第1章计算机基础

1、 现代计算机是在微电子学高速发展与计算数现代计算机是在微电子学高速发展与计算数学日臻完善的基础上形成的，可以说现代计算机学日臻完善的基础上形成的，可以说现代计算机是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学的基本电路元件及其逐步向大规模发展的集成电的基本电路元件及其逐步向大规模发展的集成电路是现代计算机的硬件基础，而计算数学的数值路是现代计算机的硬件基础，而计算数学的数值计算方法与数据结构则是现代计算机的软件基础。计算方法与数据结构则是现代计算机的软件基础。 本章只是简要地阐述最主要的数学知识。对本章只是简要地阐述最主要的数学知识。对于已学过这些知识的读

2、者，本章将起到复习和系于已学过这些知识的读者，本章将起到复习和系统化的作用。对于未曾接触过这些内容的读者，统化的作用。对于未曾接触过这些内容的读者，本章的内容是必要的入门知识，因为这些内容都本章的内容是必要的入门知识，因为这些内容都是以下各章的基础。本章的目的是使本书能够自是以下各章的基础。本章的目的是使本书能够自成系统，读者不必依赖于更多的参考书籍。成系统，读者不必依赖于更多的参考书籍。l1.1计算机发展概述计算机发展概述l1.2运算基础运算基础l1.3 计算机系统的组成及程序执行过程计算机系统的组成及程序执行过程习题习题一、计算机的发展概述一、计算机的发展概述以电子器件为标志划分以电子器件

3、为标志划分第一代：第一代：1946-1958 1946-1958 电子管计算机电子管计算机。磁鼓存储器，。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。体积大，耗电多。主机器语言、汇编语言编程。体积大，耗电多。主要用于科学、军事。要用于科学、军事。世界上第一台数字计算机世界上第一台数字计算机ENIACENIAC。电子计算机电子计算机是一种不需要人的直接干预就能够高是一种不需要人的直接干预就能够高速自动地进行算术和逻辑运算的电子装置。速自动地进行算术和逻辑运算的电子装置。第二代：第二代：1958-1964 1958-1964 晶体管计算机晶体管计算机。磁芯作主存磁芯作主存储器储器, , 磁盘作外存储器，开

4、始使用高级语言编磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。程。第三代：第三代：1964-1971 1964-1971 集成电路计算机集成电路计算机。使用。使用半导半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。第四代：第四代：1971-1992 1971-1992 大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。多样化。第五代：第五代：1992- 1992- 人工智能计算机人工智能计算机。模拟人的智模拟人的智能和交流方式。能和交流方式。19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制年由

5、美国宾夕法尼亚大学研制 ENIACENIAC（Electronic Electronic Numerical Integrator And calculatorNumerical Integrator And calculator），运算速度），运算速度 50005000次次/ /秒，功耗秒，功耗150kw/h150kw/h，占地，占地170m170m2 2 ，造价，造价100100万美元。万美元。l微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况第一代微处理器：第一代微处理器： 1971-1973 1971-1973 。代表产品。代表产品Intel4004,8008Intel4004,8008。前者

6、为。前者为4 4位机，后者为位机，后者为8 8位机。位机。集成度约为集成度约为20002000管管/ /片，时钟频率为片，时钟频率为1MHz,1MHz,指令指令周期为周期为20uS20uS。第二代微处理器：第二代微处理器：1973-1975 Intel8080,M6800, 1973-1975 Intel8080,M6800, 8 8位机位机 50005000管管/ /片，片， 2MHz2MHz， 2uS2uS第三代微处理器：第三代微处理器：1975-1977 Intel8085,Z801975-1977 Intel8085,Z80， M6802, 8M6802, 8位机位机 1 1万万管管/

7、 /片，片， 2.5-5MHz2.5-5MHz， 1uS1uS第四代微处理器：第四代微处理器：1978-1980 Intel8086,Z80001978-1980 Intel8086,Z8000， M6809, 16M6809, 16位机位机 3 3万管万管/ /片，片， 5MHz5MHz， 0.5uS0.5uS第五代微处理器：第五代微处理器：19801980以后以后 等等, 16, 16位机位机 1010万管万管/ /片，片， 10MHz10MHz， 0.2uS0.2uS 1983 1983以后以后 Intel80386, Motorola68020Intel80386, Motorola6

8、8020，3232位机位机 15-5015-50万管万管/ /片，片， 16MHz16MHz， 0.1uS0.1uS 新的一代微型计算机同前一代微型计算机相新的一代微型计算机同前一代微型计算机相比，集成度、时钟频率等均有大幅提高，另外，比，集成度、时钟频率等均有大幅提高，另外，还采取了一些新技术。如：超标量流水线、高速还采取了一些新技术。如：超标量流水线、高速缓存等。缓存等。二、计算机的主要特点二、计算机的主要特点 l 自动性自动性l 高速性高速性l准确性准确性l逻辑性逻辑性l通用性通用性三、计算机的分类三、计算机的分类 计算机的种类很多，从不同角度对计算机有不同的分类方法，下面从计算机处理数

