《微型算计机接口技术》教材编写大纲

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温至慕容
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2 微型计算机原理与接口技术修订大纲四川理工学院贾金玲根据我国高等教育教学改革与发展趋势, 针对西部地区一般本科院校电类专业 ( 含计算机专业 ) 的培养目标和培养模式, 总结二十年的教学经验和科研成果, 现对 2000 年编著出版的微型计算机原理与接口技术和微型计算机原理与接口技术课程设计指导进行全面修订一. 课程的主要内容和定位微型计算机原理与接口技术或微型计算机原理及应用主要研究微型计算机的组成与结构工作原理及其与外部的接口技术汇编语言及其程序设计等本课程是高等院校各电类专业一门重要的技术基础课随着信息化社会对计算机的依赖, 社会对电类专业学生微机开发应用能力提出越来越高的要求, 因此相应的本科培养计划中都将这门课程作为主要课程, 并开设相应学时的实验和课程设计, 这充分体现了该课程的地位和作用二. 教材修订的指导思想结合新一轮本科培养计划的调整, 我们科学地构建了微机硬件课程体系该体系突出体现了教学与科研相结合, 理论教学与实践教学相结合的理念, 以新的课程体系为突破口, 注重专业教育和工程训练, 着力培养学生的创新精神和实践能力三. 本次修订内容 1. 原教材错漏之处 ; 2. 调整教材结构, 将数 / 模和模 / 数转换器在微机系统中的应用单独设置为一章 ; 3. 完善习题测试题及参考答案 ; 4. 在总线一章中强化 PCI 总线的内容 ; 5. 在串并行接口一章中增加 USB 接口及其应用 ; 6. 在人机接口一章中增加 8279 接口原理及应用 ; 7. 强化高档微处理器和现代微机新技术 ; 8. 增加汇编语言与程序设计内容 ; 9. 将理论教学实验指导和课程设计指导集成化, 并提供使用的附录 ; 10. 供教材电子版, 并开发制作多媒体课件 ; 11. 教材名称改为微型计算机原理及应用理论实验课程设计四. 修订说明 1. 将数 / 模和模 / 数转换器在微机系统中的应用单独设置为一章的考虑是基于在微机应用系统中前向通道应用模 / 数转换器和后向通道应用数 / 模转换器的普遍性并在整部教材结构上进行较大调整, 使知识点之间的衔接更加科学合理 2. 关于习题 : 完善每章后的习题, 并加几套测试题, 给出参考答案, 以方便自学考虑到篇幅和教学需要, 除章后习题外, 习题测试与解答单独成册 2

3 3. 由于现代微机系统中 PCI 和 USB 接口的广泛使用, 本次修订对原教材中 PCI 总线部分进行强化, 并给出应用实例而 USB 属于串行接口标准, 将其增加到串并行接口一章 4. 鉴于在中小规模微机应用系统中矩阵键盘和 LED 数码显示器使用较多, 因此, 除了介绍它们的一般接口外, 增加专用接口 8279 的内容这在多数微机原理教材中是一个欠缺一般在单片机原理及应用课程中有所介绍, 但因该课程学时很少, 许多教师将其砍掉不讲, 而学生自学这部分内容又较为困难, 又由于一些实验设备中 LED 和键盘的接口控制是由该芯片完成的, 因此本教材在人机接口一章中增加这一内容 5. 考虑到在讲透微机基本组成和工作原理的同时, 还应使学生了解并在一定程度上掌握微机发展新技术, 本书将高档微机部分予以加强, 由原来的一章改为两章, 主要介绍微处理器的发展和微机系统中涉及的新技术 6. 原教材微型计算机原理与接口技术仅是针对计算机专业而编写的, 由于计算机专业单独开设了汇编语言程序设计, 故原教材微型计算机原理与接口技术不包含这部分内容但其它电类专业 ( 如通信工程自动控制电气工程电子技术应用电子信息科学电子信息工程等 ) 所开设的微机原理及应用课程是包含汇编语言程序设计的, 因此, 为了扩大教材的使用面, 为更多的专业提供更好的教材, 本次修订将增加这部分内容, 即 8086/8088 的寻址方式与指令系统 MASM 汇编语言汇编语言程序设计 7. 微型计算机原理与接口技术或微机原理及应用是实践性较强的技术基础课, 一般都开设了一定数量的实验和一定学时的课程设计从多年的教学经历中我们感到学生在计算机硬件知识特别是硬件动手能力上是一个薄弱环节, 从开发应用能力培养的角度我们应该充分重视实验和课程设计这两个教学实践环节而从目前的教材来看, 规范实验指导和课程设计的书很少, 教师在指导实验特别是指导课程设计时随意性较大 2001 年我们编写的微型计算机原理与接口技术课程设计指导经过几年的使用收到了良好的效果, 本次修订除对原有内容进一步补充完善外, 还将把理论教学实验指导和课程设计指导集成到一起出版, 给教师和学生提供更多方便并且提供的软硬件方案都是调试通过的尽管各校使用的实验设备有所不同, 其实基本原理是一样的, 只是端口地址和具体电路有所差别因此我们考虑以某种较为典型的设备为例给出软硬件方案, 若使用其它型号或厂家的设备, 可在此基础上稍加改动这种集成本身就是一种创新, 我们已在单片机原理及应用课程中进行了集成化的尝试, 获得了很好的使用效果 8. 关于教材的立体开发 : 除了编写集理论教学实验指导和课程设计指导于一体的教材外, 还准备编写与其配套的习题测试题与解答, 并制作教材电子版光盘和多媒体课件 9. 由于本书中加入了汇编语言和程序设计的内容, 故书名应改为微型计算机原理及应用理论实验课程设计五. 参考教学计划本教材建议学时数 : 计算机专业本科可分为两门课开设, 即汇编语言程序设计和微型计算机原理与接口技术, 参考学时分别为 40~60 和 60~70, 其中实验学时分别为 10~20 和 14~20, 另开设 40 学时课程设计其他电类专业本科总学时 80, 其中理论教学 60 学时, 实验 20 学时, 另开设 40 学时课程设计以下给出其他电类专业本科教学中的学时分配 : 3

