(教材资料)计算机的基础知识

第一章 计算机的基础知识第一节 概述（一）学习要求1、了解微机及单片机的历史、特点、应用。2、掌握微型计算机的组成和结构。（二）内容提要1、计算机的历史计算机产生于1946年、经过了四代：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路。目前向着超大规模结成电路与光子计算机方向发展。2、计算机的特点高速、高度自动化、具有记忆能力、具有逻辑判断能力、高精度和高可靠性。3、应用方面科学计算、数据与信息的处理、实时控制、计算机辅助设计、人工智能。4、信息表示计算机处理的各种信息是以二进制代码表示的。一台计算机所用的二进制代码的位数称为该计算机的字长。字长越长、能代表的数值越大，表示的数值的有效位就越多，计算精度就越高。但是位数越多，表示二进制代码的逻辑电路也越多，计算机就变得庞大复杂。价格也贵了。微机的字长一般有：1、4、8、16、32 位等。使用最多的是8、16、32位。5、组成计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存贮器、输入设备、输出设备。运算器：处理信息各种计算。控制器：产生控制命令，控制计算机各部件自动、协调一致工作。存贮器：存放数据与程序。输入设备：输入数据与程序。这里的数据是一个广义的定义，实际上它不单单是我们在键盘上输入的各种数字和文字，它还包括其他各种信息，如图象信息、声单信息。但是这些信息都要转化成计算机能接受的电信号。输入设备有：键盘、光笔、鼠标、扫描仪、摄象头（网眼）、话简。输出设备：将计算机处理的结果用数字、文字、图形、声音等形式表示出来的设备。如：CTR、打印机、绘图仪、数码管、音箱等 将CPU集成在一块芯片上成为独立的器件，该芯片称为：微处理器。存贮器芯片，再加上输入输出接口电路芯片，就构面了微型计算机微机。微机只是计算机的一种。计算机还有工作站、大型机、中型机、巨型机等。我们经见到的各种人个电脑（）就是微机。单片机是属于微机的。现在我们再介绍微机的一些知识。（三）习题与思考题1、微型计算机由哪几部分组成？简述各部分的功能及组成。2、什么叫单片机？其主要由哪几部分组成？答：将微型计算机的基本功能部件集成在一个半导体芯片上所组成的一台微型电子计算机。intel公司MCS系列；Motorola公司MC 68系列3、解释微处理器、微型计算机、微型计算机系统的概念。第二节 微处理器(一)学习要求(1) 了解微处理器的组成、特点、基本工作原理。(2) 掌握微处理器各部分组成的作用。（二）内容提要微处理器是微型计算机的核心部分，主要由三部分组成：运算器、控制器还有工作寄存器组，它们之间用内部总线相联系。1）运算器 运算器由算术逻辑部件及累加器，暂存寄存器、标志寄存器、二十进制调整电路组成： 算术逻辑部件（ALU）它是对传送到微处理器的数据进行算术、逻辑运算的电路。如执行加、减、逻辑与、或运算等。它有两个输入端，一端连，一端连，输出端连内部BUS。 累加器，暂存器是一个8位寄存器，很多的8位双操作数运算通过它进行： 如:ADD A,#24H ；(A)(A)+24H ADD A,R0 ；(A)(A)+（R0） ANL A,R1 ; (A)(A)(R1)一个操作数来自，运算结果又送回到，另一个可以是内部的工作寄存器，也可来自存储器或接口电路，但无论是哪种情况，都是通过内部传来。由于总线只能分时传送数据，所以要用暂存器连在与之间起缓冲作用。执行上面的指令时。内部总线先传送一个操作数至,然后由控制器控制对、中的内容运算。结果再通过内部传到中去。 标志寄存器F 又称状态寄存器，用来存放运算结果的一些特征：如溢出生率（OV）、进位C、辅助进位AC、奇偶情况P，结果为零等。后面我们详要详细介绍。二十进制调整电路 二、十进制数运算时要对运算结果进行调整。由这个电路实现2）控制器 控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID及定时与控制电路组成。工作时定时与控制电路中时钟电路、产生时钟脉冲用于计算机各部分电路的同步定时。控制电路按照一定的时间顺序发出一系列的控制信号使计算机各部件能按一的时间节拍协调一致地工作。从而使指令得以实行。执行指令分两个阶段：取指和执行。步骤为：a从存贮器中取回指令的机器码送指令寄存器直到该命令执行完。b由指令译码器识别指令，知道需要实施什么操作。C由定时与控制电路产生一系列控制信号，送计算机各部件执行这一指令。定时与控制电路除接收ID来的信号外，还接收CPU外部送来的信号，哪中断、复位， 这些信号全由总线送入。它(定时与控制电路)产生的控制信号一部分用于CPU内部，控制CPU各部件的工作，另一部分通过控制总线输出，用于控制存贮器和IO接口电路的工作。3）工作寄存器组 里有多个工作寄存器，用来存放操作数及运算的中间结果。好处是：这样不必每次将中间结果送下存贮器，大大提高工作速度，还能简化指令的机器代码。工作寄存器还可以寄存存储器的地址。4）程序计算器PC这是管理程序执行次序的特殊功能寄存器。其具有复位功能、计数功能、基址寄存器功能。程序执行有两种情况：按顺序执行和跳转。（三）习题与思考题1.微处理器有哪几部分组成？各部分的作用是什么？