微机原理第一章.ppt

微型计算机原理及应用 第一章计算机基础 第一章计算机基础 1 3布尔代数基础 1 2计算机中的数制 1 1绪论 本章主要内容 1 4逻辑电路基础 1 5二进制数的运算及其加法电路 1 6计算机中的编码 1 7浮点数基本概念 1 1绪论 1 电子计算机发展简史 1 1946 1958第一代 电子管计算机 磁鼓存储器 机器语言 汇编语言编程 世界上第一台电子数字计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 字长12位 运算速度5000次 秒 使用18800个电子管 1500个继电器 功耗150kw 占地170m2 重达30吨 造价100万美元 见下页图 2 1958 1964第二代 晶体管计算机 磁芯作主存储器 磁盘作外存储器 开始使用高级语言编程 3 1964 1971第三代 集成电路计算机 使用半导体存储器 出现多终端计算机和计算机网络 4 1971 第四代 大规模集成电路计算机 出现微型计算机 单片微型计算机 外部设备多样化 5 1981 第五代 人工智能计算机 模拟人的智能和交流方式 1 1绪论 2 计算机发展趋势微型化 便携式 低功耗高性能 尖端科技领域的信息处理 需要超大容量 高速度智能化 模拟人类大脑思维和交流方式 多种处理能力系列化 标准化 便于各种计算机硬 软件兼容和升级网络化 网络计算机和信息高速公路多机系统 大型设备 生产流水线集中管理 独立控制 故障分散 资源共享 1 1绪论 3 微型计算机系统的组成与结构 1 1绪论 1 1绪论 运算器控制器寄存器组 内存储器总线输入输出接口电路 外部设备软件 微处理器 微型计算机 微型计算机系统 微处理器 微型计算机 微型计算机系统之间的联系与区别 1 1绪论 单片机简介 单片机即单片微型计算机 是将计算机主机 CPU 内存和I O接口 集成在一小块硅片上的微型机 单片机为工业测控而设计 又称微控制器 具有三高优势 集成度高 可靠性高 性价比高 主要应用于工业检测与控制 计算机外设 智能仪器仪表 通讯设备 家用电器等 特别适合于嵌入式微型机应用系统 单片机开发系统有单片单板机和仿真器 实现单片机应用系统的硬 软件开发 1 1绪论 4 计算机主要技术指标字长 CPU并行处理二进制的数据位数如 8位机 16位机 32位机和64位机 内存容量 内存中能够存储的二进制信息的数量 位 字节 字 容量单位 1K 210 1024 1M 220 1KK 1G 230 1KM 1T 240 1KG 运算速度 CPU处理速度相关参数 时钟频率 主频 每秒运算次数如 100MHz 3 2GHz 内存存取周期 内存读写速度如 50nS 70nS 200nS 1 1绪论 5 计算机主要应用领域计算机应用通常分成如下各个领域科学计算 数据处理 实时控制 计算机辅助设计 人工智能 由于微型计算机具有如下特点体积小 价格低 工作可靠 使用方便 通用性强 所以 微型计算机可以分为两个主要应用方向 用于数值计算 数据处理及信息管理方向通用微机 例如 PC微机功能越强越好 使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机 例如 单片机 工控机可靠性高 实时性强程序相对简单 处理数据量小 1 1绪论 6 本门课程的研究内容及其地位与作用研究内容 微机系统的基本组成与结构 工作原理及应用方法与技术 本门课程在计算机知识结构中的地位与作用 1 1绪论 7 学习方法建议复习并掌握先修课的有关内容课堂 听讲与理解 适当笔记 课后 认真阅读教材和参考书 独立完成作业 实验 充分准备 勤于动手实践 8 学习资源钱晓捷之微服网 1 1绪论 1 数制的基本概念数制是人们利用符号来记数的科学方法 计算机科学中经常使用的数制有十进制 二进制 八进制和十六进制 1 十进制 decimalsystem 有十个数码0 9 逢十进一 十进制是人们最熟悉的计数体制 2 二进制 binarysystem 两个数码 0 1 逢二进一 二进制为计算机中的数据表示形式 3 八进制 octavesystem 有八个数码0 7 逢八进一 4 十六进制 hexadecimalsystem 十六个数码 0 9 A F 逢十六进一 八进制和十六进制能够简化二进制数的表示 不同进位制数以下标或后缀区别 十进制数可不带下标 如 101 101D 101B 101O 101H 1 2计算机中的数制 十进制数据表达式例1234 5 1 103 2 102 3 101 4 100 5 10 1加权展开式以10为基数 各位系数为0 9 一般表达式 ND dn 1 10n 1 dn 2 10n 2 d0 100 d 1 10 1 二进制数据表达式例1101 101 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 3加权展开式以2为基数 各位系数为0 1 一般表达式 NB bn 1 2n 1 bn 2 2n 2 b0 20 b 1 2 1 1 2计算机中的数制 