第一章微机基础知识

1、1 第一章第一章 微机基础知识微机基础知识 2 本章内容提要本章内容提要 本章主要介绍：本章主要介绍： 微机的基本概念、发展、组成、工作原理、微机的基本概念、发展、组成、工作原理、 应用特点应用特点 计算机内的信息表示和运算计算机内的信息表示和运算 进位计数制的表示及其转换、进位计数制的表示及其转换、 符号数和无符号数的表示及运算符号数和无符号数的表示及运算 十进制数的二进制表示及运算十进制数的二进制表示及运算 逻辑变量的表示及运算逻辑变量的表示及运算 文字在计算机内的表示文字在计算机内的表示 3 第一节第一节 微机的基本组成及微机的基本组成及 发展发展 4 投资150万美元， 占地150平米

2、，重30 吨，用了18800个电 子管，耗电150KW， 2KBytes内存， 5000次/s，几小时 出一次故障。 1946年，世界出现第一台数字式电子计算机年，世界出现第一台数字式电子计算机 ENIAC就是采用冯就是采用冯.诺依曼结构框架。诺依曼结构框架。 1971年，年，intel公司设计了世界上第一个微处理器芯公司设计了世界上第一个微处理器芯 片片Intel 4004,开创了一个全新的计算机时代。开创了一个全新的计算机时代。 一、一、 微型计算机的发展微型计算机的发展 5 微型计算机的发展微型计算机的发展 第一代：第一代：4位和低档位和低档8位微机位微机 400440408008 第二

3、代：中高档第二代：中高档8位微机位微机 Z80I8085M6800APPLE-II微机微机 第三代：第三代：16位微机位微机 8086-8088-80286-IBM-PC系列系列 6 微型计算机的发展微型计算机的发展 第四代：第四代：32位微机位微机 80386-80486-pentium-pentium II-pentium III-pentium IV 32位位PC机机 、Machintosh机、机、PS/2机机 第五代：第五代：64位微机位微机 Itanium、64位位RISC微处理器芯片、微机服务器、微处理器芯片、微机服务器、 工程工作站、图形工作站工程工作站、图形工作站 7 微型计算

4、机的应用微型计算机的应用 计算机应用通常分为如下各个领域计算机应用通常分为如下各个领域 科学计算，数据处理，实时控制科学计算，数据处理，实时控制 计算机辅助设计，人工智能，计算机辅助设计，人工智能， 由于微型计算机具有如下特点：由于微型计算机具有如下特点： 体积小、价格低体积小、价格低 工作可靠、使用方便、通用性强工作可靠、使用方便、通用性强 所以，可以分为两个主要应用方向。所以，可以分为两个主要应用方向。 8 微型计算机的应用微型计算机的应用 用于数值计算、数据处理及信息管理方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：通用微机，例如：PC微机微机 功能越强、使用越方便越好功能越

5、强、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器仪表方向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、工控机专用微机，例如：单片机、工控机 可靠性高、实时性强可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小程序相对简单、处理数据量小 9 明确明确3个概念的区别个概念的区别 微处理器微处理器 一个大规模集成电路芯片一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片微机中的核心芯片 微型计算机微型计算机 通常指微型计算机的硬件系统通常指微型计算机的硬件系统 微型计算机系统微型计算机系统 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统指由硬件和软件共同

6、组成的完整的计算机系统 10 明确明确3个概念的区别个概念的区别 11 微型计算机系统的三个层次微型计算机系统的三个层次 微处理器微处理器 存储器 I/O接口 总线 硬件系统 软件系统 微微 型型 计算机计算机 系系 统统 微微 型型 计算机计算机 ( (主机主机) ) 外 设 ALU 寄存器 控制器 键盘、鼠标 显示器 软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 系统软件 应用软件 12 二、微机的基本硬件构成二、微机的基本硬件构成 v微机的基本硬件由下列几部分组成：微机的基本硬件由下列几部分组成： 运算器（运算器（ALU） 控制器（控制器（CTRL） 存储器（存储器（MEM） 输入设备（输入设备（I

7、NE） 输出设备（输出设备（OUTE） 总线总线 （BUS） 13 微机的硬件构成框图微机的硬件构成框图 图图1.1 1.1 计算机的硬件构成框图计算机的硬件构成框图 控制器控制器 (CTRL)(CTRL) 运算器运算器 (ALU)(ALU) 存储器存储器 (MEM)(MEM) 输入输入 设备设备 (INE)(INE) 输出输出 设备设备 (OUTE)(OUTE) 14 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 运算器运算器 （ALU-Arithmetic Logic Unit） 进行算术运算（加、减、乘、除与移位）；进行算术运算（加、减、乘、除与移位）； 进行逻辑运算（与、或、非、异