9、据的类计算机的种类很多，从不同角度对计算机有不同的分类方法，下面从计算机处理数据的类型、使用范围、规模和处理能力三个角度进行说明。型、使用范围、规模和处理能力三个角度进行说明。1、按计算机处理数据的类型分类、按计算机处理数据的类型分类 数字计算机数字计算机处理的是非连续变化的数据，在时间上是离散的，输入是数字量，输处理的是非连续变化的数据，在时间上是离散的，输入是数字量，输出也是数字量，如职工编号、年龄、工资数据等。基本运算部件是数字逻辑电路，运算精度出也是数字量，如职工编号、年龄、工资数据等。基本运算部件是数字逻辑电路，运算精度高、通用性强。高、通用性强。 模拟计算机模拟计算机 处理和显示的

10、是连续的物理量，数据用模拟信号（模拟量）处理和显示的是连续的物理量，数据用模拟信号（模拟量）来表示，基本运算部件是由运算放大器构成的各类运算电路。一般说来，他不如来表示，基本运算部件是由运算放大器构成的各类运算电路。一般说来，他不如数字计算机精确、通用性不强，但速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。数字计算机精确、通用性不强，但速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。 数模混合计算机数模混合计算机兼有数字和模拟两种计算机的优点，既能接受、输出兼有数字和模拟两种计算机的优点，既能接受、输出和处理模拟量，又能接受、输出和处理数字量。和处理模拟量，又能接受、输出和处理数字量。通用计算机通用计算机指为解决各

11、种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。适用于一指为解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等广泛用途，本身有较大的适用面。般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等广泛用途，本身有较大的适用面。l按计算机的规模和处理能力分类按计算机的规模和处理能力分类专用计算机专用计算机指为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用指为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的

12、导航系统等。巨型计算机巨型计算机指运算速度快、外部存储容量大，运算速度可达指运算速度快、外部存储容量大，运算速度可达1 1亿次亿次/ /秒以上，主存容量高达几秒以上，主存容量高达几百兆字节甚至几百万兆字节，字长可达百兆字节甚至几百万兆字节，字长可达3232位的机器。价格相当昂贵，主要用于复位的机器。价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算大大/ /中型计算机中型计算机。小型计算机小型计算机微型计算机微型计算机工作站工作站服务器服务器超级计算机超级计算机按字长分类：按字长分类： 4 4位机、位机、8 8位机、位机、1616位机、

13、位机、3232位机、位机、6464位机位机按结构分类：按结构分类： 位片机：只有一位位片机：只有一位 单片机：一块芯片中包含运算器、控制器、存储单片机：一块芯片中包含运算器、控制器、存储 器和输入器和输入/输出接口。输出接口。 单板机：单板机：CPU，存储器，存储器，I/O接口，键盘及显示接口，键盘及显示 电路制作在一块印刷线路板上。电路制作在一块印刷线路板上。 微机系统：运算器和控制器为核心，加上由大规模微机系统：运算器和控制器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器、输入集成电路制作的存储器、输入/输出接口和输出接口和系统总线，再配以相应的外部设备系统总线，再配以相应的外部设备(例如，例如

14、，键盘、显示器、鼠标、打印机键盘、显示器、鼠标、打印机)、电源、辅、电源、辅助电路和控制微机工作的软件助电路和控制微机工作的软件四、计算机的应用四、计算机的应用 举例举例五、计算机技术的发展趋势五、计算机技术的发展趋势 两极化两极化 多媒体技术多媒体技术 网络化网络化 智能化智能化 非冯非冯.诺依曼体系结构诺依曼体系结构一、进位计数制一、进位计数制按照进位的方法进行计数，称为进位计数制。按照进位的方法进行计数，称为进位计数制。 常见的进位计数制有：二进制、八进制、十进常见的进位计数制有：二进制、八进制、十进制、十二进制、十六进制等等。制、十二进制、十六进制等等。R进制数的特点：进制数的特点：1

15、、具有、具有R个不同的数符。个不同的数符。0，1，2, , R-12、逢、逢R进一。进一。进位计数制的一般表达式进位计数制的一般表达式(按权展开式按权展开式)：R进制数的表示方法，任一进制数的表示方法，任一R进制数进制数S可表示为可表示为 S=an-1an-2a1 a0. a-1a-m 位置表示法位置表示法 =an-1Rn-1+ +a1R1a0R0a-1R-1a-mR-m （按权展开式）（按权展开式）其中其中:ai ：R进制中的数字符号进制中的数字符号 R：基数：基数 Ri：位权，简称权：位权，简称权1. 十进制十进制ND 特点特点:(1) 有十个数码：有十个数码：09 (2) 逢十进一逢十进