4 1. 理论教学第 1 章微型计算机概述 1 学时编制习题 6~10 题, 必做作业 3~5 题第 2 章 Intel 8086/8088 微处理器 6 学时编制习题 15~20 题, 必做作业 9~12 题第 3 章 Intel 8086/8088 寻址方式与指令系统 8 学时 10~16 题编制习题 18~25 题, 必做作业第 4 章 Intel 8086/8088 汇编语言程序设计 8 学时编制习题 20~30 题, 必做作业 12~15 题第 5 章总线技术 2 学时编制习题 6~10 题, 必做作业 3~5 题第 6 章内存储器及其管理 4 学时编制习题 10~15 题, 必做作业 6~8 题第 7 章输入与输出技术 4 学时编制习题 10~15 题, 必做作业 6~8 题第 8 章中断技术与中断控制器 6 学时编制习题 15~20 题, 必做作业 9~12 题第 9 章串并行接口技术 6 学时编制习题 15~20 题, 必做作业 9~12 题第 10 章定时 / 计数技术及接口 4 学时编制习题 10~15 题, 必做作业 6~8 题第 11 章数 / 模和模 / 数转换器在微机系统中的应用 3 学时编制习题 8~10 题, 必做作业 4~6 题第 12 章人机接口技术 4 学时编制习题 10~15 题, 必做作业 6~8 题第 13 章 32 位微处理器 2 学时编制习题 6~10 题, 必做作业 3~5 题第 14 章现代微机新技术 4 学时编制习题 8~12 题, 必做作业 6~8 题 2. 实验安排 1 软件实验 : 实验一 : 顺序结构程序设计及上机过程训练实验二 : 分支结构程序设计及上机调试实验三 : 循环结构程序设计及上机调试实验四 : 串操作程序设计及上机调试实验五 : 子程序和中断服务程序设计及上机调试实验六 : 软件综合实验 2 硬件实验实验一 : 并行输入 (8255A) 实验二 : 并行输出 (8255A) 实验三 :D/A 转换实验实验四 :A/D 转换实验实验五 :8259 中断实验实验六 :8253 定时器 / 计数器实验实验七 : 串行接口实验实验八 :DMA 实验实验九 :8279 控制键盘和 LED 实验实验十 : 继电器控制实验实验十一 : 直流电机调速实验实验十二 : 硬件综合实验 3. 课程设计第 1 章课程设计的主要内容应达到的目标讲解课程设计的目的要求步骤设计报告的撰写以及选题要求等 2 学时 4

5 第 2 章列出课程设计题目 30~50 个, 并给出题目要求, 教师应指导学生分组选题设计时间 38 学时 ( 含设计报告撰写 ) 第 3 章课程设计实例分别给出 CPU 系统设计存储器扩展设计和接口技术应用实例 3~5 个, 并撰写出设计报告, 为教师和学生提供设计和报告撰写范例, 供参考六. 微型计算机原理及应用修订版目录第一部分微型计算机原理及应用第 1 章微型计算机概述 1.1 微型计算机发展简史与展望 1.2 微型计算机的特点及其分类 1.3 微处理器微型计算机和微型计算机系统 1.4 微型计算机的应用及实例习题与思考题第 2 章 Intel 8086/8088 微处理器 /8088 的编程结构 /8088 的引脚功能和工作模式 /8088 的总线操作和时序 /8088 的存储器组织和 I/O 组织 2.5 IBM PC/XT 主机系统结构和工作原理习题与思考题第 3 章 8086/8088 的寻址方式和指令系统 /8088 的寻址方式 /8088 的指令系统习题与思考题第 4 章 8086/8088 汇编语言程序设计 4.1 汇编语句格式 4.2 表达式 4.3 伪指令 4.4 顺序程序设计 4.5 分支程序设计 4.6 循环程序设计 4.7 子程序设计 4.8 中断服务程序设计 4.9 有关 I/O 的 DOS 功能调用 4.10 高级汇编语言技术习题与思考题 5

6 第 5 章总线技术 5.1 总线技术概述 5.2 局部总线 5.3 系统总线 5.4 通信总线习题与思考题第 6 章内存储器及其管理 6.1 存储器概述 6.2 半导体存储器 6.3 半导体存储器在微机系统中的应用 6.4 PC 微机的存储器习题与思考题第 7 章输入和输出 7.1 微机接口概述 7.2 CPU 与输入和输出设备之间的接口信息 7.3 接口部件的 I/O 端口 7.4 CPU 与外设之间的数据传送方式 7.5 DMA 控制器 7.6 微机接口设计与分析的基本方法习题与思考题第 8 章中断技术 8.1 中断技术概述 /8088 中断系统 8.3 可编程中断控制器 82C59A 8.4 高档微机中断系统习题与思考题第 9 章串并行接口技术 9.1 概述 9.2 可编程并行接口芯片 8255A 9.3 可编程串行接口芯片 8251A 习题与思考题第 10 章定时 / 计数技术及接口 10.1 定时 / 计数技术概述 10.2 可编程定时器 / 技术器 8253/ 在微机系统中的应用 10.4 高档微机的定时器习题与思考题第 11 章数 / 模和模 / 数转换 6

7 11.1 概述 11.2 数 / 模 (D/A) 转换接口 11.3 模 / 数 (A/D) 转换接口习题与思考题第 12 章人机接口技术 12.1 键盘原理及其接口技术 12.2 显示接口 12.3 可编程键盘 / 显示接口打印机及其接口技术 12.5 其他交互式人机接口及有关设备习题与思考题第 13 章 32 位高档微型计算机 13.1 从 8086 到 Pentium 微处理器微处理器的体系结构 ( 含新增加指令 ) 13.3 Pentium 微处理器的体系结构 ( 含新增加指令 ) 习题与思考题第 14 章现代微机新技术 ( 含内存管理技术多媒体计算机等, 具体分节待定 ) 习题与思考题第二部分实验指导一软件实验实验一顺序结构程序设计及上机过程训练实验二分支结构程序设计及上机调试实验三循环结构程序设计及上机调试实验四串操作程序设计及上机调试实验五子程序和中断服务程序设计及上机调试实验六软件综合实验二硬件实验实验一 8255A 转弯灯实验实验二 8255A 模拟交通灯管理实验实验三 D/A 转换实验实验四 A/D 转换实验实验五 8259A 中断实验实验六 8253 定时器 / 计数器实验实验七 8251 串行接口实验实验八 DMA 实验实验九 8279 控制 LED 显示实验 7

