课程名称 微型计算机原理（微机原理与接口 技术）

学 时 52/12 （ 48/15）

选用教材 吴秀清主编 . 微型计算机原理与接口 技术 [M]（第三版） . 合肥：中国科技大学出版社 .

主讲教师 叶爱芹

授课对象 电子信息工程、机械自动化

授课方式 多媒体与板书相结合

前修课程：电路原理、模拟电子电路、数字电子技术等

课程在专业学科中的地位与作用 本 课程是我校电气信息类非计算机专业必修的主干专业基础课程之一，针对人才培养目标，课程体系和教学内容紧紧围绕“厚基础，重能力”的培养目标，强调理论与实践并重，注重培养学生知识应用能力和适应课程特点的学习方法。通过课程学习，不仅使学生掌握微机的基本组成结构和工作原理，更重要的是通过实践环节的训练，加深对理论知识理解，着重掌握计算机接口软硬件设计能力，为学生后续专业课程的学习奠定厚实的理论基础，培养学生分析问题、解决问题的能力。为嵌入式系统开发打下良好的基础。

课程内容与学时分配章 节 内 容 学 时第一章 绪论 4

第二章 8086 系统结构 6

第三章 8086 的寻址方式和指令系统 12

第四章 汇编语言程序设计 10

第五章 存储器 6

第六章 输入 / 输出接口 2

第七章 微型计算机中断系统 6

第八章 可编程计数器 / 定时器 8253及其应用 4

第九章 可编程外围接口芯片 8255A及其应用 4

第十一章 模数和数模转换 自学

第一章 微型计算机概述

1.1 微型计算机的发展概况

1.2 微型计算机的基本结构

1.3 微型计算机系统

1.4 微型计算机的应用

微型计算机的发展历史微型计算机的发展历史 计算机是 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。自 1946 年世界第一台计算机在美国诞生至今，经过半个多世纪的发展，计算机已经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，转化为推动社会前进的巨大的生产力。

1.1 1.1 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况

计算机按其性能、价格和体积等的不同，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机

巨型机：功能最强、精度最高、速度最快、价格最贵 高科技难题、每秒十几万亿次浮点运算（太拉级） 131 万亿次 日本 模拟气候实现精确的气象预报 模拟与设计可控核聚变 模拟核武器行为及破译密码 应用纳米技术模拟与设计新的电子器件

大型机：指令多、速度快、存储容量大、可连接数以百

计终端机，快速处理巨量的资料

中型机、小型机：规模小、结构简单、便于推广

微型机：体积小、重量轻、价格低廉 ；

采用大规模和超大规模集成电路；

可靠性好、结构灵活；内部元件少、连线少；

应用面广，用于过程控制、测量仪器、仪表、

教学、医疗、家电

在 50 多年的发展历史中，计算机经历了采用电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路的发展历程。未来将为人工智能计算机，模拟人脑的思维。

但是计算机真正的辉煌时期是从 1971 年第一片微处理器（ Microprocessor）诞生之日起，计算机便以惊人的速度发展，在此后的 30多年时间里，微处理器发展：从美国 Intel公司的 4004 、8008、 8080 、 8085、 8086 、 80186 、 80286 、 80386 、 80486 发展到 Pentium 、 Pentium Pro、 PentiumⅡ 、 Pentium Ⅲ 、 Pentium Ⅳ 、 Itanium 等。

第一代（第一代（ 1971-19731971-1973 年）：年）： 44 位和低档位和低档 88位微处理器位微处理器时代时代典型产品有 Intel 4004(1971年、 4位 )和 Intel 8008（ 1972年、 8位）。通常人们把 Intel 4004(4位 )和 Intel 8008（ 8 位）称为第一代微处理器。特点字长： 4位或 8位时钟频率： 1MHz

平均执行指令时间： 20μs集成度： 2000管 /片价格低廉、使用方便，主要应用于简单计算与控制。

第二代（第二代（ 19731973－－ 19781978年）：中高档年）：中高档 88位微处理器时位微处理器时代代1973 年， Intel公司推出了性能更好的 8位微处理器 8080 。Motorola公司的 M6800 ， Zilog公司的 Z80 ， Intel公司的8085， Rockwell 与 MOS Technology的 6502 等。通常人们把这一时期的微处理器称为第二代微处理器。特点字长： 8位时钟频率： 2～ 4MHz

平均执行指令时间： 1～ 2 μs集成度： 5000 ～ 10000管 /片这一时期推出的微型计算机，在系统设计上考虑了机器间的兼容性，接口的标准化和通用性，外围配套电路种类齐全、功能完善。在系统软件方面，除可使用汇编语言外，还配用高级语言和操作系统。已经广泛用于数据处理、工业控制、汽车、电子、智能仪器仪表和家电等领域。

