(单片微型计算机概述).ppt

2019年7月28日4时58分,1,第一章 单片微型计算机概述,微机原理与接口技术、单片机原理与接口技术：讲解 计算机的内部结构、内部工作原理、内部语言、工作过程。,两者特点：前者实用性不如后者。,两者联系与区别：单片机是微机的一个分支，其特点是将CPU、存储器、I/O口、中断系统等集成到一块芯片上。 两者的寻址方式、指令系统、接口与应用等知识点是相似的。,2019年7月28日4时58分,2,1.1 概 述,世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的“ENIAC” 占地上百平方米 重量几千吨 功耗几十千瓦,2019年7月28日4时58分,3,一. 计算机的发展及分类,电子计算机按其性能分类： 大型计算机/巨型计算机（Mainframe Computer） 中型计算机（Middle Computer） 小型计算机（Minicomputer） 微型计算机（Microcomputer）,电子管计算机（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-今）,2019年7月28日4时58分,4,电子管计算机（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-今）,微型计算机,一. 计算机的发展及分类,2019年7月28日4时58分,5,二. 单片机的概念与类型,2019年7月28日4时58分,6,在一块半导体芯片上，集成了： 中央处理单元CPU(Central Processing Unit) 只读存储器ROM (Read Only Memory) 随机存取存储器RAM(Random Access Memory) I/O (Input and Output)接口 定时器/计数器(Timer/Counter) 中断系统(Interrupt) 等功能部件，构成一台完整的数字电子计算机。,1 单片机概念,2019年7月28日4时58分,7,单片机实物图(1),单片机芯片 AT89C51 AT89S51 AT89S52 AT89C2051,双列直插式DIP40 (Dual In-line Package)封装,2019年7月28日4时58分,8,单片机实物图(2),单片机芯片STC89C52,塑料扁平式PQFP/TQFP (Plastic Quad Flat Package)封装,带引线的塑料芯片封装 PLCC44(Plastic Leaded Chip Carrier),2019年7月28日4时58分,9,单片机也称为：,我国，习惯使用“单片机”这一名称。,嵌入式控制器 EMCU（Embedded micro Controller Unit）。,微控制器 MCU(Micro Controller Unit),1 单片机概念,2019年7月28日4时58分,10,（2）专用型,专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。,对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑 。,“专用”单片机具有十分明显的综合优势。,可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。,按用途可分为通用型和专用型两大类：,（1）通用型,2 单片机类型,2019年7月28日4时58分,11,三 单片机的历史及发展概况,四个阶段：,第一阶段(1971年1976年)：单片机初级阶段。发展了各种4位单片机，多用于家用电器、计算器、高级玩具。,第二阶段（1976年1980年）：低性能8位单片机阶段。以 Intel 公司制造的MCS-48单片机为代表。,第三阶段(1980年 1983年)：高性能8位单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。,第四阶段(1983年现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、 32位单片机推出阶段。,2019年7月28日4时58分,12,四 8位单片机的主要生产厂家和机型,（1）美国Intel公司 MCS-51系列及其增强型、扩展型 系列。,（2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、 89S51等。,（3）荷兰PHILIPS（菲力浦）公司 8xC552系列 。,MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列，软、硬件设计资料丰富齐全。,2019年7月28日4时58分,13,五 单片机的发展趋势,1. CPU的改进,（1）采用双CPU结构，提高处理能力,（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。,（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter Ictus）。 用两根信号线代替现行的8位数据总线。,2存储器的发展,（1）加大存储容量。,（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器,（3）程序保密化。,2019年7月28日4时58分,14,3片内I/O的改进,（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。,（2）增加I/O口的逻辑控制功能。,（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统 。,4外围电路内装化,器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的单片化。,5低功耗化,CMOS化、CHMOS工艺。