16、一 加权展开式以加权展开式以10为基数，各位系数为为基数，各位系数为 09。 ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 + d-110-1+例例:(1234.5)10 = 1103 +2102 +3101 +4100 +510-12. 特点：特点：(1)两个数码：两个数码：0、1 (2) 逢二进一逢二进一加权展开式以加权展开式以2为基数，各位系数为为基数，各位系数为0、1。 NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+例：例： 1101.101B = 123+122+021+120+ 12-1+12-3 3. 特点：特点：(1) 十六个数码

17、十六个数码09、AF (2) 逢十六进一。逢十六进一。展开式以十六为基数，各位系数为展开式以十六为基数，各位系数为09，AF。NH = hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+例：例：DFC.8H =13162 +15161 +12160 +816-1 注意：注意：不同进位制数以不同进位制数以后缀后缀区别区别,十进制数可不十进制数可不 带后缀。或加括弧，再在括弧之后注明。带后缀。或加括弧，再在括弧之后注明。101、101D、101B、101H、101H(20)10、(1101)2、(345)161二、十六进制数转换成十进制数二、十六进制数转换成十进制数方法：方

18、法：先将二、十六进制数按权展开，然后按照先将二、十六进制数按权展开，然后按照 十进制运算法则求和。十进制运算法则求和。举例：举例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3 =(11.625)10DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = (3580.5)10方法：方法：整数部分整数部分,除基取余除基取余（不断除以所要转换的进制基数，直至商为（不断除以所要转换的进制基数，直至商为0。每除。每除一次取一个余数，从低位排向高位。）一次取一个余数，从低位排向高位。）；小数部分；小数部分,乘基取整乘基取整（用转换进制的（用转换进制的基数乘以小数部分，直至小

19、数为基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。）高位排到最低位。）例例: a. 39转换成二进制数转换成二进制数 (39)10=100111B b. 208转换成十六进制数转换成十六进制数 208D = D0H例：例：a. (15.8125)10转换成二进制数转换成二进制数 b. 0.625D转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625D = 0.AH c. 208.625D 转换成十六进制数转换成十六进制数 208.625 D= D0.AH15 1 2 7

20、1 2 3 1 1 0.8125 * 2 1.6250 * 2 1.250 * 2 0.5 * 2 1(15.8125)(15.8125)1010=1111.1101=1111.1101由由24=16可知可知 四位二进制数对应一位十六进制数四位二进制数对应一位十六进制数。例例: 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 =1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C 二进制转换为二进制转换为16进制时，整数部分从最低位进行进制时，整数部分从最低位进行划分，每划分，每4位二进制数为一组，不足位

21、二进制数为一组，不足4位的，最高位位的，最高位补零；小数部分从最高位进行划分，每补零；小数部分从最高位进行划分，每4位二进制数位二进制数为一组，不足为一组，不足4位的最低为补零位的最低为补零 数字系统中的信息有两类，一类是数码信息，数字系统中的信息有两类，一类是数码信息，另一类是代码信息。另一类是代码信息。数码信息数码信息就是在就是在数字系统中进数字系统中进行运算、存储和传输的数值行运算、存储和传输的数值。为了表示字符等一类。为了表示字符等一类被处理的信息，也需要用一定位数的二进制数码表被处理的信息，也需要用一定位数的二进制数码表示，这个特定的二进制码称为代码。注意，示，这个特定的二进制码称为

22、代码。注意，“代码代码”和和“数码数码”的含义的含义不尽相同，代码是不同信息的代不尽相同，代码是不同信息的代号，不一定有数的含义。一般地一个码字是由若干号，不一定有数的含义。一般地一个码字是由若干信息位组成的，每位有信息位组成的，每位有0和和1两种代码。两种代码。n位代码可位代码可以组合成以组合成2n个不同的码字，即它们可以代表个不同的码字，即它们可以代表2n种不种不同信息。同信息。三、计算机中的编码系统三、计算机中的编码系统(Binary Coded Decimal)(Binary Coded Decimal)特点：特点： （1）BCD码有十个不同字符，逢十进一，是码有十个不同字符，逢十进一

23、，是十进制数。十进制数。（2）每一位十进制数用）每一位十进制数用4 位二进制编码表示，位二进制编码表示，是二进制编码的十进制数。是二进制编码的十进制数。 （3）直观。）直观。注意：注意：BCDBCD码码 十进制码十进制码 二进制二进制 除除BCD编码外，还有其他二进制编码的十进编码外，还有其他二进制编码的十进制数。如余制数。如余3码、余码、余3循环码等。循环码等。例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码 876.7876.7 = = （1000 0111 0110.01111000 0111 0110.0111）BCDBCD 876 = 36CH = 1101101100B

24、 876 = 36CH = 1101101100B(ASCII码码 American Standard Code For Information Interchange，美国标准，美国标准信息交换码信息交换码) 可表示可表示128种字符的种字符的7位基本位基本ASC码和可表示码和可表示256种字符的种字符的8位扩充位扩充ASC码（可重新定义）。码（可重新定义）。字符可分为：字符可分为：显示字符显示字符和和控制字符控制字符。 见见P345 附录附录C 09：ASCII码码 30H39H AZ： 41H5AH az： 61H7AH行行列列0000010100111001011101110000NU