8 实验十继电器控制实验实验十一直流电机调速实验实验十二硬件综合实验第三部分课程设计指导第 1 章微型计算机原理及应用课程设计指导的目标及主要内容 1.1 微型计算机原理及应用课程设计指导应达到的目标 1.2 微型计算机原理及应用课程设计指导的主要内容 1.3 微型计算机原理及应用课程设计的一般步骤 1.4 微型计算机原理及应用课程设计报告的要求第 2 章微型计算机原理及应用课程设计题目与要求 2.1 CPU 系统与存储器扩展设计 2.2 接口技术应用设计第 3 章微型计算机原理及应用课程设计实例 3.1 CPU 系统设计实例 3.2 存储器扩展设计实例 3.3 接口技术应用设计实例附录附录 I ASCII 码字符表附录 II 8086/8088 指令表附录 III 指令简表附录 IV Pentium 指令表附录 V 常用 DEBUG 命令附录 VI 常用 INT 21H 功能调用详解参考文献七. 原教材目录 1. 原微型计算机原理与接口技术目录第 1 章微型计算机概述 1.1 微型计算机发展简史与展望 1.2 微型计算机的特点及其分类 1.3 微处理器微型计算机和微型计算机系统 1.4 微型计算机的应用及实例习题与思考题第 2 章 Intel 8086/8088 微处理器 /8088 的编程结构 8

9 /8088 的引脚功能和工作模式 /8088 的总线操作和时序 /8088 的存储器组织和 I/O 组织 2.5 IBM PC/XT 主机系统结构和工作原理习题与思考题第 3 章总线技术 3.1 总线技术概述 3.2 局部总线 3.3 系统总线 3.4 通信总线习题与思考题第 4 章微机接口技术概述 4.1 微机接口基本概念 4.2 接口的作用和特点 4.3 接口技术的现状和发展 4.4 接口的译码 4.5 常用外围接口芯片 4.6 微机接口设计与分析的基本方法 4.7 微机接口设计与分析实例习题与思考题第 5 章并行接口技术 5.1 并行接口技术概述 5.2 可编程并行接口芯片 8255A 5.3 微机系统中的并行接口及其应用习题与思考题第 6 章串行通信与串行接口技术 6.1 串行通信概述 6.2 可编程串行接口芯片 8251A 6.3 微机系统中的串行接口及其应用习题与思考题第 7 章中断技术 7.1 中断技术概述 /8088 中断系统 7.3 可编程中断控制器 82C59A 7.4 高档微机中断系统第 8 章定时 / 计数技术及接口 8.1 定时 / 计数技术概述 8.2 可编程定时器 / 技术器 8253/ 在微机系统中的应用 9

10 8.4 高档微机的定时器习题与思考题第 9 章 DMA 技术与 DMA 控制器 9.1 DMA 技术概述 9.2 可编程 DMAC8237A 9.3 DMA 技术在微机系统中的应用 9.4 高档微机的 DMA 功能习题与思考题第 10 章内存储器及其管理 10.1 存储器概述 10.2 半导体存储器 10.3 半导体存储器在微机系统中的应用 10.4 PC 微机的存储器习题与思考题第 11 章人机接口技术 11.1 键盘原理及其接口技术 11.2 CRT 显示器原理及接口技术 11.3 LED 显示器原理及接口技术 11.4 LCD 显示器原理及接口技术 11.5 打印机及其接口技术 11.6 其他交互式人机接口及有关设备习题与思考题第 12 章 32 位高档微型计算机 12.1 从 8086 到 Pentium 微处理器的体系结构 12.3 高档微机存储器的扩展技术 12.4 Pentium 机及多媒体微机系统习题与思考题附录 I ASCII 码字符表附录 II 8086/8088 指令表附录 III 指令简表附录 IV Pentium 指令表参考文献 2. 原微型计算机原理与接口技术课程设计指导目录 10

11 第 1 章微型计算机原理及应用课程设计指导的目标及主要内容 1.1 微型计算机原理及应用课程设计指导应达到的目标 1.2 微型计算机原理及应用课程设计指导的主要内容 1.3 微型计算机原理及应用课程设计的一般步骤 1.4 微型计算机原理及应用课程设计报告的要求第 2 章微型计算机原理及应用课程设计题目与要求 2.1 CPU 系统与存储器扩展设计 2.2 接口技术应用设计第 3 章微型计算机原理及应用课程设计实例 3.1 CPU 系统设计实例 3.2 存储器扩展设计实例 3.3 接口技术应用设计实例附录附录 1 TPC-1 实验箱的结构及使用说明附录 2 汇编语言程序的上机过程附录 3 常用 DEBUG 命令附录 4 常用 INT 21H 功能调用详解附录 5 所用集成电路芯片引脚图参考文献 11