,总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、 外围电路内装化方向发展。,2019年7月28日4时58分,15,六 单片机的应用,单片机因卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。,使用温度：,民品： 0C +70C,工业品： -40C +85C,军品： -65C +125C。,在下述的各个领域广泛的应用：,1. 工业自动化,2. 智能仪器仪表,3 .消费类电子产品,4. 通讯,5武器装备,6终端及外部设备控制,7多机分布式系统,2019年7月28日4时58分,16,七 MCS-51系列单片机,20世纪80年代后期：Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。,这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。,如：AT(Atmel)、Philips(飞利浦)、Winbond(华邦)、Siemens(西门子)、STC公司。,不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。,8051系列：所有具有8051指令系统的单片机,2019年7月28日4时58分,17,（1）基本型 典型产品：8031/8051/8751,内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。,（3）低功耗型 典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺，适于电池供电或其它要求低功耗的场合。,（4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。,（2）增强型 典型产品：8032/8052/8752,MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：,2019年7月28日4时58分,18,（5）超8位型 典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。,将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。,功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。,（6）片内闪烁存储器型 美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。,2019年7月28日4时58分,19,89S51相对于89C51增加的新功能包括： - 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低！ - ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 - 工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 - 具有双工UART串行通道。 - 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。 - 全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 - 兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列产品。比如8051、89C51等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。,ATMEL公司当前主流的AT89S51单片机简介,2019年7月28日4时58分,20,相关网站,/wjyl 盐城工学院单片机原理与应用精品课程网站 天祥电子 /other Proteus仿真软件教程网址 http：/ 51单片机学习网 http：//c51blog/inex.html 单片机的C语言 http：// 广州周立功单片机 http：// Philips公司 http：/ Intel公司 http：/ Motorola公司 http：/ 凌阳大学计划 http：/ 北京单片机开发网 http：/ 中原单片机,2019年7月28日4时58分,21,八、单片机原理与接口课程的学习,1 学习本课程应硬件、软件兼顾并重，既要注意单片机 的结构、原理，也要注意其汇编语言指令和程序，做 到两者融会贯通，能够将两者相互渗透。,2 会组成单片机应用系统。学习时对单片机扩展用到的芯 片、接口、以及各种应用实例(环节)须给予足够的重视。,3 学习本课程时，宜结合习题、实验、课程设计，以提高 学习质量，巩固和扩大学习收获。,4 学习顺序：基本概念、硬件结构(CPU)、指令系统 和程序设计、硬件结构(定时器/计数器、并口、串口、中 断）、单片机扩展、接口应用。,5 总学时 64+S16 周学时6（4-14周）,2019年7月28日4时58分,22,单片机技术课程在同类课程中的特殊地位：,1、单片机技术是现代DSP技术（数字信号处理器） 、嵌入式计算机、片上可编程系统的基础，是一门非常实用的技术，其就业前景良好。 2、学习、掌握、应用该技术所需的成本越来越低，将成为一种普及性技术，使得越来越多的学生有条件、有机会仅靠自己的力量、按照自己的想法设计制作作品（产品）。这对于在校的、爱好电子产品设计、制作的学生是一个较好的选择。 3、计算机技术、通讯技术、微电子技术、网络技术是现代社会文明的标志，而单片机技术是这些技术的微缩。,2019年7月28日4时58分,23,考核方法和成绩评定说明,考试采用统一命题，闭卷考试，考试时间为120分钟。,成绩评定：闭卷笔试（70）实验（20）平时成绩（10）其中：平时成绩含作业及课堂学习情况。,2019年7月28日4时58分,24,九、参考文献,1. 