第三代（第三代（ 1978-19801978-1980 年）：年）： 1616 位微处理器时代位微处理器时代

Intel公司的 8086/8088、 Motorola公司的 M68000和 Zilog 公司的 Z8000

特点

字长： 16 位

时钟频率： 4～ 40MHz

平均执行指令时间： 0.5 μs

集成度： 20000 ～ 60000管 /片

第四代第四代（ 1983-1993年）：： 32位微处理器时期 Intel公司推出 80186 、 80286

1985年， Intel公司推出能进行多任务处理的 32位微处理器 80386 ，同时有 Motorola公司的 M68020

1989年， Intel公司推出 80486 ，同期有 Motorola公司的 M68040

特点字长： 32 位时钟频率： 10～ 120MHz平均执行指令时间： 0.2μs集成度：几十万～上百万管 /片

第五代（第五代（ 19931993 ～～ 19961996 ）：）： PentiumPentium 微处理器的时微处理器的时

代代 1993 年 3月， Intel公司的奔腾（ Pentium）

时钟频率： 60/66MHz

运行速度： 112MIPS

集成度： 310 万管 /片

1995年 2月， Intel公司的 Pentium Pro

时钟频率： 166MHz以上

集成度： 550 万管 /片

1996 年 Intel公司的 Pentium MMX （多能奔腾）

第六代（第六代（ 19971997至今）：加强型至今）：加强型 PentiumPentium时代时代 1997年到 1999 年， Intel公司的 Pentium Ⅱ 、 Pentium Ⅲ

AMD公司的 AMD-K7，这些芯片的集成度高达 750 万管/片，时钟频率达到 750MHz。

2000年， Intel公司的 Pentium Ⅳ

2001年底， Pentium Ⅳ 主频高达 2GHz，具有 4200 万只晶体管，主流高端 32 位 CPU市场的佼佼者。

AMD公司的 Athlon CPU， 1.33GHz主频及 2GHz主频。

2006年， Core系列。支持 64位计算。

IntelIntel 的的 CPUCPU 的发展史的发展史intel 4004 ， intel 的发展史就是从这块 cpu 起步的

8008 8085

8086

80286 ， intel 最后一块 16 位 cpu

80386 ， intel 第一代 32 位cpu

486486 ，这是，这是 intelintel 最后一代以最后一代以数字编号的数字编号的 cpucpu

pentium ， 586 pentium pro

pentium mmx

pentiumⅱ

celeron ，引发超频热潮

pentium _katmaiⅲ pentiumⅲ

Intel pentium tualatin/coppermineⅲ

intel pentium _423ⅳ

intel pentium _478ⅳ

微型计算机的发展现状超级流水线技术将流水线深度增加了一倍

数据流单指令多数据扩展 2(SSE2)指令集扩展MMX和 SSE技术 ,更好的支持 DVD播放，音频和

3D 图形数据处理，网络流数据处理等

采用了全新的一级（ L1）指令高速缓存技术

采用先进的 400MHz系统总线

具有双通道 RDRAM，可实现更高性能 微型化、网络化、智能化

1.2 1.2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构1.2.1 微型计算机的结构特点

微型计算机结构框图

冯•诺依曼结构

简介

由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行

返回

CPUCPU 一般都具备下列功能：一般都具备下列功能： 可以进行算术和逻辑运算 能对指令进行译码并执行规定的动作 可暂存少量数据 提供整个系统所需要的定时和控制 能和存储器、外设交换数据 可以响应其他部件发来的中断请求

微处理器

微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（ Central Processing Unit）

本身具有运算和控制功能 控制器：负责全机的控制工作

运算器：执行所有的算术和逻辑运算

微处理器是微型计算机的核心

多数 CPU是单片的，有时也会见多片型的，

即几个片合起来完成一个 CPU的功能

CPUCPU 在内部结构上都包含下面这些部分：在内部结构上都包含下面这些部分： 算术逻辑部件（ ALU）：专门用来处理各种数据信息的，它可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算 累加器和通用寄存器组：用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址 程序计数器（指令指针）：指向下一条要取出的指令 指令寄存器：存放从存储器中取出的指令码 译码器：对指令码进行译码和分析，从而确定指令的操作，并确定操作数的地址，再得到操作数，以完成指定的操作。 时序和控制部件：指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号送到时序和控制逻辑电路，组合成外部电路所需要的时序和控制信号。这些信号送到微型计算机的相应部件，以控制这些部件协调工作。