8、或等）；进行逻辑运算（与、或、非、异或等）； 为了提高存取数据的速度，与为了提高存取数据的速度，与ALU有关的部件还有有关的部件还有 寄存器阵列寄存器阵列 15 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 控制器（控制器（CTRL-Controller） 它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各 种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系。种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关系。 它有两个主要功能：它有两个主要功能： 一个是控制程序的运行；一个是控制程序的运行； 另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力。另一个是对

9、不同的外部事件做出相应响应的能力。 （这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求、（这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求、 总线周期延长等）总线周期延长等） 上述上述ALU+CTRL+REG阵列阵列=CPU（中央处理器）中央处理器） 16 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 存储器（存储器（MEM-Memory） 记忆部件。它存储计算机操作的控制信息及各种命令信记忆部件。它存储计算机操作的控制信息及各种命令信 息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加工的息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加工的 中间与最终结果。中间与最终结果。 存储器内有两类

10、信息：存储器内有两类信息： 一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区；一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区； 另一类是数据，放在数据区。另一类是数据，放在数据区。 它们都以二进制形式存放。它们都以二进制形式存放。 应注意：内存中的代码区和数据区中的信息具有不同的应注意：内存中的代码区和数据区中的信息具有不同的 性质与功能，两个区域中的某些单元具有相同的信息，却具性质与功能，两个区域中的某些单元具有相同的信息，却具 有完全不同的含义。有完全不同的含义。 17 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容 内存容量内存容量 内存的操作内存的操作 18 内

11、存单元的地址和内容 内存包含有很多存储单元内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含每个内存单元包含8bit)，为区，为区 分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编 号，号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。内存单元的编号就称为内存单元的地址。 1 0 1 1 0 1 1 038F04H 内存单内存单 元地址元地址 内存单内存单 元内容元内容 . . . . . . Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 *内存单元有时内存单元有时 又称为地址单元又称为地址单元 19 内存容量 即内存单元的个数即内存单元的

12、个数，以字节为单位。，以字节为单位。 注意：注意：内存空间内存空间与与内存容量内存容量的区别的区别 内存容量内存容量：实际配置的内存大小。例：某微机配置：实际配置的内存大小。例：某微机配置2条条 128MB的的SDRAM内存条，其内存容量为内存条，其内存容量为256MB 内存空间内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的 寻址能力，与寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。的地址总线宽度有关。 20 内存操作内存操作 读：将内存单元的内容取入读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不原单元内容不 改变；改变； 写：写：CPU将信息放入内存单元，单元中原

13、内容被将信息放入内存单元，单元中原内容被 覆盖；覆盖； 刷新：对刷新：对CPU透明，仅动态存储器有此操作透明，仅动态存储器有此操作 内存的读写的步骤为：内存的读写的步骤为： CPU把要读写的内存单元的地址放到把要读写的内存单元的地址放到AB上上 若是写操作，若是写操作， CPU紧接着把要写入的数据放到紧接着把要写入的数据放到DB 上上 CPU发出读写命令发出读写命令 数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB 若是读操作，若是读操作， CPU紧接着从紧接着从DB上取回数据上取回数据 21 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 输入设备与输出

14、设备输入设备与输出设备 称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界的称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界的 语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识别的语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识别的 电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换。电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换。 输入设备输入设备 如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码相如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码相 机、机、A/D转换器等转换器等 输出设备输出设备 如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、D/A 转换器等

15、转换器等 22 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 总线（总线（BUS） 总线是计算机各部件间传送信息的公共通路，总线是计算机各部件间传送信息的公共通路， 它把计算机的各个部件连接成为一个整体。它把计算机的各个部件连接成为一个整体。 分为内部总线，外部总线。分为内部总线，外部总线。 计算机内部的基本总线分为数据总线（计算机内部的基本总线分为数据总线（DBUS），）， 地址总线（地址总线（ABUS），），控制总线（控制总线（CBUS）。）。通常又通常又 称为三总线。称为三总线。 关于总线技术，将在第六章中专门介绍。关于总线技术，将在第六章中专门介绍。 23 微机的基本硬件构成（续）

16、微机的基本硬件构成（续） 24 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 地址总线地址总线 输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 数据总线数据总线 CPU读操作时，外部数据通过数据总线送往读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU CPU写操作时，写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据通过数据总线送往外部 数据总线的多少决定了一次能够传送数据的位数数据总线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线控制总线 协调系统各个部件的操作，有输出控制、输入状态等信号协

17、调系统各个部件的操作，有输出控制、输入状态等信号 控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等 25 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 26 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 27 微机的基本硬件构成（续）微机的基本硬件构成（续） 系统总线的使用特点系统总线的使用特点 除了除了CPU外，还具有外，还具有DMA控制器和协处理器都具控制器和协处理器都具 有控制系统总线的能力，它们被称为有控制系统总线的能力，它们被称为“总线主控制总线主控制 设备设备” 在某一时刻，只能有一个总线主控设备来控制系统在某一时刻，只能有一

