微型计算机原理与接口教案

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1、封面微型计算机原理与接口技术教案任课教师： 授课班级： 电科031、032 课程学分： 4 课程总学时： 60 课程周学时： 4 上课周次 110， 1317 上课学期： 第一章 微型计算机系统基础教学章节：11 计算机中的数制与码制教学内容：计算机中的数制、码制及补码运算；计算机中的小数点问题；计算机中信息的编码。教学学时：2教学目的：掌握： 1.计算机常用进位计数制；2.带符号数表示法。重点与难点重点：1.不同进位计数制及之间的转换；2.带符号数的表示法。难点：补码及其运算于溢出；教学方法：采用多媒体教学。教学过程：（引入、授课内容、小结、作业布置）引入：计算机最基本的功能就是进行大量的计

2、算与加工处理，但计算机只能“识别”二进制数。所以，二进制及其编码是所有计算机的基础。本章从数制及其之间的转换入手，然后学习计算机中的码制及补码运算，最后学习最简单计算机的结构及其工作原理，为后续章节的学习打下基础。授课内容：11计算机中的数制与码制 计算机的基本功能是对数据进行加工，在计算机内，不论是数字、字符、指令还是状态，都采用了二进制编码形式来表示，包括图形和声音等信息，也必须转换成二进制数的形式，才能存入计算机中。为了书写和使用方便，计算机中还采用了其它的数制，比如：八进制、十进制、十六进制等。 数是客观事物的量在人们头脑中的反映，一个“量”相同的数可以用不同的计数制度来表示，这就形成

3、了不同的数制。111计算机中的数制 1.数的位置表示法 数制是人们按某种进位规则进行计数的科学方法。对于任何一种数制表示的数，我们都可以写成按位权展开的多项式之和，其一般形式为： N= X为基数；ai为系数；m为小数位数；n为整数位数。进位计数制：所谓进位计数制是指按进位的方法来进行计数，简称进位制。在进位计数制中，常常要用“基数”（或称底数）来区别不同的数制，而某进位制的基数就是表示该进位制所用字符或数码的个数。如十进制数共用 09 十个数码表示数的大小,故其基数为10。为区分不同的数制,可在数的下标注明基数 。如6553510表示以10为基数的数制,它是每计满十便向高位进一,即“逢十进一”

4、；当基数为M时，便是“逢M进一”。一、十进制数一个十进制数中的每一位都具有其特定的权，称为位权或简称权。就是说，对于同一个数码在不同的位它所代表的数值就不同。其中,每个位权由基数的次幂来确定。在十进制中,整数的位权是100（个位）、101（十位）、102（百位）等等;小数的位权是10-1（十分位）、10-2（百分位）等等。上式称为按位权展开式。十进制数有以下两个主要特点： 1. 十进制的基数为10，数码的个数等于基数, 即10, 共有十个不同的数码（0，1，2,，8，9）。2. 进位时“逢十进一”。即在计数时，每一次计到10 ，就往左进一位 ，或者说，上一位（左 ) 的权是下 一位（右）的权的

5、10倍。二、二进制数 进位计数制中最简单的是二进制，它只包括“0”和“1” 两个不同的数码，即基数为2，进位原则是“逢二进一”。二进制数各位的权分别为8、4、2、1、0.5、0.25。将二进制数化为10进制数，是把二进制的每一位数字乘以该位的权然后相加得到。实际上只需要将为1的各位的权相加即可。二进制数具有如下两个主要特点：1. 它的数值部分只需用两个数码“0”和 “1”来表示。2. 二进制的基数是2，当计数时，它是“逢二进一”， 即上一位（左）的权是下一 位（右）的权的2倍。三、八进制数 八进位计制数也是微机中常用的一种进位制，其主要特点是： 1. 八进制的基数为8，用07八个不同的数码来表

6、示数值。2. 当计数时,它是“逢八进一”，即上一位（左）的权是下一位（右）的权的8倍。四、十六进制数十六进位计数制是微机中最常用的一种进位制，它在数的结构上类似于八进制，易于与二进制数转换，且比八进制更能简化数据的输入和显示。十六进制的基数是16, 即由16个不同的数码符号组成。除了09十个数字外，还用字母、D、分别表示数10、11、12、13、14、15。数制通常用两种书写方法:(1)在数的右下角注明数制,例如2116、4310、658、10102。（2）是在数的后面加上一些字母符号。通常十六进制用表示（如21），十进制用D表示或不加字母符号（如43D或43），八进制用表示（如65），二进制