25、LDLESP0P、p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2”2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB 7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM )9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+ ；Kk1100FFFS ，Ll 1101CRGS=Mm1110SORSNn1111SIUS/ ？O_oDEL（1）机器数与真值）机器数与真值机器数：机器数：计算机中数的表示形式，以二进制的形计算机中数的表示形式，以二进制的形式表示，位数通常为式

26、表示，位数通常为8的倍数的倍数 。一般。一般数的最高数的最高位作符号位，位作符号位，“0”表示表示“+”， “1”表示表示“- -”。真值：真值： 机器数所代表的实际数值。可用二进制机器数所代表的实际数值。可用二进制 表示，也可用其他进制表示。表示，也可用其他进制表示。举例：一个举例：一个8位机器数与它的真值对应关系如下：位机器数与它的真值对应关系如下： 真值：真值： X1= 84 = +1010100B X2 = - -84= - -1010100B 机器数：机器数： X1机机= 01010100B X2机机= 11010100Bl原码原码(True Form)定义：正数符号位为定义：正数符

27、号位为0，负数为，负数为1，数值位保持不变，数值位保持不变例：例：X=124 X原原 =01111100 (8位位) Y=- -124 Y原原 =11111100 (8位位)8 8位数的范围：位数的范围：-127 +127（- -(27-1 ) 27-1 ） 1111111101111111 1616位数的范围：位数的范围：-32767 +32767特点特点: (1)能表示两个能表示两个0，0+=00000000 0- -=10000000 (2)和真值近似，一目了然和真值近似，一目了然定义：正数的反码与原码表示相同。定义：正数的反码与原码表示相同。 负数反码符号位为负数反码符号位为 1，数值

28、位为原码数值，数值位为原码数值各位取反。各位取反。 0+反反= 00000000 0-反反= 11111111 -127反反= 10000000例例: 8位反码机器数：位反码机器数： x= 4： x原原= 00000100 x反反= 00000100 x= - -4 ： x原原= 10000100 x反反= 11111011 x= 100： x原原= 01100100 x反反= 01100100 x= - -100 ： x原原= 11100100 x反反= 10011011特点：特点：（1 1）0 0有两种表示方法有两种表示方法（2 2）8 8位：位：-127-127 +127 16127 1

29、6位：位：-32767-32767 +32767+32767（3 3）符号位为）符号位为0 0，正数，后面，正数，后面7/157/15位是其数值；位是其数值； 符号位为符号位为1 1，负数，后面，负数，后面7/157/15位按位取反。位按位取反。如：如： x反反= 00000101 x=5 y反反= 11111110 y=-11.1.模模 计数系统的量程计数系统的量程定义：假定有定义：假定有n n位二进制计数器，其计数范围为位二进制计数器，其计数范围为0 0(2(2n n-1)-1)，在该计数器上加，在该计数器上加2 2n n与减与减2 2n n结果不变，称结果不变，称2 2n n为为n n位

30、计数系统的模。位计数系统的模。补码（补码（Twos Complement）举例：时钟系统的举例：时钟系统的“模模”为为12 数字系统中的计数器数字系统中的计数器例：例：8 8位寄存器，模位寄存器，模256256100-50 = 100-50+256 = 100+206补码的引入：补码的引入：假设当前时间为假设当前时间为7点整，但钟表显示为点整，但钟表显示为9点整，为校点整，为校准钟表可采用以下方法：准钟表可采用以下方法：将时针倒转将时针倒转2圈，即：圈，即：9-2= 7将时针正传将时针正传10圈，即：圈，即：9+10=7+12（模舍弃）（模舍弃） 可见，倒转两圈和正转十圈作用相同，对于时钟系可

31、见，倒转两圈和正转十圈作用相同，对于时钟系统来说我们称统来说我们称-2和和10为互为补码。为互为补码。 即：即：-2补补=10 9+-2补补 = 9+10 = 7+12数学定义：数学定义：如果如果a和和b满足满足 a MOD M=(n* *M+b) MOD M （n为正整数，为正整数，M为模），为模）， 就称就称a和和b同余或同余或 a和和b互为补数。互为补数。 结论：结论：一个计数系统，某数加（减）其模，结果一个计数系统，某数加（减）其模，结果 不变。不变。2.2.补码补码定义：正数定义：正数同原码。同原码。 负数负数其对应的原码除符号位外求反加其对应的原码除符号位外求反加1 1。例：求例：

32、求 8位补码机器数：位补码机器数：x=+4 x原原=x反反=x补补= 00000100 x=-4 x原原 = 10000100 x反反 = 11111011 x补补 = 11111100-100原原 = 11100100 -100补补 =10011100 0-补补 =11111111+1=00000000= 0+补补 = 0补补 -127补补 =10000001 -128补补 =10000000特点：特点：（1 1）仅一个）仅一个0 0（2 2）8 8位：位：-128-128 +127 16127 16位：位：-32768-32768 +32767+32767 -2 -2n-1 n-1 2 2

