微机原理及应用(王钢)机械工业出版社.ppt

第一章计算机基础知识,第一节概述第二节计算机中的数和编码第三节微型计算机系统组成,第一节概述,一微型计算机的产生与发展,自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机科学和技术的发展突飞猛进，已深入到人类生活的各个方面。半个世纪以来，伴随着电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路的发展，计算机的发展可分为四代。,第一代电子计算机时代。从1946年第一台计算机研制成功到50年代后期，其主要特点是采用电子管作为基本器件，使用机器语言。在这一时期，计算机主要为军事与国防尖端技术的需要而研制的。,第三代集成电路计算机时代。从20世纪60年代中期稻0年代初期，计算机采用集成电路作为基本器件，因此，功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高。开始出现操作系统软件，由于集成电路成本的迅速下降，使计算机的成本较低，因此计算机应用范围更加扩大，占领了许多数据处理的应用领域。,第四代大规模集成电路计算机时代。从20世纪70年代至今，第四代计算机采用大规模或超大规模的集成电路。这种工艺可在硅半导体上集成几千、几万甚至几千万电子器件。计算机的体积、功耗和价格迅速降低，已经广泛普及到教育、企事业、科研、军事和家庭等各个领域。,微型计算机广泛采用了大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路，除了具有一般计算机的运算速度快，计算精度高，记忆功能和逻辑判断力强，自动工作等常规功能外，还具有独特的优点。,微型计算机的特点,二微型计算机的组成特点,1.体积小、质量轻功耗低2.可靠性高、使用环境条件要求低3.结构简单灵活、系统设计方便、适应性强4.性能价格比高,微型计算机的特点,第二节计算机中的数和编码,计算机在传递信息时是以编码的形式进行的。常用的编码有数字编码，字符编码，汉字编码等。,计算机中常用的进制二进制数（Binary）：二进制数的特点有两个运算符号0和1，逢“二”进“一”。计算机中最常用的就是二进制数。记作“B”，如101011B。十六进制数（Hexadcimal）：十六进制数的特点是有十六个运算符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。逢“十六”进“一”。记作“H”，如1A9H。十进制数(Decimal)：十进制数的特点是有十个运算符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，逢“十”进“一”。记作“”。也可没有标记。如12D或12。,一数制,各种进制的转换二进制和十六进制的相互转换方法：是用四位二进制数表示一位十六进制数。例10110B=16H，1A9H=110101001B。十六进制转换为十进制：将十六进制数按展开后，用十进制加法原则加即可。例如：1BH=1161+11160=27。二进制转换成十进制数：将二进制数按权展开后，用十进制加法的原则相加即可。例如：1011B=123+022+121+120=8+0+2+111。,十进制转换成二进制或十六进制：用求基数2或16取余数法，直到商等于0为止。将后得的余数做高位。先得余数做低位，即可得到转换。例如：把20D转换成二进制数和十六进制数。,二编码二十进制（BCD码）,用四位二进制数表示一位十进制数的形式叫二十进制。也叫BCD码。BCD码有压缩式和非压缩式两种。压缩式BCD码是用8位二进制数表示两位十进制数。例如91=10010001B。非压缩式的BCD码就是用8位二进制数表示一位十进制数。例如：910000100100000001B。,用键盘输入的各种字符，如数字、字母、标号符号等，都可用二进制编码表示。这种编码形式就叫字符编码。目前应用最广的字符编码是用7位二进制数表示1位字符的字符编码，叫美国信息交换标准码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），简称ASCII码。如表1-3所示。ASCII码共有128个字符，其中有32个通用控制字符，10个十进制数码，52个大小写英文和34个专用字符。A的ASCII码为41H，09的ASCII码为30H39H。,字符编码,表1-3ASCII字符表(a),表1-3ASCII字符表(b),汉字输入必须有相应的汉字编码。用键盘输入的汉字是输入汉字的外部码，外部码还要转换成内部码，计算机才可以存储和处理。汉字系统不同，它的外部码的输入是不一样的。各种汉字系统之间交换信息时，采用的是交换码。还有汉字输出使用的代码叫汉字字形码或汉字发生器的编码。汉字编码是一个专门领域，在此不做详细介绍。