7、用表示（如1010）。2.数制之间的转换 (1)任意进制数转换为十进制数（2）二进制、八进制、和十六进制数之间的转换（3）十进制数转换为二进制数（4）十进制数转换为十六进制数1.1.2计算机中的码制及补码运算数在计算机中的表示形式叫作机器数，而这个数的本身称为机器数的真值。码制的定义： 把符号位和数值位一起编码来表示相应的数的各种表示方法，常用的码制有原码、补码、反码及偏移码。2. 带符号数的原码、反码、补码表示（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： X1011011 X原

8、码01011011 Y1011011 Y原码11011011原码表示的整数范围是（2n-11）（2n-11），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：127127， 16位二进制原码表示的整数范围是：3276732767。 （2）反码：对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为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： X1011011 X原码01011011 X反码01011011 Y1011011 Y原码11011011 Y反码10100100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。反码表示的整数范

9、围与原码相同。 （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： X1011011 X原码01011011 X补码01011011 Y1011011 Y原码11011011 Y反码10100100 Y补码10100101补码表示的整数范围是2n-1（2n-11），其中n为机器字长。则：8位二进制补码表示的整数范围是：128127， 16位二进制补码表示的整数范围是：3276832767。 （4）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，将

10、补码按位求反末位加1，即可得到该负数补码对应的真值。（5）补码运算计算机中带符号数通常用补码形势表示补码加法规则：X+Y补 =X补+Y补补码减法规则：X-Y补 =X补- Y补（6）溢出判断（双高位判别法）：CSCP=1时，有溢出；CSCP=0时，无溢出 CS: 如最高位（符号位）有进位，CS=1，否则，CS=0 CP：如次高位有进位，CP=1，否则，CP =01.1.3 计算机中的小数点问题两种常用格式：1.定点格式：定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单；2.浮点格式：容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。1.定点表示法：（1）定点整数；（2）定点小数2.浮点表示法：N

11、=S Jf J Sf S其中：S称作尾数，表示全部的有效数字，一般以纯小数表示； Sf为尾符，即浮点数的符号； J为阶数，它与阶符一起来决定小数点的实际位置，用整数表示； Jf为阶符，即阶数符号。1.1.4 计算机中信息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. 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

12、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00001111共16种状态，而十进制数09只取00001001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。（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09，高4位为0。例如：十进制数87D，采用非压

13、缩BCD码表示为二进制数是00001000 00000111B。 2. 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。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

14、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

15、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。小结：数是客观事物的量在人们头脑中的反映，一个“量”相同的数可以用不同的计数制度来表示，这就形成了不同的数制（二进制、八进制、十进制、十六进制等）。 数在计算机中的表示形式叫作机器数（原码、反码、补码），而这个数的本身称为机器数的真值。 溢出是指带符号数进行补码运算时其结果超出了所允许的最大范围。常采用双高位判别法进行溢出判断。 字符信息属于符号数据，是处理非数值领域的问题，国际上采用的字

16、符系统是七单位的ASCII码。作业布置：无教学章节：12 微型计算机的组成 13计算机的基本工作原理教学内容：微型计算机的结构；个人台式计算机的硬件构成实例；模型计算机；程序的运行过程。教学学时：2教学目的：掌握1.计算机的基本概念（微处理器、微型计算机、微型计算机系统、存储器、I/O接口、I/O设备、指令、程序）；2.微机系统的基本组成。3.理解程序的运行过程。4.了解个人台式计算机的硬件构成实例。重点与难点：重点：微机的基本组成、基本概念。难点：计算机的硬件和软件是如何协调工作执行程序的。教学方法：采用多媒体教学。教学过程：（引入、授课内容、小结、作业布置）引入：我们在学习微机原理之前必须

17、搞清楚微处理器、微型计算机、微型计算机系统的含义以及它们之间的关系；并深刻理解冯诺伊曼型计算机的设计思想。授课内容：1.2微型计算机的组成1.2.1微型计算机的结构一、 微处理器 严格讲，微处理器 CPUCPU由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能。 微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器（Registers）以及高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器。1.运算器 运算器又称为算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit),用来进行算

18、术或逻辑运算以及位移循环等操作。 参加运算的两个操作数，累加器A(Accumulator)和内部数据总线,可以是数据寄存器DR(Data Register)中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果送回累加器A暂存。2.控制器 功能：处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作。（1）指令部件：读取程序指令、指令译码、修改程序指针。1）程序计数器 PC：存放当前指令地址。CPU执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一条指令，PC自动加1。CPU执行完一条指令，再到存储器取下一条指令。2) 指令寄存器IR ：暂存当前指令，指令操作码送指令译码器。3) 指令译码器ID ：将每条

19、指令译码变成控制电平。（2）时序部件时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻辑部件协调工作。CPU执行程序的简要过程：1)PC给出当前指令的存储地址。2)CPU到存储器取指令，PC自动加13)指令译码器对指令译码，CPU执行指令。4)CPU到存储器取指令，PC=PC+1。5)CPU执行下一条指令，二、 微型计算机以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。 2.总

