第一章微型计算机基础

第一章微型计算机基础

1.1 概述1.2 计算机中的数制和编码

1.2.1 无符号数的表示及运算1.2.2 带符号数的表示及运算1.2.3 二进制编码*1.2.4 计算机的定点表示和浮点表示

1.3 微型计算机系统的组成、分类和配置1.3.1 微型计算机系统的组成1.3.2 微型计算机的分类

第一章微型计算机基础

1.3.3 IBM PC和 PC/XT 的配置1.4 微处理器

1.4.1 Intel 8086/8088

*1.4.2 Intel 8087 协处理器*1.4.3 Intel 80286

*1.4.4 Intel 80386

*1.4.5 Intel 80486

*1.4.6 Pentium 系列微处理器

第 1 章微型计算机基础

计算机的基本结构 CPU(Central Processing Unit) ：即中央处理单元，

是一台计算机的心脏，由运算器和控制器组成。微处理器（Microprocessor): 把 CPU 和一组称为寄存

器（ Registers ）的特殊存储器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。（ Pentium 芯片）

微型计算机：以微处理器为核心，加上一定数量的存储器以及若干个外部设备，就构成了微型计算机。（ PC 机、单片机）

微型计算机系统：以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。

微型计算机的三种形式：微处理器→微型计算机→微型计算机系统

1.1 概述


微处理器的发展史

1. 第一代（ 1971 ～ 1973 年） 4 位和低档 8 位微处理器

• 1971 年： Intel 4004 ，是世界上第一片单片微处理器4 位微处理器，寻址空间为 4096 个半字节 , 指令系统

包括 45 条指令• 1972 年： Intel 8008 ，是世界上第一片 8 位微处理器。

8008 采用了 10m 生产工艺，集成度为 3500 个晶体管，工作频率为 200KHz 。

1.1 概述



2. 第二代（ 1974 ～ 1978 年）中高档 8 位微处理器

• 1974 年： Intel 8080采用了 6m 生产工艺，集成度为 6000 个晶体管，主

频为 2MHz 。• 1975年 4 月， MITS 公司推出了以 8080为 CPU 的世

界上第一台个人计算机 Altair 8800 。• 1976 年： Intel 公司生产的最后一种 8 位通用微处理器 Intel 8085 的工作频率提高到 5MHz ，指令系统的指令数上升到 246 条。

1.1 概述


微处理器的发展史3. 第三代（ 1978 ～ 1985 年） 16 位微处理器

• 1978年— Intel 8086, 采用了 3m 工艺，集成了 29,000个晶体管，工作频率为 4.77 MHz 。它的寄存器和数据总线均为 16 位，地址总线为 20 位，从而使寻址空间达 1MB 。

• 1979年— Intel 8088, 除了它的数据总线为 8 位以外，其余均与 8086 相同。 8088 采用 8 位数据总线是为了利用当时现有的 8 位设备控制芯片。由于 8088 内部支持 16 位运算，而与 I/O 之间传输为 8 位，故 8088 称为准 16 位微处理器。

• 1981年 8 月， IBM 公司推出以 8088为 CPU 的世界上第一台 16 位微型计算机 IBM 5150 Personal Computer ，即著名的 IMB PC 。

• 1985年 IBM 公司推出以 80286为 CPU 的微型计算机IBM PC/AT ，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是的工业标准结构（ ISA ）。

1.1 概述



4. 第四代（ 1985 年以后） 32 位高档微处理器。• 1985年— Intel 80386, 第一个实用的 32 位微处理器。

采用了 1.5m 工艺，集成了 275,000 个晶体管，工作频率达到 16MHz。 80386 的内部寄存器、数据总线和地址总线都是 32 位的。通过 32 位的地址总线， 80386 的可寻址空间达到 4GB 。

