【微机原理与接口技术】学习笔记1 微型计算机的结构系统和发展概况

一、数的表示方法

1.1 进位计数制（略）

学过了，跳过。

1.2 进制编码（略）

这些都学过了，跳过。

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1.3 带符号数的表示方法

1.3.1 符号表示法

做法：无论多少位，最高位做符号位。是最早最容易想到的做法。

例：对于长度 $8$ 位的数（ $D_7$～$D_0$ ），用 $D_7$ 位作符号位，$D_7=1$ 表示负数，$D_7=0$ 表示正数。如：0101 1101B = +93，1101 1101B = −93
对于长度 $16$ 位的数（ $D_{15}$～$D_0$），$D_{15}=1$ 表示负数，$D_{15}=0$ 表示正数。

带符号位的数称为机器数，它表示的实际数值称为机器数的真值。

1.3.2 原码、反码和补码

(1) 原码

正数的符号位用 $0$ 表示，负数符号位用 $1$ 表示，其余位为数值，这种表示方法称为原码。就是上面的符号表示法。例：

• X=+105，[X]原=0110 1001B；
• X=−105，[X]原=1110 1001B

原码简单易懂，与真值换算很方便。若要进行两个异号数相加，或两个同号数相减的运算，就要做减法操作。一般的计算机中没有减法运算部件，减法运算也要用加法部件实现，因此要引进反码和补码。

(1) 反码

正数的反码与原码相同。例：

• [+4]反=0000 0100B；
• [+31]反=0001 1111B；
• [+127]反=0111 1111B (最大值)

负数的反码为它的正数原码按位取反。

• [−4]反 = 1111 1011B
• [−31]反 = 1110 0000B
• [−127]反 = 1000 0000B (最小值)

8 位二进制数的反码范围为 −127～+127 。

带符号数用反码表示时，最高位为符号位，当它为正数时，后 7 位为真正的值；它为负数时，后7位要取反后才能得到真正的值。比如说， [X]反=1001 0100B，[X]真值=−[110 1011]= −107 。

(3) 补码

正数的补码同原码；负数的补码为其反码加1，即为它的正数原码按位取反再加1。例：

• [+4]原=0000 0100B = [+4]反 = [+4]补
• [−4]原=1000 0100B
[−4]反=1111 1011B （正数 4 按位取反；或者 [-4]原 后七位按位取反）
  [−4]补=1111 1100B （反码+1）
• [+127]原=0111 1111B = [+127]反 = [+127]补
[−127]原=1111 1111B
[−127]反=1000 0000B
[−127]补=1000 0001B
• [−128]补=1000 0000B

补码可看成“带符号位的数”，符号位也参加运算。要减去一个数，只要加上其补码。我们有 [A+B]补=[A]补+[B]补 和 [A-B]补=[A]补+[-B]补 。如，要做减法 7−19 ，可用 7+[−19]补来完成。

• [7]补 = 0000 0111B; [+19]补 = 0001 0011B
• [−19]补 = 1110 1101B

      0000 0111B   	    -------- [7]补
  +	1110 1101B   	    -------- [−19]补   
   	1111 0100B = F4H	-------- 和的补码
  

• 和的补码 = F4H = 1111 0100B
  和的反码 = F3H = 1111 0011B
  和的原码 = 1000 1100B，其真值为 -12
• 可见，7 +（−19）= −12，答案正确。

1.4 实数的表示（略）

见计算机组成原理。

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二、计算机的基本结构

2.1 计算机的基本结构（略）

跳过。

2.2 计算机软件

跳过。

2.2.1 指令和程序

下面是一些概念：

• 指令—用命令形式表示让计算机执行的各种操作。
• 指令集 — 一台计算机所能识别和执行的全部命令称为该机器的指令集（Instruction Set）或指令系统。
• 不同计算机有不同的指令系统，包含的指令数也不一样。
• 程序—让计算机求解一个数学问题或者完成一项复杂工作前，要把解决问题的过程分解为若干步骤，并用指令序列来表示，以便控制计算机完成这项任务，这样的指令序列就叫程序(Program)。