20、线结构（以微处理器为核心分为：内总线、外总线（系统总线）系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下3种：1）数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。2）地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。3）控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。 3.总线的主要性能指标包括： 1 总线的带宽 总线的带宽是指单位时间内总线上可传输的数据量，以MB/s为单位。 2 总线的位宽 总线的位宽是指总线能同时传输的数据位数，如

21、通常所说的16位、32位、64位等总线宽度。在工业频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。 3 总线的工作频率 总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。它是指用于协调总线上的各种操作的时钟频率。工作频率越高则总线带宽越宽。 三者的关系示如下： 总线带宽=(总线位宽/8)x总线工作频率(MB/s)3.输入输出接口电路输入/输出接口电路也称为I/O（Input /Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。（接口电路对主机提供外围设备的工作状态及数据，同时保存了主机下达外围设备的一切命令和数据，从而使主机与外设之间协调一致地工作

22、。4.存储器与读写操作(一) 存储器基本信息单位 位 b (bit)：一个二进制位，信息最小单位。 字节 B (Byte)：8位为一个字节。 字长 W (Word Length)：一个字包含的二进制位数。基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。(二)存储器几个概念：存储器功能：存放程序和数据等信息。存储内容：程序或数据的二进制代码。存储地址：存储器每个单元的位置编号存储器容量：指存储单元的多少。存储器容量单位换算：1KB = 10248位；1MB = 1024KB；1GB=1024MB；1TB=

23、1024GB主存容量：主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。外存容量：外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。(三)存储器读写操作 存储器读： CPU从存储器中取出信

24、息。 存储器写： CPU将信息存入存储器。存储器的读写操作：1.CPU先送出一个确定的单元地址给存储器2.发出读写控制时序信号，对选定单元进行读或写。三、 微型计算机系统(Microcomputer system) 简称CS或MCS，是指以微型计算机为中心, 以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件) 以及指挥微型计算机工作的系统软件所构成的系统。 1.2.2个人台式计算机的硬件构成实例对一般用户来说，最关心的是能为自己配置一套物超所值的实用微机系统。通常的经典配置应包括主板+CPU、硬盘、显示器、显示卡、声卡与光驱等多媒体套件、内存以及机箱等主要选项。微机系统的性能则由它的主板与CPU、外

25、设配置、总线结构以及软件配置等多种因素所决定，因此，应当用各项性能指标进行综合评价,其中,微处理器性能是一个主要的因素。 1.主板2.中央处理器 3.内存储器4.外存储器5.显卡、声卡、网卡6.显示器、鼠标、键盘、机箱一、主板的结构与性能 主板(Mother Board)又称为母板、主机板、系统板等，它是微机硬件系统中最重要的部件，其结构与性能如何将直接影响到微机各个部件之间的相互配合及其整体性能。在主板上，集中了微机的主要部件和接口电路，如CPU、内存条和高速缓存(Cache)芯片、系统芯片组等都直接安装在主板上，硬盘、软驱和光驱都通过数据线与主板相连，鼠标、键盘和各种扩充卡等也都通过外设接

26、口或扩充槽安装或接插在主板上。 结构主要有AT主板和 ATX主板两种基本类型,最新结构的主板为NLX。 主板的主要性能指标主板的主要性能指标有以下几项：(1) 微处理器支持的能力，包括CPU插槽类型、CPU种类、 外频范围、电压范围；(2) 系统芯片组的类型；(3) 是否集成显卡、声卡、调制解调器(Modem)、网卡；(4) 支持内存和高速缓存(Cache)的类型与容量；(5) 系统BIOS的版本、功能，是否支持即插即用；(6) 扩充插槽及I/O接口的数量、类型；(7) 主板的电压输出范围。二、 硬盘的性能指标 容量、速度和安全性目前硬盘的速度有3600/4500/7200/10000RPM(

27、转/分)等几种，硬盘的缓存一般都已开始配备2MB或以上的大容量缓存.安全性主要涉及到提高抗外界震动或抗瞬间冲击以及数据传输纠错两个性能。三、 允许配置的外设数量 允许挂接的外设数量越多，微机的功能越强。外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。四、 总线的性能指标 总线结构是微机性能的重要指标之一。由于CPU是通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据传输，因此，在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度成为制约计算机整体性能的关键。1.3计算机的基本工作原理微机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成,因此,执行程序的