• 1990年— Intel 80486, 采用 1m 工艺，集成了 120 万个晶体管，工作频率为 25MHz 。

1.1 概述



5. 第五代（ 1993 年以后） 64 位高档微处理器• 1993年— Pentium(80586,P5) 采用 0.8m 工艺技术，

集成了 310 万个晶体管，工作频率为 60MHz/66MHz 。• 1994年— Pentium MMX。

6. 第六代（ 1995 年以后） 64 位高档微处理器• 1995年— Pentium Pro（ 80686， P6 ）、 Pentium II、

Pentium III、 Pentium 4, 采用 0.6 m -0.18m 工艺，集成度 550 万 -750 万晶体管，时钟频率 166MHz-3.06GHz ，采用二级高速缓存， 2 级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行 3 条指令。

• “Prescott” 处理器－是英特尔首款采用 0.09 微米工艺生产的处理器， 1 兆的二级缓存，采用 800MHz 前端总线，集成经过改良的超线程技术（ Hyper-Threading ）。在其内部添加了 13 条新指令。时钟频率发布时为 3.4GHz ，之后，最高可达 5GHz 。

1.1 概述


数制

二进制数（以 B 结尾）十六进制数（以 H 结尾）十进制数（以 D 结尾）注：数在机器中是用二进制表示的，但为了书写方

便我们用十六进制表示，一个字节（ 8 位二进制数）用两位十六进制数来表示。

例： 10110011B＝ 179D＝ B3H

自学：二进制的运算和数制之间的转换

1.2 计算机中的数制和编码


无符号数和带符号数

无符号数：无符号数的最高位不是符号位而是数值的一部分。

带符号数 : 把二进制数的最高一位定义为符号位，符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数。

符号位：如果是 8 位二进制数，则符号位是 D7 ，如果是 16 位二进制数，则符号位是 D15。



带符号数的表示方法

除非特别声明，带符号数都默认由补码表示。正数的补码和原码相同，负数的补码等于其对应正

数的补码按位求反（包括符号位）再加 1 。例： [-97] 补＝ 1001 1111 [-127] 补＝ 1000 0001 二进制补码表示的带符号数的真值的求法：正数的

真值直接由补码求得；负数的真值须将负数的补码按位取反加 1 ，得到真值的绝对值，然后再加上负号。

例： 0111 1111=[+127] 补 1000 0000=[-128] 补



带符号数和无符号数的关系


对于一个二进制数，到底是带符号数还是不带符号数，计算机是不知道的，完全由运算的人来确定，就是说，二进制数的含义是人为赋予的。由于采用了补码表示法，计算机在处理带符号数和不带符号数的运算时，处理方法完全一致，运算结果在其可以表示的范围内的总是正确。

机器运算表示符号数表示无符号数

10111001

00101011

11100100+)

[-71]补 [43]补 [-28]补

+)

185

43

228+)


二进制编码

BCD 码 BCD 有十个不同的数字符号，且是逢十进位的，但它的每一

位是用四位二进制编码来表示的，因此称为二进制编码的十进制码。

注： BCD 码和二进制码不能直接转换，而是要通过十进制码例： (0111 0011)BCD=73D=0100 1001B 0111 0011B=115D=(0001 0001 0101) BCD

。

压缩 BCD 码的每一位用 4 位二进制表示， 0000~1001 表示 0~9 ，一个字节表示两位十进制数。例如： 0111 0011

非压缩 BCD 码用一个字节表示一位十进制数，高 4 位总是 0000 ，低 4 位的 0000~1001 表示 0~9 。例如： 0000 0011



二进制编码


十进制数 8421BCD码十进制数 8421BCD码

0 0000 8 1000

1 0001 9 1001

2 0010 10 0001 0000

3 0011 11 0001 0001

4 0100 12 0001 0010

5 0101 13 0001 0011

6 0110 14 0001 0100

7 0111 15 0001 0101

BCD 编码表


二进制编码

ASCII 码字母、数字、符号等各种字符都必须按照特定的规则

用二进制编码才能在计算机中表示。 ASCII 码是一种全世界普遍采用的字符编码。

ASCII 码用 7 位二进制编码表示 128 种字符。数字 0~9 的编码是 0110000~0111001 ，它们的高 3 位

均是 011 ，后 4 位正好与其对应的二进制代码相符。英文字母 A~Z的 ASCII 码从 1000001 （ 41H ）开始顺序递增，字母 a~z的 ASCII 码从 1100001 （ 61H ）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。



