专题运算计算机硬件技术基础学时.ppt

本课使用教材 课堂用教材 天大出版社2006 9 MCS 51单片机原理及应用 ISBN7 5618 2321 5实验指导书 清华大学出版社2009 9 计算机硬件技术实践教程 ISBN978 7 302 20991 1 学时分配共48学时 实验另计 专题一用4学时概述内容 三微 表示数 编码 逻辑运算引出算术运算电路的求补电路先引出求补码和求补算术运算 解决本课学什么 掌握什么 怎样学 下课后各班交课表 只需注明有课状况即可 可以划X或者O来代替具体科目 以便安排实验时间还有 留下电话方便联系 本课相关问题1 上课 2 作业 3 软件 硬件 实验 报告 考勤方法 方法I 方法II 本课的地位 学习本课对基础知识的要求 本课教学目标 学习本课的方法 授课章节及学时安排 实验内容及安排 第一讲的重点和难点 本课的地位 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 计算机硬件技术基础 微机原理 微机接口 微机应用 微机运算基础 微机组成 基本工作原理 微机系统初步 了解CPU体系结构 了解存储器系统结构 作用 了解I O接口基本功能 结构 端口的编址方式和I O同步控制方式 掌握中断概念 CPU响应中断的条件和处理过程 掌握指令系统和汇编语言程序设计 隐含的 微机原理 重点 了解并行接口与串行接口的共性与区别掌握串行通讯的基本概念 掌握可编程并行接口芯片的工作方式 初始化编程 掌握定时器 计数器的原理 功能 应用与编程 了解键盘 显示器等人机交互设备的作用 原理及接口方法 理解并掌握A D D A转换原理 主要性能参数 了解典型DAC ADC集成芯片 与MPU的接口方法 应用及编程 了解异步串行通讯协议 应用与编程 微机接口 重点 了解微机在测控系统中的应用 了解计算机测控系统的实时处理概念和一般结构 了解测控系统的分析和设计方法 单片机应用系统的一般分析和设计方法 重点 微机应用 预先应学习 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 学习本课对基础知识的要求 本课教学目标 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 学习本课的方法 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 带着问题学 寻找解决问题的知识 思路 方法 授课章节及学时安排 授课内容共31学时 外加一个学时介绍考试系统使用 实验内容及安排 内容 书P1 P28重点 难点 三微 的概念减法运算的原理机器数与真值补码补码 定点补码运算及BCD码 ASCII码判溢出算术运算与逻辑运算BCD码运算及调整作业 消化本讲内容 P33思考习题11 1 1 5消化1 4 3计算机中的运算P331 11 1 12 1 13 1 14 1 151 16 1 17 1 18 第一讲 第一章微型计算机基础 1微型计算机系统的概念1 微处理器 微型计算机 微型计算机系统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 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 CBDBAB 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 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 MicroProcessorUnit embed MicroControllerUnit 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 硬件系统 微型计算机微处理器 运算器 控制器内存储器ROM ROM PROM EPROM E2PROM FlashROMRAM SRAM DRAM iRAM NVRAMI 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A D D A转换器开关量输入 输出终端 微型计算机微处理器 运算器 控制器内存储器ROM ROM PROM EPROM E2PROM FlashROMRAM SRAM DRAM iRAM NVRAMI 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A D D A转换器开关量输入 输出终端 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 自汇编程序 交叉汇编程序 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 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 ChipMicrocomputerMicro 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 重点解决 计算机的重要职能之一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 1 4微型计算机运算基础1 4 1计算机中数的表示方法1 4 2计算机中的编码1 4 3计算机中的运算 1 4微型计算机运算基础 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 4 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 1几个重要概念 2不同进制数之间的互换 2不同进制数之间的互换 4 用权表示数 2n2n 12n 12n 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 21202 用权表示数例 11111 1111B 2n 1 即n个1 01111 