28、过程，就是执行指令序列的过程 , 即逐条地执行指令;由于执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段,所以,微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的过程 。假定程序已由输入设备存放到内存中。当计算机从停机状态进入运行状态时,首先把第1条指令所在的地址赋给程序计数器PC，然后机器进入取指阶段。在取指阶段,CPU从内存中读出的内容必为指令 ,于是,数据寄存器DR便把它送至指令寄存器IR;然后由指令译码器译码，控制器就发出相应的控制信号,CPU便知道该条指令要执行什么操作。 在取指阶段结束后，机器就进入执指阶段,这时,CPU执行指令所规定的具体操作。当一条指令执行完毕以后,就转入了下一条

29、指令的取指阶段。这样周而复始地循环一直进行到程序中遇到暂停指令时方才结束。取指阶段都是由一系列相同的操作组成的,所以,取指阶段的时间总是相同的，它称为公操作。而执指阶段将由不同的事件顺序组成,它取决于被执行指令的类型，因此,执指阶段的时间从一条指令到下一条指令变化相当大。 应当指出的是，指令通常包括操作码(Operation Code)和操作数(Operand)两大部分。操作码表示计算机执行什么具体操作, 而操作数表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址, 也称之为地址码。在8位机中, 由于1个存储单元只能存放1个字节, 而指令根据其所含内容不同而有单字节、双字节、3字节乃至最多4字节之分 ,

30、因此在执行1条指令时,就可能要处理14个不等字节数目的代码信息，包括操作码、操作数或操作数的地址。例子 计算3+2=？在编写程序之前,必须首先查阅所使用的微处理器的指令表(或指令系统),它是某种微处理器所能执行的全部操作命令汇总.不同系列的微处理器各自具有不同的指令表。人们给每条指令规定了一个缩写词,或称作助记符。 机器码用二进制和十六进制两种形式表示 ，计算机和程序员用它来表示指令。根据指令表提供的指令，用助记符形式和十进制数表示的加法运算的程序可表达为: MOV A, 3 ADD A, 2 HLT 模型机并不认识助记符和十进制数，只认识用二进制数表示的操作码和操作数。因此，必须按二进制数的

31、形式来写程序，即用对应的操作码代替每个助记符，用相应的二进制数代替每个十进制数。 MOV A,3 变成 1011 0000； 操作码(MOV A ,n) 0000 0011； 操作数(3) ADD A,2 变成 0000 0100; 操作码(ADD A , n) 0000 0010; 操作数(2) HLT 变成 1111 0100； 操作码(HLT)整个程序是3条指令5个字节。由于微处理器和存储器均用8位字或1个字节存放与处理信息，因此，当把这段程序存入存储器时,共需要占5个存储单元。假设我们把它存放在存储器的最前面5个单元里，则该程序将占有从00H至04H这5个单元。当程序存入存储器以后,微

32、机内部执行程序的具体操作过程。开始执行程序时,必须先给程序计数器PC赋以第1 条指令的首地址00H,然后就进入第1条指令的取指阶段：操作过程： 把PC的内容00H送到地址寄存器AR。 一旦PC的内容可靠地送入AR后，PC自动加1，即由00H变为01H。注意，此时AR的内容并没有变化。 把地址寄存器AR的内容00H放在地址总线上，并送至存储器，经地址译码器译码，选中相应的00H单元。 CPU发出读命令。 在读命令控制下，把所选中的00H单元中的内容即第1条指令的操作码B0H 读到数据总线DB上。把读出的内容B0H经数据总线送到数据寄存器DR。取指阶段的最后一步是指令译码。因为取出的是指令的操作码

33、，故数据寄存器DR把它送到指令寄存器IR,然后再送到指令译码器ID，经过译码，CPU“识别”出这个操作码B0H就是MOV A，n指令，于是，它“通知”控制器发出执行这条指令的各种控制命令。这就完成了第1条指令的取指阶段。 然后转入执行第1条指令的阶段：经过对操作码B0H译码后，CPU 就“知道”这是一条把下一单元中的操作数取入累加器A的双字节指令MOV A，n，所以,执行第1条指令就必须把指令第2字节中的操作数03H取出来。取第一条指令第2字节的过程如图1.12所示。把PC的内容01H送到地址寄存器AR。当PC的内容可靠地送到AR后，PC自动加1，变为02H。但这时AR中的内容01H并未变化。

34、地址寄存器通过地址总线把地址01H送到存储器的地址译码器，经过译码选中相应的01H单元。CPU发出读命令。在读命令控制下，将选中的01H单元的内容03H读到数据总线DB上。通过DB把读出的内容送到数据寄存器DR。因CPU根据该条指令具有的字节数已知这时读出的是操作数，且指令要求把它送到累加器A, 故由数据寄存器DR取出的内容就通过内部数据总线送到累加器A。于是第1次执指阶段完毕,操作数03H被取入累加器A中;并进入第2条指令的取指阶段：取第2条指令的过程如图1.13所示.它与取第1条指令的过程相同，只是在取指阶段的最后一步,读出的指令操作码04H由DR把它送到指令寄存器，经过译码发出相应的控制

