第1章 微型计算机系统

1、1946年年2月月14日，美国宾夕法尼亚大学莫奇来（日，美国宾夕法尼亚大学莫奇来（Mauchly）博士和）博士和他的学生爱克特（他的学生爱克特（Eckert） 设计以设计以真空管真空管取代取代继电器继电器的的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分，电子数字积分器与计算器），器与计算器）， 用来计算炮弹弹道。用来计算炮弹弹道。用了用了18800个真空管，长个真空管，长50英尺，宽英尺，宽30英尺，英尺， 占地占地1500平方英尺，平方英尺，重达重达30吨（大约是一间半的教室大）。它的计算速度快，每秒可吨（大约是一间半

2、的教室大）。它的计算速度快，每秒可从事从事5000次的加法运算，运作了九年之久。次的加法运算，运作了九年之久。n2000年，年，Intel Pentium IVn网络参考资料网络参考资料n维基百科维基百科n/w/index.php?title=Pentium_D&variant=zh-cn#Pentium_Extreme_Editionnhttp:/ :http:/ 2.1.1 2.1.3 微处理器微处理器 累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件 寄存器阵列寄存器阵列 指令寄存器，指令译码

3、器和定时及各指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路种控制信号的产生电路 内部总线和总线缓冲器内部总线和总线缓冲器2.1.4 存储器存储器2.1.5 I/O接口接口2.1.5 I/O接口接口2.1.6 总线总线n是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路是微处理器内部各个部件之间传送信息的通路n连接计算机系统中两个主要部件的总线。连接计算机系统中两个主要部件的总线。n系统总线（或板级总线）系统总线（或板级总线） ：连接各模块、板之间的总：连接各模块、板之间的总线。线。n用于微机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信用于微机系统与系统之间，系统与外部设备之间的信息通路。息

4、通路。nCPU与主存储器之间，CPU与I/O设备之间分别设置一组总线；nCPU与所有与所有I/O设备均挂在总线上，同时又在设备均挂在总线上，同时又在CPU与主存储器之间增加了一组高速存储总线。与主存储器之间增加了一组高速存储总线。2.2 微机系统的工作过程微机系统的工作过程 对于用对于用 R 进制表示的数进制表示的数 N , 可以按权展开为：可以按权展开为：（1011.01）2=123+022+121+120+02-1+12-2 （503）8=582+081+380 （3A8.0D）16=3162+10161+8160+016-1+ 1316-2 （543.21）10=5102+4101+31

5、00+210-1+110-2表表1 各种进位制的对应关系各种进位制的对应关系 3.1.2 不同进制间的相互转换不同进制间的相互转换 1. 二、二、 八、八、 十六进制转换成十进制十六进制转换成十进制 例例 1 ：将数：将数(10.101)2, (46.12)8, (2D.A4)16转换为十进制。转换为十进制。 (10.101)2=121+020+12-1+02-2+12-3=2.625 (46.12)8=481+680+18-1+28-2=38.156 25 (2D.A4)16=2161+13160+1016-1+416-2=45.640 62 2. 十进制数转换成二、八、十六进制数十进制数转

6、换成二、八、十六进制数 任意十进制数任意十进制数 N 转换成转换成 R 进制数进制数, 需将整数部分和小需将整数部分和小数部分分开数部分分开, 采用不同方法分别进行转换采用不同方法分别进行转换, 然后用小数点将然后用小数点将这两部分连接起来。这两部分连接起来。 (1) 整数部分整数部分: 除基取余法。除基取余法。 分别用基数分别用基数 R 不断地去除不断地去除 N 的整数的整数, 直到商为零为止直到商为零为止, 每次所得的余数依次排列即每次所得的余数依次排列即为相应进制的数码。最初得到为相应进制的数码。最初得到的为最低有效数字的为最低有效数字, 最后得到的为最高有效数字。最后得到的为最高有效数

7、字。 例例 2： 将（将（168)10转换成二、转换成二、 八、八、 十六进制数。十六进制数。 (2) 小数部分小数部分: 乘基取整法。乘基取整法。 分别用基数分别用基数 R(R=2、8或或16）不断地去乘）不断地去乘N 的小数的小数, 直直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止, 每次乘每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。得的整数依次排列即为相应进制的数码。 最初得到的为最高最初得到的为最高有有效数字效数字, 最后得到的为最低有效数字。最后得到的为最低有效数字。 故：故： (0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=

8、(0.A51EB)16 例例 4 ：将（：将（168.645)10转换成二、转换成二、 八、八、 十六进制数。十六进制数。 根据例根据例2、例、例 3 可得可得 （168.645)10= (10101000.10100)2= (250.51217) 8=(A8.A51EB)16 3. 二进制与八进制之间的相互转换二进制与八进制之间的相互转换 由于由于23= 8, 故可采用故可采用“合三为一合三为一”的原则的原则, 即从小数点开即从小数点开始分别向左、右两边各以始分别向左、右两边各以3位为一组进行二位为一组进行二八换算八换算: 若不足若不足 3 位的以位的以 0 补足补足, 便可将二进制数转换为