18、个总线主控设备来控制系统 总线总线 在连接系统总线的各个设备中，某一时刻只能有一在连接系统总线的各个设备中，某一时刻只能有一 个发送者向总线发送信号；但是可以有多个设备从个发送者向总线发送信号；但是可以有多个设备从 总线上同时获得信号。总线上同时获得信号。 28 三、三、 微机的软件系统微机的软件系统 软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实软件：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现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关 资料。资料。 系统软件系统软件 应用软件应用软件 操作系统操作系统 编译系统编译系统 网络系统网络系统 工具软件工具软件 软件软件

19、29 四、微机系统四、微机系统 微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统 硬件：主机、外设、电源等硬件：主机、外设、电源等 软件：操作系统、编译程序、连接程序、调试软件：操作系统、编译程序、连接程序、调试 程序、诊断程序、应用软件、数据库等。程序、诊断程序、应用软件、数据库等。 30 五、五、IBM PC系列系列 31 硬件组成硬件组成 32 主板的组成主板的组成 33 主板的组成主板的组成 34 存储空间的分配存储空间的分配 35 I/O口的分配口的分配 36 微型计算机的物理结构微型计算机的物理结构 CPU 北桥北桥 南桥南桥 RAM Cache

20、 AGPCRT BIOS KBD，Mouse 串行/并行接口 HDD/CDROM(IDE) FDD USB PCI ISA 前端总线/CPU总线 接口卡接口卡 外设 总线扩展槽 37 微型计算机的物理结构微型计算机的物理结构 38 主板的主要硬件构成 CPU插座插座 芯片组（南北桥芯片组（南北桥/HUB） 内存插槽内存插槽 高速缓存（现已集成到高速缓存（现已集成到CPU内部）内部） 系统系统BIOS，硬件控制，硬件控制 CMOS，存放硬件配置参数，存放硬件配置参数 总线扩展槽，总线扩展槽，PCI、ISA 串行、并行接口串行、并行接口 软软/硬盘、光驱插座硬盘、光驱插座 39 芯片组芯片组 CP

21、U的外围控制芯片，通常为的外围控制芯片，通常为2片片 两种架构：南北桥、两种架构：南北桥、HUB（加速中心）（加速中心） 南北桥 北桥北桥提供提供CPU/主存主存/高速缓存的连接、高速缓存的连接、AGP接口、接口、 PCI桥接桥接 南桥南桥提供提供USB、IDE(FDD/HDD)、串、串/并口及并口及ISA桥桥 接等接等 例如：例如：Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS 645等等 HUB GMCHAGP接口、存储器通道接口、存储器通道 ICHPCI桥接、桥接、IDE控制器、控制器、USB、串、串/并口并口 FWH系统系统BIOS、显示、显示BIOS、随机数发生

22、器、随机数发生器 例如：例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等等 40 第二节第二节 微机的工作原理微机的工作原理 41 一、工作原理一、工作原理 微型计算机是采用微型计算机是采用“程序存储控制程序存储控制”的原理工作的。的原理工作的。 这一原理是冯这一原理是冯.诺依曼诺依曼1946年提出的，它构成了计算年提出的，它构成了计算 机系统的结构框架。因此，计算机体系结构又称为机系统的结构框架。因此，计算机体系结构又称为 冯冯.诺依曼结构。诺依曼结构。 存储程序指将指令、数据以二进制形式存入计算机存储程序指将指令、数据以二进制形式存入计算机 的存储器中。的存储器中。 程序控

23、制指计算机自动取出并执行存储器中的指令、程序控制指计算机自动取出并执行存储器中的指令、 完成预定的操作。完成预定的操作。 42 工作原理工作原理 控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自 动地连续取出指令并执行之。 运算器运算器输出设备输出设备 控制器控制器 输入设备输入设备 存储器存储器 指令流 控制命令 数据流 43 二、二、程序的执行过程程序的执行过程 程序 指令1 指令2 指令3 指令4 指令n 取指令 指令译码 取操作数 执行指令 存结果 指令周期 操作码 操作数 执行 1。CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统 2。CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器 3。

24、CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式 44 例：计算例：计算5+8 汇编语言程序汇编语言程序 对应的机器指令对应的机器指令 对应的操作对应的操作 - - - MOV AL, 5 10110000 将立即数将立即数5传送到累传送到累 加寄存器加寄存器AL中中 00000101 ADD AL, 8 00000100 计算两个数的和，计算两个数的和， 结果存放到结果存放到AL中中 00001000 HLT 11110100 停机停机 45 指令执行过程指令执行过程(取指取指/译码译码/执行执行) 累加器A 数据寄存器DR 指令寄存器IR 指令译码器ID 时序逻辑电路 时序控制信号（控制命令）

