第1章数制与码制

1、1微机原理及应用授课人：李艳华攀枝花学院计算机学院2第1章 微型计算机基础知识v本章主要内容：微型计算机概述计算机中数及其编码计算机中数的运算方法31.1 微型计算机系统概述v1.1.1 微处理器和微型计算机的发展及应用微处理器和微型计算机的发展及应用v微处理器微处理器地位：对于计算机来说，就好比心脏对人一样重地位：对于计算机来说，就好比心脏对人一样重要。要。发展：低级到高级，简单向复杂发展：低级到高级，简单向复杂4v第一代（第一代（19711973）是）是4位和低档位和低档8位微机。主要产位微机。主要产品有品有4004及及8008微处理机，分别组成微处理机，分别组成MCS-4和和MCS-8的

2、微型计算机。的微型计算机。v第二代（第二代（19731978）是中高档）是中高档8位微机。以位微机。以8080和和8085等为等为CPU的微型机为典型代表。的微型机为典型代表。v第三代（第三代（19781981）是）是16位微机。如以位微机。如以8086、8088及及80286等为等为CPU的微型机。的微型机。v第四代（第四代（19811992）是）是32位微机。典型的位微机。典型的CPU产品产品有有80386、80486等。等。v第五代（第五代（1993年以后）是年以后）是64位微机。代表产品为位微机。代表产品为Pentium、 Pentium Pro、 Pentium MMX、 Penti

3、um II、 Pentium III、 Pentium 4等一系列等一系列CPU产品。产品。5早期早期4004MCS-41972年年8008MCS-819738080（第一个现代的第一个现代的8位微处理器位微处理器）改进芯片改进芯片8085（兼容（兼容8080）19788086（16位）位）19798088 （16位）位）198280286（16位位DB,24位位AB-CISC)198580386（32位位DB,32位位AB）198980486（一级（一级Cache、流水线技术、流水线技术、FPU）486DX2、486DX4（倍频技术）（倍频技术）1993Pentium（奔腾，（奔腾，64位位

4、DB、32位位AB、RISC、两个一级、两个一级Cache）1995Pentium Pro（高能奔腾，（高能奔腾，RISC、14级流水线、二级级流水线、二级Cache、36位位AB）1997Pentium MMX（多能奔腾，（多能奔腾，SIMD、多媒体指令、分支预测、返回堆栈）、多媒体指令、分支预测、返回堆栈）1997Pentium II（二级（二级Canche、MMX、动态执行技术）、动态执行技术）1999 Pentium III（二级（二级Cache、动态执行、双重独立总线、动态执行、双重独立总线、MMX、SSE）2000 Pentium 4（SSE2、L2Cache、20级流水线、级流水

5、线、ADE）2005-Pentium D(两个处理核心，两个处理核心，3.6GHz)2006-Core 2(酷睿酷睿2)2008-Core i7(四核处理器四核处理器) 2009-Clarkdale(3.33-3.5GHz,双核双核4线程，首次集成图形核心线程，首次集成图形核心)6微型计算机的发展v一方面，提高微处理器的性能一方面，提高微处理器的性能提高大规模集成电路的集成度和速度，采用流水提高大规模集成电路的集成度和速度，采用流水线技术，高速缓冲存储器技术、虚拟存储器管理线技术，高速缓冲存储器技术、虚拟存储器管理技术、并行处理技术以及精简指令集技术、并行处理技术以及精简指令集RISC等技等技

6、术术v一方面，提高整个微型计算机系统的性能一方面，提高整个微型计算机系统的性能采用多处理机并行处理技术，提高系统可靠性、采用多处理机并行处理技术，提高系统可靠性、充分利用资源及进行分布处理等充分利用资源及进行分布处理等7v微型计算机的特点：功能强、产量大、体积微型计算机的特点：功能强、产量大、体积小、价格便宜、性能可靠、适应性强等小、价格便宜、性能可靠、适应性强等v微型计算机的应用：主要有科学与工程计算、微型计算机的应用：主要有科学与工程计算、数据处理和信息加工、实时控制、计算机辅数据处理和信息加工、实时控制、计算机辅助设计、智能模拟等助设计、智能模拟等8概述概述微型计算机系统的基本组成和各部

