微机原理课件

微机原理及接口技术 机械工程与自动化学院陈跃鹏手机址 工字楼二层208工业工程教研室EMAIL chenyp 2 1 本门课的学习任务 学习8086微机系统的基本组成原理 硬件 软件的设计 应用方法 硬件 8086CPU的基本结构和工作原理 引脚功能 工作时序 最小系统的组成 存储器的扩展设计方法 常用可编程接口电路 元件 的硬软件工作原理和设计 应用基本方法 软件 8086汇编语言指令系统和基本编程方法 微机原理及接口技术 Page 3 微机原理及接口技术 4 本门课学习的重点 难点重点 8086微处理器的基本组成原理和工作方法 微机最小系统的组成原理 8086微机系统的汇编语言与程序设计基本方法 常用可编程接口电路的基本应用 设计方法 难点 8086CPU的基本工作原理与时序逻辑 硬件与软件的相互关系 接口与CPU硬软件的设计方法 存储器的设计方法 Page 4 微机原理及接口技术 5 为什么要学习本门课工作需要 现代工程技术人员必须具备微机系统的基本应用方法和应用微机作为工业控制器的基本知识 本课程的教学方式 多媒体 板书 课件中的彩色字体为特别的提示 Page 5 微机原理及接口技术 6 如何学好本门课本门课的特点 知识点多 应用性强 硬软件紧密结合 各知识单元之间相互联系 所以要学会把所学的知识综合分析 学习要求 课前预习 课后学习时间为 1 1 1 5 上课时认真听讲多做练习 Page 6 微机原理及接口技术 7 上课要求1 按时进教室 2 上课时不接听手机电话 3 上课时不大声喧哗 4 不在上课时睡觉 5 严禁在上课时吃食物 6 保持教室的清洁卫生 7 天热时严禁穿拖鞋 大运动短裤 背心进教室 7 教材及实验指导书 教材 微机原理与接口技术 第2版 冯博琴 吴宁主编 清华大学出版社实验指导书 微机原理与应用实验教程 陈够喜等编 人民邮电出版社 2006 6 主要内容及学时安排 64学时 第一章微型计算机基础概论 2 第二章计算机中的数制和码制 4 第三章微处理器与总线 6 第四章8086 8088指令系统 8 第五章汇编语言程序设计 12 第六章存储器系统 4 第七章I O接口和中断技术 16 第八章微机应用系统举例 2 实验 10 9 第1章微型计算机基础概论 1 1微型计算机发展1 1 1计算机的发展1 1 2微型计算机的常用术语1 2微型计算机的基本组成1 3微型计算机的工作原理1 3 1微型计算机的结构1 3 2微型计算机的工作过程 10 1 1 1 微型计算机的发展 时代背景 第二次世界大战期间军事用途 炮弹轨迹的快速计算诞生时间 1946年2月14日诞生地点 美国宾夕法尼亚大学第一台计算机 ENIAC电子数字积分计算机 11 1 1 1 微型计算机的发展 埃尼阿克 ENIAC 承担开发任务的 莫尔小组 由四位科学家和工程师埃克特 莫克利 戈尔斯坦 博克斯组成 总工程师埃克特当时年仅24岁 ENIAC描述 占地面积达170平方米 30个操作台 约为10间普通房间的大小 重达30吨 5000次加法 秒 500次乘法 秒 耗电量150千瓦 造价48万美元 12 1 1 1 微型计算机的发展 13 1 1 1 微型计算机的发展 虽然ENIAC体积庞大 耗电惊人 运算速度不过几千次 现在的超级计算机的速度最快每秒运算达万亿次 但它比当时已有的计算装置要快1000倍 而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算 逻辑运算和存储数据的功能 可以说 ENIAC宣告了一个新时代的开始 14 1 1 1 微型计算机的发展 电子计算机发展 第一代 电子管计算机 1946 1957 第二代 晶体管计算机 1958 1965 第三代 中小规模集成电路计算机 1966 1971 第四代 超大规模集成电路计算机 1972至今 15 1 1 1 微型计算机的发展 电子计算机的发展方向 第五代 非冯 诺依曼 计算机时代第六代 神经网络计算机时代光计算机时代生物计算机时代 16 1 1 1 微型计算机的发展 微型计算机诞生于20世纪70年代微型计算机特点 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 价格便宜 使用方便 软件丰富微型计算机的核心是微处理器 CPU 每出现一个新的微处理器 就会产生新一代的微型计算机 17 1 1 1 微型计算机的发展 第一代 1971 1973 4位和低档8位微处理器时代代表产品 Intel4004和MCS 4微型机Intel8008和MCS 8微型机字长 4位或8位基本指令时间 