33、n-1n-1-1-1 （3 3）符号位为）符号位为0 0，正数，其余位是数值；，正数，其余位是数值； 符号位为符号位为1 1，负数，其余位按位取反，负数，其余位按位取反+1+1。采用补码，可把减法转换为加法：采用补码，可把减法转换为加法：X=64-9=64+(-9)X=64-9=64+(-9)x补补= 64补补 + -9补补 =01000000+11110111三种表示方式的比较：三种表示方式的比较：表示范围：表示范围： 原码：原码：-127+127 反码：反码：-127+127 补码：补码：-128+127信息的冗余性：原码、反码存在冗余编码，补码信息的冗余性：原码、反码存在冗余编码，补码

34、不存在冗余编码不存在冗余编码运算的繁简程度：运算的繁简程度： 原码、反码对加减法需要进行不同的计算原码、反码对加减法需要进行不同的计算 补码对加减法只需进行加法运算即可。补码对加减法只需进行加法运算即可。（1）真值）真值机器数机器数 以下各例均为以下各例均为8位二进制数位二进制数1) X1=+127，X2=-127，求，求X原原 、X补补 X1原原=X1补补=01111111B= 7FH X2原原=11111111= FFH X2补补=10000001= 81H2) x1=+37,x2=-37,求求x原原,x补补 X1原原= X1补补=00100101= 25H X2原原= 10100101

35、= A5H X2补补=11011011=DBH3) x1=+45,x2=-45,求求x原原,x补补 X1原原= X1补补=00101101= 2DH X2原原= 10101101 = ADH X2补补=11010011=D3H（2）机器数）机器数真值真值注意机器数表示（原码、反码、补码）注意机器数表示（原码、反码、补码） 注意机器数符号位注意机器数符号位 1) X1原原= 59H，X2原原= D9H，求真值？，求真值？ X1原原=01011001 =+89 X2原原= 11011001 =-89 2) X1补补= 59H，X2补补= D9H，求真值，求真值? X1= +1011001B =+8

36、9 X2=10100111B =-391.补码加法运算：补码加法运算：X+Y补补=X补补+Y补补例：例：X1=+13，Y1=+6，X2=-13，Y2= -6 求求X1+Y1补补、 X2+Y2补补解：先求解：先求X1补补、 Y1补补、X2补补、Y2补补00001101+13补补 11110011 -13补补+ 00000110 +6补补 + 11111010 -6补补00010011+19补补 1 11101101 -19补补 例：例：X1=+6，Y1=+8，X2=-6，Y2=-8， 求求X1-Y1、X2-Y2解：求解：求X1补补、Y1补补、-Y1补补、X2补补、Y2补补、-Y2补补 00000

37、110 +6补补 11111010 -6补补 + 11111000 -(+8)补补 + 00001000 -(-8)补补 11111110-2补补 1 00000010 +2补补进位为模，舍弃进位为模，舍弃例例： X=150=96H，Y=10=0AH，计算，计算 X+Y=？ X-Y=？ 10010110 150 10010110 150+ 00001010 + 10 + 11110110 - 10 10100000 160 1 10001100 140 机器数机器数 无符号数无符号数 补码补码 10010110 150 -106 + 00001010 + 10 + 10 10100000 16

38、0 -96总结：总结：通过上例可以看出，计算机只是按照补码通过上例可以看出，计算机只是按照补码的运算规则进行加减法运算，其无法判断的运算规则进行加减法运算，其无法判断出参与运算的数据究竟是有符号数还是无出参与运算的数据究竟是有符号数还是无符号数。符号数。 1)定点整数：小数点固定在数值位之后。定点整数：小数点固定在数值位之后。 2)定点小数：小数点固定在数值位之前符号位之后定点小数：小数点固定在数值位之前符号位之后 格式格式 符号位符号位 数值部分（尾数）数值部分（尾数） 小数点在此为小数点在此为 小数点在此为小数点在此为 定点小数定点小数 定点整数定点整数例例1：求定点机器数：求定点机器数5

39、AH(01011010)表示的真值。表示的真值。 定点整数表示的真值：定点整数表示的真值：+ 1011010 定点小数表示的真值：定点小数表示的真值：+0.101101 例例2：求定点机器数：求定点机器数A5H(10100101)表示的真值。表示的真值。 定点整数表示的真值：定点整数表示的真值：- 1011011B 定点小数表示的真值：定点小数表示的真值：-0.1011011B定点数的运算定点数的运算 参与运算的数据要事先确定比例因子，将数据转参与运算的数据要事先确定比例因子，将数据转换为定点小数或定点整数后，进行计算。比例因换为定点小数或定点整数后，进行计算。比例因子既不能太大也不能太小，否