7、件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能v微型计算机系统及其组成v微型计算机系统：是指以微型计算机为主体，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和所需要的软件而构成的计算机系统。常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、编辑、汇编软件等。v微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系9微型计算机的典型结构及工作原理10v以实际系统为基础经以实际系统为基础经过简化的过简化的8位微机的位微机的典型模型开始典型模型开始v1、微机硬件系统连、微机硬件系统连接接右图所示为一种典型右图所示为一种典型微机硬件系统的结构。微机硬件系统的结构。存储器存储器CPU存储器存储器接口电路

8、接口电路 接口电路接口电路外围设备外围设备外围设备外围设备总线总线11v微机的核心部件微机的核心部件CPU是靠是靠三组总线三组总线(又称板间又称板间总线或内总线总线或内总线)将存储器、将存储器、I/O接口连接起来。接口连接起来。总线包括：地址总线、数据总线和控制总线。总线包括：地址总线、数据总线和控制总线。CPU、存储器和所有存储器和所有I/O设备之间的信息交换都设备之间的信息交换都是通过总线进行。是通过总线进行。各部件均以同一形式挂在总线上，结构简单，易各部件均以同一形式挂在总线上，结构简单，易于扩充。目前绝大多数微机硬件均采用这种结构。于扩充。目前绝大多数微机硬件均采用这种结构。12总线(

9、Bus)v1)数据总线数据总线DB(Data Bus):用于传送数据信息，其用于传送数据信息，其位数与处理器字长相等位数与处理器字长相等。“数据数据”，在计算机中有较广的涵义，可以是真正，在计算机中有较广的涵义，可以是真正的数据，也可以是指令代码、某些状态信息等的数据，也可以是指令代码、某些状态信息等双向传送数据。双向传送数据。8位微机的位微机的8根数据线分别表示为根数据线分别表示为D7D0, ,D0为最低为最低位。位。13v2)地址总线AB(Address Bus):传送地址信息，是微处理器用来寻址存储器单元或I/O接口用的总线。总线宽度(位数)将决定微处理器当前可寻址的内存储器容量范围。如

10、16条地址线可寻址216=65536个不同的地址，即：0000HFFFFH14v3)控制总线CB(Control Bus):传送控制信息，有微处理器送往存储器和外围设备的输出控制信号，如读、写、访问请求等，也有外设通过接口反馈给微处理器的输入控制信号，如中断信号、总线请求信号、等待信号等。8086数据总线是16位， 8088数据总线是8位，地址总线都是20位。152、存储器组织v存储器用来存储数据和程序。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象，它们都用二进制代码的形式表示，存放在存储器中。存储器由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据缓冲器以及控制电路组成，其结构如下图：16存储器结构A

11、BCBDB地址寄存器地址译码器数据缓冲器控制电路存储单元.地址 内容 7 0 位00H01H FEFFH FFFFH来自CPU的地址信号1616来自CPU的控制信号至CPU数据总线817v存储体由很多存储单元组成，每个存储单元存放一个数据或一条指令，每个存储单元有一个唯一的编址。v当CPU要对存储器进行读操作时，CPU通过16条地址总线将存储单元的地址送入地址寄存器，再经地址译码器译码后，寻找到指定的存储单元。CPU再发来读信号RD，将其中存放的8位数据读出到数据缓冲器，然后通过数据总线输入到CPU中。18写操作时写操作时，CPU通过通过16条地址总线将存储单元的条地址总线将存储单元的地址送入