新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发拓展全攻略 郭天祥编著 电子工业出版社 2010.3 2. 单片机原理及应用 张毅刚主编 高等教育出版社 2008.5 3. 单片机C语言程序设计实训100例基于8051+Proteus仿真 彭伟编著 电子工业出版社 2010.6 4. 张大明. 单片机控制实训指导及综合应用实例M.北京：清 华大学出版社， 2004 5. 张齐，朱宁西. 单片机应用系统设计技术基于C51的Proteus仿真 M.北京：化学工业出版社，2004.,2019年7月28日4时58分,25,十、辅导与答疑联系方式,电话Email： 课程网站 /wjyl,2019年7月28日4时58分,26,1.2 微型计算机基础,计算机的基本结构 微型计算机系统组成,2019年7月28日4时58分,27,1.2 微型计算机基础,1 计算机的基本结构,计算机结构图,运算器：是计算机处理信息的主要部件。,控制器：产生一系列控制命令，控制计 算机各部件自动地、协调一致地工作。,存储器：是存放程序与数据的部件。,输入设备：用来输入程序与数据，常用的 输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。,输出设备：将计算机的处理结果用数字、图形等形式表示出来。常用的输出设备有显示终端、数码管、打印机、绘图仪等。,一. 微型计算机的组成,2019年7月28日4时58分,28,1 计算机的基本结构,计算机结构图,中央处理单元CPU：运算器、控制器合称为中央处理单元CPU(Central Processing Unit) 。,主机：通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机主机。,外设：输入、输出设备称为计算机的外围设备(简称“外没”)。,一. 微型计算机的组成,1.2 微型计算机基础,2019年7月28日4时58分,29,2 字长,定义：一台计算机一次所能处理的二进制信息的位数称为该计算机的字长。,说明：(1)微型计算机的字长有1位、4位、8位、16位、32 位等。 (2) 用户通常要根据不同的任务选择不同字长的计算 机。,2019年7月28日4时58分,30,3. 微型计算机系统组成,(1) 微型计算机系统的三个层次 微处理器(Microprocessor) 微型计算机(Microcomputer) 微型计算机系统(Microcomputer System),2019年7月28日4时58分,31,(1). 微型计算机系统的三个层次,微 型 计算机 系 统,2019年7月28日4时58分,32, 核心级微处理器,微处理器简称CPU，是微型计算机的核心，主要包括： 算术逻辑单元ALU(Arithmatic Logic Unit) 控制部件CU(Control Unit) 工作寄存器组Registers CPU实现运算功能和控制功能,2019年7月28日4时58分,33, 硬件系统级微型计算机,以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。 将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,2019年7月28日4时58分,34, 系统级,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。 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机 软件分为系统软件和应用软件两大类。,2019年7月28日4时58分,35,(2) 微型计算机结构,微处理器（CPU） 存储器 输入/输出接口 总线,2019年7月28日4时58分,36,微型计算机结构框图,存 储 器,I/O 接 口,输 入/输出 设 备,地址总线 AB,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,AB： Address Bus DB： Data Bus CB： Control Bus,2019年7月28日4时58分,37,微型计算机结构框图,存 储 器,I/O 接 口,I/O 接 口,地址总线 AB,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB： Address Bus DB： Data Bus CB： Control Bus,输 入/输出 设 备,输 入/输出 设 备,2019年7月28日4时58分,38, CPU,计算机的控制中心，提供运算、判断能力 构成： 运算器(ALU)、控制器(CU)、寄存器组（Registers）,2019年7月28日4时58分,39, CPU,微处理器典型结构,运算器(ALU),控制器,寄存器组,2019年7月28日4时58分,40,微型计算机结构框图,存 储 器,I/O 接 口,I/O 接 口,地址总线 AB,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB： Address Bus DB： Data Bus CB： Control Bus,输 入/输出 设 备,输 入/输出 设 备,2019年7月28日4时58分,41, 存 储 器,存放程序和数据的记忆装置 用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、） 内存：ROM、RAM 特点：速度快，容量小 外存：磁盘、光盘、半导体盘、 特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大,2019年7月28日4时58分,42,有关内存储器的几个概念,A.内存单元的地址和内容 B.内存容量 C.内存的操作 D.内存的分类,2019年7月28日4时58分,43,A.内存单元的地址和内容,内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。内存单元中存放的二进制信息称为内存单元的内容。