25、 1011 0000 0000 0101 0000 0100 0000 1000 1111 0100 内部总线 存储器 0 1 2 3 4 程序计数器PC 地址 MOV A, 5 ADD A, 8 HLT 地址总线 +1 地 址 译 码 器 读写控制电路 输出地址输出地址 1011 0000 锁存指令锁存指令 锁存数据锁存数据 置初值置初值 输出指输出指 令地址令地址 锁存地址锁存地址 读写命令读写命令 指令译码指令译码 锁存 输出 地址寄存器AR 46 第三节第三节 微机的特点、微机的特点、 应用及发展方向应用及发展方向 47 微机特点微机特点 运算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或每运

26、算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或每 秒几十亿次运算。秒几十亿次运算。MIPS（106），），GIPS（10 9） 处理能力强（如各种管理、计算、决策）处理能力强（如各种管理、计算、决策） 能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量）能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量） 能干几乎所有的工作能干几乎所有的工作 48 应用应用 各行各业，无所不用各行各业，无所不用 科技、生产、学习、日常生活等各个方面科技、生产、学习、日常生活等各个方面 49 发展方向发展方向 性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加 （摩尔定律指出，每（摩尔定律指出，每18个

27、月计算机的运算速度就大个月计算机的运算速度就大 体提高一倍，而价格则大约降低一半）体提高一倍，而价格则大约降低一半） 功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结合功能：支持多媒体技术，并与网络技术全面结合 体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信为体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信为 中心的体系结构发展；由冯中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结构向数据诺依曼体系结构向数据 流结构发展流结构发展 可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制转变，可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制转变， 向智能化方向发展向智能化方向发展 制造工艺：向超高集成度发展，制造光集成芯片、制造工艺：向超高集成

28、度发展，制造光集成芯片、 生物芯片，设计超导、量子、生物、光计算机生物芯片，设计超导、量子、生物、光计算机 50 第四节第四节 计算机运算基础计算机运算基础 51 一、进位计数制一、进位计数制 计算机内部的信息分为两大类：控制信息和数据信息。控制信息是一系计算机内部的信息分为两大类：控制信息和数据信息。控制信息是一系 列的控制命令，用于指挥计算机如何操作；数据信息是计算机操作的对列的控制命令，用于指挥计算机如何操作；数据信息是计算机操作的对 象，一般又可分为数值数据和非数值数据。数值数据用于表示数量的大象，一般又可分为数值数据和非数值数据。数值数据用于表示数量的大 小，它有确定的数值；非数值数

29、据没有确定的数值，它主要包括字符、小，它有确定的数值；非数值数据没有确定的数值，它主要包括字符、 汉字、逻辑数据等等。汉字、逻辑数据等等。 对计算机而言，不论是控制命令还是数据信息，它们都要用对计算机而言，不论是控制命令还是数据信息，它们都要用“0”和和“1” 两个基本符号两个基本符号(即基即基2码码)来编码表示，这是由于以下三个原因：来编码表示，这是由于以下三个原因： (1) 基基2码在物理上最容易实现。例如，用码在物理上最容易实现。例如，用“1”和和“0”表示高、低两个电表示高、低两个电 位，或表示脉冲的有无，还可表示脉冲的正、负极性等等，可靠性都较位，或表示脉冲的有无，还可表示脉冲的正、

30、负极性等等，可靠性都较 高。高。 (2) 基基2码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。 (3) 基基2码的两个符号码的两个符号“1”和和“0”正好与逻辑数据正好与逻辑数据“真真”与与“假假”相对应，相对应， 为计算机实现逻辑运算带来了方便。为计算机实现逻辑运算带来了方便。 因此，不论是什么信息，在输入计算机内部时，都必须用基因此，不论是什么信息，在输入计算机内部时，都必须用基2码编码表码编码表 示，以方便存储、传送和处理。示，以方便存储、传送和处理。 52 一、进位计数制（续）一、进位计数制（续） 十进计数制十进计数制 5188.888 1

31、0+3 10-3 该数中有该数中有5位都是位都是8，但由于其位置不同，其值也不同，即，但由于其位置不同，其值也不同，即“位值位值”不同。不同。 该数可看成两部分组成：该数可看成两部分组成： 数字值数字值 如如5，1，8 位值（权值），位值（权值）， 隐含着隐含着 ，如，如10-3 上面的十进数可表示为：上面的十进数可表示为： 5188.888=103 5+102 1+101 8+100 8+10-1 8+10-2 8+10-3 8 对于有对于有n n位整数和位整数和m m位小数的十进制数位小数的十进制数 N N 可表示为：可表示为： n-1 N = di 10i i= -m 53 一、进位计数