十六进制数据表达式例 DFC 8 13 162 15 161 12 160 8 16 1展开式以16为基数 各位系数为0 9 A F 一般表达式 NH hn 1 16n 1 hn 2 16n 2 h0 160 h 1 16 1 进位计数制的一般表达式 an 1an 2 a1a0 a 1 a m an 1 rn 1 an 2 rn 2 a1 r1 a0 r0 a 1 r 1 a m r m其中r称为数制的基 rn 1 rn 2 r1 r0 r 1 r m称为各位的权 an 1 an 2 a1 a0 a 1 a m称为各位的系数 1 2计算机中的数制 2 数制之间的转换 1 二 十六进制数转换成十进制数方法 各位的系数乘以各位的权 然后全部加起来 举例 1011 1010B 1 23 1 21 1 20 1 2 1 1 2 3 11 625DFC 8H 13 162 15 161 12 160 8 16 1 3580 5 2 二进制与十六进制数之间的转换方法 24 16 四位二进制数对应一位十六进制数 举例 3AF 2H 001110101111 0010 1110101111 001B3AF21111101 11B 01111101 1100 7D CH7DC 1 2计算机中的数制 3 十进制数转换成二 十六进制数整数 小数分别转换整数转换法 除基取余 十进制整数不断除以转换进制基数 直至商为0 每除一次取一个余数 从低位排向高位 例题1 39转换成二进制数39 100111B2391 b0 2191 b1 291 b2 240 b3 220 b4 211 b5 0 例题2 208转换成十六进制数208 D0H16208余01613余13 DH0 1 2计算机中的数制 小数转换法 乘基取整 用转换进制的基数乘以小数部分 直至小数为0或达到转换精度要求的位数 每乘一次取一次整数 从最高位排到最低位 例1 0 625转换成二进制数0 625 21 251 b 1 0 25 20 500 b 2 0 50 21 001 b 3 所以0 625 0 101B 1 2计算机中的数制 例2 0 625转换成十六进制数0 625 16 10 00 625 0 AH例3 208 625转换成十六进制数208 625 D0 AH 1 2计算机中的数制 1 3布尔代数基础 布尔代数又称为开关代数或逻辑代数 是在1847年由英国数学家乔治 布尔 GeorgeBoole 首先创立的 布尔代数研究逻辑变量之间的相互关系和变化规律 它是分析和设计数字逻辑电路的理论基础和基本工具 布尔代数的特点 1 变量只有两种可能的取值 0或1 2 只有3种基本的逻辑运算 与 或 非 1 基本逻辑运算最基本的逻辑操作 与 逻辑乘 符号A B或AB或A B 或 逻辑加 符号A B 非 逻辑非或逻辑反 符号A 或A 与操作的定义 A 1且B 1 AB 1或操作的定义 A 1或B 1 A B 1非操作的定义 若A 1则A 0 若A 0则A 1类似地可以定义多个变量的与操作和或操作 多位二进制数的逻辑运算定义为各对应位分别进行相应的逻辑运算 见P6 7例1 5 例1 7其它常用的逻辑操作 与非 或非 与或非 异或 同或等 2 基本运算规律 1 3布尔代数基础 逻辑函数可以选用布尔代数式表示 真值表表示 或卡诺图表示 例 ABX000010100111 ABX001011101110 X A B X A B 真值表 布尔代数式 3 逻辑函数的表示方法 1 3布尔代数基础 4 真值表与逻辑表达式之间的相互转换 与门 与非门 A B ABX000010100111 ABX001011101110 X A B X A B A B X 用与逻辑写出真值表中每一横行中输出为1的逻辑表达式 用或逻辑汇总真值表中全部输出为1的逻辑 不必理睬那些输出为0的各行的内容 它们已经隐含在通过1 2两步写出的表达式中 X A B A B A B X 真值表 1 3布尔代数基础 5 逻辑函数的化简 1 3布尔代数基础 1 4逻辑电路基础 逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路 计算机对于信息数据的处理都是由逻辑电路实现的 因此逻辑电路是计算机的硬件基础 常用的基本逻辑门电路有 与门 或门 非门 与非门 或非门 异或门 同或门 缓冲器等 这些基本门电路是构成逻辑电路的基本成分 利用它们可以搭建多种多样的复杂的逻辑电路 基本逻辑门电路符号及表达式如下 另外一套常用的基本门电路的图形符号 1 4逻辑电路基础 1 5二进制数的运算及其加法电路 1 二进制数据算术运算规则 1 加法运算规则0 0 0例如 01010 1 1 00011 0 101101 1 0并产生进位 2 减法运算规则0 0 0例如 10110 1 1并产生借位 01011 0 101101 1 0 3 乘法运算规则例如 11010X0 0X 01010X1 011011X0 011011X1 11000001 4 除法运算规则1101例如 1110101 