约为10 20 S指令系统比较简单 运算功能较差 速度较慢 价格低廉集成度 2000管 片 1 1 1 微型计算机的发展 1971年 1972年 19 1 1 1 微型计算机的发展 第二代 1973 1978 中高档8位微处理器时代代表产品 Intel8080 Motorola公司的M6800 Zilog公司的Z80 Intel公司的8085 Technology的6502等字长 8位基本指令时间 约为1 2 S指令系统比较完善 具有典型的计算机系统结构以及中断 DMA等功能 寻址能力增强集成度 5000 10000管 片 1974年INTEL8080 21 1 1 1 微型计算机的发展 第三代 1978 1981 16位微处理器时代代表产品 Intel公司8086 8088 80286Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000字长 16位基本指令时间 约为0 15 S丰富的指令系统 多级中断系统 多重寻址方式 段式存储结构集成度 20000 60000管 片 1978年 8086 1982年 80286 23 1 1 1 微型计算机的发展 第四代 1983 1992 32位微处理器时期代表产品 1985年Intel公司推出能进行多任务处理的32位微处理器80386 1989年Intel公司推出80486 字长 32位内存容量已达1MB以上 硬盘技术不断提高 各种品牌机涌向市场 如COMPAQ DELL等 可执行多任务 多用户操作基本指令时间 0 2 s集成度 几十万 上百万管 片 1985年 80386 1989年 Intel80486 25 1 1 1 微型计算机的发展 第五代 1993 1999 32位高档微处理器代表产品 PentiumPro PentiumIIPentiumIII字长 32位特点 CPU内部采用超标量流水线设计 Pentium芯片内采用双Cache结构 指令Cache和数据Cache 外部数据线64位字长 32位以上地址总线 1997年 IntelPentiumII 1999年 IntelPentiumIII 27 1 1 1 微型计算机的发展 今天的微处理器 1996 至今 64位高档微处理器代表产品 Pentium4 Itanium字长 64位特点 内部集成16KB的一级 L1 高速缓冲存储器和256KB的二级 L2 高速缓冲存储器 使用三个执行部件 可同时执行三条指令应用 办公自动化 网络服务器 28 Pentium4Itanium2 2000年 IntelPentium4 ITANIUM2 Page 29 微型计算机的特点 形小 体轻 功耗低价格廉结构简单 性能可靠灵活性好 适应性强 微型机的应用范围 科学计算数据处理办公自动化过程控制辅助系统仿真 1 位和字节位 bit 是计算机所能表示的最小最基本的数据单位 它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位 位作为单位时记作b字节 byte 由8个二进制位组成 通常用作计算存储容量的单位 字节作为单位时记作BK是kelo的缩写 1K 1024 210 M是mega的缩写 1M 1024K 220 G是Giga的缩写 1G 1024M 230 T是tera的缩写 1T 1024G 240 1 1 2微型计算机的常用术语 2 字长字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数 它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度 微处理器的字长有4位 8位 16位和32位等等 8088称为准16位微处理器 而80386SX称为准32位微处理器 3 主频主频也叫做时钟频率 用来表示微处理器的运行速度 主频越高表明微处理器运行越快 主频的单位是MHz 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同 从80486DX2开始 主频 外部总线频率 倍频系数外部总线频率频率通常简称为外频 它的单位也是MHz 外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快 因而微型计算机的运行速度也越快 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数 通过提高外频或倍频系数 可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上 