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微机原理 考核方式闭卷考试卷面成绩70 平时成绩30 作业和实验 南通大学计算机科学与技术学院系统教研室 第一章计算机基本知识 1 1绪论1 2计算机的发展概况1 3微型计算机中信息的表示及运算基础1 4几种进制之间的转换 要求 1 掌握计算机内部采用什么计数制来表示数和字符 2 掌握十进制转换成二进制的方法 3 掌握计算机中如何表示正负数 4 计算机中的整数有几种表示方法 最常用那种码制 5 基本逻辑运算 6 求补的运算规则 7 计算机中是采用什么代码表示字符的 1 1绪论 1946年2月15日世界第一台电子计算机问世1946年世界上第一台电子计算机由美国宾夕法尼亚大学研制成功 尽管它重达30吨 占地170平方米 耗电140千瓦 用了18800多个电子管 每秒钟仅能做5000次加法 ENIAC运作了九年之久 吃电很凶 据传ENIAC每次一开机 整个费城西区的电灯都为之黯然失色 另外 真空管的损耗率相当高 几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管 操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子 使用上极不方便 曾有人调侃道 只要那部机器可以连续运转五天 而没有一只真空管烧掉 发明人就要额手称庆了 这台计算机有五个基本部件 输入器 输出器 运算器 存储器和控制器 奠定了当代电子数字计算机体系结构的基础 工作特点是程序控制 数据存储 数字编码 电子计算机工作的基础 1 2计算机的发展概况 微型化 便携式 低功耗巨型化 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 2计算机的发展概况 一 计算机的发展概况第一代 电子管计算机时代 1947 1957 第二代 晶体管计算机时代 1958 1964 第三代 集成电路计算机时代 1964 1972 第四代 超大规模集成电路 VLSI 计算机时代 1972年 第五代 智能计算机 1981年 二 微处理器及微型计算机的发展概况 第一代微处理器是以Intel公司1971年推出的4004 4040为代表的四位微处理机 第二代微处理机 1973年 1977年 典型代表有 Intel公司的8080 8085 Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80 第三代微处理机第三代微机是以16位机为代表 基本上是在第二代微机的基础上发展起来的 其中Intel公司的8088 8086是在8085的基础发展起来的 M68000是Motorola公司在M6800的基础发展起来的 第四代微处理机以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU为代表 第五代微处理机的发展更加迅猛 1993年3月被命名为PENTIUM的微处理机面世 98年PENTIUM2又被推向市场 INTELCPU发展历史 4004Intel第一块CPU 4位主理器 主频108kHz 运算速度0 06MIPs MillionInstructionsPerSecond 每秒百万条指令 集成晶体管2 300个 10微米制造工艺 最大寻址内存640bytes 生产曰期1971年11月 80858位主理器 主频5M 运算速度0 37MIPs 集成晶体管6 500个 3微米制造工艺 最大寻址内存64KB 生产曰期1976年 808616位主理器 主频4 77 8 10MHZ 运算速度0 75MIPs 集成晶体管29 000个 3微米制造工艺 最大寻址内存1MB 生产曰期1978年6月 32位主理器80486DX DX2 DX4 32位主理器 主频25 33 50 66 75 100MHZ 总线频率33 50 66MHZ 运算速度20 60MIPs 集成晶体管1 2M个 1微米制造工艺 168针PGA 最大寻址内存4GB 缓存8 16 32 64KB 生产曰期1989年4月 Celeron一代 主频266 300MHZ 266 300MHzw oL2cache Covington芯心 Klamathbased 300A 333 366 400 433 466 500 533MHzw 128kBL2cache Mendocino核心 Deschutes based 总线频率66MHz 0 25微米制造工艺 生产曰期1998年4月 Pentium4 478针 至今分为三种核心 Willamette核心 主频1 5G起 FSB400MHZ 0 18微米制造工艺 Northwood核心 主频1 6G 3 0G FSB533MHZ 0 13微米制造工艺 二级缓存512K Prescott核心 主频2 8G起 FSB800MHZ 0 09微米制造工艺 1M二级缓存 13条全新指令集SSE3 生产曰期2001年7月 目前的双核CPU可达45nm级 微型计算机组成结构 单片机简介 单片机即单片机微型计算机 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 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 机器语言机器语言就是0 1码语言 是计算机唯一能理解并直接执行的语言 汇编语言用一些助记符号代替用0 1码描述的某种机器的指令系统 汇编语言就是在此基础上完善起来的 高级语言BASIC PASCAL C语言等等 用高级语言编写的程序称源程序 它们必须通过编译或解释 连接等步骤才能被计算机处理 面向对象语言C