1001100111101011001101110010100110010 0000 0000 1 5二进制数的运算及其加法电路 2 半加器电路设计 问题描述 对两个二进制数进行加法运算 产生1位和和1位进位 定义输入输出变量 输入x y 输出S sum C carry 真值表 xyCS0000010110011110逻辑表达式 S xy xy C xy 由此可以化出逻辑图如下 1 5二进制数的运算及其加法电路 HA x y s c 半加器电路图 半加器符号 1 5二进制数的运算及其加法电路 3 全加器电路设计 FA a b s ci co 1位全加器框图 1位全加器真值表 abcicos0000000101010010111010001101101101011111 1位全加器逻辑表达式 电路图见p13 S a bci ab ci a b ci abci abciCo abci a bci ab ci abci ab aci bci 1 5二进制数的运算及其加法电路 由多个一位全加器把进位信号串联而成 每个全加器都有2级门的延迟时间 故这种n位加法器有2n级门的延迟时间 a b s ci co a b s ci co a b s ci co FA a b s ci co ci co a b a a a a b b b b s s s s s 4 多位二进制数的加法电路设计 FA FA FA 1 5二进制数的运算及其加法电路 1 6计算机中的编码 1 二进制数值数据的编码方法 1 基本概念 无符号数 有符号数 机器数 真值 机器中 数的符号用 0 1 表示 最高位作符号位 0 表示 1 表示 机器数 机器中数的表示形式 其位数通常为8的倍数 真值 机器数所代表的实际数值 举例 一个8位机器数与它的真值对应关系如下 真值 X1 84 1010100BX2 84 1010100B机器数 X1 机 01010100 X2 机 11010100有符号数通常使用三种表示方法 原码 反码和补码 2 原码 TrueForm 最高位为符号位 0表示 1表示 数值位与真值数值位相同 例8位原码机器数 真值 x1 1010100Bx2 1010100B机器数 x1 原 01010100 x2 原 11010100原码表示简单直观 但0的表示不唯一 加减运算复杂 1 6计算机中的编码 3 反码 One sComplement 正数的反码与原码表示相同 负数反码符号位为1 数值位为原码数值各位取反 例8位反码机器数 x 4 x 原 00000100 x 反 00000100 x 4 x 原 10000100 x 反 11111011 4 补码 Two sComplement 正数的补码表示与原码相同 负数补码的符号位为1 数值位等于反码加1 例 求8位补码机器数 x 4 x 原 x 反 x 补 00000100 x 4 x 原 10000100 x 反 11111011 x 补 11111100补码表示的优点 0的表示唯一 加减运算方便 1 6计算机中的编码 5 8位机器数表示的真值 6 各种编码方法的表数范围 n 1位二进制编码x表示的整数范围 原码 反码 2n x 2n补码 2n x 2n例如 8位原码 反码的表数范围是 127 127 补码的表数范围是 128 127 16位原码 反码的表数范围是 32767 32767 补码的表数范围是 32768 32767 7 各种编码之间的相互转换 x 原 x 补 x 0 x 补 x 原 x 0 符号位不变 数值位取反 1 例1 X1 原 01111111 7FH X1 补 01111111 7FH X2 原 11111111 FFH X2 补 10000001 81H例2 X1 原 59H X2 原 D9H 求真值 X1 1011001B 89X2 1011001B 89例3 X1 补 59H X2 补 D9H 求真值 X1 1011001B 89X2 0100111B 39 1 6计算机中的编码 原码 反码 补码表示小结 正数的原码 反码 补码表示均相同 符号位为0 数值位同数的真值 零的原码和反码均有2个编码 补码只有1个编码 负数的原码 反码 补码表示均不同 符号位为1 数值位 原码为数的绝对值反码为每一位均取反码补码为反码再在最低位 1由 X 补求 X 补 每一位取反后 再在最低位 1 1 6计算机中的编码 2 补码加法器 减法器电路 1 补码加减法的运算规律 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 Y 补 对 Y 补逐位取反 包括符号位 再在最低位加1 例 设x 1010 y 0101 则 x 补 01010 y 补 11011 x 补 y 补 00101 x y 补 1010 0101 补 0101 补 00101 由此可见 x y 补 x 补 y 补例 设x 0101 则 x 0101 x 补 00101 x 补 11011 所以 x 补 对 x 补逐位取反 再在最低位加1 1 6计算机中的编码 2 补码加减法的电路实现 8位二进制加法器电路 