35、信息。当指令译码器ID对指令译码后，CPU就“知道”操作码04H表示一条加法指令,意即以累加器 A中的内容作为一个操作数,另一个操作数在指令的第2字节中。执行第2条指令，必须取出指令的第2字节。取第2字节及执行指令的过程如图1.14所示。 把PC的内容03H送到地址寄存器AR。 当把PC的内容可靠地送到AR后，PC自动加1。 AR通过地址总线把地址号03H送到地址译码器，经过译 码，选中相应的03H单元。 CPU发出读命令。 在读命令控制下，把选中的03H单元中的内容即数02H读 至数据总线上。 数据通过数据总线送到数据寄存器DR。 因在对指令译码时,CPU已知读出的数据02H为操作数 ， 且

36、要将它与已暂存于A中的内容03H相加，故数据由DR通 过内部数据总线送至ALU的另一输入端I2 。 A中的内容送ALU的输入端I1，且执行加法操作。 把相加的结果05H由ALU的输出端O又送到累加器A中。 至此,第2条指令的执行阶段结束, A中存入和数5H,而将原有内容03H冲掉。接着，就转入第3条指令的取指阶段程序中的最后一条指令是HLT。可用类似上面的取指过程把它取出。 当把HLT指令的操作码F4H取入数据寄存器DR后,因是取指阶段,故CPU将操作码F4H送指令寄存器IR, 再送指令译码器ID;经译码，CPU“已知”是暂停指令，于是,控制器停止产生各种控制命令，使计算机停止全部操作。这时,

37、程序已完成3+2的运算，并且和数5已放在累加器中。小结：计算机硬件是载体，软件是灵魂。计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。传统上运算器和控制器称为CPU，而将CPU和存储器称为主机。计算机的软件是计算机系统结构的重要组成部分,也是计算机不同于一般电子设备的本质所在。 存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺伊曼计算机的工作原理，也是计算机自动化工作的关键。本章最后通过将微处理器和存储器结合起来组成一个最简单的微机模型，通过具体例子说明冯诺伊曼计算机的运行机理与工作过程，从而揭示了所有计算机具有普遍适用性的基本组成与工作原理。作业布置：第一章习

38、题3、5第二章 80x86微处理器教学章节： 2.1 微处理器的发展 2.2 8086微处理器(2.2.1-2.2.3)教学内容：微处理器的发展；8086CPU内部功能结构；8086CPU内部流水线管理工作原理；8086CPU的存储器组织。教学学时：2教学目的：掌握：1.8086CPU的寄存器结构；2. 8086CPU的功能结构（BIU、EU）； 3. 8086CPU主要的存储器组织。了解微处理器的发展历史。重点与难点：重点：8086的 内部组成结构、寄存器结构。难点：存储器分段的原因及有关概念教学方法：采用多媒体教学。教学过程：（引入、授课内容、小结、作业布置）引入：微处理器是计算机的核心部

39、件，掌握微处理器的知识对学好计算机原理是至关重要的。授课内容：2.1 微处理器的发展第一代（19711973年）：Intel4004、Intel8008； PMOS工艺；时钟频率1MHz；平均指令执行时间：20s；集成度：2000管/片）。48第二代（19731978年）：Intel8080/8085、Z80； NMOS工艺；时钟频率24MHz；平均指令执行时间：12s；集成度：10000管/片）。高档8位微处理器第三代（19781982年）：Intel8086/8088、Z80； HMOS工艺；时钟频率48MHz；平均指令执行时间：0.2s；集成度：2.9万10万管/片）。16位微处理器第四

40、代（19821993年）：Intel80386； 时钟频率达40MHz；平均指令执行时间：0.1s；集成度：50万管/片）。32位微处理器第五代（1993年以后）：Intel80486Pentium系列；时钟频率120MHz以上，现已达3.3G；运算速度提高到每秒几亿次至上百亿次。2.2 8086微处理器2.2.18086CPU内部功能结构8086CPU内部和外部数据总线宽度都是16位；地址总线宽度20位从功能上讲，8086可分为两个部分，即总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)和执行单元EU(Execution Unit)。（一）、.总线接口部件BIU总线接口单元BIU的

41、功能是负责完成CPU与存储器或IO设备之间的数据传送。其具体任务是：BIU要从内存取指令送到指令队列缓冲器；CPU执行指令时，总线接口单元要配合执行单元从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据传送给执行单元，或者把执行单元的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。BIU的组成：BIU内有4个16位段地址寄存器CS(代码段寄存器)、DS(数据段寄存器)、SS(堆栈段寄存器)和ES(附加段寄存器)，16位指令指针IP，6字节指令队列缓冲器，20位地址加法器、16位的内部暂存器和总线控制电路。1. 指令队列缓冲器：8086的指令队列为6个字节，而8088的指令队列为4个字节。在执行指令的同时，