12 第一部分微型计算机原理及应用 12

13 第 1 章微型计算机概述 20 世纪科学技术对人类的最大贡献之一就是电子计算机的发明自 1946 年第一台电子计算机问世以来, 经过几十年的发展与变革, 使计算机逻辑部件经历了电子管时代, 晶体管时代, 集成电路时代, 大规模超大规模集成电路时代, 超大规模超高速集成电路时代同时, 计算机内存的容量不断增加, 软硬件不断丰富, 特别是多媒体超媒体技术的发展, 使计算机的使用越来越得心应手, 在当今的信息化社会网络时代, 它已成为人们工作和生活中不可缺少的基本工具, 充当了改变人类社会生产和生活方式的主角而在计算机中人们接触最多的是微型计算机本书以 16 位微处理器 Intel 8086/8088 及 16 位微型机算计 IBM PC/XT 系统为例, 对微型计算机的组成工作原理接口技术及现代高档微机的组成结构和相关技术等作较为全面的介绍本章作为全书的引导介绍微机的发展特点分类应用, 并给出实例, 以建立对微机的初步认识 1.1 微型计算机发展简史与展望微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的一个重要分支, 它的发展是以微处理器的发展为标志的自 1971 年出现微处理器开始到 1993 年, 仅 20 多年的时间, 推出了五代微处理器产品第一代微处理器是以 Intel 公司年推出的和 8008 作为典型代表, 其集成度为 2000~3300 个晶体管 / 片第二代微处理器是年由几家公司分别推出的产品, 以 Intel 的 8080/8085, Motorola 的 M6800,Rockwell 的 R6502 和 Zilog 的 Z80 作为典型代表, 其集成度达 9000 个晶体管 / 片二十世纪 70 年代后期, 超大规模集成电路投入使用, 进一步推动微型计算机向更高层次发展年出现了第三代微处理器, 以 Intel 的 8086/8088,Motorola 的 M68000 和 Zilog 的 Z8000 作为典型代表相继问世, 其集成度高达个晶体管 / 片, 成为当时国内外市场上最流行的三种微处理器它们采用 HMOS 高密度工艺, 运算速度比 8 位机快 2 5 倍, 赶上和超过了 70 年代小型机的水平二十世纪 80 年代以后, 微处理器进入第四代产品, 向系列化方向发展,Intel 公司相继推出了性能更高功能更强的和 80286, 它们与 8086 向上兼容到 1985 年 Intel 公司又率先推出了 32 位微处理器 80386, 它们与和向上兼容, 它们逐步形成了 80X86 系列微处理器与此同时,Motorola 公司推出了 32 位微处理器 M68020, 集成度高达个晶体管 / 片 HP 公司推出的 μp 32 位微处理器芯片, 集成度高达 45 万个晶体管 / 片, 时钟频率达到 18MHz, 速度之快, 性能之高, 足以同高档的小型机乃至中型机相匹敌进入二十世纪 90 年代以后,Intel 公司在开发新一代微处理器技术方面继续领先,1993 年 3 月,Intel 公司发布了第五代微处理器产品 Pentium, 其使用亚微米级的 CMOS 技术, 使集成度高达 310 万个晶体管 / 片微处理器的工作频率不断提高, 特别是在 2000 年底达到 733MHz,2001 年进一步上升到 13

14 766MHz 而作为 Pentium III 后续产品的 Willaette 的工作频率达 1.5GHz 以上目前 Pentium 4 的工作频率为几个 GHz 在 1965 年, 美国化学家, 现为 Intel 公司名誉董事长的戈登摩尔 (Gordon Moore) 就在一篇论文中宣布, 他通过对年实际生产的集成电路的考察, 发现在集成电路芯片上集成的晶体管数量每隔 18 个月会翻一番, 芯片的性能也随之提高一倍,30 多年中微处理器的发展进一步证实了这一规律, 因而被人们称为摩尔定律随着 DNA(Deoxyribonucleic Acid, 脱氧核糖核酸 ) 技术的应用, 将会使计算机的速度进一步提升, 不仅如此在其它性能和功能方面也成指数规律的上升, 可以预计, 微处理器今后的发展将会突破摩尔定律在过去十年内, 电脑创造的信息远远超过人类五千年历史所留下的文化今天, 微处理器已经遍布我们生活的每一个角落, 甚至在衣服和身体中都可以嵌入 CPU 可以肯定, 在未来的三十年内, 计算机界将发生一场革命, 光通信广泛互联普遍计算传感器全球公用信息设施建设等技术的突破性发展, 将对信息领域, 特别是计算机领域产生广泛的而深远的影响, 从而出现神经网络计算机光计算机量子计算机生物计算机超导计算机它们除性能成数万倍, 甚至数百万倍的提高以外, 结构将完全改变随着卫星通信技术的发展, 世界范围的高速宽带网在实质上改变着人们的生活每台电脑 24 小时在线, 共享所有电脑资源, 并完成我们每天要做的工作未来微处理器的三个发展方向是 : 更强大的处理能力人工智能和网络, 即性能超强化系统微型化功能智能化通信网络化媒体多样化微机的发展如此之快, 我们实在无法确切地知道未来将会怎么样 1.2 微型计算机的特点及其分类微型计算机的特点微型计算机的发展之所以如此迅速, 主要取决于其独具的特点 1. 形小体轻功耗低经过大规模集成化的电路, 尺寸小, 重量轻, 功耗低如拥有 6800 个晶体管的 M6800 的芯片尺寸是 mm 2,16 位的 M68000 的芯片尺寸是 42.25mm 2, 最初的 Pentium 机拥有 310 万个晶体管, 其芯片尺寸是 13.94cm 2, 现在的 Pentium 处理器尺寸更小, 功耗更低外壳形状有长方形的双列直插式, 有方形的针筒形和贴片形使用为数不多的片子, 在一块印制板上就可组成一台微机的主板, 其功耗 : 小型的只有几瓦, 一台通用的 IBM PC 系列微机也只有 200 瓦左右 2. 价格廉一般的微处理器芯片只要十几几十元, 组成的主板也不过几百元而且随着大规模集成电路工艺的日趋成熟和生产批量的加大, 价格还会继续向下浮动微型计算机正像电视和手机一样地普及开来 3. 结构简单性能可靠由于微型计算机采用超大规模集成电路芯片集组成, 使系统内的组件数目大幅度下降, 印制板上的接插件和焊接点比采用中小规模集成电路的机器减少若干个数量级, 加之新型的制造工艺使芯片功耗低发热量小, 使微机的可靠性大大提高大规模集成电路的失效率一般好于 / 千小时, 因而微机易做到数千小时不出故障 4. 灵活性好适应性强由于微型计算机结构采用总线形式, 因而结构非常灵活, 易于构成满足各种需要和利用形态的应用系统, 也易于进一步扩展而且, 由于微型计算机基本部件的系列化标准化, 更增强了微机的通用性另外, 微型计算机具有可编程和软件固化的特点, 使得同一系列的 14