2.2.2 指令的组成和机器码

计算机只认得二进制，因此指令都用二进制表示，称为机器码（Machine Code）。

指令由操作码（Opecode）和操作数（Operand）组成，操作码说明计算机执行什么操作，操作数指出参加操作的数的本身或操作数所在的地址。这样看来，指令很像语法中的动宾结构。

例如，在 8086 CPU 中，把数字 1200H 取到累加器 AX 中去的指令的机器码为：

操作码 B8H ，规定了要从后面两个字节单元中取出一个 $2$ 字节数（ 1200H ），送到累加器 AX 中的操作。

需要记住的是，这里的数据存放——低字节放在前面，高字节放在后面，或者说，大多数计算机系统中，低位字节放在低地址，高位字节放在高地址。

初期，就是用指令的机器码直接来编制程序的，处于机器语言阶段。机器码是一连串的0和1组成的代码，输入计算机时，由纸带穿孔机在纸带上凿孔，有孔表示 $1$ ，无孔表示 $0$ 。这种代码不好理解和记忆，还很容易出错，所以最开始，编程是一件极其繁杂而困难的工作。

2.2.3 汇编语言Assemble Language

汇编语言用助记符（Mnemonic）代替二进制的机器码，用指令功能的英文缩写代替操作码，用符号代替地址，用寄存器存放地址等，用汇编语言程序编程比机器语言方便。

例如，对于8086：

• 数据传送指令用助记符 MOV（Move）
• 加法指令用 ADD（Addition）
• 跳转指令用 JMP（Jump）
• 用 RESULT 、SUM 等符号来表示存储单元地址

将 1200H 送到累加器 AX 中去的指令为：MOV AX，1200H。

例：编写求解 2+3=5 的汇编语言程序，要求将和存入 SUM 单元。程序如下：

MOV   	AX, 2     ;累加器AX←2
ADD   	AX, 3     ;AX←AX+3
MOV 	SUM, AX   ;结果单元SUM←和数5

计算机只认识由0、1组成的机器码。因此，汇编语言程序必须翻译(用 MASM )成机器码表示的目标程序（Object Program），才能被计算机识别和执行。能让计算机自动完成翻译工作的程序称为汇编程序（Assembler）。

汇编语言程序比机器语言程序进了一大步，但是其本质仍然是助记符，和机器语言一一对应，因此汇编语言程序语句很多，编程工作很繁琐。这是它的不足之处。而且，汇编语言的针对性很强，在某种机器上编写的汇编语言程序，不能直接在别的机器上运行，无法跨平台，程序员必须十分熟悉CPU的指令系统，于是，各种高级语言应运而生。

2.3 高级语言（略）

2.4 操作系统（略）

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三、微型计算机结构和系统

微型计算机与冯·诺依曼结构计算机无本质区别。主要不同在于：CPU 采用集成化的微处理器，各部件通过总线相连，所有外设都应通过I/O接口电路才能连到 CPU。微型计算机基本结构框图：

虽然上图不是放之四海而皆准，架构不完全一样（还有哈佛结构），但是我们可以看出，CPU可以直接访问内存存储器，访问IO接口，而且我们的CPU不可以直接访问IO设备。这是我们需要知道的，而且是我们课程的核心内容。

3.1 微处理器（略）

3.2 存储器

存储器用来存放数据和指令，其内容以二进制表示。每个单元可存 $8$ 位( $1$ 字节)二进制信息。即一个存储器单元为一个字节。

为了正确存取内存单元，需要为每个单元编1个存储器地址(Memory Address)。地址是不带符号整数，从 $0$ 开始，顺序加 $1$ ，到最大值后又回 $0$。

例如，CPU 有 $16$ 根地址线 $A_{15}$～$A_0$ ，可表示的地址范围为 $2^{16}=65536$ 个单元，地址编号为 $0$～$65535$ 或 0000～FFFFH （最后的 H 表示是十六进制的 ）

$1$ 个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容。例如，下图中，地址 0003H 单元中存放内容为 3CH ，记作：(0003H）= 3CH。同理 (1200H)= 8FH 。

从上图中，还有如下例子：

• 从 0000H 单元开始存放的 $3$ 个字节数据依次为 B8H、02H和00H；
• 1200H 开始存放字数据 A28FH，(1200H)字 =A28FH；
• 1202 开始存放的字数据为 1234H，(1202H)字=1234H
• 如果是32位机，1200H单元开始存放的双字数据为1234 A28FH

