微型计算机基础知识la.ppt

微型计算机原理,主讲教师：宋雪丽,教材及主要参考书,教材：微机原理与接口技术，冯博琴主编，清华大学出版社，2007.8主要参考书：微型计算机原理，姚燕南、薛钧义主编姚向华、欧文编著，高等教育出版社硬件技术基础，冯博琴主编，邮电出版社微机原理及应用，李伯成等编，西安电子科技大学出版社,考核方式,平时及实验30%期末考试70%,课程目标,掌握：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力,课程主要内容,微型计算机的基础知识；微处理器结构及组成，引脚及时序，寻址方式、指令系统与汇编语言程序设计；半导体存储器及存储器管理技术中断、异常及输入输出接口技术,基础知识,第1章,主要内容：,计算机中的常用计数制、编码及它们相互间的转换二进制数的算术运算和逻辑运算符号数的表示及补码运算二进制数运算中的溢出问题,1.1电子计算机的发展概述,1.1.1电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。（CALCULATOR）ENIAC（“埃尼阿克”）,与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。,ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）,电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：,电子管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,PC机的选购,品牌机兼容机（DIY）,总线和接口,计算机的各种硬件设备通过总线互连外部设备通过接口与主机相连,计算机公司,Microsoft:windows操作系统、office办公软件、VisualC+、ExplorerIntel:CPU的主要生产厂商IBMDell,第一章微型计算机基础知识,1.2.1计算机中的数制了解：各种计数制的特点及表示方法掌握：各种计数制之间的相互转换,1.2计算机中的数制,一、常用计数法,数制：数的表示方法基数：一种数制中包含数码的个数权：数码在不同位置所代表的数的大小十进制：以十为基数二进制：以二为基数计算机中常用的其他进制：八进制、十六进制,数的位置表示法,设待表示的数为N则式中X为基数ai为系数（0aiXl）m为小数位数n为整数位数,1.十进制,特点：以十为底，逢十进一；共有09十个数字符号。用D代表。表示：,2.二进制,特点：以2为底，逢二进一；只有0和1两个符号。用B表示。表示：,3.十六进制,特点：有0-9及A-F共16个数字符号，逢16进位。用H表示。表示：,例1：,234.98D或（234.98）101101.11B或（1101.11）2ABCD.BFH或（ABCD.BF）16,（1）二进制数10011.11B=12402302212112012-112-2=19.75（2）八进制数7345.6Q=78338248158068-1=3813.75（3）十六进制4AC6H=416310162121616160=19142,例2,表1-1计算机中不同计数制的基数、数码、进（借）位关系和表示方法,1.2.2各种数制间的转换,1.非十进制数到十进制数的转换按相应的权表达式展开(101101.1)2或101101.1B=125+024+123+122+021+120+12-1=45.5D,2.十进制到非十进制数的转换,对二进制的转换：对整数：除2取余倒着写；对小数：乘2取整顺着写。对十六进制的转换：对整数：除16取余倒着写；对小数：乘16取整顺着写。,【例1.1】将十进制整数(213)10转换为二进制整数。,转换过程如下：取余数22131210602531226021312602312110所以，(213)10(11010101)2,【例1.2】将十进制小数(0.8125)10转换为二进制小数,0.812521.625取整数位10.62521.25取整数位10.2520.5取整数位00.521.0取整数位1所以，(0.8125)10(0.1101)2,3.二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11110.01B=00011110.0100B=1E.4H1111101.001B=01111101.0010B=7D.2H,十六进制数二进制数将每位十六进制数用其对应的4位二进制数代替即可。例：1E.4H=00011110.0100B=11110.01B7D.2H=01111101.0010B=1111101.001B,本节习题,（1）124.625=B=H（2）35.5=B=H（3）110101101B=H=Q（4）9AF1H=B答案：（1）1111100.101B7C.AH（2）100011.1B23.8H（3）1ADH655Q（4）1001101011110001B,1.3无符号二进制数的算术运算、逻辑运算,1.3.1二进制的算术运算包括：加法运算减法运算乘法运算除法运算,加法逢2进1减法借1为2,10110101+10001111101000100,对二进制数，乘2相当于左移一位，乘2n相当于左移n位；除以2则相当于右移1位，除以2n相当于右移n位。,000010110100=00101100B000010110100=00000010B即：商=00000010B余数=11B,1.3.2无符号数的表示范围,1.无符号二进制数的表示范围对8位二进制数，所能表示的数的范围为：0255（00HFFH）对16位二进制数，所能表示的数的范围为：065535（0000HFFFFH）一个n位的无符号二进制数X，它可表示的数的范围为：0X2n-1,2.