1111B 2n 1 1 即n 1个1最高位的权为 2n 1例 n 8 11111111B FFH 28 101111111B 7FH 28 1 1例 n位二进制数表示无符号数的范围 0 2n 1n 80 28 10 255n 160 216 10 65535 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 01100100Bn位二进制数可表示的数的范围是 0 2n 18位二进制数可表示的数的范围是 0 28 1 0 FFH 0 255 16位二进制数可表示的数的范围是 0 216 1 0 FFFFH 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 3 机器数与真值 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 4带符号数的原码 反码 补码 计算公式 对于字长为n位的机器数 当真值X 0时 X可表示为 Xn 2Xn 3 X0 当真值X 0时 X可表示为 Xn 2Xn 3 X0 则X的原码可定义为 可见n位原码可表示数的范围为 2n 1 1 2n 1 1 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 l 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 0l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 l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 求真值 由反码求得原码 再由原码求得真值 即可得到反码的真值 例如 反码11011001B 符号位为1 将数值位按位取反 得到原码10100110B 其真值为 0100110B即十进制数 38 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 7 9 4 mod12 逆时针调 7 3 4 mod12 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 l则n位补码表示数的范围为 2n 1 2n 1 1 l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 mod2n 已知补码求真值 已知正数的补码求真值与原码相同 只要将符号位的0变为 正号 即得到它的真值 已知负数的补码求真值方法1 将负数补码的数值位按位取反再加1 将符号位的1变为 负号 即得到它的真值 方法2 用公式 X 2n X 补 已知补码为01111111B 其真值为 1111111B 7FH已知补码为11111111B 其真值为 10000000B 1 10000001B 其真值为 01H或 X 28 11111111B 00H FFH 1 小结 已知带符号数的机器数求真值 1 已知正数的原码 反码 补码求真值 只需将符号位的 0 改为正号 即可 2 已知负数的原码 其真值只需将原码的符号位的 1 改为负号 即可 3 已知负数的反码 先将它变为原码 再求真值 或用公式计算 真值x 2n 1 x 反 4 已知负数的补码 数值位取反加1 符号为改为 号 或用公式 X 2n X 补 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 56H11010110B 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 当n 8时 几种码的表示范围 当n 16时 几种码的表示范围 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 N S 2J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 如图1 6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 其形式如图1 7所示 469 375 10 111010101 011 2 0 111010101011 2 2 9 0 111010101011 2 2 1001B 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 4 2计算机中的编码 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0 9的ASCII码为30H 39H 差30H字母A F的ASCII码为41H 46H 差37HD7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 30H00110000HD7补0为无校验和偶校验10110000HD7补1为奇校验 1 4 2计算机中的编码 BCD编码 具有十进制位权的二进制编码 最常见的是8421码 见书5 6页 注意 0000B 1001B是0 9的BCD码1010B 1111B是非BCD码例 15的BCD码为00010101B 15H15 0FH100 64H100的BCD码为000100000000B 100H压缩的BCD码56H占一个存储单元非压缩BCD码05H06H占两个单元 逻辑运算1 与3 非2 或4 异或算术运算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OV3 BCD码加 减法及十进制调整4 算术运算小结 1 4 3计算机中的运算 计算机中的运算分为两类 逻辑运算 逻辑 与 或 非 异或 等 算术运算 加 减 乘 除运算 1 4 3计算机中的运算 加 减运算电路 1 加 减运算电路及二进制无符号数的四则运算 减法的实现 减法时SUB 1 有取反加1功能加法时SUB 0无取反加1功能 求补电路 1 加法运算二进制加法法则为 0 0 01 0 0 1 11 1 101 