32、制（续）一、进位计数制（续） 十进制数有如下特点十进制数有如下特点 每位数字每位数字d di i可取可取0 0，1 1，2 2，3, ,93, ,9十个值之一；十个值之一； 逢逢1010进进1 1，即每位达到，即每位达到1010向高位进向高位进1 1，本位回，本位回0 0， 相邻高位的权值是本位权值的相邻高位的权值是本位权值的1010倍。倍。 对于任意对于任意R进制表示的数进制表示的数N，可写成可写成 n-1 N = di Ri i= -m 其中其中 di 可取可取0，1，2，R-1个值之一；个值之一； 逢逢R进进1（R为进位计数制的基数（为进位计数制的基数（Radix)； R是大于或等于是大

33、于或等于2的整数，的整数，Ri 称为称为di 的权值或位值。的权值或位值。 54 一、进位计数制（续）一、进位计数制（续） 当当R=10 为十进制数（为十进制数（Decimal，书写后缀，书写后缀 D或省略）或省略） 当当R=2 为二进制数（为二进制数（Binary， 书写后缀书写后缀 B） 当当R=3 为三进制数（为三进制数（Trinary，书写后缀，书写后缀 T） 当当R=8 为八进制数（为八进制数（Octal， 书写后缀书写后缀 O或或Q） 当当R=16 为十六进制数（为十六进制数（Hexa-decimal,书写后缀书写后缀 H） 55 一、进位计数制（续）一、进位计数制（续） 2. 二

34、进计数制二进计数制 101.11 特点：特点： 只有两个数字符号只有两个数字符号0，1 22 2 2 逢逢2 进进1 计算机中广泛采用二进制的原因计算机中广泛采用二进制的原因 容易实现，每位只取两个值，易用两个逻辑状态的器件表示；容易实现，每位只取两个值，易用两个逻辑状态的器件表示； 运算规则简单，只有三种加法和乘法；运算规则简单，只有三种加法和乘法；（运算规则为：（运算规则为：R(R+1）/2） 工作可靠，不同状态之间的转换是质变而非量变；工作可靠，不同状态之间的转换是质变而非量变； 电路设计可借助布尔代数进行设计。电路设计可借助布尔代数进行设计。 56 一、进位计数制（续）一、进位计数制（

35、续） 八进制和十六进制八进制和十六进制 v八进制每位可取八进制每位可取0，1，2，7八个值之一，逢八进一。八个值之一，逢八进一。 v十六进制每位可取十六进制每位可取0，1，2，9，A,B,F十六个值之一，十六个值之一， 逢十六进一，大于逢十六进一，大于9的数字借助于字母的数字借助于字母AF表示。表示。 在编程时，为了书写方便，常用十六进制表示。在编程时，为了书写方便，常用十六进制表示。 57 二、进位计数制间的转换二、进位计数制间的转换 P进制数进制数N R进制数进制数 通常把通常把N分为整数与小数部分分别转换分为整数与小数部分分别转换 1、整数部分转换、整数部分转换 把把R表示成表示成P进制

36、数进制数 对对P进制数进制数N按按P进制作除进制作除R取余方法进行取余方法进行 例例1. 把八进制数把八进制数N=303Q表示成十进制数表示成十进制数 （P=八进数，八进数，R=十进数）十进数） 解：解： 把把R=10表示成八进数为表示成八进数为12Q 对对N=303Q按八进制作除按八进制作除12Q取余运算取余运算 58 二、进位计数制间的转换（续）二、进位计数制间的转换（续） 12Q3 0 3 Q 2 3 Q 2 4 4 3 3 6 5 Q D0=5 余数 12Q2 3 Q 1 Q 1 2 1 1 Q D1=9 余数 12Q 1 Q 0 Q 0 1 Q D2=1 余数 303Q=195D 上

37、述除法与十进制除法没有什么不同。每次除上述除法与十进制除法没有什么不同。每次除12Q之之 后取余数，而商再除以后取余数，而商再除以12Q，直到商为直到商为0停止。停止。 59 例例2. 把把10 进制数进制数29 转换成二进制数转换成二进制数 解：解： 由于由于2 2是十进制数集内之数，不必作变换；是十进制数集内之数，不必作变换； 对于对于N=29 D 作除作除2 取余运算。取余运算。 2 92 1 4余数1 （B0 ） 7 2 2 3 2 12 0 余数0 （B1 ） 余数1 （B2 ） 余数1 （B3 ） 余数1 （B4 ） 29D=11101B 二、进位计数制间的转换（续）二、进位计数制