无符号二进制数的溢出判断若运算结果超出数的可表示范围，则会产生溢出。无符号二进制数的溢出判断令无符号二进制数加法（或减法）中最高有效位Di的进（借）位为Ci，则Ci=1，产生溢出。,1.3.3二进制数的逻辑运算,与或非异或,1.4带符号数在计算机中的表示及运算,无符号数：每一位都表示数值带符号数：最高位为符号位“0”表示正“1”表示负,机器数与真值,机器数：符号数值化了的数真值：机器数所代表的真实数值,+52=+0110100=00110100符号位数值-52=-0110100=10110100符号位数值,1.4.1带符号数的表示方法,计算机中的一个带符号数有3种表示方法原码X原反码X反补码X补,1.原码X原,不论数的正负，数值部分均保持原真值不变。,举例,已知真值X=+42，Y=-42，求X原和Y原解：因为（+42）10=+0101010B（-42）10=-0101010B所以X原=+42原=00101010符号位数值部分Y原=-42原=10101010符号位数值部分,8位数0的原码：+0原=00000000-0原=10000000即：数0的原码不惟一,2.反码X反,正数：X反=X原负数：符号位保持不变，其数值部分为真值的各位按位取反。,8位数0的反码：+0反=00000000-0反=11111111即：数0的反码也不惟一,举例,已知：X=-52，求x原和X反解：X=-52=-0110100BX原=10110100X反=11001011,3.补码X补,计算机中用补码表示带符号数正数的补码：最高位为0，与原码及反码相同，即X补=X反=X原负数的补码：最高位为1，反码加1即X补=X反+1,+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=100000000对8位字长，进位被舍掉即：数0的补码表示惟一,X=52=0110100X原=10110100X反=11001011X补=X反+1=11001100,举例,正数原码、反码、补码相同负数原码：机器数本身反码：符号位保持不变，其余位按位求反补码：反码加一,总结,举例,已知真值X=+0110100，Y=-0110100求X补和Y补解：X0，所以X补=00110100Y0，所以Y补=Y反+1=11001011+1=11001100,补码的求法,根据定义求（一般不用）利用原码求简便的直接求补法,例：对8位二进制数11110001B进行求补运算解：1.判断数的正负2.按位取反，最低位加111110001B反=10001110B11110001B补=10001110B+1=10001111B,简便的直接求补法,对负数而言直接从原码求补码：从最低位起，到出现第一个1以前（包括第一个1）原码中的数字不变，以后逐位取反，但符号位不变。,例：试用直接求补法求X1=-1010111B的补码解：X1=-1010111BX1原=11010111B由原码求补码：X1补=10101001B,补码的求法,例：试用直接求补法求X2=-1110000B的补码解：X2=-1110000BX2原=11110000B由原码求补码：X2补=10010000B,1.4.2真值与补码之间的转换,对用补码表示的二进制数转换为带符号的十进制数：1）求出真值2）进行转换,先判断是正数，还是负数。由最高位判断：0正数1负数再求真值大小对正数，补码的真值等于该二进制数值。对负数，先对该数进行求补运算，再求真值大小。X原=X补补=X补反+1,求补码真值的方法,将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数X补=00101110B真值为：+0101110B正数所以：X=+46X补=11010010B真值为：-0101110B负数从而有：X=-46,举例,已知X补=01101101B，试求其真值解：因为X补的最高位为0，即它是一个正数，它的数值部分就是它的真值。即X=+1101101=109,已知X补=10110111B，试求其真值方法1：X原=X补补=X补反+1=11001000+1=11001001B所以X=-1001001B=-73方法2：利用直接求补法,引进补码的意义,计算机中，减法实现过程（补码减法）先对减数进行求补运算；再将求补后的数与被减数相加；相加的结果即为用补码表示的两数相减结果通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算，将减法用加法实现，省去减法器，简化硬件,1.4.3带符号数的算术运算,原码：运算完全类同于正负数的笔算。补码：使符号位与数一起参加运算；将减数变补与被减数相加来实现减法XY补=X补+Y补即：X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补,运算规则：1）和的补码等于补码之和X+Y补=X补+Y补2）差的补码等于补码之差X-Y补=X补-Y补3）X-Y补=X补+-Y补-Y补称为对补码数Y补变补，变补规则：对Y补的每一位（包括符号位）按位取反加1，则结果就是-Y补。,例：用补码进行下列运算(设n=8)：（+18）+（-15）（-18）+（-11）解：,00010010B+18补+11110001B-15补100000011B+3补最高位（符号位）为0，结果为正符号位的进位，丢掉。,11101110B-18补+11110101B-11补111100011B-29补最高位（符号位）为1，结果为负符号位的进位，丢掉。,例：用补码进行下列运算（设n=8）：96-19；（-56）-（-17）解：,X=96，Y=19，则X补=X原=01100000BY补=Y原=00010011B-Y补=11101101B01100000BX补+11101101B-Y补01001101BX-Y补=X-Y原=+77符号位为0，结果为正。