1 1 11 二进制无符号数的四则运算 例 二进制无符号数加法 1 求187 22 结果 11010001B即209SUB 0 C8 0 CY 0 2 求200 200 结果 SUB 0 C8 1 CY 1和 进位值 8位和值 256 10010000B 400 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 结果 11010001B即209SUB 0 C8 0 CY 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 结果 SUB 0 C8 1 CY 1和 进位值 8位和值 256 10010000B 400 2 减法运算法则 借1当2 手算 例 求187 22 例 二进制无符号数减法 结果 无借位 差为10100101B即165 直接减 取反 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 机器算 难点 被减数10111011B 减数00010110B 求补电路 减法SUB 1 加1 对减数求补后 加被减数 例 求187 22 结果 10100101B即165无借位 SUB 1 C8 1 CY 0说明 直接相减无借位 求补相加有进位 反之亦然 3 乘法运算法则0 0 00 1 1 0 01 1 1 常用算法 1 左移加2 右移加3 连加P129例4 22 4 定点整数除法运算 定点补码运算定律 当X Y X Y X Y均在 2n 1 2n 1 1 范围内时 则 补 补 补 补 X 补 Y 补 补 补 补如果X Y X Y的值不在 2n 1 2n 1 1 范围内 n 8时 128 127 则机器就产生了溢出错误 上式不成立 运算结果无意义 2 带符号数定点补码运算及判OV 溢出判别 overflow 1 定点补码加法步骤 将 或 转换为补码 进行加法运算 符号位参与运算 编写出程序片段 MOVA 76 A 4CH 01001100BADDA 23 A 4CH 17H 63HOV 0或 MOVA 4CH A 4CH 01001100BADDA 17H A 63H 真值 补码 两个正数的和为负数 两个负数的和为正数 两个正数的和为负数 两个负数的和为正数 溢出后 运算结果无意义 需要将两个操作数扩大位数后 再算 例1 5可将76的补码写成004CH 69得补码写成0049H计算 0000000001001100B 0000000001001001B0000000010010101B 0095HC16C15OV 0 不溢出例1 6同理 用16位二进制数表示数 76得补码为FFB4H 69的补码为FFBBH 再算即可 双符号位法判断溢出 变形码用两位来表示符号 00表示正号 11表示负号 称为变形码 用变形码进行加法运算时 两位符号位同数值位一起参加运算 运算后 若运算结果的两个符号位相同 则没有溢出 若运算结果的两个符号位不同 则发生了溢出 运算结果错误 用Sf 和Sf表示运算结果的两个符号位 则有 OV Sf Sf 2 定点补码减法运算 X Y 补 X 补 Y 补 X 补 Y 补 作加法 需人工求补做减法 机器自动求补 步骤 将 或 转换为补码 进行减法运算 符号位参与运算 判溢出的方法与加法相同 例1 9 已知X 76 Y 23 求X Y 编写出程序片段 MOVA 76 A 4CH 01001100BMOVB 23 B 0E9HCLRCSUBBA B A 4CH 0E9H 63HOV 0 4CH 0E9H 典型算法 两个带符号数比较大小用S表示和的符号位 OV为溢出标志位则 X 补 Y 补SOV比较结果00X Y01XY 3 BCD码加法及十进制调整 编写出程序片段 MOVA 68H A 68H 01101000BADDA 49H A B1HDAA A B1H 66H 17HCY 1代表100结果 117 必须写BCD码不能写真值 说明 如果指令系统中有BCD码的减法调整指令 即可直接用该指令完成上述调整 如果指令系统中没有BCD码的减法调整指令 则不能用减法指令直接对两个BCD码进行减法运算 而需对减数求补 进行加法运算 然后用加法运算的调整指令进行调整 对八位微机 BCD码的模为100 十进制数 减去减数实现对减数的求补 为在八位加减运算电路中运算 将100表示成9AH 即10011010B 减去减数求补 例1 17 已知X 68 Y 49 求X Y 求补 编写出程序片段 CLRCMOVA 9AH A 9AHMODSUBBA 49H A 51HBCDADDA 68H A B9H非BCDDAA A 19HBCDCPLC CY 0无借位 差 19HBCD求补相加有进位 直接相减位无借位 反之 有借位 算术运算小结 结合黑板 举例说明 1 求补码与求补求补码 已知真值求补码求补 两个含义 减法变加法 减数变成模内互补的数 对于无符号数来说 减去一个数 在模内运算则等于加上一个与之互补的数 两个互补的数的和等于模 对于带符号数 由于符号位与数值位一起参与运算 当不溢出时 运算规律与无符号数相同 即把带符号数当作无符号数一样处理 求补的含义转换为 已知 X 补 求 X 补 减变加即减正变加负 减负变加正 例如 10 1 按无符号做 10 255 9按带符号数做 10 1 补 10 0FFH 9 模256丢失 X Y X 2n Y 2n X Y 1 X Y X Y 0 则X Y 2n X Y X Y 进位为2n 即模2n丢失 也即 X Y 2n X Y 2n也即 直接相减没借位 求补相加有进位 2 X Y X Y 0 则X Y 2n X Y 2n也即 直接相减有借位 求补相加无进位 对二进制数来说模为2n 2 算术运算与标志位对于运算器来说 只根据加 减命令对送给它的两个操作数进行相应的运算 并不区分是什么性质的数 并且根据运算结果 填写标志位 其运算结果代表什么完全由用户决定 一般情况下 无符号数运算判CY定点带符号补码运算判溢出OVBCD码运算判CY 机器调整判AC CY 例 求62 98 1 作无符号数运算 结果0A0H 160 CY 0