,汉字编码,返回本章目录,（一）标准BCD码的加法,由于计算机中的基本运算电路只能作二进制加法运算，如果利用它实现BCD码相加，必须要找出将二进制加法运算电路适应标准BCD码相加的规则，然后遵循该规则设计出BCD码相加的运算电路,二二进制的运算,例01000101+0101010010011001结果正确例01000101+0101010110011010结果不正确+110个位加6修正10100000结果还不正确+110十位加6修正100000000结果正确,BCD码加法的规则：,两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加，若产生的和小于10则保持不变，结果正确；如果产生的和10，则在和数上作加6修正两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加后，如果向高位BCD码产生了进位，说明逢十六进一，丢掉了6，所以也要作加6修正。加6修正的原因是：运算电路只能逢十六进一，不能逢十进一,(二)标准BCD码的减法,BCD码减法规则：两个BCD数对应的BCD码位用二进制相减，不发生借位则结果正确两个BCD数对应的BCD码位用二进制相减，若低位向高位发生了借位，表示借16，而不是借10，在低位上要作减6修正,A,B,C,Y,1.与逻辑关系：当决定事件的各个条件全部具备之后，事件才会发生。,一、与运算和与门,(三）逻辑运算,真值表是用列表的方法将逻辑电路输入变量不同组合状态下所对应的输出变量的取值一一对应列入一个表中，此表称为逻辑函数的真值表。是表示逻辑函数的一种方法。,3.与门电路的实现,二极管与门电路,设uA=0，,uY=0.3VF=0,DB、DC截止,uY=0.3V,设二极管管压降为0.3伏,uB=uC=3V,则DA导通,2.符号及表达式,与门逻辑符号,逻辑式,uF=0.3V,A,B,C,DA,DB,DC,F,R,设uA=uB=uC=0,DA、DB、DC都导通,F=0,uF=0.3V,uF=3.3V,设uA=uB=uC=3V,uF=3.3V，F=1,DA、DB、DC都导通,A,B,C,DA,DB,DC,F,由以上分析可知：只有当A、B、C全为高电平时，输出端才为高电平。正好符合与门的逻辑关系。,F=ABC,R,A,B,C,Y,1.或逻辑关系：当决定事件的各个条件中有一个或一个以上具备之后，事件就会发生。,或门逻辑符号,或门逻辑式,二、或运算和或门,2.符号及表达式,设uA=3V，uB=uC=0V则DA导通,uF=30.3=2.7VDB、DC截止，F=1,DA,F,A,B,C,DB,DC,uF=2.7V,二极管或门电路,R,3.或门电路的实现,DA,F,A,B,C,DB,DC,设uA=uB=uC=3V,DA、DB、DC都导通,uF=2.7V,uF=2.7V，F=1,R,uF=0.3V,设uA=uB=uC=0V,DA、DB、DC都导通,uF=0.3V，F=0,DA,F,A,B,C,DB,DC,F=A+B+C,由以上分析可知：只有当A、B、C全为低电平时，输出端才为低电平。正好符合或门的逻辑关系。,R,F,1.非逻辑关系：决定事件的条件只有一个，当条件具备时，事件不会发生，条件不存在时，事件发生。,A,R,非门逻辑符号,非门逻辑式,三、非运算和非门,2.符号及表达式,3.非门电路,设uA=3V，V饱和导通,+12V,+3V,D,Rc,V,12V,RB,Rk,A,F,uF=0.3V,uF=0.3V，F=0，D截止,设uA=0V，V截止，D导通,+12V,+3V,D,Rc,V,12V,RB,Rk,A,F,uF=3.3V,uF=3.3V，F=1,由以上分析可知：当A为低电平时，输出端为高电平。当A为高电平时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。,1.与门和非门构成与非门,四、复合门电路,有低必高，全高才低,2.或门和非门构成或非门,有高必低，全低才高,原码用机器数表示数的形式又称为数的原码。X=+75的原码为X原=01001011BX=-75的原码为X原=11001011B如果字长为16位二进制数时，X=+75的原码为X原=0000000001001011BX=-75的原码为X原=1000000001001011B,四.数的表示法,机器码与真值前面提到的数都没有考虑符号的问题，是指无符号数。但在计算机中处理的数通常是有符号数，符号在计算机中也用数码表示。规定用“0”是正数符号“”，用“1”表示负数符号“”。符号位放在数的最高位。例如-1001011B=11001011B，+1001011B=01001011B。我们把用这种方法表示的数叫做机器数。如上例中的11001011B和01001011B。把数本身具有的数值叫真值。如上例中的1001011B是真值,反码负数的反码是原码的符号位不变，其它各位取反。如：X原=11001011B则：X反=10110100B正数的反码就是原码。如：X原=01001011B则：X反=01001011B,补码负数的补码是原码的符号位不变，其它各位取反加1。如：X原=11001011B则：X补=10110101B正数的补码就是原码。如：X原=01001011B；则：X补=010010111由补码求原码的方法与由原码求补码的方法一样。,补码运算在计算机中对带符号的运算时，都采用补码运行，运行的结果也是补码。采用补码运算可把减法运算变成加法运算。,8位二进制数和16位进制数的范围数的表示分为无符号数和有符号数。有符号数又有原码、反码和补码三种形式。