42、 从内存中取下面1条或几条指令，取来的指令依次放在指令队列中。“先进先出”的原则： (1) 取指时当指令队列缓冲器中存满1条指令后，EU执行。 (2) 指令队列缓冲器中只要空出2个(对8086)或空出1个(对8088)指令字节时，BIU自动执行取指操作，直到填满。 (3)在EU执行指令的过程中，指令需要对存储器或IO设备存取数据时，BIU将在执行完现行取指的存储器周期后的下一个存储器周期，对指定的内存单元或IO设备进行存取操作,交换的数据经BIU由EU进行处理。(4)当EU执行完转移、调用和返回指令时，则要清除指令队列缓冲器，并要求BIU从新的地址重新开始取指令，新取的第1条指令将直接经指令队

43、列送到EU去执行，随后取来的指令将填入指令队列缓冲器。2. 地址加法器和段寄存器：8086有20根地址线，内部寄存器有16位，采用了16位的段寄存器与16位的偏移地址即“段加偏移”的技术。利用各段寄存器分别来存放确定各段的起始地址的16位段地址信息，而由IP提供或由EU按寻址方式计算出寻址单元的16位偏移地址(又称为逻辑地址或简称为偏移量)，然后，将它与左移4位后的段寄存器的内容同时送到地址加法器进行相加，最后形成一个20位的实际地址(又称为物理地址)，以对存储单元寻址。3. 16位指令指针IP(Instruction Pointer) 其功能与8位CPU中的PC类似。正常运行时,IP中含有B

44、IU要取的下1条指令(字节) 的偏移地址。IP在程序运行中能自动加1修正,使之指向要执行的下1条指令(字节) 。有些指令能使IP值改变或使IP值压进堆栈，或由堆栈弹出恢复原值。(二)执行单元EU执行单元EU并不与系统的总线控制电路直接相连,这使得它能与总线接口单元之间保持既相互联系又相互独立的关系。EU的功能只是负责执行指令；执行的指令从BIU的指令队列缓冲器中取得，执行指令的结果或执行指令所需要的数据，都由EU向BIU发出请求，再由BIU经总线控制电路对存储器或外设存取。EU由下列部分组成。1. 16位算术逻辑单元(ALU)：它可以用于进行算术、逻辑运算，也可以按指令的寻址方式计算出寻址单元

45、的16位偏移量。2. 16位标志寄存器F：它用来反映CPU运算的状态特征或存放控制标志。3. 数据暂存寄存器：它协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。4. 通用寄存器组：它包括4个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX和4个16位指针与变址寄存器SP、BP与SI、DI5. EU控制电路： 它是控制、定时与状态逻辑电路，接收从BIU中指令队列取来的指令,经过指令译码形成各种定时控制信号，对EU的各个部件实现特定的定时操作。EU中所有的寄存器和数据通道(除队列总线为8位外)都是16位的宽度，可实现数据的快速传送。8088CPU内部结构与8086的基本相似，只是8088BIU中指令队列长度为4个字

46、节；8088BIU通过总线控制电路与外部交换数据的总线宽度是8位，总线控制电路与专用寄存器组之间的数据总线宽度也是8位。2.2.2 8086CPU内部流水线管理工作原理 8086 CPU采用了流水线管理工作原理，8086中指令的提取和执行是分别由EU和BIU完成的，总线控制逻辑和指令执行逻辑既相互独立又相互配合，正是这种相互配合担又非同步的工作方式，使得8086可以在执行指令的同时进行提取指令的操作。2.2.3（上） 8086CPU的寄存器结构80868088的内部寄存器编程结构共有13个16位寄存器和1个只用了9位的标志寄存器。(一)通用寄存器1.数据寄存器： 执行单元EU中有4个16位数据

47、寄存器AX、BX、CX和DX.每个数据寄存器分为高字节H和低字节L，它们均可作为8位数据寄存器独立寻址，独立使用。 数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中，用来进行算术逻辑运算。在有些指令中,它们则有特定的用途:如AX作累加器；BX作基址寄存器, 在查表指令XLAT中存放表的起始地址；CX作计数寄存器,在使用带有重复前缀(如REP)的数据串操作指令中用来存放数据串元素的个数；DX作数据寄存器,在字的除法运算指令DIV中存放余数。这些寄存器在指令中的特定功能是被系统隐含使用的。 2.指针寄存器和变址寄存器： 指针寄存器是指堆栈指针寄存器SP和堆栈基址指针寄存器BP，简称为P组。变址寄存器是指源