Java等编程语言是面向对象的语言 三 计算机编程语言的发展概况 基本概念计算机中以二进制表示和存储信息的 一个二进制位称为1个bit8个二进制位称为1个字节 Byte 8位 2个字节称为1个字 Word 16位 2个字称为双字 Dword 32位 4个字称为四字 Qword 64位 1 3微型计算机中信息的表示及运算基础 1 3 1计数制一 十进制ND 数码 0 9 基数为10 逢十进一 10i为权 一个十进制数可表示为 ND dn 1 10n 1 dn 2 10n 2 d0 100 d 1 10 1 例如 1234 5 1 103 2 102 3 101 4 100 5 10 1 数码 0 1 基数为2 逢二进一 2i为权 一般表达式 NB bn 1 2n 1 bn 2 2n 2 b0 20 b 1 2 1 例如 1101 101 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 3 二 二进制NB 数码0 9 A F 基数为十六 逢十六进一 16i为权 一般表达式 NH hn 1 16n 1 hn 2 16n 2 h0 160 h 1 16 1 例如 DFC 8 13 162 15 161 12 160 8 16 1 三 十六进制NH 不同数制的区别表示用后缀如11010011B 18FH 845D等 一般在不至于混淆的情况下十进制数可以不加D 用括号加下标如 11010011 二 18F 十六 1 3 2二进制和十六进制的运算 算术运算 一 二进制数加法规则 逢2进1 减法规则 借1当2 乘法规则 逢0出0 全1出1 加法规则 乘法规则 0 0 00 0 00 1 10 1 01 0 11 0 01 1 0 进1 1 1 1 1010 x1011101010100000 10101101110 二进制乘法举例 例105C3H 3D25H42E8H例23D25H 05C3H3762H 加法 两个一位数之和为S 若S 16 结果用S 16取代S 并进位1 减法 于十进制相似 够减时直接相减 不够时服从向高位借1当16的规则 二 十六进制数 逢十六进一借一为十六 进1 借1 例305C3H 00ABH3F61399E03D941H 乘法 用十进制乘法规则来计算 但结果用十六进制来表示 B 3 11 3 33 21H落1进2 B C 11 12 132 84H4加进位2 落6进8 B 5 11 5 55 37H7加进位8 落F进3 A 3 10 3 30 1EH落E进1 A C 10 12 120 78H8加进位1 落9进7 A 5 10 5 50 32H2加进位7 落9进3 高移一位 用0占位 逻辑运算 按位操作 1 3 3二 十进制数 BCD码 一 二 十进制的表示BCD码就是用4位二进制数表示1位十进制整数 表示的方法有多种 常用的是8421BCD码 它的表示规律如表1 1所示 码的形式 压缩BCD码 一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码 一个字节表示一位十进制数 表1 1十进制数字的8421BCD码 4位二进制编码的其他组合不用 例 求十进制数876的BCD码876 100001110110BCD876 36CH 1101101100B 二 二 十进制数的加 减运算 为了解决BCD数的运算问题 采取人为干预调整运算结果的措施 BCD数的运算规则 遵循十进制数的运算规则 逢10进1 但计算机在进行这种运算时会出现潜在的错误 例1 10 10001000 BCD 01101001 BCD 000101010111 BCD 10001000 0110100111110001 01100110 调整101010111进位 加法中 加6调整 方法 当BCD数相加运算结果的4位二进制超过1001 9 或本位向高位有进位时 则加0110 6 调整 88 69157 例1 11 10001000 BCD 01101001 BCD 00011001 BCD 10001000 0110100100011111 0110 调整00011001 减法中 减6调整 方法 当BCD数相减运算结果的4位二进制超过1001 9 或本位向高位有借位时 则减0110 6 调整 88 6919 1 3 4数据表示 一 数值数据 数值数据分为有符号数和无符号数 无符号数最高位表示数值 而有符号数最高位表示符号 正数用0 负数用1 其他位表示数值位 有符号数有不同的编码方式 常用的是补码 1 原码 原码表示法 符号 绝对值例如 n 8bit有符号数的原码表示 X 45 00101101B X 原 00101101BX 45 X 原 10101101B 3 原码 0000 0011 03H 3 原码 1000 0011 83H 0 原码 0000 0000 00H 0 原码 1000 0000 80H 0的表示不惟一 反码 正数的反码与原码相同负数的反码符号位用1表示 数值位为原码数值位按位取反形成 即0变1 1变0 例如 有符号数的反码表示 X 45 00101101B X 反 00101101BX 45 X 反 11010010B 0 反码 0000 0000 00H 0 反码 1111 1111 FFH 0的表示不惟一 3 补码 正数的补码与原码相同负数的补码为反码加1形成 例13有符号数的补码表示 X 45 00101101B X 补 00101101BX 45 X 补 11010011B 0 补码 000000001111111100000000 0 补码 0的表示惟一 末位加一 按位求反 3 1 移码 移码 在真值X上加一个常数 偏置值 是数据的正负符号数字化的一种编码方法 