这就是所谓的超频 4 MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写 用来表示微处理器的性能 意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同 所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS 主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS 5 微处理器的生产工艺指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度 一般以 m nm为单位 数值越小 生产工艺越先进 微处理器的功耗和发热量越小 目前微处理器的生产工艺已经达到90nm 65nm 45nm 32nm 6 微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度 最早Intel4004的集成度为2250个晶体管 目前PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上 集成度提高了3000多倍 Itanium2的集成度已经达到近10亿个晶体管 即将发布20亿的新的处理器 用户观察到的计算机硬件系统 1 2微型计算机系统的组成 微型计算机 CPU 存储器 I 0接口 输入 输出设备主机 包含了除输入 输出设备以外的所有部件 是一个能独立工作的系统 所以有时也将主机称为微型计算机 计算机的硬件系统 CPU CentralProcessingUnit 中央处理单元 CPU 控制器 运算器 输入设备 输出设备 存储器 Page 39 1 2微型计算机系统的组成 算术逻辑部件 内部总线 累加器 寄存器 控制部件 微处理器 存储器 ROM RAM 输入 输出接口 系统总线 微型计算机 外围设备 系统软件 微型计算机系统 Page 40 1 2微型计算机系统的组成 Page 41 微处理器CPU 由运算器 控制器 寄存器3部分组成 实现运算和控制功能 存储器 由CPU之外的半导体存储器芯片组成 存放程序 操作数 运算的中间结果和最终数据 I O设备及其接口电路 输入设备将程序 原始数据和现场信息送给计算机 输出设备将计算机的计算和处理结果或回答信号以各种形式表现出来 外设与CPU间的硬件连线和信息交换要经接口电路 1 2微型计算机系统的组成 Page 42 接口电路 是微处理器与I O设备联系的必经之路 具有协调和转换功能 种类很多 总线 连结微机的各个部件 具有逻辑控制功能 数据总线DB 装载数据和指令代码 总线宽度 总线中信号线的条数 地址总线AB 装载地址信号 宽度由CPU所能直接访问的存储空间容量而定 控制总线CB CPU向其他部件传送控制信号 其他部件向CPU传送状态信号和请求信号 宽度各异 1 3微型计算机系统的组成 43 1 2微型计算机系统的组成 44 运算器 运算器是计算机进行算术逻辑运算的部件运算器的核心部件是算术逻辑单元加法器为基础 移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路 在控制信号的作用下可完成加减乘除四则运算和各种逻辑运算 45 控制器 控制器用于计算机硬件系统中 指挥 协调各部件的有序工作 是整个计算机的中枢基本功能 取指令 分析指令 执行指令 输入 输出控制 中断处理控制器由指令寄存器 指令译码器和操作控制电路组成 46 寄存器组 寄存器组是CPU内部的若干个存储单元分为专用寄存器和通用寄存器 专用寄存器的作用是固定的 如堆栈指针 标志寄存器等 通用寄存器可有多种用途寄存器的数目因微处理器而定寄存器组作用 暂存数据 避免频繁访问内存 缩短指令长度和执行时间 给编程带来方便 47 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类 48 存储器 是微型计算机的存储和记忆部件 用以存放数据和当前执行的程序 1 内存单元的地址和内容 内存由许多单元组成 每个单元可存放一组二进制码 在微型机中 每个内存单元规定存放8位二进制数 即一个字节 8bit 内存容量 一台微机中内存单元的总数内存单元的内容与地址都是二进制数 49 内存单元的地址和内容 每个单元都对应一个地址 以实现对单元内容的寻址 10110110 38F04H 内存地址 单元内容 50 内存单元的地址和内容 内存单元的地址和内容内存由许多单元组成 