二进制编码


ASCII字符表

000 001 010 011 100 101 110 111

0000 NUL DLE SP 0 @ P ` p0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q0010 STX DC2 " 2 B R b r0011 ETX DC3 # 3 C S c s0100 EOT DC4 $ 4 D T d t0101 ENG NAK % 5 E U e u0110 ACK SYN & 6 F V f v0111 BEL ETB ' 7 G W g w1000 BS CAN ( 8 H X h x1001 HT EM ) 9 I Y i y1010 LF SUB * : J Z j z1011 VT ESC + ; K [ k {1100 FF FS , < L \ l |1101 CR GS - = M ] m }1110 SO RS . > N n ~1111 SI US / ? O o DEL注：H表示高 3位，L表示低 4位。

HL

附录 1.1 ASCII （美国标准交换标准码）字符表（ 7 位表）


位、字、字节、双字和字长

• 位（ bit ）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为 0 或 1 的一个二进制数值位。位作为单位时记作 b

• 字节（ byte ）由 8 个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作 B。

例如 8086/8088 有 20 位地址线，它的存储器寻址范围（容量）是 220 字节，记做 1MB。

1K=1024=210； 1M=1024K=220； 1G=1024M=230 ； 1T=1024G=240； 1KB＝ 1K×8b• 字（ word) 是计算机内部进行数据传递的基本单位 , 它

通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。



位、字、字节、双字和字长• 字长是字所包含的二进制位数，即微处理器一次可以

直接处理的二进制数码的位数。微处理器的字长有 4位、 8 位、 16 位和 32 位等等。例如： 8088 称为准 16位微处理器，而 80386SX 称为准 32 位微处理器。

• IBM PC/XT 机规定：字（ W）＝ 2 字节＝ 16 位双字（ DW）＝ 4 字节＝ 32 位四字（ QW）＝ 8 字节＝ 64 位


半字节

字节

字

双字

03

0347

07

078F

8F

1017181F


微型计算机的组成

微型计算机系统

硬件

软件

主机

外部设备

CPU

存储器

I/O 接口

运算器

控制器

寄存器

系统软件

应用软件

图 1.5 微型计算机的组成结构

1.3 微型计算机系统的组成、分类和配置


微型计算机硬件之一： CPU

运算器（ ALU）：完成数据的算术和逻辑运算

控制器：一般由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成。

寄存器：存放经常使用的数据，速度快。



微型计算机硬件之二：存储器

用于存放数据和程序内存单元的地址和内容：内存的操作：读和写内存的分类： RAM和

ROM


1100 1111 (CFH)

内容地址

00000H

00001H

234FDH

FFFFFH

……

……


微型计算机硬件之三和四： I/O 接口及设备

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪和 A/D 转换器等

输出设备：显示器、打印机和绘图仪等磁盘、 U盘等既是输入设备也是输出设

备输入设备和输出设备统称为外设接口电路： I/O适配器



微型计算机的外部结构

图 1.7 微型计算机的外部结构框图


存储器

I/O接口

输入设备

I/O接口

数据总线 DB

控制总线 CB

地址总线 AB

输出设备

CPU


总线总线：连接微型计算机各个部件地址总线 AB（ Address Bus): 地址总线的位数决定了直接

寻址的地址空间的大小。地址空间的范围仅决定于地址线的位数，与数据总线的位数无关，在每一个内存单元中存放一个字节。例如 32 位地址线表示为 A31－ A0 可以寻址的空间为 232＝ 4GB 。单向总线， CPU 接口或存储器

数据总线 DB（ Data Bus ）：使得数据可以在 CPU与 I/O接口和 CPU 与存储器之间双向传输，双向总线 CPU 接口或存储器

控制总线（ Control Bus ）：用来传送各种控制信号，包括CPU 送往存储器和输入输出设备的读、写、中断信号，还包括其它外设传送给 CPU 的时钟、中断请求和准备就绪信号。作为一个整体是双向的，每一根的方向是一定的单向的。