40、则可能造成数据的子既不能太大也不能太小，否则可能造成数据的溢出或损失精度溢出或损失精度例：例：x=10.01 , y=001.100 解：采用定点小数法：选取比例因子解：采用定点小数法：选取比例因子2-2，即将，即将x、y分别除以分别除以4（右移两位）（右移两位） x转换为转换为10.01 在机器中表示为在机器中表示为10010000 y转换为转换为001.100 在机器中表示为在机器中表示为01100000 x+y得得11110000例：例：010.01+001.100=（0.1001+0.0110）* * 22 Pf P1 P2 P3 Pm Sf S1 S2 Sn 阶符阶符 阶码阶码 数符

41、数符 尾数尾数阶码阶码P P尾数尾数S S二进制数浮点表示：二进制数浮点表示：N = 2p S SN的尾数，表示的尾数，表示N的有效数值。的有效数值。 Sf 尾数的符号位，尾数的符号位， Sf =0 正，正，Sf =1 负负 PN的阶码，表示小数点的位置（整数），决的阶码，表示小数点的位置（整数），决定定N的范围。的范围。 2 阶码的底，与尾数基数相同。阶码的底，与尾数基数相同。例：例： 0 11 0 1011 N=20 11 0 1011 N=2+11 +11 0.10110.1011 0 0000101 0 0001101 0 0000101 0 0001101 X=+0.0001101

42、2 +101 =+11.01 =+3.25 规格化浮点数：规格化浮点数：使尾数数值部分的最高位为有效使尾数数值部分的最高位为有效 数值位。尾数满足数值位。尾数满足0.5 =|S|1N1= 2 211 11 0.01011 (0.01011 (错错) ) N2= 2 210 10 0.1011 0.1011 （对）（对）注意：注意：浮点数的运算存在对阶问题，阶码不同的浮点数的运算存在对阶问题，阶码不同的 浮点数不能参与运算浮点数不能参与运算3、浮点数与定点数的比较、浮点数与定点数的比较以长度为以长度为32位的数据比较位的数据比较（1）数值的范围：）数值的范围： 定点小数（数符一位，尾数定点小数（

43、数符一位，尾数31位）范围：位）范围： 2-31=|S|=1-2-31 定点小数（数符一位，尾数定点小数（数符一位，尾数31位）范围：位）范围： 1=|S|=231-1 浮点数：阶码浮点数：阶码8位（位（1位阶符）位阶符）24位尾数（位尾数（1位数符）位数符） 2-128 2-23=|S|=2127 (1-2-23) 近似近似 0=|S|=2127 （2 2）浮点数的运算比定点数的运算复杂浮点数的运算比定点数的运算复杂 浮点数的运算存在对阶问题，阶码不同的浮点数的运算存在对阶问题，阶码不同的 浮点数不能直接参与运算。浮点数不能直接参与运算。计算机系统由软件系统和硬件系统组成计算机系统由软件系统

44、和硬件系统组成一、一、 硬件系统硬件系统1、计算机硬件的基本结构、计算机硬件的基本结构 硬件是指组成计算机的各种电子的，机械的，硬件是指组成计算机的各种电子的，机械的，光磁学的物理器件和设备。光磁学的物理器件和设备。 至今为止，不论是低档微机或是高档微机，至今为止，不论是低档微机或是高档微机，均是冯均是冯诺依曼型的机器。它主要由诺依曼型的机器。它主要由5个基本部分个基本部分组成，即：组成，即：运算器（算术与逻辑运算单元运算器（算术与逻辑运算单元ALU），），控制器，存储器，输入设备和输出设备控制器，存储器，输入设备和输出设备。图。图1.1给给出了计算机的基本组成结构的框图。出了计算机的基本组成

45、结构的框图。图图1.1运算器：用来实现算术、逻辑等运算器：用来实现算术、逻辑等各种运算的部件各种运算的部件控制器：对整个运算过程进行有规律控制协调的部件（指控制器：对整个运算过程进行有规律控制协调的部件（指令指针寄存器令指针寄存器IP,指令寄存器指令寄存器IR,指令译码器指令译码器ID,控制信号发控制信号发生器生器实现计算结果输实现计算结果输出的设备出的设备输入设备：实现计算程序和原始输入设备：实现计算程序和原始数据输入的设备数据输入的设备外存是扩大计算机存储信息能力的设备外存是扩大计算机存储信息能力的设备主机主机外设或外设或I/O设备设备CPU 存储器：内存是用来存放原始数据、中间数据及计算

46、程存储器：内存是用来存放原始数据、中间数据及计算程序的部件序的部件 在微机中，一块集成芯片可包括控制器和运算器两大部分，称为微处理器或处理器（在微机中，一块集成芯片可包括控制器和运算器两大部分，称为微处理器或处理器（center processing unit，CPU）。一台微型计算机由处理器、存储器、）。一台微型计算机由处理器、存储器、I/O接口以及若干接口以及若干I/O设备所组成。各设备所组成。各部分之间通过部分之间通过总线总线连接在一起，实现信息的交换。连接在一起，实现信息的交换。总线就是一组信号线的集合，是在计算机系统各部件之间传输信息的公共通路。总线就是一组信号线的集合，是在计算机系