12、地址寄存器，再经地址译码器译码后，地址送入地址寄存器，再经地址译码器译码后，寻找到指定的存储单元。寻找到指定的存储单元。CPU还通过数据总线把还通过数据总线把要写入的要写入的8位数据送到数据缓冲器，在写信号位数据送到数据缓冲器，在写信号WR作用下，把数据写入到指定的存储单元。作用下，把数据写入到指定的存储单元。注意：写操作破坏了该单元原存内容注意：写操作破坏了该单元原存内容。193、微处理器组织v主要由寄存器组、运算器、控制部件以及数据和地址缓冲器组成，各部件由片内总线连接。v(1)寄存器组：包括通用寄存器B、C、D、E、H、L和程序计数器PC(专用寄存器)等。每个通用寄存器都由8位触发器组成

13、，它们可以暂存参加运算的操作数或中间结果，避免中间结果在CPU与存储器之间来回传送，以减少访问存储器的次数，提高运算速度。20v程序计数器PC(Program Counter)是一个16位寄存器，是专门设置来存放现行指令的16位地址。每当存储器按PC指定地址取出一条单字节(或多字节指令的第一字节)指令后，PC就自动加1，指向下一条指令(或多字节指令)的地址，如此就可实现按先后顺序读取和执行指令了。21v(2)运算器：由累加器A、暂存器TMP、算术逻辑单元ALU、标志寄存器F等部件组成。累加器A(Accumulator)由8位触发器组成。它有两个作用：运算前寄存第一个操作数，是ALU的一个输入端

14、；运算后存放ALU的运算结果。暂存器TMP(Temporarty)是一个8位的内部寄存器，用来暂存从内部数据总线的来自寄存器或存储单元的另一操作数，是ALU的另一个输入端。它不能由使用和程序控制。22算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit):完成各种算术逻辑运算。累加器A的内容作为第一个操作数，暂存器TMP内容作为第二个操作数，有时还包括标志寄存器F的进位C。操作结果S送回累加器A，同时把操作结果的一些特征送标志寄存器。标志寄存器F(Flag):指示CPU执行当前指令的结果特征和运行状态，如：运算结果是否为零，运算结果是否进位等，可以用来作为控制程序转移的条件。23v(

15、3)控制部件：包括指令(操作码)寄存器IR、指令译码器ID、时序及控制电路。CPU根据PC指定的地址，把指令的操作码从存储器取出以数据总线DB送到指令寄存器IR中寄存，指令译码器ID对操作码进行译码产生相应操作的控制电位，再与定时信号组合形成相应的控制信号，称微操作，它按时间的先后顺序控制适当的部件，完成适当的操作，从而完成指令规定的任务。24v(4)数据和地址缓冲器：是总线缓冲器，用来隔离微处理器的内部总线和外部总线并增加总线驱动能力。数据缓冲器DR是8位双向三态缓冲器，地址总线缓冲器AR是16位单向三态缓冲器。v微机工作过程：计算3+5=？的过程。25微机工作过程261.1 二进制数的基础

16、知识一、 任意进制数的表示 任意P进制数N可以表示成多项式的形式：1)(NMiiiPPKN 式中i表示数的某一位， 表示第i位的数字，P为基数， 为第i位的权，M、N为正整数。 =0,1P-1。iKiPiK271.1 二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意十进制数N，有：11010NMiiiKNiK（ =0，1，9）=10)32.357(21012102103107105103=357.32如:281.1 二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意二进制数 ，有：122NMiiiKNiK（ =0或1）2N如:2)011.1101(321012321212021202121 =10)37

17、5.13(=291.1 二进制数的基础知识对于n位整数m位小数的任意十六进制数有：11616)(NMiiiKNiK（ =0，1，9，A，B，C，D，E，F）如:16)4 .3( C1011641612163=10)25.60(=以上方法称为位置计数法或位置加权法301.1 二进制数的基础知识二、 各种进制间的相互转换1. 十进制 任意进制数（设为P进制）的转换规则（1）整数部分：N 除以P取余数 16 18 余数为：D= 0K16 1 余数为：2= 1K16 3012K 0 余数为：1= 例1. 十进制数301 十六进制数转换过程如下： 301=12DH311.1 二进制数的基础知识2 301