因此它们表示的范围是不同的。列表1-1和1-2分别表示8位二进制和16位二进制的表示范围。,表1-1位二进制数的表示范围,表1-216位二进制数的表示范围,【例1-1】已知X=+1，Y=+18求X-Y的值。解X-Y=X+(-Y)X-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补X补=00001011B-Y原=-18原=10010010B-Y补=11101110BX补00001011B+-Y补11101110BX补+-Y补=11111001BX-Y补=11111001BX-Y=10000111B运行结果完全正确。,两个负数相加结果却为正数，显然运算结果出错。(-120)+(-18)应等于(-138)，但由于有符号的位二进制数最大表示范围是+127-128。(-138)超出有符号的位二进制数的范围，因此产生溢出。在计算过程中，溢出是可以判断出来的。判断溢出的方法可用次高位向高位的进位标志CS和最高位的进位标志位CF的异或来判断，即CSCF。如果异或的结果为1，运算结果就产生溢出；如果异或结果为0，则运算结果没有溢出。计算机专门设计一个标志位来描述运算结果是否有溢出，这个标志位叫溢出标志位，用OF表示。（后续课将进行详细介绍）。上例中CS=0，CF=1，则CSCF=1，因此有溢出。,3定点数和浮点数依照小数点的不同表示方法，计算机中的数可分为两类：定点数和浮点数。下面说明这两种数的表示方法。（1）定点数。所谓定点数是指小数点的位置固定不变的数，定点数又分为定点整数和定点整数。,定点整数：其小数点的位置固定在数据的最低位之后，见图1-4a。定点小数：其小数点的位置固定于符号位与数据位之间，见图1-4b。,例1已知某数X的补码为10111011B，若将它理解为定点整数，它对应的十进制数是多少；若理解为定点小数，它对应的十进制数是多少？解：1）若理解为定点整数则X10111011补-1000101B=-692）若理解为定点小数则X10111011补-0.1000101B=-69/128,（2）浮点数。与定点数相反，若小数点的位置不固定，是浮动可变的，称这类数为浮点数。浮点数的引入克服了定点数所能表示的数的范围太小这一缺点。计算机中的浮点数由尾数和阶码两部分组成：尾数是带符号的定点纯小数，它的符号称为数符，表示这个浮点数的正负；阶码是一个带符号的整数，其符号称为阶符。图1-5给出了一种浮点数的格式。,规格化浮点数:尾数的最高数值位不等于零X1=21010.11001;X2=-21010.1011非规格化的数:尾数的第一位不是1的浮点数X3=21110.011001要使浮点数规格化，只要移动小数点同时调整阶码即可。例如：X4=21000.00101=21100.10100,例2将十进制数24.09375化为二进制形式的规格化浮点数，用图1-6的格式表示。解：1）先将该数化为二进制数24.09375D=11000.00011B（20）2）将此数规格化，将它的尾数变成最高位为1的纯小数。不难看出，要做到这一点，须将尾数中的小数点向左移动5位，每左移一位阶码加1，移位的次数便是该浮点数阶码的大小。于是，所得规格化浮点数的尾数和阶分别为：k=+0.1100000011Bb=+5=+101B3）将该数表示为图1-6浮点数的格式。,带符号数运算的溢出问题,带符号数的表数范围：8位字长：原码：11111111B01111111B（-127127）反码：10000000B01111111B（-127127）补码：10000000B01111111B（-128127）16位字长：原码：FFFFH7FFFH（-3276732767）反码：8000H7FFFH（-3276732767）补码：8000H7FFFH（-3276832767）,带符号数运算的溢出问题,溢出判定规则：最高位和次高位两位都产生进(借)位或都没有产生进(借)位，则结果无溢出；否则结果产生溢出。有符号数运算，有溢出表示结果为错误的。,例题,十进制数的表示-BCD码,以4个二进制位表示1个十进制位，用0000B1001B表示09。二进制编码的十进制数。BCD码有两种形式:压缩型BCD码非压缩型BCD码,一微机的硬件系统计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分组成。通常把运算器和控制器称为中央处理器CPU，把CPU和存储器合称为计算机的主机。而把输入设备和输出设备以及外存储器合称为外部设备，简称外设。微型计算机由微处理器、存储器、输入输出（I/O）接口电路组成的，连接这些功能部件的是三总线，即数据总线、地址总线和控制总线，如图1-1所示。,第三节微型计算机系统组成,二微型计算机软件系统软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序，它可以保证计算机硬件的功能得以充分发挥。微机的软件系统是由系统软件、应用软件组成。系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序以及为提高机器效率而设计的各种程序。在系统软件中，最重要的软件当属操作系统，即OS（Op