1 6计算机中的编码 8位二进制数补码减法器电路 可控的8位二进制数补码加减法器 SUB 0 加法 SUB 1 减法 1 6计算机中的编码 3 加减法运算的溢出问题 当运算结果超出机器数所能表示的范围时 称为溢出 显然 两个异号数相加或两个同号数相减 其结果是不会溢出的 仅当两个同号数相加或者两个异号数相减时 才有可能发生溢出的现象 一旦溢出 运算结果就不正确了 因此必须将溢出的情况检查出来 判别溢出的方法 无符号数溢出判断 最高位是否产生进位或借位 计算机设置进位标志位Cy判断无符号数溢出 当数据加 减最高位产生进位 借位 Cy 1 否则 Cy 0 补码溢出判断 符号位和最高数值位进位是否相同 计算机设置溢出标志位OV判断补码溢出 逻辑关系 OV Cy6 Cy7当补码加 减产生溢出OV 1 否则OV 0 1 6计算机中的编码 3 其它编码 1 西文字符编码 美国标准信息交换码ASCII码 用于计算机与计算机 计算机与外设之间传递信息 用一个字节表示一个字符 其中低7位为字符的编码值 最高位一般用作校验位 1 6计算机中的编码 2 汉字编码 GB2312 80国标码 用两个字节表示一个汉字的编码 汉字的区号 A0H 汉字机内码的高字节汉字的位号 A0H 汉字机内码的低字节例如 啊 的区号为十进制的16区 位号为1 相应的机内码为B0A1H 3 BCD码 BinaryCodedDecimal 二进制代码表示的十进制数 用4位二进制数表示一位十进制数 8421BCD码 例 求十进制数876的BCD码 876 BCD 100001110110876 36CH 1101101100BBCD码运算 十进制调整 计算机实际按二进制法则计算 加入十进制调整操作 可计算BCD码 十进制调整方法 当计算结果有非BCD码或产生进位或借位 进行加6或减6调整 1 6计算机中的编码 例 计算BCD码78 69 01111000 78 BCD 01101001 69 BCD11100001产生非BCD码和半进位 01100110 66H调整101000111带进位结果 147 1 6计算机中的编码 1 7浮点数基本概念 浮点数 floatingpointnumber定点数表示方法的缺点 精度低 表数范围小 IEEE InstituteofElectricalandElectronicEngineers 754单精度 single precision 浮点数格式 IEEE754浮点数由3部分构成 符号 sign 阶码 exponent 和尾数 fraction 单精度的格式为32位 见下图 s e f 0 22 23 30 31 其中s为符号位 0表示正数 1表示负数 e为阶码 8位 采用移码 移码值为127 e的最小值0和最大值255做特殊用途 因此正常的移码表示的范围为 126 127 f是尾数 23位长 由于在规格化 normalized 的二进制浮点数中 小数点前面的一位数总是1 故可将这个1省略 不出现在32位浮点数格式中 称其为隐藏位 hiddenbit 因此 上述规格化的单精度浮点数所表示的数值为 v 1 s 2e 127 1 f例题 求下面IEEE754单精度浮点数的十进制数表示值 01000000100011000000000000000000 解 v 1 0 2129 127 1 00011000000000000000000B 22 1 00011000000000000000000B 4 1 09375 4 375除了以上的规格化浮点数之外 IEEE754还规定了以下4种特殊情况 1 0 0 如果e 0且f 0 则v 1 s 0 2 DNRM 非规格化数 denormalized 如果e 0但f 0 则v DNRM 3 正负无穷大 如果e 255且f 0 则v 1 s 4 NaN 不是一个数 notanumber 如果e 255且f 0 则v NaN除0之外 IEEE754单精度浮点数所能表示的绝对值最小的数为 2 126除 之外 IEEE754单精度浮点数所能表示的绝对值最大的数为 2127 2 2 23 IEEE754双精度 double precision 浮点数格式 s e f 0 51 52 62 63 上述规格化的双精度浮点数所表示的数值为 v 1 s 2e 1023 1 f其它4种特殊情况的定义于单精度的定义类似 只是把127换成1023 把255换成2047 1 7浮点数基本概念 1 将16进制的0 F用4位2进制表达出来 并熟记 2 111 X 273 基数X 3 有一个二进制小数X 0 X1X2X3X4X5X6 1 若使X 1 2 则X1 X6应满足什么条件 2 若使X 1 8 则X1 X6应满足什么条件 4 十进制数转换为二进制数 56 36 875 59 0 6875 58 75二进制数转换为十进制数 八进制数 十六进制数 10101 1101 01 10011010 1011 111010 11八进制数253 74转换成二进制数十六进制数1CB D8转换成二进制数5 一个用十六进制表示的两位整数