X 移 偏置值 X对于n位定点整数 偏置值常取2的 n 1 次幂 移码的编码规则 X 移与 X 补符号位相反 其他各位都相同 例 表1 3 P11 4 符号扩展 在数据处理时 有时需要把8位二进制数扩展成16位二进制数 当要扩展的数是无符号数时 可在最高位前扩展8个0 如果要扩展的数是补码形式的有符号数 那么 就要进行符号位的扩展 符号扩展后 其结果仍是该数的补码 即正数前填8个0 负数前填8个1 例如 符号扩展表示 21的8位二进制补码为 00010101符号扩展后21的16位二进制补码为 0000000000010101 21的8位二进制补码为 11101011符号扩展后21的16位二进制补码为 1111111111101011 5 数据的表示范围和大小 n位二进制数I能够表示的无符号整数的范围是 0 I 2n 1n位二进制数I能够表示的有符号整数的范围是 2n 1 I 2n 1 1 6 码制转换 反码通常作为求补过程中间形式 正数原码 反码 补码表示方法相同 1 已知 x 原 求 x 补方法 符号位不变 数值部分逐位取反后末位加1 2 已知 x 补 求 x 原方法 求 x 补 补即可 3 已知 x 补 求 x 补方法 连同符号位一起逐位取反后末位加1 7 补码的运算 补码具有以下特性 X 补取补操作 X 补取补操作 X 补例15 X 117 75H X 补 117 补 0000000001110101 0075H X 补 117 补 1111111110001011 FF8BH补码的加法规则是 X Y 补 X 补 Y 补补码的减法规则是 X Y 补 X 补 Y 补 8 补码运算溢出判别 进位 由于运算结果超出了位数 最高有效位向前的进位 这一位自然丢失 一般不表示结果的对错 溢出 表示结果超出了字长允许表示的范围 一般会造成结果出错 例16 64 1100000012701111111 6401000000 100000001010000000012810000000进位溢出 1 加法 只有同号数相加时才可能产生 溢出 两个操作数符号相同 而结果符号与之相反2 减法 只有异号数相减时才可能产生 溢出 两个操作数符号相反 而结果的符号与减数相同3 一般判断条件 溢出 次高位和最高位不同时产生进位或借位时不溢出 次高位和最高位同时产生进位或借位时 8 补码运算溢出判别 9 定点数与浮点数 对于任意一个二进制数 都可以表示为 N 2E ME 数N的阶 表示出小数点的位置 M 数N的尾数 表示数N的全部有效数字定点数 E为固定值 即小数点位置固定的数 浮点数 E可变 即小数点位置可变的数 1 3 5字符数据 1 ASCII码2 汉字编码 1 ASCII码 标准ASCII码用7位二进制数编码 共有128个 计算机存储器基本单位为8位 ASCII码的最高位通常为0 通信时 最高位用作奇偶校验位 ASCII码表中的前32个和最后1个编码是不能显示的控制字符 用于表示某种操作 ASCII码表中20H后的94个编码是可显示和打印的字符 其中包括数码0 9 英文字母 标点符号等 2 汉字编码 国家标准信息交换用汉字编码 GB2312 80标准 简称国标码 用两个七位二进制数编码表示一个汉字例如 巧 字的代码是39H 41H汉字内码例如 巧 字的代码是0B9H 0C1H 1 4几种进制之间的相互转换 一 其他数制转为十进制数 按权展开 先乘后加 每位数字乘以其权所得到的乘积之和即为其所表示的数的值 十进制数转换为二进制数 1 降幂法 先写出小于该十进制数的各位权值 然后逐次由高到低减去权值 够减计为1 不够减计为0 到0为止 2 乘除法 辗转相除法 将十进制整数连续被2除 记下余数 到0为止 将十进制小数连续乘以2 记下整数部分 到小数部分等于0或达到转换精度为止 二 十进制数转为其他数制数 小于N的权值为 6432168421对应的二进制数1110101计算过程 117 26 117 64 53 a6 1 53 25 53 32 21 a5 1 21 24 21 16 5 a4 1 5 22 5 4 1 a2 1 所以N 117D 1110101B 117 2 58 158 2 29 029 2 14 114 2 7 07 2 3 13 2 1 1 0 1所以117D 1110101B 例如 N 117D 小于N的权值为 0 50 250 1250 0625对应的二进制数1101计算过程 0 8125 2 1 0 8125 0 5 0 3125 b1 1 0 3125 2 2 0 3125 0 25 0 0625 b2 1 0 0625 2 4 0 0625 0 0625 0 b4 1 所以N 0 8125D 0 1101B 0 8125 2 1 625 10 625 2 1 25 10 25 2 0 5 00 5 2 1 0 1所以N 0 8125D 0 1101B 例如N 0 8125D 1 降幂法 写出小于该数的16进制数权值 然后试从中减去较接近的权值的倍数 差小于权值 倍数即为所求16进制数 下一步再用差值去求低位 反复直到差等于0为止 2 乘除法 辗转相除法 把十进制数的整数部分连续除以16 记下余数 到商为0为止 将十进制小数连续乘以16 记下整数部分 直到小数部分等于0或达到转换精度为止 十进制数转换为十六进制数 例如N 48956D小于N的十六进制权值是 4096 163 256 162 16 161 1 160 计算过程如下 48956 11 4096 3900 B 3900 15 256 60 F 60 3 16 12 3 12 12 1 0 C 或者 48956 16 3059 12 C 3059 16 191 3 3 191 16 11 15 F 11 16 0 11 B