微型计算机原理基础

微型计算机原理与接口技术第1章计算机基础1.1

计算机中的数制2数制数的表示方法一、常用数制十进制二进制十六进制BCD码1.

十进制3两个重要概念基数：就是进位计数制的每位数上可能有的数码的个数权：是指一个数值的每一位上的数字的权值的大小例：5

610-1

10-21

2

3 4

.权：

103

102

101

100特点：基数为10，每一位有0~9这10种数码高位权是低位权的10倍加减运算法则：逢十进一，借一当十2.

二进制(1101.11)2232221202-12-2例：权：特点：每位代码非0即1，即基数为2高位权是低位权的2倍加减运算法则：逢二进一，借一当二例：(

1

0 1

)2+

(

1

1 1

)2(

1

1

0 0

)2(

1

1

0 1

)2- (

1

0

1 0

)2(

0

0

1 1

)243.

十六进制5人们最常用的是十进制，但在计算机中为了物理实现的方便，采用的是二进制人们为了书写阅读方便，又常常采用十六进制数来表示二进制数十六进制的基数是16，权值为160、161、…，基数数码有0、1、…、9、A、B、C、D、E、F十六进制用H表示，二进制数用B表示，十进制用D表示（或者不用）十六进制数：62H、3F2AH二进制数：1101B、10000001B十进制数：2430D、36D十六进制与二进制的关系每4位二进制数可用1位十六进制数表示64位二进制数等值的一位十六进制数4位二进制数等值的一位十六进制数00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F例1：(10,1001,1010,1111)2

=(29AF)16B

3

H例2：

(

2

9

A

F

)16权：

163

162

161

160特点：每位代码：0~9，A~F高位权是低位权的16倍加减运算法则：逢十六进一，借一当十六例：3

9H45H+7

AH-26H1

F

H74.BCD码8计算机中采用二进制，但二进制书写、阅读不便，所以在输入输出时人们仍习惯使用十进制采用二进制数对每一位十进制数字进行编码来表示一个十进制数，这种数叫做BCD码BCD码有多种形式，最常用的是8421BCD码，它是用4位二进制数对十进制数的每一位进行编码，这4位二进制码的值就是被编码的一位十进制数的值4位二进制数等值的1位BCD码数等值的1位十进制数4位二进制数等值的1位BCD码数等值的1位十进制数0000000001000100080001000111001100190010001021010非法BCD码001100113101101000100411000101010151101011001106111001110111711119BCD码在计算机中的存储分为紧凑型（组合型）和非紧凑型（非组合型）两种例：紧凑型BCD码：37

=

0011,

0111B非紧凑型BCD码：37

=

0000,

0011B0000,

0111B10二、数制转换11二、八、十六进制数→十进制数算法：每位的代码与该位的权相乘，再累加求和例1：例2：1101.11B=

1×23

+

1×22

+

0×21

+

1×20

+

1×2-1

+

1×2-2=

8

+

4

+

0

+

1

+

0.5

+

0.25=

13.7529AFH=

2×163

+

9×162

+

10×161

+

15×160=

8192

+

2304

+

160

+

15=

106712.

二进制数→十六进制数12算法：四位二进制数为一组，每组用等值的十六进制代换例：101011.11

B＝10,1011.1100

B

=

2B.C

H十六进制数→二进制数算法：一位十六进制数用等值的四位二进制数代换例：17E.58

H

=

0001,0111,1110.0101,1000B4.

十进制数→二进制数①十进制整数→二进制数算法：除２取整，直到商为零为止，倒排2

112

52

22

10……余1……余1……余0……余111

=

1011B13②十进制数纯小数→二进制数算法：乘2取整，直到乘积的小数部分为0时止，顺排0.81252××××1.62521.25020.521.00.8125

=

0.1101B14③十进制带小数→二进制数15整数、纯小数分别计算，再合并例1：11.8125=

?

B 11.8125

=

11

+

0.8125=

1011B

+

0.1101B=

1011.1101B例2：设X=01010110B，Y=5

AH，问：X和Y谁大?∵

X

=

01010110B

=

86Y

=

5AH

=

90∴Y大不同数制的数比大小,可看它等值的十进制数谁大1.2

计算机中数据的编码16数据的编码是为了解决不同信息在计算机中的具体表示计算机中数据的编码包括：字符数据的编码数值数据的编码一、字符的编码—ASCII码17字符数据可显示字符英文大小写字母、数字符号（1~9）、其他（如%、+等）非显示字符（控制字符）如：回车符、换行符、退格符、删除符等ASCII码在计算机中，字符数据都是用二进制编码的形式表示，即每个字符被赋予一个固定的二进制编码ASCII码（美国信息交换标准编码）是最常用的字符编码ASCII码使用七位二进制编码来表示一个符号，故该编码方案中共有128个符号（27=128）标准ASCII码字符表：18L