47、统各部件之间传输信息的公共通路。图图1.2微型计算机的组成框图微型计算机的组成框图DB（数据总线）：双向的，与（数据总线）：双向的，与CPU的位数相对应的位数相对应AB（地址总线）：单向的，从（地址总线）：单向的，从CPU送出的，送出的， AB的位数决定的位数决定CPU可直接寻可直接寻址的内容范围址的内容范围CB（控制总线）：双向的，传送不同控制信号（控制总线）：双向的，传送不同控制信号（1）计算机的结构）计算机的结构 CPU的结构的结构 图图1.3 存储器结构存储器结构 图图1.3地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器指令寄存器指令寄存器指令指针寄指令指针寄存器（或程存器（或程序计数器）序

48、计数器）指令译码器指令译码器控制电路控制电路标志寄存器标志寄存器算术逻算术逻辑单元辑单元注意内存单元的地址和内容注意内存单元的地址和内容每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址的寻址1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容读操作读操作写操作写操作图图1.4读：将内存单元的内容取读：将内存单元的内容取入入CPUCPU，原单元内容不改变，原单元内容不改变写：写：CPUCPU将信息放入内存将信息放入内存单元，单元中原来的内容单元，单元中原来的内容被覆盖被覆盖例如，求例如，求5+4=?(1) 编制程序，并分配计算程序及数据在存储器中编制

49、程序，并分配计算程序及数据在存储器中的存放地址。的存放地址。(2) 用输入设备将计算程序和原始数据输入到存储用输入设备将计算程序和原始数据输入到存储器指定地址的存储单元中（见图器指定地址的存储单元中（见图1.5）。）。(3) 从计算程序的首地址启动计算机工作，在从计算程序的首地址启动计算机工作，在CPU的控制下完成下列操作：的控制下完成下列操作：图图 1.5 取指阶段：从首地址所在的存储单元中，取出取指阶段：从首地址所在的存储单元中，取出第一条指令的操作码送入第一条指令的操作码送入CPU中的控制器。控中的控制器。控制器经分析，确认它为何种操作（比如取数）制器经分析，确认它为何种操作（比如取数）

50、 CPU自动将存储单元地址加自动将存储单元地址加1，然后从此地址中，然后从此地址中将第一条指令操作数的地址码送到存储器的地址将第一条指令操作数的地址码送到存储器的地址译码器，并发出读命令从该单元中取出数据译码器，并发出读命令从该单元中取出数据 “5”送入送入CPU的运算器中。的运算器中。 至此第一条指令执行完毕。至此第一条指令执行完毕。CPU再次将存储再次将存储地址加地址加1，形成下一条指令的存放地址，并按，形成下一条指令的存放地址，并按此地址取出指令，在控制器中分析该指令要执此地址取出指令，在控制器中分析该指令要执行的是什么操作，并发出执行该操作所需要的行的是什么操作，并发出执行该操作所需要

51、的控制信号，直至完成该条指令所规定的操作。控制信号，直至完成该条指令所规定的操作。依此类推，直到计算程序中的全部指令执行完依此类推，直到计算程序中的全部指令执行完毕。毕。 由此可知，计算机的基本工作原理如下：由此可知，计算机的基本工作原理如下：(1) 计算机的自动计算（或自动处理）过程就是计算机的自动计算（或自动处理）过程就是执行一段预先编制好的计算程序的过程。执行一段预先编制好的计算程序的过程。(2) 计算程序是指令的有序集合，因此，执行计计算程序是指令的有序集合，因此，执行计算程序的过程实际上是逐条执行指令的过程。算程序的过程实际上是逐条执行指令的过程。(3) 指令的逐条执行是由微机或计算

52、机硬件实现指令的逐条执行是由微机或计算机硬件实现的，可归结为的，可归结为取指令、分析指令、执行指令取指令、分析指令、执行指令。如。如此重复操作，直至执行完计算程序中的全部指令，此重复操作，直至执行完计算程序中的全部指令，便可获得最终结果。便可获得最终结果。 取数指令取数指令MOV AL, 01H ，这是一条两字节指，这是一条两字节指令，机器码是令，机器码是00000100 00000001，第二字节指定，第二字节指定的是操作数的地址，该指令从的是操作数的地址，该指令从01H号单元取出数号单元取出数据送累加器据送累加器AL。（3） 执行指令的基本过程执行指令的基本过程 下面以下面以5+4=? 的

53、例子来说明指令执行的过程。的例子来说明指令执行的过程。 首先要给它编制计算程序。本例使用约定的首先要给它编制计算程序。本例使用约定的4条条指令：指令： 加法指令加法指令ADD AL, 02H ，这是一条两字节指令，这是一条两字节指令，机器码是机器码是00000010 00000010，从，从02H号单元取出数号单元取出数据与累加器据与累加器AL中的数相加，结果送中的数相加，结果送AL。 存数指令存数指令MOV 03H,AL，机器码为，机器码为00000101 00000011，将累加器，将累加器AL中的内容送中的内容送03H号单元。号单元。 打印输出指令打印输出指令OUT3，AL，这是一条两字