图 1.9 Intel 8086/8088 的功能结构

1.4 微处理器

AH AL

BH BL

CH CL

DH DL

SP

BP

DI

SI

通

用

寄

存

器

AXBX

CX

DX

ALU 数据总线（ 16 位）运算寄存器

ALU

标志寄存器

EU 控制系统

执行单元EU

∑

CS

DS

SS

ES

IP内部暂存器

1 2 3 4 5 6

数据总线8088:8 位

8086:16 位

总线控制逻辑

地址总线20 位

指令队列

8088

8086

Q 总线（ 8 位）

指令指针

段寄存器

外部总线

总线接口单元 BIU


图 1.10 8086/8088 的内部寄存器

1.4 微处理器


通用寄存器

数据寄存器AX， BX， CX， DX， AH， AL， BH， BL， CH， CL， DH， DL（ 16-8）

习惯： AX 累加器 Accumulator)； BX 基址寄存器； CX(Count) 计数寄存器 , 循环 - 串操作； DX 数据寄存器， I/O port, 双字除（ H16）；地址指针寄存器 SP， BP： SP： Stack Pointer R, 堆栈指针寄存器 BP： Base PointerR ，基址指针寄存器变址寄存器 SI， DI ： SI： Source Index R ，源变址寄存器 DI： Destination Index R ，目的变址寄存器1.4 微处理

器


段寄存器和控制寄存器

1.4 微处理器

段寄存器： CS ：代码段寄存器 SS ：堆栈段寄存器 DS ：数据段寄存器 ES ：附加数据段寄存器控制寄存器

IP ：指令指针寄存器 FLAGS ：标志寄存器


标志寄存器 FLAG

状态标志位： CF,PF,AF,ZF,SF,OF CF 进位标志位：当进行加法或减法运算时，若最高位发生进位或借位则 CF＝ 1 ，否则 CF＝ 0。

PF奇偶标志位：当逻辑运算结果中“ 1” 的个数为偶数时 PF＝ 1 ，为奇数时 PF=0。

AF辅助进位位：在 8（ l6 ）位加减法操作中，低 4 位向高 4 位有进位、借位发生

ZF零标志位：当运算结果为零时 ZF＝ 1 ，否则 ZF＝ 0。 SF 符号标志位：当运算结果的最高位 MSB 为 1时 SF=1 ，否则 SF=

0。 OF溢出标志位：当算术运算的结果超出了带符号数的范围，即溢出时，

OF= 1 ，否则 OF＝ 0。 8 位 /16 位带符号数范围 1.4 微处理器


进位标志位（ CF ）和溢出标志位（ OF）

进位和溢出是两个不同的概念，没用直接联系。对于带符号数，如果 8 位运算的结果超出了范围（－ 12

8 ～＋ 127 ）， 16 位运算的结果超出了范围（－ 32768 ～＋ 32767 ），则 OF＝ 1。

对于无符号数，如果 8 位运算的结果超出了范围（小于等于 255 ）， 16 位运算的结果超出了范围（小于等于 65535 ），则 CF＝ 1。

当 OF=0, 表示机器计算的结果符合带符号数的计算结果。当 OF=1, 表示机器计算的结果不符合带符号数的计算结果。当 CF=0, 表示机器计算的结果符合无符号数的计算结果。当 CF=1, 表示机器计算的结果不符合无符号数的计算结果。机器进行运算时，并不知道是带符号数还是无符号数，会

同时给出进位位和溢出位的值。

1.4 微处理器1.4 微处理器


标志寄存器 FLAG

控制标志位： TF,IF,DF TF 跟踪标志位： TF= 1 ，使 CPU 处于单步执行指令的工作方式。

这种方式便于进行程序的调试。每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，从而使用户能逐条指令地检查程序。

IF 中断允许标志位： IF= l使 CPU 可以响应可屏蔽中断请求。 IF= 0使 CPU禁止响应可屏蔽中断请求， IF 的状态对不可屏蔽中断及内部中断没有影响。

DF 方向标志位： DF= l 使串操作按减地址方式进行。也就是说，从高地址开始，每操作一次地址减小一次。 DF＝ 0使串操作按增地址方式进行。

1.4 微处理器


图 1.12 8088 的引脚

1.4 微处理器

20根地址线 A0~A19

8根数据线（ D0~D7）

状态线（ S3~S6)