H0000010100111001011101100000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIUS/?O←oDEL例如：键入字符‘１’，实际写入键盘存储区的是31H，即0011,0001B键入字符‘A’，实际写入键盘存储区的是41H即0100,0001B又如：欲显示‘0’，应把30H即0011,0000B

→显示存储区欲显示‘F’，应把46H

即0100,0110B

→显示存储区19要求牢记以下18个字符的ASCⅡ码：200～9的ASCⅡ码为：A～F的ASCⅡ码为：回车符的ASCⅡ码为：换行符的ASCⅡ码为：30H～

39H41H～

46H0DH0AH二、码制21解决在微型计算机中如何表示有符号数计算机只能识别0和1组成的数或代码，所以有符号数也只能用0和1来表示（一）真值和机器数的概念22真值通常，把用“+”、“-”表示的数称为真值数机器数把用符号位的0、1表示正、负的数称为机器数0

X

X

X

X

X

X

X1

X

X

X

X

X

X

X正数 负数字长包括符号位在内，一个二进制数占有的位数例如：字长n=8的二进制数，除了符号位，数值部分为7位由于数值部分的表示方法不同，有符号数可有三种表示方法，即机器数有三种形式：原码、反码和补码1.

原码23原码表示的有符号数，最高位为符号位，数值位部分就是该数的绝对值例：设某机器为8位机，即一个数据用8位（二进制）来表示则：+23

(17H)的原码机器数为00010111B-23(-17H)的原码机器数为10010111B其中最高位是符号位，后7位是数值位2.

反码24反码表示的有符号数，也是把最高位规定为符号位，但数值部分对于正数是其绝对值，而对于负数则是其绝对值按位取反（即1变0，0变1）例：+23的反码机器数为23的原码机器数为23的反码机器数为00010111B10010111B11101000B数字0的反码有2种表示：+0

=

00000000B-

0

=

11111111B3.

补码25补码表示的有符号数，对于正数来说同原码、反码一样，但负数的数值位部分为其绝对值按位取反后末位加1所得例：+23的补码为-23的反码为-23的补码为00010111B11101000B11101001B小结26①

机器数比真值数多一个符号位②

正数的原码、反码、补码与真值数相同③

负数原码的数值部分与真值相同负数反码的数值部分为真值数按位取反负数补码的数值部分为真值数按位取反末位加1④

没有负零的补码，或者说负零的补码与正零的补码相同⑤

由于补码表示的机器数更适合运算，为此，计算机系统中负数一律用补码表示⑥

补码机器数的数值范围⑦

设机器数字长为n位，用来表示整数，则n位补码数其真值范围为⑧

-2n-1

~+2n-1

–

1⑨

例1：⑩

设字长为8，则8位补码数为：1000,0000B

~0111,1111B⑪

其对应的十进制真值数为：-128

~

+127⑫

例2：⑬

设字长为16，则16位补码数为⑭

1000,0000,0000,0000B

~

0111,1111,1111,1111B⑮

则对应的十进制真值数为：-32768

~27例：真值与机器数的转换(设字长n=8)28（1）设[x]补=(96)16，则x=(

?)10?

)16解：[x]补=(96)16=10010110B则x=-1101010B=(-106)10（2）设x=(-120)10，则[x]补=(解：x=(-120)10

=(-1111000)2则[x]补=(1000,1000)2

=(88)16)16（3）设x

=

(

100

)10，则[x]补

=

(

?解：x=(100)10

=(+110,1100)2则[x]补=(0110,1100)2

=(6C)16若已知一个负数的补码，再取一次补等于其原码，即{[x]补}补=[x]原（4）设[x]补

=

(

96

)16,则x

=

(

?)10解：[x]补=(96)16

=1001,0110B1110,1001B+

1[x]原=1110,1010B则x=-110,1010B=(-106)10数值位逐位取反末位加129（二）整数补码的运算30关于“模”的概念一个计量器的最大容量称为该计量器的“模”例1：四位计数器能存0000～1111共十六个数∴模＝24例2：八位计数器能存0000,0000～1111,1111共256个数∴模＝

28例3：十六位计数器能存0000,0000,0000,0000～1111,1111,1111,1111共65536个数∴模＝

2162.

