[互联网]2012计算机硬件技术基础第1讲.ppt

课程名称：计算机硬件技术基础,课程特色：河北省级精品课,授课教师：赵晓安,河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部,本学期教学环节,分两个环节: 1-4,6-17周课程讲解+实验 考试安排： 期末考试分两部分： 1、计算机系统考试基础知识的考核(40%) 2、实验考试基本技能的考核(60%) 期末综合成绩=期末成绩（70%）+平时成绩（30%）,本讲内容,一、课程介绍 1、本课的地位、教学目标、基础要求 2、授课计划与学时分配 3、考试方法、学习方法 4、使用教材 5、使用的实验设备 二、课程内容 本课内容简介 本讲教学要求和内容 “三微”概念及专题一计算机中的数、编码及运算,一、课程介绍,1、本课的地位、教学目标、基础要求 2、授课计划与学时分配 3、考试方法、学习方法 4、使用教材 5、使用的实验设备,1、本课的地位、教学目标、基础要求,计算机文化基础,计算机技术基础,计算机应用基础,第一层,第二层,第三层,计算机软件技术基础,计算机硬件技术基础,本课的地位,基础,应用,技术,计算机基础教学的核心任务 计算思维能力的培养,1什么是计算思维 美国卡内基梅隆大学周以真（Jeannette M. Wing）教授认为3，计算思维（Computational Thinking）是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为；计算思维的本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。如同所有人都具备是非判断、文字读写和进行算术运算一样，计算思维也是一种本质的、所有人都必须具备的思维能力。有学者认为，计算思维被归纳、提出，可能是近十年来计算科学和计算机学科中最具有基础性的、长期性的重要的学术思想。,计算思维也是一种不同于数学思维、工程思维、逻辑思维的思维方式，具有其独有的特征。 数学思维注重对象以及对象之间的关系； 逻辑思维注重关系以及推演； 工程思维注重工程的过程以及方法； 而计算思维则注重计算的状态（环境、约束）及其状态的演化过程。,计算思维的两个核心要素： 计算环境和问题求解,计算机基础教学的内容: 4个方面 “系统平台与计算环境”知识是计算思维所依赖的计算环境基础； “算法基础与程序设计”涉及语言级的问题求解； “数据管理与信息处理”知识涉及与专业应用相关的信息处理技术，是系统级问题求解的基础，也往往成为语言级问题求解的目标； “系统开发与行业应用”知识则直接涉及面向应用的系统级问题求解技术与方法。,教学目标,基本知识,基本技能,思路方法,独立分析问题和解决问题的能力 实践能力和创新能力 综合运用能力 独立获取知识的能力,教师讲解,学生“悟”,教学目标,传授知识与能力培养统一，理论与实践统一。,基础要求,学习本课预先应学习的基础知识和技能： 1、计算机文化基础 2、计算机软件技术基础 3、数字电路、模拟电路 4、电工基础,2、授课计划与学时分配(上课32学时，实验16学时）,3、使用教材,课堂用教材： 天津大学出版社 2006年8月 计算机硬件技术基础 MCS-51单片机原理及应用 实验指导书：电子版 计算机硬件技术基础实验指导书,4、考试方法、学习方法,考试方法：分两部分进行 1、考试系统 上PC机在考试系统中考试，占总成绩的40%； 2、实验考试 综合性实验考试，上机调试通过，现场答辩，占总成绩的60%。,学习方法,1、利用迁移原理 将自身积累的知识充分发挥出来，迁移到本课新知识的学习。 2、重视实践，独立思考，认真做实验。 3、学会发现问题，自主寻找解决问题的知识、思路、方法。 4、在实验中努力将知识转换为能力。,5、本课使用的实验设备,二、课程内容,本课内容简介： 计算机硬件技术基础的内容包括三部分： 微机原理、微机接口、微机应用。 本课以MCS-51单片机为机型，来学习上述三方面内容。,本讲教学要求,1掌握： 掌握微处理器、微型计算机、计算机中数的表示方法和编码、逻辑运算。 2熟悉：微型计算机系统 3. 了解：微型计算机的发展（自学为主）,本讲教学内容（基本内容、重点、难点）,1基本内容：（教材p1-p6,p27-p28) 1）微处理器、微型计算机、 微型计算机系统。 2）专题一、计算机中数的表示方法和计算机中的编码。 2重点： 微型计算机的组成，MCS-51单片机的组成。 计算机中数的表示方法和编码。 