15 机器, 仅通过改变程序就可适应不同的任务, 加之标准化的总线结构, 让微机适应性强, 研制周期也大大缩短微型计算机的分类微型计算机有多种分类方法, 常用的有以下几种 : 1. 按字长分类字长是计算机能直接处理的二进制数的位数微型计算机的性能很大程度上取决于 CPU 的字长到目前为止, 微型计算机按字长可分为 : 4 位微型计算机 : 字长为 4 位, 其 CPU 的典型代表为 Intel 位微型计算机 : 字长为 8 位, 其 CPU 的典型代表为 Intel 8080/8085,Motorola 的 M6800, 和 Zilog 的 Z80 16 位微型计算机 : 字长为 16 位, 其 CPU 的典型代表为 Intel 8086/8088,Motorola 的 M68000, 和 Zilog 的 Z 位微型计算机 : 字长为 32 位, 其 CPU 的典型代表为 Intel 80386,Intel Pentium 微处理器的内部结构为 32 位, 而外部数据总线为 64 位 64 位微型计算机 : 字长为 64 位这里要多说几句, 当 32 位微处理器逐渐成为个人计算机的主流芯片时, 以图形工作站的服务器为代表的高档微机就开始走向 64 位 CPU 近几年来较有影响的 64 位芯片有 Sun 公司的 Ultrasparc,HP 公司的 PA-RISC 8000 系列,DEC 公司的 Alpha 21164,Intel 公司的 Itanium, 以及由 Motorola 加盟的 Power PC 620 等 2. 按利用形态分类按微机的利用形态可分为以下几类 : 单片机 : 将 CPU 存储器外设接口等集成到一块芯片上所形成的微机如 MCS-51 系列等单板机 : 将 CPU 存储器外设接口等做到一块印制电路板上所形成的微机如 TP801 Z80 多板机 : 由多块插件板组成的一台微机如 STD 总线结构的工业控制计算机微机套件 : 针对特定的用途, 选用合适的微机组件 ( 如 CPU 存储器接口电路或芯片等 ) 专门设计的微型计算机微机系统 : 购买现成的微机系统如 IBM PC 及其兼容机系统 3. 按应用环境分类随着微机用途的不断拓展, 其应用环境有了较大的差异, 对微机的结构和要求也有所不同, 按应用环境分类可使用户对不同场合使用的微机有较全面的理解, 从而按照自己的需要选择相应的微机单片机 : 已如前述个人计算机 : 简称 PC(Personal Computer), 它是 20 世纪后期一种最重要的计算机模式随着市场的发展, 个人计算机现已形成商用 PC 机便携式 PC 机和多媒体 PC 机等 3 个重要分支目前 PC 机的主流仍为 32 位机工作站 / 服务器 : 工作站 (Workstation) 在这里泛指供工程技术人员使用的工程工作站或图形工作站服务器 (Server) 则通指在计算机网络中使用的各类服务器工作站 / 服务器通常使用 32 位和 64 位机网络计算机 : 网络计算机 (Network Computer 简称 NC) 是一种依赖于网络的微型计算机, 它不具备 PC 的高性能, 但实现了较简单的操作和较低的购买与维护价位 1965 年, 美国 Oracle 公司首席执行官埃里森 (L.Ellison) 率先提出了用 NC 来代替 PC 的主张, 迅速获得了 Sun IBM 等公司的响应随即联合制定了一个 NC 参考规范, 针对当时 PC 机的弱点提出了 NC 的 5 项基本特征, 即硬件的平台无关性购置成本低于 PC 总体拥有成本大大低于 15

16 PC 使用和管理明显的容易和有效的安全功能 4. 按制造工艺分类微型计算机按其制造工艺可分为 : MOS 型微机 : PMOS 型微机 P 沟道 MOS 电路制造而成 ; NMOS 型微机 N 沟道 MOS 电路制造而成 ; CMOS 型微机 P N 互补 MOS 电路制造而成 ; HMOS 型微机混合 MOS 电路制造而成双极型微机 : STTL 型微机肖特基 TTL 电路制造而成 ; ECL 型微机射极耦合电路制造而成 ; I 2 L 型微机集成注入式电路制造而成 ; I 3 L 型微机平面集成注入式电路制造而成 1.3 微处理器微型计算机和微型计算机系统微机的一般用户和微机硬件的初学者往往对微处理器微型计算机微型计算机系统等概念以及对微机软硬件的界定存在模糊认识, 本节以图文并茂的形式阐明了这些概念和它们的相互关系微处理器微型计算机和微型计算机系统微处理器微型计算机和微型计算机系统, 这是三个含义不同但又有着密切依存关系的基本概念 1. 微处理器微处理器简称 μp 或 MP(Microprocessor), 是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件, 又称为微处理机它本身并不等于微型计算机, 而只是其核心部分有时为区别大中小型中央处理器 CPU(Central Processing Unit) 与微处理器, 而称后者为 MPU(Microprocessing Unit) 但通常在微型计算机中直接用 CPU 表示微处理器 ( 在写法上并没有区分 ) 2. 微型计算机微型计算机 ( Microcomputer), 简称 μc 或 MC, 是指以微处理器为核心, 配上内存储器输入 / 输出接口电路及系统总线所组成的计算机 ( 又称主机或微电脑 ) 当把微处理器存储器输入 / 输出接口电路统一组装在一块或几块电路板上或集成在单个芯片上, 则分别称之为单板多板或单片微型计算机 3. 微型计算机系统微型计算机系统 (Microcomputer System), 简称 μcs 或 MCS, 是指以微型计算机为核心, 配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微型计算机系统的组成只有硬件的计算机称为裸机, 人们是通过软件使用计算机的, 所以, 当将其配上系统软件时才成为真正可以使用的计算机系统由微处理器微型计算机和微型计算机系统的概念可知, 我们平时使用的微机实际上是微机系统 1. 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成如图 1.1 所示图 1.2 也清楚地表明了 μp μc μcs 三者的含义及相互关系 16