18、2 150 余数为：1=0K2 75 余数为：0=1K2 37 余数为：1=2K2 18 余数为：1=3K2 9 余数为：0= 4K2 2 余数为：0= 6K2 4 余数为：1= 5K2 1 余数为：0= 7K8K0 余数为：1= 例2. 十进制数301 二进制数 转换过程如下： 301=100101101B低位高位321.1 二进制数的基础知识（2）纯小数部分：N乘以P取整数 例1. 十进制小数0.6875 二进制小数 转换过程如下： 0.6875=0.1011B例2. 十进制小数 十六进制小数转换过程如下： 0.6875=0.B H低位高位4K0.52 =1.0 =1 3K0.752 =1

19、.5 =1 2K0.375 2 =0.75 =01K0.68752 =1.375 =1 1K0.687516 =11.0 =B 331.1 二进制数的基础知识2. 任意进制数 十进制数的转换规则按权展开，即位置加权法1001001011010.101001111 B 1 2 5 A . A 7 8 H如：3. 二进制 十六进制数的转换规则341.1 二进制数的基础知识三、 二进制数的算术运算 二进制计数制不仅物理实现容易，且运算方法也比十进制计数制大为简单，所以计算机中均采用二进制数。 二进制数的算术运算包括加、减、乘、除。例：1 0 1 1 0 1 0 1 B+ 0 0 0 0 1 1 1

20、1 B 、1 1 0 0 0 1 0 0 B、1 0 1 1 0 1 0 1 B- 0 0 0 0 1 1 1 1 B1 0 1 0 0 1 1 0 B351.1 二进制数的基础知识四、 二进制数的逻辑运算二进制数的逻辑运算包括与、或、异或、非四种运算。1 0 1 1 0 1 0 1 B 0 0 0 0 1 1 1 1 B1 0 1 1 1 1 1 1 B1 0 1 1 0 1 0 1 B 0 0 0 0 1 1 1 1 B1 0 1 1 1 0 1 0 B1 0 1 1 0 1 0 1 B例： 0 0 0 0 1 1 1 1 B0 0 0 0 0 1 0 1 BX= 1 0 1 1 0 1

21、0 1 B = 0 1 0 0 1 0 1 0 BX361.2 计算机中的数及其编码v1.2.1 机器数和真值一个数在机器(计算机)中的表示形式称为机器数，而把这个数用“+”“-”表示其正负，则称其为真值如真值：N1=+1101001B=+105，N2=-1101001B=-105对应机器数：N1:01101001,N2:11101001371.2.2 符号数、无符号数v用0表示正数、1表示负数的符号，这种表示称为带符号表示，其最高位为符号位v把全部有效位都用以表示数的大小，这种表示称为无符号表示。v机器数11001011看作是符号数，其真值是-75；看作无符号数，其真值是203381.2.3

22、 原码、反码和补码v一个数的数值和符号都用二进制数码表示时，一个数的数值和符号都用二进制数码表示时，如何处理符号位？如何处理符号位？v方法：把符号位和数值位一起进行编码。方法：把符号位和数值位一起进行编码。391、原码v以最高位为以最高位为0表示正数，表示正数，1表示负数，后面各表示负数，后面各位为数值。位为数值。X1=+67=+1000011B X1原原=01000011BX2=-67=-1000011B X2原原=11000011B注：注：0的原码有两种表示形式：的原码有两种表示形式：+0原原=00000000B -0原原=10000000B v优点：简单易懂，与真值转换方便优点：简单易懂