2. 什么是三总线结构？单片机的三总线分别由哪些提供？答：三总线结构是指地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）；各种扩展电路的芯片都通过该三总线与单片机连接；三总线的地址总线是由P0口提供低8位地址，P2口提供高8位数据总线；控制总线是由ALE、PSEN、EA、RST、RD、WR、T0、T1、INT0和INT1提供。第三节 存储器(一)学习要求1、了解存储器器的组成、基本工作原理。2、掌握存储器的分类及各类存储器的特点。（二）内容提要1、存储器组成存储器由许多存贮单元组成，每个存贮单元放一个8 位二进制码。在计算机中8 位二进数称为一个字节。所以8 位二进制微机的一个存贮单元放一个字节(Byte)2、存储器的容量用于存放数据的单元数。如256个即容量为256B，乘以4 得1024个字节我们称为1KB.再往上就是MB。3、读写 CPU存数的过程为写；取数的过程为读。读操作时存贮器中内容不变，写操作时，新的数据代替老的数据。并保存记忆着。4、地址 为了方便找到数，对每个单元编号，这个编号就是地址了。也用二进制数表示地址的二进制数位数将限制存贮容量的容量。5、存储器的分类 存储器根据其位置可以分为内存储器和外存储器，按结构和使用功能内存储器又可以分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。（三）习题与思考题1、在各种系列的单片机中，片内ROM的配置有几种形式？用户应根据什么原则来选用？2、某存储器芯片，有6根数据线，10根地址线，则该芯片的存储容量为多少？3、什么是RAM？什么是ROM？各有哪些用途？ 答：RAM中的数据既可读出，又可写入，一般用作数据存储器，RAM中在掉电时数据会丢失；ROM中的数据一般只能读出，而不能写入，一般用作程序存储器。4、只读存储器有哪几类？各有何特点？答：掩膜ROM不能改，PROM一次改，EPROM离线改，EEPROM在线改可作低速RAM用。第四节 计算机中的数和编码(一)学习要求1、掌握计算机中数的表示方法，数制的转换方法。2、掌握计算机中数的原码、反码、补码的求法。3、了解小数之间转换方法和浮点数的表示方法。（二）内容提要1、概述为了区分二、十六、十这三种数制，可以在数的后面放一个英文字母作为标识符。二进制数用B（Binary），十六进制数用H（Hexadecimal），十进制数用D（Decimal）。D可以省略不用，即不带标识符的数是十进制数。2、十进制数十进制数使用了十个数字符号：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。如一个十进制数：595.05。“5”这个数字符号出现在不同的数位上，其值是不同的。最左边的“5”代表值500，中间的“5”代表值5，最右的“5”的值只有0.05。由此可见，同一数字符号的值随着它所处的数位不同而不同，这种表示法统称为位置表示法。这样595.05的值为 5102+9101+5100+010-1+510-2我们把102、101、100、10-1、10-2等称为数的位权值，简称位权或权。人们总结任意十进制数的值N可由下述按权展开式计算得出 其实一般而言，对于R进制表示的数(R为任意正整数)，其值N（以十进制数表示的值）都可以用一个公式来概括。即 N其中Ki为0,1,，（R1）这R个数字中的任一个，m,n为正整数，R为基数，（R）为位权值。注意：权值以小数点为界，向左以0开始，向右以-1开始。由此我们来考察二进制数与十六进制数的情况。3、二进制数二进制数有两个主要特点：1) 它只有两个数字符号：0和1。2) 逢二进一。 与十进制数相仿，同样的数符在不同数位所表示的数值是不相同的。由于逢二进一，所以每左移一位，数值增大2倍，右移一位，数值减小一半。数1111.11B中各位数符1代表的数值按上面的公式如下所示：1 1 1 1 1 1 B 2-20.25 2-1=0.5 20=1 21=2 22=4 23=8同样如同十进制数，各位数符1的数值23 、 22 、21 、20 、21 、22 称作各数位的“权”，“2”是二进制数的基数，说明该数制是逢二进一的。根据上述说明可得： 1001B=123022021 1209 1101001B123122021 12012313.1254、十六进制数十六进制数的两个主要特点是：1)它有十六个数字符号，即0、1、2、9及A、B、C、D、E、F，其中A为10、B为11、C为12、F为15。十六进制数符与十进制数、二进制数的对应关系如表13所示。2)逢十六进一。与其他进制的数一样，同一数符在不同位数所代表的数值是不相同的。左移一位，数值增大16倍。如数111.11H 中，各位数符都是1，代表的数值如下所示： 1 1 1 . 1 1 H 16-20.00390625 16-1=0.0625 160=1 161=16 162=256各数位中数符1的数值162 、161 、160 、161 、162称为十六进制数各位的权。“16”是十六进制数的基数，它说明该数是逢十六进一的。