17 2. 微机系统硬件的组成及结构微型计算机系统硬件的组成及其结构如图 1.2 所示图中, 微处理器是微机的运算控制核心, 用来实现算数逻辑运算, 并对全机进行控制存储器 ( 简称主存或内存 ) 用来存储程序和数据输入 / 输出接口是主机与外设之间的界面, 协调二者的工作微型计算机系统 (μcs) 硬件微型机算计 (μc) 外围设备电源外部设备过程控制 I/O 通道微处理器 (μp) 寄存器阵列 (CU) ROM PROM EPROM EEPROM 内存储器 SRAM RAM DRAM 并行 I/O 接口电路输入 / 输出接口电路串行 I/O 接口电路地址总线 (AB) 系统总线数据总线 (DB) 控制总线 (CB) 键盘显示器打印机绘图仪等外存储器 : 磁带磁盘光盘 A/D D/A 转换器算数逻辑单元 (ALU) 控制单元 ( U) 开关量信号指示 I/O 器等软件系统软件应用软件图 1.1 微型计算机系统的组成存储器输入设备输入接口运算器控制器输出接口输出设备微处理器微型计算机 (a) 微机系统的硬件组成 AB 定时电路电源微处理器 ROM RAM I/O 接口外设 CB AB (b) 微机系统的硬件结构图 1.2 微机系统的硬件组成及结构 17

18 3. 微机系统的软件结构计算机软件通常分为两大类 : 系统软件和应用软件系统软件是指不需要用户干预的能生成准备和执行其它程序所需的一组程序究竟应配置多少系统软件才能满足特定计算机系统的需要, 这取决于具体的用途微机系统软件的分级结构如图 1.3 所示应当指出, 微机系统的硬件和软件是相辅相成的, 现代计算机的硬件系统和软件系统之间的分界线越来越不明显, 总的趋势是两者统一融合, 在发展上互相促进一个具体的微机系统应包含多少软硬件, 要根据应用场合对系统功能的要求来确定系统操作系统常驻监控程序文件管理程序 I/O 驱动程序文本编辑程序编译程序连接程序装入程序系统程序库用户应用程序用户程序库用户数据库图 1.3 微机系统软件的分级结构微型计算机系统的主要性能指标一个微型计算机系统的性能由它的系统结构内存容量指令系统外设及软件的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, 其中微处理器的性能是一个主要的因素最常用的性能指标有以下几项 1. 字长字长是最重要的指标之一在计算机术语中, 通常不用位来表示基本信息单元, 而是用一个计算机字 ( 简称字 ) 来表示一个字就是一组二进制数, 字长就是计算机能直接处理的一组二进制数的位数字长标志着计算精度, 字长越长, 它能表示的数值范围越大, 计算出的结果的有效数位就越多, 精度也就越高但字长越长, 制造工艺越复杂, 成本就越高微机的字长有等多种在一般的过程控制和数据处理中, 通常使用的字长是 8 位, 微机内存也以 8 位为一单元, 因此普遍采用 8 位字长为一个信息段, 称为一个字节 (Byte) 如此, 在 8 位机中, 每个字由一个字节组成, 而在 16 位机和 32 位机中每个字分别由两个和四个字节组成当用字长较短的微处理器处理问题精度不能满足要求时, 可以采用双倍或多倍字长运算, 只是速度要慢一些 2. 内存容量内存容量是指计算机系统的内部存储器能存储的二进制信息总量通常以字节为单位来计算的, 例如 :1K 内存为 2 10 个字节 =1024 个字节,1M 内存为 2 20 个字节 = 个字节等等现代微机软件越来越大, 运行这些软件所需要的内存容量也就越来越大,80286 构成的系统只有 16M, 而一台 Pentium 机可能有 128M 或 256M 的内存, 当然这里所说的内存不是 CPU 能直接寻址的内存, 而是由基本内存和扩展内存两部分组成的可见, 微机系统的内存容量越大, 可运行的软件就越多, 使用起来越方便 3. 指令系统每一种微处理器都有自己的指令系统, 所谓指令系统就是微机所能执行的所有指令的集合一般来说, 指令的条数愈多, 其功能就愈强例如, 同样是 8 位机,Intel 8080 CPU 18

19 有 78 条指令, 而 Z80 CPU 在它的基础上扩大到 158 条, 显然,Z80 处理数据的能力比 Intel 8080 要强有的微处理器是用增加寻址方式的办法来改善性能的, 如在 16 位机中,Z8000 CPU 有 8 种寻址方式, 而 Intel 8086/8088 CPU 可由 7 中基本寻址方式派生出 24 种寻址方式, 所以 Intel 8086/8088 的功能比 Z8000 更强 4. 运算速度运算速度是微机结构性能的综合表现, 它是指微处理器执行指令的速率由于执行不同的指令所需的时间不同, 这就产生了如何计算速度的问题, 目前有三种方法 : 一是根据不同类型指令在计算过程中出现的频率, 乘上不同的系数, 求得统计平均值, 这是平均速度 ; 二是以执行时间最短的指令或某条特定指令为标准来计算速度 ; 三是直接给出每条指令的实际执行时间和机器的主频 5. 容许配置的外设数量容许挂接的外设数量越多, 微机的功能就越强例如,Z80 微机能直接实现对 256 个输入 / 输出通道的寻址, 也就是说, 它容许配置近百台外设而 Intel 8086/8088 能直接实现对 64K 个输入 / 输出端口的寻址, 因此, 若按每台设备平均占用 4 个端口计算, 则以 Intel 8086/8088 为 CPU 的微机系统可以挂接 16K 个外设 6. 系统软件的配置系统软件的配置主要是指微机系统配置了什么样的操作系统及其它系统软件和实用程序等, 这决定了计算机能否发挥高效率 1.4 进制及码元计算机重要基础之一是进制和码元换算, 因为计算机内采用的是二进制数值或编码, 而在各种汇编语言中习惯使用十六进制, 也可使用八进制二进制和十进制, 在 C 语言中同样可使用八进制十六进制和十进制, 特别是调试程序时更要与进制和码元换算打交道所以掌握进制和码元换算的快速方法, 对学好有关计算机课程特别是汇编语言微机原理及接口技术非常重要进制转换及计算 1. 进制现实生活中除了最常用的十进制外, 还有秒分之间的六十进制月年之间的十二进制以及古代钱两斤之间的十六进制等, 在计算机内主要采用的是二进制 ( 后缀 B,Binary) 八进制 ( 后缀 O 或 Q,Octal,O 易于 0 混淆, 所以一般用 Q 替代 O) 十进制( 后缀 D, Decimal, 或不要后缀 ) 和十六进制 ( 后缀 H,Hex) N 进制的每个数据位取值范围为 0~N-1, 进制算术运算规则同十进制, 只不过是逢 N 进一借一等于 N 而已例如, 二进制只有 0 和 1, 逢 2 进 1, 借 1 等于 2; 十六进制有 0~ 9 A~F( 分别代表 10~15)16 个数字, 逢 16 进 1, 借 1 等于进制转换的一般方法进制转换的一般方法如图 1.4 所示任意进制按位 ( 权 ) 展开求累加和整数 : 除基取余, 逆写小数 : 乘基取整, 顺写 (a) 任意进制与十进制之间转换关系图十进制八进制一展三三合一二进制四合一一展四十六进制 (b) 二八十六进制之间转换关系图图 1.4 进制之间转换关系 19