23、，与真值转换方便v缺点：原码表示的数不便于加减运算缺点：原码表示的数不便于加减运算402、反码v正数的反码与它原码相同，负数的反码与它正数的反码与它原码相同，负数的反码与它的原码除符号位外各位取反。的原码除符号位外各位取反。X1=+83=+1010011B X1反反=01010011BX2=-83=-1010011B X2反反=10101100B注：注：0的反码有两种表示形式：的反码有两种表示形式：+0反反=00000000B -0反反=11111111B 413、补码v引入补码的目的在于：将加、减法运算化为单纯的引入补码的目的在于：将加、减法运算化为单纯的加法运算加法运算v正数的补码与它原码

24、相同，负数的补码等于它的反正数的补码与它原码相同，负数的补码等于它的反码加码加1。X1=+67=+1000011B X1补补=X1原原=01000011BX2=-67=-1000011B X2补补=X2反反+1=10111101B注：注：0的补码有一种表示形式：的补码有一种表示形式：+0补补=-0补补=00000000B 42利用原码求补码 一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外，其余各位按位取反，再在最低位加1。补X如：x=-1010111B= 10101000B+1=10101001B原X=11010111B值的注意的是：0的补码只有唯一的形式，符号位和数值位 均为0。无正负0之分。4

25、3（3）数的补码表示转换为原码表示 一个用补码表示的负数，如将 再求一次补，即将 除符号位外取反加1，就可得到 ，用下式表示：原X补X补X原X补X补=补X补补X如： = 10101001B= 11010111B=原X44原码、反码和补码比较v1)对于无符号数，对于无符号数，8位二进制数的范围为位二进制数的范围为0255，n位位?。对带符号数，原码、反码和补码所能表示的对带符号数，原码、反码和补码所能表示的数值范围是数值范围是不完全相同不完全相同的。的。8位二进制数位二进制数原码原码和反码和反码的表示范围都为的表示范围都为-127+127，补码补码数数的表示范围为的表示范围为-128+127。n

26、位二进制数带符位二进制数带符号数，其原码和反码的表示范围号数，其原码和反码的表示范围:-2n-1+1+2n-1-1；补码的表示范围为补码的表示范围为-2n-1+2n-1-145v2)原码和反码对于原码和反码对于0有两种表示方法，补码只有两种表示方法，补码只有一种表示方法，即在补码中数有一种表示方法，即在补码中数0的形式是的形式是唯一的。唯一的。v3)带符号数带符号数，其最高位表示符号位。，其最高位表示符号位。对于正对于正数数，三种编码都是一样的，即，三种编码都是一样的，即X原原= X反反= X补补；对于负数对于负数，三种编码就不同了，原码、，三种编码就不同了，原码、反码和补码的实质是用来解决负

27、数在计算机反码和补码的实质是用来解决负数在计算机中表示的三种中表示的三种不同编码不同编码的方法。的方法。461.2.4 数的定点和浮点表示方法v对于任意一个二进制数，都可以表示为：对于任意一个二进制数，都可以表示为：v1、数的定点表示法、数的定点表示法1。纯整数。纯整数2。纯小数。纯小数SNJ 2符号位 尾数S. 符号位. 尾数S 472 数的浮点表示v浮点数在计算机中的表示：浮点数在计算机中的表示：v例：将例：将2.5表示成字长为表示成字长为8的浮点数，要求阶的浮点数，要求阶码码2位，尾数位，尾数4数，阶符及数符各一位，阶码数，阶符及数符各一位，阶码与尾数均用原码表示。与尾数均用原码表示。J

28、f J Sf S阶符阶码数符尾数48v二进制浮点表示为：二进制浮点表示为：2.5=20100.101v注：注：阶码为整数，尾数为纯小数。阶码为整数，尾数为纯小数。尾数左移一位或小数点右移一位，阶码减尾数左移一位或小数点右移一位，阶码减1；尾数右移一位或小数点左移一们，阶码加尾数右移一位或小数点左移一们，阶码加1。v例：对于上面的例子进行变化例：对于上面的例子进行变化。0 1 0 0 1 0 1 0阶符阶码(2位)数符尾数(4位)49v为便于软件移植，按照 IEEE754 标准，32位浮点数和64位浮点数的标准格式为 v尾数最高有效位为尾数最高有效位为1，隐藏，并且隐藏在小数，隐藏，并且隐藏在小