四位的加法器（由四个全加器组成）若计算8+8，则=0，进位为1进位为“1”，其值为16，就是四位加法器的“模”，它被运算器“丢失”了100011

1

1∑

∑0

0

1

1∑

∑1

1

1

0模=24=16在加法器上进行运算：7

+

6

=

13，进位为0313.整数补码的加减运算32[x+y]补=[x]补+[y]补[x–y]补=[x]补+[-y]补符号位参加运算以2n为模（n为字长）当真值满足下列条件时，结果正确，否则结果错误-

2n-1≤

x,

y,

x+y,

x-y

<

+

2n-1例1：设x=(66)10，y=(51)10，以28为模，补码运算x+y

和x-y0,

0111,

0101B1,

0000,

1111B被运算器丢失，保存在进位标志寄存器中[x+y]补=0111,0101B∴x+y=+117,√进位=033[x-y]补=0000,1111B∴x-y=+15,√进位=1解：

x

+

y：[x]补=0100,0010B+

[y]补=0011,0011Bx

-

y：[x]补=0100,0010B+

[-y]补=1100,1101B例2：以28为模，补码运算，求66+99和-66-990,

1010,

0101B1,

0101,

1011B被运算器丢失，保存在进位标志寄存器中[66+99]补=1010,0101B∴66+99=-91,×进位=034[-66-99]补=0101,1011B∴-66-99=+9×1,进位=1解：

66

+

99：[66]补=0100,0010B+

[99]补=0110,0011B-66

-

99：[-66]补=1011,1110B+

[-99]补=1001,1101B错误原因：∵字长n=8的补码数，其取值范围是：-128～+127而：66+99=165，真值超过127，-66-99=-165，真值小于-128总之，∵运算器位数不够，不能表示165和-165∴运算结果错误35（三）无符号数的概念计算机处理的数值数据，包括：有符号数和无符号数两类有符号数用补码表示，其最高位代表符号什么是无符号数？数的最高位不代表符号，而是数值的一部分即没有符号位某数是无符号数还是有符号数，其物理意义是由程序员定义!有符号数无符号数例1：某课程成绩没有负数，所以成绩应视为无符号数例2：某科室工资总额是无符号数例3：数N=1111,1111B

，物理意义：-1和25536（四）溢出和进位37概念：进位：运算后，最高位向更高位的进位值溢出：运算结果超出了运算器所能表示的范围下列情况就发生了溢出：①

8位加法器，运算无符号数，结果≥256②

8位加法器，运算有符号数，结果>+127或者<-128③

16位加法器，运算无符号数，结果≥65536④

16位加法器，运算有符号数，结果>215-1或者<-215值保存溢出标志置为CF∑进位标志2.

计算机怎样表示进位和溢出①

运算器对有符号溢数出和标无志符号数同样对待②

最高位的进位

OF

在“和进的最位高标位志寄存器”中③

若加数与被加数的最高位相同，却与结果的最高位相异，则将

溢出判断电路1加数 来自低位的进位值被加数383.

程序员如何判断溢出错？39①

如果参与运算的数是无符号数，则判进位标志，即：进位标志CF=1，表示溢出错①

如果参与运算的数是有符号数，则判溢出标志，即：溢出标志OF=1，表示溢出错无符号数有符号数例1：无符号数40有符号数加数

0100,

0010B66+66被加数

0110,

0011B99+99和

0,

1010,

0101B√165165×-91+165CF

=

0,

OF

=

1例2：CF

=

1,

OF

=

1加数

1011,1110B190-66被加数

1001,1101B157-99和

1,

0101,

1011B×91347+×91-1651.3

计算机系统的基本组成一、计算机系统组成硬件中央处理器存储器系统I/O接口电源系统I/O设备软件系统软件应用软件主机箱41计算机的发展第1代（1946~1957）采用电子管作为逻辑部件第2代（

1957~1965

）采用晶体管作为逻辑部件第3代（

1965~1971

）采用中、小规模集成电路为主要部件第4代（

1971~现在）采用大规模、超大规模集成电路为主要部件42冯·

诺依曼体系结构现代计算机的硬件结构是在冯·

诺依曼体系结构思想上建立核心思想：存储程序存储器运算器控制器输入输出43计算机按体积、性能和价格等分类，可分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机什么是微型计算机？以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件-控制器和运算器的微处理器为核心所构成的计算机系统存储器运算器控制器输入输出44微型计算机的发展第1代（1971~1972）4位和低档8位微机：4004、8008第2代（1973~1977）中、高档8位微机：8080/8085第3代（1978~1984）16位微机：8086/8088第4代（1985~1999）32位微机：80386,

80486,

Pentium,

Pentium

Pro,

MMX

Pentium,Pentium

II,

Pentium

III,

Pentium

4第5代（2000~至今）Itanium45微型计算机的特点：体积小、重量轻、价格低廉简单灵活、可靠性高功耗低、对使用环境要求不高结构灵活、应用面广微型计算机的发展方向