20 例 1.1 (101100) 2 =101100B= =44 例 Q= = 例 = B=352Q=EAH 3. 进制计算进制计算主要有加减乘除等算术运算和与或非等逻辑运算其他进制加减乘除等算术运算的运算方法与十进制的运算方法类似, 要点是逢 N 进一借一等于 N 与或非等逻辑运算一般是指二进制的逻辑运算, 将 1 当成真, 将 0 当成假 4. 二进制数据的表示范围二进制数据的表示范围要分有符号数还是无符号数无符号数的所有二进制位 (bit) 均作为数值位 ; 有符号数的最高位代表符号位,1 代表负 0 代表正, 其余位才是数值位 n 位二进制无符号数的表示范围为 0~(2 n -1) n 位二进制有符号数的表示范围还要再看其用的是什么编码方案, 补码为 -2 n-1 ~+(2 n-1-1); 原码反码的表示范围为 -(2 n-1-1)~ +(2 n-1-1) 原码反码补码的概念在下一节介绍计算机中存储器容量以字节 (B, Byte) 为单位, 一个字节由 8 个二进制位构成 ( 即 1B=8b) 8 位二进制数 (1 字节 ) 的无符号数表示范围为 0~255, 有符号数补码表示范围为 -128~+127;16 位二进制 (2 字节 ) 的无符号数表示范围为 0~65535, 有符号数补码表示范围为 ~ 码制及其转换 1.BCD 码常见的 BCD 码有 8421 码 2421 码以及余 3 码等, 一般使用 8421 码, 它又分为压缩 BCD 码和非压缩 BCD 码压缩 BCD 码是用 4 位二进制代码表示一位十进制数, 一个字节可以表示两位十进制数 (00~99); 而非压缩 BCD 码是用 8 位二进制代码表示一位十进制数, 高 4 位无效, 一个字节只能表示一位十进制数 (0~9), 高 4 位为 0 时则叫标准非压缩 BCD 码例如, 十进制数 35 的压缩 BCD 码为 35H, 其标准非压缩 BCD 码为 0305H 2.ASCII 码现在计算机中通常采用的字符编码是 ASCII 码基本 ASCII 码使用 7 位二进制编码, 占一个字节, 最高位为 0 常用的 7 个字符的 ASCII 码值如表 1.1 所示表 1.1 常用的 7 个字符的 ASCII 码值字符 ASCII 码十进制值 ASCII 码十六进制值 LF( 换行 ) 10 0AH CR( 回车 ) 13 0DH SP( 空格 ) 32 20H $ 36 24H H A 65 41H a 97 61H 0 ~ 9 的 ASCII 码依次加 1, A ~ Z 的 ASCII 码依次加 1, a ~ z 的 ASCII 码也是依次加 1, 所以记住 0 A 以及 a 的 ASCII 码, 也就记住了 62 个字符的 ASCII 码 0 ~ 9 的 ASCII 码是一种特殊的非压缩 BCD 码例如 35 是十进制 35 的非压缩 BCD 码即 3335H 3. 汉字内码汉字在计算机及相关设备内存储处理以及传输所用的编码称为汉字内码目前, 我国主要采用的是国际内码 (GB2312), 它在计算机内占用两个字节, 每个字节的最高位为 1, 最多可表示 2 14 =16384 个可区别代码 4. 原码反码和补码原码反码和补码用于将二进制有符号数的正负号也用二进制编码来表示, 它们所代表的实际数值称为真值原码是直接在真值的绝对值之前增加一个符号位, 并取正数的符号为 0, 负数的符号为 20

21 1 正数的反码补码与原码相同 ; 负数的反码为原码的符号位不变其他位变反而得, 负数的补码为原码的符号位不变其他位变反加 1 而得负数的三种编码之间的关系如下图 1.5 所示 : 真值原码符号位不变其他按位变反 +1 补码 +1-1 符号位不变其他按位变反反码图 1.5 负数三种编码之间的转换关系例 1.4 求 8 位二进制数的原码反码和补码 +97=+61H= B=( ) 原码 =( ) 反码 =( ) 补码 -97=-61H= B=( ) 原码 =( ) 反码 =( ) 补码 1.5 微型计算机的应用及实例微型计算机的应用微型计算机的发展很大程度上是由其广泛的应用所推动的, 正是微机的普及将普通人与计算机联系起来, 从而使人类步入信息时代以下仅是微机应用中的几个主要的方面 1. 科学计算许多现代微型计算机系统具有较强的运算能力, 这是在过去只有大中小型机才具有的特别是多个微处理器构成的系统, 其功能往往可与大型机相匹敌, 而成本却低到足以使大型机趋于淘汰比如, 美国 Seguent 公司用 30 个 Intel 集合起来, 构成 Symmetry 计算机, 速度为 120 MIPS, 达到 IBM 3090 系列最高档大型机的性能, 价格却不到后者的十分之一用更多的微处理器构成的并行处理机甚至可以超过大型机的速度和性能比如, Intel 公司用 128 个微处理器构成的 IPSC 机, 速度达 512 MIPS, 这比任何一种商用大型机的速度都高 Intel 公司用一台 32 个微处理器构成的 IPSC 机运行一个广泛使用的科学计算程序, 结果比 Cray 公司的大型机 X-MP/2 快 40% 2. 信息处理和事务管理短时间内完成对大量信息的处理是信息时代的必然要求微型计算机配上数据库管理软件以后, 可以很灵活地对各种信息按不同的要求进行分类检索转换存储和打印, 加上一些专用部件 ( 如传感器 ) 后, 还可以处理光热力声等物理信号 3. 过程控制过程控制是微机系统应用最多, 也是最有效的方面之一现在, 在制造工业和日用品生产厂家中都可以看到微机控制的自动化生产线, 微机在这些部门的应用为生产能力和产品质量的迅速提高开辟了广阔前景 4. 仪器仪表控制在仪器仪表, 特别是电子设备中, 已逐步用微处理器取代了传统的机械部件或分离的电子部件, 这大大提高了产品的性能 / 价格比此外, 微处理器的应用还导致了一些新仪器智能仪器的诞生如智能示波器逻辑分析仪等, 它使得人们能同时观察众多的信号波形及它们之间的时序关系在医学领域, 出现了以微处理器为核心控制部件的 CT 扫描仪超声扫描仪等智能化的医疗设备, 这就大大提高了对疾病的确诊速度和确诊率 5. 计算机辅助教学辅助设计等随着微机系统软硬件的不断丰富, 逐步改善着人们的生活和生产方式比如, 用微机辅助设计 (CAD) 机械电子等产品, 可以降低成本缩短研制周期 ; 用微机辅助测试 (CAT) 数字设备集成电路性能指标或检查设备故障等, 可以节约测试时间提高测试准确率及避免重大事故的发生 ; 用微机辅助教学 (CAI), 可提高学习者的学习兴趣和学习效率目前 21