9、八进制数。便可将二进制数转换为八进制数。 反之反之, 采用采用“一分为三一分为三”的原则的原则, 每位八进制数用三位二每位八进制数用三位二进制数表示进制数表示, 就可将八进制数转换为二进制数。就可将八进制数转换为二进制数。 例例 5 将（将（101011.01101)2转换为八进制数。转换为八进制数。 101 011 . 011 010 5 3 . 3 2 即即 （101011.01101)2= (53.32)8 例例 6 将将(123.45)8转换成二进制数。转换成二进制数。 1 2 3 . 4 5001 010 011 . 100 101 即即 （123.45)8=(1010011.100

10、101) 4. 二进制与十六进制之间的相互转换二进制与十六进制之间的相互转换 采用采用“合四为一合四为一”的原则的原则, 即从小数点开始分别向左、右即从小数点开始分别向左、右两边各以两边各以4位为一组进行二位为一组进行二十六换算十六换算: 若不足若不足 4 位的以位的以 0 补补足足, 便可将二进制数转换为十六进制数。便可将二进制数转换为十六进制数。 反之反之, 采用采用“一分为四一分为四”的原则的原则, 每位十六进制数用三位每位十六进制数用三位二进制数表示二进制数表示, 就可将十六进制数转换为二进制数。就可将十六进制数转换为二进制数。 例例 7 将（将（110101.011)2转换为十六进制

11、数。转换为十六进制数。 0011 0101 . 0110 3 5 . 6 即即 （110101.011) 2=(35.6)16 例例 8 将（将（4A5B.6C)16转换为二进制数。转换为二进制数。 4 A 5 B . 6 C0100 1010 0101 1011 . 0110 1100即即 （4A5B.6C)16=(100101001011011.011011)2 3.2.1 二进制数的算术运算二进制数的算术运算 二进制数只有二进制数只有 0和和1两个数字两个数字,其算术运算较为简单其算术运算较为简单,加、加、 减法遵循减法遵循“逢二进一逢二进一”、“借借一当二一当二”的原则。的原则。 1.

12、 加法运算加法运算规则规则: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=10(有进位有进位) 例例 1 求求1001B+1011B。 2. 减法运算减法运算规则规则: 0-0=0; 1-1=0; 1-0=1; 0-1=1(有借位有借位) 例例 2 求求1100B-111B。 3. 乘法运算乘法运算规则规则: 00=0; 01=10=0; 11=1例例 3 求求1011B1101B。 即即 10100101B/1111B=1011B 4. 除法运算除法运算规则规则: 0/1=0; 1/1=1例例 4 求求10100101B/1111B 3.2.2 二进制数的逻辑运算二进制数的逻辑运算 1

13、. “与与”运算运算 “与与”运算是实现运算是实现“必须都有必须都有,否则就没有否则就没有”这种逻辑这种逻辑关系的一种运算。关系的一种运算。 运算符为运算符为“ ”, 其运算规则如下其运算规则如下:00=0, 01=10=0, 11=1 例例 5 若若X=1011B, Y=1001B, 求求XY。 100110011011.即即 XY=1001B 2. “或或”运算运算 “或或”运算是实现运算是实现“只要其中之一有只要其中之一有,就有就有”这种逻辑这种逻辑关系的一种运算关系的一种运算, 其运算符为其运算符为“+”。 “或或”运算规则如下运算规则如下:0+0=0, 0+1=1+0=1, 1+1=

14、1 例例 6 若若X=10101B, Y=01101B, 求求X+Y。 101010110111101+即即 X+Y=11101B 3. “非非”运算运算 “非非”运算是实现运算是实现“求反求反”这种逻辑的一种运算，如这种逻辑的一种运算，如变量变量A的的“非非”运算记作运算记作 。 其其运算规则如下运算规则如下: A10, 01例例 7 若若A=10101B, 求求 。 ABBA0101010101 4. “异或异或”运算运算 “异或异或”运算是实现运算是实现“必须不同必须不同, 否则就没有否则就没有”这种逻这种逻辑的一种运算辑的一种运算, 运算符为运算符为“ ”。其运算规则是其运算规则是:

15、011 , 101 , 110 , 000例例 8 若若X=1010B, Y=0110B, 求求X Y。 101001101100即即 X Y=1100B 计算机在数的运算中计算机在数的运算中, 不可避免地会遇到正数和负数不可避免地会遇到正数和负数, 那么正负符号如何表示呢？由于计算机只能识别那么正负符号如何表示呢？由于计算机只能识别0和和1, 因此因此, 我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负。正负。 规定符号位用规定符号位用“0”表示正表示正, 用用“1”表示负。例如表示负。例如, X=-1101010B, Y=+11010