每个单元存放8位二进制数内存单元从0开始编址 00001H00002HF0000HFFFFFH 地址内容 51 内存容量 2 内存容量 内存所含存储单元的个数 以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址范围而定 即CPU地址信号线的位数 52 内存的操作 3 内存的操作 CPU对内存的操作有读 写两种 读操作是CPU将内存单元的内容取到CPU内部 而写操作时CPU将其内部信息传送到内存单元保存起来写操作的结果改变了被写单元的内容 而读操作则不改变被读单元的内容 53 内存的操作 CPU读出地址为CPU将内容写入地址04H内存单元中的内容为08H的内存单元中 54 内存储器的分类 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 按工作方式可分为 55 内存储器的分类 4 内存的分类 随机存取存储器 randomaccessmemory RAM 可被CPU随机地读和写 又称读写存储器 用于存放用户装入的程序 数据及部分系统信息 当机器断电后 所存信息消失只读存储器 readonlymemory ROM 只能被CPU随机读取 而不能由CPU任意写入 主要用于存放监控程序和基本输入输出程序 还可存放各种常用数据和表格等 机器断电后 信息并不丢失 56 输入 输出接口 接口是CPU与外部设备间的桥梁 CPU I O接口 外设 接口的分类 58 接口的功能 数据缓冲寄存 信号电平或类型的转换 实现主机与外设间的运行匹配 59 I O设备及总线 1 输入输出接口和输入输出设备I O设备的工作速度较低 处理的信息从数据格式到逻辑时序一般都不可能与计算机直接兼容 必须通过I O接口 2 总线 bus 由一组导线和相关控制电路组成 是各种公共信号线的集合 用于微机系统各部件之间的信息传递 60 总线 总线 就是连接多个部件的一组公共信息传输线 它能分时地发送与接收信息 包括地址总线 数据总线 控制总线总线是一种内部结构 它是cpu 内存 输入 输出设备传递信息的公用通道 主机的各个部件通过总线相连接 外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接 从而形成了计算机硬件系统 61 总线 1 数据总线 databus DB 用来传输数据信息 是双向总线 2 地址总线 addressbus AB 用于传递CPU发出的 存储单元或I O端口地址信息的一组信号线 由CPU发出 对存储单元和I O端口进行寻址 单向并行 3 控制总线 controlbus CB 用于传送各种控制命令 如定时脉冲 中断请求等 双向传送 Page 62 微处理器 进行算数运算和逻辑运算 存储器 存储程序 数据 符号等 I O接口 使外设与微机相连 1 3微型计算机系统的组成 63 1 1 2 计算机的工作过程 冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理 1 3计算机的工作原理 1 3 1微型计算机的结构冯 诺依曼计算机由存储器 运算器 输入设备 输出设备和控制器五部分组成 如下图所示 数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中 存放位置由地址指定 地址码也是二进制形式控制器根据存放在存储器中的指令序列 即程序 工作 并由一个程序计数器 PC 控制指令的执行 控制器具有判断能力 能够根据计算结果选择不同的动作流程 运算器 存储器 控制器 输出设备 输入设备 数据 地址 指令 状态和请求 命令和应答 状态 命令 命令和应答 状态和请求 程序和数据输入 输出结果 图1 5冯 诺依曼计算机的组成 存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内 使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令 为实现控制器自动连续地执行程序 必须先把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来 然后给出程序中第一条指令的地址 控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令 译码 执行 直到完成全部指令操作为止 即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制 冯 诺依曼的设计思想被誉为计算机发展史上的里程碑 