核心、以存储程序原理为基础
控制器
指令 驱动
输入设备
运算器
输出设备
2020年11月26日星期四