38、间的转换（续） 60 二、进位计数制间的转换（续）二、进位计数制间的转换（续） 2. 小数部分的转换小数部分的转换 P进制纯小数进制纯小数转换为转换为R进制小数进制小数 用乘用乘R 取整取整 把把R表示成表示成P进制数进制数 把数把数N按按P进制乘进制乘R取整取整 例例1 把把0.625转换成二进制数转换成二进制数 解：解： 二进制数（二进制数（0 0，1 1）都在十进制数内）都在十进制数内 把把0.625乘乘2取整取整 0.625 2 1.250 b-1=1 0.25 2 0.50 b-2=0 0. 5 2 1.0 b-3=1 0.625=0.101B 61 二、进位计数制间的转换（续）二、

39、进位计数制间的转换（续） 用计算法和其他方法也可进行转换用计算法和其他方法也可进行转换 例例1. 二进制二进制 八进、十六进制八进、十六进制 10100101.0001B=245.04Q=A5.1H 例例2. 十六进制十六进制二进制；十六进制二进制；十六进制十进制十进制 ABCF.587H=1010101111001111.010110000111B A5.1H=10 161 +5 160+1 16-1=160+5+0.0625 =165.0625 62 三、无符号数的表示与运算三、无符号数的表示与运算 v 无符号数（纯数值）：无符号数（纯数值）： 只表示数值的大小，不涉只表示数值的大小，不涉

40、 及数的正负号及数的正负号 v 符号数：符号数： 既表示数的大小，又要表示数的正负既表示数的大小，又要表示数的正负 v 计算机中的二进制数可以分为符号数和无符号数，计算机中的二进制数可以分为符号数和无符号数， 它们的表示与运算是不同的。它们的表示与运算是不同的。 63 三、无符号数的表示与运算（续）三、无符号数的表示与运算（续） 加法运算加法运算 （若运算器为（若运算器为8位）位） 例例1. 计算计算 78H+87H=FFH 例例2. 计算计算 78H+98H=10H 78H 78H + 87H + 98H FFH 10H 说明：说明： 因为是因为是8位运算器，例位运算器，例2的结果就溢出了，

41、原因是结果只能存放的结果就溢出了，原因是结果只能存放8位数。位数。 为了表示最高位的进位，计算机中可用一个进位标志为了表示最高位的进位，计算机中可用一个进位标志CF（Carry Flag）=1 来表示（若把来表示（若把CF=1考虑在内，结果为考虑在内，结果为110H，这样结果就正确了）。这样结果就正确了）。 64 三、无符号数的表示与运算（续）三、无符号数的表示与运算（续） 减法运算减法运算 （若运算器为（若运算器为8位）位） 例例1. 计算计算 78H - 87H=FFH 例例2. 计算计算 A8H - 98H=10H 78H A8H - 87H - 98H F1H 10H 说明：说明： 因

42、为是因为是8位运算器，例位运算器，例1的结果就是错误的了，原因是高位有借位。的结果就是错误的了，原因是高位有借位。 为了表示最高位的借位，计算机中可用一个借位标志为了表示最高位的借位，计算机中可用一个借位标志BW（Borrow Flag） =1来表示（通常计算机中把来表示（通常计算机中把CF与与BW用同一标志来指示用同一标志来指示）。）。 65 四、符号数的表示与运算四、符号数的表示与运算 计算机中的符号数也是用二进制数表示和运算的。计算机中的符号数也是用二进制数表示和运算的。 数值与符号都是用二进制数表示。数值与符号都是用二进制数表示。 一般规定，一般规定，0表示正号，表示正号，1表示负号，

43、约定在数的最表示负号，约定在数的最 高位表示符号位。高位表示符号位。 符号数通常有三种机器码表示法。即原码、反码和符号数通常有三种机器码表示法。即原码、反码和 补码。补码。 66 四、符号数的表示与运算（续）四、符号数的表示与运算（续） 原码表示原码表示 （1）定义）定义 x原 原= X (X = 0) 2N-1X (X=0) ( mod 2N 1) (2N1) + X (X=0） 2N +X （X9，所以所以+66 10 7 81 五、十进制数的二进制表示与运算（续）五、十进制数的二进制表示与运算（续） BCD码运算（减法）码运算（减法） 例例3 若若X、Y为十进制数，为十进制数，X=75，

44、Y=26，计算计算X-Y=? 75 （BCD码中没有字母，结果中的码中没有字母，结果中的 F (1111) 为非法码，为非法码， - 2 6 应在该位应在该位 - 6修正，使借高位的数得到修正。）修正，使借高位的数得到修正。） 例例4 X=30，Y=42，计算计算X-Y=? 30 - 4 2 E E 因为低因为低4位有借位（位有借位（AF=1） - 6 6 高高4位也有借位（位也有借位（CF=1） 8 8 所以所以 66修正修正 4 F - 0 6 4 9 82 五、十进制数的二进制表示与运算（续）五、十进制数的二进制表示与运算（续） BCD码加法修正原则是：码加法修正原则是： 若运算结果低位