3难点：补码,1、消化本讲内容 2、作业：P34 1-1、1-2、1-3、1-4 、1-7 3、思考题：1-9,本讲作业,第一章 微型计算机基础,.2 微型计算机系统的概念 1、“三微”（微处理器、微型计算机、 微型计算机系统）的概念 2、本课主要讲授内容及要求 专题一 计算机中的数、编码及运算 1.1 微型计算机的运算基础,第一讲,1. “三微”的概念,1）微处理器 (MPU) 算术逻辑单元 其核心cpu运算器和控制器 寄存器组 是微型计算机的核心部件 控制部件,2）微型计算机 MPU 为核心 半导体存储器（ROM/RAM) I/O(Input/Output)接口和中断系统 系统总线（CB DB AB),集成在一个半导体芯片上,组装在一块或数块印刷电路板上 或集成在一片半导体芯片上,多板微型计算机 单板微型计算机 单片微型计算机,微型计算机的两大分支,核心器件,微处理器,微控制器,MicroProcessor Unit,embed,MicroController Unit,MPU,MCU,微机组成结构的两大类型,冯.诺依曼型,哈佛型,系统总线,例：PC机,例：MCS-51单片机,3）微型计算机系统,硬件系统,软件系统,微型计算机 微处理器MPU：运算器、控制器 内存储器 ROM：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM RAM：SRAM、DRAM、iRAM、NVRAM I/O接口：并行、串行、中断接口、DMA接口 系统总线：数据、地址、控制总线（DB、AB、CB） 外围设备 输入/输出设备、外存储器 A/D 、D/A转换器 开关量输入/输出 终端,硬件系统,软件系统,系统软件 操作系统 编译系统 监控程序 汇编程序 程序设计语言 机器语言 汇编语言 高级语言 应用软件,把汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序的语言处理程序,2、本课的主要内容及要求,微型计算机,MPU 微处理器,存储器（内存）,I/O接口,系统总线,连线,编程,软硬结合综合应用,器件的 外特性 掌握规律,具体机型：MCS-51单片微型计算机,Single-Chip Microcomputer Micro-Controller,MCS-51 单片机的基本组成 一、中央处理器CPU 二、时钟电路 三、内部存储器 四、定时器/计数器(T/C) 五、并行I/O口 六、串行口 七、中断控制系统,11 微型计算机运算基础（p1) 1.1.1 计算机中数的表示方法 1.1.2 计算机中的编码 1.1.3 计算机中的运算,重点解决：计算机的重要职能之一是处理数 在计算机中如何表示一个数？ 不同性质数的运算规则和算法。,专题一 计算机中的数、编码及运算,几个重要概念 复习不同进制数之间的互换（黑板） 3. 机器数与真值 4带符号数的原码、反码、补码 5数的定点与浮点表示,1.1.1 计算机中数的表示方法,1 几个重要概念,重点概念1： 计算机中的数据都是以二进制形式进行存储和运算的,重点概念2： 在计算机中存储数据时，每类数据占据固定长度的二进制数位，而不管其实际长度。一般长度为字节的整倍数,重点概念3： 计算机中不仅要处理无符号数，还要处理带符号和带小数点的数。,例如：在八位微机中， 整数216 存储为11011000B 整数56 存储为00111000B,重点概念4： 机器数与真值,2 不同进制数之间的互换,1、不同进制数转换成十进制数按权展开法 表示不同进制数的尾部字母： 二 B ， 十六 H ，八 Q ，十 D(可略) 例：10101010B =127+026+125+024+123+022+121+020 =128+32+8+2=170 2、十 二 （1）整数部分除以2取余法直到商为0止 （2）小数部分乘以2取整法直到积为0止 或达到精度要求止 例： 100= B= H = Q 例：0.625= B= H= Q 0.1= B = H= Q,3、二进制数、八进制与十六进制数之间的互换 1）二 八 三合一 2）八 二 一分三 3）二 十六 四合一 （重点） 4）十六 二 一分四 （重点） 例：0111 0110 B=76H 9BH=1001 1011B 7 6 1001 1011 例：0.1010 110 B= 0.ACH A C 不足四位补0 问：01110110B= ? Q 0.1010110B= ? Q,4、 用权表示数（2n 2n-1 2n-1 2n-1-1） 1） 权 n位二进制数各位的权从高位到低位依次为： n位二进制数：Bn-1Bn-2Bn-3 B1B0 权： 2n-12n-22n-3 2120 2）用权表示数 例：111111111B = 2n-1，即n个1。 