标志着计算机时代的真正开始 虽然计算机技术发展很快 但 存储程序原理 至今仍然是计算机内在的基本工作原理 自计算机诞生的那一天起 这一原理就决定了人们使用计算机的主要方式 编写程序和运行程序 2 哈佛结构与改进的哈佛结构 利用相互独立的存储器模块分别存储指令和数据 以便实现并行处理 具有独立的程序总线和数据总线 可以同时取指令和操作数 提高了处理速度 改进的哈佛结构增加了可以混合存放数据和指令的存储模块 哈佛结构 1 3微型计算机的工作过程 微型计算机的工作过程就是执行程序的过程 而程序由指令序列组成 因此 执行程序的过程 就是执行指令序列的过程 即逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作 由于执行每一条指令 都包括取指 译码和执行三个基本步骤 所以 微型计算机的工作过程 也就是不断地取指令 译码和执行的过程 直到遇到停机指令时才结束机器的运行 微型计算机的工作过程 计算1 2 汇编语言程序对应的机器指令对应的操作MOVAL 110110000将立即数1传送到累加寄存器AL中00000001ADDAL 200000100计算两个数的和 结果存放到AL中00000010MOV 0008 AL10100010将AL中的数传送到地址单元00080000100100000000HLT11110100停机 微型计算机的工作过程 72 软件系统 软件 为运行 管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料 系统软件 应用软件 操作系统编译系统网络系统工具软件 软件 73 2 软件系统 微处理器 软件包括系统软件和应用软件系统软件主要包括操作系统 OS 和系统实用程序应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的程序计算机中的程序设计语言分机器语言 汇编语言 高级语言三个级别 第二章计算机中的数制及编码 75 主要内容 各种计数制的特点及表示方法 各种计数制之间的相互转换 76 1 常用计数法 十进制二进制十六进制 数制的基与权 数制所使用的数码的个数称为基 数值中每一位所对应的基数的幂称为权 每一位上的数值为位码 十进制的基为 10 即它所使用的数码为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 十进制各位的权是以10为底的幂 个 十 百 千 万 十万 78 十进制 特点 以十为底 逢十进一 有0 9十个数字符号 用D Decimal 表示 权值表达式 79 二进制 特点 以2为底 逢2进位 只有0和1两个符号 用B Binary 表示 权值表达式 80 十六进制 特点 有0 9及A F共16个数字符号 逢16进位 用H Hexadecimal 表示 权值表达式 81 例 234 98D或 234 98 D1101 11B或 1101 11 BABCD BFH或 ABCD BF H R进制 对于一个基数为R R 2 的R进制计数制 数N可以写为 83 2 各种进制数间的转换 非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换 84 非十进制数到十进制数的转换 按相应的权值表达式展开例 1011 11B 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 8 2 1 0 5 0 25 11 755B 8H 5 161 11 160 8 16 1 80 11 0 5 91 5 85 十进制到非十进制数的转换 到二进制的转换 对整数 除2取余 对小数 乘2取整 到十六进制的转换 对整数 除16取余 对小数 乘16取整 86 十进制到非十进制数的转换 例 将十进制数37 375转换为二进制数 解 将整数和小数部分分别转换如下 故 37 375D 100101 011B 87 二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数BH 从小数点开始分别向左或向右 将每4位二进制数分成1组 不足4位的补0 然后将每组用一位十六进制数表示即可HB 将每位十六进制数用4位二进制数表示即可例 25 5 11001 1B 19 8H11001010 0110101B CA 6AH 88 3 计算机中的二进制数表示 表数范围 最小值 最大值 表数精度有效数字的位数与系统字长及编码方式有关如果小数点的位置事先已有约定 不再改变 此类数称为 定点数 相比之下 