,2019年7月28日4时58分,44,B.内存容量,即内存单元的个数，以字节为单位。 注意：内存空间与内存容量的区别 内存容量：实际配置的内存大小。例：某微机配置2条128MB的RAM内存条，其内存容量为256MB 内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。,2019年7月28日4时58分,45,C.内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变； 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖； 内存的读写的步骤为： CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上 若是写操作， CPU紧接着把要写入的数据放到DB上 CPU发出读写命令 数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB 若是读操作， CPU紧接着从DB上取回数据,2019年7月28日4时58分,46,C.内存操作,内存读操作过程：,2019年7月28日4时58分,47,C.内存操作,内存写操作过程：,2019年7月28日4时58分,48,D.内存储器的分类,读写存储器RAM(Random Access Memory) 可读可写 易失性，临时存放程序和数据 只读存储器ROM （Read Only Memory） 工作时只能读 非易失性，永久或半永久性存放信息,2019年7月28日4时58分,49,微型计算机结构框图,存 储 器,I/O 接 口,I/O 接 口,地址总线 AB,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB： Address Bus DB： Data Bus CB： Control Bus,输 入/输出 设 备,输 入/输出 设 备,2019年7月28日4时58分,50, 输入/输出接口,简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁,CPU,I/O 接口,外设,2019年7月28日4时58分,51,接口的功能,提供驱动外设的电压或电流； 匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等； 缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息； DMA控制和中断控制。,2019年7月28日4时58分,52,微型计算机结构框图,存 储 器,I/O 接 口,输 入 设 备,I/O 接 口,地址总线 AB,输 出 设 备,C P U,数据总线 DB,控制总线 CB,I/O 接 口,AB： Address Bus DB： Data Bus CB： Control Bus,2019年7月28日4时58分,53, 总线BUS,连接多个功能部件的一组公共信号线 地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。 CPU的寻址范围 = 2n， n：地址线根数 数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。 控制总线CB：用来传送各种控制信号,2019年7月28日4时58分,54,二、微型计算机的软件,1. 软件定义,硬件：是在执行任务过程中相对固定的一种物质体现。 软件：则是在执行任务过程中比较灵活的信息的体现，即指使用和管理计算机的各种程序(Program)。,2019年7月28日4时58分,55,3. 程序,程序：一系列指令的有序集合称为程序。 程序设计：编制程序的过程称为程序设计。,2019年7月28日4时58分,56,4.机器语言、汇编语言和高级语言,(1) 汇编语言：用助记符(通常是指令功能的英文缩写)表示操作码、用字符(字母、数字、符号)表示操作数的指令称为汇编指令。用汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。,特点：这种程序占用存储器单元少，执行速度较快，能够准确掌握执行时间，可实现精细控制，因此特别适用于实时控制。 然而汇编语言是面向机器的语言，各种计算机的汇编语言是不同的，必须对所用机器的结构、原理和指令系统比较清楚，才能编写出它的各种汇编语言程序，而且不能通用于其他机器，这是汇编语言的不足之处。,2019年7月28日4时58分,57,(2) 高级语言：为使用户编程容易，程序中所用的语句与实际更接近，而且使用户不必了解具体的机器，就能编程，使编出的程序通用性更强，于是产生了高级语言。 常用的高级语言有BASIC、FORTRAN、C等。,特点：高级语言是面向过程的语言，用高级语言编写程序时主要着眼于算法，而不必了解计算机的硬件结构和指令系统，因此易学易用。高级语言是独立于机器的，一般地说，同一个程序可在任何种类的机器中使用。,应用：高级语言适用于科学计算、数据处理等方面 。,2019年7月28日4时58分,58,(3) 机器语言：二进制代码形式的程序就是机器语言程序。二进制代码形式的指令又称机器指令或机器码。汇编指令与机器指令具有一一对应的关系，,特点：计算机最终执行的都是机器语言程序。 机器语言只有0和1两个符号，用它来直接编写程序十分困难。因此，往往先用汇编语言或高级语言编写程序，然后再转换成目标程序。,2019年7月28日4时58分,59,(4) 几个概念：,源程序：汇编语言程序与高级语言程序统称为源程序,目标程序：机器语言程序又称为目标程序。,汇编：将汇编语言程序翻译成目标程序的过程称为汇编。,手工汇编：由编程人员对照指令表，一条一条查找、翻译的方法称为手工汇编。,机器汇编：由计算机自动完成汇编语言转换为机器语言的称为机器汇编。,汇编程序：机器汇编时用到的软件称为汇编程序。,编译程序：高级语言转换成机器语言的工作只能由计算机完成，转换时所用的软件为编译程序。