011111111B = 2n-1-1 ,即n-1个1 最高位的权为：2n-1 例：n=8,11111111B=FFH=28-1 01111111B=7FH=28-1-1 例： n位二进制数表示无符号数的范围： 02n-1 n=8 0 28-1 0 255 n=16 0 216-1 065535,n=32 ? n=64 ?,3. 机器数与真值,1）机器数：能被计算机识别的数称为机器数。 2）真值： 机器数所代表的真实值称为机器数的真值。 3） 对于无符号数其机器数与真值表示方法相同。 例：真值： 100=64H=01100100B 对应的机器数：64H=01100100B n位二进制数可表示的数的范围是：0 2n-1 8位二进制数可表示的数的范围是： 0 28-1，0，0FFH,0,255 16位二进制数可表示的数的范围是： 0 216-1,0,0FFFFH,0,65535 例： 01100100B 其8位全部为数值位。 特点：无符号数的机器数与其真值为等值关系,4） 带符号数的机器数的表示方法（重点和难点） 常见的有原码、反码和补码三种表示方式。,特点：带符号数的机器数与其真值表示方法不同， 两者的关系不是等值关系，仅是一一对应关系。,例如：在八位微机中， 真值：65可表示成机器数（原码）为01000001B 真值：65可表示成机器数（原码）为11000001B,0,1,1,0,0,0,0,0,符号位,数值位,符号位： “0” 表示正号 “1” 表示负号,4 带符号数的原码、反码、补码,（1）原码 定义：在表示带符号数时，正数的符号位为“0”，负数的符号位为“1”，数值位表示数的绝对值，这样就得到了数的原码。 例如在八位微机中： 38原100110原00100110B 38原100110原10100110B,计算公式：对于字长为n位的机器数： 当真值X0时，X可表示为Xn-2Xn-3X0； 当真值X0时，X可表示为Xn-2Xn-3X0， 则X的原码可定义为：,可见n位原码可表示数的范围为： (2n11)(2n11) 则在八位微机中，码可表示数的范围为127至127 求真值：带符号数的原码表示法简单易懂，而且与真值转换方便。,此公式第一项即是原码，等号后面是由真值求原码（负）,原码的缺点： 1、 “0”的原码有两种形式，这在运算中非常不方便。 0原 00000000B 0原 10000000B，即分为0和0 2、 原码在进行两个异符号数相加或两个同符号数相减时，需做减法运算，由于微机中一般只有加法器而无减法器，所以，为了把减法运算转变为加法运算就引入了反码和补码。 原码的用途： 3、原码做乘除法运算方便，两数的符号和数值分别处理 积的符号为两数符号位的异或运算结果 积的数值部分为两数绝对值相乘的结果,（2）反码 定义：正数的反码表示与原码相同；负数的反码，可将负数原码的符号位保持不变、数值位按位取反得到，或者将负数看作正数求原码，再将所有位按位取反得到。因此，在n位机器数的计算机中，数X的反码定义为：,缺点：“0”的反码也有两种表示法，即0和0。 0反00000000B 0反11111111B,n位反码表示数的范围与原码相同， 八位二进制反码表示的范围仍是127至127。,例如八位微机中：,（3）补码（难点） 定义：正数的补码表示与原码相同 负数的补码等于它的反码末位加1 即X补X反1 例如：,补码的含义: 以时钟对时为例来说明，现由7点钟调到4点钟。,顺时针调： 79 4 （mod 12）,逆时针调： 73 4 （mod 12）,由于时钟上超过12点时就会自动丢失一个数12， 这个自动丢失的数叫做“模”（module，简写为mod）,由补码的定义得求补码公式：,1、则n位补码表示数的范围为：2n1（2n11） 2、八位二进制补码表示的数值范围是128至127。 优点：0的补码为00000000B，只有这一种形式。,（mod 2n）,当n=8时， 几种码的 表示范围,当n=16时， 几种码的 表示范围,真值与机器数的表示范围,问题：计算原码、反码和补码,1、计算-100的原码、反码和补码 2、计算-200的原码、反码和补码 3、计算-32769的原码、反码和补码 注意：真值与机器数的表示范围 机器数用字节的整倍数表示,问题：已知机器数求真值,1、已知原码求真值 符号位：0变+号，1变-号 2、已知反码求真值 1）符号位同原码求法，负数要数值按位取反 正数数值不变 2）负数公式计算：X= (2n 1 x反码） 3、已知补码求真值 1）负数公式计算：X= (2n x补码） 2）负数的补码数值位按位取反，末尾加1得原码，而后再按原码求真值。