如果小数点的位置可变 则称为 浮点数 89 3 计算机中的二进制数表示 1 定点数常用的定点数有两种表示形式 如果小数点位置约定在最低数值位的后面 则该数只能是定点整数 如果小数点位置约定在最高数值位的前面 则该数只能是定点小数 90 3 计算机中的二进制数表示 例如 假定用两个字节存放一个定点数 则以定点方式表示的十进制整数195为 以定点方式表示的十进制纯小数 0 6876 91 3 计算机中的二进制数表示 2 浮点数表示法来源于数学中的指数表示形式 如193可以表示为一般地 数的指数形式可记作 M 浮点数的尾数 或称为有效数字 通常是纯小数 R 阶码的基数 表示阶码采用的数制 E 阶码 是指数值 为带符号的整数 Ms Es E M Page 92 1 2微型计算机系统的组成 算术逻辑部件 内部总线 累加器 寄存器 控制部件 微处理器 存储器 ROM RAM 输入 输出接口 系统总线 微型计算机 外围设备 系统软件 微型计算机系统 Page 93 微处理器 进行算数运算和逻辑运算 存储器 存储程序 数据 符号等 I O接口 使外设与微机相连 1 3微型计算机系统的组成 4 二进制编码 在计算机内部表示二进制数的方法称为数值编码 把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化 称为机器数 机器数所代表的数称为数的真值 表示一个机器数 应考虑以下三个因素 机器数的范围字长为8位 无符号整数的最大值是 11111111 B 255 D 此时机器数的范围是0 255 字长为16位 无符号整数的最大值是 1111111111111111 B FFFF H 65535 D 此时机器数的范围是0 65535 4 二进制编码 机器数的符号在算术运算中 数据是有正有负的 将这类数据称为带符号数 为了在计算机中正确地表示带符号数 通常规定每个字长的最高位为符号位 并用0表示正数 用1表示负数 机器数中小数点的位置 96 4 二进制编码 计算机能够直接识别和处理的只有二进制数 同时也要能识别和处理文字 字符和各种符号 数字 0 1 9字母 26个大小写的英文字母 A B Z a b z专用符号 控制字符 CR 回车 LF 换行 97 4 二进制编码 二进制编码的十进制数8421码 用四位二进制编码表示一位十进制数BCD码与十进制数 二进制数的转换 对十进制数的每一位按对应关系转换成四位二进制编码计算机中BCD码的存储方式压缩的BCD码和非压缩的BCD码 表1 3BCD码表 这种编码的特点是 这4个基2码之间满足二进制规则 而十进制数位之间是十进制计数规则 因此 这种编码实质上是二进制编码的十进制数 BinaryCodedDecimal 因此 简称BCD码或二 十进制码 BCD码是一种用二进制来表示十进制的码 其与十进制的对应关系如下表 也是计算机中常用的一种数据编码形式 BCD码 99 BCD码与二进制数之间的转换 先转换为十进制数 再转换二进制数 反之同样 例 00010001 00100101 BCD 11 25 1011 01 B 运算规则 BCD码是十进制数 而运算器对数据做加减运算时 都是按二进制运算规则进行处理的 这样 当将BCD码传送给运算器进行运算时 其结果需要修正 修正的规则是 当两个BCD码相加 如果和等于或小于1001 即9H 不需要修正 如果相加之和在1010到1111 即0AH 0FH 之间 则需加6H进行修正 如果相加时最高位产生了进位 也需加6H进行修正 这样做的原因是 机器按二进制相加 所以4位二进制数相加时 是按 逢十六进一 的原则进行运算的 而实质上是2个十进制数相加 应该按 逢十进一 的原则相加 16与10相差6 所以当和超过9或有进位时 都要加6进行修正 例计算1 8的值 其运算过程如下 结果是1001 即十进制数9 1 8 9正确 计算5 7的值 结果是0010 即十进制数2 还产生了进位 5 7 12 结论正确 计算9 9的值 结果是1000 即十进制的8 还产生进位 故加6修正 9 9 18 结论正确 第二章计算机中的数制和码制 若做BCD码减法运算 其修正规则为 当两个BCD码相减 如果差等于或小于1001 不需要修正 如果相减时本位产生了借位 则应减6H加以修正 原因是 如果有借位 机器将这个借位当十六看待 而实际上应该当十看待 因此 应该将差值再减6H才是BCD码的正确结果值 下面举两个例子进行说明 计算9 7的值 结果值是0010 即十进制数2 9 7 2 结论正确 计算7 9的值 结果值是1000 即十进制数8 有借位 7 9 8 结论正确 8是 