地址与内容的关系：

• $16$ 位机，数据以字(Word，W)为单位，用两个字节单元存放一个字，并规定：低位字节在前，高为字节在后。而且，整个数据的地址为最低字节的地址。极少数系统中，字数据也会按高字节在前、低字节在后的规则存放；
• $32$ 位机中，$32$ 位数应以 $4$ 字节或双字来表示。

3.3 输入输出设备和接口电路

3.3.1 I/O设备

一些概念：

• 输入—将原始数据和程序传送到计算机。
• 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、CD-ROM、数码相机。
• 输出—将计算机处理好的数据以各种形式（数字、字母、文字、图形、图像和声音等）送到外部。
• 输出设备：激光打印机、显示终端、七段发光二极管显示器、液晶显示器、扬声器。
• 磁盘和磁带，既可看成存储设备，也可当成I/O设备。

3.3.2 接口电路（Interface）

I/O设备种类繁多，其速度、信号电平与主机不一致，要通过接口电路连到计算机。接口电路是主机和外设间的桥梁，提供数据缓冲驱动、信号电平转换、信息转换、地址译码、定时控制等各种功能。声卡和显卡都是接口电路。

各厂商都有与自己CPU配套的外设接口芯片，例如，后面将分别学习的 Intel 可编程接口芯片：

• 8255A 通用并行I/O接口
• 8253/8254 计数器/定时器
• 8259A 中断控制器
• 8251A 串行通信接口
• 8237A DMA 控制器

目前，它们已被集成到 $32$ 位、$64$ 位 CPU 的配套芯片中，其功能、控制方法和地址等均向前兼容。

3.3.3 总线

从CPU和各I/O接口芯片的内部各功能电路的连接，到计算机系统内部的各部件间的数据传送和通信，乃至计算机主板与适配器卡的连接，以及计算机与外部设备间的连接，都要通过总线（Bus）来实现。

总线标准，是设计计算机部件、I/O设备甚至计算机软件的依据。
按总线中传送的信息分为：地址总线，数据总线，控制总线，还有电源和地。

• 地址总线（Address Bus）：用于传送地址信息，是单向总线，总从CPU指向存储器或I/O。CPU通过地址总线对存储器或I/O端口寻址。
  地址总线数目决定了CPU能直接寻址的范围。

  • 8 位CPU，如 8080 ，有 16 根地址线 A15～A0 ，可直接寻址的范围为 $2^{16}=65536$ 字节单元，即 64KB ；
  • 16 位CPU如 8086/8088 ，有 20 根地址线 A19～A0 ，最大可寻址 $2^{20}=1048576$ 字节单元，即 1MB ；
  • 80286 有 24 根地址线，可直接寻址 $2^{24}=16MB$ ；
  • 80386 有 32 根地址线，可寻址 $2^{32}=4GB$ ；
  • Pentium 以上CPU有 36 根地址线，寻址范围高达 $2^{36}=64GB$ 。

• 数据总线（Data Bus）：用于传送数据信号的总线，是双向总线，CPU既可以通过它从存储单元或I/O端口读取数据，也可将数据传送到存储单元或I/O端口。
  数据总线的多少决定了一台计算机的字长。16 位机一次可并行传送16位数据，32 位机则可传送32位数据。

  • 8086 和 8088 都是16位CPU。但8088内部有16根数据线，外部只有8根，故称它为准16位CPU。
  • 以 80386、80486 及 Pentium 等为CPU的微型计算机都是 32 位机。
  • 现在的主流微型机是64位机。

• 控制总线（Control Bus）：是CPU对存储器、外围芯片和I/O接口的控制以及它们对CPU的应答、请求等信号组成的总线。例如：

  • CPU要从存储器或I/O端口读出数据时，就要向外部发读（ $\overline{RD}$ ）信号。
  • CPU想向外部写入数据，则要发写（ $\overline{WR}$ ）信号。
  • 控制存储器和外设的信号 $M/\overline{IO}$ ，访问存储器时该信号为高电平，访问I/O端口时则为低电平。