48、变址寄存器SI和目的变址寄存器DI,简称为I组。它们都是16位寄存器,一般用来存放偏移地址。 指针寄存器SP和BP都用来指示存取位于当前堆栈段中的数据所在的地址, 但SP和BP在使用上有区别。入栈(PUSH)和出栈(POP)指令是由SP给出栈顶的偏移地址，故称为堆栈指针寄存器。而BP则是存放位于堆栈段中的一个数据区基地址的偏移地址，故称为堆栈基址指针寄存器。显然，由SP所指定的堆栈存储区的栈顶和由BP所指定的堆栈段中某一块数据区的首地址是两个不同的意思,不可混淆。(二)段寄存器80868088 CPU有20条地址线，具有寻址1MB存储空间。80868088指令中给出的地址码仅有16位,指针寄存

49、器和变址寄存器也只有16位长，不能直接寻址1MB大小的内存空间。在80868088CPU内部设计了一组16位的段寄存器,用这些段寄存器的内容作为段地址,再由段寄存器左移4位形成20位的段起始地址,被称为段基地址或段基址;这样，80868088就有可能寻址1MB存储空间并将其分成为若干个逻辑段，使每个逻辑段的长度为64KB（它由16位的偏移地址限定）。 80868088CPU的BIU中有4个16位段寄存器，80868088的指令可以直接访问这4个段寄存器.(三)标志寄存器80868088的16位标志寄存器F只用了其中的9位作标志位，即6个状态标志位，3个控制标志位。 AF(Auxiliary C

50、arry Flag)辅助进位标志： 标志一般用在BCD码运算中作为是否需要对AL寄存器进行十进制调整的依据。 ZF(Zero Flag)零标志： 零标志表示一个算术或逻辑操作的结果是否为零。若当前的运算结果为零，ZF为1；否则为0。SF(Sign Flag)符号标志： 符号标志保持算术或逻辑运算指令执行后结果的算术符号。它和运算结果的最高位相同。 OF(Overflow Flag)溢出标志： 溢出标志用于判断在有符号数进行加法或减法时是否可能出现溢出。溢出将指示运算结果已超出机器能够表示的数值范围。控制标志有3个，用来控制CPU的操作，由程序设置或清除。 DF(Direction Flag)方

51、向标志： 它用来控制数据串操作指令的步进方向。若用STD指令将DF置1,则数据串操作过程中地址会自动递减；若用CLD指令将DF清0，则数据串操作过程中地址会自动递增。 IF(Interrupt Enable Flag)中断允许标志： 控制可屏蔽中断的标志。若用STI指令将IF置1,则表示允许8086/8088 CPU接受外部从其INTR引脚上发来的可屏蔽中断请求信号；若用CLI指令将IF清0，则禁止CPU接受外来的可屏蔽中断请求信号。IF的状态不影响非屏蔽中断(NMI)请求，也不影响CPU响应内部的中断请求。TF(Trap Flag)跟踪(陷阱)标志： 若将TF标志置为1，则80868088

52、CPU处于单步工作方式;否则,将正常执行程序。在高型号微处理器中,跟踪（陷阱）标志能够激活芯片上的调试特性（调试程序，以便找到错误或故障），当TF标志为1时，则微处理器将根据调试寄存器和控制寄存器的指示中断程序流。2.2.3（下） 8086的存储器一、存储器组织 80868088有20条地址线，可寻址1MB的存储空间。存储器仍按字节组织，每个字节只有惟一的一个地址。若存放的信息是8位的字节，将按顺序存放；若存放的数为1个字时，则将字的低位字节放在低地址中；当存放的是双字形式(这种数一般作为指针)，其低位字是被寻址地址的偏移量；高位字是被寻址地址所在的段地址。在80868088程序中，指令仅要求

53、指出对某个字节或字进行访问，而对存储器访问的方式不必说明，无论执行哪种访问，都是由处理器自动识别的 。 二、存储器的分段 80868088CPU的指令指针IP和堆栈指针SP都是16位,故只能直接寻址64KB的地址空间。而8086/8088有20根地址线，它允许寻址1MB的存储空间。如前所述，为了能寻址1MB存储空间，引入了分段的新概念。 1MB 存储空间被分为若干逻辑段。每个段的20位起始地址（段基址）, 是一个能被16整除的数（即最后4位为0）,可以通过用软件在段寄存器中装入16位段地址来设置。内存中各个段所处位置之间的相互关系, 即段和段之间可以是连续的，分开的，部分重叠的、或完全重叠的。