2以10为模的补码 9是 1以10为模的补码 在机器中 负数都以补码形式表示 计算8 9的值 例01000101 45 54 0101010010011001结果正确例01000101 45 55 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 例283 194 477001010000011 000110010100010000010111 0110010001110111 1 结果不正确进位位加6修正 进位 例261 135 126001001100001 000100110101000100101100 0110000100100110 1 结果不正确借位位减6修正 借位 在计算机中BCD码有两种格式 压缩BCD码和非压缩BCD码 1 非压缩BCD码 1字节 8位二进制 中仅表示一位BCD数 例如 00000110 BCD 6 2 压缩BCD码 1字节中仅表示两位BCD数 例如 01100110 BCD 66 另外 BCD码除了采用上述方法调整以外 也可以在交付计算机运算之前 先将BCD码转换为二进制数 然后交付计算机运算 运算以后再将二进制结果转换为BCD码 第二章计算机中的数制和码制 2 4字符编码在计算机中所处理的并非全部为数字 还有字母符号 如A B C D 回车 等等 而计算机只认识二进制 所以这些内容也必须用二进制表示 一般微机中用的是美国标准信息交换码ASC 码 国际通用 ASC 码由7位二进制编码来表示128个字符 包括数字0 9 最高位为奇偶校验码 见附录A 一些常用的ASC 码最好记住 便于编程和阅读程序回车CR 0DHA Z 41H 5AH换行LF 0AH0 9 30H 39HESC键 1BHa z 61H 7AH 第二章计算机中的数制和码制 ASCII码 128个ASC 字符中有95个可显示编码 它们分别对应计算机中在输入 输出终端设备上能键入和输出显示以及输出打印的95个字符 包括大小写英文字母 其余33个编码 其编码值为0 31和127 则不对应任何显示与打印实际字符 它们被用作为控制码 控制计算机I O设备的操作以及计算机软件的执行情况 113 ASCII码的校验 奇校验加上校验位后编码中 1 的个数为奇数 例 A的ASCII码是41H 1000001B 以奇校验传送则为C1H 11000001B 偶校验加上校验位后编码中 1 的个数为偶数 上例若以偶校验传送 则为41H 114 ASCII码的校验 校验位Xn的求法就是将n 1个数据位做按位加的运算奇校验Xn X1 X2 Xn 1偶校验X1 X2 Xn 1 1 ASCII码的校验 数据代码X1X2X3X4 0101的校验位确定奇校验 X1 X2 X3 X4 0偶校验 X1 X2 X3 X4 1 1 三 无符号数的运算 无符号数有符号数 二进制数的运算 算术运算逻辑运算 117 主要内容 无符号二进制数的算术运算无符号数的表达范围运算中的溢出问题无符号数的逻辑运算基本逻辑门和译码器 118 1 无符号数的算术运算 加法运算 1 1 0 有进位 减法运算 0 1 1 有借位 乘法运算 注意乘数为2时的规律 除法运算 注意除数为2时的规律 119 乘除运算例 00001011 0100 00101100B00001011 0100 00000010B即 商 00000010B余数 11B 120 2 无符号数的表示范围 0 X 2n 1若运算结果超出这个范围 则产生溢出 对无符号数 运算时 当最高位向更高位有进位 或借位 时则产生溢出 121 例 最高位向前有进位 产生溢出 结果为256 超出8位二进制数所能表示的范围255 122 3 逻辑运算 与 有0则为0 全1则为1或 有1则为1 全0则为0非 按位取反异或 相同则为0 不同则为1特点 按位运算 无进借位 123 4 逻辑门 掌握 与 或 非门逻辑符号和逻辑关系 真值表 与非门 或非门的应用 124 与 或 运算 任何数和 0 相 与 结果为0 任何数和 1 相 或 结果为1 125 非 异或 运算 非 运算即按位求反两个二进制数相 异或 相同则为0 相异则为1 126 5 译码器 74LS138译码器 G1 G2A G2B C B A Y0 Y7 127 掌握 74LS138译码器 各引脚功能 输入端与输出端关系 真值表 四 有符号数的运算 0 表示正 1 表示负 129 计算机中符号数的表示 符号位 真值机器数 130 例 52 0110100 00110100符号位真值 52 0110100 10110100符号位真值 第二章计算机中的数制和码制 