根据十六进制数的权，可得 A2.3H=101612160+316-1=162.1875 327H=31622161 71608075、不同进位制数值间的转换）二进制数与十六进制数的相互转换 4位二进制数具有十六个状态（ 2416 ），而1位十六进制数也具有十六个状态（见P12表13），所以1位十六进制数对应于4位二进制数，转换十分方便。2）十六进制数转换成二进制数只要把每1位十六进制数用对应的4位二进制数代替就转换成了二进制数。例11 F8H1111 1000B例12 2.A4H=0010.10100100B=10.101001B3）二进制数转换成十六进制数二进制数的整数部分由小数点向左，每4位一分，最后不足部分左面补零，小数部分由小数点向右，每4位一分，最后不足部分右面补零，然后每4位二进制数用1位十六进制数代替，就转换成了十六进制数。4）二进制数、十六进制数转换成十进制数 根据二进制数及十六进制数的定义，将一个二进制数或十六进制数按权展开，然后相加，就得到了十进制数。例：1111 1111B= 127126125 124123+122121 120=255 3AH= 316110160 =58有时，先将二进制数转换成十六进制数，然后再转换成十进制数，计算更为方便。例： 101111B2FH=216+15=475）十进制数转换成二进制数、十六进制数十进制数转换成二进制数或十六进制数时，要把整数部分和小数部分分别换算，然后再将转换结果加在一起。换算方法简述为除2取余法或除16取余法例：将十进制数21转换成二进制数2 21 余1K012 10 余0K102 5 余1K212 2 余0K302 1 余1K41 0最后得到转换结果 2110101B十进制数的整数部分转换成二进制数的方法归纳如下：十进制数的整数部分连续被基数2所除，依次记下余数，直到商为0止。 第一个余数是转换成二进制数的最低位，最后一个余数是最高位。例：将十进制数11转换成二进制数。 111011B十进制数的整数部分转换成十六进制数用类似的方法：十进制整数连续被基数16所除，依次记下余数，直到商为0止。第一个余数是转换后的十六进制的最低位，最后一个余数则是最高位。例18将十进制数116转换成十六进制数因为 16 116 余 4 16 7 余 7 0 所以 11674H6、带符号数的表示机器数在字长为8位的微型计算机中，一个数用8位二进制数表示。如果计算机处理的是无符号数，8位二进制数的8位数符都表示数值，从0000 0000B、0000 0001B到1111 1111B，表示的无符号数数值从0、1到255，故8位二进制数表示的无符号数范围是0255。在很多场合，数有正负之分，这时的数就是带符号数。在计算机中，符“”、“”要用1位二进制数表示。8位微型计算机中约定，最高位D7表示符号，其他7位表示数值，见下图110。D71表示负数，D70表示正数。D7D6D5D4D3D2D1D0 符号位 数值位图110 8位微机中的带符号数一个带符号数在计算机中可以分别用原码、反码或补码三种方法表示。习惯上，把计算机中存放的数称作机器数。原码、反码、补码都是机器数。1）原码 凡是正数符号位用0表示，负数符号位用1表示，而数值位保持原样的机器数称为原码。也就是说，正数的原码与原来的数相同，即 x原=x (x0)负数的原码符号位要置1，而数值位不变。例： 求4的原码 x=+4=+00000100B0 所以 x=00000100B例114 求4的原码x=-4=-00000100B0)负数的反码由其绝对值按位求反后得到。例115 求4的反码 x= 4反=+4=+00000100B0 所以 x=00000100B例116 求4的反码。 x=-4=-00000100B0)负数的补码由它的绝对值求反加1后得到。例：求x3的补码。 x= 3补=+3=+00000011B00000011例：求3的补码。 x=-3=-00000011B而 |x|=00000011B对|x|按位求反后加1后得到补码 =11111100B 3补=11111101B8位二进制补码有如下特点：(1)8位二进制补码表示的数的范围为：128127，见表14。(2)+0补-0补0000 0000B(3)正数补码的符号位D70，负数补码的符号位D71。(4)对负数补码求反加1，回复为该数的绝对值。例: 已知x补=11110011B,求x 因为x补的D71，所以它是负数，所以其求反 00001100B再加1得到x的绝对值 |x|=00001101B于是得到x=-00001101=-13(5)采用补码后，可以将减法运算转换成加法运算。例如，y=99-58,减法运算的结果y=41。若将99与58用补码表示，在执行了99补+-58补的加法运算后就得到y的补码y补。计算如下： 99补=01100011B 63H -58补=11000110B 583AH 0110 0011 + 1100 0110 1 0010 1001在字长8位的计算机中，和只保留8位，所以运算结果 y补=0010 1001由于 D70，说明y是正数，因此 y=00101001B=41可见两种计算方法的结果相同。微型计算机中的带符号采用补码表示后，运算器中就只设置加法器，这样就简化了硬件结构。（三）习题与思考题1填空 （1） 十六进制数74.D转换为二进制数是_，转换为十进制数是_。（2） 十六进制数转换为二进制数是_，转换为十进制