由 CPU内部产生相应的控制信号：送到存储器、

输入 / 输出接口电路和其他部件 微型计算机系统的其它部件也会在它们需要的时

候向 CPU发出各种请求信号：如中断请求、总线

请求等。

内存储器（ Memory）

内存储器又叫内存或主存，计算机的记忆部件

存放编写的程序，程序中所用的数据、信息、中间结果

存储单元的地址和内容

内存中存放的数据和程序，从形式上看都是二进制数

微机通过给各个内存单元规定不同地址来管理内存

位——计算机存储信息的基本单位 每 8位组成一个字节

7 6 5 4 3 2 1 0

若字长为 16位，由 2 个字节组成

每一个字节单元有一个存储器地址，地址用二进制数表示，为无符号整数，书写格式为 16进制

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

高位字节 低位字节

字

内存操作CPU对内存的操作有读、写两种 读操作是 CPU将内存单元的内容取入 CPU内部写操作是 CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来

内存分类按工作方式不同，内存可分为两大类： 随机存取存储器 RAM(Random Access Memory) 只读存储器 ROM(Read Only Memory)RAM可以被 CPU随机地读和写，所以又称为读写存储器

ROM中的信息只能被 CPU随机读取，而不能由 CPU任意写入

输入输出设备和输入输出接口

输入输出设备是指微型计算机上配备的 I/O设备

也称为外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微型计算机提供具体的输入 / 输出手段

微型计算机上配置的标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台

为了解决微型计算机与种类繁多的外设之间的信息交换，各种外设都通过相应的接口 (Interface)电路与主机系统相连。

总线数据总线（ data bus, DB）

数据总线用来传输数据信息，是双向总线 地址总线（ address bus, AB）

地址总线用于传送 CPU发出的地址信息，是单向总线

控制总线（ control bus, CB）控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

其中有的是 CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向 CPU发出的信息

可见， CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但 CB作为一个整体是双向的

1.3 1.3 微型计算机系统微型计算机系统

1.3.1 微型计算机系统的组成 一台完整的计算机必须由硬件和软件这两大部分组成，其中硬件是基础，软件是灵魂，二者缺一不可

微型计算机硬件系统是机器的实体部分，主要包括主机和外围设备。

微型计算机软件系统主要包括系统软件、各种程序设计语言、应用程序和数据库等

微型计算机系统的基本组成

1.3.2 微型计算机的主要性能指标基本字长

基本字长是指参与运算数的基本位数，它是由加法器、寄存器、数据总线的位数决定的

主存容量一个主存储器所能存储的最大信息容量称为主存容量

运算速度人们用计算机的主频——时钟频率来表示运算速度，以 MHz或 GHz为单位

系统配置外部设备、软件

性能价格比

1.3.3 典型微型计算机的组成结构Pentium 系列处理器

主处理器总线（ 3.3V 或 2.5VI/O,60 ～ 66MHz ）

第二级Cache

Cache（ PBSRAM ）

标签

Cntl

Tag Cntl

TIO[7:0]

82439TX(MTXC)

DRAM 接口(3.5V 或 5V) 主存储器

(DRAM)

PCI 总线（ 3.3V 或 5V, 30/33MHz ）

ISA 插槽

PCI 扩充连接器

PCI 插槽PCI 插槽PCI 总线（ 5V ）82380FB

(MPCI2)

82380AB(MISA)

ISA 总线（ 5V ）

CD-ROM 硬盘

IDE UDMA/33 通用串行总线 (USB)

ISA/EIO 总线 ( 兼容 3.3V,5V)

USB1

USB2

GP[I,O](30+)

SMB(I2C)

音频

PC87317VUL

BIOS

串行口红外口并行口

鼠标口键盘口软盘口

82371AB(PIIX4)硬盘

只适应可撤卸的扩充站

典型微型计算机组成结构图

微处理器，高速缓存，存储器，逻辑芯片组， I/O 控制器，图形、视频、音频系统控制器

并行端口、 COM0 、视频口、键盘、鼠标、游戏口

ISA 插槽 音频编码 视频扩展卡插槽 COM1 Socket7

CPU

DIM

M S

ockets

DIM

M S

ockets

512KBCache

FLASH视频输入

视频存储器

扬声器板面状态接口

配置跳线接口

图形控制器

视频抓取处理器

PCI 插槽

TV 输出 多媒体通道连接器

GP

IO

82430TXMTXC

82430TXPIIX4

电源连接器

软盘连接器

PC87307VULIDE 连接器

IDE 连接器

电池

稳压器

典型微型计算机主板结构图

1.4 1.4 微型计算机的应用微型计算机的应用1.4.1 科学计算和信息处理

科学计算一直是计算机的重要应用领域。发明计算机的原始目的就是为了科学计算

信息处理是微型计算机应用得最广泛的领域信息处理就是用微型计算机对生产、经济活动、社会和科学研究中获得的大量信息进行存储、分类、变换、计算和传输，以符合人们要求和习惯的形式输出、显示或再控制