54、节，这是一条两字节指令，机器码是指令，机器码是00001000 00000011，将，将AL中的内容中的内容输出至输出至3号外设（打印输出）。号外设（打印输出）。 上述上述4条指令的程序有条指令的程序有8个字节，将其按次序存个字节，将其按次序存放至存储器有关单元，如图放至存储器有关单元，如图1.6所示。所示。(1) 执行程序时，给程序计数器执行程序时，给程序计数器PC赋以第一条指令赋以第一条指令的地址的地址05H，就进入第一条指令的取指阶段，就进入第一条指令的取指阶段图图1.6将将PC的内容的内容05H送至地送至地址寄存器址寄存器AR。当当PC的内容送入的内容送入AR后，后，PC的内容加的内容

55、加1变为变为06HAR把地址把地址05H通过地址通过地址总线总线AB送至存储器。经送至存储器。经地址译码器译码，选中地址译码器译码，选中05H号单元号单元CPU给出读命令至给出读命令至存储器存储器将将05H单元的单元的内容内容04H（指（指令操作码）读令操作码）读至数据总线至数据总线DB上上读出的内容经数读出的内容经数据总线据总线DB送至送至数据寄存器数据寄存器DR因是取指阶段，因是取指阶段，取出的为指令取出的为指令操作码，故操作码，故DR将其送至指令将其送至指令寄存器寄存器IR，然，然后经译码分析后经译码分析发出执行这条发出执行这条指令的各种控指令的各种控制信号。制信号。(2) 取指阶段完成

56、后，转入了第一条指令的分析执取指阶段完成后，转入了第一条指令的分析执行阶段。经过译码分析，知道这是一条从内存行阶段。经过译码分析，知道这是一条从内存单元取操作数的指令，接下去要先从指令的第单元取操作数的指令，接下去要先从指令的第二字节获取操作数地址，然后再从中读取数据。二字节获取操作数地址，然后再从中读取数据。取第一条指令操作数地址（即指令第二字节）取第一条指令操作数地址（即指令第二字节）的过程为如图的过程为如图1.7所示：所示：(3) 取操作数的过程如图取操作数的过程如图1.8所示：所示： 至此第一条指令执行完毕进入第二条指令的至此第一条指令执行完毕进入第二条指令的取指阶段。按上述类似过程直

57、至求出结果。显然取取指阶段。按上述类似过程直至求出结果。显然取指令、分析指令、执行指令的周而复始的过程就是指令、分析指令、执行指令的周而复始的过程就是计算机的工作过程。计算机的工作过程。图图1.7AR把地址把地址06H通过地通过地址总线址总线AB送至存储器。送至存储器。经地址译码器译码，选经地址译码器译码，选中中06H号单元号单元CPU给出读命令至给出读命令至存储器存储器所选中的所选中的06H单元的内单元的内容容01H（操作数地址）（操作数地址）读至数据总线读至数据总线DB上上读出的内容经数读出的内容经数据总线据总线DB送至送至数据寄存器数据寄存器DR因为读出的因为读出的01H为操作数地址，为

58、操作数地址，所以在控制器的所以在控制器的控制下将控制下将DR内内容送往地址寄存容送往地址寄存器器ARPC的内容的内容06H送送至地址寄存器至地址寄存器AR。当当PC的内容送入的内容送入AR后，后，PC的内容加的内容加1变为变为07H图图1.8把把AR的内容的内容01H送送至存储器，经过译至存储器，经过译码选中码选中01H单元单元CPU发出读命令发出读命令选中的选中的01H单元的内容单元的内容05H读至数据总线读至数据总线DB上上通过通过DB把读出把读出的内容的内容05H送至送至数据寄存器数据寄存器DR因已知读出的因已知读出的05H是操作是操作数，且要求把它送至累加数，且要求把它送至累加器器AL

59、，故由，故由DR通过内部通过内部数据总线将其送至数据总线将其送至AL（1）控制器的作用：按照指令要求，严格按时间节）控制器的作用：按照指令要求，严格按时间节拍产生各种微操作控制信号。拍产生各种微操作控制信号。（2）分类：）分类： 组合逻辑控制器：把产生每个微操作控制信号的组合逻辑控制器：把产生每个微操作控制信号的所用条件综合在一起，列出逻辑所用条件综合在一起，列出逻辑表达式并简化，用组合电路实现。表达式并简化，用组合电路实现。 微程序控制器：把执行每一条指令的微操作按步微程序控制器：把执行每一条指令的微操作按步骤编成微程序，并存到位于控制骤编成微程序，并存到位于控制器内的控制存储器中。器内的控制存储器中。软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现软件：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。某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作