剩余控制线

第三类

第六类

第四类


8086 ／ 8088引脚分类第一类每个引脚只传送一种信息。 32P---/RD。第二类每个引脚电平的高低代表不同的信号，例如 IO／M#。

第三类引脚在 8086／ 8088 的两种不同工作方式——最小模式和最大模式下有不同的名称和定义。例如：第 29脚为 /WR（ /LOCK）。

第四类每个引脚可以传送两种信息 ( 分时复用）。这两种信息在时间上是可以分开的，因此可以用一个引脚在不同时刻传送不同的信息，一般称这类引脚为分时复用线。例如： AD7 ～ AD。

第五类引脚的输入和输出分别传送不同的信息，如 RQ／ GT0输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许。

第六类电源 /地 Vcc/Vss（ GND）1.4 微处理器


8088 的引脚 AD7~AD0(输入 /输出 , 三态）低 8 位地址 / 数据复用线 A15~A8 高 8 位地址输出线 A19/S6、A18/S5 、 A17/S4 、 A16/S3 (输出 , 三态）地址 /状态复用线 RD (输出 , 三态）读选通信号 READY (输入）准备就绪信号 INTR (输入）可屏蔽中断请求信号

1.4 微处理器


8088 的引脚

TEST(输入）检测输入信号 NMI(输入）非屏蔽中断输入信号 RESET(输入）复位输入信号 CLK (输入）时钟输入信号 MN/MX 最小 / 最大模式输入信号 VCC 电源引脚 GND 接地信号

1.4 微处理器


8086/8088 的工作状态

根据 8086所连存储器或外设的规模， 8086可分为最大组态和最小组态。在两种组态下，引脚 24至 31具有不同的名称和意义，由引脚MN/MX 来规定处于哪种组态。

MN/MX +5端接 V，决定了 8086 工作在最小模式，如果接地，则工作在最大方式。

最小方式适用于由单微处理器组成的小系统。在这种系统中， 8086/8088CPU 直接产生所有的总线控制信号，因而省去了总线控制逻辑。

1.4 微处理器


8086/8088 的最小工作模式

1.4 微处理器

锁存器：74LS373i8282/8283

（双向）缓冲器74LS245i8286/8287


最小组态时 24 ～ 31引脚最小组态时， 24 ～ 31引脚的意义 : IO/M(输出，三态）存储器访问还是 I/O访问 WR (输出，三态）写选通信号 INTA (输出）中断响应信号 ALE (输出）地址锁存信号 DT/R (输出，三态）数据传送信号 DEN (输出，三态）数据允许信号 HOLD (输入）总线请求信号 HLDA (输出）总线请求响应信号 SS0 (输出）状态输出信号

1.4 微处理器


8086/8088 的最大工作模式

1.4 微处理器


最大组态时 24 ～ 31引脚

S2、 S1、 S0(输出，三态）状态线 RQ/GT0、 RQ/GT1 (输入，输出）请求 /允许 CPU让出总线 LOCK (输出，三态）总线锁存信号 QS1、 QS0 (输出）指令队列状态信息输出

1.4 微处理器


8086 和 8088引脚的区别

引脚号 8088 8086

2 ～ 8 、39

A8～ A15 AD8～ AD15

28 IO/M IO/M

34 SS0 最小模式功能 BHE/S7

最大最小模式功能相同

最大模式保持高电平

1.4 微处理器


8086/8088 的存储器管理

1.4 微处理器

堆栈段

数据段

附加段

物理地址： 89250H

段基址： 8915H （段寄存器）

偏移地址： 0100H

逻辑地址： 8915H ： 0100H

8905H ： 0200H

码段

CS

SS

DS

ES

64KB

偏移地址

00000H

FFFFFH

89250H

段寄存器

存储器


重点和难点

计算机中常见的数制及其转换二进制编码（ BCD 码和 ASCII 码）带符号数的补码表示标志寄存器最大模式和最小模式存储器管理

第一章 微型计算机基础

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第一章微型计算机基础