1.4.2 辅助设计和辅助制造

计算机辅助设计和辅助制造（ CAD/CAM）是微型计算机应用中的另一个重要领域

CAD是指人们利用计算机帮助设计者进行各种工程设计、模拟和测试

CAM是指利用计算机控制机械加工和制造

1.4.3 测控领域微型计算机在测控领域中的应用是最广泛、最普遍、最有效的应用

微机测控的典型应用如下：军事方面：用于导弹、核武器、宇宙飞船、潜水艇、雷达、电子对抗等。

工业方面：用于化工过程控制、机床自动控制、冶炼过程控制、发电厂控制、装配机械控制、生产自动化控制、机器人等。

测试与仪器方面：智能仪器、自动测试系统、数据采集系统、虚拟仪器、遥控遥测等。

通信及交通方面：程控交换机、传真电报、移动通信电台及手记、汽车电子设备、自动点火系统、交通信号控制、自动售票、车辆调度、导航及空中管制、航空自动驾驶。

文体卫生方面：计算机、 CT扫描仪、超声诊断仪、脑电图仪、 X 射线机。

家电产品：以嵌入式微处理器为主，如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭锅、智能玩具等。

1.4.4 网络通信

网络通信是计算机技术和通信技术密切结合的产物 微型计算机在网络通信领域中的典型应用有：

金融服务 电子商务 电子消息传递 电子数据交换 电视会议 移动通信

1.5基础知识 进位计数制与不同基数的数之间的转换

二进制数和十六进制数运算

计算机中数和字符的表示

几种基本的逻辑运算

二进制数 进位计数制 （基数、位权）

N 位二进制数

进位计数制 标志 基数 数码十六进制

十进制八进制

二进制

H

DQB

16

1082

0 ， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7，8， 9 ， A ， B ， C ， D ， E ， F0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7， 8 ， 90 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 70 ， 1

二进制数和十进制数之间的转换

十进制

位权展开式

二进制

十进制 二进制

整数：降幂法、除基取余法

小数：降幂法、乘基取整法

十六进制数及其与二进制、十进制数之间的转换

十六进制 二进制

0011 0101 1011 1111

3 5 B F

A 1 9 C

1010 0001 1001 1100

十进制 十六进制

位权展开

整数：降幂法、除基取余法

小数：降幂法、乘基取整法

二进制数的运算 0+0=0 0×0=0

0+1=1 0×1=0

1+0=1 1×0=0

1+1=0 （进位 1 ） 1×1=1

十六进制数的运算 逢十六进一

数的表示 机器数：把一个数连同其符号在内在机器中的表示加以数值化

原码、反码、补码

多数机器的整数采用补码表示法

补码表示：

正数：用符号 -绝对值表示

负数：写出相应的正数补码，按位取反，最末位加 1

例：机器字长 16 位，写出N=-117D 的补码表示。

+117D 0000 0000 0111 0101

按位求反后为 1111 1111 1000 1010

末位加 1 后为 1111 1111 1000 1011

十六进制表示 F F 8 B

即 [-117D]补=FF8BH

求 -53 的补码原码： 10110101 反码： 11001010 补码： 11001011

符号扩展：指一个数从位数较少扩展到位数较多。对于用补码表示的数，正数的符号扩展应在前面补 0 ，负数的符号扩展应在前面补 1 。

例： +46补码 00101110

0000000000101110 =002EH

-46补码 11010010

1111111111010010 =FFD2H

N 位补码表示数的范围：

122 11 nn N

在机器里，为了扩大表数范围，可用两个机器字来表示一个机器数，称双字长数或双精度数

低位高位

15 0 15 0

符号 补码值

补码的加法和减法

[X+Y] 补 = [X] 补 +[Y] 补

[X-Y] 补 = [X] 补 +[-Y] 补

无符号数

常用于表示地址

字符表示法（ ASCII ）

0 30H

a 61H

机器数注意事项机器数注意事项1. 正数的原码、反码与补码相同2. 机器数要以一定字长写3. 不同字长的机器数相运算要进行符号

扩展4. 要防止机器数的范围溢出5. 负数的机器数首位定为 1

本章小结本章小结

1. 微处理器的发展2. 微处理器 , 微型计算机 , 微型计算机系统

的组成 3. 微型计算机的性能指标4. 数制的转换5. 机器数的表示