54、1个程序所用的具体存储空间可以为1个逻辑段，也可以为多个逻辑段。由于段的基址是由存放于段寄存器CS、DS、SS和ES中的16位段地址左移4位得来的，所以，程序可以从4个段寄存器给出的逻辑段中存取代码和数据。 若要对别的段而不是当前可寻址的段中存取信息， 程序必须首先改变对应的段寄存器中段地址的内容， 将其设置成所要存取的段地址信息。 最后需要强调的是， 段区的分配工作是由操作系统完成的; 但是,系统允许程序员在必要时指定所需占用的内存区。三、实际地址和逻辑地址实际地址指CPU对存储器进行访问时实际寻址所使用的地址，对80868088来说是用20位二进制数或5位十六进制数表示的地址,又称为物理地

55、址。逻辑地址是指在程序和指令中表示的一种地址，它包括两部分：段地址和偏移地址。对80868088来说，前者是由16位段寄存器直接给出的16位地址；后者是由指令寻址时的寄存器组合与位移量之和，它最终所给出的是一个16位的偏移量，表示所寻址的地址单元距离段起始地址之间的偏移字节的多少，故称为偏移地址（又简称为偏移量或偏移）。段地址和偏移地址都用无符号的16位二进制数或4位十六进制数表示。8086主存地址的形成四、堆栈 80868088系统中的堆栈是用段定义语句在存储器中定义的一个堆栈段，和其他逻辑段一样，它可在1MB的存储空间中浮动。一个系统具有的堆栈数目不受限制，一个栈的深度最大为64KB。 堆

56、栈由堆栈段寄存器SS和堆栈指针SP来寻址。SS中记录的是其16位的段地址，它将确定堆栈段的段基址，而SP的16位偏移地址将指定当前栈顶，即指出从堆栈段的段基址到栈顶的偏移量；栈顶是堆栈操作的惟一出口，它是堆栈地址较小的一端。 为了加快堆栈操作的速度，堆栈操作均以字为单位进行操作。五、“段加偏移”寻址机制允许重定位 8086/8088 CPU引入了分段技术，微处理器在寻址时是利用段基地址加偏移地址的原理，通常，就将这种寻址机制称为“段加偏移”。 “段加偏移”寻址机制允许重定位（或再定位）是一种重要的特性。所谓重定位是指一个完整的程序块或数据块可以在存储器所允许的空间内任意浮动并定位到一个新的可寻

57、址的区域。 在8086以前的8位微处理器中是没有这种特性的，而从8086引入分段概念之后，由于段寄存器中的段地址可以由程序来重新设置，因而，在偏移地址不变的情况下，就可以将整个存储器段移动到存储器系统内的任何区域而无需改变任何偏移地址。这就是说，“段加偏移”的寻址机制可以实现程序的重定位。 小结：8086的 内部组成结构、寄存器结构是本节课的重点中的重点。应透彻理解和熟练掌握。对8086存储器组织、分段管理和物理地址与逻辑地址之间的相互关系及其变换应能灵活应用。本节课的内容是微机应用的基础，也是整个课程的重点之一。作业布置：无教学章节： 2.2.5 8086CPU总线周期的概念2.2.5 80

58、86CPU的引脚信号及工作模式 2.2.6 8086CPU的操作时序教学内容：1. 8086CPU总线周期的概念；2.8086CPU引脚信号；3. 8086CPU工作模式的典型配置；4. 8086CPU的操作时序。教学学时：2。教学目的：掌握1.8086总线周期的概念；2.8086CPU主要引脚信号的功能（地址总线、数据总线、控制总线）。理解8086CPU工作模式及典型配置。了解最大和最小模式下的8086CPU的读写操作时序。重点与难点：重点：1. 总线周期的概念；2. 8086CPU主要引脚信号的功能难点：理解8086CPU外部引脚信号的作用及它们之间是如何协同工作的。教学方法：采用多媒体教

59、学。教学过程：（引入、授课内容、小结、作业布置）引入：在任何微机系统中，要将存储器及I/0设备同微处理器正确地连接，都必须了解微处理器的引脚功能与时序以及有关系统组成部件与系统工作模式等硬件知识。授课内容：2.2.4 8086CPU总线周期的概念 对任何一个微处理器来说, 为了从存储器中取得指令或者与之传送数据,都需要它的总线接口单元执行一个总线周期。同时,以后我们会知道，在微机系统中，当选择一个存储器或I/O设备与微处理器接口之前, 也必须了解系统总线的所谓时序,而这些时序也是以总线周期为基准来描述的。因此,在这里有必要介绍一下有关总线周期的概念。 通常，包括80868088 CPU在内,一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成,时钟周期是CPU的基本时间计量单位，它由CPU的主频决定。在一个最基本的总线周期中,习惯上将4个时钟周期分别称为4个状态，即T、T、T与T这4个状态