计算机只识别0和1组成的数或代码 所以有符号数的符号也只能用0和1来表示 用0表示正 用1表示负 但由于数值部分的表示方法不同 有符号数可有三种表示方法 分别叫做原码 反码和补码 2 2有符号数在计算机中的表示 第二章计算机中的数制和码制 编码规则 在计算机中 正数的符号用0表示 负数的符号用1表示 通常取最高位为符号位 其余位为数据位 例如 X 105则 X 原 01101001注 此种表示是在8位字长的情况下 若字长为16位时应表示为0000000001101001 1 原码 符号位 数据位 8位字长数的原码表示范围为 127 127数0有两种表示方法 0 原 00000000 0 原 10000000字长为n的机器中 数X的原码表示为 1 原码 134 优点 真值和其原码表示之间的对应关系简单 容易理解 缺点 计算机中用原码进行加减运算比较困难 0的表示不唯一 1 原码 编码规则 1 正数的反码与原码相同 最高位为0 表示正号 其余为数值位例 4 反 00000100 127 反 01111111 2 反码 2 负数的反码表示为它的原码除符号位外按位取反 换言之 负数的反码表示为它的正数原码按位求反 4 反 11111011先写其正数的原码再按位求反 127 反 10000000 特点 0 有两种表示方法 0 反 00000000 0 反 111111118位二进制反码表示范围为 127 127由反码表带符号数时 最高位为符号位 符号位为0时 后面部分为此数的值 符号位为1时 后面部分不是此数值 而是将其按位取反后的值 2 反码 例 说出10010100 反码表示 的真值答案 107 10运算法则 X Y 反 X 反 Y 反 进位 X 反 反 X 原注意事项 1 符号位要参予运算2 最高位若产生进位 应将此进位送回最低位 相加循环进位 例 X 13Y 6求X Y 2 反码 138 3 补码 真值X的补码记为 X 补由同余的概念可知 对一个数X 有K为模数 n为任意整数 若设n为1 K 2n 编码规则 正数的补码与原码相同 负数的补码即为它的反码在最低位加1 或对其正数的原码按位求反末位加1得到例 127 补 01111111 4 补 00000100 127 补 10000001 4 补 11111100特点 0的补码唯一8字长时表示范围是 127 128补码表示的二进制数的最高位是0时 其余位是其大小 最高为1时 其它位按取反 末位加1 才是其大小 3 补码 求补运算 3 补码 运算法则 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补注意 1 符号位参与运算2 有进位舍去 计算X1 Y1 计算X1 Y1 计算X2 Y2 0001100X211110100 X2 补 0000101Y2 11111011 Y2 补 0010001X2 Y2111101111 X2 补 Y2 补 用补码做运算时有个前提条件 就是运算结果不能超出机器数所能表示的范围 否则运算结果不正确 按 溢出 处理 例 设机器字长为8位 则 128 N 127 计算 64 65 得到的结果是错误的 其原因是 64 65 129 127 超出了字长为8位所能表示的最大值 产生了 溢出 所以结果值出错 例 125 10 135 计算结果也是错误的 其原因是 125 10 135 128 超出了字长为8位所能表示的最小值 产生了 溢出 所以结果出错 采用补码做运算时必须对运算结果做 溢出 检查 144 数0的原码 8位数0的原码 0 00000000 0 10000000即 数0的原码不唯一 145 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 146 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉 147 特殊数10000000 对无符号数 10000000 B 128在原码中定义为 0在反码中定义为 127在补码中定义为 128 148 2 符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数 1 求出真值2 进行转换正数补码的转换负数补码的转换 149 例 将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数 X 补 00101110B正数所以 真值 0101110BX 46 X 补 11010010B负数所以 真值不等于 1010010B而是 X X 补 补 11010010