（注意：数值位加1，不向符号位进位）,注意：整数的三码相同，转换成真值的方法也相同，只是负数的三码不同，转换成真值的方法不同。,1、已知 机器数为 01111111B,求真值。 机器数为正数 真值=+1111111B=+7FH 2、已知 机器数为 11111111B,求真值。 1）机器数为原码，则真值为1111111B= 7FH 2）机器数为反码：则真值为0000000B= 0 或公式：X= ( 28 1 11111111B) = (0FFH 0FFH)= 0 3) 机器数为补码：则真值求法如下： 公式：X= ( 00000000B 11111111B )= 1 或： 11111111B x原码=10000000B+1=10000001B 从而得真值：X= 1,计算：,得X的原码,记住特例：,1、求-128 的补码，推广：求-2n-1的补码。 必须用公式求。 【-128】补码= 2n-| -2n-1| (n=8) =1000000000B-10000000B=10000000B= 80H 2、已知补码为80H，求真值。（两种方法） 80H =100000000B 11111111B 1111111B+1=10000000B(去掉进位) 10000000B= 【-128】补码 则得真值为:-128 还可用公式求X= (2n x补码）= (00H 80H) = 80H=-128,(n=8),例：已知带符号数的机器数为 56H，求其真值。 真值=+56H 例：已知带符号数的机器数为 0D6H，求其真值。 若0D6H是原码，则真值为：-56H 11010110B -1010110B 若0D6H是反码，则真值为：-29H -(0FFH-0D6H) 若0D6H是补码，则真值为：-2AH -(00H-0D6H),5 数的定点与浮点表示,计算机中如何表示实数中的小数点呢？,计算机中不用专门的器件表示小数点，而是用数的两种不同的表示法来表示小数点的位置。,根据小数点的位置是否固定，数的表示方法分为定点表示和浮点表示,相应的机器数称为定点数和浮点数。,任意一个二进制数N均可表示为： NS2J 其中： S称为数N的尾数，表示数N的全部有效数字，决定了N的精度。 J称为数N的阶码，底为2，指明了小数点的位置，决定了数N的大小范围。,（1）定点表示法 计算机在处理定点数时，常把小数点固定在数值位的最后面或最前面，即分为定点纯小数与定点纯整数两类，如下图所示。,例如: 00011000B，如果看作定点纯整数，其真值为24 看作定点纯小数，其真值为0.1875,（2）浮点表示法,在浮点表示法中，小数点的位置是浮动的，阶码J可取不同的数值，则在计算机中除了要表示尾码S，还要表示阶码J。因此，一个浮点数表示为阶码和尾数两部分，尾数一般是定点纯小数，阶码是定点纯整数，其形式如下图所示。,(469.375)10(111010101.011)2 (0.111010101011)229 (0.111010101011)221001B 0. 111010101011补100010101010100000000000B 1001B补00001001B,例如，某计算机用32位表示浮点数，尾数部分占24，为补码定点纯小数；阶码为8位补码定点纯整数。用来表示一个数469.375,先进行变换：,因此，数469.375在该计算机中的浮点表示为：,1.1.2 计算机中的编码,1、ASCII码：由七位二进制编码组成， 共有128个字符编码。 包括图形字符（字母、数字、其它可见字符共96个）和控制字符（回车、空格等共32个） 其中 数字09的ASCII码为30H39H，差30H 字母AF的ASCII码为41H46H, 差37H D7位加奇偶校验位： 无校验 D7位补0 奇校验 D7位使含1的个数为奇数个 偶校验 D7位使含1的个数为偶数个 例： 30H 00110000H D7补0为无校验和偶校验 10110000H D7补1为奇校验,一、逻辑运算 1、与 2、或 3、非 4、异或 二、算术运算(下次课讲) 1加/减运算电路及二进制无符号数四则运算 2带符号数补码运算及判OV 3BCD码加/减法及十进制调整 4、算术运算小结,1.1.3 计算机中的运算,运算分为两类: 逻辑运算： 逻辑“与”、“或”、“非“ “异或”等 算术运算： 加、减、乘、除运算,逻辑运算 计算机由专门的逻辑电路完成一些逻辑运算。 逻辑运算都是位对位运算，即运算中位与位之间互不相关，不存在进位或借位，比算术运算简单。 （1）逻辑与运算 逻辑与的运算符为“”，其运算规则为： 000 01l00 111,逻辑与运算的真值表,析取,清零,1、将一个字的一部分析取出来，与1 2、将一个字的一部分清0，又称屏蔽，与0 3、可