29、数点的左边（即：点的左边（即：1M2）v32位单精度浮点数规格化表示位单精度浮点数规格化表示 (-1)s(1.) 2E-127e127（e127）v64位双精度浮点数规格化表示位双精度浮点数规格化表示 (-1)s (1.) 2E-1023e1023（e1023）指数真值指数真值e 用偏移码形式表示为阶码用偏移码形式表示为阶码规格化表示原则规格化表示原则IEEE 754标准标准511.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）一、 8421BCD码 前面讲过，计算机只认识0、1二进制代码，但人们最习惯的是十进制。为了解决这一矛盾，提出了一个比较适合于十进制系统的二进制代码的特殊形式BCD码。 BCD

30、码是用四位二进制数表示1位0 9的十进制数，而4位二进制数码有16种组合，原则上可任选10种作为代码，但为便于记忆和比较直观，最常用的是8421BCD码，8、4、2、1分别是4位二进制数的位权值。 下面给出十进制数和8421BCD编码的对应关系。521.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）1000801117011060101501004001130010200011000008421BCD码十进制数1001953 1.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）如：十进制数和BCD码相互转换75.4 BCD码75.4 =BCD)0100.01110101(BCD码10000101.0101十进制

31、数BCD)0101.10000101(=85.5 同一个8位二进制代码表示的数，当认为它表示的是二进制数和认为它表示的是二进制编码的十进制数，数值是不相同的。如：2)00011000(BCD)00011000(=24=18541.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）在计算机中，BCD码有两种基本格式a.组合式BCD码b.分离式BCD码a.组合式BCD码 两位十进制存放在一个字节中。 如数24的存放格式： 0 0 1 0 0 1 0 001234567DDDDDDDD2 4551.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）b.分离式BCD码 每位数存放在8位字节的低4位， 高4位的内容与数值无关。

32、如 数24的存放格式： 01234567DDDDDDDD x x x x 0 0 1 042 x x x x 0 1 0 0二、 BCD码的加减法运算 下面我们以组合式BCD码格式为例讨论BCD码的加减运算。 由于BCD编码是将每个十进制数用一组4位二进制数表示，若将这种BCD编码直接交计算机运算，计算机总是把它按二进制数处理，所以结果可能出错。561.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）如：38+49=87BCD0 0 1 1 1 0 0 00 1 0 0 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 1BCD38498781显然，结果出错。出错原因：十进制相加应逢十进一，但计算机按二进制运算

33、，每四位一组，低四位向高四位进位相当十六进制运算，“逢十六进一”。所以当结果超过9时将比正确值少6。解决办法：加六修正57 1.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）加六修正规则： （1）如果两个BCD码位相加没有进位，并且结果9，则该位不需修正。 （2）如果两个BCD码位相加有进位，或者其结果10，该位进行加六修正。 （3）低位修正结果使高位9时，高位进行加六修正。例：94+7=10158 1.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）1 0 0 1 0 1 0 0 941 0 1 0 0 0 0 1 高4位满足法则30 0 0 0 0 1 1 1 71 0 0 1 1 0 1 1 低4位满足法

34、则2+0 0 0 0 0 1 1 0 加六修正+0 1 1 0 0 0 0 0 加六修正+10 0 0 0 0 0 0 1 101结果正确59 1.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）减六修正规则： （1）如果两个BCD码位相减没有借位，则该位不需修正。 （2）如果两个BCD码位相减有借位，则该位进行减六修正。例：5029=2160 1.3 二进制编码的十进制数（BCD编码）0 1 0 1 0 0 0 0 500 0 1 0 0 0 0 1 21结果正确0 0 1 0 1 0 0 1 290 0 1 0 0 1 1 1 低码位有借位0 0 0 0 0 1 1 0 减六修正611.4 ASCII字符代码ASCII 美国国家信息标准交换