,2019年7月28日4时58分,60,5、程序分类,计算机软件示意图,2019年7月28日4时58分,61,三. 计算机中的数,1进位计数制,十进制数、十二进制数（1年=12个月），十六进制，六十进制、二进制数。,数制表示方法：,(1) 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(Hexdecimal)，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) 在数的右下方加一个小数字说明 例：(1011011)2，(896)10，(896)16,2019年7月28日4时58分,62,数制的基：计数制中所具有的数码的个数。 数制的权：计数制中每一位所具有的值。,2019年7月28日4时58分,63,（1） 十进制数,特点：有十个不同的数字符号：0、1、2、39。 逢十进位，即各位的权是以十为底的幂。,一般表达式：,2019年7月28日4时58分,64,一般表达式：,2019年7月28日4时58分,65,一般表达式：,2019年7月28日4时58分,66,2.不同计数制间的转换,(1) 二进制数与十六进制数的相互转换,2019年7月28日4时58分,67,十六进制数转换成二进制数 只要把每一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 2.A4H0010.10100100B10.101001B, 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。 例：100l 11l0 0101 001011B0001 0011 1100 101001011000B13CA58H,2019年7月28日4时58分,68,(2) 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： 101111B2FH2161十1547,2019年7月28日4时58分,69,(3) 十进制数转换成二进制数、十六进制数,整数部分的换算：除2（或16）取余法 十进制数的整数部分连续被2（或16）所除，依次记下余数直到商为0为止。第一个余数是转换后的最低位，最后一个余数是最高位。,小数部分的转换。 乘2（或16）取整法：十进制小数连续乘以2(或16)，依次记下积的整数部分直到积为0或达到一定的精度为止。第一个整数是二(或十六)进制小数的最高位，最后一个整数是最低位。,例：23.625=( ? )2=( ? )16,2019年7月28日4时58分,70,3 无符号二进制数的算术运算与逻辑运算,(1)算术运算 包括： 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算,2019年7月28日4时58分,71, 加法运算,0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=0(进位1),1 10100010B,2019年7月28日4时58分,72, 减法运算,0-0=0 1-0=1 0-1=1(有借位1) 1-1=0,01000010B,2019年7月28日4时58分,73,. 乘法运算,0 0=0 1 0=1 0 1=0 1 1=1,2019年7月28日4时58分,74, 除法运算,110110B,110B=？,00001011B0100B=？,2019年7月28日4时58分,75,(2) 无符号数的表示范围,一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为 0 X 2n-1 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。 溢出判别方法： 运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）则产生溢出。,2019年7月28日4时58分,76,例：,11111111 + 00000001 1 00000000 结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出位二进制数所能表示的范围255）,2019年7月28日4时58分,77,(3) 逻辑运算,与()、或()、非() 、异或() 特点：按位运算，无进、借位,2019年7月28日4时58分,78,与运算,l11 10O 0l0 000,例：计算 10110111B 01001101B(?)B,2019年7月28日4时58分,79, 或运算,l 11 1 01 0 l1 0 00,例：计算 10110111B 01001101B(?)B,2019年7月28日4时58分,80,非运算,l0 01,例：计算10110111B的非,2019年7月28日4时58分,81,异或运算,l10 101 0l1 000,例：计算 10110111B 01001101B(?)B,2019年7月28日4时58分,82,4 带符号二进制数的表示及运算,计算机中带符号数的表示 把二进制数的最高位定义为符号位 符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数 连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。 机器数所表示的真实的数值，称为真值。 （在以下讲述中，均以位二进制数为例）,2019年7月28日4时58分,83,带符号数的表示,2019年7月28日4时58分,84,例：,+52 = +0110100 B= 0 0110100B 符号位 数值位 -52 = -0110100 B= 1 0110100 B,真值,机器数,2019年7月28日4时58分,85,(1) 带符号数的机器数表示,对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。 