,X=-56，Y=-17，则X原=10111000BX补=11001000BY原=10010001BY补=11101111B-Y补=00010001B11001000BX补+00010001B-Y补11011001符号位为1，结果为负数的补码，可对X-Y补再求补，得X-Y原=10100111B。,例：已知X=+0110100，Y=+1110100，用补码求Y-X=？解：-X原=10110100-X补=X反+1=11001100Y补=Y原=01110100所以：Y-X补=Y补+-X补=01110100+11001100=01000000则Y-X=01000000,1.4.4带符号数的表示范围,对8位二进制数，原码、反码和补码所能表示的数的范围为：原码：-127+127（FFH7FH）反码：-127+127（80H7FH）补码：-128+127（80H7FH）,对16位二进制数，原码、反码和补码所能表示的数的范围为：原码：-32767+32767（FFFFH7FFFH）反码：-32767+32767（8000H7FFFH）补码：-32768+32767（8000H7FFFH）,一个n位的有符号二进制数X，它可表示的数的范围为：原码：-2n-1+1X2n-1-1反码：-2n-1+1X2n-1-1补码：-2n-1X2n-1-1,有符号数运算中的溢出问题,溢出只能出现在两个同号相加或异号相减的情况下。双高位判别法Cs：它表征最高位（符号位）的进位或借位情况。Cp：它表征数值部分最高位的进位或借位情况。CsCp1，结果产生溢出。即：Cs和Cp同为0或同为1，无溢出发生，只有当Cs和Cp为10或01状态时才会发生溢出。,01111000B+01101001B11100001B则：X+Y=11100001，符号位为1，结果为负。在此例中，Cs=0，Cp=1，CsCp1，结果产生溢出。即：次高位向最高位有进位，而最高位向前无进位，产生溢出。（事实上，两正数相加得出负数，结果出错）,例1：X=01111000，Y=01101001，计算X+Y=？,解：采用公式X-Y补=X补-Y补进行减法运算，并判断溢出情况。10010010B-110补-00100000B32补01110010B-110-32补在此例中，Cs=0，Cp=1，CsCp1，结果产生溢出。即：次高位向最高位有借位，而最高位向前无借位，产生溢出。（事实上，负数减正数得出正数，结果出错）,例2：设X=-110，Y=32，试对减法操作“X-Y”进行溢出判别。,1.5二进制编码,计算机处理的信息：数值、字符(字母、汉字等)。各字符在计算机中由若干位的二进制数表示。二进制数与字符之间一一对应的关系，称字符的二进制编码。,1.二进制编码的十进制数,用二进制编码表示的十进制数，称为二十进制码，简称BCD码(BinaryCodedDecimal)。它的特点是保留了十进制的权，而数字则用0和1的组合编码来表示。,十进制数只有09这10种状态，而4位二进制数可表示16种状态（00001111），所以BCD码只使用了00001001这10种状态来表示十进制数的09，剩余的6种状态10101111在BCD码中是非法编码。,BCD码与十进制数、二进制数之间的转换,一个十进制数用BCD码表示，只要对十进制数的每一位按对应关系单独进行转换即可。BCD码与二进制数之间的转换，一般需要借助于十进制数作为中间桥梁进行转换。即先转换为十进制数，再转换成二进制数；反之同样。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）2,计算机中BCD码的存储方式,压缩BCD码用4位二进制数表示一位十进制数，即用一个字节表示2位BCD码。例如，压缩BCD码01010100B=54H，其十进制值为54。非压缩BCD码用8位二进制数表示一位十进制数，即高四位为0，低四位表示BCD码。例如，非压缩BCD码00000101B=05H，其十进制值为5。而同样是十进制数54，用非压缩BCD码表示为0000010100000100。,二、字母与字符的二进制编码表示,1.ASCII码（americanstandardcodeforinformationinterchange）：美国国家标准信息交换码，微机中普遍采用的字符编码。2.表示方法：用7位二进制数表示一个字符，最高位为0。,常见数字、字母和控制字符的ASCII码,奇偶校验位,在通信过程中，将最高位用作奇偶校验位，以校验数据传送中是否有一位出现错误。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），具有偶校验的A的ASCII码为41H（01000001B）具有奇校验的A的ASCII码为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。见课后习题1.9,1.6常用术语解释,1.位；bit计算机中的最小存储单位1Mb=10241024bit=220bit1Gb=230bit=1024Mb1Tb=240bit=1024Gb2.字节：Byte1Byte=8bit，1KB=1024Byte8位二进制数称为一个字节，数据在内存中常以Byte为单位进行存储。3.字（word）：2个字节为1个字。4.双字（doubleword）：4个字节为1双字。,第一章习题,1.1计算机中常用的计数制有哪些？1.2什么是机器数？什么是真值？1.3完成下列数制的转换。(1)10100110B=()D=()H(2)0.11B=()D(3)253.25=()B=()H(4)1011011.101B=()H=()BCD1.48位和16位二进制数的原码、补码和反码可表示的数的范围分别是多少？1.5写出下列真值对应的原码和补码的形式。(1)X=-1110011B(2)X=-71D(3)X=+1001001B,1.6符号数10110101B的反码=？补码=？1.7已知X和