45、大于若运算结果低位大于9或或AF（半进位）半进位）=1，则结果，则结果+06； 若运算结果高位大于若运算结果高位大于9或或CF（进位）进位）=1，则结果，则结果+60; 若若 都满足时，则结果都满足时，则结果+66。 BCD码减法修正原则是：码减法修正原则是： 若运算结果低位大于若运算结果低位大于9或或AF（半借位）半借位）=1，则结果，则结果-06； 若运算结果高位大于若运算结果高位大于9或或CF（借位）借位）=1，则结果，则结果-60; 若若 都满足时，则结果都满足时，则结果-66。 说明：微机的说明：微机的CPU中都有专门的十进制运算调整部件中都有专门的十进制运算调整部件DAA ， 还设

46、有专门的十进制加减运算调整指令还设有专门的十进制加减运算调整指令DAA与与DAS等。等。 83 六、数的定点表示与浮点表示六、数的定点表示与浮点表示 1定点表示法定点表示法 在定点表示法中，所有数据的在定点表示法中，所有数据的 小数点固定在某一位置上。通常小数点固定在某一位置上。通常 把小数点的固定在有效数位的最把小数点的固定在有效数位的最 前面或末尾，因而形成了定点整前面或末尾，因而形成了定点整 数和定点小数二种定点数。数和定点小数二种定点数。 (1)定点整数定点整数 定点整数约定小数点在数值位定点整数约定小数点在数值位 的最低位之后，此时计算机中所的最低位之后，此时计算机中所 表示的数一律

47、为整数，如图表示的数一律为整数，如图16 所示。所示。 (2)定点小数定点小数 定点小数用最高位表示符号定点小数用最高位表示符号,其其 它它n1位二进制数表示数值部分位二进制数表示数值部分, 小数点定在数值部分最高位左边小数点定在数值部分最高位左边, 如图如图1-7。 图1-6 定点整数格式 图1-7 定点小数格式 84 六、数的浮点表示及运算六、数的浮点表示及运算 2. 浮点数的表示浮点数的表示 任何一个任何一个R进制数进制数N都可写成都可写成 N=MRP 其中其中 R是基数是基数 （Radix） M是尾数是尾数 （Mantissa） P是阶是阶 （Power） 尾数尾数M的符号是该数的符号

48、，而的符号是该数的符号，而 阶阶P也有符号，也有符号，P决定了该数中小决定了该数中小 数点的位置。数点的位置。 若若P不变（固定），则小数点固定，不变（固定），则小数点固定， 称为定点数。称为定点数。 若若P不固定，则小数点位置不固定，不固定，则小数点位置不固定， 称为浮点数（称为浮点数（Float）。）。 若若R固定，则数固定，则数N则由则由M和和P决定。决定。 （在计算机中，（在计算机中，R=2） 图图1-8 浮点数格式浮点数格式 85 六、数的浮点表示及运算（续）六、数的浮点表示及运算（续） 一个浮点数可表示如下：一个浮点数可表示如下： Sp .PnSmMr 其中，其中，Sp 是阶是阶

49、P 的符号位；的符号位； Pn是阶是阶 P 的绝对值部分，称为阶码；的绝对值部分，称为阶码； Sm是尾数是尾数 M 的符号位，也是浮点数的符号位，也是浮点数 N 的符号位，称为尾符或数符；的符号位，称为尾符或数符； Mr是尾数的绝对值部分，称为尾码。是尾数的绝对值部分，称为尾码。 关于浮点数的两个概念关于浮点数的两个概念 规格化：移动小数点的位置，使其尾数变成其标准格式的过程。规格化：移动小数点的位置，使其尾数变成其标准格式的过程。 对阶：移动一个浮点数的小数点位置，使两个数的小数点位置对齐对阶：移动一个浮点数的小数点位置，使两个数的小数点位置对齐 （阶码相同）的过程。（阶码相同）的过程。 I

50、EEE浮点数格式浮点数格式 IEEE浮点数格式分为单精度和双精度两种。浮点数格式分为单精度和双精度两种。 单精度数为单精度数为32位，双精度数为位，双精度数为64位。位。 86 六、数的浮点表示及运算（续）六、数的浮点表示及运算（续） 单精度浮点数单精度浮点数（阶码：（阶码：8位（含阶符），尾数：位（含阶符），尾数：24位（含尾符）位（含尾符） 双精度浮点数双精度浮点数（阶码：（阶码：11位，尾数：位，尾数：53位）位） IEEE浮点数规定：浮点数规定： 规格化浮点数的小数点在数符规格化浮点数的小数点在数符Sm的后面，且小数点前有一个的后面，且小数点前有一个 隐含的隐含的“1”。即，尾数可表示