注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。,2019年7月28日4时58分,86, 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。,正数：原码符号位用0表示，数值位保持原样。 负数：原码符号位要置1，数值位保持原样。 0：+0原0000 0000B -0原1000 0000B,特点：(1) 8位二进制原码表示的数的范围为： -127127。 (2) 0的原码表示不唯一。,2019年7月28日4时58分,87, 反码,正数：反码表示与原码相同，即 x反 x原(x0) 负数：反码符号位置1，其余各位按位取反。 0 ： +0反0000 0000B -0反1111 1111B,特点：(1)8位二进制反码表示的数的范围为：-127127。 (2) 0的反码表示不唯一。,2019年7月28日4时58分,88, 补码,正数：补码表示与原码相同，即 x补 x原(x0) 负数：符号位置1，其余各位按位取反，然后在最低位加1， 即反码加1。 负数补码的简便求法：对负数的原码，从最低位向左数，在遇到第一个1以前，包括第一个1，重写每一位，其余各位取反，符号位置1。 0：+0补0000 0000B -0补1111 1111B+1B=1 0000 0000B=0000 0000B 对于8位字长的计算机，第九位进位自然丢失。所以0的补 码表示唯一。,特点：(1) 8位二进制补码表示的数的范围为： -128127。 (2) 0的补码表示是唯一的。,2019年7月28日4时58分,89,(2) 真值与补码之间的转换,已知一个数的补码，求其原码时，应将其补码再求补。即 x补补=x原,2019年7月28日4时58分,90,例：,将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) X补 = 0 0101110B 真值为：+0101110B 正数 所以：X=+46 2) X补 = 1 1010010B 负数 X = X补补 = 11010010补 = - 0101110B 所以：X = - 46,2019年7月28日4时58分,91,(3) 补码运算,运算法则：x、y无论是正数还是负数，可以证明： xy 补x 补+ y 补 即引入补码的概念后，可将减法变为加法运算。,例1：用补码运算下列式子 99-58=？ a.采用减法运算 99-58=41 b. 采用补码运算 将99与-58用补码表示，在执行了99补十-58补的加法运算后会得到99-58的补码 。,在8位字长的计算机中，进位自然丢失。 所以99-58补99补+-58补0010 1001B 所以99-58原0010 1001B 99-58=41,2019年7月28日4时58分,92,(3) 补码运算,例2：用补码运算下列式子 - 99-58=？ 采用补码运算 将-99与-58用补码表示，在执行了-99补十-58补的加法运算后会得到-99-58的补码 。,在8位字长的计算机中，进位自然丢失。 所以-99-58补-99补+-58补0110 0011B 所以-99-58原0110 0011B - 99-58=99 结果错误!,2019年7月28日4时58分,93,(3) 补码运算,溢出：指运算时数值超过了机器内存部件所能表示的最大值时，发生数据丢失的现象。（主要为两个同符号相加或两个异号数相减时，结果超出了8位二进制补码所能表示的范围）,溢出的判别方法：两个8位（D7D0）带符号数（补码表示）相加（或相减），设第7位向上的进位（或借位）为C，D6向D7位的进位（或借位）为C，则当C C=1时，产生溢出，否则无溢出。,注意：同号相减或异号相加不会溢出。 同号相加或异号相减可能溢出。,2019年7月28日4时58分,94,(3) 补码运算,例 判别下列两个8位带符号数相加是否溢出。 0101 1011B+0100 0001B 0011 1111B+1001 1110B,2019年7月28日4时58分,95,5 定点数与浮点数,(1) 定点表示法 在计算机中，如将小数点的位置固定不变，称为定点表示法。 这个固定的位置是事先约定好的，不必用符号表示。 用定点法表示的实数叫做定点数。 通常，定点表示采用以下两种方法。,2019年7月28日4时58分,96,小数点固定在最低数值位之后，机器中能表示的所有数都是整数，这种方法称之为定点整数表示法。其格式如下：,当用n位表示数N时，1位为符号位，n-1位为数值位，则N的范围是： -2 n-1N2 n-1-1, 定点整数表示法,2019年7月28日4时58分,97,若n8，则-128N127；若n16，则32768N32767。 例如： 若N1011011B，n8，则在计算机内用定点整数法可将N表示为：,2019年7月28日4时58分,98, 定点小数表示法 小数点固定在最高数值位之前，机器中能表示的所有数都为纯小数，这种方法称之为定点小数表示法。其格式如下：,当用n位表示数N时，1位为符号位，n-1位为数值位，则N的范围是： -1N1-2 1-n,2019年7月28日4时58分,99,例如：若N0.1011011B，n8，则在计算机内用定点小数法可将N表示为：,例如：若N-0.1011011B，n8，则在计算机内用定点小数法可将N表示为：,2019年7月28日4时58分,100,在计算机中，小数点位置并不是固定不变的，而是可以改变的，这种表示法称为浮点表示法。用浮点法表示的实数，叫做浮点数。 任意一个十进制数N可以表示成如下形式： N 10P S P称作N的阶码，10称作阶码的底，S称作N的尾数。,2 浮点表示法,任意一个二进制数N可以表示成如下形式： N2P S 例：101.11B=1000B 0.10111B=2+11B 0.10111B,例：2345.67=10+4 0.234567,2019年7月28日4时58分,101,实际应用中，尾数S有如下特征：,阶码P有如下特征： 1) P可以为正数，也可为负数，用补码表示。 2) P的位数决定了N可表示的数的范围。,，则称该浮点数为规格化浮点数，否则为