22 各高校都在建设越来越多的多功能教室, 改变着传统的教育方法 ; 此外, 在日常生活中也在不断涌现辅助服装设计 ( 客体服装设计 ) 电脑选发型等用微机提供的各种全新的服务项目 6. 计算机网络与通信计算机网络是指把若干台地理位置不同, 且具有独立功能的计算机通过通信设备和线路互连起来, 以实现信息传输和资源共享的一种计算机系统计算机技术和通信技术的迅速发展与紧密结合使计算机不仅用于科学计算工业控制等, 也更多的用于信息的收集加工处理和传输计算机网络使人们能将计算机群集起来, 快速而有效的发挥系统的整体效益 Internet 功能的不断增加和用户的不断扩充, 使地球变为一个村庄微机作为信息高速公路 ( 一种高速信息网络体系 ) 的终端其功能是电话电视多媒体电脑汇集而成的家庭信息中心, 它是一个新的高技术浪潮, 在它的冲击下, 我们的生活方式和工作方式都将改变 7. 家用电器和民用产品控制用微电脑控制的洗衣机电冰箱空调等已经是很普遍的民用电器了此外, 用微处理器控制的自动报时自动报警系统已进入发达国家的家庭装有微处理器的娱乐产品将智能融于娱乐之中, 以微处理器为核心的盲人阅读器则能自动扫描文本, 读出文本的内容, 为盲人带来了福音确切的讲, 微处理器在人们日常生活中的应用所受到的主要限制不是技术问题, 而是创造力和技巧上的问题微型计算机的应用实例如上所述, 微型计算机已渗透到各个领域, 其应用实例不胜枚举, 下面仅举一个简单的例子基于 PC 机的函数发生器 : 所谓函数发生器是指能产生正弦波三角波脉冲波锯齿波等多种波形, 并且频率和幅度可变的信号源它是电子技术领域最常用的仪器设备之一传统的函数发生器是由普通的电子器件构成的, 一旦做成产品, 其功能就不能扩展, 性能不能提高而且, 由于它完全由硬件组成, 随着器件的老化, 性能会不稳定或有所下降在微机如此普及的今天, 只要在通用的微机上增加少量软硬件即可使其具有函数发生器的功能一种简单的设计方案如图 1.6 所示 : PC BUS CPU 系统 D/A 转换器放大与驱动电路信号输出通用 PC 机译码电路扩展硬件 ( 插卡 ) 图 1.6 基于 PC 机的函数发生器原理框图将需要扩展的硬件做成标准插卡, 直接插入通用 PC 机的主机板扩展插槽中 ; 编程实现信号的生成输出以及频率和幅度的调节 ; 定义 PC 机键盘上的不同按键实现输出波形的选择频率和幅度的改变等 ; 在 PC 机系统的 CRT 上显示频率幅度波形等信息 ; 输出的信号由主机后面板引出这样构成的函数发生器, 量程可随意改变, 可靠性高, 升级容易习题与思考题 1. 什么是字长? 什么是内存容量? 2. 简述微型计算机系统的组成及其软硬件的层次结构 3. 简述微处理器微型计算机和微型计算机系统的区别与联系 4. 单片微处理器和单片微型计算机的区别是什么? 5. 进制转换 126 = H= B= Q 22

23 1234 = H= B= Q 4EH = B= Q= D 345Q = B= H= D 6. 进制计算 B B= B 3FC9H-0FFFH= H 7 AND 8= D 7 OR 8= D 7. 数据表示范围一个字节的无符号数表示范围为, 有符号数表示范围为一个字的无符号数表示范围为, 有符号数表示范围为 N 位二进制的无符号数表示范围为, 有符号数表示范围为 8. 30H 代表的 ASCⅡ 字符为, 代表十六进制数时等价的十进制值为, 代表压缩 8421BCD 码等价的十进制值为, 代表非压缩 8421BCD 码等价的十进制值为 9. 0FFH 代表无符号数时等价的十进制值为, 代表补码有符号数时等价的十进制值为, 代表反码有符号数时等价的十进制值为, 代表原码有符号数时等价的十进制值为的 8 位二进制补码为, 原码为, 反码为 +127 的 8 位二进制补码为, 原码为, 反码为 23

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Ps22Pdf ( ) ( 150 ) 25 15 20 40 ( 25, 1, 25 ), 1. A. B. C. D. 2. A. B. C. D. 3., J = 1 H = 1 ( A B, J', J, H ) A. A = B = 1, J' =0 B. A = B = J' =1 C. A = J' =1, B =0 D. B = J' = 1, A = 0 4. AB + AB A. AB B. AB