51、。即，尾数可表示12之间的数。之间的数。 数数 符符阶阶 码码 （ 8 8位位 ）尾尾 数数 （ 2 23 3位位 ） b b0 0b b2 22 2b b2 23 3b b3 30 0b b3 31 1 单单 精精 度度 浮浮 点点 数数 格格 式式 数数 符符阶阶 码码 （ 1 11 1位位 ）尾尾 数数 （ 5 52 2位位 ） b b0 0b b5 51 1b b5 52 2b b6 62 2b b6 63 3 双双 精精 度度 浮浮 点点 数数 格格 式式 87 六、数的浮点表示及运算（续）六、数的浮点表示及运算（续） 单精度浮点数的表示单精度浮点数的表示 阶码阶码=0，表示阶为，表

52、示阶为-127； 阶码阶码=7FH，表示阶为表示阶为0； 阶码阶码=80H，表示阶为表示阶为+1；阶码；阶码=FFH，表示阶为表示阶为+128。 32位浮点数所能表示的绝对值最小的非零数值为：位浮点数所能表示的绝对值最小的非零数值为： 12-127 = 5.877 10-39 若小于该数，则表示为机器零，用全 若小于该数，则表示为机器零，用全0表示。表示。 32位浮点数所能表示的绝对值最大的数值为：位浮点数所能表示的绝对值最大的数值为： 22128 = 6.8 1038 若超出该范围，则产生上溢出。若超出该范围，则产生上溢出。 例例1 +1.0= 1.0 20 , 浮点数表示为：浮点数表示为：

53、 0 011,1111, 1 0000B = 3F800000H 例例2 -3.0= -1.5 21 , 浮点数表示为：浮点数表示为： 1 100,0000,0 100, 00B=C0400000H 88 六、数的浮点表示及运算（续）六、数的浮点表示及运算（续） 例例3 -128.0625= -( 127 + 2-4 ) = -( 1 + 2-11 ) 27 = 1 100,0011,0 000,0000,0001,0000,0000,0000B = C3001000H （注：阶为注：阶为+7，阶码为，阶码为86H） 89 六、数的浮点表示及运算（续）六、数的浮点表示及运算（续） 浮点数运算浮

54、点数运算 （1）加、减运算加、减运算 对阶：使两个操作数的小数点对齐（使阶码相同）。对阶：使两个操作数的小数点对齐（使阶码相同）。 尾数相加、减。尾数相加、减。 结果规格化（注意小数点前面有一位隐含的结果规格化（注意小数点前面有一位隐含的1）。）。 舍入处理：修正对阶或规格化过程中被丢弃的有效位。舍入处理：修正对阶或规格化过程中被丢弃的有效位。 溢出判断：若阶码出现上溢出，则浮点数就发生上溢出。对最终溢出判断：若阶码出现上溢出，则浮点数就发生上溢出。对最终 结果进行判断。结果进行判断。 （2）乘、除运算）乘、除运算 参看教材参看教材 P23 （尾数相乘尾数相乘/除，得积除，得积/商及余数的尾数

55、；阶码相加商及余数的尾数；阶码相加/减，得出积减，得出积/商的商的 阶码）阶码） （3）浮点数的特点）浮点数的特点 表示的数值范围大；表示的数值范围大； 运算精度高；运算精度高； 运算复杂，所需硬件设备多。运算复杂，所需硬件设备多。 90 七、逻辑变量的表示与运算七、逻辑变量的表示与运算 逻辑变量逻辑变量 只有两个值，只有两个值，“真真”或或“假假”，1bit 可以表示一个逻辑变量。若可以表示一个逻辑变量。若“1” 表示表示 “真真”，“0”表示表示”假假”。 逻辑运算逻辑运算 逻辑运算都是比特运算。与算术运算区别在于，前者只在对应的比特逻辑运算都是比特运算。与算术运算区别在于，前者只在对应的

56、比特 之间进行，各位之间没有进之间进行，各位之间没有进/借位，本位运算结果不影响其它位。借位，本位运算结果不影响其它位。 常用的逻辑运算有：逻辑与、逻辑非、逻辑或、逻辑异或。常用的逻辑运算有：逻辑与、逻辑非、逻辑或、逻辑异或。 1. 逻辑与运算（逻辑与运算（AND） 与运算通常用于屏蔽掉某些位（清与运算通常用于屏蔽掉某些位（清0），保留某些位不变。），保留某些位不变。 例如：例如：(A5H) AND (F0H)=A0H ; 屏蔽低屏蔽低4位（清位（清0），保留高），保留高4位。位。 2. 逻辑或运算（逻辑或运算（OR） 逻辑或运算通常把某些位置逻辑或运算通常把某些位置1，某些位不变。，某些位不变。 例如例如: (A5H) OR (