16、10B, 则则X表示为表示为: 11101010B, Y表示表示为为01101010B。 3.3.1 机器数及真值机器数及真值n1.原码、补码、反码原码、补码、反码n补码补码n机器数（符号数）：正数：符号机器数（符号数）：正数：符号0绝对值绝对值n负数：符号负数：符号12n|X|n2. BCD数数n压缩压缩BCD：1字节存储字节存储1位位BCD数数n非压缩非压缩BCD：1字节存储字节存储2位位BCD数数n3. ASCII码码n4. 数据类型数据类型n5. 浮点数浮点数3.3.2 数的码制数的码制 1. 原码原码 当正数的符号位用当正数的符号位用0表示表示, 负数的符号位用负数的符号位用1表示表

17、示, 数值部分数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码, 用用X原原表示表示, 设设X为整数。为整数。 若若X=+Xn-2Xn-3X1X0, 则则X原原=0Xn-2Xn-3X1X0=X; 若若X=-Xn-2Xn-3X1X0,则则X原原=1Xn-2Xn-3X1X0=2n-1-X。 其中其中, X为为n-1位二进制数位二进制数, Xn-2、Xn-3、 、X1、X0为二进制为二进制数数0或或1。例如。例如+115和和-115在计算机中（设机器数的位数是在计算机中（设机器数的位数是8）其原码可分别表示为其原码可分别表示为+115原原= 0111001

18、1B; -115原原= 11110011B 可见可见, 真值真值X与原码与原码X原原的关系为的关系为 值得注意的是值得注意的是, 由于由于+0原原=00000000B, 而而-0原原=10000000B, 所以数所以数 0的原码不唯一。的原码不唯一。 8位二进制原码能表示的范围是位二进制原码能表示的范围是: -127+127。 +115原原= 01110011B; -115原原= 11110011B 2. 反码反码 一个正数的反码一个正数的反码, 等于该数的原码等于该数的原码; 一个负数的反码一个负数的反码, 由由它的正数的原码按位取反形成。反码用它的正数的原码按位取反形成。反码用X反反表示。

19、表示。 若若X=-Xn-2Xn-3X1X0, 则则X反反=1Xn-2Xn-3X1X0。例如。例如: X=+103, 则则X反反=X原原=01100111B; X=-103, X原原=11100111B, 则则X反反=10011000B。 3. 补码补码 正数的补码就是它本身正数的补码就是它本身, 负数补码负数补码的求法的求法: 用原码求反码用原码求反码, 再在数值末位加再在数值末位加1, 即即: X补补=X反反+1。 8位二进制补码能表示的范围为位二进制补码能表示的范围为: -128 +127, 若超过此范若超过此范围围, 则为溢出。则为溢出。 对于对于n位计算机来说位计算机来说, 数数X的补

20、码定义为的补码定义为 即即正数的补码就是它本身正数的补码就是它本身。 例如例如, +75补补=01001001B -73补补=10000000 B- 01001001B=10110111B 0补补=+0补补=-0补补=00000000B 可见可见, 数数0的补码表示是唯一的。在用补码定义求负数补的补码表示是唯一的。在用补码定义求负数补码的过程中码的过程中, 由于做减法不方便由于做减法不方便, 一般该法不用。一般该法不用。负数补码负数补码的求法的求法: 用原码求反码用原码求反码, 再在数值末位加再在数值末位加1, 即即: X补补=X反反+1。 例如例如: -30补补=-30反反+1 =+30原原

21、+1=11100001+1=11100010B。 8位二进制补码能表示的范围为位二进制补码能表示的范围为: -128 +127, 若超过此范若超过此范围围, 则为溢出。则为溢出。 3.4 定点数和浮点数定点数和浮点数 1. 定点法定点法 定点法中约定所有数据的小数点隐含在某个固定位置。定点法中约定所有数据的小数点隐含在某个固定位置。 对于纯小数对于纯小数, 小数点固定在数符与小数点固定在数符与数值之间数值之间; 对于整数对于整数, 则把则把小数点固定在数值部分的最后面小数点固定在数值部分的最后面, 其格式为其格式为 纯小数表示纯小数表示: 数符数符. 尾数尾数 .小数点小数点.小数点小数点 2

22、. 浮点法浮点法 浮点法中浮点法中, 数据的小数点位置不是固定不变的数据的小数点位置不是固定不变的, 而是可而是可浮动的。浮动的。 因此因此, 可将任意一个二进制数可将任意一个二进制数N表示成表示成N=M2E其中其中, M为尾数为尾数, 为纯二进制小数为纯二进制小数, E称为阶码称为阶码。可见。可见, 一个一个浮点数有阶码和尾数两部分浮点数有阶码和尾数两部分, 且都带有表示正负的阶码符与且都带有表示正负的阶码符与数符数符, 其格式为其格式为 设阶码设阶码 E的位数为的位数为m位位, 尾数尾数M的位数为的位数为n位位, 则浮点数则浮点数N的取值范围为的取值范围为 2-n2-2m+1|N|(1-2-n)22m-1 为了提高精度为